Introducción

La volumetria o valoración es la medición cuantitativa de la capacidad de combinación de una sustancia con respecto a un reactivo.

En general, las valoraciones se realizan agregando cuidadosamente un reactivo de concentración conocida a una solución de la sustancia, hasta que se juzga que la reacción entre ambos a sido completa, luego se mide el volumen del reactivo empleado. La solución del reactivo de composición exactamente conocida que se utiliza en una valoración recibe el nombre de solución valorada o solución patrón.

La exactitud con que se conoce su concentración pone un límite definido a la exactitud del análisis. En general, la concentración de estas soluciones se determina por uno de los métodos siguientes.

1) Se valora con el reactivo una cantidad pesada exactamente de un compuesto puro, y se calcula la concentración de aquél a partir de la correspondiente medición del volumen consumido; o

2) La solución patrón se prepara diluyendo una cantidad exactamente pesada del propio reactivo puro, a un volumen conocido exactamente.

En ambos casos se necesita un compuesto químico extremadamente puro –llamado patrón primario o substancia tipo primario- como material de referencia. El proceso por el cual se determina la concentración de una solución por valoración de un patrón primario se denomina estandarización o simplemente valoración.

Para la detección del punto final en análisis volumétrico consiste en agregar unos determinados compuestos químicos que experimentan un cambio de color a consecuencia de las variaciones de concentración que tienen lugar en los alrededores del punto de equivalencia. Dichos compuestos reciben el nombre de indicadores.

Características que deben poseer las reacciones volumétricas.

1) La reacción debe ser rápida.
2) La reacción tiene que ser prácticamente completa.
3) La reacción tiene que poder ser representada por una ecuación química definida.
4) Tiene que existir algún método para conocer el punto de equivalencia de la reacción, o sea, es necesario disponer de un punto final satisfactorio.

Tipos de reacciones.

Los métodos volumétricos se pueden clasificar en cuatro categorías principales, según el tipo de reacciones en que se basan. Estas son:

1) Reacciones de precipitación.
2) Reacciones de formación de complejos.
3) Reacciones ácido base o de neutralización.
4) Reacciones de oxidación-reducción.

Estas categorías difieren en los tipos de equilibrios que entran en juego; en la clase de las sustancias tipo primario, y en las definiciones de peso equivalente.

Soluciones valoradas y sustancias tipos primarios.

En general, las soluciones valoradas de los reactivos volumétricos se emplean reiteradamente, utilizándolas en series de análisis. La calidad de los resultados obtenidos en todos estos análisis está relacionada directamente con la exactitud con que sea conocida la concentración de reactivo.

Requisitos de las sustancias tipos primarios.

Las sustancias que sirven como tipos primarios tienen que poseer necesariamente ciertas propiedades:

1) Deben ser de la máxima pureza.
2) Una sustancia tipo primario debe ser estable.
3) El compuesto tiene que ser no higroscópico, ni efluorecente.
4) Todo patrón primario se tiene que poder obtener fácilmente, y no debe ser demasiado caro.
5) Finalmente tiene que poseer un peso equivalente razonablemente alto.

Peso equivalente y peso miliequivalente.

Las unidades de peso utilizadas más comúnmente en los cálculos volumétricos son el peso miliequivalente y el peso equivalente. El modo de definir estos pesos depende del tipo de valoración en la que participe la sustancia en estudio, según se trate de una valoración de neutralización, de una de óxido-reducción, o de una de precipitación o de formación de complejos. El peso equivalente de un compuesto químico se tiene que referir siempre a una reacción química específica, siendo posible la evaluación de dicha cantidad sin un cierto conocimiento de la naturaleza de esta reacción.

Unidades de concentración utilizadas en los cálculos volumétricos.

Muchas reacciones químicas se llevan a cabo en solución acuosa, o bajo condiciones en las cuales los reactivos se encuentran en estado líquido. En las soluciones las partículas se mezclan rápidamente y se pueden manejar con facilidad. Con el fin de tratar las soluciones cuantitativamente, es necesario tener patrones para representar la fuerza de las soluciones. Cualquier solución en la que se conoce la cantidad de soluto y del disolvente, se conoce como una solución tipo, se estudiarán varios métodos para expresar la concentración de las soluciones.

 Unidades de peso.

Peso fórmula-gramo (p.f.g): Es la suma de los de los pesos atómicos, expresados en gramos, de todos los átomos que aparecen en la fórmula química de una sustancia.

Peso molecular-gramo (p.m.g.): Se define como el peso fórmula-gramo de una especie química simple y real. Según esto, el peso molecular del H₂ es 2.016 gramos; pero no puede asignarse ningún peso molecular a la especie NaCl pues no se ha demostrado su existencia real. Podemos sin embargo, asignar con propiedad pesos al Na⁺(22.99 gramos) y al Cl^-(35.45 gramos) pues estas son especies químicas reales.

El peso fórmula-gramo es el peso de 6.02x10²³ unidades de la sustancia, real o no, representada por la fórmula química, así en 100 gramos de H₂ hay:

y

El mismo peso de NaCl contiene:

1, 711 moles de Na⁺

1, 711 moles de Cl^-

Métodos de la expresión de la concentración.

Composición centesimal: En química se expresa con frecuencia la concentración de las soluciones en porcentajes.

Partes por millón: Para referirse a las concentraciones de soluciones muy diluidas, la concentración se expresa más adecuadamente en partes por millón (p.p.m.)

Así, una solución que contiene 0.0003% de níquel, contiene 3 p.p.m. de este elemento.

Soluciones tipo en términos de cantidades molares.

Fracción molar: Se define la fracción molar Nx como la parte fraccionaria del número total de moles de una solución con la que contribuye el componente x de la misma.

Ejemplo: Se preparó una solución mezclando 10 moles de alcohol CCl₂H₅OH, y 10 moles de agua ¿cuál es la composición de la solución en fracción molar? Nota: 10 moles de alcohol serán 10 x 46 = 460 g y 10 moles de agua serán 10 x 18 = 180 g.

Solución: Por definición.

y

Esto es en términos de composición, en fracción molar la solución es de 0.50 de alcohol y 0.50 de agua.

La fracción molar es un método importante para expresar la composición de una solución, porque representa la relación en que se encuentra en la solución las partículas de dimensiones atómicas o moleculares. En la solución dada en el ejemplo, la relación de las moléculas de alcohol a las de agua es de 1:1.

Molaridad: Se define la molaridad, M, como el número de moles de soluto por litro de solución. Esto es:

La molaridad de una solución puede usarse para determinar la relación que hay entre los iones o moléculas de soluto a moléculas de agua de cualquier solución dada.

Ejemplo: ¿Cuántos gramos de NaOH se necesitarán para preparar 5 litros de solución 0.100 M?

Solución: En la ecuación anterior hay tres variables, molaridad, moles de soluto y litros de solución. En este problema la variable incógnita es "moles de soluto". Las moles y los gramos se pueden intercambiar fácilmente. Despejando en la fórmula anterior a “moles de soluto” tenemos:

Moles de soluto = (molaridad) (litros de solución)

Como las dimensiones de la molaridad son moles de soluto/litros de solución se tiene:

PM NaOH = 40.0 g/mol

Como hay 40.0 g de NaOH en 1.00 mol, se tiene;

Molalidad: Se define la molalidad, m, como el número de moles de soluto por 1000 gramos de disolvente. Esto es:

Ejemplo: Calcule la molalidad de una solución que contiene 441 g de HCl disueltos en 1500 g de agua.

Solución: La cantidad de soluto debe darse en moles y la cantidad de disolvente en kilogramos.

y

1500 gr H₂O = 1.50 kg H₂O

La molalidad será:

Equivalente-gramo de ácidos, bases y sales: Un equivalente-gramo de un ácido, base o sal representa al número de gramos del compuesto que interviene en un cambio de electrones igual al número de Avogrado (6.02x10²³). Esta proporción se puede hacer más práctica indicando que un equivalente-gramo de un ácido, base o sal es numéricamente igual a la masa-fórmula del compuesto dividido entre la carga positiva neta o entre la carga negativa neta representada por la fórmula. Esto es:

En ocasiones se usa el equivalente-miligramo. Por conveniencia, ésta unidad más pequeña frecuentemente se abrevia llamándolo miliequivalente. Una miliequivalente es 0.001 del equivalente-gramo. También por conveniencia, la palabra miliequivalente se abrevia meq.

Equivalente-gramo de oxidantes y reductores: El valor del equivalente-gramo de un ácido, base o sal depende de su papel como reactivo en la reacción de que se trate. Un equivalente-gramo del oxidante o del reductor es igual a el asa fórmula dividida entre la suma de los cambios en el número de oxidación de los átomos que intervienen en la fórmula del oxidante o del reductor. Esto es:

Normalidad: La normalidad, N, se define como el número de equivalentes-gramo de soluto por litro de solución. Esto es:

si se representa por E a los “equivalentes-gramo de soluto” y por V a los “litros de solución”, la
ecuación anterior toma la forma:

Titulación: Es el proceso de análisis en el que intervienen soluciones tipo. En cada titulación de
be contarse con algún método para determinar el punto final de la titulación ácido-base, se usan los indicadores químicos como el tornasol y la fenolftaleina. A veces se emplea el color de la solución para indicar el punto final de las reacciones en la titulación de oxidantes y reductores. El método que se use para determinar el punto final de cada titulación no afecta a los cálculos.