Se propone un nuevo enfoque en la realización de la valoración de ácidos (bases) fuertes con bases (ácidos) también fuertes como práctica en el laboratorio de química para alumnos y alumnas de Educación Secundaria Obligatoria y Bachillerato de Ciencias y Tecnología, como una actividad que permite el aprendizaje mediante la interrelación de diferentes áreas: matemáticas, química, informática y tecnología. La importancia de este concepto y su aplicación actual en diferentes campos de la Ciencia hacen necesario de un nuevo enfoque que permita su acercamiento a los estudiantes adaptando el grado de concreción y de profundización dependiendo del nivel educativo que cursen. La aplicación de las nuevas tecnologías en el enfoque aquí propuesto permite minimizar los inevitables errores cometidos por estudiantes poco experimentados, se soluciona la poca disponibilidad de material y medios para la enseñanza de las ciencias en los centros de Educación Secundaria Obligatoria, y se muestra a los estudiantes la utilidad de las nuevas tecnologías en la resolución de problemas científicos nuevos o, como en este caso, en la resolución de viejos problemas pero con métodos más simples, sin perder precisión y exactitud, además de poder profundizar más en el conocimiento del concepto estudiado así como obtener nuevas conclusiones y mejorar la descripción del proceso químico que tiene lugar. Damos a conocer y aplicamos el método de la primera derivada al estudio y determinación del punto final de una valoración potenciométrica.
FRANCISCO ROJAS MELGAREJO
- Introducción
- Objetivo
Esta práctica puede presentarse tanto a estudiantes de ESO o FP básica, como a alumnos de Bachillerato de Ciencias y Tecnología, dependiendo del grado de dificultad con que se presente a los estudiantes y de la rigurosidad de los resultados que se pretenden obtener.
Objetivos generales:
1. Mostrar la ciencia como un campo de conocimiento abierto e interrelacionado con multitud de otras disciplinas.
2. Ejemplificar la utilización conjunta de conceptos de Física y Química y de Matemáticas, impartidos en diferentes momentos del proceso educativo del alumnado en las etapas de Educación Secundaria Obligatoria y Bachillerato, para dar respuesta a uno de los fines últimos de cualquier disciplina científica: descripción y comprensión de los procesos que tienen lugar en la Naturaleza.
Objetivos del proyecto:
1. Determinación del punto final potenciométrico.
2. Preparación de disoluciones de ácido y base fuertes de diferente concentración.
3. Utilización de material de laboratorio para el montaje de una valoración potenciométrica, poniendo especial cuidado en la disposición del material utilizado.
4. Utilización de equipos de medida de pH: calibración automática de dos puntos.
5. Realización de una valoración poteciométrica completa.
6. Utilización de programas informáticos para el procesado de los datos: Microsoft Excel, SigmaPlot 12.0 ó superior, o similar y GIMP 2.8.16.
7. Elaboración y análisis de tablas y gráficas para la obtención de resultados: aplicación del método de la primera derivada.
8. Utilización de programas informáticos para la elaboración de informes para su comunicación: Microsoft PowerPoint, Microsoft Word (formato doc. y pdf).
- Duración aproximada
Aproximadamente se requerirá 1 sesión lectiva en laboratorio y 1 sesión lectiva de tratamiento informático de los datos obtenidos.
- Materiales y equipos
Reactivos: Hidróxido de sodio (NaOH), ácido clorhídrico (HCl), agua destilada y disoluciones tampón de pH 4,01 y 7,01.
Equipos: Medidor de pH Checker®Plus HI98100 con electrodo de pH HI1271, o similar, agitador magnético, bureta y vaso de precipitados de 100 mL.
- EPI necesario
- Pictogramas de peligro y precauciones de seguridad
- Descripción o procedimiento
1. Preparar 100 mL de disolución acuosa de HCl 0,50 M, 100 mL de disolución acuosa de NaOH 0,25 M y otra 0,50 M.
2. Calibrar el pHmetro mediante calibración automática en dos puntos con disoluciones tampón de pH 4,01 y 7,01.
3. Montar el dispositivo para la valoración potenciométrica con el material necesario.
4. Llenar la bureta con la disolución acuosa valorante de NaOH 0,25 M ó 0,50 M y purgar.
5. Colocar 25 mL de HCl 0,50 M en un vaso de precipitados de 100 mL provisto de agitador magnético. Medir el valor de pH inicial.
6. Realizar adiciones de 2 mL de disolución valorante y medir el valor de pH obtenido después de cada adición. Cuando el valor de pH empiece a subir con regularidad continuar con adiciones de 1 mL de disolución valorante. Detener la valoración cuando el valor de pH alcance la meseta en su valor máximo.
7. En una hoja de cálculo del programa Microsoft Excel realizar una tabla donde se indique los valores de volumen de reactivo valorante añadido (VNaOH, mL) frente al valor de pH medido.
8. Con los datos de la tabla anterior, realizar la gráfica de puntos (pH vs VNaOH, mL): dispersión sólo con marcadores. Unir los puntos de la gráfica con una línea cambiando el formato de la gráfica: dispersión con líneas suavizadas y marcadores. Visualizar la sigmoide obtenida. El punto final pontenciométrico vendrá determinado por el punto medio del tramo de subida de la sigmoide (difícil de determinar).
9. Tratamiento matemático de los datos iniciales. Para cada dos valores sucesivos de la tabla obtenida calcular los correspondientes valores de variación de pH (∆pH), variación del volumen de reactivo valorante (∆VNaOH, mL).
10. Calcular la velocidad de variación del pH frente a la variación del volumen de reactivo valorante añadido (vpH, ml-1) utilizando la siguiente fórmula:
11. Calcular el valor medio de los sucesivos volúmenes de reactivo valorante añadido utilizando la siguiente fórmula:
12. Ampliar la tabla inicial de la hoja de cálculo del programa Microsoft Excel con una columna con los valores correspondientes de valor medio de volumen de reactivo valorante ( NaOH, mL) y otra columna con los valores de velocidad de variación del pH frente a la variación del volumen de reactivo valorante añadido (vpH, mL-1). Representar la gráfica de puntos correspondiente (vpH vs NaOH) y unir los puntos con una línea, como se indica en el punto 8. Visualizar la gráfica obtenida. El pico de la gráfica se corresponde con el punto medio del tramo de subida de la sigmoide y por tanto con el punto final pontenciométrico que quedará bien definido (fácil de determinar).
13. Insertar una cuadrícula en el fondo de la gráfica. Trazar una línea perpendicular al eje de abscisas pasando por el pico de la gráfica.
14. Con la herramienta de Recortes de nuestro ordenador, seleccionar el área de la gráfica anterior, nombrar y guardar en el escritorio del ordenador.
15. Abrir el programa GIMP, seleccionar e importar la imagen correspondiente al recorte realizado en el apartado anterior.
16. Medir una unidad de volumen clara en la gráfica estudiada mediante la herramienta «Herramienta de medida: medir distancias y ángulos» que se encuentra dentro de la pestaña «Herramientas» de la barra superior del programa. Para que el resultado de la medida sea visible en la pantalla, seleccionamos la pestaña correspondiente a «Usar la ventana de información». Registrar el valor de la medida realizada en píxeles. Así conoceremos el valor en píxeles de la unidad de volumen seleccionada y este valor se tomará para realizar las conversiones necesarias de las medidas a realizar, con el correspondiente factor de conversión.
17. Medir la distancia de la línea perpendicular que pasa por el pico de la gráfica al origen de la gráfica, en píxeles. Con el factor de conversión del apartado anterior, obtener el valor de volumen (mL) correspondiente al punto final potenciométrico de la valoración ácido-base realizada. Anotar el dato y redactar las conclusiones de la práctica.
18. El volumen medido en el apartado anterior y la concentración de la disolución valorante permitirá calcular la concentración de la disolución valorada, en función del volumen utilizado de esta última.
19. Calcular el error absoluto (Ea, mL) y el error relativo (Er, %) asociados a las medidas realizadas en base a los valores teóricos de volumen de neutralización esperados.
NOTA. El modo de realización de la valoración queda sujeto al criterio del profesorado, valorando un ácido o una base fuertes con la correspondiente base o ácido también fuertes. Las concentraciones de las disoluciones preparadas también quedan al criterio del profesorado.
- Hoja con cuestiones y preguntas
- Gestión de residuos
Los residuos generados en esta práctica serán eliminados en un contenedor de residuos inorgánicos que deberán ser recogidos por una empresa especializada en este tipo de residuos.
- Bibliografía
1. Rojas-Melgarejo, F. (2012). Nuevas tecnologías para el estudio de las reacciones de neutralización ácido-base. Publicaciones Didácticas 21, pp: 158-161.
2. Garber, C.C. y Carey, R.N. (1992). Estadística de laboratorio. En L.A. Kaplan y A.J. Pesce (Eds.). Química Clínica. Teoría, análisis y correlación. Buenos Aires: Editorial Médica Panamericana, S.A.
3. Martínez-Salas, J. (1982). Elementos de matemáticas. Valladolid: José Martínez Salas.
4. Ravi Kumar, M.N.V. (2000). A review of chitin and chitosan applications. Reactive & Functional Polymers 46, 1-27.
5. Skoog, D.A. y West, D.M. (1989). Química Analítica. Madrid: McGraw-Hill/Interamericana de España, S.A.
6. Jandel Scientific. «SigmaPlot 12.0 for Windows™». (Jandel Scientific, Ed.). Jandel Scientific: Corte Madera, 2011.
7. GIMP 2.8.16 (GNU Image Manipulation Program). Programa de edición de imágenes digitales. Licencia pública general de GNU (2015).
- Imágenes
Imágenes de la práctica
- Vídeo