Laboratorio de Química Inorgánica

pKA DE UN INDICADOR ÁCIDO-BASE

OBJETIVO

Determinar el pKa de un indicador ácido-base por espectroscopia visible.

Descripción del Experimento

Primero deben verificar la λmax de la forma con mayor absorbencia del indicador,

usualmente la forma básica, en el espectrofotómetro. Luego, ajustan el pH de

cinco alícuotas de una solución buffer-indicadora a valores centrados alrededor del

pKa del indicador y entonces miden las absorbencias, A, de las soluciones

resultantes. Llevan estas soluciones a pH bajos para generar la forma ácida pura

del indicador, HIn, y miden su absorbencia, AHIn. Toman otra solución a un pH

elevado para generar la forma básica pura, In-, y determinan su absorbencia, AIn-.

Usando la ecuación pKa = pH + log10 [(A - AIn-) /(AHIn – A)], calculan los pKa’s de

las soluciones, o equivalentemente, grafican los datos de la función logarítmica vs.

pH para encontrar la intercepción en x, la cual es el valor del pKa.

INTRODUCCIÓN Para ilustrar un aspecto del concepto de equilibrio químico, idealmente un

experimento de laboratorio debería:

1. resultar en un valor razonablemente exacto de la constante de equilibrio.

2. usar un número pequeño de soluciones que sean seguras de manipular, o al

menos ser familiar a los alumnos, y simple de desechar.

3. usar equipo usado comúnmente en un laboratorio de química inorgánica, y

4. no exceder las habilidades de un alumno de química inorgánica típico.

Para que el método descrito aquí funcione, sólo debe haber una forma

ácida del indicador (HIn) y una forma básica (In-) en el equilibrio:

HIn V H+ + In-

Si usamos concentraciones en lugar de actividades, la expresión para la constante

de equilibrio para la reacción es

pKa de un Indicador Ácido-Base

Laboratorio de Química Inorgánica

][]][[

HInInHKa

−+

=

La forma logarítmica para la ecuación es

][][log10 −+=

InHInpHpKa (1)

La forma ácida del indicador tiene un color, tal como el amarillo, con su

correspondiente lmax a una longitud de onda, y la forma básica tiene otro color, tal

como el azul, con su correspondiente lmax a una longitud de onda diferente. Si la

longitud de la trayectoria de la celda se mantiene constante y todas las soluciones

contienen la misma molaridad total del indicador, el cociente ácido-base a la lmax

de ya sea la forma ácida o básica viene dado por:

AAAA

InHIn

HIn

In

−

−=

−

− ][][ (2)

Donde A es la absorbencia de la solución conteniendo una cierta concentración

total de la mezcla ácido-base, AIn- es la absorbencia de la forma básica a la misma

concentración, y AHIn es la absorbencia de la forma ácida a la misma

concentración.

Sustituyendo la expresión para el cociente HIn-In- de la ec. 2 en la ec. 1,

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−+=

−

AAAA

pHpKHIn

Ina 10log (3)

o

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

− −

AAAA

HIn

In10log = pKa – pH (4)

El pKa de un indicador se puede determinar por dos métodos equivalentes, un

método algebraico o un método gráfico. En el método algebraico, conjuntos de pH

y valores de absorbencias se sustituyen en la ec. 3 y se calcula el pKa para cada

conjunto. El pKa reportado es el promedio de los pKa’s calculados. En el método

gráfico, se grafica el ])()([log10 AA

AAHIn

In−

− − vs. pH de la ec. 4, y el pKa se

obtiene como la intercepción en x. La línea debe tener una pendiente de -1.

pKa de un Indicador Ácido-Base

Laboratorio de Química Inorgánica

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El procedimiento para determinar el pKa para el azul de bromofenol se

describe en detalle. Las condiciones para determinar los valores de pKa para otros

indicadores son análogas.

Una solución de azul de bromofenol en su forma básica se prepara

disolviendo 6 gotas de la solución del colorante al 0.04% y 2 gotas de NaOH 1 M

en 10 mL de agua destilada. Para obtener un estimado de lmax las absorbencias

de la solución se miden en un espectrofotómetro Bausch & Lomb Spectronic 20 a

intervalos de 20-nm desde 560 hasta 640 nm. La absorbencia a 590 nm se usa

para determinar el valor de lmax más precisamente.

La solución para determinar el pKa del azul de bromofenol se prepara

disolviendo 5.0 mL de azul de bromofenol al 0.04% y el contenido de una cápsula

de buffer de pH 4 en agua en un matraz volumétrico de 250 mL. Cincuenta

mililitros de la solución se vacía en cada uno de los cinco vasos de precipitados de

100-mL. Usando un pH-metro calibrado a 0.01 unidades de pH, dos de las

soluciones se ajustan a un pH cercano a 3.4 y a 3.7 agregando gota a gota HCl 1

M. Otras dos soluciones se ajustan a un pH aproximado de 4.3 y 4.6 por adición

gota a gota de NaOH 1 M. La solución en el quinto vaso tiene un pH de ca. 4.0.

Las absorbencias de las cinco soluciones de azul de bromofenol se miden

con un espectrofotómetro. La solución de pH 3.4 se ajusta posteriormente a cerca

de pH 2 con dos gotas de solución de HCl concentrado para producir HIn puro, y

se mide la absorbencia de la solución resultante para determinar AHIn.

Similarmente, la solución de pH 4.6 se ajusta a un pH de aproximadamente 12 con

dos gotas de solución de NaOH al 50% para producir In- puro, y se mide la

absorbencia de la solución resultante para determinar AIn-.

REPORTE Tabla 1. Valores de absorbencia para azul de bromofenol

Longitud de onda / nm Absorbencia

560

580

pKa de un Indicador Ácido-Base

Laboratorio de Química Inorgánica

600

620

640

590

Tabla 2. Condiciones para obtener lmax para el indicador

Indicador No. gotas Longitud de onda / nm

Solución Base o Rango lmax lmax

Colorante Ácido Literatura Experimento

Azul de

bromofenol

6 2 560-640

Tabla 3. Soluciones Usadas Para Medir pKa de Indicador

Indicador Volumen de Cápsula de Valores de pH

Indicador / mL Buffer (pH) Aproximados

Azul de bromofenol 5.0 4 3.4, 3.7, 4.0, 4.3, 4.6

Tabla 4. Determinación de pKa para Azul de Bromofenol

pH Absorbencia ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

− −

AAAA

HIn

In10log

pKa de ec. 3

promedio ±

AIn-

AHIn

Figura 1. Gráfica de ])()([log10 AA

AAHIn

In−

− − vs. pH para azul de bromofenol.

pKa de un Indicador Ácido-Base

Laboratorio de Química Inorgánica

Tabla 5. Resultados de Mediciones de Valores de pKa del Indicador

Indicador Valor Lit de

pKa

Rango

Usado

pKa pKa Pendiente

a Fuerza

Iónica

Fuerza

Iónica

de

ec. 3

de

ec. 4

Gráfica

0.01 0.05 0.10 ec. 4

Azul de

bromofenol

MATERIALES (por equipo) Colorímetro Génesis 20 con celdas de cuarzo de 10 mL, o bien un

espectrofotómetro Perkin-Elmer con celdas de cuarzo de 3 mL.

7 Matraces aforados de 10 mL

2 Matraces aforados de 50 mL

1 Vaso de precipitados de 25 mL

1 Vaso de precipitados de 100 mL

1 Pipeta graduada de 1 mL

1 Pipeta graduada de 5 mL

1 Gradilla de madera

Pipetas Pasteur.

2 Vidrios de reloj

2 Espátulas

2 Agitadores de vidrio

REACTIVOS Solución al 1% de fenolftaleína en isopropanol

Soluciones buffer de pH 4, 7 y 10

Solución de hidróxido de sodio al 50%

pKa de un Indicador Ácido-Base

Laboratorio de Química Inorgánica

Solución acuosa de verde de bromocresol al 0.04%, púrpura de bromocresol al

0.04%, azul de bromofenol al 0.04%, azul de bromotimol al 0.04%, naranja de

metilo al 0.10%, sal sódica de rojo de metilo al 0.10%, y rojo de fenol al 0.04%.

Instrucciones de uso del espectrofotómetro 20 GENESYS Operación básica

Se pueden ejecutar mediciones de absorbancia y % de transmitancia (también

determinar concentraciones usando un estándar conocido o un factor de

conversión). Sin importar que tipo de medición desea ejecutar, usted sigue pasos

similares:

Seleccione el modo (A, % T, C) y la longitud de onda.

Mida el blanco (normalmente el solvente puro)

Entre el valor del estándar o el factor (modo de concentración únicamente).

Mida la muestra.

Repita el procedimiento para cada longitud de onda.

pKa de un Indicador Ácido-Base

Laboratorio de Química Inorgánica

pKa de un Indicador Ácido-Base

Laboratorio de Química Inorgánica

pKa de un Indicador Ácido-Base