Titolazione di NaOH con H2SO4

Nella titolazione dell'idrossido di sodio con acido cloridrico abbiamo dimostrato come varia il pH di una soluzione di idrossido di sodio che viene titolata con un acido monoprotico. In questa esperienza dimostreremo, invece, che la stechiometria della reazione cambia se, al posto di un acido monoprotico, usiamo un acido diprotico: in questo caso, una mole di acido reagirà con due moli di base.

Durata:

1 ora + l'esperienza precedente (titolazione di NaOH con HCl)

Scopo:

Dimostrare che, utilizzando un acido diprotico, il rapporto stechiometrico acido/base è 1:2 anziché 1:1 come nel caso degli acidi diprotici. Introdurre il concetto di equivalente e normalità.

Teoria:

Viene fatta avvenire la reazione:

H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O

Nella soluzione iniziale di idrossido di sodio il pH è basico (la concentrazione è 0,1 M, quindi il pH è 13); aggiungendo acido solforico questo reagisce con l'idrossido di sodio, diminuendone la concentrazione (e abbassando quindi il pH).

Quando è stata aggiunta una quantità stechiometrica di acido solforico, ovvero esattamente sufficiente a reagire con tutto l'idrossido di sodio presente, in soluzione non rimangono né l'acido né la base, ma solo NaCl, e il pH è quindi 7 (neutro).

Se a questo punto si aggiunge altro acido, anche una sola goccia, questo non reagirà più (non essendoci più idrossido di sodio) ma resterà in soluzione, rendendo il pH acido (<7).

Per evidenziare questo, si utilizza il rosso metile, un indicatore acido/base: questo composto è giallo a pH neutri o basici, rosso violetto a pH acidi: nel momento in cui si aggiunge un eccesso di acido, quindi, l'indicatore cambia colore da giallo a violetto.

Il rapporto stechiometrico tra acido solforico e idrossido di sodio, in moli, non è uno a uno, ma uno a due: se per il calcolo si utilizzano le moli bisogna ricordare che, al punto di equivalenza,

mol_NaOH = 2 · mol_H2SO4

E quindi deve valere la relazione:

V_NaOH · M_NaOH = 2 · V_H2SO4 · M_H2SO4

In alternativa alle moli e alla molarità, si possono considerare gli equivalenti e la normalità: nel caso di una reazione acido-base, un equivalente è la quantità di sostanza che libera una mole di H⁺ (nel caso di un acido) o che reagisce con una mole di H⁺ (nel caso di una base). Quindi, nel caso dell'acido solforico, una mole di acido solforico contiene 2 equivalenti.

La normalità è l'analogo della molarità, con gli equivalenti al posto delle moli: si calcola come il rapporto tra il numero di equivalenti e il volume di soluzione, e l'unità di misura è eq/L. Una soluzione 0,1 M di acido solforico, quindi, ha una concentrazione 0,2 N.

Per l'idrossido di sodio, invece, una mole corrisponde ad un equivalente, quindi la normalità corrisponde con la molarità.

Nel caso degli equivalenti, il rapporto stechiometrico è sempre 1:1, quindi al punto di equivalenza vale sempre la relazione:

eq_acido = eq_base

V_acido · N_acido = V_base · N_base

Materiale:

• Idrossido di sodio (NaOH) 0,1 M
• Acido solforico (H₂SO₄) 0,1 M
• Rosso metile (soluzione)
• Acqua distillata

Strumenti:

• Buretta (capacità 50 mL, precisione 0,1 mL)
• Pipetta tarata (capacità 10 mL)
• Tre becher da 150 mL
• Imbuto
• Sostegno per buretta

Procedimento:

1. Avvinamento della buretta:
   1. Sistemare la buretta col rubinetto chiuso sul sostegno
   2. Aggiungere, aiutandosi con l'imbuto, circa 10 mL di H₂SO₄ 0,1 M
   3. Togliere l'imbuto e rimuovere con precauzione la buretta dal sostegno, e inclinando e ruotando la buretta far scorrere la soluzione lungo tutte le pareti della buretta.
   4. Risistemare la buretta sul sostegno
   5. Sistemare un becher sotto la buretta
   6. Vuotare il contenuto della buretta nel becher, richiudere il rubinetto
   7. Con l'imbuto, riempire la buretta di H₂SO₄ 0,1 M fin sopra la linea dello 0.
   8. Togliere l'imbuto, e far scendere la soluzione in modo che si riempia anche la parte al di sotto del rubinetto. Se rimanesse una bolla sotto al rubinetto, aprire e chiudere rapidamente questo in modo da eliminare la bolla.
   9. Se necessario, con l'imbuto, rabboccare la buretta di acido solforico 0,1 M fin sopra la linea dello 0. Togliere l'imbuto.
   10. Far scendere con attenzione la soluzione fino a che il menisco non sia tangente alla linea dello 0. Osservando la buretta di fronte, si vedrà che in corrispondenza del menisco la linea azzurra della buretta è deformata in una strettoia: il punto più stretto di questa strettoia deve coincidere con la linea dello zero.
   11. Rimuovere il becher ed eliminarne il contenuto.
2. Titolazione del bianco:
   1. Versare in un becher pulito circa 50 mL di acqua distillata
   2. Aggiungere 5 gocce di rosso metile e agitare
   3. Sistemare il becher sotto la buretta
   4. Controllare che il menisco sia tangente allo 0 (in caso contrario annotare il valore, questo valore dovrà essere sottratto alla lettura successiva)
   5. Far scendere una goccia dalla buretta, agitando il becher. Se la soluzione non cambia colore, far scendere goccia a goccia l'acido finché la soluzione non cambia colore.
   6. Leggere il volume sgocciolato dalla buretta. Questo è il volume della titolazione in bianco V_bianco.
   7. Tenere il becher come riferimento di colore per le fasi successive
3. Titolazione dell'idrossido di sodio:
   1. Con una pipetta tarata, prelevare 10 mL di idrossido di sodio 0,1 M
   2. Versarli in un becher pulito
   3. Aggiungere acqua distillata fino a circa 50 mL
   4. Aggiungere 5 gocce di rosso metile e agitare
   5. Sistemare il becher sotto la buretta
   6. Leggere il volume indicato dalla buretta (V_iniziale)
   7. Tenendo il rubinetto con la mano sinistra e agitando il becher con la mano destra, sgocciolare lentamente l'acido nel becher, fino a che la soluzione non cambia del tutto colore (il colore dovrebbe diventare simile a quello del bianco che è stato titolato prima).
   8. Leggere il volume indicato dalla buretta (V_finale)
   9. Calcolare il volume di acido: V_acido = V_finale – V_iniziale – V_bianco
   10. Ripetere questa titolazione più volte, e fare la media dei risultati

Risultato:

Aggiungendo il rosso metile al bianco e alla soluzione di idrossido di sodio, la soluzione dovrebbe diventare gialla. Aggiungendo una goccia di acido al bianco, la soluzione da gialla dovrebbe diventare violetta. Man mano che si aggiunge acido alla soluzione di idrossido di sodio, nel punto in cui cade la goccia si dovrebbe vedere una temporanea colorazione violetta, sempre più intensa e persistente man mano che ci si avvicina al rapporto stechiometrico tra acido e base. Ad un certo punto, la soluzione rimane violetta e non torna gialla: questo è il punto di viraggio.

Il volume di acido solforico dovrebbe risultare 5 mL, o comunque dovrebbe essere verificata la relazione V_acido · N_acido = V_base · N_base.