Titulaciones 2. No reversibles

[Estequiometría] Sección 6. Conceptos clave.[Titulaciones 1: teoría] [Titulaciones 2: sin equilibrio] Otros conceptos. [Procedimiento de una titulación] [Pigmentos y colorantes]

Aunque el procedimiento experimental de las titulaciones varía considerablemente, la matemática subyacente es bastante similar y también coincide con la de las reacciones de precipitación en soluciones acuosas. Desde un enfoque matemático, existen tres tipos principales: (a) volumen a volumen, (b) masa a volumen, y (c) volumen a masa.

Además, para este capítulo, se asumirá que las reacciones son no reversibles, ya que, de lo contrario, la complejidad matemática aumentaría rápidamente a niveles que exceden el alcance de este tema. Estas reacciones no reversibles ocurren entre electrolitos fuertes, que incluyen la mayoría de las sales solubles, siete ácidos específicos (HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₃, HClO₄, H₂SO₄) y las bases fuertes, que son hidróxidos de los metales de los grupos 1 y 2. Los óxidos no se consideran en este contexto, ya que, al disolverse en agua, en lugar de disociarse en iones óxido, se transforman en ácidos, bases o permanecen en su forma molecular sin ionizarse.

Debemos imaginar la titulación en términos de una balanza, donde la información de un lado se genera a partir de la del otro. En este contexto, existen dos tipos de lados: el lado volumétrico y el lado de masa. El lado volumétrico está enfocado en dos elementos clave: la concentración y el volumen, mientras que el lado de masa se basa en la cantidad de sustancia. Ambos lados están conectados por la cantidad de sustancia, que es el factor común entre ellos.

Es importante recalcar que, en este contexto, las cantidades de sustancia normalmente se ajustan en el rango de los milimoles (mmol) en lugar de los moles completos. Esto se debe a que los volúmenes de las disoluciones que se manejan en las titulaciones típicamente se encuentran en el rango de 0 a 100 mililitros, lo cual coincide con el rango de capacidad de una bureta de titulación clásica. Por lo tanto, las mediciones en milimoles son más adecuadas para las pequeñas cantidades que se manipulan en este tipo de procedimientos, asegurando que las reacciones sean precisas y manejables a escala

Volumentría a masa

La titulación volumétrica a masa es una técnica fundamental en química analítica utilizada para determinar la cantidad de un analito en una muestra mediante la relación entre el volumen y la concentración de un titulante. Esta metodología se utiliza principalmente para análisis cuantitativos en los que se requieren medir componentes específicos de una disolución. Por ejemplo, en el análisis de aguas, suelos o alimentos, esta técnica permite calcular la cantidad exacta de ciertos compuestos, como metales pesados o sales.

En aplicaciones industriales y ambientales, una de las aplicaciones más comunes es la determinación de iones metálicos en disoluciones. Por ejemplo, en la titulación de iones Ag⁺ mediante NaCl, se puede utilizar para analizar aguas residuales y otros líquidos en busca de contaminantes de plata provenientes de procesos industriales, como la fotografía o la minería. De forma similar, las titulaciones con permanganato se emplean en el análisis de dióxido de azufre (SO₂) en el aire, una técnica importante para monitorear la contaminación atmosférica y la lluvia ácida. Esto permite calcular la concentración de contaminantes en la atmósfera y aplicar políticas ambientales adecuadas para mitigar los efectos de la contaminación.

Otro ejemplo relevante es la neutralización de ácidos y bases, que se realiza mediante titulaciones en las que se calcula la cantidad exacta de un ácido o una base fuerte necesaria para neutralizar una solución. Esto es especialmente útil en el análisis de alimentos, productos farmacéuticos o productos de limpieza, donde la acidez o alcalinidad de la solución afecta su calidad o eficacia. En la industria farmacéutica, por ejemplo, se realiza con frecuencia para determinar la concentración de ácidos como el ácido clorhídrico (HCl) o bases como hidróxido de calcio (Ca(OH)₂) en la producción de medicamentos. En estos casos, las titulaciones a masa garantizan que las fórmulas sean correctas y que el producto final cumpla con los estándares de seguridad y efectividad.

Figura 1. Titulación volumetría a masa. Demostración.

Masa a volumetría

La conversión de masa a volumetría es el enfoque inverso al anterior y está estrechamente relacionada con la estandarización de disoluciones, es decir, con la preparación de soluciones de concentración conocida a partir de una cantidad de soluto medida con precisión. Esta dirección del análisis no se orienta directamente a determinar un componente desconocido, sino a crear una disolución patrón que luego será utilizada para cuantificar otras sustancias.

Una característica distintiva de esta dirección es que se trata de un sistema indeterminado, ya que hay dos variables dependientes: la concentración y el volumen de la disolución. En la práctica, una de estas variables se ajusta arbitrariamente como constante, normalmente el volumen de preparación (por ejemplo, 1 litro), lo que permite resolver la ecuación para la otra variable. Desde el punto de vista teórico, esto implica que el último despeje se deja libre, porque la fórmula puede reorganizarse indistintamente para hallar volumen o concentración. Desde el punto de vista práctico, se traduce en dos procedimientos complementarios: uno para preparar una disolución de una concentración específica a partir de una masa medida (ajustando el volumen), y otro para preparar una cantidad definida de disolución (ajustando la concentración según la masa disponible).

En cuanto a sus aplicaciones, son esencialmente las mismas que en la dirección inversa, ya que ambas son complementarias: primero se prepara una disolución patrón (masa a volumen) y luego se utiliza en una titulación para determinar una cantidad desconocida (volumen a masa). Por ejemplo:

• En el análisis ambiental, se puede preparar una disolución patrón de permanganato de potasio (KMnO₄) estandarizada mediante una masa conocida para luego determinar la cantidad de iones reductores como el sulfito o hierro(II) en muestras naturales.
• En farmacología, se puede preparar una disolución estándar de un ácido como el ácido clorhídrico (HCl) para analizar la capacidad neutralizante de un antiácido.
• En la industria alimentaria, se pueden preparar soluciones patrón de NaOH para medir la acidez titulable de jugos, vinos o productos fermentados.

Este enfoque también es central en la validación de métodos analíticos, ya que permite garantizar que las soluciones utilizadas en los procedimientos analíticos sean confiables, replicables y rastreables a estándares certificados. Sin una preparación adecuada desde masa a volumetría, no es posible realizar análisis volumétricos precisos ni establecer curvas de calibración para mediciones instrumentales.

Figura 2. Titulación masa a volumetría. Recuerda que $\nu_{i/j}$ es el ratio estequiométrico de la ecuación balanceada. Demostración

Doble volumetría

En la doble volumetría, una sustancia (i) tiene uno de sus dos parámetros volumétricos desconocido: concentración o volumen. Esto implica que, al igual que en la dirección de masa a volumetría, el sistema presenta dos variables dependientes y por tanto dos posibles soluciones. Como resultado, se requiere aplicar dos teoremas fundamentales de la química analítica —normalmente relacionados con la estequiometría y la igualdad de equivalentes químicos— o, en su forma operativa, dos factores de conversión: uno que relacione volumen con concentración, y otro que relacione equivalentes de una sustancia con los de la otra.

Esto significa que la doble volumetría es conceptualmente una dirección indeterminada, en la que el parámetro final a calcular (ya sea concentración o volumen) queda libre para el despeje, dependiendo del contexto del análisis o del diseño experimental.

Las aplicaciones de esta dirección coinciden en gran parte con las de la estandarización y la medición de sustancias desconocidas, pero con un enfoque particularmente útil en contextos donde:

• Se realiza una valoración cruzada entre soluciones patrón.
• Se estandarizan dos soluciones secundarias entre sí, sin recurrir a un patrón primario sólido.
• Se analizan mezclas o reacciones en cadena donde cada paso requiere ajustar una concentración antes de proceder al siguiente.

Figura 3. Titulación de doble volumetría. Demostración.

Estas titulaciones asumen que el reactivo se consume completamente y que no hay equilibrio químico involucrado en la reacción. Es decir, se trabaja bajo el supuesto de una reacción completa, rápida y estequiométricamente definida, lo cual garantiza que el punto de equivalencia corresponda de manera clara a un volumen de titulante bien determinado.

Cuando estas condiciones no se cumplen, es decir, cuando la reacción es incompleta, reversible o influenciada por fenómenos de equilibrio ácido-base, de complejación o de solubilidad, entonces las titulaciones simples ya no son suficientes. En esos casos, nos enfrentamos a titulaciones más complejas que requieren considerar el estado de equilibrio químico, y por lo tanto deben abordarse con las herramientas conceptuales y matemáticas correspondientes. Dichos sistemas serán tratados en detalle en el capítulo de equilibrio químico, donde se incorporarán constantes de equilibrio, curvas de titulación y métodos gráficos o algebraicos más elaborados.

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