Valoraciones y neutralización

Solución oficial

Corrección oficial de la PAU de Cataluña (Generalitat de Catalunya), traducida del catalán. Las puntuaciones de cada paso son las de la pauta de corrección.

a)

Actividad ácido-base del acetato de sodio

Cuando el acetato de sodio se disuelve en agua, produce iones $\text{Na}^{+}$ e iones acetato ($\text{CH}_3\text{COO}^{-}$).$$\text{CH}_3\text{COONa}(\text{s}) \rightarrow \text{Na}^{+}(\text{aq}) + \text{CH}_3\text{COO}^{-}(\text{aq})$$De estos iones, los $\text{Na}^{+}$ no tienen actividad ácido-base. En cambio, los iones acetato son la base conjugada del ácido acético, que es un ácido débil ($K_a(\text{CH}_3\text{COOH}) = 1{,}78\cdot 10^{-5}$). En consecuencia, los iones acetato son una base débil que en medio acuoso darán lugar al siguiente equilibrio de basicidad:$$\text{CH}_3\text{COO}^{-}(\text{aq}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOH}(\text{aq}) + \text{OH}^{-}(\text{aq})$$0,20 p. En conclusión, el acetato de sodio se comporta como una base débil en agua.

Selección de la disolución patrón para la valoración

$\text{HCl}(\text{aq})$ $0{,}010\ \text{M}$: es un ácido fuerte que servirá para valorar disoluciones básicas.

$\text{NaOH}(\text{aq})$ $0{,}010\ \text{M}$: es una base fuerte que servirá para valorar disoluciones ácidas.

0,20 p. Como el $\text{CH}_3\text{COONa}$ es un compuesto básico, la disolución patrón que habrá que utilizar para valorarlo será el $\text{HCl}(\text{aq})$ $0{,}010\ \text{M}$.

Reacción de neutralización y punto de equivalencia

• Reacción de neutralización:

0,20 p.$$\text{CH}_3\text{COONa}(\text{aq}) + \text{HCl}(\text{aq}) \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}(\text{aq}) + \text{NaCl}(\text{aq})$$o$$\text{CH}_3\text{COO}^{-}(\text{aq}) + \text{HCl}(\text{aq}) \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}(\text{aq}) + \text{Cl}^{-}(\text{aq})$$

• Punto de equivalencia:

Los productos de la neutralización del acetato de sodio son el NaCl (o el $\text{Cl}^{-}$), que no tiene actividad ácido-base, y el ácido acético, que es un ácido débil:$$\text{CH}_3\text{COOH}(\text{aq}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^{-}(\text{aq}) + \text{H}_3\text{O}^{+}(\text{aq})$$0,10 p. Por tanto, el pH del punto de equivalencia será ácido, ya que vendrá determinado por el equilibrio de acidez del ácido acético.

• Indicador:

0,10 p. El naranja de metilo sí que se puede utilizar como indicador de la valoración, ya que cambia de color a pH ácido (pH 3,1 - 4,0), que coincide con el pH del punto de equivalencia de la valoración.

Cálculo de la concentración de acetato de sodio por valoración ácido-base

Masa molar del acetato de sodio ($\text{CH}_3\text{COONa}$) $= 2\cdot 12 + 2\cdot 16 + 1\cdot 23 + 3\cdot 1 = 82\ \text{g mol}^{-1}$

Volumen de patrón HCl empleado: $15{,}6\ \text{mL}$

Concentración del HCl empleado: $0{,}01\ \text{M}$

Volumen de muestra (salsa culinaria) analizado: $50\ \text{mL} = 0{,}05\ \text{L}$

0,45 p. Para calcular la concentración del acetato de sodio en la muestra, se empieza el cálculo a partir del volumen de reactivo valorante utilizado (el ácido clorhídrico):$$\text{Concentración de CH}_3\text{COONa} = 15{,}6\ \text{mL HCl}\cdot\frac{1\ \text{L}}{1000\ \text{mL}}\cdot\frac{0{,}01\ \text{mol HCl}}{1\ \text{L}}\cdot\frac{1\ \text{mol CH}_3\text{COONa}}{1\ \text{mol HCl}}\cdot\frac{82\ \text{g CH}_3\text{COONa}}{1\ \text{mol CH}_3\text{COONa}}\cdot\frac{1}{0{,}05\ \text{L salsa}} = 0{,}256\ \text{g L}^{-1}$$b)

Identificación del pico de mayor energía del espectro de IR

La posición de los picos del espectro de IR se da en número de onda ($\bar{\nu}$), en unidades de $\text{cm}^{-1}$. Para identificar la relación entre números de onda y energía, hay que tener en cuenta las siguientes ecuaciones:

Longitud de onda $(\lambda) = \bar{\nu}^{-1}$

Frecuencia $(\nu) = \text{velocidad de la luz en el vacío } (c)/\lambda = c\cdot\bar{\nu}$

Energía $(E) = h\cdot\nu = h\cdot c\cdot\bar{\nu}$

0,20 p. De aquí se puede concluir que los números de onda son proporcionales a la energía; es decir, que el pico de mayor energía del espectro IR corresponde al de número de onda más grande: $\bar{\nu} = 3024\ \text{cm}^{-1}$.

Cálculo de la frecuencia, la longitud de onda y la energía

• Longitud de onda:

0,20 p.$$\lambda = \bar{\nu}^{-1} \;\Rightarrow\; \lambda = 1/(3024\ \text{cm}^{-1}) = 3{,}307\cdot 10^{-4}\ \text{cm} = 3{,}307\cdot 10^{-6}\ \text{m} = 3307\ \text{nm}$$

• Frecuencia:

0,20 p.$$\nu = c/\lambda \;\Rightarrow\; \nu = (3{,}0\cdot 10^{8}\ \text{m s}^{-1})/(3{,}307\cdot 10^{-6}\ \text{m}) = 9{,}072\cdot 10^{13}\ \text{s}^{-1}\ (\text{o Hz})$$

• Energía:

0,20 p.$$E = h\cdot\nu \;\Rightarrow\; E = (6{,}63\cdot 10^{-34}\ \text{J s})\cdot(9{,}072\cdot 10^{13}\ \text{s}^{-1}) = 6{,}015\cdot 10^{-20}\ \text{J}$$Análisis del espectro de IR

El espectro de IR debe corresponder al acetato de sodio o a su producto de valoración, es decir, el ácido acético:

En la figura: «Acetato de sodio» o «Ácido acético».

Los enlaces que presentan cada una de estas moléculas que pueden dar lugar a señales características en el espectro de IR son:

$\text{CH}_3\text{COONa}$: enlaces C‑H ($\bar{\nu} = 3000 - 2850\ \text{cm}^{-1}$ según la tabla) y C=O en grupo ácido carboxílico desprotonado ($\bar{\nu} = 1610 - 1550\ \text{cm}^{-1}$)

$\text{CH}_3\text{COOH}$: enlaces O‑H ($\bar{\nu} = 3550 - 2500\ \text{cm}^{-1}$), C‑H ($\bar{\nu} = 3000 - 2850\ \text{cm}^{-1}$) y C=O en grupo ácido carboxílico ($\bar{\nu} = 1800 - 1650\ \text{cm}^{-1}$)

0,45 p. Teniendo esto en cuenta, los picos del espectro a $\bar{\nu} = 3024\ \text{cm}^{-1}$ (enlace O‑H) y $1714\ \text{cm}^{-1}$ (enlace C=O en grupo ácido carboxílico) son característicos del ácido acético y no deberían estar en el espectro del acetato de sodio. Por tanto, el espectro de IR mostrado corresponde al ácido acético.