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Le titolazioni redox con i metalli di transizione sono interessanti perchè hanno stati di ossidazione variabili e variazioni di colorazione evidenti. I forti cambiamenti di colore tra gli stati di ossidazione, permettono di individuare il punto finale della reazione, quindi non è necessario un indicatore! Utilizziamo il manganato di potassio(VII) come esempio per scoprire come funziona!
In questo articolo scoprirai il significato di titolazione e il metodo di titolazione.
Eseguirai la titolazione redox del manganato(VII) con il ferro.
Esamineremo anche la titolazione redox del manganato(VII) con ioni ossalato.
Imparerai a fare i calcoli sulla base di queste due titolazioni.
Titolazioni redox spiegazione
La titolazione è un modo di analizzare le sostanze chimiche per trovare una concentrazione incognita utilizzando una sostanza a concentrazione nota.
In pratica, si aggiunge lentamente una soluzione standard di un titolante da una buretta all'analita nella beuta. Possiamo usare un indicatore di colore per sapere che la reazione ha raggiunto il suo punto finale.
Lo svolgimento di una titolazione ti aiuterà a capire come funziona. Esaminiamo quindi le fasi di una titolazione.
- Il titolante è il nome della sostanza chimica a concentrazione nota.
- La sostanza incognita quindi a concentrazione non nota viene chiamata analita.
- Una soluzione standard è una soluzione di cui si conosce l'esatta concentrazione.
Metodo di titolazione
Il metodo per eseguire una titolazione redox è simile a quello delle titolazioni acido-base. Si può leggere in Curve di pH e titolazioni.
Utilizzeremo come esempio le titolazioni redox tra ferro(II) e ioni ossalato con manganato(VII).
Titolazione redox con ferro (II) e manganato (VII)
I medici possono prescrivere pastiglie di ferro a coloro che soffrono di anemia, ovvero che hanno una bassa concentrazione di ferro nel sangue. Di solito contengono solfato di ferro(II) anidro, perché è economico e solubile.
È possibile stimare la quantità di solfato di ferro (II) contenuta in ogni compressa titolandola con una soluzione standard di manganato di potassio (VII) ma dovrai prima scioglierla in acido solforico diluito!
In laboratorio, puoi eseguire il seguente esperimento con le pastiglie di ferro del farmacista.
- Pesare otto compresse di ferro. Scioglierle in un becher con circa 100 mL di acido solforico 2 M.
- Alcune pastiglie hanno un rivestimento esterno che potrebbe non dissolversi. Potrebbe essere necessario filtrare la soluzione.
- Versare il filtrato in un matraccio tarato da 250 mL . Assicurarsi di includere i lavaggi della beuta e della carta da filtro. Riempire con acqua distillata fino al segno.
- Spipettare 25 mL della soluzione in una beuta. Aggiungere 25 mL di acido solforico diluito.
- Titolare con manganato(VII) di potassio 0,02 M fino a quando la soluzione passa da incolore a rosa pallido.
- Ripetere l'esperimento fino ad ottenere un volume con valori nell' intervallo di confidenza di + 0,10.
Di seguito è riportato un'immagine dell'attrezzatura necessaria.
Figura 1. Attrezzatura necessaria per una titolazione. Fonte: commons.wikimedia
Nella seguente reazione, il Fe2+ viene ossidato a Fe3+ mentre il Mn7+ viene ridotto a Mn2+. Scrivi le mezze equazioni per il processo come segue:
Figura 2. Reazione redox tra Fe (II) e manganato (VII).
È necessario utilizzare acido solforico diluito perché il permanganato di potassio funziona meglio come ossidante in condizioni acide. Ricorda che gli ioni dei metalli di transizione richiedono condizioni fortemente acide quando passano da uno stato di ossidazione superiore a uno inferiore. Tuttavia, non si può usare un acido qualsiasi!
- Il manganato(VII) ossida gli ioni cloruro nell'acido cloridrico in cloro.
- Gli acidi deboli come l'acido ossalico non forniscono abbastanza ioni H+.
- L'uso di acido solforico o nitrico concentrato può ossidare l'analita.
Non si usa un indicatore per la titolazione perché il manganato(VII) di potassio è l'indicatore. Il manganato(VII) viola si riduce a manganato(II) (una soluzione incolore) man mano che la reazione procede. Una goccia di manganato(VII) in eccesso conferisce alla soluzione un colore rosa pallido permanente.
Consideriamo ora la reazione tra ioni manganato e ioni ossalato.
Titolazione con ioni ossalato
La reazione tra manganato e ioni ossalato (C2O42-) è interessante perché è autocatalitica. I chimici usano l'acido etandioico (chiamato anche acido ossalico) per standardizzare o determinare la forza della soluzione di permanganato.
Per saperne di più sugli autocatalizzatori, leggi Catalizzatori.
L'acido etandioico, detto anche acido ossalico, si trova in piante come gli spinaci e il rabarbaro. I sali dell'acido ossalico contengono lo ione ossalato (C2O42-). Possiamo conoscere la concentrazione di ioni ossalato liberi in soluzione titolando con permanganato di potassio. Questa reazione viene utilizzata per analizzare il contenuto di ossalato nelle foglie di spinaci, ad esempio.
La reazione redox tra il manganato(VII) e gli ioni ossalato avviene come segue:
MnO4- viene ridotto a Mn2+ e C2O42- viene ossidato a CO2.
Figura 3. Reazione redox tra manganato (VII) e ioni ossalato.
Ecco i passaggi per eseguire la titolazione:
- Sciacquare e riempire una buretta pulita con la soluzione di permanganato di potassio.
- Fissare la buretta al portaburette e posizionare la piastrella bianca sotto la beuta.
- Spipettare 10 mL di soluzione di acido ossalico 0,1 M in una beuta pulita.
- Aggiungere 5 mL di acido solforico diluito nella beuta.
- Riscaldare la soluzione di acido ossalico a 60ºC.
- Annotare la lettura iniziale nella buretta.
- Titolare la soluzione calda di acido ossalico con la soluzione di permanganato di potassio, agitando delicatamente la beuta.
- Fermarsi quando si osserva una soluzione di colore rosa pallido permanente.
- Registrare la lettura del menisco superiore della buretta.
- Ripetere l'esperimento fino ad ottenere un volume con valori nell' intervallo di confidenza di + 0,10.
Riscaldiamo la soluzione di ossalato a circa 60-70ºC per accelerare la reazione con il permanganato di potassio. Fare attenzione a non riscaldare la soluzione oltre i 70ºC, poiché l'ossalato inizia a decomporsi oltre i 70ºC.
Il potere ossidante del permanganato funziona meglio in un ambiente acido. Per questo motivo, in questo esperimento utilizziamo acido solforico diluito. L'acido solforico impedisce inoltre al manganese di ossidarsi in diossido di manganese. Non possiamo effettuare la titolazione in presenza di acidi come l'acido cloridrico o l'acido nitrico. L'acido cloridrico è un agente ossidante che reagisce con il manganato(VII) per formare cloro.
Come nella titolazione precedente, il permanganato agisce come autoindicatore. Gli ioni viola MnO4- si riducono a ioni incolori Mn2+. Una goccia di ioni MnO4- in eccesso presenta un colore rosa pallido
Capito? Bene, facciamo qualche calcolo!
Titolazione redox: formule e calcoli
Dopo aver completato una titolazione, è necessario fare alcuni calcoli per determinare la concentrazione dell'analita. Proviamo a fare qualche calcolo insieme!
24.55 mL di manganato(VII) di potassio acquoso 0,020 M hanno reagito con 25,0 mL di soluzione acidificata di solfato di ferro(II). Trovare la concentrazione di ioni Fe2+ nella soluzione.
Step 1: Scrivere l'equazione bilanciata
5Fe2+ (aq) + MnO4- (aq) + 8H+ (aq) ➔ 5Fe3+ (aq) + Mn2+ (aq) + 4H2O (l)
Step 2: Calcolare il numero di moli di ioni MnO4- aggiunte alla beuta.
Moli di MnO4- =
Dividiamo per 1000 per convertire il volume da mL a L.
Moli di MnO4- =
Step 3: L'equazione dice che 1 mole di MnO4- reagisce con 5 moli di Fe2+.
5Fe2+ (aq) + MnO4- (aq) + 8H+ (aq) ➔ 5Fe3+ (aq) + Mn2+ (aq) + 4H2O (l)
Step 4: Moltiplicare le moli di MnO4- per 5.
0.000419 x 5 = 0.002455 moli di Fe2+
Step 5: Calcolo della concentrazione di Fe2+
Moli di Fe2+ =
Quindi avremo che la concentrazione =
Concentrazione =
Concentrazione= 0.0982 mol L-1
I calcoli di titolazione seguono generalmente gli stessi principi, come si vedrà nel prossimo esempio.
Anna ha verificato la concentrazione di una soluzione di permanganato di potassio rispetto a una soluzione di acido ossalico di concentrazione 0.04 mol L-1.
Ha posto 25 mL della soluzione di acido ossalico in un pallone con un eccesso di acido solforico diluito. Dopo aver riscaldato la soluzione, ha effettuato una titolazione. Per raggiungere il punto finale sono stati necessari 25 mL di soluzione di permanganato di potassio.
Calcola la concentrazione effettiva della soluzione di permanganato.
Step 1: Scrivere l'equazione bilanciata della reazione
2MnO4– + 16H+ + 5C2O42- → 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O
Step 2: Trovare il numero di moli di acido ossalico
Sapendo che avremo che quindi:
Num. di moli di 5C2O42- =
Step 3: Trovare il numero di moli di manganato di potassio(VII).
L'equazione bilanciata ci dice che le moli di ioni permanganato necessarie sono di quelle degli ioni ossalato.
2MnO4- (aq) + 16H+ (aq) + 5C2O42- (aq) ➔ 2Mn2+ (aq) + 10CO2 (aq) + 8H2O (l)
Step 4: Moltiplicare il numero di moli di ioni ossalato per
0.001 x in 25 mL = 0.0004 moli di manganato (VIII)
Step 5: Trovare la concentrazione riarrangiando la formula
Avremo quindi che la
Concentrazione = 0.0004 x
Concentrazione = 0.016 mol L-1
Per imparare a fare i calcoli di titolazione è necessario fare pratica. Prova gli esempi nella sezione esercizi per migliorare le tue capacità!
Titolazioni redox - Punti Chiave
- È possibile stimare la quantità di solfato di ferro(II) presente in ogni compressa titolandola con una soluzione standard di manganato(VII) di potassio.
- Nella reazione redox tra manganato(VII) e ferro(II), il Fe2+ viene ossidato a Fe3+ mentre il Mn7+ viene ridotto a Mn2+.
- Le titolazioni redox del ferro(II) e degli ioni ossalato con manganato(VII) devono essere acidificate con acido solforico diluito.
- Le titolazioni redox di ioni ferro(II) ed ossalato con manganato(VII) non possono essere acidificate con acido cloridrico perché viene ossidato a cloro. L'acido ossalico è troppo debole e non fornisce abbastanza ioni H+. L'acido nitrico e l'acido solforico concentrato ossidano l'analita.
- Il permanganato agisce come autoindicatore. Gli ioni viola MnO4- si riducono a ioni incolori Mn2+. Una goccia di ioni MnO4- in eccesso presenta un colore rosa pallido.
- Nella titolazione redox tra permanganato e acido ossalico, si riscalda la soluzione di acido ossalico a circa 60-70ºC per accelerare la reazione con il permanganato di potassio.
- L'aggiunta di acido solforico all'analita nelle titolazioni con permanganato impedisce al manganese di ossidarsi a diossido di manganese.
- La reazione redox tra manganato(VII) e ioni ossalato avviene come segue: 2MnO4– (aq) + 16H+ (aq) + 5C2O42- (aq) ➔ 2Mn2+ (aq) + 10CO2 (aq) + 8H2O (l).
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Domande frequenti riguardo Titolazioni redox
Cosa si intende per titolazione?
La titolazione è un modo di analizzare le sostanze chimiche per trovare una concentrazione sconosciuta utilizzando una sostanza a concentrazione nota.
Perchè non si usa un indicatore come la cartina tornasole nelle titolazioni?
La cartina tornasole ha un colore diverso per i diversi intervalli di pH. Ciò rende difficile la titolazione a un valore di pH specifico. D'altra parte, gli indicatori specifici come la fenolftaleina passano da incolore a rosso intenso a pH superiori a 9,0.
Come si esegue una titolazione?
1. Con una pipetta pulita, misurare un volume prefissato di una soluzione di concentrazione incognita in una beuta pulita.
2. In alcuni casi, potrebbe essere necessario aggiungere alcune gocce di un indicatore appropriato alla beuta.
3. Posizionare una piastrella bianca sotto la beuta in modo da poter vedere facilmente eventuali variazioni di colore.
4. Sciacquare e riempire la buretta con la soluzione a concentrazione nota.
5. Registrare il volume iniziale nella buretta.
6. Aggiungere lentamente la soluzione nella buretta alla soluzione nella beuta, agitando delicatamente la beuta.
7. Interrompere la titolazione quando si raggiunge il punto finale. Il punto finale coincide con il momento in cui una goccia di soluzione in eccesso dalla buretta cambia il colore della soluzione nella beuta.
8. Registrare il volume finale della buretta.
9. Sottrarre il volume iniziale della buretta dal volume finale della buretta per ottenere il titolo.
10. Ripetere l'esperimento fino ad ottenere un volume con valori nell' intervallo di confidenza di + 0,10
Come si eseguono i calcoli relativi alla titolazione?
Proviamo a fare un esempio insieme.
23,9 mL di 0,040 mol L di permanganato di potassio acquoso hanno reagito con 25 mL di soluzione acidificata di solfato di ferro(II). Qual era la concentrazione di ioni Fe2+ nella soluzione?
Prima di tutto, scrivete l'equazione della reazione. Il processo redox tra manganato(VII) e ferro(II) avviene come segue:
5Fe2+ (aq) + MnO4- (aq) + 8H+ (aq) ➔ 5Fe3+ (aq) + Mn2+ (aq) + 4H2O (l)
Successivamente, utilizzare i valori forniti per trovare il numero di moli di ioni MnO4- aggiunti alla beuta.
Utilizzare la formula: numero di moli = concentrazione x volume / 1000
0,04 x 23,9/1000 = 0,000956 o 9,56x10-4 moli di MnO4-
Ora possiamo determinare il numero di moli di Fe2+ nella beuta!
Utilizzare l'equazione di reazione per trovare la proporzione della reazione tra il titolante e l'analita.
Dall'equazione, possiamo vedere che 1 mole di manganato(VII) reagisce con 5 moli di ferro(II).
Moltiplicare quindi 9,56x10-4 per 5.
9,56x10-4 x 5 = 0,00478 o 4,78x10-3 ioni Fe2+
Utilizzare la formula precedente per calcolare la concentrazione di ioni Fe2+.
0,00478 = Conc. x 25 / 1000
Conc. = 0,00478 x 1000 / 25
Conc. = 0,1912 mol L
Congratulazioni, avete completato il calcolo della titolazione!
Per imparare a fare i calcoli di titolazione occorre fare pratica. Provate a leggere gli esempi nella sezione degli esercizi.
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