Introducción

El ácido cítrico es un ácido carboxílico sólido cristalino, fácil de usar y barato, soluble en agua. En comparación con el uso de soluciones de ácido clorhídrico, el uso de ácido cítrico sólido y sus soluciones en agua es más seguro y conveniente. Para los estudiantes inexpertos sus valoraciones frente a bases fuertes son más fáciles de realizar. Este artículo presenta una valoración de neutralización de una solución de ácido cítrico mediante una solución de hidróxido de sodio en un formato adecuado para tituladores principiantes. Un segundo artículo sugerirá aplicaciones del mismo experimento que son adecuadas para tituladores experimentados.

Ácido cítrico

El ácido cítrico1 se produce por la fermentación de azúcares (> 1 M de toneladas al año) para su uso en bebidas y alimentos (70%); en detergentes (20%); y en cosméticos, productos farmacéuticos y otros productos químicos (10%). Se produce como sólido cristalino, anhidro, o como monohidrato, y está disponible en cualquiera de las dos formas a bajo coste. El monohidrato sólido pierde agua por debajo de los 100 °C cuando se calienta, formando el sólido anhidro, que funde a 156 °C, y se descompone a 175 °C. Ambos sólidos son estables y siguen siendo fluidos en la botella después de muchos años de almacenamiento. Es muy soluble en agua. El ácido cítrico puede adquirirse a bajo coste como producto químico reactivo de cualquiera de las dos formas en varios niveles de pureza,2 o a un coste aún menor como sustancia de consumo de pureza no especificada y forma generalmente no especificada.3

Titulación del ácido cítrico frente a una base fuerte

El ácido cítrico tiene tres grupos de ácido carboxílico, tres átomos de hidrógeno ionizables y ácidos y tres valores Ka/pKa. La reacción de neutralización con hidróxido de sodio tiene una estequiometría de 3 a 1, como se ilustra en la ecuación de neutralización completa equilibrada. La reacción se completa y es adecuada para las valoraciones analíticas:

3 NaOH (aq) + H3C6H5O7 (aq) –> Na2C6H5O7 (aq) + 3 H2O

Cuando se valora con una base fuerte como la solución de NaOH 0,1 M, una solución de ácido cítrico atraviesa una región tampón durante la cual el pH de la solución sube gradualmente y luego de forma más pronunciada. Desde aproximadamente una gota añadida de la solución de NaOH 0,1 M antes del punto de equivalencia de la valoración hasta aproximadamente una gota añadida después del punto de equivalencia, el pH de la solución de valoración asciende de forma extremadamente pronunciada desde ligeramente por debajo de 7 hasta por encima de 9.
Un indicador visual ácido-base elegido para la valoración debe cambiar de su color ácido a su color base en el rango de 7 a 9. El indicador de fenolftaleína es una excelente opción para esta valoración, ya que cambia de incoloro a rosa y a rojo. En comparación con las valoraciones con un ácido fuerte, como el ácido clorhídrico, el ácido débil diluido «absorbe» la base en las gotas de valorante añadido más lentamente. El resultado es que, a medida que se acerca al punto de equivalencia, incluso con la agitación, el color rosa-rojo aparece en el lugar donde las gotas de titulante entran en el matraz de valoración y persiste, al principio durante fracciones de segundo, luego cada vez más, hasta que se puede ver un tenue color rosa en toda la solución que persiste durante al menos un minuto (véase la pregunta 3). Este fenómeno hace que estas valoraciones sean muy fáciles de realizar y, por tanto, muy adecuadas para los novatos.

Seguridad, eliminación de residuos y almacenamiento

El ácido cítrico es un ácido débil relativamente fuerte, pero no se requieren precauciones especiales para su uso. El ácido cítrico en polvo se vende para uso doméstico sin restricciones. El pH del ácido cítrico 0,033 M es de aproximadamente 2,2, que es ligeramente superior al del zumo de limón.4 El hidróxido de sodio 0,1 M y el indicador de fenolftaleína son más peligrosos. Manipule y limpie el ácido cítrico sólido como lo haría con el hidróxido de sodio sólido.

Las soluciones tituladas y el exceso de soluciones reactivas pueden desecharse con seguridad en un fregadero. En el Mohawk College almacenamos los frascos con cuentagotas que contienen la solución de hidróxido de sodio durante largos períodos sin efectos nocivos aparentes. El almacenamiento de la solución de ácido cítrico puede no ser aconsejable, ya que puede albergar vida microbiológica.

Descripción del experimento

Aquí se presenta un método sencillo, rápido y económico para realizar valoraciones de la solución de ácido cítrico con la solución de hidróxido de sodio. Se supone que las valoraciones se realizan gravimétricamente utilizando frascos exprimibles de polímero de 60 mL, baratos e irrompibles, con dispensación controlada de gotas.5a

Preparación, aparatos y suministros

*Un diámetro de orificio más pequeño es mejor para la precisión.

Prepare los dos reactivos de forma aproximada, de manera que sus valoraciones de prueba anticipadas indiquen que una muestra de 5 mL de la solución de ácido cítrico es neutralizada por aproximadamente 5 g de la solución de hidróxido de sodio. Como muestra de cálculo, etiquete una u otra con un valor «ficticio» de concentración y haga que los alumnos determinen la concentración de la otra solución por valoración y cálculo. (Ver cálculos más abajo.)

Se debe demostrar el método completo y una titulación de muestra para los novatos. Especifique un criterio de precisión de realización exitosa. Una norma razonable sería «tres masas de valoración dentro de ± 3% de la masa media». Si se utilizan buretas de 50 mL, aumentar el volumen de las muestras de ácido cítrico de 5 mL a 10 mL para tener aproximadamente la misma precisión en los resultados.

Titulación gravimétrica con un frasco exprimidor con dispensación de gotas controlado por polímero y una balanza digital de 2 posicionesTitulación gravimétrica con un frasco exprimidor con dispensación de gotas controlado por polímero.con una botella dispensadora de gotas controlada por polímero y una balanza digital de 2 posiciones

Instrucciones para el estudiante

1. Transfiera unos 10 mL de la solución de ácido cítrico a un vaso de precipitados pequeño (100 o 250 mL). Utiliza esta porción de solución para enjuagar la superficie interior del vaso pequeño, la probeta graduada de 10 mL y la pipeta cuentagotas. Esta porción de enjuague es de desecho. Repita el enjuague dos veces más. NO ENJUAGUE el matraz Erlenmeyer de 125 mL, puede dejarlo mojado, pero sólo con agua destilada. (Véase la pregunta 1.)

1. Transfiere unos 50 mL de la solución de ácido cítrico al vaso pequeño enjuagado. Esta cantidad será necesaria para los tres ensayos. Para el ensayo 1, transfiera parte de la solución con el mayor cuidado posible a la probeta graduada de 10 mL, hasta la línea de 5,0 mL, utilizando la pipeta cuentagotas para ajustar el fondo del menisco a la línea.

1. Transfiera la muestra de 5,0 mL de solución de ácido cítrico para el ensayo 1 desde la probeta a un matraz Erlenmeyer de 125 mL. Vaciar totalmente la botella, esperando a que caigan las últimas gotas. Añada agua destilada de la botella exprimida de forma que el volumen total del matraz esté entre 20 mL y 30 mL. Añadir al matraz de 4 a 5 gotas de solución indicadora de fenolftaleína. Agite el matraz suavemente para mezclar completamente el contenido.

1. Presione el botón de cero/tara en la balanza digital de 2 posiciones. Coloque el frasco dispensador de gotas que contiene la solución de NaOH en el platillo de la balanza. El platillo de la balanza, el exterior del frasco cuentagotas y sus dedos deben mantenerse secos en todo momento. (Ver pregunta 2.)

1. Registre la masa del frasco y su contenido.
2. Titúe la solución en el matraz Erlenmeyer añadiendo gotas de solución del frasco dispensador de gotas. Sostenga la botella boca abajo sobre la boca del matraz. Cuenta las gotas. Agitar el matraz suavemente. El punto final se alcanza cuando, al añadir una gota de la base, la solución del matraz pasa de incolora a rosa o roja y el color se mantiene durante al menos un minuto.

Si, tras una adición de varias gotas de base, la solución es de color rojo intenso, es posible que se haya superado el punto final, y el resultado de la valoración no debe utilizarse para los cálculos. Si se «pierde» una gota durante una valoración, la valoración no debe utilizarse para los cálculos.

1. Repita los pasos 4 y 5. Registre la nueva masa de la botella y su contenido. Reste sus valores de masa para obtener la masa de valoración de la solución 0,1 M de NaOH.

1. Repita el procedimiento de valoración. El recuento de gotas puede servir de guía para acelerar la repetición de las valoraciones. Continúe hasta que se alcance el criterio de finalización con éxito.

Cálculos

La densidad de una solución de NaOH 0,125 M a 20 °C es de 1,0039 g/mL.6 Para los cálculos de los estudiantes, la densidad de una solución 0.1 M de NaOH es tan cercana a la unidad en unidades g/mL que los valores de masa de las valoraciones en unidades g pueden usarse como volúmenes en unidades mL sin un error significativo.

Mi método preferido para los estudiantes de introducción es un cálculo en 3 partes. Suponga que las valoraciones repetidas de muestras de 5 mL de solución de ácido cítrico produjeron un resultado medio de valoración de 4,87 g de NaOH 0,0989 M (= 4,87 mL de NaOH 0,0989 M):

Preguntas para los estudiantes

1. Se le indicó que enjuagara el vaso de precipitados, la probeta graduada y la pipeta cuentagotas, pero no el matraz Erlenmeyer, con la solución de ácido cítrico. Explica.

1. ¿Qué errores se producen si tus dedos, el platillo de la balanza o el exterior del frasco cuentagotas están mojados con agua?

1. La lentísima pérdida de color del indicador de fenolftaleína se debe a que el dióxido de carbono del aire reacciona con el ion hidróxido de la solución. Escriba una ecuación química equilibrada para esta reacción y explique por qué provoca el desvanecimiento del color.

Agradecimientos

El autor agradece a Randy Travis, tecnólogo del Departamento de Química, Medio Ambiente y Biotecnología del Mohawk College, su inestimable ayuda.

1. http://www.wikipedia.org para las constantes de disociación del ácido cítrico.

1. Ácido cítrico de Sigma-Aldrich (99 %), ácido cítrico monohidratado (98 %)

3. Boreal Science: Ácido cítrico monohidratado (forma no especificada):

Fibre Garden: Citric acid (unspecified form or %)

4. Engineering Toolbox: Ácidos – Valores de pH La referencia 4 enumera los valores de pH para soluciones cuyas concentraciones se dan en unidades de normalidad. Para una solución de ácido cítrico 0,033 M = 0,100 N. Hay algunas áreas de la tecnología en las que todavía se utiliza la normalidad. Los asesores industriales de los programas universitarios insisten en que este tema es importante para nuestros graduados.

5. Artículos disponibles en la página web:

• Titulación gravimétrica 3:
• Titulación gravimétrica 2:

O póngase en contacto con David Cash para obtener versiones editables en Word® de estos artículos.

6. CRC Handbook (1973-74): Propiedades concentrativas de las
soluciones acuosas – hidróxido de sodio. ∎