Introduzione

L’acido citrico è un acido carbossilico solido cristallino, facile da usare, economico, solubile in acqua. Rispetto all’uso di soluzioni di acido cloridrico, l’uso dell’acido citrico solido e delle sue soluzioni in acqua è più sicuro e conveniente. Per gli studenti inesperti le sue titolazioni contro basi forti sono più facili da eseguire. Questo articolo presenta una titolazione di neutralizzazione di una soluzione di acido citrico con una soluzione di idrossido di sodio in un formato adatto ai titolatori principianti. Un secondo articolo suggerirà applicazioni dello stesso esperimento che sono adatte a titolatori esperti.

Acido citrico

L’acido citrico1 è prodotto dalla fermentazione degli zuccheri (> 1 M tonnellate all’anno) per uso in bevande e alimenti (70%); in detergenti (20%); e in cosmetici, prodotti farmaceutici e altri prodotti chimici (10%). Viene prodotto come solido cristallino, anidro, o come monoidrato, ed è disponibile in entrambe le forme a basso costo. Il solido monoidrato perde acqua sotto i 100 °C quando viene riscaldato, formando il solido anidro, che fonde a 156 °C, e si decompone a 175 °C. Entrambi i solidi sono stabili e rimangono a flusso libero nella bottiglia dopo molti anni di stoccaggio. È molto solubile in acqua. L’acido citrico può essere acquistato a basso costo come reagente chimico di entrambe le forme a vari livelli di purezza,2 o a costi ancora più bassi come sostanza di consumo di purezza non specificata e solitamente in forma non specificata.3

Titolazione dell’acido citrico contro base forte

L’acido citrico ha tre gruppi acido carbossilico, tre atomi di idrogeno ionizzabili e acidi e tre valori Ka/pKa. La reazione di neutralizzazione con l’idrossido di sodio ha una stechiometria di 3 a 1 come illustrato dall’equazione di neutralizzazione completa bilanciata. La reazione va a completamento ed è adatta per titolazioni analitiche:

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

Quando titolato da una base forte come la soluzione 0,1 M NaOH, una soluzione di acido citrico attraversa una regione tampone durante la quale il pH della soluzione sale gradualmente poi più ripidamente. Da circa una goccia aggiunta della soluzione 0,1 M NaOH prima del punto di equivalenza della titolazione a circa una goccia aggiunta dopo il punto di equivalenza, il pH della soluzione di titolazione sale in modo estremamente ripido da leggermente sotto 7 a sopra 9.
Un indicatore visivo acido-base scelto per la titolazione deve cambiare dal suo colore acido al suo colore base nell’intervallo 7-9. L’indicatore fenolftaleina è una scelta eccellente per questa titolazione, cambiando da incolore a rosa a rosso. Rispetto alle titolazioni con un acido forte come l’acido cloridrico, l’acido debole diluito “cattura” la base nelle gocce di titolante aggiunto più lentamente. Il risultato è che man mano che ci si avvicina al punto di equivalenza, anche agitando, il colore rosa-rosso appare dove le gocce di titolante entrano nella beuta di titolazione e persiste, all’inizio per frazioni di secondo, poi sempre più a lungo, fino a quando un debole colore rosa può essere visto in tutta la soluzione che persiste per almeno un minuto (vedi Domanda 3). Questo fenomeno rende queste titolazioni molto facili da eseguire, e quindi molto adatte ai novizi.

Sicurezza, smaltimento dei rifiuti e conservazione

L’acido citrico è un acido debole relativamente forte, ma non sono richieste particolari precauzioni per il suo utilizzo. L’acido citrico in polvere è venduto per uso domestico senza restrizioni. Il pH dell’acido citrico 0,033 M è circa 2,2, che è leggermente più alto di quello del succo di limone.4 L’idrossido di sodio 0,1 M e l’indicatore fenolftaleina sono più pericolosi. Maneggiare e pulire l’acido citrico solido come si farebbe con l’idrossido di sodio solido.

Le soluzioni titolate e l’eccesso di soluzioni reagenti possono essere smaltite in sicurezza in un lavandino. Al Mohawk College conserviamo le bottiglie contagocce contenenti la soluzione di idrossido di sodio per lunghi periodi senza apparenti effetti negativi. La conservazione della soluzione di acido citrico potrebbe non essere consigliabile, dal momento che potrebbe sostenere la vita microbiologica.

Descrizione dell’esperimento

Ecco un metodo semplice, veloce ed economico per eseguire titolazioni di soluzione di acido citrico con soluzione di idrossido di sodio. Si presume che le titolazioni vengano eseguite gravimetricamente utilizzando economiche, infrangibili, bottiglie di polimero da 60 mL a dispensazione controllata di gocce.5a

Preparazione, apparecchiatura e forniture

*Un diametro minore del foro è migliore per la precisione.

Prepara i due reagenti in modo approssimativo, in modo che le tue titolazioni di prova anticipate indichino che un campione di 5 mL della soluzione di acido citrico è neutralizzato da circa 5 g della soluzione di idrossido di sodio. Come esempio di calcolo, etichettate l’una o l’altra con un valore “fittizio” per la concentrazione e fate determinare agli studenti la concentrazione dell’altra soluzione tramite titolazione e calcolo. (Vedere i calcoli qui sotto.)

Il metodo completo e una titolazione campione dovrebbero essere dimostrati per i novizi. Specificare un criterio di precisione per il completamento con successo. Uno standard ragionevole sarebbe “tre masse di titolazione entro ± 3% della massa media”. Se si usano burette da 50 mL, aumentare il volume dei campioni di acido citrico da 5 mL a 10 mL per avere più o meno la stessa precisione nei risultati.

Titolazione gravimetrica con una bottiglia da spremere a goccia controllata da un polimero e una bilancia digitale a 2 postie una bilancia digitale a 2 posizioni

Istruzioni per gli studenti

1. Trasferisci circa 10 mL della soluzione di acido citrico in un piccolo becher (100 o 250 mL). Usa questa porzione di soluzione per risciacquare la superficie interna del piccolo becher, il cilindro graduato da 10 mL e la pipetta contagocce. Questa porzione di risciacquo è un rifiuto. Ripeti il risciacquo altre due volte. NON RISCIACQUARE la beuta da 125 mL, può essere lasciata bagnata, ma solo con acqua distillata. (Vedi Domanda 1.)

1. Trasferisci circa 50 mL della soluzione di acido citrico nel piccolo becher sciacquato. Questa quantità sarà necessaria per le tre prove. Per la prova 1 trasferisci una parte della soluzione il più attentamente possibile nel cilindro graduato da 10 mL, fino alla linea dei 5,0 mL, usando la pipetta contagocce per regolare il fondo del menisco alla linea.

1. Trasferisci il campione di 5,0 mL di soluzione di acido citrico per la prova 1 dal cilindro in una beuta da 125 mL. Svuotare completamente il cilindro, aspettando che le ultime gocce cadano. Aggiungere acqua distillata dal biberon in modo che il volume totale nella beuta sia compreso tra 20 mL e 30 mL. Aggiungere 4 o 5 gocce di soluzione di indicatore di fenolftaleina nella beuta. Ruotare delicatamente la beuta per miscelare completamente il contenuto.

1. Premere il pulsante zero/tare sulla bilancia digitale a 2 posti. Posizionare la bottiglia per la distribuzione delle gocce contenente la soluzione NaOH sul piatto della bilancia. Il piatto della bilancia, l’esterno del flacone contagocce e le dita devono essere tenuti sempre asciutti. (Vedi Domanda 2.)

1. Registra la massa della bottiglia e il suo contenuto.
2. Titola la soluzione nella beuta aggiungendo gocce di soluzione dalla bottiglia contagocce. Tenere la bottiglia capovolta sopra la bocca della beuta. Conta le gocce. Ruotare delicatamente la beuta. Il punto finale è raggiunto quando, aggiungendo una goccia di base, la soluzione nella beuta cambia da incolore a rosa o rosso e il colore rimane per almeno un minuto.

Se, dopo un’aggiunta di più gocce di base la soluzione è profondamente rossa, il punto finale può essere stato superato, e il risultato della titolazione non deve essere utilizzato per i calcoli. Se si “perde” una goccia durante una titolazione, la titolazione non deve essere usata per i calcoli.

1. Ripetere i passi 4 e 5. Registra la nuova massa della bottiglia e del suo contenuto. Sottrai i tuoi valori di massa per ottenere la massa di titolazione della soluzione 0,1 M NaOH.

1. Ripeti la procedura di titolazione. Il conteggio delle gocce può servire come guida per accelerare le titolazioni ripetute. Continuare fino al raggiungimento del criterio di completamento.

Calcoli

La densità di una soluzione di NaOH 0,125 M a 20 °C è 1,0039 g/mL.6 Per i calcoli degli studenti la densità di una soluzione di NaOH 0,1 M è così vicina all’unità in unità g/mL che i valori di massa delle titolazioni in unità g possono essere usati come volumi in unità mL senza errori significativi.

Il mio metodo preferito per gli studenti principianti è un calcolo in 3 parti. Supponiamo che titolazioni ripetute di campioni di 5 mL di soluzione di acido citrico abbiano prodotto un risultato medio di titolazione di 4,87 g di 0,0989 M NaOH (= 4,87 mL di 0,0989 M NaOH):

Domande per gli studenti

1. Ti è stato detto di sciacquare il becher, il cilindro graduato e la pipetta contagocce, ma non la beuta, con la soluzione di acido citrico. Spiega.

1. Quali errori si verificano se le tue dita, il piatto della bilancia o l’esterno del flacone contagocce sono bagnati dall’acqua?

1. Lo sbiadimento molto lento del colore dell’indicatore di fenolftaleina è dovuto all’anidride carbonica nell’aria che reagisce con lo ione idrossido nella soluzione. Scrivi un’equazione chimica bilanciata per questa reazione e spiega perché causa lo sbiadimento del colore.

Riconoscimenti

L’autore ringrazia Randy Travis, tecnologo del Dipartimento di Chimica, Ambiente e Biotecnologia del Mohawk College, per il suo prezioso aiuto.

1. http://www.wikipedia.org per le costanti di dissociazione dell’acido citrico.

1. Sigma-Aldrich Acido citrico (99 %), Acido citrico monoidrato (98 %)

3. Boreal Science: Acido citrico monoidrato (% non specificato):

Fibre Garden: Acido citrico (forma non specificata o %)

4. Engineering Toolbox: Acidi – Valori di pH La referenza 4 elenca i valori di pH per soluzioni le cui concentrazioni sono date in unità di normalità. Per una soluzione di acido citrico 0,033 M = 0,100 N. Ci sono alcune aree della tecnologia dove la normalità è ancora in uso. I consulenti industriali dei programmi universitari insistono che questo argomento è importante per i nostri laureati.

5. Articoli disponibili dalla pagina web:

• Titolazione gravimetrica 3:
• Titolazione gravimetrica 2:

Oppure contattare David Cash per versioni Word® modificabili di questi articoli.

6. CRC Handbook (1973-74): Concentrative properties of aqueous
solutions – sodium hydroxide. ∎