Standardizzazione di HCl con il borace

La standardizzazione di HCl con il borace è una metodica utilizzata in chimica analitica. La motivazione principale per la quale l’acido cloridrico non è uno standard primario è che esso viene commercializzato concentrato al 37% m/m con una densità di 1.19 g/mL.

Ciò implica che sono contenuti 37 g di HCl in 100 g di soluzione il cui volume V = 100 g/1.19 g/mL = 84 mL. Pertanto le cifre significative sono solo due e ciò implica che della soluzione di HCl concentrata si può calcolare la concentrazione molare solo con due cifre significative che sono troppo poche per poter considerare l’acido come uno standard primario.

Le moli corrispondenti a 37 g sono 37 g/36.46 g/mol = 1.0. La concentrazione espressa in termini di molarità vale quindi M = 1.0 mol/0.084 L = 12 M. Dai dati si evince che la molarità ottenuta le cifre significative sono due.

acido cloridrico
acido cloridrico

Inoltre poiché l’acido cloridrico usato nelle titolazioni ha una concentrazione minore è necessario diluire la soluzione concentrata. Se si vuole preparare un litro di soluzione a titolo approssimato 0.1 M, dalla formula delle diluizioni M1V1= M2V2 si può calcolare il volume di HCl concentrato da prelevare: 0.1 · 1 = 12 V. Pertanto il volume da prelevare è pari a 0.1 · 1 / 12 = 0.008 L = 8 mL quindi in un matraccio da litro si versa dapprima acqua distillata, poi il volume calcolato di acido cloridrico concentrato ed infine si porta a volume.

Si procede poi alla standardizzazione dell’acido che può essere effettuata utilizzando vari standard primari come il carbonato di sodio.

Per la standardizzazione dell’acido cloridrico con il carbonato di sodio si deve innanzi tutto calcolare la massa di carbonato di sodio da pesare che possa reagire con 25 mL della soluzione di HCl a titolo approssimato.
Supponendo che la soluzione sia 0.1 M le moli di HCl contenute in 25 mL sono pari a:
moli di HCl = 0.1 M ∙ 0.025 L = 0.0025.

Se, come indicatore si usa il metilarancio o il rosso metile, la reazione che deve essere considerata è:
Na2CO3 + 2 HCl → 2 NaCl + H2O + CO2

Poiché il rapporto stechiometrico tra carbonato di sodio e acido cloridrico è di 1:2 le moli di carbonato di sodio necessarie sono pari a 0.0025 ∙ 1/2 =0.00125. La massa di carbonato di sodio necessaria sarà quindi pari a 0.00125 mol ∙ 105.9888 g/mol = 0.132 g
Si può anche utilizzare, come indicatore la fenolftaleina che ha un intervallo di viraggio compreso tra 8.2 e 9.8.

In tal caso il viraggio avviene in ambiente basico e la reazione da considerare è Na2CO3 +  HCl → NaCl + NaHCO3 in cui il rapporto tra il carbonato di sodio e l’acido cloridrico è di 1:1 pertanto la massa di carbonato di sodio che deve essere pesata è la metà di quella calcolata in precedenza.

In alternativa come standard primario si può utilizzare l’ossido di mercurio (II) HgO. Tuttavia, stante la tossicità dei prodotti contenenti mercurio, si può effettuare la standardizzazione di HCl con il borace quale standard primario.

Teoria della standardizzazione di HCl con il borace

Il borace, il cui nome I.U.P.A.C. è tetraborato di sodio decaidrato Na2B4O7 ∙ 10 H2O,   può essere usato come standard primario nelle titolazioni acido-base in quanto esso non si decompone in condizioni normali e può essere ottenuto con un grado di purezza superiore al 99.99%.

borace
borace

Esso inoltre presenta le altre caratteristiche necessarie affinché possa essere definito come standard primario in quanto reagisce con stechiometria nota, può essere pesato e può essere usato direttamente. Ha  una massa equivalente relativamente elevata, e ciò  significa che i potenziali errori nella standardizzazione sono minori rispetto ad altre sostanze.

Il borace presenta inoltre i requisiti richiesti agli standard primari avendo una massa molecolare molto maggiore rispetto a quella del carbonato di sodio, è facilmente purificabile mediante ricristallizzazione, è praticamente non igroscopico.

In acqua il borace di dissocia in ioni sodio e tetraborato
Na2B4O7 ∙ 10 H2O  → 2 Na+ + B4O72- + 10 H2O

L’anione tetraborato idrolizza dando luogo alla formazione di acido borico e ioni OH secondo la reazione:
B4O72- + 4 H2O → 4 H3BO3 + 2 OH

Gli ioni idrossido possono essere titolati da un acido forte e al punto equivalente la soluzione contiene l’acido borico che è un acido molto debole con una costante di equilibrio Ka dell’ordine di 10-10.
L’acido borico si dissocia secondo l’equilibrio:
H3BO3 ⇄ H2BO3 + H+
Pertanto al punto equivalente, che corrisponde al punto in cui tutti gli ioni OH sono stati neutralizzati da HCl e convertiti in H2O, la soluzione e lievemente acida e quindi la scelta dell’indicatore dovrà ricadere su un indicatore acido-base che vira a pH acidi come il metilarancio.

La reazione complessiva tra borace e acido cloridrico è:
Na2B4O7 ∙ 10 H2O  + 2 HCl → 2 NaCl + 4 H3BO3 + 5 H2O
pertanto il rapporto tra borace e HCl è di 1:2

Calcoli per la standardizzazione di HCl con il borace

Per la standardizzazione di HCl con il borace bisogna calcolare la massa di borace che deve essere pesata. Si supponga che l’acido cloridrico abbia una concentrazione approssimata di 0.1 M. Tenendo conto che la portata di una buretta è di 50 mL si deve pesare una quantità di borace titolabile da circa 25 mL.

buretta
buretta

Supponendo che siano necessari 24 mL per raggiungere il punto finale della titolazione le moli di HCl sono pari a moli = 0.1 M · 0.024 L = 0.0024. Pertanto le moli di borace necessarie sono 0.0024/2 = 0.0012 che corrispondono a 0.00012 mol · 381.37 g/mol = 0.46 g.

Si supponga, per la prima standardizzazione di HCl con il borace, di aver pesato 0.4651 g di borace corrispondenti a 0.4651 g/381.37 g/mol =0.001220. Le moli di HCl occorse per la titolazione sono pari a 0.001220 mol · 2 = 0.002440. Se sono occorsi 24.0 per raggiungere il punto finale il titolo di HCl è pari a 0.002440/0.0240 L = 0.102 M

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