RELAZIONE: Preparazione e standardizzazione delle soluzioni di permanganato con ossalato di sodio – Determinazione della concentrazione del sale di Mohr

ESERCITAZIONE: Analisi Volumetrica

OGGETTO:

• Preparazione e standardizzazione delle soluzioni di permanganato con ossalato di sodio;
• Determinazione della concentrazione del sale di Mohr.

FORMULE:

LEGENDA:

• g: grammi;
• ME: Massa Equivalente;
• eq: Equivalenti;
• MM: Massa Molecolare;
• Z: Valenza;
• N: Normalità;
• V e L: Volume in Litri;
• n: Moli;
• M: Molarità;
• V_i: Volume iniziale;
• V_f: Volume finale;
• d: Densità.

REAZIONI:

STANDARDIZZAZIONE DEL PERMANGANATO CON OSSALATO:

DETERMINAZIONE DEL TITOLO DEL SALE DI MOHR:

STRUMENTI E SOSTANZE:

• Spruzzetta con acqua distillata;
• Beuta da 250 mL con adesivo per conservare la sostanza;
• Matraccio tarato da 250 mL;
• Bunsen, sostegno treppiede e reticella spargi fiamma;
• Termometro;
• Buretta da 50 mL di vetro scuro;
• Cilindri graduati da 50 mL (Plastica e vetro);
• Pipetta tarata da 20 mL con pro pipetta;
• Bilancia analitica e bilancia tecnica;
• Vetro d’orologio;
• Imbuto (Plastica e vetro);
• Stufa elettrica;
• Essiccatore a pressione atmosferica;
• Pipetta monouso;
• Soluzione di acido Solforico H₂SO₄ 3,5 M;
• Spatola di acciaio;
• Soluzione di Permanganato di Potassio KMnO₄ 0,1 N;
• Soluzione standard di Ossalato di Sodio Na₂C₂O₄ 0,1 N;
• Soluzione con Sale di Mohr.

RELAZIONE:

CONOSCENZE TEORICHE:

La titolazione o Analisi Volumetrica è una tecnica analitica che consiste nel far reagire una soluzione a titolo noto di un reagente (titolante) con un volume noto di una soluzione contenente l’analita (titolando). Conoscendo il volume di titolante utilizzato e la stechiometria di reazione si può risalire alla concentrazione dell’analita con semplici calcoli.

La Titolazione Acido-Base  è utile a verificare la concentrazione ignota di un acido o di una base, mediante la reazione di neutralizzazione. La soluzione da titolare può essere un acido o una base, sia debole che forte. Per monitorare l’andamento della titolazione si può utilizzare un indicatore il cui pH di viraggio sia nella regione del punto di equivalenza. Il punto di equivalenza è il punto in cui la base e l’acido sono presenti nelle stesse quantità nelle reazioni in cui hanno lo stesso coefficiente stechiometrico e che è il punto in cui il pH è neutro nelle titolazioni fra un acido forte e una base forte, ovvero nelle reazioni dove i prodotti non influenzano il pH.

Il titolante è un reagente utilizzato nella titolazione di cui si conosce già la concentrazione. Grazie ad esso, è possibile determinare la concentrazione dell’altro reagente.

Una sostanza madre o standard è una sostanza che non reagisce con l’acqua e i suoi contenuti, che ha una purezza elevata e una concentrazione nota. Essa viene utilizzata in analisi qualitativa, per identificare una sostanza ed in analisi quantitativa, per dosare una sostanza in un campione.

Standardizzare significa determinare la concentrazione esatta di una soluzione preparata utilizzando un altro reattivo o soluzione di cui però si conosce bene la concentrazione. La standardizzazione è una titolazione a tutti gli effetti.

DESCRIZIONE DELLA PROVA:

La prima fase della prova consiste nel preparare le soluzioni.
Nelle reazioni analitiche le soluzioni devono essere a titolo noto (concentrazione esatta) in modo tale da poter sfruttare una reazione unica e poter fare altre determinazioni. Per poter preparare le diverse soluzioni a concentrazione precisa bisogna tenere presente alcuni fattori: la sostanza che si va ad utilizzare deve avere una purezza elevata e deve essere una sostanza madre (che non reagisce con l’acqua e con le sostanze in essa presenti).

La prima soluzione da preparare è il permanganato di potassio (KMnO₄). Il permanganato però non è una soluzione madre e quindi per poter determinare la concentrazione di questa soluzione bisogna eseguire una titolazione e quindi una standardizzazione, facendolo reagire in ambiente acido con l’ossalato di sodio (Na₂C₂O₄). Essendo una sostanza madre, l’ossalato di sodio può fornire una soluzione a concentrazione perfetta. Per la titolazione si utilizza anche l’acido solforico (H₂SO₄).
La soluzione di permanganato da preparare è di 250 ml a 0,1 N circa. Siccome la concentrazione del permanganato è approssimata, per prelevare la sostanza si utilizza la bilancia tecnica. Per calcolare i grammi da prelevare ci si serve della valenza (5) sapendo che il manganese nel permanganato passa da 7+ a 2+. Seguendo le formule, i grammi da prelevare sono 0,79 (come si può vedere dai calcoli). Adesso si prelevano le quantità di sostanza calcolate nel vetrino utilizzando la spatola e dopo il prelievo la si versa nel matraccio aiutandosi con un imbuto. Con dell’acqua distillata si cerca di raccogliere tutti i granelli rimasti nel vetrino e nell’imbuto fino a riempire un terzo del matraccio, ora si procede nell’agitare in modo da portare a soluzione tutta la sostanza. Dopo aver far sciolto tutto il permanganato si porta a volume della taratura. Per questo procedimento ci si può aiutare anche utilizzando una pipetta monouso (anche se in questo caso l’errore è poco rilevante visto che non è una soluzione a titolo noto). Poi si agita coprendo con della carta parafilm l’imboccatura. Terminata l’agitazione si versa il tutto nella beuta per poter essere chiusa con altra carta di parafilm e conservata. Il permanganato ha bisogno di tempi di stabilizzazione perché potrebbe formarsi del precipitato ed ha bisogno di essere lasciato per almeno 2 o 3 giorni a riposo.
Per preparare le soluzioni di ossalato di sodio e acido solforico evitando sprechi, si dividono le soluzioni in gruppi frontali (gruppi dispari ossalato e gruppi pari acido solforico).

La soluzione di ossalato di sodio da preparare è di 250 ml di 0,1 N. Sapendo che la valenza è uguale a 2 si risale ai grammi da prelevare per avere una soluzione con questa concentrazione. Prima della pesata, la sostanza va però messa in stufa per un paio d’ore e poi a raffreddare in essiccatore per rimuovere eventuali impurezze provocate dall’umidità. La pesata questa volta va eseguita con la bilancia analitica perché essendo una sostanza madre bisogna essere molto precisi. Una volta pesata, la sostanza va messa nel matraccio aiutandosi con un imbuto, con una spruzzetta con acqua distillata si cerca di recuperare tutti i cristalli rimasti sul vetrino e sull’imbuto e si riempie fino ad un terzo il matraccio. Adesso si agita la soluzione per far disciogliere tutto il soluto. Per accelerare la reazione ci si può aiutare con il bunsen. Appena tutto il soluto si è disciolto, si porta a volume fino al segno di taratura (aiutandosi anche questa volta con una pipetta monouso). Adesso la soluzione di ossalato si travasa in una beuta per poter essere conservata per la standardizzazione.

La soluzione di acido solforico da preparare è di 250 ml di 3,5 M. Per prepararlo si prelevano da un boccione di acido solforico concentrato a 96% e densità 1,84 una quantità di volume pari da ottenere 250 ml a concentrazione 3,5 M. Attraverso alcuni calcoli si risale al volume necessario. Siccome l’acido solforico sprigiona una reazione esotermica, si inserisce prima un po’ di acqua e poi l’acido, infine si aggiunge l’acqua rimanente per arrivare a 250 ml e si agita molto delicatamente, per raffreddare il matraccio si può anche far scorrere dell’acqua di rubinetto lungo le pareti. Il prelievo dell’acido solforico avviene sotto cappa. L’acido solforico viene utilizzato per fornire gli H⁺ alla reazione e quindi renderla acida.

Come già detto la standardizzazione viene eseguita utilizzando un’opportuna reazione chimica in ambiente acido tra il permanganato e l’ossalato di sodio.
Prima di iniziare la standardizzazione si avvina e si azzera la buretta con il permanganato. Si pongono 20 ml di ossalato (usando una pipetta tarata con la relativa propipetta), 50 ml di acqua distillata (usando un cilindro graduato di plastica) e 10 ml di acido solforico (usando un cilindro graduato di vetro) in una beuta e si riscalda la soluzione fino a 60 °C (per velocizzare la reazione) usando un bunsen e un termometro. Poi si procede con la standardizzazione facendo scendere goccia dopo goccia il permanganato. Le prime gocce di permanganato che scendono tendono a scomparire perché la reazione è catalizzata dagli stessi ioni Mn²⁺ che sono incolore e quindi le gocce da viola diventano incolore. Quindi lo stesso permanganato funge da indicatore alla titolazione. Mentre si aggiunge il permanganato, bisogna agitare la beuta. Quando la soluzione diventa di colore rosa vuol dire che si è raggiunto il punto di equivalenza. Un millesimo di goccia in più ci farà superare questo punto. Essendo a conoscenza della concentrazione esatta dell’ossalato e del volume di permanganato standardizzato si può risalire alla concentrazione esatta di quest’ultimo.

La seconda prova da effettuare è la determinazione del titolo del sale di Mohr. Per determinare la concentrazione del ferro, lo si titola con il permanganato di cui già si conosce la concentrazione.
Si porta a volume la soluzione di ferro aggiungendo acqua distillata.
Si avvina e azzera di nuovo la buretta con il permanganato, si prepara il titolante mettendo in una beuta 20 ml della soluzione di ferro, 50 ml di acqua distillata e circa (non più di) 10 ml di acido Solforico. Ora si può procedere con la titolazione, procedimento simile alla standardizzazione. Quando il colore della soluzione titolante diventa di colore rosa, si ha il punto di equivalenza. Adesso si conoscono i ml di permanganato necessari per neutralizzare il ferro.  Conoscendo la concentrazione e il volume del permanganato si può calcolare la concentrazione del ferro.

Da questa prova si può capire come la titolazione e la standardizzazione ci permettono di calcolare con estrema precisione la concentrazione di una sostanza a titolo non noto.