Introduzione agli esercizi sulle titolazioni redox
Si propongono esercizi sulle titolazioni redox ovvero su quelle titolazioni in cui avviene una reazione di ossidoriduzione come la permanganometria, la iodometria, la bromatometria, la bicromatometria, e la cerimetria.
Origini dell’analisi volumetrica
Lo sviluppo dell’analisi volumetrica, che coincise con lo sviluppo delle industrie chimiche per le quali erano essenziali metodi di analisi rapidi, è imputato al chimico francese Claude Joseph Geoffroy che nel 1729 utilizzò un metodo "per determinare la forza dell’aceto aggiungendo piccole quantità di potassio".
Procedura generale per le titolazioni ossidimetriche
In una titolazione ossidimetrica, un volume noto di soluzione contenente l’analita viene titolato con una soluzione a concentrazione nota fino al punto finale. Conoscendo il volume di titolante utilizzato, oltre che la sua concentrazione, si determina la concentrazione della soluzione incognita.
Passaggi per risolvere gli esercizi sulle titolazioni redox
Per risolvere gli esercizi sulle titolazioni redox si possono seguire, nell’ordine, questi passaggi:
- Considerare le due semireazioni di ossidazione e di riduzione e bilanciare la reazione per conoscere, noti i coefficienti stechiometrici, il rapporto stechiometrico tra l’ossidante e il riducente.
- Dal volume di titolante necessario a raggiungere il punto finale, essendo nota la sua concentrazione, si determinano le moli: ( \text{moli} = \text{Molarità} \times \text{Volume (espresso in Litri)} )
- Dal rapporto tra i coefficienti stechiometrici si determinano le moli dell’analita e, conoscendo il volume della soluzione in cui esso è contenuto, si determina la molarità.
- Nel caso fosse richiesta la concentrazione espressa in g/L si moltiplica la concentrazione molare per la massa molecolare dell’analita.
buretta
Considerazioni pratiche nelle titolazioni redox
Negli esercizi sulle titolazioni redox spesso viene richiesta la concentrazione di un analita presente in una soluzione che deve essere determinata, tramite analisi volumetrica, da un campione a volume noto prelevato della soluzione e successivamente diluito. Pertanto, in tal caso, negli esercizi sulle titolazioni di ossidoriduzione occorre prestare la dovuta attenzione. Un caso del genere si presenta nel terzo esercizio.
Gli esercizi sulle titolazioni redox sono proposti secondo difficoltà crescente
Esercizio 1: Determinazione della concentrazione di acqua ossigenata
Per la determinazione della concentrazione di acqua ossigenata avente volume di 5.00 mL presente in una soluzione sono stati utilizzati 22.7 mL di una soluzione di permanganato di potassio 0.0250 M. Calcolare la concentrazione molare dell’acqua ossigenata.
Le due semireazioni sono:
- semireazione di riduzione: ( \text{MnO}_4^- + 8 \text{H}^+ + 5 \text{e}^- \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 4 \text{H}_2\text{O} )
- semireazione di ossidazione: ( \text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{O}_2 + 2 \text{H}^+ + 2 \text{e}^- )
soluzioni di KMnO4
Affinché il numero di elettroni acquistati sia uguale al numero di elettroni persi si moltiplica la prima semireazione per 2 e la seconda per 5 ottenendo:
[ 2 \text{MnO}_4^- + 16 \text{H}^+ + 10 \text{e}^- \rightarrow 2 \text{Mn}^{2+} + 8 \text{H}_2\text{O} ]
[ 5 \text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 5 \text{O}_2 + 10 \text{H}^+ + 10 \text{e}^- ]
Si somma membro a membro e semplificando le specie che si trovano sia a sinistra che a destra:
[ 2 \text{MnO}_4^- + 16 \text{H}^+ + 5 \text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2 \text{Mn}^{2+} + 5 \text{O}_2 + 8 \text{H}_2\text{O} ]
Pertanto, il rapporto stechiometrico tra permanganato e acqua ossigenata è di 2:5.
Le moli di permanganato sono:
[ \text{moli} = 0.0250 \, \text{mol/L} \times 0.0227 \, \text{L} = 0.000568 ]
Le moli di acqua ossigenata sono:
[ \text{moli} = 0.000568 \times \frac{5}{2} = 0.00142 ]
La molarità della soluzione di acqua ossigenata è:
[ \text{Molarità} = \frac{0.00142 \, \text{mol}}{0.00500 \, \text{L}} = 0.284 \, \text{M} ]
Esercizio 2: Determinazione della concentrazione di Sn2+
In una titolazione ossidimetrica sono stati utilizzati 12.50 mL di una soluzione 0.0800 M di bicromato di potassio che si riduce a cromo (III) per ossidare, in ambiente acido, lo stagno (II) a stagno (IV) contenuto in 10.0 mL. Calcolare la concentrazione di Sn2+ nella soluzione.
Le due semireazioni sono:
- semireazione di riduzione: ( \text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + 14 \text{H}^+ + 6 \text{e}^- \rightarrow 2 \text{Cr}^{3+} + 7 \text{H}_2\text{O} )
- semireazione di ossidazione: ( \text{Sn}^{2+} \rightarrow \text{Sn}^{4+} + 2 \text{e}^- )
Affinché il numero di elettroni acquistati sia uguale al numero di elettroni persi si moltiplica la seconda semireazione per 3:
[ \text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + 14 \text{H}^+ + 6 \text{e}^- \rightarrow 2 \text{Cr}^{3+} + 7 \text{H}_2\text{O} ]
[ 3 \text{Sn}^{2+} \rightarrow 3 \text{Sn}^{4+} + 6 \text{e}^- ]
Si somma membro a membro e semplificando le specie che si trovano sia a sinistra che a destra:
[ \text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + 14 \text{H}^+ + 3 \text{Sn}^{2+} \rightarrow 2 \text{Cr}^{3+} + 3 \text{Sn}^{4+} + 7 \text{H}_2\text{O} ]
Pertanto, il rapporto stechiometrico tra bicromato e stagno (II) è di 1:3.
Le moli di bicromato sono:
[ \text{moli} = 0.0800 \, \text{mol/L} \times 0.01250 \, \text{L} = 0.00100 ]
Le moli di Sn2+ sono:
[ \text{moli} = 0.00100 \times 3 = 0.00300 ]
La concentrazione di Sn2+ nella soluzione è:
[ \text{Concentrazione} = \frac{0.00300 \, \text{mol}}{0.0100 \, \text{L}} = 0.300 \, \text{M} ]
Esercizio 3: Determinazione della concentrazione di ipoclorito di sodio
L’ipoclorito di sodio, sale sodico dell’acido ipocloroso, è contenuto nella candeggina. Un volume di 10.0 mL di candeggina è stato diluito a 250.0 mL. Da questa soluzione sono prelevati 25.0 mL e fatti reagire con 10.0 mL di una soluzione acidificata con HCl che ha una concentrazione 1.00 M di ioduro di potassio. Avviene la reazione (da bilanciare) ( \text{ClO}^- + \text{I}^- \rightarrow \text{Cl}^- + \text{I}_2 ). Lo iodio prodotto viene titolato con 25.20 mL di una soluzione 0.0500 M di tiosolfato di sodio che si trasforma in tetrationato di sodio. Calcolare la concentrazione dell’ipoclorito di sodio presente nella candeggina.
Le due semireazioni sono:
- semireazione di riduzione: ( \text{ClO}^- + 2 \text{H}^+ + 2 \text{e}^- \rightarrow \text{Cl}^- + \text{H}_2\text{O} )
- semireazione di ossidazione: ( 2 \text{I}^- \rightarrow \text{I}_2 + 2 \text{e}^- )
Poiché il numero di elettroni acquistati è uguale al numero di elettroni persi si somma membro a membro e semplificando le specie che si trovano sia a sinistra che a destra si ottiene:
[ \text{ClO}^- + 2 \text{H}^+ + 2 \text{I}^- \rightarrow \text{Cl}^- + \text{I}_2 + 2 \text{H}_2\text{O} ]
Pertanto, il rapporto stechiometrico tra ClO- e I2 è di 1:1.
La reazione tra lo iodio e il tiosolfato è:
[ \text{I}_2 + 2 \text{S}_2\text{O}_3^{2-} \rightarrow 2 \text{I}^- + \text{S}_4\text{O}_6^{2-} ]
in cui il rapporto stechiometrico tra iodio e tiosolfato è di 1:2.
Le moli di tiosolfato sono:
[ \text{moli} = 0.0500 \, \text{mol/L} \times 0.02520 \, \text{L} = 0.00126 ]
Pertanto, le moli di iodio sono:
[ \text{moli} = \frac{0.00126}{2} = 0.000630 ]
In 250.0 mL di soluzione vi sono quindi:
[ 0.000630 \, \text{mol} \times \frac{250.0 \, \text{mL}}{25.0 \, \text{mL}} = 0.00630 \, \text{mol} ]
che corrispondono a quelle presenti in 10.0 mL di candeggina. Pertanto, la concentrazione di ipoclorito di sodio presente nella candeggina è:
[ \text{Concentrazione} = \frac{0.00630 \, \text{mol}}{0.0100 \, \text{L}} = 0.630 \, \text{M} ]
Esercizio 4: Volume necessario di soluzione di KMnO4
Calcolare il volume di una soluzione di ( \text{KMnO}_4 ) con concentrazione 0.0500 M necessario a ossidare tutto lo ione bromuro che passa a bromo presente in 25.0 mL di una soluzione 0.200 M di bromuro di sodio.
Le due semireazioni sono:
- semireazione di riduzione: ( \text{MnO}_4^- + 8 \text{H}^+ + 5 \text{e}^- \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 4 \text{H}_2\text{O} )
- semireazione di ossidazione: ( 2 \text{Br}^- \rightarrow \text{Br}_2 + 2 \text{e}^- )
Affinché il numero di elettroni acquistati sia uguale al numero di elettroni persi si moltiplica la prima semireazione per 2 e la seconda per 5 ottenendo:
[ 2 \text{MnO}_4^- + 16 \text{H}^+ + 10 \text{e}^- \rightarrow 2 \text{Mn}^{2+} + 8 \text{H}_2\text{O} ]
[ 10 \text{Br}^- \rightarrow 5 \text{Br}_2 + 10 \text{e}^- ]
Si somma membro a membro e semplificando le specie che si trovano sia a sinistra che a destra:
[ 2 \text{MnO}_4^- + 16 \text{H}^+ + 10 \text{Br}^- \rightarrow 2 \text{Mn}^{2+} + 5 \text{Br}_2 + 8 \text{H}_2\text{O} ]
Pertanto, il rapporto stechiometrico tra permanganato e bromuro è di 2:10, ovvero di 1:5.
Le moli di bromuro sono:
[ \text{moli} = 0.200 \, \text{mol/L} \times 0.0250 \, \text{L} = 0.00500 ]
Le moli di ( \text{MnO}_4^- ) sono:
[ \text{moli} = \frac{0.00500}{5} = 0.00100 ]
Il volume di permanganato necessario a ossidare tutto lo ione bromuro è:
[ \text{Volume} = \frac{0.00100 \, \text{mol}}{0.0500 \, \text{mol/L}} = 0.0200 \, \text{L} = 20.0 \, \text{mL} ]
Esercizio 5: Concentrazione di acido ascorbico nel vino
L’acido ascorbico ( \text{C}_6\text{H}_8\text{O}_6 ) (MM = 176.124 g/mol) è un additivo utilizzato nel vino come antiossidante, conservante e correttore di acidità, la cui massima concentrazione consentita è di 150 mg/L. Per determinarne la concentrazione, a un campione di 250.0 mL di vino sono stati aggiunti 25.0 mL di una soluzione di iodato di potassio 0.00500 M e un eccesso di ioduro di potassio. Avviene la reazione di comproporzione (da bilanciare): ( \text{IO}_3^- + \text{I}^- \rightarrow \text{I}_2 ).
salda d’amido
L’acido ascorbico presente nel vino reagisce con lo iodio formato per dare acido deidroascorbico ( \text{C}_6\text{H}_8\text{O}_6 ) (MM = 174.108 g/mol) e ioduro. La quantità di iodio non reagito viene determinata tramite titolazione con tiosolfato ( \text{S}_2\text{O}_3^{2-} ) che si trasforma in tetrationato. Nella titolazione in cui è usata la salda d’amido quale indicatore sono stati impiegati 20.40 mL di una soluzione 0.00500 M di tiosolfato. Verificare la concentrazione di acido ascorbico nel vino e determinare se il campione rientra nei limiti di legge.
Bilanciare la reazione
Si deve bilanciare la reazione di comproporzione:
- semireazione di riduzione: ( 2 \text{IO}_3^- + 12 \text{H}^+ + 10 \text{e}^- \rightarrow \text{I}_2 + 6 \text{H}_2\text{O} )
- semireazione di ossidazione: ( 2 \text{I}^- \rightarrow \text{I}_2 + 2 \text{e}^- )
Affinché il numero di elettroni acquistati sia uguale al numero di elettroni persi si moltiplica la seconda semireazione per 5:
[ 2 \text{IO}_3^- + 12 \text{H}^+ + 10 \text{e}^- \rightarrow \text{I}_2 + 6 \text{H}_2\text{O} ]
[ 10 \text{I}^- \rightarrow 5 \text{I}_2 + 10 \text{e}^- ]
Si somma membro a membro e semplificando le specie che si trovano sia a sinistra che a destra:
[ 2 \text{IO}_3^- + 12 \