Titolazioni redox: esercizi e soluzioni commentate
Le titolazioni redox sono un metodo fondamentale nell’ambito dell’analisi volumetrica quantitativa e richiedono la conoscenza delle reazioni, il bilanciamento delle equazioni e il rapporto stechiometrico tra le specie, solitamente presenti negli esercizi di stechiometria.
Esercizio 1: Quantità di ferro presente in un campione espressa come % di Fe2O3
Un minerale contenente ferro di massa 0.4891 g è stato disciolto in HCl e il ferro presente è stato ridotto a ferro (II). Per la titolazione del ferro (II) sono stati utilizzati 36,92 mL di una soluzione 0.02153 M di K2Cr2O7. Dobbiamo determinare la quantità di ferro presente nel campione espressa come percentuale di Fe2O3.
Le semireazioni coinvolte sono:
Fe^2+ -> Fe^3+ + 1 e^-
Cr2O7^2- + 14 H^+ + 6 e^- -> 2 Cr^3+ + 7 H2O
Per bilanciare la reazione, moltiplichiamo la prima semireazione per 5 e la sommiamo alla seconda. Otteniamo:
6 Fe^2+ + Cr2O7^2- + 14 H^+ -> 6 Fe^3+ + 2 Cr^3+ + 7 H2O
Il rapporto stechiometrico indica che 6 moli di Fe^2+ reagiscono con 1 mole di Cr2O7^2-. Calcolando le moli di Cr2O7^2-, otteniamo 0,0007949.
Dal rapporto stechiometrico, otteniamo che le moli di Fe2O3 sono pari a 0,002384. Quindi la percentuale di Fe2O3 nel campione è 77,86%.
Esercizio 2: Percentuale di ossalato di sodio contenuta in un campione
Per titolare un campione di ossalato di sodio Na2C2O4 impuro di massa 0,5116 g, sono stati utilizzati 35,62 mL di MnO4^- 0,04000 M. Dobbiamo calcolare la percentuale di ossalato di sodio contenuta nel campione.
Le semireazioni coinvolte sono:
C2O4^2- -> 2 CO2 + 2 e^-
MnO4^- + 8 H^+ + 5 e^- -> Mn^2+ + 4 H2O
Dopo il bilanciamento, otteniamo:
5 C2O4^2- + 2 MnO4^- + 16 H^+ -> 10 CO2 + 2 Mn^2+ + 8 H2O
Dal rapporto stechiometrico, calcoliamo le moli di C2O4^2-, risultando in 0,003562. Di conseguenza, la percentuale di Na2C2O4 contenuta nel campione è 93,30%.
Esercizio 3: Calcolo della percentuale m/V di NaClO
Un volume di 25 mL di soluzione contenente ClO^- viene diluito a 1000 mL; 25 mL della soluzione diluita sono trattati con un eccesso di KI che riduce ClO^- a Cl^- e liberando I3^-. Quest’ultimo viene titolato con 8,96 mL di Na2S2O3 0,09892 M. Dobbiamo calcolare la percentuale m/V di NaClO contenuta nella soluzione.
Dalle reazioni coinvolte, calcoliamo le moli di Na2S2O3. Dal rapporto stechiometrico, otteniamo le moli di ClO^-. La massa di NaClO in 25 mL è 0,0330 g. Quindi nella soluzione iniziale avente volume di 25,0 mL sono contenuti 1,32 g di NaClO. Quindi la percentuale m/V è 5,28%.
Esercizio 4: Determinazione della percentuale di etanolo in un liquore
Per determinare la percentuale di etanolo in un liquore, eseguiamo un’ossidazione dell’etanolo a acido etanoico con un eccesso di bicromato di potassio K2Cr2O7. L’etanolo viene ossidato ad acido etanoico CH3COOH con un’eccesso di bicromato di potassio K2Cr2O7 che viene ridotto a Cr3+.
Cercando di bilanciare le espressioni precedenti, determiniamo la percentuale di etanolo nell’esercizio.
Questi esercizi illustrano l’importanza delle titolazioni redox nell’analisi quantitativa. Sono un valido esempio per comprendere come applicare i concetti teorici alla risoluzione pratica di problemi di laboratorio.Calcolo della percentuale di etanolo in una soluzione
La reazione tra Fe^2+ e Cr_2O_7^2- è definita dalla seguente equazione:
6 Fe^2+ + Cr_2O_7^2- + 14 H+ → 6 Fe^3+ + 2 Cr^3+ + 7 H2O.
Inizialmente, 5.00 mL di una soluzione vengono diluiti fino a raggiungere un volume di 500.0 mL. Successivamente, 10.00 mL di questa soluzione diluita vengono distillati per ottenere l’etanolo, che viene raccolto in 50.00 mL di una soluzione acidificata di K_2Cr_2O_7 0.0200 M. L’eccesso di bicromato viene quindi titolato utilizzando 21.48 mL di una soluzione 0.1014 M di Fe^2+. È richiesto di calcolare la percentuale di etanolo contenuta nel liquore, espressa come % m/V.
Il numero di moli di Fe^2+ utilizzate è calcolato come segue:
moli di Fe^2+ = 0.02148 L * 0.1014 mol/L = 0.002178.
Di conseguenza, le moli di Cr_2O_7^2- in eccesso sono pari a:
moli di Cr_2O_7^2- in eccesso = 0.002178/6 = 0.0003630.
Le moli di bicromato utilizzate sono determinate mediante il calcolo seguente: 0.0200 mol/L * 0.05000 L = 0.001000. Quindi le moli di bicromato che hanno reagito con l’etanolo sono pari a 0.001000 – 0.0003630 = 0.0006370.
La reazione tra etanolo e bicromato è definita dall’equazione:
3 CH_3CH_2OH + 2 Cr_2O_7^2- + 16 H+ → 3 CH_3COOH + 4 Cr^3+ + 11 H2O.
Il rapporto stechiometrico tra etanolo e bicromato è di 3:2. Quindi il numero di moli di etanolo è determinato come segue:
Moli di etanolo = 0.0006370 * 3/2 = 0.0009555.
La massa di etanolo è quindi calcolata come:
massa di etanolo = 0.0009555 mol * 46.50 g/mol = 0.04443 g.
La massa di 0.04443 g di etanolo è presente in 10.00 mL della soluzione diluita. Pertanto, in 500.0 mL sono contenuti 0.04443 * 500.0 / 10.00 = 2.222 g di etanolo.
Poiché la massa di 2.222 g è pari a quella contenuta in 5.00 mL di soluzione iniziale, la percentuale di etanolo % m/V è calcolata come segue:
% m/V = 2.222 * 100 / 5.00 = 44.4 %.