La práctica consistirá en medir el pK de un indicador de pH registrando los espectros visibles de varias disoluciones del indicador a pHs diferentes. También se determinará el o los puntos isosbésticos de los espectros. La práctica se puede realizar con un espectrofotómetro UV-Visible o con un simple colorímetro.

1. PRÁCTICA DE LABORATORIO DE QUÍMICA FÍSICA
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2. Esta presentación contiene explicaciones para
determinar en el laboratorio el pKa de un
indicador acido-base que es un ácido orgánico
débil.
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4. Azul de bromofenol (3',3'',5',5''-tetrabromofenolsulfonefthaleína)
Por ejemplo, el
azul de
bromofenol…
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5. Azul de bromofenol (3',3'',5',5''-tetrabromofenolsulfonefthaleína)
que cambia de color
entre pH 3 y pH 4,6,
aproximadamente…
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6. Azul de bromofenol (3',3'',5',5''-tetrabromofenolsulfonefthaleína)
pH = 3 pH = 4,6
es un ácido orgánico débil que
en disolución está en equilibrio
entre estas dos formas:
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7. Azul de bromofenol (3',3'',5',5''-tetrabromofenolsulfonefthaleína)
pH = 3 pH = 4,6
Nota: todas las formas del azul de bromofenol a
distintos pH pueden verse aquí:
https://triplenlace.com/2013/12/15/azul-de-
bromofenol-amarillo-verde-azul-e-incoloro/
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8. Equilibrio químico de un indicador ácido orgánico HA
HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Consideremos el siguiente…
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9. Equilibrio químico de un indicador ácido orgánico HA
Un color Otro color
HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Ambas especies, HA y A-, tienen diferentes colores (si no fuera así, la
sustancia no serviría de indicador)
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10. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Vamos a considerar cómo se afecta el equilibrio de un indicador en
disolución cuando se añade a la misma:
1º) un ácido
2º) una base
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11. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Si se añade un
ácido fuerte se
aportan H3O+
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12. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Que reaccionan
con A-
desplazando el
equilibrio hacia
la izquierda
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13. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Que reaccionan
con A-
desplazando el
equilibrio hacia
la izquierda
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14. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
De modo que si
la cantidad de
ácido añadido es
suficientemente
grande, solo
habrá HA, no A-
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15. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Si se añade un
hidróxido, los
OH-
reaccionan con
los H3O+…
Por el
contrario, si
se añade
una base
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16. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Al disminuir
[H3O+], el
equilibrio se
desplazará a la
derecha (por el
principio de Le
Châtelier )
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17. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Así que, si se
añade suficiente
cantidad de
base, solo
quedará A- y
nada de HA
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18. Supongamos que, cuando se ha añadido
suficiente ácido externo a una disolución
acuosa del indicador HA como para que el pH
de la disolución sea 1, todo el indicador está
en la forma HA
(nota: los valores de pH que vamos a ir
considerando en la argumentación que sigue son
arbitrarios, ya que dependen de cada indicador)
HA
pH = 1
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19. HA
pH = 1
Si registramos en ese
momento el espectro
visible de la disolución, la
banda o bandas que se
observen corresponderán
exclusivamente a la especie
HA
Longitud de onda / nm
Absorbancia
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20. HA
pH = 1
[Obsérvese que la especie HA del
indicador concreto que estamos
tomando como ejemplo absorbe en
la zona del añil. Por lo tanto, su
color será rojizo, ya que el color que
se observa es el complementario
del que se absorbe]
Longitud de onda / nm
Absorbancia
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21. A-
pH = 13
Longitud de onda / nm
Absorbancia
HA
pH = 1
Supongamos ahora que
añadimos suficiente base como
para que todo el indicador esté
en la forma A- y que el espectro
que se obtiene es el de la figura.
Lógicamente, ese será el
espectro de la forma A- de la
sustancia, ya que no hay nada de
la otra forma, HA.
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22. A-
pH = 13
Longitud de onda / nm
Absorbancia
HA
pH = 1
[Nótese que la especie A-
del indicador que estamos
considerando absorbe
mayoritariamente en la
región del amarillo al rojo.
Por lo tanto, su color será
azulado]
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23. HA + A-
pH = 4
A-
pH = 13
HA
pH = 1
Si el pH es tal que, aunque predomine
la forma ácida, HA, también exista un
poco de la básica, A-…
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24. HA + A-
pH = 4
Longitud de onda / nm
Absorbancia
A-
pH = 13
HA
pH = 1
… el espectro obtenido será la
suma de ambas contribuciones
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25. HA + A-
pH = 4
Longitud de onda / nm
Absorbancia
A-
pH = 13
HA
pH = 1
Esta banda corresponde a
la forma ácida, HA, que es
la mayoritaria
Y esta a la forma básica,
A-, que por ser minoritaria
a ese pH tiene una
absorbancia muy baja
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26. HA + A-
pH = 7
Longitud de onda / nm
Absorbancia
A-
pH = 13
HA + A-
pH = 4
HA
pH = 1
Conforme vayamos aumentando el pH irá
disminuyendo la proporción de HA y aumentando
la de A-, y eso se reflejará en el espectro
Conforme vayamos aumentando el pH, irá
disminuyendo la proporción de HA y aumentando
la de A-, y eso se reflejará en el espectro
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27. HA + A-
pH = 10
Longitud de onda / nm
Absorbancia
A-
pH = 13
HA + A-
pH = 7
HA + A-
pH = 4
HA
pH = 1
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28. Longitud de onda / nm
Absorbancia
HA + A-
pH = 10
A-
pH = 13
HA + A-
pH = 7
HA + A-
pH = 4
HA
pH = 1
pH = 2
pH = 3
pH = 5
pH = 7
pH = 9
pH = 10
pH = 12
pH = 13Estos serían los
cinco espectros
superpuestos
(y algunos más
a otros pH)
pH = 1
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29. Longitud de onda / nm
Absorbancia
HA + A-
pH = 10
A-
pH = 13
HA + A-
pH = 7
HA + A-
pH = 4
HA
pH = 1
Este valor de longitud de onda se llama
punto isosbéstico y suele aparecer en
sistemas en los que existe un equilibrios
químicos (en este caso, entre HA y A-).
[Su significado se explica aquí:
http://triplenlace.com/2013/11/29/que-es-un-punto-
isosbestico-en-espectroscopia-y-que-revela/ ]
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30. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Volvamos ahora
al equilibrio del
indicador en
disolución acuosa
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31. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Su constante de
equilibrio como
ácido, Ka, tiene
esta expresión:
Ka = (aH3O+) (aA-) / aHA)
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32. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
La podemos
escribir de este
modo si las
concentraciones
son bajas (ya que
en ese caso se
pueden igualar
las actividades a
concentraciones
sin demasiado
error)
Ka = (aH3O+) (aA-) / aHA)
Ka ≅ (aH3O+) (cA-) / cHA)
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33. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Tomando
logaritmos y
recordando las
definiciones de
pKa ( = –log Ka) y
pH ( = –log(aH3O+)
se puede llegar a:
Ka = (aH3O+) (aA-) / aHA)
Ka ≅ (aH3O+) (cA-) / cHA)
pKa ≅ pH + log (cHA / cA-)
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34. Ka = (aH3O+) (aA-) / aHA)
Ka ≅ (aH3O+) (cA-) / cHA)
pKa ≅ pH + log (cHA / cA-)
log (cA- / cHA) ≅ pH – pKa
HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Reordenando se llega a esta expresión que liga la
relación de concentraciones cA- / cHA con el pH
correspondiente (y con el pKa)
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35. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
log [(cA-)/(cHA)]
pH
log (cA- / cHA) ≅ pH – pKa
Nótese que, según esta ecuación, si representamos los valores de
log [(cA-)/(cHA)] de una serie de experimentos a diferentes pH
deberíamos obtener una recta
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36. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
log (cA- / cHA) ≅ pH – pKa
La recta debería tener
ordenada en el origen –pKa–pKa
log [(cA-)/(cHA)]
pH
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37. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
log (cA- / cHA) ≅ pH – pKa
Nótese que esta ecuación se puede
reordenar cambiando de términos pH
y log (cA- / cHA)
–pKa
log [(cA-)/(cHA)]
pH
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38. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
pH ≅ log (cA- / cHA) + pKa
–pKa
log [(cA-)/(cHA)]
pH
Obtendríamos esto
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39. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
pH ≅ log (cA- / cHA) + pKa
pKa
pH
Si ahora representamos gráficamente pH
frente a log (cA- / cHA) debería obtenerse otra
recta, esta de ordenada en el origen +pKa
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log [(cA-)/(cHA)]

40. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
pH ≅ log (cA- / cHA) + pKa
pKa
pH
Los valores de pKa obtenidos por ambas vías no suelen coincidir, ya que,
como es sabido en estadística, la regresión de datos experimentales y
sobre x no suele coincidir con la de los datos x sobre los y. Po ello, lo más
prudente es obtener el valor medio
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log [(cA-)/(cHA)]

41. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
En cualquier caso, ¿cómo
podemos conocer por
espectrofotometría los valores de
log [(cA-)/(cHA)] para cada pH?
…
Lo explicamos a continuación.
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pKa
pH
log [(cA-)/(cHA)]

42. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Si llamamos:
• AHA a la absorbancia (medida a una longitud de onda λ) del espectro de
una disolución de indicador a un pH para el que solo exista la especie HA;
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43. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Si llamamos:
• AHA a la absorbancia (medida a una longitud de onda λ) del espectro de
una disolución de indicador a un pH para el que solo exista la especie HA;
• AA- a la absorbancia (a la misma longitud de onda λ) del espectro de una
disolución de indicador a un pH para el que solo exista la especie A-;
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44. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
Si llamamos:
• AHA a la absorbancia (medida a una longitud de onda λ) del espectro de
una disolución de indicador a un pH para el que solo exista la especie HA;
• AA- a la absorbancia (a la misma longitud de onda λ) del espectro de una
disolución de indicador a un pH para el que solo exista la especie A-;
• Ai a la absorbancia (a la misma longitud de onda λ) del espectro de una
disolución de indicador a un pHi para el que solo existan tanto la especie
HA como la A-…
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45. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
(cA-,i)/(cHA,i) = (AHA – Ai) / (Ai – AA-)
Si llamamos:
• AHA a la absorbancia (medida a una longitud de onda λ) del espectro de
una disolución de indicador a un pH para el que solo exista la especie HA;
• AA- a la absorbancia (a la misma longitud de onda λ) del espectro de una
disolución de indicador a un pH para el que solo exista la especie A-;
• Ai a la absorbancia (a la misma longitud de onda λ) del espectro de una
disolución de indicador a un pHi para el que solo existan tanto la especie
HA como la A-…
entonces se puede demostrar que
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46. HA + H2O ⇌ A- + H3O+
(cA-,i)/(cHA,i) = (AHA – Ai) / (Ai – AA-)
(La demostración está aquí:
http://triplenlace.com/2012/12/05/especrofotometria-uv-visible-iii-
aplicaciones-en-quimica/ )
Si llamamos:
• AHA a la absorbancia (medida a una longitud de onda λ) del espectro de
una disolución de indicador a un pH para el que solo exista la especie HA;
• AA- a la absorbancia (a la misma longitud de onda λ) del espectro de una
disolución de indicador a un pH para el que solo exista la especie A-;
• Ai a la absorbancia (a la misma longitud de onda λ) del espectro de una
disolución de indicador a un pHi para el que solo existan tanto la especie
HA como la A-…
entonces se puede demostrar que
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47. Procedimiento experimental
Veamos cómo se hace esto en el
laboratorio
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48. Longitud de onda / nm
Absorbancia
A-
pH = 13
HA
pH = 1
Obtenemos por separado los espectros
de las especies HA y A- (aunque aquí los
mostramos superpuestos)
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49. Longitud de onda / nm
Absorbancia
A-
pH = 13
HA
pH = 1 Anotamos una longitud de onda, λ,
para la que se observe gran diferencia
de absorbancia entre los espectros de
las formas HA y A-
(esto es para minimizar errores; nótese que
esta λ, la absorbancia de A- es altísima y la
de HA es prácticamente nula)
λ
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50. λ
AA-
Longitud de onda / nm
Absorbancia
A-
pH = 13
HA
pH = 1 Se mide y se anota la
absorbancia de A- (AA-) a la
longitud de onda elegida
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51. λ
AA-
AHA
Longitud de onda / nm
Absorbancia
A-
pH = 13
HA
pH = 1
Y se mide y se anota la
absorbancia de HA- (AHA) a
la misma longitud de onda
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52. λ
Longitud de onda / nm
Absorbancia
Después se obtienen los espectros de la
disolución a diferentes pHi …
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53. λ
A1
Longitud de onda / nm
Absorbancia
Después se obtienen los espectros de la
disolución a diferentes pHi …
y se miden sus absorbancias Ai a la misma
longitud de onda
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54. λ
A1
A2
Longitud de onda / nm
Absorbancia
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55. λ
A1
A2
A3
Longitud de onda / nm
Absorbancia
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56. λ
A1
A2
A3
A4
Longitud de onda / nm
Absorbancia
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57. λ
A1
A2
A3
A4
A5
Longitud de onda / nm
Absorbancia
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58. λ
A1
A2
A3
A4
A5
A6
Longitud de onda / nm
Absorbancia
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59. λ
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
Longitud de onda / nm
Absorbancia
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60. log [(AHA – Ai) / (Ai – AA-)] pHi
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
Finalmente se escriben en
una tabla los valores de
log [(AHA – Ai) / (Ai – AA-)]
para los pHi de las
disoluciones…
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61. –pKa
log [(AHA – Ai) / (Ai – AA-)] pHi
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
y se representan
gráficamente, como se
ha indicado antes, tanto
log [(AHA – Ai) / (Ai – AA-)]
frente a pH como al
revés
log [(AHA – Ai) / (Ai – AA-)]
pH
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pKa
pH
log [(AHA – Ai) / (Ai – AA-)]

62. –pKa
log [(AHA – Ai) / (Ai – AA-)] pHi
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
Se puede dar como valor
de pKa la media de los
obtenidos
(sobre este punto, puede
encontrarse una discusión
interesante en
https://goo.gl/s6YuF3)
log [(AHA – Ai) / (Ai – AA-)]
pH
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pKa
pH
log [(AHA – Ai) / (Ai – AA-)]

63. Preparación de las disoluciones
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64. Disoluciones
Preparación de las disoluciones
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65. Disoluciones
• Indicador, conc. aprox. 10-4 M
Preparación de las disoluciones
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66. Disoluciones
• Indicador, conc. aprox. 10-4 M
• 50 mL 0,1 M HCl
• 50 mL 0,1 M NaOH
Preparación de las disoluciones
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67. Disoluciones
• Indicador, conc. aprox. 10-4 M
• 50 mL 0,1 M HCl
• 50 mL 0,1 M NaOH
• Disoluciones amortiguadoras de pH citrato-fosfato a partir de ácido cítrico
(C6H8O7) 0,1 M e hidrogenofosfato sódico (Na2HPO4) 0,2 M
Preparación de las disoluciones
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68. Disoluciones
• Indicador, conc. aprox. 10-4 M
• 50 mL 0,1 M HCl
• 50 mL 0,1 M NaOH
• Disoluciones amortiguadoras de pH citrato-fosfato a partir de ácido cítrico
(C6H8O7) 0,1 M e hidrogenofosfato sódico (Na2HPO4) 0,2 M
C6H8O7 / mL Na2HPO4 / mL pH aprox.
44,6 5,4 2,6
39,8 10,2 3,0
35,9 14,1 3,4
32,3 17,7 3,8
29,4 20,6 4,2
26,7 23,3 4,6
24,3 25,7 5,0
6,5 43,6 7,0
Preparación de las disoluciones
Los pH de los tampones preparados según la receta indicada
en la tabla deberían ser aproximadamente estos, pero
habría que medirlos con exactitud con un pHmetro
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69. Pasos a seguir
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70. 1. a) Preparar unas 8 disoluciones de 50 mL de indicador, cada una de diferente pH.
(Para ello, tomar 5 mL de la disolución madre de indicador y diluirlos hasta 50 mL con
cada una de los tampones.) (En estas disoluciones se medirán las Ai.)
b) Preparar 2 disoluciones más de indicador del mismo modo anterior, pero
usando el HCl y el NaOH. (En estas disoluciones se medirán las AHA y AA-.)
Pasos a seguir
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71. 1. a) Preparar unas 8 disoluciones de 50 mL de indicador, cada una de diferente pH.
(Para ello, tomar 5 mL de la disolución madre de indicador y diluirlos hasta 50 mL con
cada una de los tampones.) (En estas disoluciones se medirán las Ai.)
b) Preparar 2 disoluciones más de indicador del mismo modo anterior, pero
usando el HCl y el NaOH. (En estas disoluciones se medirán las AHA y AA-.)
Pasos a seguir
2. Registrar los espectros de todas las
disoluciones entre 400 y 700 nm y medir las
absorbancias a la longitud de onda elegida .
Esto proporcionará los valores de las
Ai, AHA y AA-.
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72. 1. a) Preparar unas 8 disoluciones de 50 mL de indicador, cada una de diferente pH.
(Para ello, tomar 5 mL de la disolución madre de indicador y diluirlos hasta 50 mL con
cada una de los tampones.) (En estas disoluciones se medirán las Ai.)
b) Preparar 2 disoluciones más de indicador del mismo modo anterior, pero
usando el HCl y el NaOH. (En estas disoluciones se medirán las AHA y AA-.)
2. Registrar los espectros de todas las
disoluciones entre 400 y 700 nm y medir las
absorbancias a la longitud de onda elegida .
Esto proporcionará los valores de las
Ai, AHA y AA-.
3. Tabular log [(AHA – Ai) / (Ai – AA-)]
y pHi y representar gráficamente de los dos
modos explicados.
Pasos a seguir
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73. Más información teórica sobre esta práctica en:
http://triplenlace.com/2012/12/02/especrofotometra-uv-
visible-i-el-color-de-los-objetos/
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74. Prácticas de Química Física
https://triplenlace.com/experimentacion-en-quimica-fisica/
Más…

75. Prácticas de laboratorio
https://triplenlace.com/practicas-laboratorio/
Más…

76. triplenlace.com/en-clase