Un diagrama de Gran (también conocido como titulación de Gran o método de Gran ) es un método común para estandarizar un valorante o titulador mediante la estimación del volumen de equivalencia o punto final en una titulación de ácido fuerte - base fuerte o en una titulación potenciométrica . Dichos diagramas también se han utilizado para calibrar electrodos de vidrio, para estimar el contenido de carbonato de soluciones acuosas y para estimar los valores de K a ( constantes de disociación ácida ) de ácidos y bases débiles a partir de datos de titulación.
Los gráficos de Gran utilizan aproximaciones lineales de las relaciones no lineales a priori entre la cantidad medida, el pH o el potencial electromotriz (fem) y el volumen de titulante. En principio, otros tipos de medidas de concentración, como las absorbancias espectrofotométricas o los desplazamientos químicos de RMN , pueden tratarse de manera similar. Estas aproximaciones solo son válidas cerca del punto final, pero no en él, y por eso el método difiere de las estimaciones del punto final por medio de gráficos de primera y segunda derivada , que requieren datos en el punto final. Los gráficos de Gran se idearon originalmente para determinaciones gráficas en tiempos anteriores a la computadora, en los que un gráfico xy en papel se extrapolaba manualmente para estimar la intersección con x. La graficación y la estimación visual del punto final han sido reemplazadas por análisis de mínimos cuadrados más precisos desde la llegada de las computadoras modernas y los paquetes de software que los permiten, especialmente los programas de hojas de cálculo con funcionalidad de mínimos cuadrados incorporada.
Base de los cálculos
El diagrama de Gran se basa en la ecuación de Nernst , que puede escribirse como
donde E es un potencial de electrodo medido, E 0 es un potencial de electrodo estándar, s es la pendiente, idealmente igual a RT/nF, y {H + } es la actividad del ion hidrógeno. La expresión se reordena a
Dependiendo de si el electrodo está calibrado en milivoltios o pH. Por conveniencia, se utiliza la concentración, [H + ], en lugar de la actividad. En una titulación de un ácido fuerte con un álcali fuerte, la concentración analítica del ion hidrógeno se obtiene a partir de la concentración inicial del ácido, C i y la cantidad de álcali añadido durante la titulación.
donde v i es el volumen inicial de la solución, c OH es la concentración de álcali en la bureta y v es el volumen de titulación. Igualando las dos expresiones para [H + ] y simplificando, se obtiene la siguiente expresión
Un gráfico de v frente a v será una línea recta. Si se conocen E 0 y s a partir de la calibración del electrodo, donde la línea cruza el eje x indica el volumen en el punto de equivalencia, . Alternativamente, este gráfico se puede utilizar para la calibración del electrodo al encontrar los valores de E 0 y s que dan la mejor línea recta.
Titulación de un ácido fuerte con una base fuerte
Para una titulación de ácido fuerte-base fuerte monitoreada por pH, tenemos en cualquier punto i' en la titulación
donde K w es la constante de autoprotólisis del agua .
Si se titula un ácido de volumen y concentración iniciales con una base de concentración , entonces en cualquier punto i' de la titulación con volumen de titulante ,
En el punto de equivalencia , el volumen de equivalencia .
De este modo,
- una gráfica de tendrá una región lineal antes de la equivalencia, con pendiente
- y una gráfica de tendrá una región lineal después de la equivalencia, con pendiente
- ambas parcelas tendrán como intersección
El volumen de equivalencia se utiliza para calcular cualquiera de los dos: o es desconocido.
El medidor de pH se calibra generalmente con soluciones tampón a valores de pH conocidos antes de comenzar la titulación. La fuerza iónica se puede mantener constante mediante una elección juiciosa del ácido y la base. Por ejemplo, el HCl titulado con NaOH de aproximadamente la misma concentración reemplazará H + con un ion (Na + ) de la misma carga a la misma concentración, para mantener la fuerza iónica bastante constante. De lo contrario, se puede utilizar una concentración relativamente alta de electrolito de fondo, o se puede calcular el cociente de actividad . [1]
Titulación de una base fuerte con un ácido fuerte
Se obtienen gráficos de imagen especular si se titula la base con el ácido y se invierten los signos de las pendientes.

Figura 1. Ejemplos de gráficos de Gran con datos de Butler (1998). Nótese que los círculos rellenos indican los puntos de datos incluidos en los cálculos de mínimos cuadrados para obtener las líneas discontinuas ajustadas.

Figura 2. Ejemplos de gráficos de Gran utilizando datos de "una fuente en línea" . Consultado el 18 de febrero de 2008 .Solo se muestra la región cercana a la equivalencia, ya que los datos alejados de la equivalencia se desvían considerablemente de la linealidad. Nótese que los círculos rellenos indican los puntos de datos incluidos en los cálculos de mínimos cuadrados para dar las líneas discontinuas ajustadas.
Por eso,
- una gráfica de tendrá una región lineal antes de la equivalencia con pendiente
- y una gráfica de tendrá una región lineal después de la equivalencia con pendiente
- Ambos gráficos tendrán como intersección x
La figura 1 muestra ejemplos de gráficos de Gran de una titulación de base fuerte-ácido fuerte.
Concentraciones y constantes de disociación de ácidos débiles
El método puede utilizarse para estimar las constantes de disociación de ácidos débiles, así como sus concentraciones (Gran, 1952). Con un ácido representado por HA, donde
- ,
tenemos en cualquier punto i' en la titulación de un volumen de ácido a una concentración por base de concentración . En las regiones lineales alejadas de la equivalencia,
- y
son aproximaciones válidas, de donde
- , o
- o, porque ,
- .
Un gráfico de versus tendrá una pendiente sobre la región ácida lineal y una intersección con el eje x extrapolada , a partir de la cual se puede calcular o . [1] La región alcalina se trata de la misma manera que para una titulación de ácido fuerte. La figura 2 ofrece un ejemplo; en este ejemplo, las dos intersecciones con el eje x difieren en aproximadamente 0,2 mL, pero se trata de una pequeña discrepancia, dado el gran volumen de equivalencia (error del 0,5 %).
Se pueden escribir ecuaciones similares para la titulación de una base débil por un ácido fuerte (Gran, 1952; Harris, 1998).
Contenido de carbonato
Martell y Motekaitis (1992) utilizan las regiones más lineales y explotan la diferencia en volúmenes de equivalencia entre los gráficos del lado ácido y del lado base durante una titulación ácido-base para estimar el contenido adventicio de CO 2 en la solución base. Esto se ilustra en los gráficos de Gran de muestra de la Figura 1. En esa situación, el ácido adicional utilizado para neutralizar el carbonato, por doble protonación, en volumen de titulación es . En el caso opuesto de una titulación de ácido por base, el contenido de carbonato se calcula de manera similar a partir de , donde es el volumen de equivalencia del lado base (de Martell y Motekaitis).
Cuando el contenido total de CO2 es significativo, como en aguas naturales y efluentes alcalinos, se pueden observar dos o tres inflexiones en las curvas de pH-volumen debido al efecto amortiguador de las concentraciones más altas de bicarbonato y carbonato. Como lo discutieron Stumm y Morgan (1981), el análisis de dichas aguas puede utilizar hasta seis gráficos de Gran a partir de una sola titulación para estimar los puntos finales múltiples y medir la alcalinidad total y los contenidos de carbonato y/o bicarbonato.
Monitoreo potenciométrico de H+
Para utilizar mediciones potenciométricas (fem) en el monitoreo de la concentración en lugar de lecturas, se pueden establecer y aplicar de manera trivial las mismas ecuaciones que las anteriores, donde es la corrección de desplazamiento , y es una corrección de pendiente (1/59,2 unidades de pH/mV a 25 °C), de modo que reemplaza a .
Así, como antes para una titulación de ácido fuerte por base fuerte,
- un gráfico de vs. tendrá una región lineal antes de la equivalencia, con pendiente
- y una gráfica de vs. tendrá una región lineal después de la equivalencia, con pendiente
- Ambos gráficos tendrán una intersección y, como antes, el volumen de equivalencia del lado ácido se puede utilizar para estandarizar cualquier concentración que se desconozca, y la diferencia entre los volúmenes de equivalencia del lado ácido y del lado base se puede utilizar para estimar el contenido de carbonato.
Se pueden dibujar gráficos análogos utilizando datos de una titulación de base por ácido.
Calibración de electrodos
Tenga en cuenta que el análisis anterior requiere conocimientos previos de y .
Si un electrodo de pH no está bien calibrado, se puede calcular una corrección de compensación in situ a partir de la pendiente de Gran del lado ácido:
- Para una titulación de ácido por base, la pendiente del lado ácido ( ) puede servir para calcular usando un valor conocido de o usando el valor dado por el volumen de equivalencia. luego se puede calcular a partir de la pendiente del lado base.
- Para una titulación de base por ácido, como se ilustra en los gráficos de muestra, la pendiente del lado ácido ( ) se usa de manera similar para calcular y la pendiente del lado base ( ) se usa para calcular usando un valor conocido de o usando el valor dado por el volumen de equivalencia del lado ácido.
En los datos de muestra ilustrados en la Figura 1, esta corrección de desplazamiento no fue insignificante, con -0,054 unidades de pH.
Sin embargo, el valor de , puede desviarse de su valor teórico y solo puede evaluarse mediante una calibración adecuada del electrodo. La calibración de un electrodo a menudo se realiza utilizando tampones de pH conocido, o realizando una titulación de ácido fuerte con base fuerte. En ese caso, se puede mantener una fuerza iónica constante, y se conoce en todos los puntos de titulación si se conocen tanto como (y deben estar directamente relacionados con los estándares primarios ). Por ejemplo, Martell y Motekaitis (1992) calcularon el valor de pH esperado al inicio de la titulación, habiendo titulado previamente las soluciones de ácido y base contra estándares primarios, luego ajustaron la lectura del electrodo de pH en consecuencia, pero esto no permite una corrección de pendiente si es necesaria.
Basándose en trabajos anteriores de McBryde (1969), Gans y O'Sullivan (2000) describen un enfoque iterativo para llegar a valores de y en la relación , a partir de una titulación de ácido fuerte por base fuerte:
- se estima primero a partir de los datos ácidos según Rossotti y Rossotti (1965), y se toma inicialmente como si tuviera su valor teórico;
- Se dibujan gráficos de función de Gran modificados, utilizando vs. en el lado ácido de la equivalencia y vs. en el lado alcalino, y los volúmenes de equivalencia y se calculan a partir de ellos, como antes;
- Como antes, la diferencia en los volúmenes de equivalencia se utiliza para calcular el contenido de carbonato, pero también para calcular una "concentración de base efectiva" para el lado alcalino de la equivalencia;
- Los valores aproximados se calculan en el lado ácido como y en el lado alcalino como ;
- la definición inicial se reescribe como , y los datos se grafican contra , utilizando aquellos valores correspondientes a valores de pH en los rangos 2,5-4,5 y 10,7-11,5 (el rango de respuesta lineal para un electrodo de vidrio que evita la variación de potenciales de unión y/o error alcalino en los extremos de pH, y que además evita incertidumbres de medición cerca del punto de equivalencia así como errores computacionales por el descuido de en el lado ácido y el descuido del equilibrio carbonato/bicarbonato en el lado alcalino); un tratamiento de mínimos cuadrados lineal proporciona como pendiente y como intersección;
- Se repiten los pasos 2 y 3 con los nuevos valores y para una mayor precisión en los volúmenes de equivalencia y el contenido de CO 2 .
El procedimiento podría, en principio, modificarse para titulaciones de base por ácido. Un programa informático llamado GLEE (por Evaluación de Electrodos de Vidrio) implementa este enfoque en titulaciones de ácido por base para calibración de electrodos. Este programa puede calcular adicionalmente (mediante un proceso de mínimos cuadrados no lineal separado) una "corrección" para la concentración de base. Una ventaja de este método de calibración de electrodos es que puede realizarse en el mismo medio de fuerza iónica constante que puede usarse más tarde para la determinación de constantes de equilibrio .
Tenga en cuenta que las funciones de Gran regulares proporcionarán los volúmenes de equivalencia requeridos y, como se establece inicialmente en su valor teórico, la estimación inicial para en el paso 1 puede obtenerse a partir de la pendiente de la función de Gran regular del lado ácido como se detalló anteriormente. Tenga en cuenta también que este procedimiento calcula el contenido de CO 2 y, de hecho, puede combinarse con una estandarización completa de la base, utilizando la definición de para calcular . Finalmente, el rango de pH utilizable podría extenderse resolviendo la ecuación cuadrática para .
Monitoreo potenciométrico de otras especies

Figura 3. Ejemplos de gráficos de Gran que utilizan datos de una titulación de Cl − por Ag + monitoreada potenciométricamente. Los potenciales se convirtieron a valores [Ag + ] para su representación gráfica. Observe que los círculos rellenos indican los puntos de datos incluidos en los cálculos de mínimos cuadrados para dar las líneas discontinuas ajustadas.
Los datos potenciométricos también se utilizan para monitorear especies distintas de . Al monitorear cualquier especie mediante potenciometría, se puede aplicar el mismo formalismo con . Por lo tanto, una titulación de una solución de otra especie por especie es análoga a una titulación monitoreada por pH de una base por un ácido, de donde o graficados frente a tendrán una intersección con x de . En la titulación opuesta de por , el volumen de equivalencia será . La importancia de las pendientes dependerá de las interacciones entre las dos especies, ya sea que se asocien en solución o precipiten juntas (Gran, 1952). Por lo general, el único resultado de interés es el punto de equivalencia. Sin embargo, la pendiente antes de la equivalencia podría en principio usarse para evaluar el producto de solubilidad de la misma manera que se puede determinar a partir de titulaciones ácido-base, aunque también pueden estar ocurriendo otras interacciones de asociación de pares iónicos. [2]
Para ilustrarlo, consideremos una titulación de Cl − por Ag + monitoreada potenciométricamente:
Por eso,
- una gráfica de tendrá una región lineal antes de la equivalencia, con pendiente
- y una gráfica de tendrá una región lineal después de la equivalencia, con pendiente
- En ambos gráficos, la intersección con el eje x es
La figura 3 muestra gráficos de muestra de datos de titulación potenciométrica.
Comportamiento no ideal
En cualquier titulación que carezca de componentes tampón, tanto los gráficos de antes de la equivalencia como los de más allá de la equivalencia deberían cruzar idealmente el eje x en el mismo punto. El comportamiento no ideal puede ser resultado de errores de medición ( por ejemplo , un electrodo mal calibrado, un tiempo de equilibrio insuficiente antes de registrar la lectura del electrodo, desviaciones en la fuerza iónica), errores de muestreo ( por ejemplo, densidades de datos bajas en las regiones lineales) o un modelo químico incompleto ( por ejemplo, la presencia de impurezas titulables como carbonato en la base, o precipitación incompleta en titulaciones potenciométricas de soluciones diluidas, para las que Gran et al. (1981) proponen enfoques alternativos). Buffle et al. (1972) analizan varias fuentes de error.
Debido a que los términos o en las funciones de Gran solo tienden asintóticamente hacia el eje x, y nunca lo alcanzan, se espera que en todos los casos se produzca una curvatura que se acerque al punto de equivalencia. Sin embargo, existe un desacuerdo entre los profesionales en cuanto a qué datos representar, si se utilizan solo datos de un lado de la equivalencia o de ambos lados, y si se deben seleccionar los datos más cercanos a la equivalencia o en las partes más lineales: [3] [4] el uso de los datos más cercanos al punto de equivalencia permitirá que las dos intersecciones con el eje x coincidan más entre sí y coincidan mejor con las estimaciones de los gráficos de derivadas, mientras que el uso de datos del lado ácido en una titulación ácido-base presumiblemente minimiza la interferencia de las impurezas titulables (amortiguadoras), como el bicarbonato/carbonato en la base (ver Contenido de carbonato), y el efecto de una fuerza iónica cambiante. En los gráficos de muestra que se muestran en las Figuras, se seleccionaron las regiones más lineales (los datos representados por círculos rellenos) para los cálculos de mínimos cuadrados de pendientes e intersecciones. La selección de datos siempre es subjetiva.
Referencias
- Buffle, J., Parthasarathy, N. y Monnier, D. (1972): Errores en el método de adición de Gran. Parte I. Cálculo teórico de errores estadísticos; Anal. Chim. Acta 59 , 427-438; Buffle, J. (1972): Anal. Chim. Acta 59 , 439.
- Butler, JN (1991): Equilibrios de dióxido de carbono y sus aplicaciones; CRC Press: Boca Raton, FL.
- Butler, JN (1998): Equilibrio iónico: cálculos de solubilidad y pH; Wiley-Interscience. Cap. 3.
- Gans, P. y O'Sullivan, B. (2000): GLEE, un nuevo programa informático para la calibración de electrodos de vidrio; Talanta , 51 , 33–37.
- Gran, G. (1950): Determinación del punto de equivalencia en titulaciones potenciométricas, Acta Chemica Scandinavica , 4 , 559-577.
- Gran, G. (1952): Determinación del punto de equivalencia en titulaciones potenciométricas—Parte II, Analyst , 77 , 661-671.
- Gran, G., Johansson, A. y Johansson, S. (1981): Titulación automática mediante adición gradual de volúmenes iguales de titulante. Parte VII. Titulaciones por precipitación potenciométrica, Analyst , 106 , 1109-1118.
- Harris, DC: Análisis químico cuantitativo, 5.ª edición; WH Freeman & Co., Nueva York, NY, 1998.
- Martell, AE y Motekaitis, RJ: La determinación y el uso de constantes de estabilidad, Wiley-VCH, 1992.
- McBryde, WAE (1969): Analista , 94 , 337.
- Rossotti, FJC y Rossotti, H. (1965): J. Chem. Ed ., 42 , 375
- Skoog, DA, West, DM, Holler, FJ y Crouch, SR (2003): Fundamentos de la química analítica: una introducción, 8.ª edición, Brooks y Cole, cap. 37.
- Stumm, W. y Morgan, JJ (1981): Química acuática, 2.ª ed.; John Wiley & Sons, Nueva York.
Notas
- ^ ab Si la fuerza iónica no es constante, se puede corregir esta expresión para el cociente de actividad cambiante. Véase Harris (1998) o este "documento en línea" (PDF) . Consultado el 17 de febrero de 2008 .
- ^ Gran et al. (1981) dan un tratamiento más detallado que tiene en cuenta otras especies complejas en una titulación de Cl − por Ag + (Ag 2 Cl + y AgCl 2 − , en particular) y en otras titulaciones de precipitación, con el fin de calcular volúmenes de equivalencia de soluciones diluidas, cuando la precipitación es incompleta.
- ^ "Documento en línea" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 17 de diciembre de 2008. Consultado el 17 de febrero de 2008 .) y W. Wolbach de la Universidad Depaul ( "Documento en línea" (PDF) . Consultado el 17 de febrero de 2008 .) recomiendan utilizar los últimos datos de volumen del 10-20% antes del punto de equivalencia, y el último reconoce que los gráficos de Gran del lado de la base de las titulaciones de ácido por base ( es decir , después del punto de equivalencia) se pueden utilizar para evaluar el contenido de CO 2 en la base. De manera similar, WE Brewer y JL Ferry de la Universidad de Carolina del Sur recomiendan utilizar esos datos dentro del 10% antes de la equivalencia ( "Documento en línea" (PDF) . Consultado el 17 de febrero de 2008 .). K. Kuwata del Macalester College recomienda que los estudiantes elijan la región de datos que proporcione la línea más recta antes de la equivalencia ( "Documento en línea" (PDF) . Consultado el 17 de febrero de 2008 .). DL Zellmer, de la Universidad Estatal de California en Fresno, pide a los estudiantes que representen gráficamente los datos de ambos lados de la equivalencia, utilizando los datos más alejados de la equivalencia, y que evalúen los errores para determinar si las dos estimaciones de los volúmenes de equivalencia son significativamente diferentes o no (datos de pH: "Documento en línea" . Consultado el 17 de febrero de 2008 .; valoración potenciométrica del ion cloruro con ion plata: "Documento en línea" . Consultado el 17 de febrero de 2008 .).
- ^ Butler (1991) analiza la cuestión de la selección de datos y también examina las interferencias de impurezas titulables como el borato y el fosfato.