Titolazione Coca-Cola

[EdoB]

Ciao a tutti, ispirato da un video di Dario Bressanini, ho pensato che sarebbe stato interessante determinare l'acidità della coca-cola. Questo è ciò che farei io, vi chiedo un parere e qualche consiglio.
1) sgasare la bevanda per eliminare la CO2 che si combinerebbe con il titolante carbonatandolo. Potrei bollirla? Agitarla? Ditemi voi
2) prelevare un piccolo campione e, utilizzando una soluzione di NaOH a titolo approssimato insieme a della fenolftaleina, titolarlo per avere una vaga idea della concentrazione di acido (orto)fosforico.
3) titolare con una soluzione a titolo noto di NaOH almeno tre campioni di coca. Ovviamente il volume da prelevare con la pipetta tarata e la concentrazione del titolante li ricavo dopo aver eseguito il punto 2)
 
Luisa mi ha preannunciato che il viraggio non è netto, immagino che sia collegato al fenomeno di idrolisi basica che i fosfati di sodio danno, al fatto che l'acido fosforico sia debole e che il suddetto acido abbia tre H+. Non ho però idea di come prevedere ciò che accade, il che probabilmente deriva dal fatto che "formalmente" devo ancora iniziare a studiare il pH(abbiamo appena iniziato l'equilibrio chimico).

[NaClO]

Secondo me, bollendola perdi una parte dell'acqua e modifichi la concentrazione. Forse, lasciarla all'aria in un beaker dovrebbe bastare. Dato che il viraggio non è netto, decolorerei la coca con il carbone attivo. Bisognerebbe trovare il modo di parlare con Bressanini...
Per la teoria ed i calcoli che ti fanno venire voglia di cambiare hobby aspettiamo Luisa.
Vorrei poi provare anch'io con mezzi di fortuna

[LuiCap]

La Coca-Cola è una bevanda notoriamente acida per la presenza di due acidi deboli indicati in etichetta: l'acido carbonico che si forma per reazione dell'anidride carbonica con l'acqua:
CO2(g) + H2O(l) H2CO3(aq)
e l'acido ortofosforico (comunemente chiamato acido fosforico) aggiunto come antifermentante.
Per determinare per via volumetrica il solo contenuto di acido fosforico occorre eliminare tutto l'acido carbonico disciolto (come in seguito descritto), in quanto anch'esso verrebbe titolato con la base forte secondo la reazione:
H2CO3 + 2 NaOH Na2CO3 + 2 H2O.

La titolazione dell'H3PO4 può essere eseguita con una base forte a titolo noto sia per via potenziometrica con un pH-metro, sia in presenza di un adatto indicatore acido-base che cambi la sua colorazione in prossimità del punto equivalente che si vuole rilevare; quest'ultimo metodo è sicuramente più approssimato del primo per due ragioni fondamentali:
1) la concentrazione molare di H3PO4 è molto bassa (in rete ho trovato che è di circa 0,3 g/L (circa uguale a 0,003 M), non so se il dato è corretto; anni fa ho fatto la titolazione, ma non riesco più a trovare i risultati ), perciò la variazione di pH in prossimità del punto equivalente della titolazione non è netta (come ad esempio nella titolazione di un acido forte con una base forte; confrontare i grafici in seguito allegati), ma graduale;
2) la colorazione marrone della Coca-Cola dovuta al caramello in essa disciolto non permette di rilevare il cambiamento di colore dell'indicatore acido-base in modo accurato.

Per comprendere quale è l'indicatore acido-base adatto alla titolazione dell'H3PO4 nella Coca-Cola bisogna conoscere l'andamento del pH quando si addiziona una base forte a titolo noto ad una soluzione di H3PO4.
Il grafico sottostante mostra la curva di titolazione calcolata di 25,0 mL di H3PO4 0,00300 M (all'incirca la molarità di questo acido nella bevanda)con NaOH 0,0100 M.
La curva mostra chiaramente due tratti di curva in cui il pH varia notevolmente per piccole aggiunte di titolante: il punto di maggior pendenza di questi due tratti prende il nome di punto equivalente:
1° punto equivalente
La reazione che avviene è:
H3PO4 + NaOH NaH2PO4 + H2O
Volume NaOH = 7,5 mL
pH = 4,7
2° punto equivalente
La reazione che avviene è:
H3PO4 + 2 NaOH Na2HPO4 + 2 H2O
Volume NaOH = 15,0 mL
pH = 9,3
3° punto equivalente
La curva di titolazione non mostra un terzo tratto di curva molto pendente, perciò il 3° punto equivalente non è analiticamente rilevabile perché l'HPO4(2-) è un acido troppo debole e, in questo caso, anche molto diluito.
Per rilevare il 2° punto equivalente si può utilizzare come indicatore acido-base la fenolftaleina che è incolore fino a pH 8,2, assume varie tonalità di rosa tra pH 8,2 e 9,8, e diventa rosa senza più cambiare tonalità dopo pH 9,8.
Di conseguenza quando si titola una soluzione incolore di H3PO4 con una soluzione pure incolore di NaOH il colore della soluzione è incolore fino a pH 8,2; le reazioni che avvengono formano composti incolori in soluzione acquosa, perciò dopo pH 8,2 la soluzione si colora di rosa pallido. Poiché noi dobbiamo rilevare quando la soluzione arriva a pH 9,3, bisogna interrompere l'aggiunta di NaOH quando la soluzione arriva all'ultimo cambiamento di colore rosa, e non al primo cambiamento di colore.

   

La curva di titolazione calcolata di 25,0 mL di HCl (acido forte) 0,00300 M con NaOH 0,0100 M è invece la seguente.
Si nota immediatamente che il tratto di curva in cui si trova il punto equivalente a pH = 7,0 è molto più ampio è molto più pendente rispetto alla titolazione di un acido debole, perciò la titolazione in presenza di fenolftaleina deve essere interrotta al primo cambiamento di colore da incolore a rosa pallido.

   

La Coca-Cola però non è incolore ma marrone, perciò il punto equivalente viene rilevato (ossia bisogna interrompere la titolazione) quando il colore della soluzione diventa marrone-rosa della fenolftaleina senza più cambiare... per questo ci vogliono "occhi" ben allenati!!!
Per ottenere dei risultati più affidabili si dovrebbe perciò eseguire la titolazione per via potenziometrica, cioè facendo fare al pH-metro il lavoro della fenolftaleina; con i dati sperimentali di Volume NaOH - pH misutato dopo ogni aggiunta si costruisce il grafico e si ricava per via grafica il volume di NaOH al 2° punto equivalente.
In alternativa occorre togliere il colore della Coca-Cola dovuto al caramello aggiunto alla bevanda con un decolorante solido, ad esempio il carbone attivo.

Si possono perciò eseguire entrambi i procedimenti senza e con decolorazione e confrontare i risultati ottenuti.

SENZA DECOLORAZIONE
Eliminazione dell'anidride carbonica
- Versare l'intero contenuto di una lattina piccola (33 cL) di Coca-Cola in un becher da 400 o 600 mL; fidarsi del volume dichiarato, ritengo inutile fare un prelievo accurato con una pipetta o un cilindro perché l'elevato contenuto di CO2 non permette di misurare il volume in modo accurato.
- Immergere una bacchetta di vetro e far bollire molto blandamente, mescolando di tanto in tanto, per eliminare il più possibile l'acido carbonico disciolto; attenzione che durante l'ebollizione non fuoriescano dal becher schizzi di liquido. Proseguire la blanda ebollizione fino a che il volume di liquido si è ridotto fino a 150-180 mL.
- Coprire il becher con un vetrino da orologio per evitare che la CO2 dell'aria venga riassorbita e far raffreddare velocemente fino a temperatura ambiente, immergendo il becher in un bagno di acqua e ghiaccio.
- Trasferire quantitativamente la soluzione con un imbuto in un matraccio tarato da 250 mL, lavando internamente il becher con piccoli volumi di acqua distillata per volta. Portare a volume e mescolare per omogeneizzare.

CON DECOLORAZIONE
Eliminazione dell'anidride carbonica e decolorazione
- Versare l'intero contenuto di una lattina piccola (33 cL) di Coca-Cola in un becher da 400 o 600 mL; fidarsi del volume dichiarato, ritengo inutile fare un prelievo accurato con una pipetta o un cilindro perché l'elevato contenuto di CO2 non permette di misurare il volume in modo accurato.
- Addizionare 4-5 g di carbone attivo granulare.
- Immergere una bacchetta di vetro e far bollire molto blandamente, mescolando di tanto in tanto, per eliminare il più possibile l'acido carbonico disciolto; attenzione che durante l'ebollizione non fuoriescano dal becher schizzi di liquido. Proseguire la blanda ebollizione fino a che il volume di liquido si è ridotto fino a 150-180 mL.
- Coprire il becher con un vetrino da orologio per evitare che la CO2 dell'aria venga riassorbita e far raffreddare velocemente fino a temperatura ambiente, immergendo il becher in un bagno di acqua e ghiaccio.
- Trasferire quantitativamente la soluzione con un imbuto munito di filtro a cono in un matraccio tarato da 250 mL, lavando internamente il becher e i granelli di carbone con piccoli volumi di acqua distillata per volta. Portare a volume e mescolare per omogeneizzare.
Non ho mai eseguito la decolorazione con carbone attivo, quindi non so se esso possa essere un decolorante efficace. Sicuramente non può essere eseguita con il metodo indicato nel video di Bressanini in quanto si aggiungerebbe un'altra sostanza acida, l'acido lattico, al campione di Coca-Cola.



Titolazione con NaOH a titolo noto
- Lavare, avvinare e riempire una buretta da 50 mL con NaOH 0,0100 M.
- Prelevare con pipetta tarata o, in mancanza con un cilindro, 25,0 mL della soluzione contenuta nel matraccio e versarli in un becher da 100 mL; evitare, se possibile, di aggiungere acqua distillata.
- Addizionare 4-5 gocce di Fenolftaleina all'1-2%.
- Titolare con NaOH fino all'ultimo cambiamento di colore da marron a marron-rosa.
- Ripetere con le stesse modalità altre due titolazioni.

Calcoli
I calcoli finali sono gli stessi con entrambi i procedimenti.
DATI SPERIMENTALI
Soluzione titolante
Molarità NaOH = 0,0100 mol/L
Volume medio di NaOH al 2° punto equivalente = a mL
Soluzione titolata
Volume di Coca-Cola = 330 mL
Volume totale di soluzione di Coca-Cola = 250 mL
Volume prelevato per ogni titolazione = 25,0 mL

   

[EdoB]

Ho provato a seguire il primo metodo di Luisa, che ringrazio, ma ottengo risultati strani, mi spiego:
Innanzi tutto ho utilizzato una lattina da 500 ml e non da 330 perché in casa avevo solo un paio di quelle. Ne ho aperta una, ne ho misurato 330 ml con un cilindro graduato e ho seguito la procedura descritta da Luisa. Va tutto a meraviglia fino alla titolazione che, come ci immaginavamo, è difficile compiere dal momento che il viraggio non è semplice da cogliere. Così ottengo che per il primo campione mi servono 42.3 ml di NaOH, per il secondo 44,3 e per il terzo 42,1( la M esatta di NaOH è 0,011M).
Non ho carbone attivo sotto mano ma, dopo una vostra risposta, pensavo di provare diluendo 25,0 ml della soluzione ottenuta con molta più acqua e tenere un becher contenente una soluzione che ha già virato accanto. Da notare è il fatto che tenendo il beaker su un foglio di carta bianco non si vede nulla, l'ho tenuto sollevato con una mano in maniera tale da far arrivare più luce.

[LuiCap]

Ho corretto l'allegato con i calcoli della titolazione perché c'era un errore nella formula risolutiva finale... non sono per niente abituata a svolgere i calcoli con le formule precostituite . I singoli passaggi precedenti sono corretti!!!

Stando ai risultati ottenuti da Edoardo, eliminando il volume della seconda titolazione, risulta che nella Coca-Cola analizzata ci sono 0,689 g/L di H3PO4, all'incirca il doppio della concentrazione che avevo trovato in rete e di cui non ero certa.
Bene, buono a sapersi

Se i 25,0 mL di soluzione di Coca-Cola che hai titolato risultano troppo intensamente colorati, puoi giustamente provare a diluirli con acqua per attenuare il colore base e rendere meglio apprezzabile il viraggio della fenolftaleina.
Se vuoi tenere un becher con la soluzione già virata per confronto, ricorda che devi eseguire le altre titolazioni in un becher di identica capacità e devi diluire il prelievo fino allo stesso volume con acqua. Per apprezzare l'intensità e la tonalità del colore devi guardare il becher dall'alto.
Visto che per 25,0 mL di campione hai utilizzato oltre 40 mL di NaOH, puoi anche effettuare le nuove titolazioni con solo 10,0 mL di soluzione di Coca-Cola, riducendo così il volume di NaOH. Dovresti usare un volume di NaOH 0,011 M intorno ai 16 -17 mL. La formula risolutiva diventa:
   

Se hai solo lattine da 500 mL in casa, puoi anche far bollire tutto il contenuto fino a circa 400 mL, trasferire lavando in matraccio tarato da 500 mL e titolare 10,0 mL di soluzione. Dovresti usare un volume di NaOH 0,011 M intorno ai 12 -13 mL. La formula risolutiva diventa:
   

[EdoB]

Grazie!! Pensavo di aver sbagliato qualcosa io e invece no! Se qualcun'altro ha la possibilità di provare la procedura sarei curioso di sentire altre esperienze.

[NaClO]

La cosa del carbone attivo l'ho vista in un altro video, con due pasticche tritate ci hanno decolorato un bicchiere (circa 200 ml) di coca-cola. Il carbone attivo lo trovi anche al supermercato per la cura del meteorismo ("effetto compressore", "effetto fagioli", etc.). Mi pare costi un pacco 5 euro.
Ora non ho la più minima possibilità di tentare, forse a Pasqua...