Guía Lab. Química Analítica Instrumental Por ODQ (PARTE de VOLUMETRIA) (1)

7/25/2019 Gua Lab. Qumica Analtica Instrumental Por ODQ (PARTE de VOLUMETRIA) (1)

1/43

Departamento de Qumica Aplicada. Ciclo Bsico. Facultad de Ingeniera.Universidad Central de Venezuela.

GUIA DE LABORATORIO DE QUMICA

ANALTICA INSTRUMENTAL


2/43

Prctica 1


2

I N D I C E

PRACTICA PAG.

Titulacin Acido-Base........................................ 1

Titulacin Redox.................................................. 11

Intercambio Inico............................................... 17

Dureza del Agua.................................................. 27

Fotometra de Llama.......................................... 38

Colorimetra...................................................... 52

Potenciometra.................................................. 72

Conductimetra................................................. 87

Turbidimetra................................................... 98


3/43

Prctica 1


3

Prctica 1TITULACIN ACIDO-BASE

INTRODUCCIN

El vinagre es un producto qumico que consiste en una solucin acuosa de cido actico(CH3COOH), cuya concentracin de cido oscila entre 4 y 8% en masa/masa. Se utilizacomo condimento y aderezo de ciertos alimentos y se prepara a travs de dos procesosmicrobianos sucesivos: en primer lugar se realiza una fermentacin de la materia primautilizada indicada posteriormente para generar etanol y luego se realiza una fermentacinoxidante del etanol para generar el producto. Dependiendo de la materia prima utilizada, losvinagres pueden clasificarse como: a) vinagre de manzana o sidra, b) vinagre de vino ouva, c) vinagre de malta, d) vinagre de azcar o melaza, e) vinagre de glucosa, f) vinagrede granos.Para considerar comercialmente estos productos como vinagre deben poseer no menos de4% en masa de cido actico. Adems del cido actico los vinagres comerciales contienencantidades variables, pero pequeas de otros cidos orgnicos como son: cido frmico,ctrico, mlico, succnico y lctico as como alcoholes y azucares sin oxidar y otradiversidad de compuestos qumicos.La fuerza del vinagre (concentracin de cido actico) se expresa mediante la unidad

denominada granos. El vinagre de un grano se define como aquel que contiene 0,1 g decido actico en 100 g de vinagre. La fuerza de un vinagre comercial debe ser siempremayor de 40 granos.El vinagre recin obtenido suele tener sabor astringente y olor desagradable, adems de serqumicamente inestable. Se prepara para el mercado por envejecimiento, luego se filtra,clarifica, mezcla y estabiliza antes de ser envasado para la venta. Se puede realizar uncontrol de calidad de un vinagre por medio de diversas titulaciones: volumtrica,potenciomtrica y conductimtrica.El objetivo fundamental de esta prctica es realizar ese control mediante una titulacinvolumtrica del vinagre con una solucin acuosa de NaOH y a partir de los datos obtenidosdeterminar el porcentaje en peso de la muestra de vinagre utilizada.

TITULACIN VOLUMTRICA

Los mtodos por titulacin comprenden un grupo grande y poderoso de procedimientoscuantitativos que se basan en la medicin de la cantidad de un reactivo de concentracinconocida (el titulante), que se consume por el analito (sustancia de se analiza). Dichosmtodos se utilizan en muchos anlisis de rutina porque son rpidos convenientes, precisosy se pueden automatizar fcilmente.En la titulacin volumtrica se mide el volumen de una solucin de concentracin conocida(titulante) que se necesita para que reaccione completamente con el analito.Operacionalmente la titulacin se realiza aadiendo cuidadosamente y de forma controladadesde una bureta u otro artefacto automatizado que suministre lquido, una solucin patrndel titulante a la solucin del analto hasta que la reaccin se considere completa. El


4/43

Prctica 1


4

volumen de reactivo requerido para completar la titulacin se determina por diferenciaentre las lecturas inicial y final. Este procedimiento se ilustra en la figura 1.

Fig. 1 Montaje clsico de titulacin volumtrica.

Durante la titulacin el punto en el cual la cantidad de titulante aadido esestequiometricamente equivalente a la cantidad de analito en la muestra se define como elpunto de equivalencia. El punto de equivalencia de una titulacin es un valor terico queno se puede determinar experimentalmente. Slo se puede estimar su posicin observandoalgn cambio fsico asociado a la condicin de equivalencia. Este cambio se llama puntofinal de la titulacin.Entre las propiedades de las soluciones que pueden sufrir cambios y por lo tanto servir debase para la deteccin del punto final estn: el color, el ndice de refraccin, laconductividad, diferencias de potencial y la temperatura.Siempre se debe procurar que la diferencia de volumen entre el punto final y el deequivalencia sea mnima. No obstante, siempre se tendrn diferencias entre estos puntoscomo consecuencia de cambios fsicos insuficientes (el cambio no es siempre continuo) yde la incapacidad para apreciarlos (el cambio brusco en la propiedad no se detectaadecuadamente). La diferencia de volumen entre el punto de equivalencia y el punto final


5/43

Prctica 1


5

en una titulacin volumtrica se denomina error de titulacin (Et= V pf Vp.e) dondevpe = volumen terico de reactivo necesario para alcanzar el p.e, Vpf = volumen realgastado para alcanzar el punto final.En una titulacin volumtrica es muy comn aadir un indicador a la solucin del analitopara obtener un cambio fsico apreciable (el punto final) en o cerca del punto de

equivalencia. Los cambios ms grandes en la concentracin relativa del analito o deltitulante se dan, precisamente, en la zona del punto de equivalencia. Estos cambios deconcentracin son los que hacen que cambie la forma del indicador, siendo los ms tpicosla aparicin o desaparicin de turbiedad o color.Para detectar los puntos finales tambin se utilizan instrumentos que responden a loscambios fisicoqumicos de ciertas propiedades de la solucin durante una titulacin. Losinstrumentos ms utilizados para este fin son los potenciomtricos, conductimetros,turbidimetros, entre otros. Algunos de los cuales se utilizarn en prcticas posteriores.

Una reaccin qumica debe cumplir requisitos bsicos para ser utilizada en los mtodos portitulacin:

1.

Debe proceder rpidamente, de manera tal que se pueda reconocer sin una esperainnecesaria si se ha alcanzado el punto final o la titulacin debe continuar.

2. Debe ser completa, o sea debe tener una alta constante de equilibrio, tal que sedetecte de forma adecuada el punto final.

3. Debe proceder de acuerdo a una estequiometra bien definida, de forma tal que laconcentracin de la sustancia que est siendo determinada pueda ser calculada apartir de los datos de la titulacin.

4. Debe disponerse de un mtodo adecuado para detectar el punto final.

Las reacciones cido-base cumplen muy bien estos requisitos. La transferencia de un protn(H+), entre un cido y una base es un proceso muy rpido y estequiometricamente exacto.Adems, las constantes de equilibrio para muchas reacciones cido-base son bastantegrandes de manera que se obtienen puntos finales reproducibles y bien definidos, porltimo hay numerosos indicadores cido-base que sufren cambios de color distintivos conla variacin del pH y que pueden ser utilizados para la localizacin exacta del punto deequivalencia.

PATRONES PRIMARIOS Y SECUNDARIOS

Un patrn primario es un compuesto de alta pureza que sirve de referencia para un mtodode anlisis por titulacin. La exactitud de un mtodo depende de forma crtica de laspropiedades de este compuesto. Los requisitos ms importantes que debe cumplir un patrnprimario son:


6/43

Prctica 1


6

1. Pureza elevada.

2. Estabilidad atmosfrica.

3. No higroscpico.

4.

Que sea barato y se pueda conseguir con facilidad.

5. Tener una solubilidad razonable en el medio de titulacin.

6.

Tener un peso molcular razonablemente grande para reducir al mnimo elerror relativo asociado a la operacin de pesada.

Muy pocos reactivos cumplen con todos estos criterios, de all que el analista solo tieneacceso a un nmero limitado de patrones primarios. Por esta razn, a veces es necesarioutilizar compuestos menos puros, tambin llamados, patrones secundarios, en lugar de unpatrn primario. Un patrn secundario es un compuesto cuya pureza se determina pormedio de un anlisis qumico y sirve de referencia para un mtodo de anlisis portitulacin.

SOLUCIONES PATRN:Las soluciones patrn ocupan un lugar muy importante en losmtodos de anlisis por titulacin. Por esta razn es necesario tener en cuenta laspropiedades que se desean de estas soluciones, cmo se preparan y cmo se expresan susconcentraciones.

La solucin patrn ideal para un anlisis por titulacin deber:

1.

Ser suficientemente estable para que solo sea necesario determinar una vez suconcentracin.

2. Reaccionar rpido con el analito para reducir al mnimo el tiempo requerido entrelas adiciones de reactivo.

3. Reaccionar completamente con el analito para que se alcance satisfactoriamente elpunto final.

4. Reaccionar en forma simple con el analito para que esta reaccin pueda ser descritamediante una ecuacin balanceada sencilla.

Sin embargo, muy pocos reactivos satisfacen todos estos requisitos.La exactitud de un mtodo de anlisis por titulacin no puede ser mayor que la exactitudobtenida en la preparacin de la solucin patrn empleada en la titulacin. Para determinarla concentracin de estas soluciones se realiza la determinacin de la concentracin de unasolucin por medio de una titulacin utilizando una cantidad cuidadosamente medida de unpatrn primario o secundario, o un volumen conocido de otra solucin estndar. Estametodologa se denomina estandarizacinLa estandarizacin se puede llevar a cabo mediante dos mtodos diferentes. El primero seconoce como mtodo directo, donde se pesa cuidadosamente una cantidad exacta del patrnprimario, se disuelve en un solvente adecuado y se lleva a un volumen final en un matraz


7/43

Prctica 1


7

volumtrico. El segundo mtodo implica una valoracin o titulacin, donde el titulante quese ha de valorar se emplea para titular: (1) un peso conocido de un patrn primario; (2) unpeso conocido de un patrn secundario o (3) un volumen conocido de otra solucin patrn.El titulante que se valora contra un patrn secundario u otra solucin patrn se conocecomo solucin patrn secundaria, y su concentracin est sujeta a una mayor incertidumbre

que la que corresponde a la solucin de un patrn primario. Si se puede elegir, es mejorpreparar las soluciones por el mtodo directo. Sin embargo muchos reactivos carecen de laspropiedades deseables de un patrn primario y deben ser valoradas.Las soluciones patrn empleadas en las titulaciones de neutralizacin son cidos o basesfuertes, ya que reaccionan ms completamente con el analito que las correspondientesespecies ms dbiles, de manera que se obtienen puntos finales mejor definidos. Lassoluciones patrn de cidos se preparan por la dilucin de los cidos clorhdrico, sulfricoo perclrico concentrados disponibles comercialmente y pueden ser estandarizados porvarios mtodos.El cido ntrico rara vez se emplea debido a que sus propiedades oxidantes facilitaranposibles reacciones colaterales indeseables. Los cidos perclrico y sulfrico concentradosy calientes son potentes agentes oxidantes y por tanto peligrosos. Sin embargo, lassoluciones diluidas fras de estos cidos son relativamente inocuas.El cido clorhdrico es el titulante preferido, debido a la pureza del reactivo concentrado yla estabilidad de sus soluciones diluidas. Adems, hay numerosos mtodos de altaprecisin para la estandarizacin de soluciones de cido clorhdrico.Por ejemplo, el carbonato de sodio comercialmente disponible en muy alta pureza esutilizado para la estandarizacin o valoracin del cido clorhdrico y los otros cidosfuertes. Una cantidad exactamente pesada de carbonato de sodio se disuelve en agua, y lasolucin resultante se titula con cido clorhdrico para formar cido carbnico.

CO32- + 2H+ H2CO3

Determinndose el punto final con la ayuda de un indicador cido-base. Las solucionespatrn de bases generalmente se preparan a partir de hidrxido de sodio o potasio yocasionalmente hidrxido de bario. Ninguno de estos compuestos se encuentra disponibleen forma pura; el hidrxido de sodio por ejemplo, siempre se encuentra contaminado por lahumedad y por pequeas cantidades (mayores al 2%) de carbonato de sodio as comotambin de cloruro de sodio. Consecuentemente debe prepararse una solucin de hidrxidode sodio de concentracin aproximada a la deseada y luego estandarizarse (laestandarizacin es la determinacin de la concentracin de una solucin por medio de unatitulacin utilizando una cantidad cuidadosamente medida de un patrn primario osecundario, o un volumen conocido de otra solucin estndar).Hay varios patrones primarios cidos, algunos de los cuales pueden utilizarse paraestandarizar una solucin de hidrxido de sodio, potasio o bario. El ftalato cido de potasio(KHC8H4O4), tiene la ventaja de su alto peso molecular, pureza, estabilidad al secado yfcil disponibilidad. Tiene la desventaja de ser un cido dbil por lo cual es adecuado parala estandarizacin de soluciones bsicas libres de carbonato. El cido sulfmico(NH2SO3H) es otro buen patrn primario, disponible en forma pura, barato y adems es uncido fuerte. El cido oxlico dihidratado (H2C2O4.2H2O) y el cido benzoico(C6H5COOH) ocasionalmente son utilizados como patrones primarios.


8/43

Prctica 1


8

Es innecesario estandarizar tanto el cido clorhdrico como al hidrxido de sodio contrapatrones primarios, puesto que la concentracin de cualquiera de ellos puede determinarsepor titulacin de uno contra el otro.

INDICADORES ACIDO-BASEUn indicador cido-base es un cido orgnico dbil o una base orgnica dbil cuya formano disociada tiene un color diferente al de su forma conjugada. Por ejemplo, el siguienteequilibrio describe el comportamiento de un indicador tipo cido monoprtico, HIn.

HIn + H2O In- + H3O

+color cido color bsico

donde HIn indica la forma cida del indicador y In-denota la base conjugada del indicador.En este caso la disociacin se ve acompaada por cambios en la estructura interna delindicador y ocasiona un cambio de color. Un aumento en la concentracin de ioneshidrgeno o disminucin del pH favorece la formacin de HIn y la aparicin en la solucindel color de la forma cida. Mientras que, un aumento en el pH desplaza el equilibrio haciala produccin de ms In-, el cual impartir su color a la solucin.La expresin de la constante de equilibrio para la disociacin de un indicador de tipo cidoes la siguiente:

HIn

InOHKa

3 o

HInInH

Ka

ya que HOH3

al reordenarla obtenemos Ka

H

In

HIn

Como puede notarse, la concentracin de iones hidrgeno determina la relacin de lasformas cida y bsica del indicador y por lo tanto, determina el color que desarrolla lasolucin.El ojo humano es poco sensible para apreciar diferencias de color en soluciones quecontienen una mezcla de In- y HIn, en particular cuando la relacin [HIn]/[In-] es mayorque 10 menor que 0.1. En consecuencia, para el observador comn el color que imparte

a una solucin un indicador tpico parece cambiar rpidamente slo dentro de las relacionesque estn en los lmites entre 10 y 0.1; a valores mayores o menores, para el ojo humano elcolor prcticamente es constante e independiente de esa relacin. Por lo tanto, una solucinde un indicador cido-base mostrara el color de la forma cida cuando

[HIn] 10[In-]


9/43

Prctica 1


9

y su color bsico cuando

[Hin] 0,1[In-]

Para valores de la relacin entre esos lmites, el color ser intermedio o sea una mezcla delos colores de HIn y Hn-.La sustitucin de las relaciones de concentracin en la expresin de equilibrio para elindicador cido-base, permite determinar que variaciones en la concentracin de inhidrgeno son necesarias para producir un cambio de color. As, para el colorcompletamente cido.

[H+] = 10 Ka

y de manera similar para el color completamente bsico

[H

+

] = 0,1 KaEstos resultados pueden ser expresados de manera ms conveniente en trminos de pH ypKa como sigue

pH (color cido) = pKa + 1pH (color bsico) = pKa1

Intervalo de pH del indicador = pKa + 1.

Por tanto, un indicador con una constante de disociacin cida de 1.10 -5 (pKa = 5)muestra un tpico cambio total de color cuando el pH de la solucin en la que est disueltocambia de 4 a 6; el cambio opuesto de color ocurrir si el pH vara de 6 a 4.La lista de indicadores cido base es grande y comprende numerosos compuestosorgnicos. Se pueden conseguir indicadores para cualquier intervalo de pH que desee. En latabla 1 se presenta una lista de los ms comunes y de sus propiedades.

Tabla 1. Algunos indicadores cido-base importantes

Nombre comn Intervalo de pH pKa* Cambio decolor+

Tipo deindicador++

Azul de timol 1.2-2.8 1.65 R-Am 18.0-9.6 8.96 Am-A

Amarillo de metilo 2.9-4.0 R-Am 2Anaranjado de metilo 3.1-4.4 3.46 R-N 2Verde de bromocresol 3.8-5.4 4.66 Am-A 1Rojo de metilo 4.2-6.3 5.00 R-Am 2Prpura de bromocresol 5.2-6.8 6.12 Am-P 1Azul de bromotinol 6.2-7.6 7.10 Am-A 1Rojo fenol 6.8-8.4 7.81 Am-R 1


10/43

Prctica 1


10

Prpura de cresol 7.6-9.2 Am-P 1Fenolftalena 8.3-10.0 I-R 1Timolftalena 9.3-10.5 I-A 1Amarillo de alizarina GG 10-12 I-Am 2*A una fuerza inica de 0.1

+ A = azul; I = incoloro; N = naranja; P = prpura; R = rojo; Am = amarillo

++(1)Tipo cido: HIn + H2O H3O++ In-;

(2) tipo bsico: In + H 2OInH++ OH-

Para la reaccin: InH+ + H2O H3O- + In

Uno de los indicadores ms utilizados en las titulaciones cido-base es la fenolftaleina,

cuyo equilibrio se indica a continuacin notndose el cambio de color y el rearreglointerno al disociarse.

Forma cida de lafenolftaleina

Forma bsica de lafenolftaleina


11/43

Prctica 1


11

TITULACIN DE CIDO ACTICO CON HIDRXIDO DE SODIO

El cido, CH3COOH, es un cido dbil monoprtico (Ka = 1,75.10-5) por lo tanto puede

titularse completamente con una base fuerte como el hidrxido de sodio estandarizadopreviamente, utilizando fenolftaleina como indicador. La reaccin qumica que tiene lugar

durante la neutralizacin es la siguienteCH3COOH + NaOH CH3COONa + H2O

Esta ecuacin la podemos expresar como:

[H+] + [OH-] H2O

En el punto de equivalencia los moles de cido son iguales a los moles de base, debido aque esta reaccin es estequiometricamente 1 a 1

moles cido = moles base VaMa= VbMb

Va = volumen del cido que se titula

Ma = concentracin del cido en moles/L

Vb = volumen de base gastado en la titulacin

Mb= concentracin del base en moles/L

A partir de esa ecuacin puede calcularse la molaridad de la solucin del cido actico

a

bb

a

V

MVM

Utilizando la informacin anterior y de acuerdo al procedimiento experimental puedecalcularse el porcentaje de acidez de una muestra de vinagre lo cual sirve para corrobar sicumple con las especificaciones para ser considerado un vinagre comercial, o sea realizarun control de calidad del mismo.

PARTE EXPERIMENTAL

1. Pese en un beaker pequeo de 125 100 mL, entre 12,00 y 15,00 g de un vinagrecomercial previamente homogeneizado por agitacin y anote el valor de la masa.


12/43

Prctica 1


12

2.

Transfiera la muestra pesada a un baln aforado de 100 mL y diluya con aguadestilada hasta alcanzar la marca del aforo. Homogenice la solucin por agitacin.

3.

Cure un beaker de 150 mL y una pipeta volumtrica de 10 mL con una alcuota dela solucin de vinagre contenida en el baln y luego trasvase la mitad el contenido

del baln aforado al beaker de 150 mL.4.

En 7 erlenmeyers o fiolas, agregue a cada uno de ellos 10 mL de la solucin devinagre.

5. Lave y luego cure la bureta con la solucin de NaOH y a continuacin colquela enun soporte universal con la solucin de NaOH.

6. Aada 2 3 gotas de fenolftalena a cada uno de los erlenmeyers.

7.

Agregue el hidrxido de sodio en la bureta a la solucin contenida en loserlenmeyers con agitacin constante, hasta que se alcance una coloracin rosaplido permanente. Anote el volumen de NaOH gastado en cada una de lastitulaciones.

8. Recoja y limpie el material utilizado.

9. Nota: Si es necesario, el material volumtrico deber ser lavado con solucinsulfocrmica.

CALCULOS

1. Determine la concentracin promedio de la solucin de vinagre preparada.


13/43

Prctica 1


13

2.

Mediante el tratamiento estadstico a las concentraciones de la solucin de vinagrepreparadas, determine: la desviacin relativa, la desviacin estndar y el lmite deconfianza para 95%.

3.

A partir de la concentracin promedio de la solucin de vinagre preparada y la

molaridad de la misma, calcule los moles de cido consumidos.4.

A partir de los moles de cido y la dilucin realizada, determine los moles totales decido.

5. Calcule los gramos de cido actico.

6. Calcule el porcentaje de cido actico a partir de la masa de vinagre pesada.

7.

Determine los granos del vinagre.

8. Calcule el error relativo del porcentaje de vinagre asumiendo que el valor exacto delporcentaje es el indicado en la etiqueta de la muestra comercial que usted peso.


14/43

Prctica 2


38

Prctica 2TITULACIONES REDOX (PERMANGANIMETRIA)

INTRODUCCIN

Debido a que las reacciones de xido-reduccin son utilizadas en muchos mtodos deanlisis qumico, es conveniente estudiar las propiedades y usos de algunos de los titulantesredox ms utilizados. Tres de los agentes oxidantes fuertes ms comnmente empleadosson: el permanganato de potasio (KMnO4), el dicromato de potasio (K2Cr2O7) y el cerio(IV). En esta prctica discutiremos las propiedades y usos de las soluciones de KMnO4,pero antes de ello es til indicar las caractersticas que deben buscarse al elegir un titulanteredox y los pasos preliminares que deben realizarse de manera que la sustancia que va a serdeterminada reaccione completamente con el titulante.

REQUISITOS PARA LA SELECCIN DE TITULANTES REDOX

Aunque un anlisis de la tabla de potenciales de reduccin estndar revela que existe unaamplio variedad de agentes oxidantes y reductores solo algunos de ellos califican para serseleccionados como titulantes para reacciones redox. El titulante redox debe cumplir ciertosrequisitos como son:

1. Debe ser un agente oxidante o reductor suficientemente fuerte para que reaccionecompletamente con la sustancia que est siendo determinada.

2. No debe ser tan poderoso, de manera que no reaccione con algunos componentesde la solucin diferentes a la especie que est siendo titulada.

Estos dos primeros requisitos simplemente significan que la reaccin debe procederestequiomtricamente.

3. El titulante debe reaccionar rpidamente con la sustancia que est siendodeterminada.Una determinada reaccin puede ser favorable desde el punto de vistatermodinmico, es decir, la fuerza electromotriz de la reaccin global puede sergrande en magnitud y de signo positivo, pero no ocurre a una velocidadconveniente (baja velocidad de reaccin), cintica inadecuada.

4.

Debe disponerse de un mtodo simple y preciso para la localizacin del punto deequivalencia.

El permanganato de potasio cumple completamente los requisitos anteriores siempre ycuando se controlen cuidadosamente variables experimentales tales como: pH, temperatura,luz, uso de catalizadores y tiempo de reaccin.


15/43

Prctica 2


39

Para la realizacin exitosa de una titulacin redox, la especie que va a ser determinadadebe existir en un solo estado de oxidacin en el cual puede reaccionar estequiomtrica yrpidamente con el titulante. Sin embargo, durante la preparacin de una solucin de unamuestra con frecuencia la sustancia a ser analizada queda en un estado de oxidacin en elcual no reacciona con el titulante o quizs en una mezcla de estados de oxidacin, en estos

casos se debe tratar la solucin de la muestra con un agente reductor u oxidante adecuadopara ajustar el estado de oxidacin de la sustancia antes de la titulacin final.

PERMANGANTO DE POTASIO

El permanganato de potasio se ha utilizado ampliamente como oxidante por ms de 100aos. Es un reactivo que est disponible con facilidad, no es caro y no requiere indicador amenos que se utilice en solucin muy diluida.Semi-reacciones que implican el in permanganto(MnO4

-): el manganeso puede existiren varios estados de oxidacin, sin embargo, para la mayora de las titulaciones de xido-reduccin, los estados importantes son: Mn(VII), Mn(IV) y Mn(II). Las dossemirreacciones del Mn(VII) se indican a continuacin:

MnO4- + 8H+ + 5e Mn2+ + 4H2O E = 1,51 V

MnO4- + 4H+ + 3e MnO2 + 2H2O E = 1,695 V

Los factores que determinan cual de los dos productos de reduccin, Mn 2+ o MnO2, seforma son complejos e implican consideraciones cinticas y termodinmicas. Sin embargo,es suficiente con decir que, en medio alcalino, neutro o dbilmente cido, el dixido demanganeso es el producto. Excepto para algunas reacciones con compuestos orgnicos, elpermanganato de potasio generalmente es utilizado en medio cido en concentraciones 0,1M o mayores, en el cual el in Mn2+es el producto de reduccin.En soluciones fuertemente bsicas el in manganato, MnO42-, es el producto de lareduccin del permanganato.

MnO4- + e MnO4

2- E = 0,564 V

En soluciones de hidrxido de sodio de concentraciones mayores que 2M, los compuestosorgnicos reducen al permanganato de acuerdo a esta ltima ecuacin.

Preparacin y estabilidad de las soluciones de permanganato:las soluciones acuosas depermanganato no son totalmente estables debido a que el in tiende a oxidar al aguaespontneamente.

4MnO4- + 2H2O 4MnO2(s) + 3O2 + 4OH

- E = 0,187 V

Aunque la constante de equilibrio para la reaccin indica que se favorece la formacin delos productos, las soluciones de permanganato, cuando se preparan de manera adecuada,son bastantes estables debido a que la reaccin de descomposicin es lenta. La luz, el calor,


16/43

Prctica 2


40

cidos, bases, sales de manganeso (II) y dixido de manganeso catalizan la reaccin dedescomposicin indicada anteriormente.Se pueden preparar soluciones del in permanganato moderadamente estables si se reducenlos efectos de esos catalizadores, en particular el dixido de manganeso, el cual es uncontaminante incluso en el permanganato de potasio ms puro. Adems, se forma en

soluciones del reactivo recin preparado debido a la reaccin del in permanganato con lamateria orgnica y el polvo presentes en el agua que se utiliza para preparar la solucin. Eldixido de manganeso se puede eliminar por filtracin antes de la titulacin, lo que mejoranotablemente la estabilidad de las soluciones patrn de permanganato. Para ello, despusde disolver el reactivo en agua, la solucin acuosa se calienta unos minutos para acelerartanto la oxidacin de la materia orgnica que por lo general se encuentra en pequeascantidades en el agua destilada, as como la reaccin de descomposicin y finalmente sedeja reposar unas 24 horas para permitir que el precipitado coloidal de dixido demanganeso coagule y luego el precipitado se elimina por filtracin. Para la filtracin no sepuede utilizar papel (materia orgnica) debido a que el in permanganato reacciona con l,formando ms dixido de manganeso, en su lugar se utiliza lana de vidrio.Las soluciones tituladas de permanganato de potasio se deben almacenar en la oscuridad yen recipientes oscuros. Si se detecta cualquier slido en la solucin o en las paredes delrecipiente que la contiene ser necesario filtrarla y volver a titularla. Una buena medida deprecaucin es titularlas cada 1 2 semanas.

TITULACIN DE SOLUCIONES DE PERMANGANATO

El oxalato de sodio (Na2C2O4) es un buen estndar o patrn primario para la titulacin desoluciones de permanganato. Se encuentra disponible con un alto grado de pureza, esestable al secado y no es higroscpico. Se disuelve en medio cido y se convierte en cidooxlico (H2C2O4) sin disociar. As, su reaccin con el permanganato se puede describircomo

2MnO4- + 5H2C2O4 + 6 H

+ 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O

Sin embargo, el mecanismo por medio del cual ocurre esta reaccin es muy complejo yresultados reproducibles y estequiomtricos se obtienen cuando se cumplen ciertascondiciones empricas. La temperatura desempea un papel fundamental en el xito de latitulacin. La reaccin es lenta a temperatura ambiente y por ello la solucin se calienta aunos 6070 C. An a temperatura elevada la reaccin comienza con lentitud, lo cual seevidencia por el hecho de que el color violeta del MnO4

- no desaparece por variossegundos, pero al aadir porciones sucesivas del titulante (MnO 4

-) la velocidad seincrementa hasta que se hace prcticamente una reaccin autocataltica, en la cual uno delos productos funciona como catalizador. En la situacin presente, el manganeso (II) es elcatalizador. El in ejerce su efecto cataltico al reaccionar rpidamente con elpermanganato, para formar manganeso en estados de oxidacin intermedios (III o IV) quea su vez oxidan con rapidez al in oxalato (C2O4

=), regresando al estado divalente.


17/43

Prctica 2


41

El in permanganato no puede emplearse con soluciones de cido clorhdrico a menos quese tomen precauciones especiales para evitar la oxidacin lenta del in cloruro lo quellevara a un consumo adicional del reactivo patrn en este caso el oxalato de sodio. Por loanterior las solucines de KMnO4se acidifican con cido sulfrico.

Deteccin del punto final:una propiedad que hace muy til la solucin de permanganatode potasio en su color prpura intenso, que es suficiente para servir como indicador(autoindicador) en la mayora de las titulaciones donde l interviene. Una gota de unasolucin 0.02 M de MnO4

-le da un color perceptible a 100 mL de agua. Por lo tanto, si lasolucin que est siendo titulada es incolora, la aparicin de un color rosado plido debidoa la primera traza de exceso de MnO4

- indica el punto final. El punto final no espermanente ya que el exceso de iones permanganato reacciona lentamente con lasconcentraciones relativamente altas de iones Mn2+que se forman en la titulacin, siendo lareaccin

2MnO4- + 3Mn2+ + 2H2O 5MnO2(s) + 4H

+

Sin embargo, como esta reaccin es lenta, el MnO2 no precipita en el punto final y elmismo es gradual, tal vez en unos 30 segundos.

USOS ANALTICOS DEL KMnO4EN SOLUCIONES ACIDAS

Como se indic anteriormente, excepto para la oxidacin de compuestos orgnicos conpermanganato en medio bsico, la mayora de las aplicaciones implican condicionesfuertemente cidas, en las cuales el MnO4

-es reducido a Mn2+.Una de las aplicaciones ms importantes de las titulaciones con permanganato es ladeterminacin de hierro en minerales de hierro y la determinacin de calcio en piedrascalizas.En la determinacin de Fe(II) con MnO4- en medio cido ocurre la siguiente reaccinredox,

5Fe2+ + MnO4- + 8H+ 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O


18/43

Prctica 2


42

siendo indicado el punto final por el cambio de color de la solucin de Fe2+que es incoloraa rosado plido indicando un ligero exceso de MnO4

-.A partir de la ecuacin redox es posible determinar los equivalentes de Fe2+ y de all sepuede determinar la masa de Fe2+ en la muestra y expresar dicha masa en funcin delcompuesto de hierro de inters.

PARTE EXPERIMENTAL

A.

Titulacin de una solucin de permanganato de potasio.

1. Trasvase a un matraz erlenmeyer de 125 y/o 250mL con una pipetavolumtrica, previamente lavada, una alcuota de 10 mL de una solucin decido oxlico de concentracin conocida que le ser suministrada en ellaboratorio. Anote el valor de la concentracin del cido oxlico.

2. Agregue al erlenmeyer entre 2 y 3 mL de H2SO4al 20%, con la ayuda deun cilindro graduado.

3.

Caliente la solucin contenida en el erlenmeyer en una plancha decalentamiento hasta una temperatura de aproximadamente 60-70 C.

4. Retire el erlenmeyer de la plancha de calentamiento y titule la solucin decido oxlico con una solucin de KMnO4 contenida en una bureta(recuerde curar previamente la bureta con el permanganato). Anote elvolumen de permanganato utilizado al alcanzarse el punto final (cambio decolor de la solucin a rosado plido permanente).

5.

Repita los pasos del 1 al 4 seis veces.

B. Titulacin de una solucin de sulfato ferroso.

6.

Cure un beaker y una pipeta volumtrica de 10 mL, con una alcuota de unasolucin de sulfato ferroso de concentracin desconocida previamenteacidificada que le ser suministrada en el laboratorio.

7. Trasvase toda la muestra de sulfato al beaker curado.8. Vierta en un matraz erlenmeyer limpio de 125 o 250 mL, una alcuota de 10

mL la solucin de sulfato ferroso a ser titulada.9. Titule la solucin de sulfato de ferroso con la solucin titulante de

permanganato, previamente valorada la cual est colocada en la bureta,anote el volumen gastado cuando se alcance el punto final (rosado dbil,permanente).

10.

Repita los pasos 8 y 9 seis veces.11.

Recoja y limpie todo el material utilizado.


19/43

Prctica 2


43

CALCULOS

1) Determine la molaridad de la solucin de permanganato de potasio.2)

Determine la molaridad de la solucin de Fe2+.3)

Haga un tratamiento estadstico a las concentraciones de la solucin de

permanganato de potasio y a la muestra de hierro, calculando: la desviacin relativa,la desviacin estndar y el lmite de confianza para 95%.4)

Determine la cantidad en masa de hierro contenida en la muestra titulada expresadacomo sulfato ferroso (FeSO4).


20/43

Prctica 3


38

Prctica 3

INTERCAMBIO IONICO

INTRODUCCIN

Ciertos minerales y resinas en contacto con una solucin acuosa tienen la propiedad deintercambiar iones con la solucin. En la medida que un tipo de in en solucin esintercambiado en preferencia a otro, el fenmeno de intercambio inico proporciona la basede un mtodo cromatogrfico para la separacin de iones.El intercambio inico fue reconocido y estudiado hace ms de cien aos, cuando seencontr que ciertos minerales arcillosos presentes en el suelo removan sales de potasio yamonio del agua con la liberacin de una cantidad equivalente de la sal de calciocorrespondiente. La mayora de las sustancias naturales que se comportaban comointercambiadores de iones para esa poca, eran sustancias inorgnicas y ellas se utilizaronen muchas aplicaciones prcticas, como por ejemplo el ablandamiento del agua (reduccinde la concentracin de iones calcio y magnesio del agua) por zeolitas, que sonaluminosilicatos con frmulas qumicas tales como Na2Al2Si4O12.En los ltimos aos, la atencin ha sido dirigida hacia las resinas orgnicas sintticas lascuales se comenzaron a sintetizar en 1935 y han encontrado una gran aplicacin en:ablandamiento del agua, desionizacin del agua, purificacin de soluciones y separacin deiones.Comparadas con los intercambiadores inorgnicos, estas resinas son superiores en lo querespecta a la: resistencia mecnica, estabilidad qumica, capacidad de intercambio y rapidezde intercambio inico. Adems, las resinas de intercambio inico han sido sintetizadas conuna amplia variedad de caractersticas deseables de intercambio y especificaciones. Lamayora de las aplicaciones qumicas de los intercambiadores de iones en la actualidadimplican el uso de resinas orgnicas sintticas.

INTERCAMBIO IONICO

El intercambio inico es el proceso reversible de intercambio de iones entre una soluciny un slido insoluble en contacto con ella. Este cuerpo slido, llamado intercambiadorinico, tiene que poseer ciertas caractersticas. En primer lugar, debe ser un compuestoinico y segundo debe poseer una estructura molecular suficientemente porosa o abiertapara permitir que los iones entren o salgan de ella por difusin.Los intercambiadores de iones estn constituidos por una estructura bsica o matriz y porgrupos activos (iones fijos). La estructura bsica se compone principalmente de poliestirenoreticulado con divinilbenceno presentando por tanto una estructura tridimensional deelevado peso molcular.


21/43

Prctica 3


39

Los grupos activos se componen de iones fijos y contraiones. El in fijo est ligado deforma covalente con la estructura bsica. El contrain es el componente intercambiable ytiene una carga contraria a la del in fijo. Por ejemplo, en una resina de frmula generalRSO3

-H+, la estructura bsica o matriz es R, que indica toda la molcula de la resinaintercambiadora de iones, excepto el grupo activo que es el grupo cido sulfnico (-

SO3-

H

+

), dondeSO3-

es el in fijo y H

+

es el contrain.Clasificacin de los intercambiadores inicos: los intercambiadores de iones slo puedenintercambiar iones de idntica carga por lo cual pueden clasificarse en dos tipos principales:catinicos y aninicos. Los catinicos poseen grupos funcionales acdicos, tales como elgrupo cido sulfnico, que tiene iones hidrnios reemplazables que pueden serintercambiados por otros cationes presentes en la solucin de la muestra. Un ejemplo deuna reaccin de intercambio catinico puede representarse por

RSO3-H+(s) + Na+(ac) R- SO3

Na+(s) + H+(ac)

donde se nota el reemplazo del Na+de la solucin por el in hidrgeno.

Los intercambiadores de iones ms utilizados en la actualidad son, como se indico conanterioridad, resinas de poliestireno reticuladas con divinilbenceno. Sulfonando la resinade poliestireno con cido sulfrico fumante se obtiene una resina intercambiadora decationes cido que tiene la siguiente estructura general.

Fig. 1 Resina de intercambio inico


22/43

Prctica 3


40

Las resinas de intercambio catinico cidas pueden clasificarse a su vez en: fuertementecidas, que son aquellas que poseen grupos de cido sulfnico unidos a la matriz delpolmero y dbilmente cidas que poseen grupos cidos carboxlicos (-COOH), siendo lasprimeras las ms utilizadas.Los intercambiadores de aniones son resinas que tienen grupos funcionales bsicos unidos a

la matriz de la resina, un ejemplo comn es el grupo NH3+

OH

-

. El in hidrxido, el cualse encuentra en la superficie de la partcula de la resina, puede participar en una reaccin deintercambio con otro anin presente en la solucin de la muestra, como se ejemplifica porel siguiente equilibrio

R-NH3+OH-(s) + Cl-(ac) R-NH3

+Cl-(s) + OH-(ac)

En esta reaccin la liberacin de los iones hidrxido provoca el aumento del pH de lasolucin.Las resinas aninicas se clasifican en: fuertemente bsicas y dbilmente bsicas, segn elin fijo existente. Las resinas con un grupo amonio cuaternario, como por ejemploN(CH3)3

+ presentan un carcter fuertemente bsico, mientras que las resinas con gruposaminos terciarios o secundarios son medianamente bsicas, como por ejemplo:- NH(CH3)2

+y - NH2CH3+

Hay dos caractersticas bien importantes de las resinas de intercambio inico y que debenser bien comprendidas para elegir la resina apropiada para una aplicacin determinada. Enprimer lugar tenemos el grado de reticulacin, el cual mide la compacidad del retculo dela resina. Cuanto mayor es el grado de reticulacin, mayor es la densidad y el nmero deiones por centmetro cbico de la resina. No obstante, un elevado grado de reticulacinhace ms difcil de difusin de los iones a travs de la estructura, especialmente los demayor tamao. El grado de reticulacin de un intercambiador de iones viene determinadopor la adicin de un reticulante, en la mayora de los casos divinilbenceno, durante lapolimerizacin. El hinchamiento y la estabilidad mecnica de un intercambiador de ionesdepende del grado de reticulacin. As, los intercambiadores de iones con un escaso gradode reticulacin presentan una elevada capacidad de hinchamiento y una escasa estabilidadmecnica, mientras que aquellos que poseen un elevado grado de reticulacin sonmecnicamente estables y slo pueden hincharse escasamente. En muchos aspectos, elgrado de reticulacin ptimo es del 8%, por lo que los tipos habituales de intercambiadoresde iones presentan un grado de reticulacin del 8%, esto significa que la mezcla estirenodivinilbenceno a partir de la cual son preparadas las resinas contienen un 8% dedivinilbenceno.Gracias a la reticulacin las resinas intercambiadoras de iones son insolubles en cidosconcentrados, bases y sales y son resistentes a los agentes oxidantes y reductores; adems,de ser trmicamente estables y presentar una elevada capacidad de intercambio.En segundo lugar, otro parmetro importante es el tamao de las partculas. Debe elegirseel tamao adecuado de partcula en el momento de adquirir la resina. Ella est constituidapor esferas llamadas perlas con dimetros que van de 0,1 a 0,9 mm y que sonextraordinariamente duras y difciles de moler. Los tamaos de las partculas se suelenexpresar en funcin de la escala patrn de tamices norteamericana, donde se indica el


23/43

Prctica 3


41

nmero de orificios por pulgada o tamao de malla. Las resinas empleadas en lapurificacin industrial de aguas tienen que permitir flujos rpidos de lquidos, por lo cualson de un tamao de malla grande 20-30 mallas. Para las columnas cromatogrficaspequeas que operan con flujo gravitacional, como las que se ut ilizan en experimentos delaboratorio, el tamao de partcula ptimo es el de 50-100 mallas o algunas veces 100-200

mallas. Las caractersticas desfavorables de las resinas de partculas de pequeo tamaoprovienen de su resistencia al flujo, para resinas tan finas son precisos sistemas de altapresin para mover las soluciones, pues bajo la accin exclusiva de la gravedad el flujo esmuy bajo.

Caracterizacin de resinas de intercambio inico: una resina de intercambio inicopuede ser caracterizada por su capacidad o por su fuerza cida o bsica. La capacidad es lacaracterstica ms importante de un intercambiador de iones, pues indica la cantidad decontraiones que puede adsorber un intercambiador. Es importante distinguir entre lacapacidad total y la capacidad til. La capacidad total o terica indica la cantidad total decontraiones intercambiables por gramo o mL de resina seca. Por otra parte, la capacidad tilo prctica es la capacidad que puede aprovecharse en una columna de intercambio bajo lascondiciones experimentales seleccionadas, es decir, es la cantidad de contraiones querealmente se intercambian por gramo de resina seca o mL de resina hmeda bajo lascondiciones especificadas y ambas se expresan generalmente en miliequivalentes/g o mL.La capacidad til es siempre ms baja que la total, y la diferencia entre ellas depende de laestructura y composicin de la resina y tambin de la composicin de la solucin acuosa.La capacidad total de intercambio de las resinas tpicas de intercambio va de 3 a 6 meq/gde resina seca 0,6 a 2,3 meq/mL de resina hmeda.

Equilibrio de intercambio inico: consideremos por ejemplo, una solucin diluida quecontiene iones calcio que eluyen travs de una columna empacada con una resina decido sulfnico y que se establece el siguiente equilibrio:

Ca2+(ac) + 2H+(res) Ca2+(res) + 2H+(ac)

para el cual la constante de equilibrio K est dada por

K = [Ca2+]res[H+]2ac

[Ca2+]ac[H+]2res

Debe notarse que [Ca2+]resy [H+]res son las concentraciones molares de los dos iones en la

fase slida. A diferencia de la mayora de los slidos, estas concentraciones pueden variardesde cero hasta un valor mximo, cuando todos los sitios negativos de la resina estnocupados solo por una especie.En general las separaciones por intercambio inico se llevan a cabo en condiciones en lasque uno de los iones predomina en ambas fases. As en la eliminacin de iones calcio deuna solucin diluida y ligeramente cida, la concentracin del in calcio ser mucho menorque la del in hidrgeno tanto en la fase acuosa como en la de la resina, es decir


24/43

Prctica 3


42

[Ca2+]res


25/43

Prctica 3


43

como regeneracin de una resina, es la recuperacin de la forma inicial y por lo tanto quedalista para ser usada nuevamente. Segn el tipo de intercambiador, ya sea dbil ofuertemente cido o dbil o fuertemente bsico se emplean distintos regenerantes.Si en el caso anterior se reemplazan los iones sodios por magnesio el equilibrio serepresentara como

2RSO3

H+ + Mg2+ (RSO3)2 + 2H+

donde un milimol de iones magnesio reemplaza dos milimoles de iones hidrgeno.Es obvio que la reaccin de intercambio del in H+ y el in Mg2+ indica que para unintercambio completo de un milimol de Mg2+ se requiere el doble de resina que para unmilimol de sodio. Debido a ello las capacidades de intercambio de las resinas definidasanteriormente se expresan en miliequivalentes por gramo de resina seca o por mililitro deresina hmeda ya que los miliequivalentes de iones hidrgeno intercambiados es igual alnmero de miliequivalentes del catin.

APLICACIONES PRCTICAS DEL INTERCAMBIO IONICO

Para realizar de manera prctica el intercambio de iones en el laboratorio, se aplicanbsicamente dos procedimientos:

1.

Procedimiento batch o por carga.2. Procedimiento de columna.

En el procedimiento batch, la resina intercambiadora de iones se agita con la solucinhasta que se alcanza el equilibrio entre los iones intercambiables ligados al resto de laresina y los iones de la solucin. Una vez concluida la reaccin se filtra la resina, se lava yen la mayora de los casos se regenera en un aparato especial, preparndola para su prximoempleo.El procedimiento batch resulta ventajoso sobre todo en los casos en que las reaccionesdeben desarrollarse en un sistema cerrado y por razones tcnicas no es posible aadirsustancia nueva a travs de la resina. Por tanto, este procedimiento se aplica por ejemplo,en los casos en que los intercambiadores de iones deben tener un efecto cataltico.En la tcnica, aunque tambin en anlisis, se persigue casi siempre un objetivo distinto, asaber, el intercambio completo de un in por otro distinto, aprovechando al mximo losregenerantes. El mtodo ms conveniente para ellos es el de columna. En esteprocedimiento, un lquido a tratar atraviesa una columna que contiene el material deintercambio, casi siempre de arriba hacia abajo. El efecto logrado con el mtodo decolumna es comparable con el que se logra mediante numerosas operaciones repetidas delprocedimiento batch.Es fcil llenar una columna con un intecambiador de iones. El intercambiador, que puedepresentarse en cualquier forma se diluye primero en un vaso con agua destilada. Elhinchamiento que se produce es necesario en todos los casos, para evitar que estalle lacolumna o el material introducido en la misma quede muy apretado al hincharse. A


26/43

Prctica 3


44

continuacin se pone en suspensin el intercambiador en la columna, asegurando quemediante una suspensin rpida se distribuyan uniformemente las part culas, y que elintercambiador introducido siempre est cubierto de agua para evitar la oclusin deburbujas de aire y el agua excedente se retira constantemente de la columna.Los procesos parciales del intercambiador de iones que tienen lugar durante un ciclo de

trabajo en una columna de intercambio de iones son:1.

El intercambio de iones.2. El lavado del material intercambiador.3. La regeneracin o la elucin.

El intercambio de iones propiamente dicho puede producirse de distintas maneras, dependede la problemtica planteada. Es preciso lavar el material intercambiador entre las distintasoperaciones de trabajo, para eliminar el exceso de soluciones reactivas retenidas en elmaterial intercambiador. En el proceso de regeneracin el intercambiador recupera suforma original. Si se trata de aislar el in intercambiado en la primera operacin, sesepara del intercambiador mediante elucin con un lquido adecuado, y se recoge elllamado eluato.La tcnica de trabajo en columna constituye un medio muy bueno para conseguir que unareaccin reversible llegue a ser completa y es posible conseguirlo en ambos sentidos.

APLICACIONES ANALTICAS DE LOS INTERCAMBIADORES DE IONES

Entre las aplicaciones ms importantes de los intercambiadores inicos tenemos:

a) Eliminacin de iones interferentes.Sucede a menudo que un in interfiere en la determinacin analtica de otro. Enmuchos casos los cationes presentes son un factor perturbador a la hora dedeterminar los aniones. Estos cationes pueden eliminarse mediante unintercambiador de cationes fuertemente cido. A continuacin en el eluato puedendeterminarse los aniones.

b) Separacin cromatogrfica.Con la ayuda de los intercambiadores de iones es fcil separar soluciones quecontienen cationes o aniones de distinto tipo, aprovechando las diferentesafinidades de los iones con el material intercambiador. En el mismo intercambiadorinico, las condiciones de selectividad dependen del signo de la carga, de la cargamisma, del tamao y de la forma de los iones intercambiables como se indicoanteriormente. La elucin de los cationes o aniones, respectivamente se lograescalonando la fuerza del cido o de la base en el eluyente.

c) Concentracin de iones a partir de una solucin diluida.Por ejemplo, a partir de grandes cantidades de aguas naturales se pueden recolectartrazas de elementos metlicos sobre una columna de intercambio inico y liberarlos


27/43

Prctica 3


45

posteriormente de la resina por tratamiento con un pequeo volumen de unasolucin cida; el resultado es una solucin bastante ms concentrada para elanlisis.

d) Determinacin de la concentracin inica total.

El contenido total de sales de una muestra se puede determinar por la titulacin delin hidrgeno liberado de una alcuota de una muestra que se pasa a travs de unintercambiador de cationes en su forma cida.Esta aplicacin ser la que se llevar a cabo en el laboratorio.

e) Preparacin de agua desionizada o desmineralizada.Esto se logra en un proceso de dos etapas en el cual el agua a ser purificada se pasasucesivamente a travs de una resina de intercambio catinico en su forma cida yluego a travs de una aninica en forma de hidrxido. Los cationes indeseables sonreemplazados por iones hidrgeno en el primer paso y los aniones por ioneshidrxido en el segundo paso. Por supuesto, los iones hidrgeno y los hidrxidos se

combinan para formar agua (H

+

+ OH

-

H2O). Este proceso es muy utilizadocomercialmente en lugar de la destilacin para preparar agua pura.

f) Catalizadores.Para las reacciones catalizadas por cido pueden emplearse, en lugar de los cidosminerales (HCl, H2SO4, HNO3, etc), intercambiadores de cationes fuertementecidos en la forma H+. Los intercambiadores de cationes dbilmente cidos no sonadecuados para fines catalticos debido a la escasa ionizacin del hidrgeno delgrupo carboxlico. En el caso de la reaccin catalizada por base pueden emplearsetanto los intercambiadores de iones fuertemente bsicos como medianamentebsicos en la forma OH.

Los intercambiadores de iones presentan las siguientes ventajas al utilizarse comocatalizadores, frente a los catalizadores empleados en fase homognea:

1. Mediante decantado o filtrado pueden separarse fcilmente del producto de lareaccin.

2. En la mayora de los casos pueden volver a emplearse sin necesidad de unaregeneracin.

3. Son susceptibles de distinguir entre molculas grandes y pequeas.4.

Pueden emplearse para efectuar reacciones continuas.5. Evitan las reacciones secundarias indeseables, con lo que los productos de la

reaccin son de alta pureza.6. Los rendimientos suelen ser mayores que en las reacciones en fase homognea.7.

No contaminan las aguas residuales.

Las reacciones qumicas ms importantes que pueden catalizarse medianteintercambiadores de iones son: esterificaciones, saponificaciones, hidrataciones,


28/43

Prctica 3


46

polimerizaciones, alquilaciones, epoxidaciones, nitraciones, hidrogenacin de aceites nosaturados.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

A-

PREPARACIN DE LA RESINA.

1. Lave la resina de intercambio catinica, que se encuentra en un beaker, conagua destilada unas siete veces. Bote en cada lavada una fraccinconsiderable del agua sin que se pierda resina, para ello debe dejar reposarla suspensin unos segundos.

2. Luego del sptimo lavado, utilizando un vidrio de reloj mdale el pH a unagota de la suspensin que contiene la resina con un papel indicador. Si el pHes neutro o cercano a 7, se deje de lavar la resina, de lo contrario se procedea lavar la resina hasta lograr el pH deseado. Para qu se realiza este paso?

B- MONTAJE DE LA COLUMNA DE INTERCAMBIO INICO.

3. Coloque un trozo de lana de vidrio en el extremo de la columna cercano a lallave.

4. Cierre la llave de la columna y adale aproximadamente 15 mL de aguadestilada.

5. Compacte cuidadosamente con ayuda de una vara de vidrio, la lana de vidriocolocada en el extremo de la columna y chequee que si se tap el pico de lamisma, dejando salir cierto volumen de agua destilada.

6. Utilizando el instrumento que usted considere adecuado, midaaproximadamente 9mL de resina.

7.

Aada lentamente la resina en la columna a travs de un embudo colocado enel extremo abierto de la misma hasta trasvasar los 9mL de resina medidos.

C- PREPARACIN DE LA MUESTRA A SER ANALIZADA

Muestra: solucin de MgSO4 y HCl.

8. Coloque la muestra que va a ser analizada en un baln de 500 mL y diluyahasta el aforo. Agite la solucin para homogeneizar.

9. Divida la muestra en dos porciones aproximadamente iguales, y entrgueleuna de las porciones al analista que le indicar el tcnico del laboratorio.

D- TITULACIN DE LA MUESTRA.

10.Aada en siete fiolas alcuotas de 25 mL de la solucin preparada y agrguelea cada una de ellas 2 3 gotas de fenolftalena.


29/43

Prctica 3


47

11.

Titule con NaOH (cuya concentracin le ser indicada por el tcnico dellaboratorio) las siete alcuotas de la solucin de la muestra.

12.Anote para cada titulacin el volmen de NaOH gastado.

E- INTERCAMBIO INICO

13.

En paralelo, aada una alcuota de 25 mL del analito preparado en (C) a lacolumna de intercambio, luego de haber eluido un cierto volumen de aguadestilada por la columna hasta una altura de aproximadamente 2 cm, porencima del nivel de la resina.

14.Deje que la solucin eluya a velocidad moderada lentamente en una fiola de500 mL.

15.Cuando la altura de la solucin sometida a intercambio, llegue casi al nivel dela resina, llene con agua destilada la columna y deje que eluya la solucin enla misma fiola anterior, pero a una velocidad ligeramente mayor.

16.Repita la adicin de agua destilada hasta eluir aproximadamente 150 mL desolucin de intercambio.

17.

Una vez eluidos los 150 mL de solucin, tome en otra fiola una porcin de lasolucin eluyente de la columna de intercambio y adale dos gotas defenolftalena y luego una gota de la solucin de NaOH usada en la titulacin.Si la solucin cambia de incolora a rosado, implica que se ha completado elintercambio (por qu?), entonces titule los 150 mL de la solucin delintercambio con NaOH.

CALCULOS

1. Determine la concentracin promedio de HCl contenida en la solucin problema yrealice un tratamiento estadstico (deviacin relativa, desviacin estndar y limitede confianza (95%)).

2. Calcule los moles de HCl en la titulacin inicial.

3. Calcule los moles de HCl en la titulacin final y a partir de los moles iniciales deHCl, determine los moles de magnesio intercambiados.

4. Tomando en cuenta el o los factores de dilucin, calcule la masa en mg de MgSO4y HCl en la muestra original.


30/43

Prctica 4


38

Prctica 4DUREZA DEL AGUA

INTRODUCCIN

Debido a su capacidad de disolver numerosas sustancias, el agua qumicamente pura noexiste en la naturaleza. En su circulacin por encima y a travs de la corteza terrestre, elagua disuelve minerales contenidos en el suelo y las rocas. Los principales componentesdisueltos en el agua superficial y subterrnea son los sulfatos, cloruros, bicarbonatos desodio y potasio y los xidos de calcio y magnesio.Las aguas superficiales suelen contener tambin residuos domsticos e industriales. Lasaguas subterrneas poco profundas pueden contener grandes cantidades de compuestos denitrgeno y cloruros derivados, de los desechos humanos y animales. Generalmente lasaguas de los pozos profundos solo contienen minerales en disolucin.Las impurezas suspendidas y disueltas le confieren al agua caractersticas muy peculiaresdependiendo su calidad de la mayor o menor concentracin de esas sustancias extraas asu composicin adems ellas impiden que sea adecuada para los numerosos fines a que sedestina ese lquido.De acuerdo a lo anterior es necesario en la mayora de los casos aplicar tratamientoscorrectivos al agua, con el objetivo de modificar su apariencia, su carcter qumico y suscondiciones bacteriolgicas.Los mtodos de anlisis de agua se pueden clasificar en especficos y no especficos. En losespecficos se determina la presencia o cantidad de un contaminante especfico comopuede ser el plomo, mercurio, fosfatos, etc. Los mtodos no especficos midencaractersticas generales que pueden depender de varias sustancias entre esascaractersticas tenemos: color, olor, turbidez, pH, acidez, alcalinidad, cantidad de slidossuspendidos, demanda bioqumica de oxgeno y dureza del agua; este ltimo ser el anlisisa realizar en el laboratorio.

DUREZA DEL AGUA

Histricamente, la dureza del agua se ha definido como la capacidad de los cationespresentes en el agua para desplazar a los iones sodio o potasio de los jabones y formarproductos insolubles, que son los causantes de: las costras en los lavabos, tinas de bao yla apariencia opaca de la ropa lavada con dichas aguas. Por ejemplo.

Ca2+ + 2RCOONa (RCOO)2Ca + 2Na+jabn precipitado

La mayora de los cationes de carga mltiple tienen esta desagradable propiedad. En lasaguas naturales, sin embargo, las concentraciones de iones calcio y magnesio sonsuperiores a la de cualquier otro in metlico; por consiguiente la dureza se define ahora


31/43

Prctica 4


39

como la concentracin de carbonato de calcio que equivale a la concentracin total detodos los cationes multivalentes en la muestra y se expresa en partes por milln (1ppm =1 mg/L) de CaCO3.La determinacin de la dureza es una prueba analtica que proporciona una medida de lacalidad del agua potable para uso domstico e industrial. La prueba es de suma importancia

para la industria porque el calentamiento del agua dura precipita el carbonato de calcio,principal responsable de la obstruccin de calderas y tuberas.De acuerdo su dureza podemos clasificar las aguas como:

Denominacin ppm CaCO3

Muy suaves 0 a 15Suaves 16 a 75Medias 76 a 150Duras 151 a 300Muy duras ms de 300

Tipos de dureza: la dureza del agua puede clasificarse en:

Dureza total: debida a las sales de calcio y magnesio presentes en el agua. Dureza clcica: debida a los iones calcio (Ca2+) Dureza magnsica: provocada por los iones magnesio (Mg2+) Dureza carbonatica: la presente bajo la forma de carbonatos (CO3

=) y bicarbonatos(HCO3

). Dureza permanente o no carbonatica: la presente bajo la forma de cloruros (Cl),

sulfatos (SO42) y nitratos (NO3

) .

La dureza carbonatica se denomina tambin temporal debido a que se puede eliminarparcialmente por ebullicin, de la siguiente manera:

Ca(HCO3)3(ac) CaCO3 + CO2(g) + H2O(l)

si bien se suprime agregando la cantidad equivalente de hidrxido de calcio (cal apagada)o hidrxido de sodio.De la ecuacin anterior puede observarse la precipitacin de los carbonatos insolubles loque ocasiona la formacin de costras en calderas y calentadores.La dureza permanente o no carbontica, no es afectada por la ebullicin y de all el nombre

que se le asigna. Es importante mencionar que los cloruros de calcio y magnesio son muycorrosivos para las calderas, causando en ellas las denominadas cavitaciones o ranuras.De lo antes descrito podemos concluir que las aguas duras ocasionan los siguientesproblemas: cuando el agua es calentada, los iones que ocasionan la dureza precipitancomo carbonatos y forma una costra dura de apariencia rocosa. Esta costra acelera lacorrosin, restringe el flujo, y reduce la transferencia de calor en calderas, tuberas ycalentadores. Cuando los iones responsables de la dureza se combinan con el jabn forman


32/43

Prctica 4


40

productos insolubles que interfieren con el efecto de la limpieza, seca la piel, y formadepsitos en caeras y ropas.Desde el punto de vista higinico la dureza slo tiene importancia secundaria ya que hastaahora no se ha demostrado que el beber aguas duras afecte la salud, sin embargo la mayorade los suministros de agua potable tienen un promedio de 250 ppm de CaCO 3 y niveles

superiores a 500 ppm son indeseables para uso domstico.

COMPLEJOS METLICOS

Existen varios mtodos para determinar la dureza de una muestra de agua sin embargo, elmtodo complejomtrico es el ms rpido, eficiente y seguro y ser el que se utilizar enel laboratorio.Los reactivos que forman complejos tienen una gran utilidad en la qumica analtica. Latitulacin de cationes fue una de sus primeras aplicaciones y es la que discutiremos aqu.Un complejo es una especie en la cual un in metlico central est enlazado covalentementea uno a ms grupos donadores de electrones. Si el complejo tiene una carga elctrica neta,se le designa en general como in complejo. Este tipo de compuestos se conocen comocompuestos de coordinacin. Aunque los metales de transicin sobresalen en la formacinde compuestos de coordinacin, otros metales tambin los pueden formar.Generalmente el tomo metlico o catin es llamado tomo central, mientras que lasmolculas o iones que son los grupos dadores de electrones se conocen como ligandos. Losligandos son normalmente aniones o molculas polares; adems, tienen al menos un par nocompartido de electrones de valencia para formar el enlace covalente, como se ilustra en losejemplos siguientes:

Puesto que los iones metlicos (en particular los iones de metales de transicin), tienenorbitales de valencia vacos, pueden actuar como cidos Lewis (aceptores de pares deelectrones). Debido a que los ligandos tiene pares de electrones no compartidos, puedenactuar como bases de Lewis (donadores de pares de electrones). Se puede visualizar elenlace entre el in metlico y el ligando como el resultado de compartir un par deelectrones que estaba inicialmente en el ligando.


33/43

Prctica 4


41

Al formar un complejo, se dice que los ligandos se coordinan al metal. El metal central ylos ligando unidos a l constituyen la esfera de coordinacin del complejo. Al escribir lafrmula qumica de un compuesto de coordinacin, se usan parntesis rectangulares paraseparar los grupos que estn dentro de la esfera de coordinacin de otras partes delcompuesto. El nmero de tomos donadores unidos a un metal se conoce como el nmero

de coordinacin del metal. En el [Ag(NH3)2]

+

, la plata tiene un nmero de coordinacin de2; en el [Cr(H2O)4Cl2]+, el cromo tiene un nmero de coordinacin de 6, la frmula[Cu(NH3)4]SO4 representa un compuesto que contiene el catin [Cu(NH3)4]

2+y el aninSO4

2. Los cuatro ligandos NH3 del catin complejos estn unidos directamente al incobre (II) y se encuentran en la esfera de coordinacin de cobre. Otros ejemplos son

[Cr(H2O)6]3+ , [Co(NH3)5Cl] (NO3)2 , [Ni (H2O)6]Br2

Un complejo metlico es una especie qumica definida con propiedades fsicas y qumicascaractersticas. As pues, sus propiedades son diferentes de las del in metlico o de losligandos que lo constituyen.Algunos iones metlicos exhiben nmeros de coordinacin constantes. Por ejemplo, elnmero de coordinacin del cromo (III) y del cobalto (III), es invariablemente 6, y delplatino (II) es siempre 4; sin embargo, los nmeros de coordinacin de casi todos los ionesmetlicos varan con el ligando. Los nmeros de coordinacin ms comunes son 4 y 6.Los productos de coordinacin pueden ser especies con carga elctrica positiva, neutra onegativa. Por ejemplo el cobre (II), cuyo nmero de coordinacin es cuatro, forma uncomplejo aminado catinico [Cu(NH3)4]

2+, un complejo neutro con glicina[Cu(NH2CH2COO)2] y un complejo aninico con el in cloruro [CuCl4]

2-.Los ligandos que han sido mencionados hasta ahora, como el NH3 y el Cl

, se llamanligandos monodentados (del latn, que significa un diente).Estos ligandos poseen un solo tomo donador y pueden ocupar un solo sitio de una esferade coordinacin. Ciertos ligandos tienen dos o ms tomos donadores que se puedencoordinar simultneamente a un in metlico, por lo que ocupan dos o ms sitios decoordinacin. A stos se les llama ligandos polidentados. Debido a que parecen sujetar elmetal entre dos o ms tomos donadores, los ligandos polidentados tambin se conocencomo agentes quelantes (de la palabra griega chele, garra). Unligando de este tipo es laetilendiamina, NH2CH2CH2NH2, este ligando que se abrevia en, tiene dos tomos denitrgeno que tienen pares de electrones no compartidos (bidentado). Estos tomosdonadores estn lo suficientemente alejados uno de otro como para que el ligando puedaenvolver el in metlico y los dos tomos de nitrgeno coordinarse simultneamente con elmetal en posiciones adyacentes.Otros ejemplos de ligandos bidentados son:

etilendiamina


34/43

Prctica 4


42

El cido etilendiaminotetraacetato es un compuesto que pierde los protones para formar unligando polidentado importante:

Fig. 1 cido etilendiaminotetraacetico

Fig. 2 In de complejo metlico de etilendiaminotetraacetato (EDTA)

Este in que se abreva EDTA4 tiene seis tomos donadores (los cuatro oxgenoscarboxlicos y los dos nitrgenos aminicos) y pueden envolver un in metlico usando losseis tomos donadores. Por esta razn el EDTA es un ligando hexadentado.En general, los agentes quelantes forman complejos ms estables que los ligandosmonodentados. Los agentes quelantes se suelen emplear para impedir una o ms de lasreacciones ordinarias de un in metlico sin retirarlo realmente de la solucin. por ejemplo,con frecuencia un in metlico que interfiere con un anlisis qumico se puede convertiren un complejo y eliminar de esta manera su interferencia. En cierto sentido, el agentequelante oculta el in metlico. Por eta razn, generalmente se hace referencia a estosligandos como agentes secuestrantes.Los fosfatos como el tripolifosfato de sodio, que se muestra luego, se emplean paracomplejar o secuestrar iones metlicos en aguas duras para que estos iones no puedaninterferir con la accin del jabn o los detergentes.


35/43

Prctica 4


43

Fig. 3. Tripolifosfato de sodioLos agentes quelantes como el EDTA se emplean en productos de consumo, entre ellosmuchos alimentos preparados como aderezos para ensalada y postres congelados, paraformar complejos con iones metlicos presentes en muy pequeas cantidades y quecatalizan reacciones de descomposicin. Se usan agentes quelantes en medicina para

eliminar iones metlicos como Hg

2+

, Pb

2+

y Cd

2+

, que son perjudiciales para la salud. Unmtodo para tratar el envenenamiento con plomo consiste en administrar Na2[Ca(EDTA)].El EDTA forma un quelato con el plomo, lo cual permite la eliminacin del metal en laorina.

Fig. 4 Complejo catinico de plomo con EDTA

TITULACIONES COMPLEJOMETRICAS

Los mtodos de titulacin que se basan en la formacin de complejos se conocen comomtodos complejometricos y se han utilizado desde hace ms de un siglo, pero su

aplicacin analtica realmente comenz el ao de 1940 con la utilizacin de los quelatos.Muchas aminas terciarias que contienen grupos cidos carboxlicos forman quelatos muyestables con diversos iones metlicos. Gerold Schwarzenbach fue uno de los primeros enreconocer la aplicacin potencial de estos reactivos en el anlisis qumico.Propiedades cidas del EDTALas constantes de disociacin de los grupos cidos del EDTA son K1=1,02.10-2, K2 =2,14.10-3, K3= 6,92.10-7 y K4= 5,50.10-11. Es interesante resaltar que las dos primerasconstantes tienen el mismo orden de magnitud, lo cual hace pensar que los dos protones sedisocian de extremos opuestos de la molcula. Como consecuencia de su separacin fsica,la carga negativa que genera la primera disociacin no afecta en gran medida la separacindel segundo protn. Sin embargo, no se puede decir lo mismo respecto de la disociacin de

los otros dos protones, mucho ms cercanos a los iones carboxilato de carga negativa (-COO-) que se crean con las disociaciones iniciales.

Las mltiples especies del EDTA se abrevian habitualmente como H 4Y, H3Y-,

H2Y2-,HY3-y Y4-. La especie H2Y

2-predomina en medios moderadamente cidos (pH 3 a6). Debido a que el cido original (H4Y) es solo ligeramente soluble en agua, no esutilizado generalmente en titulaciones complejomtricas. Sin embargo, la sal sdica


36/43

Prctica 4


44

dihidratada Na2H2Y.2H2O grado reactivo es relativamente soluble en agua y se puedeobtener fcilmente en el comercio, por lo cual se puede utilizar directamente para prepararlas soluciones patrones de EDTA a ser empleadas en las titulaciones.Las soluciones de EDTA son especialmente valiosas como titulantes porque este reactivose combina con lo iones metlicos en una proporcin de 1:1 independientemente de la

carga del catin. Poe ejemplo, los complejos de plata y aluminio se forman segn lassiguientes reacciones:

Ag+ + Y4 AgY3

Al3+ + Y4 AlY

Por lo general, la reaccin del anin de EDTA con un in metlico Mn+se describe como

Mn+ + Y4 MY(n-4)+

El EDTA es un reactivo notable no solo por formar quelatos con todos los cationes sinotambin porque estos quelatos son suficientemente estables en las titulaciones. Esta granestabilidad se debe sin duda, a los distintos sitios de complejacin que existen dentro dela molcula, lo que le confiere una estructura en forma de jaula que encierra el catin y loasla de las molculas de solvente.

Indicadores para titulaciones con EDTA: existen un gran nmero de colorantesorgnicos que pueden actuar como indicadores en la titulaciones de iones metlicos conEDTA. La mayora de estos compuestos forman quelatos coloreados con iones metlicos enun intervalo de concentraciones caracterstico del catin y el colorante. Los complejos sonestables y suelen ser de color intenso y pueden detectarse en concentraciones del orden106 a 107M.El negro de eriocromo T y el calmagite son indicadores tipicos de iones muy utilizados paratitular diversos cationes metlicos comunes. La frmula estructural se indican acontinuacin:

Fig. 5 Negro de eriocromo T


37/43

Prctica 4


45

El negro de eriocromo T se comporta como un cido dbil, como se describe en lassiguientes reacciones:

H2O + H2In HIn2 + H3O

+ K1 = 5.107

rojo azul

H2O + HIn2 In

3 + H3O+ K2 = 2,8.10

12

azul anaranjado

Debe notarse que los cidos y sus bases conjugadas tienen distinto color, por lo cual, elnegro de eriocromo T se comporta como un indicador cido-base y tambin como indicadorde iones metlicos. Debido a que la mayora de las titulaciones de EDTA que utilizannegro de eriocromo T son realizados en la presencia de un buffer tal como amoniaco-

cloruro de amonio (NH3NH4Cl) cuyo pH est entre 8 y 10, la forma predominante delindicador libre es generalmente el anin HI n2

de color azul. Los complejos metlicos delindicador mencionado frecuentemente son rojos como lo es la especie H2In

. El indicador

se utiliza en la titulacin directa de los cationes bario, calcio, cadmio, plomo, magnesio,zinc, manganeso y otros mas y es el ideal para titular magnesio y zinc; pero no calcio. Elnegro de eriocromo T puede emplearse en la determinacin de calcio total y magnesio(dureza total) porque ambos metales tienen constantes de formacin con EDTA muyparecidas y pueden titularse juntos. En los ltimos aos las soluciones de calmagite hareemplazado al negro de eriocromo T como indicador para titulaciones complejomtricas,porque sus propiedades son para fines prcticos similares a las del negro de eriocromo T ysus soluciones son ms estables.

Las soluciones de negro de eriocromo T tienen la desventaja que se descomponen con eltiempo. Solo con soluciones recin preparadas puede observarse adecuadamente el cambiode color en el punto final.Un indicador muy utilizado para titular iones calcio con EDTA es el murexide(determinacin de dureza calcica) cuya estructura es la siguiente


38/43

Prctica 4


46

H4In(rojo violceo); pKa2= 9.2

H3In2 (violeta); pKa3 = 10,9

H2In3(azul)

Fig. 6 Frmula estructural de murexide

Fig. 7 Viraje de rojo violceo a violeta del murexide

Forma complejos rojos con Ca2+y cuando se titula con EDTA a pH entre 12 y 13 cambia avioleta.

DETERMINACIN DE LA DUREZA DE AGUA

Una de las primeras aplicaciones importantes de las titulaciones con EDTA fue ladeterminacin de la dureza del agua. Como se indic anteriormente al hablar de dureza delagua se debe distinguir entre dureza total del agua y durezas individuales del agua debidasa los iones calcio y magnesio.


39/43

Prctica 4


47

Para determinar la dureza total, se determina la suma de las cantidades de calcio ymagnesio y el resultado se reporta en trminos de CaCO 3 utilizando el mtodocomplejomtrico o de Schwazenbach.Para ello a una alcuota de una muestra de agua se le ajusta el pH a 10 con una solucinbuffer de NH3 NH4Cl y luego se le aade una cantidad muy pequea del indicador

negro de eriocromo T con lo cual la solucin toma un color rojo debido a la formacin deun complejo metal-indicador (quelato).

M2+ + Indicador M-Indicador(Ca2+ Mg2+) azul (rojo o rosado)

Por otra parte el EDTA, se combina con iones Ca2+ y Mg2+ (con el calcio en mayorintensidad que el magnesio) segn la siguiente reaccin de equilibrio

M2+ + EDTA (incoloro) M-EDTA (incoloro)

Por lo tanto al titular la solucin que contiene el quelato (M-indicador) de color rojo conEDTA, este compite con el indicador por los iones metlicos presentes, como el complejoM-EDTA es mucho ms estable que el complejo M-Indicador, el indicador es desplazadodel complejo, quedando libre y apareciendo de nuevo la coloracin azul tpica delindicador libre, de acuerdo a la siguiente ecuacin

(M-Indicador) + EDTA (M_EDTA) + Indicadorrojo o rosado incoloro azul

cuando se alcanza el punto final de la titulacin.El hecho de que los complejos (M-EDTA) sean ms estables (M-Indicador) equivale adecir que la constante de equilibrio correspondiente a la formacin del queleto (M-EDTA)es mayor que la correspondiente a la formacin del quelato (M-Indicador) o sea


40/43

Prctica 4


48

Kc = [M-EDTA] Kc = [M-Indicador][M2+] [EDTA] [M2+] [Indicador]

Para evaluar la dureza clcica a una segunda alcuota de la muestra de agua se le aade

NaOH de forma que la solucin alcance un pH entre 12 y 13 y se produzca la precipitacinde los iones Mg2+como Mg(OH)2segn la ecuacin

Mg2+ + 2OH Mg(OH)2(s)

La estabilidad de este hidrxido es aproximadamente 104veces mayor que la del quelatoMg-EDTA, por lo tanto el magnesio tiende a estar totalmente precipitado y no interfiere enla determinacin de los iones calcio, o sea que se determina exclusivamente la durezaclcica. A continuacin a la solucin se le aade una pequea cantidad del indicadormurexide y la solucin tomar un color rosado debido a la formacin del quelato (M-murexide) y finalmente esta solucin se titula con EDTA hasta que se produzca el cambio

de color de rosado a violeta debido al desplazamiento del indicador del complejo (M-indicador) por el EDTA de manera similar a como se describi en la determinacin de ladureza total.Una vez determinada la dureza total y la clcica, la dureza magnsica se obtiene pordiferencia. El anlisis de la dureza total de muestras de agua es utilizado en la industria debebidas, lavandera, fabricacin de detergentes, acabados metlico, teido y textiles.Adems en el agua potable, agua para calderas, etc.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

A- Determinacin de la dureza total

1. Vierta en siete fiolas de 125 o 250 mL; 50 mL de la muestra problema de aguacontenida en el beaker.

2. Aada 22 gotas de una solucin buffer de NH3NH4Cl (pH = 10) a cada una delas fiolas, con el objetivo de controlar el pH del medio y asegurar que la variacinde color en la solucin se origina solo por la presencia de los iones Ca 2+y Mg2+alagregar el indicador.

3. Agregue a cada una de las fiolas una pizca del indicador negro de eriocromo T, deforma tal que la solucin tome un color rojo vino claro.

4.

Titule la solucin contenida en cada una de las siete fiolas con una solucin deEDTA cuya concentracin le ser indicada por el personal de laboratorio, hasta quela solucin cambie de rojo a vino a morado.

5. Anote los volmenes de EDTA utilizados.


41/43

Prctica 4


49

B- Determinacin de la dureza clcica.

6. Agregue a siete fiolas de 125 o 250 mL mediante una pipeta previamente lavada ycurada, 50 mL de la muestra de agua contenida en el beaker de 500 mL.

7.

Agregue 22 gotas de una solucin de NaOH 1M a cada una de las fiolas para

garantizar la precipitacin del magnesio como hidrxido de magnesio.8.

Agregue a cada una de las fiolas una pizca del indicador murexide hasta que lasolucin tome un color rosado.

9. Titule la solucin contenida en cada una de las fiolas con la misma solucin deEDTA anterior, hasta que el color de la solucin cambie de rosado a violceo.

10.Anote los volmenes de EDTA gastados.

C- Determinacin de la dureza total de una muestra de agua destilada.

11.

Cure con agua destilada una pipeta de 50 mL.12.A una muestra de agua destilada de 50 mL, colocada en una fiola de 125 mL,

reptale los pasos del 2 al 4.CALCULOS

a) Dureza total. La estequiometra de la reaccin del EDTA con los iones calcio ymagnesio es la misma y puede ser representada por la siguiente ecuacin

M2+(ac) + EDTA M-EDTA(ac)

donde se muestra la relacin 1:1 entre el metal y el EDTA por lo cual al alcanzarse elpunto de equivalencia.

moles EDTA = moles de Ca2+ + moles Mg2+ = VEDTA.MEDTA

Como por definicin la dureza del agua se expresa en concentracin equivalente deCaCO3 y como los iones Ca

2+ y Mg2+ se encuentran en relacin 1:1 con susrespectivos carbonatos se puede escribir

moles CaCO3 = moles Ca2+ + moles Mg2+ = VEDTA.MEDTA

luego: g CaCO3 = VEDTA.MEDTA. PM (CaCO3)

y finalmente convirtiendo los g en mg y dividiendo por el volumen de la muestra de aguaexpresada en litros(L) obtendremos la dureza total expresada como mg/L o ppm deCaCO3.

Dt = mgCaCO3 = VEDTA.MEDTA. PM (CaCO3) x 103

VH2O(L) VH2O(L)


42/43

Prctica 4


50

b) Dureza clcica: haciendo un anlisis igual al anterior, pero sabiendo que este casointervienen nicamente los iones Ca2+tendremos:

Dca = mgCaCO3 = VEDTA.MEDTA. PM (CaCO3) x 103

VH2O(L) VH2O(L)

y como se indic anteriormente la dureza magnsica se obtiene por diferencia

Dureza magnsica = Dureza totalDureza clcica

Calcule la dureza total, clcica y magnsica de la muestra de agua. Haga un tratamiento estadstico de datos (desviacin relativa, desviacin estndar,

limite de confianza (95%) a las durezas del agua analizada.


43/43

Bibliografa 51

BIBLIOGRAFA

1.

BROWN, T; Le May, H y Bursten, B. Qumica 7

ta

. Edicin. Ed. Prentice Hall,Mxico, 1997.

2. Carrillo, G. Manuel de anlisis y ensayos en aguas y lquidos residuales.Dpto.Ingeniera Sanitaria. Escuela Ingeniera Civil. Fac. Ingeniera U.C.V.

3. CHANG, Raymond. Qumica. 6taEdicin. Ed. MCGraw Hill. Mxico, 1999.

4. DAY, R.A y Underwood, A.L. Qumica Analtica Cuantitativa 5taEdicin. Ed.Prentice Hall. Mxico 1989.

5. DORFNER, K. In Exchange, Properties and Applications. Ed. Ann Arbor,Michigan, U.S.A. 1977.

6. EWING, G. Mtodos Instrumentales de Anlisis Qumico.3raEdicin, MCGrawHill, New York, 1975.

7.

FLASCHKA, H.A.; Barnard, A.J; Sturrock, P.E. Qumica Analtica Cuantitativa.Vol II, 1976.

8.

OLSEN, E. Modern Optical Methodes of Analysis. Ed. MC Graw Hill. U.S.A.,1975.

9.

PETERS, D; Hayes J y Hieftje G. Chemical Separations and Measurements. 3ra

E

Documents

Guía Lab. Química Analítica Instrumental Por ODQ (PARTE de VOLUMETRIA) (1)