DETERMINACION DE SILICE POR ESPECTROFOTOMETRIA DE ABSORCION
MOLECULAR UV-VISIBLE EN ARCILLAS
1. INTRODUCCIÓN
Las arcillas son materia prima importante, principalmente, para la elaboración
de cerámica tradicional. Es de gran interés, por lo tanto, caracterizarlas física y
químicamente para poder optimizar sus propiedades y potencializar su uso.
Se considera a las arcillas como un mineral natural complejo constituido,
principalmente, por una mezcla de alumino-silicatos cristalinos, a los que se
denominan minerales arcillosos, y de otros silicatos y minerales de hierro,
calcio, titanio, etc., acompañados frecuentemente por materia orgánica.
Actualmente se conoce que los minerales arcillosos son numerosos y difieren
entre sí por su forma, estructura, apilamiento de capas y por la simetría que
presenta su red cristalina
Se han desarrollado sistemas analíticos químicos adecuados para la
determinación cuantitativa de los elementos minerales presentes, pero la
determinación de la estructura mineral requiere de un sistema avanzado de
análisis mineraloquimico.
Para la adecuada utilización de los materiales arcillosos se hace necesario un
conocimiento básico de ellos, el cual implicará la determinación de: la
composición química, la composición mineralógica y las propiedades físicas.
Con el fin de estudiar y adaptar los métodos de análisis químicos y de calcular
una composición mineralógica aproximada, con base en los resultados de las
determinaciones químicas, se debe de realizar un análisis elemental en arcillas,
el cual consiste en la determinación total de cada uno de los elementos
minerales contenidos en la muestra siguiendo dos pasos fundamentales:
Identificar cada elemento presente en el tipo de suelo determinado por
medio de un análisis cualitativo.
Determinar la cantidad de diferentes compuestos presentes dentro del tipo
de suelo a un previo análisis cuantitativo del mismo.
En el presente trabajo se tiene como principal objetivo determinar la cantidad de
sílice presente en las muestras de arcilla, para lograr cumplir con este objetivo
se utilizara un método de análisis utilizando un espectrofotómetro de absorción
molecular uv-visible el cual se basa en lograr que las moléculas de sílice en su
estado fundamental puedan absorber radiación a longitudes de onda
específicas, correspondientes a las energías de las transiciones electrónicas en
sus orbitales externos, a esto se lo llama absorción molecular, para así poder
cuantificar la cantidad de sílice que presentan las muestras.
2. OBJETIVOS
2.1.Objetivo General
Determinar la cantidad de sílice presente en las muestras de arcilla,
empleando el método colorimétrico utilizando un espectrofotómetro de
absorción con radiación uv- visible.
2.2.Objetivos Específicos
Encontrar un método colorimétrico el cual nos permita hacer un análisis
tanto a nivel cualitativo, como cuantitativo, para la determinación de
sílice.
Graficar la curva de calibración de sílice partiendo de una disolución
patrón del silicio.
Verificar experimentalmente el máximo de luz teórico que es de 400nm.
Utilizando muestras analizadas por una tesista comparar el porcentaje de
SiO2 obtenido con el método utilizado.
3. MARCO TEORICO
3.1.Suelo
El suelo está constituido de tres fases: solido, líquido y gaseoso.
Fase Solida: La presencia y cantidad de los componentes en la fase solida
dependen de los procesos edafogenicos. Esta fase puede dividirse en:
- Orgánica, es la parte del suelo menos conocida y estudiada debido a la
complejidad de sus componentes.
- Inorgánica, es la más conocida y estudiada debido a ello es que
actualmente existen equipos sofisticados que permiten realizar un estudio
más profundo a sus componentes, por ejemplo: la utilización de los
espectrómetros de masa y los espectrofotómetros de absorción atómica
con horno de grafito.
Fase Liquida: Esta fase corresponde al agua del suelo y se constituye
fundamentalmente de agua con iones y gases en disolución, esta fase es
fundamental ya que es el medio a través del cual las plantas absorben sus
nutrimentos.
Fase Gaseosa: La fase gaseosa contiene O2, N2, CH4, CO2, entre otros. La
composición de esta fase es la que determina el tipo de microorganismos
que habitaran el suelo.
3.2.Arcilla
Para la definición de arcilla nos encontramos una serie de conceptos
determinados por los industriales, los geólogos, los ingenieros y los
investigadores. A menudo hay confusión en la literatura entre la arcilla y
VIVA: organismos como algas, bacterias, hongos, gusano, y otros.ORGANICA
NO VIVA: humus y
FASE SOLIDA
Partículas con minerales primarios (piedras, grava, arena).
INORGANICA Coloides: arcillas.
Sales de magnesio, potasio, calcio y sodio.
minerales de arcilla. También por razones de conveniencia, algunos utilizan
la palabra para hablar de minerales arcillosos, como lodos, barros, etc.
Durante más de cincuenta años, algunos científicos cómo Brindley, Grim, Mac
Ewan, Simone Caill, entre otros, han hecho esfuerzos para proponer una
clasificación y una terminología uniforme de los minerales arcillosos. Desde
hace años, una comisión de nomenclatura de la Asociación Internacional Para
el Estudio de Arcilla, integrada por distintos países, forma el Comité
Internacional de la IASC.(International Association for the Study of Clays). En el
año 1972, esta Comisión aprobó para las arcillas la definición: “minerales
pertenecientes a la familia de los filosilicatos que contienen hojas tetraédricas
bidimensionales continuas de composición T2O5 (T= Si; Al; Be;…), con los
grupos tetraédricos ligados por tres vértices comunes y con el cuarto vértice
apuntado en cualquier dirección. Las hojas tetraédricas están ligadas, en la
unidad estructural, a las hojas octaédricas, o a grupos de cationes coordinados
o a cationes individuales”.
El diccionario de la real Academia Española nos dice lo siguiente: arcilla es
una tierra finamente dividida, constituida por agregados de silicatos de aluminio
hidratados, que procede de la descomposición de minerales de aluminio,
blanca cuando es pura y con coloraciones diversas según las impurezas que
contiene. Para el alfarero la arcilla es una tierra finamente dividida que,
empapada en agua, da color característico, se hace muy plástica, y por
calcinación pierde esta propiedad, se contrae y queda permanentemente
endurecida. Para los químicos la arcilla es un filosilicato hidratado, es decir,
está compuesta de silicio (Si), aluminio (Al), oxígeno (O) e hidrógeno (H). La
enciclopedia técnica dice: las arcillas son cualquier sedimento o depósito
mineral que es plástico cuando se humedece y que consiste en un material
granuloso muy fino, formado por partículas muy pequeñas cuyo tamaño es
inferior a 2 micras, y que se compone principalmente de silicatos de
aluminio hidratados.
3.3.Las arcillas silicatadas, principales coloides minerales del suelo
Las arcillas poseen predominantemente propiedades coloidales. El
término
"arcilla" suele tener tres significados posibles en la terminología de los
suelos:
1. Representa a minerales de composición específica.
2. Es una clase textural.
3. Forma parte de la fracción mineral del suelo compuesto de
partículas con un diámetro efectivo menor de 0.002 mm sin importar
su composición química.
Las arenas y limos están constituidos por material primario difícil
de intemperizar, mientras que las arcillas son material secundario ya
intemperizado.
La mayoría de las arcillas silicatadas son cristalinas ya que poseen
una definida y repetida ordenación de los átomos de los que están
compuestas. Presentan planos de átomos con enlaces iónicos, que atraen
átomos cargados positiva o negativamente (aniones o cationes). Unas
pocas arcillas silicatadas tienen sus átomos menos arreglados y se
denominan arcillas no cristalinas o "materiales amorfos".
Las arcillas del suelo se dividen en:
1. Arcillas Silicatadas Cristalinas
2. Arcillas Silicatadas No cristalinas o amorfas
3. Arcillas no silicatadas Sesquióxidos de Fierro y Aluminio
3.4.Minerales constituyentes del las arcillas
La acción de los vapores y de los gases calientes sobre las primeras rocas
condujo a su alteración y a la consecuente formación de mezclas finas de
minerales, que permanecieron en forma de residuos o bien fueron
transportadas y depositadas en los glaciares, en los lechos de ríos y en los
fondos marinos. A 16 Km de la corteza terrestre tenemos una composición
química media como podemos ver en la Tabla.
Componentes Porcentaje
SiO2 (sílice) 59,14%
Al2O3 (alúmina) 15,34%
Fe2O3 ( óxido de hierro) 6,88%
CaO (óxido de calcio) 5,08%
Na2O ( óxido de sódio) 3,84%
MgO (óxido de
magneso)3,49%
K2O (óxido de potasio) 3,13%
H2O (agua) 1,15%
TiO2 (óxido de titanio) 1,05%
Varios. 0,90%
TOTAL 100,00%
Tabla - La composición química media de todas las rocas ígneas hasta los 16 Km.
Observando estos análisis, podemos aceptar que la corteza terrestre está
formada por la sílice y la alúmina con aproximadamente el 75% de los
óxidos, y son también los constituyentes básicos de la arcilla. El feldespato
es el mineral más abundante de la corteza terrestre. Aunque es bastante raro
encontrar yacimientos de feldespato puro, ya que en general está asociado
con otros minerales formando distintas rocas. El suelo accesible está
compuesto por unos pocos minerales, que constituyen más del
90% de la corteza terrestre como podemos ver en la tabla:
Componentes PorcentajeFeldespato 59,5%Grupo hierro magnesio
16,8%
Cuarzo 12,0%Mica 3,8%Titanio 1,5%Varios 6,4%Total 100,00%
Tabla – Minerales que constituyen la corteza terrestre.
Las arcillas naturales están formadas esencialmente por los siguientes
componentes:
1) Minerales de la arcilla propiamente dichos, de composición a veces
muy variable, que incluyen sustituciones reticulares de iones que son
propios de la red cristalina e incluso de iones extraños a la misma. Así
mismo, también se pueden presentar variaciones importantes en la
morfología y en la estructura de las partículas arcillosas.
2) Sílice libre, que en la mayoría de las arcillas es cuarzo cristalino de
tamaño de partícula relativamente grande, ya que suele ser superior a
las 10μm.
3) Carbonatos en diversos grados de dispersión, que abarcan desde el
tamaño de partícula ultra fino hasta la presencia de concreciones
nodulares en las canteras.
4) Feldespatos, principalmente alcalinos y alcalinotérreos.
5) Micas no hidratadas, tales como moscovita y la biotita.
6) Compuestos de hierro y titanio.
7) Sales solubles.
8) Materia orgánica y residuos carbonosos.
Figura - Estructura de filosilicatos
3.5.Silicio
El silicio es un elemento químico metaloide, número atómico 14 y situado en el
grupo 14 de la tabla periódica de los elementos formando parte de la familia de
los carbonoideos de símbolo Si. Es el segundo elemento más abundante en
la corteza terrestre (27,7% en peso) después del oxígeno. Se presenta en
forma amorfa y cristalizada; el primero es un polvo parduzco, más activo que la
variante cristalina, que se presenta en octaedros de color azul grisáceo y brillo
metálico.
Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el germanio. En
forma cristalina es muy duro y poco soluble y presenta un brillo metálico y color
grisáceo. Aunque es un elemento relativamente inerte y resiste la acción de la
mayoría de los ácidos, reacciona con los halógenos y álcalis diluidos. El silicio
transmite más del 95% de las longitudes de onda de la radiación infrarroja.
Se prepara en forma de polvo amarillo pardo o de cristales negros-grisáceos.
Se obtiene calentando sílice, o dióxido de silicio (SiO2), con un agente reductor,
como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio cristalino tiene
una dureza de 7, suficiente para rayar el vidrio, de dureza de 5 a 7. El silicio
tiene un punto de fusión de 1.411 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y
una densidad relativa de 2,33(g/ml). Su masa atómica es 28,086 u (unidad de
masa atómica).
Se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas tetrafluoruro de silicio,
SiF4 (ver flúor), y es atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico,
aunque el dióxido de silicio formado inhibe la reacción. También se disuelve en
hidróxido de sodio, formando silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas
ordinarias el silicio no es atacado por el aire, pero a temperaturas elevadas
reacciona con el oxígeno formando una capa de sílice que impide que continúe
la reacción. A altas temperaturas reacciona también con nitrógeno y cloro
formando nitruro de silicio y cloruro de silicio, respectivamente.
El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre,
sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos.
Los minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los
minerales comunes, incluyendo más del 90% de los minerales que forman
rocas volcánicas. El mineral cuarzo, sus variedades (cornalina, crisoprasa,
ónice, pedernal y jaspe) y los minerales cristobalita y tridimita son las formas
cristalinas del silicio existentes en la naturaleza. El dióxido de silicio es el
componente principal de la arena. Los silicatos (en concreto los de aluminio,
calcio y magnesio) son los componentes principales de las arcillas, el suelo y
las rocas, en forma de feldespatos, anfíboles, piroxenos, micas y ceolitas, y de
piedras semipreciosas como el olivino, granate, zircón, topacio y turmalina.
3.6.La caolinita
Composición: Al4(Si4O10)(OH)8
Composición Química: H4Al2Si2O9 ó 2H2O.Al2O3.2SiO2 Al2O3 39.5% SiO2
46.5%, H2O 14% el contenido de los componentes varia algo.
Forma y ocurrencia: En rocas la caolinita se encuentra principalmente como
hojuelas planas submicroscópicas en sedimentos arcillosos o puede formar
pseudomorfos de minerales especial de feldespatos como resultado de un
alteración hidrotérmica. En suelos y en rocas alteradas a la intemperie
la caolinita es probablemente el nivel arcilloso más común y extendido.
En los suelos se presentan por lo general como placas submicroscópicas
que se presentar aisladamente con orientación al azar haciendo que la
matriz sea isotrópica. Puede estar en masas agregadas formando campos o
depositada sobre superficies para formas recubiertas de arcilla. La caolinita
puede derivar el material original o puede formarse in situ. En muchos terrenos
inferiores fuertemente alterados por la intemperie la caolinita forma masas
vermiculares dentro de los espacios de los poros o pseudomorfos después de
muchos minerales en especial feldespatos y biotita. Algunos terrenos
concrecionarios en zonas tropicales pueden tener caolinita formando
ramificaciones sinuosas entre esas concreciones. Sin embargo, las
concentraciones mayores y más puras se presentan en las zonas pálidas.
3.7.Montmorillonita
Composición:(1/2Ca,Na)0.7(Al,Mg,Fe)4((Si, Al)8O20)(OH)4·nH2O
Color y pleocroísmo: Incolora o café, puede ser rosa pálido, o verde,
no pleocroica.
Forma y Ocurrencia: En rocas es el principal mineral de bentinita formado
por
La alteración de vidrio volcánico. También es un constituyente de varios
sedimentos y por lo general se presenta como agregados microcristalinos en
forma de fragmentos. En suelos la montmorillonita puede derivar del
material original sedimentario o se pude haber formado in situ de
materiales consolidados o no consolidados. Estos son, normalmente, básicos
o pueden ser una fuente de magnesio. La montmorillonita se forma en las
zonas áridas y semiáridas. Usualmente existen partículas submicroscópicas,
la cuales pueden coalescer para formar finos campos que son visibles entre
polares diagonales; rara vez son agregados grandes visibles al microscopio.
La Montmorillonita es un mineral, cada placa consiste en dos láminas de Silicio
y una de alúmina. Las láminas se unen por condensación con eliminación de
agua (dos moles). Las placas están separadas por espacios mucho más
anchos que en la Caolinita, 9.6 a 18 Ao o más, por lo tanto la Montmorillonita
se contrae mucho más al secarse que las arcillas.
La Montmorillonita se encuentra normalmente como una arcilla fina,
con cristales irregulares que tienen un diámetro efectivo de 0.01 a i
micra. Las arcillas del grupo de las esmectitas, nombre con el que también
se conoce a este grupo son más comunes en los vertisoles y están frecuentes
en los suelos aluviales en las grandes planicies.
3.8. Illita
La Illita (mica hidratada o ibromica), se asemeja a la mica en que los iones
Potasio forman puentes entre placas en el lugar de los iones OH-, evitando
así la expansión cuando se moja. En la estructura de la mica ha habido
sustitución de Aluminio por Fierro (ferroso) y por Magnesio. La Glauconita es
similar al anterior excepto, que ha habido sustitución de Aluminio por Fierro
(férrico y ferroso) y por Magnesio.
La fórmula condensada representativa de la mica o Illita
es: Al2(Si3Al)O10(OH)2
La Illita se diferencia de la Montmorillonita por su nula susceptibilidad a la
expansión intracristalina (10 Ao). Contiene alrededor de un 50% más de
iones por unidad de superficie, es un mineral no abundante en los suelos.
3.9.Vermiculita
Composición: (Mg, Ca)0.7 (Mg,Fe3+Al)6.0((Al,Si)8O20)(OH)4·8H2O
Color y pleocroísmo: Café pálido a amarillo, débilmente a moderadamente
pleocroica.
Forma y ocurrencia: En rocas la vermiculita es de distribución restringida,
presentándose como un producto de descomposición hidrotérmica. Tiene una
forma laminar similar a la biotita. En suelos puede derivar de otro material,
pero usualmente se forma in situ por descomposición por la intemperie.
Por lo general las partículas individuales son submicroscópicas, pero a
menudo son granos grandes que forman parcial o por completo pseudomorfos
de biotita, anfíbolos y piroxenos.
3.10. Espectrofotometría de Absorción Molecular UV-Visible
3.10.1. Introducción
Los espectros de absorción han sido observados por el hombre desde los
tiempos más antiguos por los colores del arco iris, de las piedras, aguas,
absorbidas algunas de las longitudes de onda, y las sustancias a través de
las cuales pasa dicha luz se dice que son coloreadas. Hablando con más
precisión, la sustancia presenta una cierta capacidad de absorción de la
luz y su color depende tanto de la calidad de la luz incidente como del
material. Ciertas longitudes de onda son absorbidas preferentemente, si
bien el color visto es el característico de las longitudes de onda no
absorbidas. Por ello el tono de un color variara de acuerdo con el espectro
de luz incidente.
La espectrofotometría de absorción se ocupa de la absorción de radiación
por los sólidos o las disoluciones en el visible, ultravioleta o infrarrojo,
intervalos fundamentales de longitudes de onda de las radiaciones
electromagnéticas. La espectrofotometría de absorción realiza dos tareas
diferentes:
a) La absorción de radiaciones se mide como función de la
concentración para una determinada banda estrecha de longitudes
de onda.
b) La absorción de la radiación se mide en función de la longitud de
onda, para una cantidad de muestra determinada y constante, con el
fin de obtener el espectro de absorción.
3.10.2. Espectro de absorción
Tanto las moléculas como los átomos tienen un número limitado de
niveles o estados energéticos cuantizados. Para que se produzca
absorción de radiación, la energía del fotón excitante (incidente) debe
igualar a la diferencia de energía entre el estado fundamental y uno de los
estados excitados de la especie absorbente. Estas diferencias de energía
(ΔE) son únicas, por lo tanto permiten caracterizar los constituyentes de
una muestra. Para este objeto se obtiene experimentalmente una
representación gráfica de la variación de la absorbancia en función de la
longitud de onda. En la siguiente figura se observan espectros de
absorción molecular característicos:
3.10.3. Medidas cuantitativas de la radiación – Ley de Beer
En la siguiente figura se esquematiza el fenómeno de absorción, aquí un
haz de radiación monocromático, pasa a través de una capa de solución
de b cm de espesor y que contiene una especie molecular absorbente
cuya concentración es c.
Como consecuencia de las interacciones entre los fotones y las partículas
absorbentes, la potencia del haz disminuye de Po a P. Por lo tanto la
transmitancia T de la solución es la fracción de radiación incidente
transmitido (o no absorbida) por la solución según:
Según la Ley de Beer, entonces, la absorción A estará determinada por:
donde: ξ absortividad molar
b longitud de paso óptico
c concentración en moles/l
3.10.4. Medición experimental de la absorción
Según vimos en el esquema anterior la absorción es directamente
proporcional a la longitud (b) de la trayectoria de la radiación a través de la
solución y a la concentración (c) de la especie absorbente: A = a. b. c (con
a: cte. de proporcionalidad).
Si c se expresa en moles por litro y b en cm, entonces la absortividad se
denomina absortividad molar (ξ): A=ξ.b.c.
La Ley de Beer se cumple igualmente en soluciones que contienen más
de una especie absorbente, siempre que no haya interacción entre dichas
especies. Por tanto, para un sistema multicomponente la relación será:
AT = A1+A2+………+An
AT = ξ1bc1+ξ2bc2+………+ξnbcn
3.10.5. Limitaciones a la aplicabilidad de la ley de Beer
Se observan frecuentemente desviaciones de la proporcionalidad entre A
y c (cuando b es constante). Algunas de estas desviaciones son
importantes y representan limitaciones reales de la ley. Estas son de tipo:
químico.
instrumental.
La Ley de Beer es sólo aplicable a soluciones en las que las interacciones
dependientes de la concentración de las moléculas o iones son mínimas.
Concentraciones “altas” alteran las absortividades molares y por lo tanto
conducen a una relación no lineal entre A y c.
a) Desviaciones químicas: Cuando las especies absorbentes
experimentan asociación, disociación o reacción con el solvente
originan productos con características absorbentes distintas de las del
analito. Un ejemplo típico se observa con soluciones de dicromato
potásico no amortiguadas, en las que existen los siguientes equilibrios:
Cr2O7+H2O ↔ 2HCrO4 ↔ 2H+ + 2CrO4-2
A casi todas las longitudes de onda los valores de ξ del ion dicromato y
las dos especies de cromatos son muy diferentes.
b) Desviaciones instrumentales:
Radiación policromática: el requisito básico para el cumplimiento
de la Ley de Beer es que la radiación incidente sea monocromática.
Dependiendo de las características tecnológicas del sistema óptico
del instrumento será más o menos accesible poder utilizar en forma
práctica una radiación una radiación limitada a una sola longitud de
onda.
Radiación dispersa: la radiación dispersa suele diferir
considerablemente en longitud de onda con respecto a la radiación
principal; además puede alcanzar el detector sin haber pasado a
través de la muestra.
3.10.6. Especies absorbentes
La absorción de radiación ultravioleta y visible por una especie M, puede
considerarse como un proceso en dos etapas, la primera de las cuales
corresponde a la excitación según:
M+h.v→M*
Donde M* representa la partícula atómica o molecular en su estado
electrónico excitado que se produce como resultado de la absorción del
fotón h v. Este estado excitado tiene un breve tiempo de existencia (10-
8 a 10-9 s) y desaparece a través de través de algunos de los diferentes
procesos de relajación (calor).
M*→M+calor
La absorción de la radiación ultravioleta o visible, se produce por lo
general como consecuencia de la excitación de los electrones de enlace;
debido a esto, la longitud de onda de los picos de absorción se puede
correlacionar con los tipos de enlace existentes en la especie que se
estudia.
3.10.7. Selector de la longitud de onda de trabajo:
Fotómetro (colorímetro): este tipo de instrumentos utiliza filtros que
permiten obtener bandas de radiación que abarcan un intervalo limitado de
longitudes de onda (con un fotómetro no es posible obtener una banda de
absorción variable en forma continua).
Región λ
(nm)Color filtro Color solución
380–435 Azul Amarillo
480–490 Verde azuloso Rojo
500–560 Verde amarillento Violeta
580–595 Anaranjado Azul verdoso
595–650 Rojo Verde azuloso
Espectrofotómetro: utilizan un complejo sistema óptico de selección de
longitud de onda (sistema monocromador). El cual consta de variados
componentes tales como:
prisma o rejilla;
lentes;
espejos;
ranuras de entrada y salida.
Estos instrumentos pueden seleccionar longitud de onda en forma
continua y en algunos casos con precisión de décimas de nm. Por lo tanto,
es posible obtener en forma continua el espectro de absorción de una
molécula.
3.10.8. Curva de Calibración
Set de soluciones de concentraciones crecientes del analito, en un rango
tal que se cumple la Ley de Beer.
« No es conveniente suponer que para una determinada concentración se
cumple la Ley de Beer y por ello utilizar un patrón único como referencia ».
Una vez obtenidos los distintos puntos (o niveles de calibración) se debe
determinar la ecuación de la recta mediante análisis de regresión lineal (o
ajuste de la curva por mínimos cuadrados). Los instrumentos
automatizados traen estas funciones ya incorporadas en su sistema de
cálculo, lo cual permite obtener el resultado final directamente.
La ecuación que relaciona la absorbancia con la concentración más
común es del tipo:
Y = Ax + B donde: A = pendiente (ξ)
B = intercepto
r es un parámetro estadístico que da cuenta de la “calidad” de la curva de
calibración y se denomina coeficiente de regresión. En análisis
cuantitativo se considera buena una curva cuando su valor de r es mayor
que 0.99.
4. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS
MATERIALES REACTIVOS EQUIPOSCrisol de Níquel HClO4 Espectrofotómetro de
absorción molecularMicropipeta Na2CO3 CentrifugaMatraz aforado de 500ml NaOH Balanza analíticaMatraces aforados de 250ml HCl MuflaMatraces aforados de 100 ml Na2SiO3 .9H 2O HornillaMatraces aforados de 50 ml (NH ¿¿4)6Mo7O24 .4H 2O ¿Matraces aforados de 25 ml Vasos de precipitación de 250
mlVidrios de relojPipetas PisetaVarilla de vidrioPapel filtroEmbudoPinzasRejilla de amiantoMuestras de arcillaTubos para centrifuga
5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
5.1.Preparación de la muestraLa muestra de arcilla primero se tamiza obligándolo a pasar a través de un
tamiz de 2 mm frotándolos contra la superficie del mismo mediante un tapón de
goma, posteriormente se las debe dejar secar parcialmente al aire y luego se
deseca a 100ºC durante 1 hora.
Con un mortero se procede a realizar la molienda, tomando siempre en cuenta
que los suelos arcillosos se deben secar completamente porque de otra forma
el proceso de molienda resulta difícil.
Finalmente la muestra se debe mezclar por un proceso de balanceo, para el
momento de pesar se debe particionar la muestra utilizando el método de los
cuartos, en la cual la muestra se cuartea para repartirlas en muestras parciales.
5.2.Preparación de la solución de molibdato amonico
Esta solución se prepara pesando 75 g de (NH ¿¿4)6Mo7O24 .4H 2O ¿ la misma
que se diluye en 400 ml de H 2O, si estuviera turbia se filtra, se transfiere la
disolución a un matraz aforado de 500 ml y se enrasa con H 2O.
5.3.Preparación de la solución patrón de SiO2
Pesamos 0,0592 g de Na2SiO3 .9H 2O y disolverlo con 100 ml de H 2O y para
convertirlo totalmente en SiO2se añaden 0,1 ml de HCl, se transfiere la
disolución a un matraz aforado de 250 ml y se enrasa con H 2O. Esta disolución
contiene 50 ppm SiO2. Esta solución sigue la siguiente reacción:
Na2SiO3 .9H 2O + 2HCl 2NaCl + SiO2 + 10H 2O
Se introduce a una serie de matraces aforados de 25 ml una porción de 5 ml de
disolución de molibdato amónico y se ajusta el volumen hasta unos 10 ml
mediante agua destilada. Seguidamente se añaden 2,5 ml de HCl 6N,
imprimiendo un movimiento de giro al matraz para disolver el precipitado blanco
que se forma. Finalmente se añade una parte alícuota mediante una pipeta de
partes alícuotas de 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6 ml de la disolución
patrón de SiO2,diluyendo la disolución hasta el enrase con agua destilada, se
deja en reposo durante 30 min, hasta desarrollar totalmente el color amarillo.
Esta serie se somete a la lectura con el espectrofotómetro a una longitud de
onda de 400 nm, utilizando como disolución en blanco la solución de molibdato
de amónico y de HCl 6N, enrasando esta mezcla de soluciones con H 2O en un
matraz aforado de 25 ml. Se representa, seguidamente, la concentración de
SiO2en ppm en una escala lineal en función del tanto por ciento de transmisión.
La curva es lineal y, una vez establecida, únicamente se contrasta de vez en
cuando con el patrón.
5.4.Descomposición de la muestra con Na2CO3
Se pesa una muestra de 0,1 g de peso, finamente molida, en un crisol de
níquel. A continuación se añaden unos 0,75 g Na2CO3 y se procede a mezclar
íntimamente la muestra con el carbonato por rotación del crisol con los dedos.
Seguidamente se añaden sobre la mezcla unos 0,25 g de Na2CO3. Se coloca el
crisol en la mufla a 1000 ºC durante 10 min, con el fin de que la muestra se
logre fundir y se forme una capa delgada que sea fácil de disolver.
5.5. Tratamiento de la muestra
Cuando se ha enfriado el crisol en que se ha realizado la fusión con Na2CO3 se
añaden 5 ml de HClO4 al 60%, gota a gota, cuando se detiene la efervecencia
se tranfiere la solución a un matraz erlenmeyer lavando el crisol con la cantidad
minima de agua posteriormente se tapa el matraz con un vidrio de reloj, se lleva
la solución a digestión en una hornilla, y se evapora la solución que contiene
una suspensión (evitando que la ebullición sea vigorosa, lo que conduciría a
perdidas) hasta que se desprendan humos de HClO4. Cuando se aparezcan
humos densos, se deja que la suspensión hierva suavemente durante 10 min a
una temperatura ligeramente superior a 200ºC.
Cuando se ha enfriado el vaso de precipitación se añaden, aproximadamente, 5
ml de agua destilada y se mezcla cuidadosamente la suspensión que se
calienta hasta casi ebullición para que se disuelvan las sales que se hayan
solidificado al enfriarse. A continuación se transfiérela suspensión a un tubo de
centrifuga y se lava el vaso de precipitación, añadiendo los lavados al tubo, se
añaden 2 ml de HCl 6N y se diluye la solución hasta 60 ml con agua. Se lleva a
la centrifuga durante 5 min a 1800 rpm con el fin de precipitar la sílice, con
ayuda de una pipeta se toma una porción alícuota de 50 ml del liquido que
sobrenada en el tubo de la centrifuga (esta es la solución C que se utiliza para
la determinación de Al, Mg, Ca, Fe y Ti), para lavar la sílice en el tubo se
añaden unos 50 ml de HCl 1,2N y se agita, centrifugando seguidamente la
suspensión a 1800 rpm durante 5 min. Después se decanta el líquido que
sobrenada por succión, ya que previamente se ha tomado una parte alícuota
para realizar el análisis de los solutos.
A continuación se elimina la sílice contenida en el tubo, por lavado usando agua
destilada recogiéndola en un vaso de precipitación de 250 ml, el lavado final del
crisol y del tubo de la centrifuga se hace con NaOH caliente, al 5%, para
asegurar la eliminación de toda la sílice. Se añaden unos 2,5 g de lentejas de
NaOH a la suspensión contenida en el vaso de precipitación y se ajusta el
volumen hasta que sea, aproximadamente, de 100 ml. Se hierve la disolución
hasta disolver totalmente la sílice, si luego de que llegue a ebullición contiene
alguna suspensión oscura que se puede formar por los restos de hollín que
quedaron en el crisol luego de la fusión la misma se filtra en caliente siempre y
cuando toda la sílice haya quedado disuelta. Cuando se enfría esta disolución
se transfiere a un matraz aforado de 500 ml y se enrasa mediante agua
destilada. Esta es la disolución D que se utiliza para la determinación de sílice.
En caso de que se presente una turbidez ligera no es necesario tenerla en
cuenta.
Se introduce en un matraz aforado de 25 ml una porción de 5 ml de disolución
de molibdato amónico y se ajusta el volumen hasta unos 10 ml mediante agua
destilada. Seguidamente se añaden 2,5 ml de HCl 6N, imprimiendo un
movimiento de giro al matraz para disolver el precipitado blanco que se forma.
Finalmente se añade una parte alícuota de la disolución D de entre 1 y 5 ml,
diluyendo la disolución hasta el enrase con agua destilada, se deja en reposo
durante 30 min, hasta desarrollar totalmente el color amarillo, se somete la
muestra a lectura con el espectrofotómetro a una longitud de onda de 400 nm,
utilizando como disolución en blanco la solución de molibdato de amónico y de
HCl 6N, enrasando esta mezcla de soluciones con H 2O en un matraz aforado
de 25 ml. Y con ayuda de la curva patrón por cálculos se obtiene la
concentración de sílice que presenta la muestra.
6. DATOS, CALCULOS Y RESULTADOS
6.1.Datos
Como se cuenta con dos muestras provenientes de Sipe Sipe la nomenclatura
que se utilizara para referirnos a las mismas será la siguiente:
mM=¿0.1010 g
mX=¿0.1020 g
ppm de SiO2 Absorbancia
1 0,0675
2 0,0928
3 0,1274
4 0,1630
5 0,2082
6 0,2372
7 0,2705
8 0,3125
9 0,3435
10 0,3838
11 0,4468
12 0,4635
X 0,4540
M 0,4472
6.2.Cálculos
Graficando con la tabla anterior la curva patrón obtenemos:
0.0675
0.0928
0.12740.163
0.2082
0.2372
0.2705
0.3125
0.34350.388
0.4468
0.46350
2
4
6
8
10
12
14
Curva de la solución patrón
Series1
ppm
de
SiO
2
Ya que se trata de una línea recta, por regresión lineal obtendremos la
ecuación de la curva, para así calcular los ppm de SiO2 contenidos en la
muestra.
A = 0,4913272174
B = 26,92683076
r = 0.997979566
Entonces la ecuación de la línea recta obtenida es:
ppm de SiO2= -0,4913272174+ 26,92683076 A
De donde A es la absorbancia medida en el espectrofotómetro.
Con la ecuación de la recta y la absorbancia medida de las muestras
obtenemos los ppm de SiO2 de las muestras:
AX= 0.4540
X ppmde SiO2= 11,73345395
AM= 0.4472
M ppmde SiO2= 11,5503515
Para calcular el porcentaje de SiO2en la muestra debemos utilizar la
siguiente fórmula:
%SiO2=ppmde SiO2×VM×V EM
1000000V alicuota×mmuestra×100
En donde:
ppmde SiO2= ppm obtenido con la ecuación de la recta.
V alicuota= es el volumen que se toma de la disolución de la muestra en ml.
mmuestra= es el peso de la muestra en gramos.
V M=¿ volumen del matraz aforado en donde se prepara la curva en ml.
V EM=¿ volumen en el cual se enrasa la muestra disuelta en ml.
Con la formula anterior obtenemos:
X%SiO2=71,8962 %
M%SiO2=70,7742 %
6.3.ResultadosSe obtuvieron los siguientes resultados:
X%SiO2=71,8962 %
M%SiO2=70,7742 %
7. ANALISIS DE RESULTADOS
Para verificar si el método para la determinación de la sílice funciona
calcularemos el porcentaje de error con los datos proporcionados por la
tesista Silvia la cual analizo las mismas muestras utilizando el método de
laboratorio de servicios y se obtuvieron los siguientes datos:
%SiO2= 68,8148 %
Entonces:
%E=|Real−ExperimentalReal |×100
Para X obtenemos:
%E = 4,4778%
Para M obtenemos:
%E = 2,8473%
8. CONCLUSIONES
Se logro encontrar una técnica bastante aceptable para el análisis de arcillas,
ya que los resultados obtenidos presentan errores menores al 5%
comparados con los resultados del análisis que se les hizo a estas mismas
muestras con el método de análisis utilizado en laboratorio de servicios,
obteniéndose los siguientes errores:
%EX= 4,4778%
%EM= 2,8473%
La técnica utilizada nos sirve tanto para el análisis cualitativo, como para el
cuantitativo, a nivel cualitativo se puede determinar la presencia de sílice en
la muestra gracias a la coloración amarilla que es causada por la solución de
molibdato, y a nivel cuantitativo mediante lectura de la absorbancia con un
espectrofotómetro de absorción molecular uv-visible.
Se logro observar que la curva de la solución patrón se puede considerar
como una recta de pendiente positiva y con un coeficiente de correlación
lineal de 0.997979566 el cual es próximo a uno.
Se dejo la curva en reposo durante dos horas luego de leer en el
espectrofotómetro y se volvió a leer las mismas y se pudo evidenciar que la
curva no es estable pues en la segunda lectura se presentaron lecturas
disparadas.
9. BIBLIOGRAFIA
Jackson, M.L. “Análisis Químico de suelos”, Ediciones Omega, 1964.
José M. F. “Caracterización y estudio tecnológico de arcillas del estudio
tecnológico de arcillas del estado da Bahía (Brasil), para la obtención de
materiales cerámicos tradicionales”, Universidad de Santiago de Compostela,
2009.
José M. P. “Análisis de óxidos de silicio y estructuras multicapa para
aplicaciones microelectrónicas”, Universidad de Barcelona, 2000.
http://www.agricolaunam.org.mx/edafología/PAPIME%20APUNTES
%20QUIMICA%20DE%20SUELOSQuimica%2008.pdf
http://www.qi.fcen.uba.ar/materiasailaboratorioabsorcion_emision.pdf
http://materias.fi.uba.ar/6305/download/Espectrofotometria.pdf
http://www.fcq.uach.mxindex.php/2-analisis-instrumental.html
http://www.tesisenred.net/bitstreamhandle/10803176701_CAPITULO_I.pdf
http://www.fq.uh.cudptoqfdocenciapregradoestruc_2uvdescarga_1.pdf
http://www.auxilab.es/documentosfolletosap/Espectro.pdf