UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA)
FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA E.A.P. INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA ANALÍTICA E INSTRUMENTAL PRÁCTICA Nº 1 TEMA: DETERMIANCION DE MANGANESO EN ACERO
CURSO
: LABORATORIO DE ANALISIS INSTRUMENTAL
PRO PROFE FESO SOR R :ROD :RODRI RIGU GUEZ EZ BEST BEST,, MARI MARIA A ANGEL ANGELIC ICA A ALUMNA
: DE LA ROSA HERRERA, RA, ROCIO BEATRIZ
CÓDIGO:04070083
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FUNDAMENTO DEL MÉTODO DE ANÁLISIS
El método fotométrico de análisis se basa en la absorción selectiva de radiaciones electromagnéticas de diversas regiones del espectro por el sistema homogéneo .Por eso, el método dado, si se emplea radiaciones monocromáticas, se denomina métodos de espectroscopia de absorción o espectrofotometría .Debido a la sencillez y suficiente selectividad, este método se aplica ampliamente Por cuanto antes del análisis se basaba en la evaluación de la intensidad del color de la solución en distintas concentraciones de la sustancia dada, el método denominado colorimetría. La solución coloreada absorbe la radiación continúa no monocromática de la región visible del espectro basada en el estudio de la intensidad del color de la solución; es un caso particular del análisis espectrofotométrico La determinación de manganeso en acero se puede realizar mediante varios métodos, sin embargo el más conocido es el método espectrofotométrico el cual se basa en la oxidación del manganeso a permanganato, debido a la capacidad del peryodato de oxidar los estados inferiores del manganeso En el análisis de aceros los componentes que acompañan al manganeso comunican cierta coloración a la disolución; el color del ión férrico se elimina con ácido fosfórico por la formación del complejo fosfórico incoloro. Las interferencias originadas por otros componentes coloreados se eliminan también, en gran extensión, utilizando una luz incidente de la longitud de onda absorbida con más intensidad por el componente a determinar
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En este método, la concentración de manganeso se determina por medición de la absorbancia de la solución resultante después de diluir a un volumen conocido.
DESCRIPCION DE TÉCNICA EMPLEADA
Come se describió anteriormente el método utilizado es el análisis por espectrofotometría en la región visible; para ello , el instrumento utilizado es el espectrofotómetro modelo “Spectronic C-20 Génesis”. Para la calibración de este espectrofotómetro se usó el CoCl 2.6H2O y la solución de HCl al 1% como blanco. Con la solución de CoCl 2 en HCl al 1% se hacen medidas de la transmitancia entere el rango de 474 nm a 550nm(región visible), hallando de esta manera el λ máximo, el cual al coincidir con el valor indicado con el catálogo indicaría que la calibración es correcta. Luego preparamos los patrones y muestras de la siguiente manera Descripción del proceso para la preparación de patrones: 1. Pesamos 0.20g de sal de0 Mohr (sulfato ferroso amoniacal) y se lleva a fiola de 250ml 2. Agregamos 20ml de la mezcla de ácidos. Tapamos con la luna de reloj y la colocamos sobre la plancha eléctrica hasta llevarla a ebullición(para retirar todos los óxidos de nitrógeno) 3. Sacar de la plancha, enfriar, diluir hasta 50ml y agregar 0.1gr de KIO 4. Hervir por 3 minutos y finalmente llevarlo a fiola de 100ml Descripción del proceso para la preparación de las muestras : 1. Pesamos por triplicado 0.12 g de la muestra de acero 2. Agregamos 20 ml de la mezcla de ácidos, tapar con luna de reloj y colocarlos en la plancha eléctrica. 3. sacra de la plancha y enfriarla, diluir hasta 50ml,agregar 0.1g de KIO 4,hervir por 3 minutos, enfriar y finalmente llevarla fiola de
100ml 3
Finalmente se escogió el patrón 2 (por se r de concentración media a los demás ) para calcular el λ máximo, y ello hallan la transmitancia para el resto de patrones y la muestra ;lo cual permitirá conocer mediante la curva de calibración la concentración de manganeso en la muestra de acero utilizado REACCIONES QUIMICAS IMPORTANTES
1) Oxidación del manganeso en acero Q Mn + HNO3(cc)
→
2NO2(g) Mn(NO3)2(ac) + 2H2O(l)
Reacciones secundarias:
Fe+2
+ HNO3 ↔ Fe+3 + NO2 + NO
MnO + HNO3 ↔ Mn+2 + NO2 + NO
2) Enmascarado al Fe+3 (acomplejado) 2PO3-4
+ Fe+3
→ [Fe (PO4)2]3- (Evita interferencia de coloración Fe +3 )
Ácido fosfórico color amarillo
Solución incolora
3) Oxidación final del manganeso
2MnSO4 + 5KIO4 + 3H2O → 2HMnO-4 + 5KIO3 + 2H2 SO4
Ecuación iónica: 2Mn+2 + KIO4 + 3H2 O
→ 2MnO4- + 5KIO3
+
2H2+
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DESCRIPCIÓN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS ESPECTROFOTÓMETRO: Un espectrofotómetro es un instrumento usado en la física óptica que sirve para medir, en función de la longitud de onda, la relación entre valores de una misma magnitud fotométrica relativos a dos haces de radiaciones. También es utilizado en los laboratorios de química para la cuantificación de sustancias y microorganismos. Hay varios tipos de espectrofotómetros, puede ser de absorción atómica o espectrofotómetro de masa. Este instrumento tiene la capacidad de proyectar un haz de luz monocromática a través de una muestra y medir la cantidad de luz que es absorbida por dicha muestra. Esto le permite al operador realizar dos funciones: 1. Dar información sobre la naturaleza de la sustancia en la muestra 2. Indicar indirectamente que cantidad de la sustancia que nos interesa está presente en la muestra Componentes de un espectrofotómetro -Fuente de luz La misma ilumina la muestra. Debe cumplir con las condiciones de estabilidad, direccionabilidad, distribución de energía espectral continua y larga vida. Las fuentes empleadas son lámpara dewolframio o tungsteno, lámpara de arco de xenón.kl y lampara de Deuterio (D2). -Monocromador El monocromador aísla las radiaciones de longitud de onda deseada que inciden o se reflejan desde el conjunto, se usa para obtener luz monocromática. Está constituído por las rendijas de entrada y salida, colimadores y el elemento de dispersión. El colimador se ubica entre la rendija de entrada y salida Es un lente que lleva el haz de luz que entra con una determinada longitud de onda hacia un prisma el cual separa todas las longitudes de onda de ese haz y la longitud deseada se dirige hacia otra lente que direcciona ese haz hacia la rendija de salida.
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Compartimiento de Muestra s donde tiene lugar la interacción, R.E.M con la materia (debe producirse donde no haya absorción ni disperisón de las longitudes de onda). es importante destacar, que durante este proceso, se aplica la ley de lambert-beer en su máxima expresión, en base a sus leyes de absorción, y lo implica esto, en lo que concierne a el paso de la molécula de fundamental-excitado.
Transductor Es aquel, que es capaz de transformar una intensidad de ph, masa, etc. en una señal eléctrica. Detector El detector, es quien detecta una radiación y a su vez lo deja en evidencia, para posterior estudio. Registrador Convierte el fenómeno físico, en números proporcionales a el analito en cuestión Fotodetectores En los instrumentos modernos se encuentra una serie de 16 fotodetectores para percibir la señal en forma simultánea en 16 longitudes de onda, cubriendo el espectro visible. Esto reduce el tiempo de medida, y minimiza las partes móviles del equipo.
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Rango visible de 325 a 1100 nm. Lectura digital de A, %T y C. Ancho de banda espectral de 8 nm. Ajuste automático de 0A y 100% T. Salida RS232C para impresora o PC. Voltaje de alimentación de 120V / 60Hz.
CÁLCULOS DETALLADOS CALIBRACIÓN DEL ESPECTROFOTÓMETRO “SPECTRONIC C- 20 GENESIS” Luego de la calibración del espectrofotómetro con solución de CoCl 2 en HCl a 1% y de medir los valores de transmitancia en el rango d 450 hasta 550 nm, cada 4 nm.Se obtuvo el gráfico “%T vs.λ ” obteniendo así el λ max igual a 514nm (según el catálogo del instrumento es igual a 510nm). DETERMINACIÓN MAXIMA DEL λ MÁXIMO DEL PERMANGANATO. Utilizando el blanco preparado en el laboratorio y el patrón 2, se determinó el λ máximo para el permanganato mediante la gráfica” %T vs. Λ “. Del cual se obtiene λ máximo = 525 nm. DETERMINACIÓN CUANTITATIVA DE MANAGANESO EN ACERO CALCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE Mn EN CADA UNO DE LOS PATRONES. PATRÓN 1: -Solución estándar: MnSO 4H2O = 0.1546g/250ml. -Volumen de solución estándar = 2ml Wg Mn/250 ml =0.1546 g X PA Mn 250ml PF MnSO4H2O Wg Mn = 0.05 g Mn/250ml
= 0.2 g Mn/L =
= 0.1546 g X 55g/mol 250ml 169g/mol 200ppm
Luego para 2 ml de solución Standard: 2ml de solución estándar X 0.2 gMn/L = 100 ml X Cp1 Cp1 = 0.4mg Mn/100 ml PATRÓN 2: -Volumen de solución estándar = 5ml 5ml de solución estándar X 0.2 gMn/L = 100 ml X Cp1
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Cp2 = 1.0 mg Mn/100 ml PATRÓN 3: -Volumen de solución estándar = 10ml 10 ml de solución estándar X 0.2 gMn/L = 100 ml X Cp1 Cp3 = 2.0 mg Mn/100 ml MUESTRAS: Las concentraciones de las muestras en base al peso que tomamos de muestra y que la llevamos a 100 ml fueron : C1=0.1252gMn/100ml C2=0.1222gMn/100ml C3=0.1215gMn/100ml Según los datos hallados en la grafica de los patrones se determinó las siguientes concentraciones : Para la muestra 1 C1 → 0.53 mg/100ml Para la muestra 2 C2→ 0.70mg/100ml Para la muestra 3 C3→0.57mg//100ml DETERRMINANDO EL % DE Mn EN LA MUESTRA DE ACERO SERÁ:
Para la muestra 1 %Mn = C muestra (de la curva de patrones) X 100 C muestra (de los datos teòricos) % Mn en M1 =0.53 mg /100ml X 100 0.1252*103mg/100ml
= 0.42%
Para la muestra 2 % Mn en M2=0.70 mg /100ml X 100 0.1222*103mg/100ml
= 0.57%
Para la muestra 3 % Mn en M3=0.57mg /100ml X 100 0.1215*103mg/100ml
= 0.47%
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TABLA DE DATOS Y RESULTADOS A) CALIBRACION DEL ESPECTROFOTÓMETRO Spectronic C-20 Génesis
λ 450 454 458 462 466 470 474 478 482 486 490 494 498 502 506 510 514 518 522 526 530 534 538
%T
A(absorbancia)
69.6
0.157
66.3
0.178
62.5
0.204
59.3
0.227
57.5
0.240
55.6
0.255
54.0
0.268
52.1
0.283
48.6
0.313
49.9
0.302
48.1
0.318
46.1
0.336
44.2
0.355
43.0
0.367
42.1
0.376
41.6
0.381
41.4
0.383
42.4
0.373
43.2
0.365
44.9
0.348
47.1
0.327
50.2
0.299
53.9
0.268
9
542 546 550
57.5
0.240
63.2
0.199
67.8
0.169
B) DETERMINACION DEL λ MÁXIMO A PARTIR DEL PATRON 2 λ (nm) %T A(absorbancia) 480
70.0
0.155
485
63.4
0.198
490
59.2
0.228
495
55.6
0.255
500
49.4
0.306
505
43.9
0.358
510
42.8
0.369
515
41.4
0.383
520
36.5
0.438
525
32.8
0.484
530
34.8
0.458
535
37.3
0.428
540
36.3
0.440
545
34.5
0.462
550
38.0
0.420
C)Muestras de aceros utilizado(datos) W W1 W2 W3 D) SOLUCIÓN STANDARD: MnSO4H2O PATRONES P1 P2 P3
W muestra (g)/100ml 0.1252g/100ml 0.1222g/100ml 0.1215g/100ml Vol (ml) sol Standard 2ml 5ml 10ml
E) TABLA DE RESULTADOS Solucion Cc (mg/100ml)
%T
A
P1
0.4
68.7
0.163
P2
1
33.2
0.479
P3
2
11.9
0.924
M1
0.53
59.9
0.223
M2
0.70
50
0.301
M3
0.57
57.2
0.243
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Cc teórico (mgMn/100ml) M1 M2 M3
125.2mg Mn/100ml 122.2mg Mn/100ml 121.5mg Mn/100ml
Cc Experimental (apartir de la curva de patrones) 0.53mg Mn/100ml 0.70mg Mn/100ml 0.57mg Mn/100ml FT
%Mn en la muestra 0.42% 0.57% 0.47%
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Curva de patrones Cc(mg/100ml) vs. Absorbancia Abs= 0.475 Cc - 0.03 1.000 0.900 a i 0.800 c n a 0.700 b r o 0.600 s b A 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
1.2 1.4 1.6 1.8
2
2.2
Cc(mg/100ml)
Solucion P1 P2 P3 M1 M2 M3
Cc (mg/100ml)
%T
A
0.4
68.7
0.163
1
33.2
0.479
2
11.9
0.924
0.53
59.9
0.223
0.70
50
0.301
0.57
57.2
0.243
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DISCUSIÓN DE LA TÉCNICA EMPLEADA El manganeso es un componente común de los aceros y sobre todo cuando esta presente en bajos porcentajes, su determinación fotométrica es la técnica mas usada y conveniente. Debido a que todos los aceros contienen carbono , en la practica , pudo también utilizarse el peroxidisulfato de amonio para la oxidación del carbono a dióxido de carbono y así evitar q interfiera en la mediciones de transmitancia y / o absorbancia .Además bajo cierta s condiciones de este reactivo también oxida una parte del manganeso a oxido de manganeso (IV) hidratado. La oxidación de este óxido insoluble a ión permanganato es difícil; por consiguiente , cualquier cantidad de este óxido que o pueda estar presente se reduce primero a manganeso (II).El ión sulfito(o ácido sulfuroso) logra la reducción con y un exceso se puede eliminar por ebullición, volatilizándose el dióxido de azufre. Sin embargo las solución de permanganato que se obtiene tiene la estabilidad limitada, pues en cada uno el exceso de oxidante se destruye, separa o resulta inefectivo en frío. Por consiguiente la solución del permanganato puedo descomponerse. A pesar de la descomposición, se puede realizar una buena determinación fotométrica, debido a su lentitud Finalmente debido a todas las desventajas y la laboriosidad del método se puede decir que el método más conveniente y sencillo, es el proceso de oxidación con KIO
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,
utilizando en la practica, ya que tiene la ventaja de no requerir catalizador es soluble en agua y no se descompone aun en ebullición prolongada de la solución. Por lo tanto , las soluciones de permanganato son indefinidamente estables y puede conservarse algunas horas
DISCUSIÓN DE RESULATDOS OBTENIDOS 15
Luego de analizar la calibración del espectrofotómetro, se observa que el valor λ máximo =514 nm , es un valor cercano al que se muestra en el catálogo el cual es de 510 nm. Concluimos de esto que realizamos una correcta calibración con un rango pequeño de error.
En lo que respecta a la determinación del λ máximo para el permanganato, usamos el patrón 2 (por se r de concentración media a los demás ) y obtenemos como λ máximo el punto 525nm . Partir de este valor determinamos las curvas de patrones y partir de están hallamos la absorbancia para cada muestra los cuales se obtuvieron 0.223,0.301 y 0.243 respectivamente. Así mismo al interpolar en la ecuación de la recta hallada:
Abs= 0.475 Cc - 0.03
Obtuvimos como valores de concentración en 100ml los valores de 0.53mgMn/100ml, 0.70mgMn/100ml y 0.57mgMn/100ml respectivamente. De éstos determinamos que el % de Mn registrado en la muestra en base a cada peso tomando de muestra para los 3 casos fueron de 0.42%.0.57% y 0.47%
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
-Debido a que el análisis se realiza a concentraciones muy pequeñas, el método por espectrometría visible es adecuado , ya que generalmente se obtienen resultados más exactos que en un método volumétrico o gravimétrico, y además su ejecución es mas sencilla. - Muy pocos reactivos son específicos par una sustancia en particular pero hay muchos que dan reacciones coloreadas selectivas para un grupo pequeño de sustancias. Para esto el enmascaramiento mediante formación de complejos ayuda a mejorar la especificidad de la reacción -Luego de adicionar KIO 4, dejar hervir hasta la oxidación del manganeso, ya que el color producido(que indica la oxidación total del Mn) debe ser suficientemente estable para poder efectuar la medición en el espectrofotómetro. -Tener cuidado de que no ingresen partículas extrañas a las muestras, patrones y blanco, debido a que la turbidez difunde o absorbe la luz. -si es necesario agregar un exceso de KIO4 para el color que indica la oxidación del Mn se a estable indefinidamente. -En el análisis de aceros, los componentes que acompañan al Mn se comunican cierta coloración a la disolución, para ello, por ejemplo el color del Fe +3 se elimina con ácido fosfórico por formación del complejo fosfórico incoloro. -Debido a la posible presencia de sustancias reductoras en el agua destilada, las soluciones diluidas del permanganato pueden no ser estable durante mas de unas horas. -Para conseguir un trabajo más exacto en espectrofotometría , el blanco debe contener todos los reactivos utilizados en la preparación de la disolución coloreada, pero nada de la sustancia que se esta analizando. -Debido a que instrumentos de medición diferentes ,. Aún de la misma marcas y modelo, tienen características un poco diferentes , es necesario que todas las mediciones se realicen en el mismo aparato
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BLIBLIOGRAFÍA
V.N.alexeivev;”Analisis Cuantitativo” Editorial Mir Moscú;1976 Págs. 505-506
Hobart H.willard, Lynne “Métodos instrumentales de análisis”,Editorial continental S.A cuarta edcioón 1970 pag:93-96;144,145
Ayres Gilberto;” Análisis químico cuantitativo”, editorial Iberoamericana, primera edición;1970 pag:666-667.
http://www.cienytec.com/lab1espectro.htm
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