FACULTAD DE INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA
ANÁLISIS VOLUMÉTRICO Introducción al análisis volumétrico DOCENTE: ING. CELINA SANTOS CUARTO “A”
INTEGRANTES: ARTEAGA BRAVO MILENA CASTRO MOJARRANGO KARLA CUERO RODRÍGUES MARÍA INTRIAGO BRIONES CARMEN RIVERA MONTAÑO JOHANNA SAMANIEGO CABEZAS PAOLA
ESMERALDAS - ECUADOR 0
Contenido
1
TEMA .......................................................................................................... 2
2
OBJETIVO .................................................................................................. 2 2.1
General ................................................................................................. 2
2.2
Específicos ............................................................................................ 2
3
INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 2
4
MARCO TEÓRICO ..................................................................................... 3 4.1
DEFINICIÓN DE UN ANÁLISIS VOLUMÉTRICO ................................. 3
4.1.1 4.2
DEFINICIÓN DE TÉRMINOS ......................................................... 3
PRINCIPIOS Y CÁLCULOS ES ANÁLISIS VOLUMÉTRICOS ............. 6
4.3 CARACTERÍSTICAS DE UNA REACCIÓN PARA SU EMPLEO EN VOLUMETRÍAS .............................................................................................. 6 4.4 PREPARACIÓN DE DISOLUCIONES PATRÓN REACTIVO VALORANTE. ................................................................................................. 7 4.5
INSTRUMENTOS UTILIZADOS EN EL ANÁLISIS VOLUMÉTRICO .... 9
4.6
PROCEDIMIENTO PARA UNA TITULACIÓN .................................... 12
5
EJEMPLOS ............................................................................................... 13
6
CONCLUSIONES ..................................................................................... 14
7
RECOMENDACIÓN .................................................................................. 14
8
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 15 8.1
LINKOGRAFÍA .................................................................................... 15
1
1 TEMA INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS VOLUMÉTRICO
2 OBJETIVO 2.1 General Investigar los fundamentos de un análisis volumétrico y cuál es su utilización en la química analítica
2.2 Específicos Sistematizar información sobre las definiciones y conceptos principales necesarios para el empleo del análisis volumétrico Identificar las etapas de un análisis volumétrico o una titulación
3 INTRODUCCIÓN A pesar de los constantes avances en la instrumentación química, los métodos volumétricos, (es decir aquellos donde la cuantificación del analítico se realiza a partir de la determinación cuidadosa del volumen de las especies que reaccionan), aun constituyen una herramienta importante en el laboratorio de análisis químico. Estos métodos, desarrollados en el siglo VII, se emplean para determinar la concentración de una especie de interés conocida como analito, y de acuerdo a las reacciones que se utilizan, pueden clasificarse en cuatro grupos. El análisis volumétricos junto con el análisis gravimétrico constituyen el denominado análisis clásico. En el primer caso, la medida de la masa de sustancia se lleva a cabo midiendo el volumen de un reactivo de concentración conocida que reacciona con la sustancia que se quiere determina, también presente en forma disuelta, según unos coeficientes estequiométricos bien determinados, hasta que se alcanza el denominado punto final, que se puede detectar mediante un procedimiento visual o instrumental. La disolución de concentración conocida (patrón), denominada reactivo valorante, es una disolución que puede prepararse de forma directa (por pesada) o por normalización frente a un patrón tipo primario. El punto final de la valoración se determina deteniendo la adicción de la disolución patrón al producirse un “cambio brusco” en alguna propiedad del sistema, como por
ejemplo: el color, potencial, intensidad de corriente eléctrica, absorbancia, etc. Mediante el cálculo apropiado se puede conocer la masa o la concentración de la especie que se quiere determinar en la muestra analizada. 2
La única técnica absoluta que existen, es decir, aquellas a partir de las cuales se puede conocer la masa o la concentración de las sustancias son la gravimetría y la culombímetro y se emplean para contrastar o calibrar todos los métodos analíticos existentes, instrumentales o no. (HARRIS, 2007)
4 MARCO TEÓRICO 4.1 DEFINICIÓN DE UN ANÁLISIS VOLUMÉTRICO Las valoraciones incluyen un numeroso grupo de procedimientos cuantitativos basados en la medida de la cantidad de un reactivo de concentración conocida, que es consumida por el analito. De acuerdo con la clasificación general de los métodos de análisis (clásicos, instrumentales y de separación) podemos hablar de valoraciones volumétricas y gravimétricas, técnicas a las que generalmente nos referimos con el nombre de volumetrías y gravimetrías, respectivamente. -En las valoraciones volumétricas se mide el volumen de una disolución de concentración conocida necesario para reaccionar completamente con el analito. -Las valoraciones gravimétricas se diferencian de las anteriores en que se mide la masa de reactivo en vez de volumen. Por tanto, un análisis volumétrico es todo aquel procedimiento basado en la medida de volumen de reactivo necesario para reaccionar con el analito. De este modo, al medir de forma exacta el volumen de reactivo, de concentración perfectamente conocida, necesario para reaccionar completamente con el analito, podremos calcular su concentración en la muestra
4.1.1 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS A continuación se definen algunos términos empleados en análisis volumétrico. Una disolución estándar de reactivo o de agente valorante es una disolución que contiene a la especie química que va a reaccionar con el analito, en una concentración conocida. La concentración de esta disolución ha de conocerse con gran exactitud ya que dicho valor será empleado en el cálculo de la concentración de analito en la muestra.
Punto de equivalencia.-(p.eq) es el momento de la valoración en que se ha añadido la cantidad justa del reactivo de B para que reaccione con la totalidad de la sustancia A que se quiere valorar. El punto de equivalencia corresponde un valor teórico. Punto final.- es el momento de la valoración en que una propiedad cambia bruscamente en las proximidades del punto de equivalencia, estando 3
relacionada esta propiedad con las concentraciones. El punto final corresponde a un valor experimental
Indicador.- un indicador es una sustancia que siendo ácidos o bases débiles al añadirse a una muestra sobre la que se desea realizar el análisis, se produce un cambio químico que es apreciable. Este cambio en el indicador se produce debido a que durante el análisis se lleva a cabo un cambio en las condiciones de la muestra e indica el punto final de la valoración. El funcionamiento y la razón de este cambio varía mucho según el tipo de valoración y el indicador. Los indicadores más usados son los indicadores de pH como por ejemplo, el rojo de metilo, fenolftaleína, etc. TIPOS DE INDICADORES Los indicadores químicos son sustancias añadidas en el curso de la valoración y en el punto final responden al cambio brusco de concentración de alguna especie mediante la variación de alguna propiedad física susceptible de ser observada: color, turbidez, fluorescencia, etc. Ejm. en las valoraciones ácido-base Indicador
Color en medio ácido
Rango de cambio de color
Color en medio básico
Violeta de metilo Amarillo
0.0 - 1.6
Violeta
Azul de bromofenol Amarillo
3.0 - 4.6
Azul
Naranja de metilo Rojo
3.1 - 4.4
Amarillo
Rojo de metilo
Rojo
4.4 - 6.2
Amarillo
Tornasol
Rojo
5.0 - 8.0
Azul
Azul de bromotimol
Amarillo
6.0 - 7.6
Azul
Fenolftaleína
Incolora
8.3 - 10.0
Rosa
Amarillo de alizarina
Amarillo
10.1 - 12.0
Rojo
En el auto indicador actúa como indicador la propia especie que se valora o el reactivo valorante. Ejm.- El permanganato potásico se reduce a ión manganeso (II) casi incoloro cuando se utiliza como reactivo volumétrico en medio ácido Los indicadores instrumentales se basan en la variación de una propiedad físico –química de la disolución en el transcurso de la valoración. Ejm.Culombimétrico, en éstas valoraciones se mide la cantidad de electricidad necesaria para completar una reacción de electrólisis o la generación electrolítica de un reactivo que actúa como valorante 4
Con frecuencia se utilizan diversos instrumentos para seguir la variación de la propiedad física a lo largo de la valoración. El método de valoración suele recibir el nombre del sistema instrumental utilizado para detectar el punto final; valoraciones potenciométricas, conductimetrías, amperometrías, espectrofotométricas, termométricas, siendo los métodos electroquímicos los más utilizados. Sin embargo los métodos físico-químicos de indicación de punto final retardan la volumetría al requerir el trazado de las curvas de valoración, con lo que suele disminuir la frecuencia de los análisis. Frente a los indicadores químicos, los métodos instrumentales alcanzan una mayor sensibilidad, precisión, resolución y no interferencia de partículas en suspensión o de especies coloreadas. Además, se prestan a una automatización más sencilla ya que den directamente una señal fácil de manipular electrónicamente y capaz de ser digitalizada para analizarla con un ordenador. El método de detección utilizado para cada caso particular depende de la reacción que tenga lugar y de la posible presencia de interferencias. Así para la valoración de un ácido fuerte con una base fuerte basta la fenolftaleína, pero si la disolución es coloreada puede ser preferible recurrir a la conductimetría.
Indicadores fluorescentes Su funcionamiento es parecido al de los indicadores coloreados, aunque son menos numerosos. El final de la valoración se pone de manifiesto por la aparición, desaparición o cambio de la fluorescencia de la disolución problema sometido a la luz ultravioleta.
Indicadores de adsorción Son sustancias que cambian de color al ser adsorbidas o desorbidas por los sistemas coloidales que se forman en el seno de la disolución problema como resultado de la reacción entre el analito y el valorante.
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4.2 PRINCIPIOS Y CÁLCULOS ES ANÁLISIS VOLUMÉTRICOS En análisis volumétrico, los siguientes principios generales han de ser considerados, siempre que sea posible, con el fin de obtener resultados de calidad: 1. La muestra pesada no debe ser menor de 0,1 g. 2. El volumen de valorante consumido debe encontrarse entre 10 y 20 mL (dependiendo de la escala de la bureta). Si el volumen es muy pequeño el error de lectura y de drenaje de la bureta no será despreciable. 3. El volumen de la disolución de analito no debe ser tan grande como para volver a llenar la bureta para completar la valoración. Eso implicaría un aumento en el error de lectura y drenaje de la bureta. 4. La concentración del reactivo valorante debe seleccionarse de acuerdo con el tamaño de la muestra y el material a emplear. 5. llevarse a cabo la valoración del blanco del indicador cuando sea posible. Si el valorante ha sido normalizado mediante la misma reacción de valoración de la muestra, el error del indicador queda anulado. 6. El análisis debe fundamentarse en los resultados de al menos tres valoraciones en estrecha concordancia.
4.3 CARACTERÍSTICAS DE UNA REACCIÓN PARA EMPLEO EN VOLUMETRÍAS
SU
TIPOS DE VOLUMÉTRÍAS Las volumetrías se pueden clasificar de acuerdo con la naturaleza de la reacción química de valoración en volumetrías ácido-base, de oxidaciónreducción, de complejación y de precipitación. No todas las reacciones químicas pueden ser empleadas como reacciones de valoración, es necesario que la reacción sea: • Sencilla: La
reacción entre el analito y el valorante debe ser simple, ya que es la base de los cálculos para la obtención del resultado final. • Rápida: para llevar a cabo la volumetría en poco tiempo, de lo contrario sería
necesario esperar cierto tiempo tras cada adición de valorante, resultando un método poco práctico. 6
• Estequiométrica: para los cálculos ha de existir una reacción definida. • Completa: permitiendo así realizar los cálculos.
Además de estos cuatro requisitos básicos relativos a la reacción química de valoración, para poder llevar a cabo la valoración ha de disponerse de una disolución
El patrón del reactivo valorante, un sistema de detección del punto final y material de medida exacta (buretas, pipetas aforadas y balanzas analíticas). Si atendemos al procedimiento seguido para el desarrollo de la valoración podemos distinguir principalmente tres tipos de volumetrías: - En una valoración directa el valorante se añade a la disolución del analito hasta completar la reacción. Es el tipo de valoración más sencilla y se recomienda su aplicación siempre que sea posible. –
En una valoración por retroceso, también llamada retrovaloración, se añade al analito un exceso conocido del reactivo valorante, y se usa un segundo reactivo estándar para valorar el exceso del primer reactivo. Estas valoraciones se usan principalmente cuando: el punto final de la valoración por retroceso es más claro que el de la valoración directa. Cuando se necesita un exceso del 1er reactivo para que se dé por completo la reacción con el analito. Si la reacción de la valoración directa no es favorable, por ejemplo tiene una cinética lenta. La valoración de anión oxalato con anión permanganato, valorando el exceso de este último con hierro (II) es un ejemplo de valoración por retroceso . - Las valoraciones por sustitución, también llamadas por desplazamiento, se basan en la sustitución de un ión por otro. Su campo de aplicación más importante se halla en las valoraciones de complejación de iones metálicos con el ligando EDTA. ()
4.4 PREPARACIÓN DE DISOLUCIONES PATRÓN REACTIVO VALORANTE. Como se indicó con anterioridad, la disolución de valorante desempeña un papel principal en análisis volumétrico, por lo que su preparación ha de llevarse a cabo con extremo cuidado. Podemos establecer dos modos de preparación: -Si el reactivo es una sustancia estándar primario la preparación de la disolución se llevará a cabo por el método directo, en el que una cantidad del patrón primario pesada cuidadosamente se disuelve en un disolvente apropiado y se diluye hasta un volumen conocido con exactitud en un matraz volumétrico.
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-Por el contrario, si el reactivo no es una sustancia estándar primario es necesario recurrir a la estandarización de su disolución, empleando un reactivo que sí es estándar primario. El valorante que se estandariza con otra disolución patrón a veces se denomina disolución patrón secundaria. La concentración de una disolución patrón secundaria está sujeta a una mayor incertidumbre que la de una disolución de un patrón primario. Así que siempre será deseable preparar las disoluciones por el método directo. Sin embargo, muchos reactivos carecen de las propiedades requeridas para ser un patrón o estándar primario y por tanto deben ser estandarizadas. ¿Qué requisitos ha de presentar principalmente una sustancia para ser empleada como patrón o estándar primario? Alto grado de pureza, Estabilidad atmosférica, Ausencia de agua de hidratación (para que la composición del sólido no cambie con las variaciones de humedad) Masa molar razonablemente alta (para minimizar el error relativo al pesar la sustancia), Solubilidad razonable en el medio de valoración Valoración y coste moderado
. El número de compuestos que cumplan o se aproximen a estos siete requisitos es relativamente bajo y solo se dispone comercialmente de un número limitado de patrones primarios. Si el reactivo a emplear es dicromato potásico, carbonato sódico o cualquier sustancia tipo patrón primario, la preparación de sus disoluciones por el método directo es viable. Sin embargo, si el reactivo requerido es por ejemplo hidróxido sódico, que no es una sustancia patrón primario, será necesario su estandarización, que se puede llevar a cabo empleando ftalato ácido de potasio como reactivo y fenolftaleína como indicador. Una disolución de reactivo valorante, haya sido preparada por el método directo o no, debe cumplir los siguientes requisitos: -Ser suficientemente estable de modo que sea necesario determinar su concentración sólo una vez. -Reaccionar rápidamente con el analito para que se minimice el tiempo requerido entre adiciones de reactivo. -Reaccionar de forma completa con el analito para obtener puntos finales claros. 8
-Experimentar una reacción selectiva con el analito descrita a través de la ecuación química ajustada. 1
4.5 INSTRUMENTOS VOLUMÉTRICO
UTILIZADOS
EN
EL
ANÁLISIS
El material volumétrico es específico para medir, contener y transferir volúmenes.
El instrumental utilizado en volumetrías está fabricado en vidrio y es de dos tipos: de contenido, que mide la cantidad de líquido que contiene cuando se llena hasta la marca del enrase ( matraces aforados) y de vertido, que mide la cantidad de líquido que deja salir cuando se vacían ( pipetas y buretas).
Los matraces aforados son recipientes de fondo plano con forma de pera y cuello largo y de pequeño diámetro. Los que más comúnmente se utilizan tienen capacidades de 25, 50, 100, 250, 500, 1000 y 2000 ml. El error admitido en su capacidad total es Capacidad, Tolerancia,
mL 25 mL 0.03
50 0.04
100 0.06
250 0.1
500 0.15
1000 0.25
2000 0.40
Es importante no calentar ni llenar con líquidos calientes los matraces aforados (y todo el material volumétrico de precisión), ya que se dilatan y recuperan (no siempre) muy lentamente su volumen inicial.
1 http://ocw.um.es/ciencias/analisis-quimico/material-de-clase-1/tema-4.pdf
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Los matraces aforados se utilizan para preparar disoluciones de concentración conocida. Una vez preparada la disolución no debe conservarse en el matraz, debido a que la acción de los reactivos sobre las paredes de vidrio puede afectar al calibrado de los mismos, trasvasándola al frasco o dispositivo en que ha de guardarse.
Matraz Erlenmeyer. El matraz de Erlenmeyer es uno de los frascos de vidrio más ampliamente utilizados en laboratorios de Química. También es conocido por los nombres de frasco de Erlenmeyer , matraz Erlenmeyer , o simplemente Erlenmeyer o matraz Se utiliza para el armado de aparatos de destilación o para hacer reaccionar sustancias que necesitan un largo calentamiento. También sirve para contener líquidos que deben ser conservados durante mucho tiempo o que no se ven afectados directamente por la luz del sol.
Bureta: son tubos largos, graduados, de diámetro interno uniforme, provistas de una llave en su parte inferior. Se usan para verter cantidades variables de líquidos, y por ello están graduadas con pequeñas subdivisiones (dependiendo del volumen, de décimas de mililitro o menos). Su uso principal se da en volumetrías, debido a la necesidad de medir con precisión volúmenes de líquido variables.
Tolerancias V (ml)
Tolerancia (ml)
10
±0,02
25
±0,03
50
±0,05
10
PIPETA: es un instrumento volumétrico de laboratorio que permite medir la alícuota de un líquido con mucha precisión. Suelen ser de vidrio. Está formada por un tubo transparente que termina en una de sus puntas de forma cónica, y tiene una graduación (una serie de marcas grabadas) con la que se indican distintos volúmenes. Límites de error en pipetas (ml) Capacidad (hasta) Límite de error 0,006 2 0,01 5 0,02 10 0,03 30 0,05 50 0,08 100 0,10 200
PROBETA.- es un instrumento volumétrico que consiste en un cilindro graduado de vidrio pyrex que permite contener líquidos y sirve para medir volúmenes de forma aproximada. Está formado por un tubo generalmente transparente de unos centímetros de diámetro y tiene una graduación desde 5 ml hasta el máximo de la probeta, indicando distintos volúmenes. En la parte inferior está cerrado y posee una base que sirve de apoyo, mientras que la superior está abierta (permite introducir el líquido a medir) y suele tener un pico (permite verter el líquido medido). Generalmente miden volúmenes de 25 o 50 ml, pero existen probetas de distintos tamaños; incluso algunas que pueden medir un volumen hasta de 2000 ml.
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4.6 PROCEDIMIENTO PARA UNA TITULACIÓN Una titulación o valoración comienza con un vaso de precipitados o matraz Erlenmeyer conteniendo un volumen preciso del reactivo a analizar y una pequeña cantidad de indicador, colocado debajo de una bureta que contiene la disolución estándar. Controlando cuidadosamente la cantidad añadida, es posible detectar el punto en el que el indicador cambia de color. Si el indicador ha sido elegido correctamente, este debería ser también el punto de neutralización de los dos reactivos. Leyendo en la escala de la bureta sabremos con precisión el volumen de disolución añadida. Como la concentración de la disolución estándar y el volumen añadido son conocidos, podemos calcular el número de moles de esa sustancia ya que (molaridad=moles/litro) Luego, a partir de la ecuación química que representa el proceso que tiene lugar, podremos calcular el número de moles de la sustancia a analizar presentes en la muestra. Finalmente, dividiendo el número de moles de reactivo por su volumen, conoceremos la concentración buscada. 2
Nivel de la disolución
Pinza de bureta
Buret a
Llave Matraz erlenmeyer (ó vaso de precipitados Disolución de ANALITO
Barrita de agitación ma nética
Fi . Agitador
2 https://es.wikipedia.org/wiki/An%C3%A1lisis_volum%C3%A9trico
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5 EJEMPLOS Para la valoración de 50 mL de una disolución de ácido clorhídrico se necesitaron 29,7 mL de una disolución de hidróxido bárico preparada pesando 0,0895 g del producto sólido y disolviéndolo en 250 mL. El punto final de la valoración se detectó usando verde de bromocresol como indicador. Calcula la molaridad de la disolución de ácido clorhídrico 2 HCl + Ba(OH)2 → H2O + BaCl2
1 mol de valorante reacciona con 2 moles de analito
- Cálculo de la concentración del reactivo valorante 0,0897 [ Ba(OH ) 2 ]
171,37 0,25
0, 0209 mol
L
- Cálculo de los moles de valorante añadidos hasta el punto final moles de Ba(OH ) 2
V
M 0, 0297
0, 0209
6, 2 10-4
Relación moles de valorante y moles de analito 1 mol de Ba(OH)2 → 2 moles de HCl 6,2 x 10-4 Rta=
→ x -3
1,24 ● 10 moles de HCl
Una muestra de 0.8040gr de un mineral de hierro se disuelve en ácido. Posteriormente el hierro se reduce a Fe2+ y se titula con 47.22 ml de una solución 0.02242M de KMnO4. Calcular los resultados de este análisis en términos de % de Fe(55.847g/mol). La reacción del analito con el reactivo se describe con la siguiente ecuación. (DOUGLAS A SKOOG, DONALD M.WEST, F JAMES HOLLER, 2005)
MnO4 + 5Fe2+ +8 H+Mn2+ + 5Fe3+ + 4 H2O
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5
Relación estequiométrica =
Cantidad de KMnO 4 = 47.22 ml de KMnO 4 x
.2242 KMnO4 KMnO4
5
Cantidad de Fe2+ = (47.22 x 0.02242) mmol KMnO4 x
La masa de Fe2+ está dada por Fe2+
Masa de Fe2+ = (47.22 x 0.02242 x 5)mmol Fe 2+ x 0.055847 Fe2+
4.22 x .2242 x 5 x .5584
% de Fe2+ =
.84
100% = 36.77%
6 CONCLUSIONES
El análisis volumétrico permite evaluar la concentración desconocida del analito a través de la concentración conocida El punto final de la titulación es llamado punto de equilibrio el cual puede conocerse gracias a los indicadores, los cuales pueden variar sus concentraciones físicas dependiendo del tipo de solución presente. Finalmente son métodos relativamente rápidos, fácilmente automatizables, cuya precisión viene dada por la del material volumétrico utilizado. La muestra ha de estar disuelta
7 RECOMENDACIONES Elegir el indicador más adecuado para cada experimento, de manera que haya la menor diferencia posible entre el punto de equivalencia y el punto final. Cuidar del material volumétrico, sobre todo de los aforados ya que se dilatan fácilmente con el calor provocando un error de cálculo
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8 BIBLIOGRAFÍA HARRIS, D. C. (2007). Analisis Químico Buenos Aires-Caracas: Reverte.
Cuantitativo.
Barcelona-Bogotá-
DOUGLAS A SKOOG, DONALD M.WEST, F JAMES HOLLER. (2005). QUIMICA ANALITICA (SEPTIMA EDICIÓN ed.). BUENOS AIRESCARACAS: MC GRAW HILL.
8.1 LINKOGRAFÍA
http://ocw.um.es/ciencias/analisis-quimico/material-de-clase-1/tema-4.pdf https://es.wikipedia.org/wiki/An%C3%A1lisis_volum%C3%A9trico
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