FCNM Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas
Departamento de Ciencias Químicas y Ambientales -Laboratorio de Química AnalíticaPráctica #9 Determinación de calcio en piedra caliza
Autor: Joel I. Alomalisa Profesor: Ing. Christian Macías Paralelo: 103 Fecha de Entrega: 22 de julio de 2018
I Término-2018
Carrera de Ingeniería de Minas
1. TÍTULO: Determinación de calcio en piedra caliza. 2. OBJETIVO GENERAL ❖ Determinar de manera experimental el contenido de calcio en una muestra de roca caliza como porcentaje de CaO, por método volumétrico de permanganometría. ESPECÍFICOS ❖ Preparar los reactivos con sus concentraciones correspondientes para utilizarlos durante la práctica. ❖ Determinar el volumen de permanganato de potasio necesario para la neutralización del oxalato de calcio de la solución problema. ❖ Identificar las reacciones presentes durante la práctica. •
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3. MARCO TEÓRICO El calcio es el quinto elemento en orden de abundancia en la corteza terrestre, su presencia en las aguas naturales se debe a su paso sobre depósitos de piedra caliza, yeso y dolomita. Las calizas son rocas sedimentarias de origen fundamentalmente químico u orgánico, formadas al menos por un 40% de () es el principal componente de este tipo de roca. Puede también puede contener en pequeñas proporciones minerales de hematita, siderita, cuarzo, además de presentarse en forma de rocas dolomíticas que contienen cantidades importantes de carbonato de magnesio. (Kogel, J. E., 2006) La roca caliza suele contener otras cantidades de minerales como el magnesio, silicatos, manganeso, hierro, titanio, aluminio, sulfatos, estos son presentados como impurezas debido a su porcentaje en comparación con el calcio dentro de la estructura de la roca caliza. En este experimento las reacciones que se llevarán a cabo harán permanecer sin reaccionar a las impurezas, luego en la etapa de filtrado, todas las impurezas serán removidas a excepción del calcio, magnesio, sodio, potasio de la solución, para luego, mediante la adición del ion oxalato lograr obtener un precipitado de oxalato calcio, el cual es uno de los fines de este experimento (Shand, M. A.,2006). En muchos casos, el ácido clorhídrico descompone a las rocas calizas completamente, quedando sólo la sílice sin disolver. Algunas calizas se descomponen más fácilmente si primero se calcinan; otras, tienen que someterse a disgregación por fusión con carbonato sódico. (Skoog & West, 1986) A nivel comercial, la caliza es un componente importante del cemento el cual es usado en las construcciones civiles, también esta puede ser usada junto a áridos como componente principal, para fabricar lechadas para pintar superficies, así como también aplicaciones en industria farmacéutica o peletera. (Rochow, E. G., 1981)
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Carrera de Ingeniería de Minas El calcio, al igual que muchos cationes, se determinan bien por precipitación de ion oxalato. En este método, se agrega un exceso de ( ) a una disolución acuosa de la muestra. Después se adiciona para neutralizar el ácido y provocar que todo el calcio de la muestra se precipite como . Las reacciones son:
2 → 2 .+ .− + → El calcio y el magnesio generalmente se presentan juntos (mineral dolomita), para determinar sólo el calcio, es necesario regular el pH con una solución buffer de .+ Si la masa del precipitado se forma en un ambiente ligeramente ácido, en el que la sal es moderadamente soluble, se obtienen cristales grandes que se filtran con facilidad. La precipitación se completa con la adición lenta de una disolución acuosa de amoniaco, hasta que la acidez sea suficientemente baja para que precipite todo el oxalato de calcio. La precipitación adicional producida durante esta segunda etapa se deposita sobre las partículas sólidas que se formaron en la primera etapa. El precipitado de oxalato de calcio resultante se filtra, se purifica del exceso de reactivo precipitante y se disuelve en ácido sulfúrico, en presencia de este acido se produce una descomposición de todos los oxalatos solidos con desprendimiento de monóxido y dióxido de carbono; el ácido sulfúrico actúa como agente deshidratante (Vogel, 1996). El ácido oxálico liberado se valora luego con permanganato de potasio o algún otro reactivo oxidante a una temperatura de 60-70º C. Este método es aplicable a muestras que tienen magnesio y metales alcalinos, pero no pueden existir otros muchos cationes, que precipiten o coprecipiten como oxalatos dando errores positivos en el análisis, la reacción es específica para oxalatos. (Vogel, 1996).
2 3 5 → 2 10 8 La reacción entre el ion permanganato y el oxalato de calcio es compleja y se lleva a cabo lentamente incluso a temperatura elevada a menos que esté presente el Manganeso (II) como catalizador. El color morado intenso de la solución de permanganato de potasio sirve como indicador en las valoraciones. En el punto final, la disolución tendrá una coloración rosa debido al primer exceso de KMnO4. (Vogel, 1996).
4. MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS Equipos •
Balanza analítica (Marca OHAUS, 4 decimales de precisión)
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Bomba de Vacío (Marca Glassco)
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Sorbona (Marca Quimis)
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Plancha de calentamiento (Marca Cole-Parmer)
Materiales •
Probeta graduada (Marca Bomex, 100 ±1ml)
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Probeta graduada (Marca LMS, 25±0.25ml)
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Pipeta graduada (Marca Glassco, 10±0.05ml)
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Vaso de precipitación (50 y 600 ml)
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Kitazato (250 ml, Marca Glassco)
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Pipeta (10ml)
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Bureta (50 ml)
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Crisol de gosch
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Adaptador walter
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Soporte universal
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Vidrio de reloj
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Agitador de vidrio
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Pera de succión
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Embudo cónico
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Espátula
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Papel indicador de pH
Reactivos •
Muestra de piedra caliza
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Agua de bromo
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H2O (d)
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HCl (c)
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(NH4)2C2O4 6% p/v
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KMnO4 [0.2 M]
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NH3 [6M]
• •
H2SO4 [3M] Rojo de metilo
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5. PROCEDIMIENTO Preparación de la Muestra Antes de empezar la práctica, se toma la piedra caliza, se tritura y se pesa una muestra de piedra caliza de 0.15 gr (previamente se secó la muestra durante 1 a 2 hora a 110°C y se enfría en un desecador). Después se agrega 5 ml de H 2O a cada muestra y cubrir con un vidrio de reloj Finalmente se agregó 5 ml de HCl(c) gota a gota, procurando evitar pérdidas por salpicaduras y hervir suavemente en una estufa durante 10 minutos.
Preparación del Oxalato de Calcio Agregamos 5 gotas de agua de Br para oxidar cualquier Fe presente en la muestra y hervimos suavemente utilizando la campana de extracción por 5 minutos para eliminar el exceso de Br2. Diluimos la solución de muestra cerca de 25ml, calentamos a ebullición y adicionamos 50ml de solución caliente de (NH4)2C2O4 6% p/v y así mismo añadimos de 3 a 4 gotas de rojo de metilo y precipitamos CaC2O4 por la adición lenta de NH3 6M. Cuando el indicador empiece a virar, añadimos NH3 a una velocidad de una gota por cada 3 segundos y continuamos hasta que las soluciones cambien al color intermedio amarillo-naranja del indicador en un rango de 4.5 a 5.5 y comprobamos el pH con el papel indicador. Dejamos que las soluciones reposen por no más de 30 minutos y filtramos, Luego lavamos los precipitados con varias porciones de 10 ml de H2O fría sin tener riesgo de peptización, enjuagar el exterior de los crisoles para eliminar (NH4)2C2O4 residual y regresar el precipitado a los vasos en los cuales se formó el CaC2O4.
Para la Titulación: Adicionamos 50 ml de agua y 25 ml de H2SO4 3M al vaso que contiene el CaC2O4. y el crisol. Caliente entre 80-90°C y titule con KMnO 4 0.2 M. La temperatura debe ser superior a 60°C durante toda la titulación y es necesario calentar si fuese necesario. Finalmente calculamos el contenido de calcio como porcentaje de CaO
6. REACCIONES Disolución del Carbonato de Calcio () → () ()
Oxidación de Hierro 2 +() () → 2 +() 2 − ()
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Carrera de Ingeniería de Minas Precipitación del Oxalato de Calcio + () ( ) () () () → () 3 + () − ()
Reacción del Oxalato de Calcio con el Ácido Sulfúrico ( ) () → () ()
Titulación con permanganato de potasio () 3 () 5 () → () 2 () 10 () 8 ()
7. RESULTADOS Tabla 1 Datos en bruto de la práctica realizada
Masa de muestra de caliza
0.1504gr
Volumen consumido de KMnO(ac) 9.3 ml
Cálculos Para preparar el reactivo ( )
200 ∗
100 ∗
1 1000 0.2 ∗
∗
6 100
= 12
0.2 158.04 ∗ = 3.1608 1 1
6 1
∗
17 1
∗
100 29
= 70.3448
Eq-q del (ac) 0.2
_ = [1] ∗ . = _ 2 4 2 4 = (0.2) ∗ (0.0093) = 0.00186
Masa de CaC2O4 0.00186_ ∗
64 1_
= 0.11904
% de CaO en la muestra
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Carrera de Ingeniería de Minas 0.11904 ∗
% =
56 128
0.05208 0.1504
= 0.05208
∗ 100 = . %
Tabla 2. Resultados de la práctica
Masa de CaO 0.052 gr % de CaO
34.63 %
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS La muestra de 0.1504gr de piedra caliza presentó un valor de 0.052 gr de CaO y un porcentaje de 34.6%, durante el desarrollo de la práctica se pudieron generar errores, atribuyéndose a diferentes factores como: El hecho de que durante la titulación del , el analista empezó a titular sin elevar la temperatura. Un error de tipo positivo pudo efectuarse si se formaron complejos de oxalato de magnesio. El oxalato de calcio se formó correctamente al agregar amoniaco, mismo que neutralizó ligeramente el medio, y a su vez el exceso de amoniaco favoreció, mediante el equilibrio amoniaco-amonio que el oxalato precipite de manera selectiva con el calcio. A partir de la obtención del precipitado de oxalato de calcio se puede utilizar no un método volumétrico, sino más bien un método gravimétrico mediante la volatilización de componentes para determinar de forma indirecta la cantidad de CaO presente en la muestra.
9. OBSERVACIONES Al inicio de la práctica se observa una reacción de efervescencia de la caliza al reaccionar con el HCl, liberando CO2, esta es una característica típica de los las rocas carbonatadas. Al momento de agregar Br a la solución, esta se torna de un color amarillento, esto debido a la presencia de iones Fe+3, y el exceso de Br se elimina calentando la solución. Al adicionar el indicador (rojo de metilo) a la solución, esta toma un color rojizo, indicativo que la solución es ácida. Joel Alomalisa
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Carrera de Ingeniería de Minas El precipitado se trabaja en medio ligeramente ácido ya que si se realiza en un medio neutro amoniacal se produce una coprecipitación, es decir el calcio podría formar hidróxido de calcio Al agregar amoniaco a la solución cambia de color rojizo a un amarillo anaranjado, indicativo que existe un aumento de pH de la solución, y además el oxalato de calcio empezaba a precipitar (se nota precipitados de color blanquecino). Al agregar agua y ácido sulfúrico a la solución, esta se torna de un color fuxia, mientras que al titular con KMnO 4 se observó el cambio de color de la solución, de un color violeta a un rosa pálido. No se utiliza el pH-metro debido a que la solución se encuentra caliente y esta puede dañar el bulbo del equipo. El lavado se lo realiza fácilmente con agua destilada ya que en este caso no se peptiza (precipitado no coloidal).
10.RECOMENDACIONES Es recomendable la utilización de guantes durante la práctica ya que se manipulan reactivos concentrados. Cuando se realice la disolución de la muestra de piedra caliza con HCl, tener en cuenta que se debe añadir en primer lugar el agua y luego el ácido para evitar calentamiento brusco y salpicaduras. No dejar reposar el precipitado por más de 30 min. Debido a que se puede producir interferencias con el magnesio, si la caliza tiene un valor alto de magnesio, se forma oxalatos de magnesio e incurriría en un error de tipo positivo. Agregar lentamente el permanganato de potasio, ya que se requiere el primer punto final por lo cual se debe evitar los excesos en la solución. Registrar varias mediciones de pH con el papel indicador, cuando se añada el NH3 a la solución, esto ayudará a determinar qué tan cerca se encuentra del viraje de color de la solución de roja a naranja, y así evitar exceso de NH3. Lavar el precipitado la cantidad de veces que sea necesario y con cuidado para evitar pérdidas por precipitado. Es recomendable duplicar el procedimiento para obtener valores promedio y establecer un correcto valor de CaO. Mantener la temperatura de la solución de oxalato de calcio entre 80 y 90 °C durante la titulación, evitando el descenso de temperatura a valores por debajo de los 60 °C.
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11.CONCLUSIONES Se determinó el contenido de calcio en una caliza como porcentaje de CaO mediante volumetría a través de titulación con permanganato de potasio, ya que esta solución actúa como un auto-indicador y el color de sus disoluciones permite observar claramente el punto final de la disolución, De acuerdo con el contenido de calcio calculado en la muestra se determina que efectivamente pertenece a una muestra de caliza con 34% de CaO lo cual debido a su buen porcentaje de CaO se puede considerar en convertirla en una mena de agregado con el fin de preparar cemento ya que esta es la mayor de sus aplicaciones a nivel mundial, además se puede utilizar en productos agroquímicos por su contenido de Ca que contiene en su estructura.
12.BIBLIOGRAFÍA
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Voguel, A, (1996). Química Analítica Cuantitativa, Segunda Edición, Editorial Kapelusz, págs.( 387-392), Buenos Aires. Skoog, West, Holler; (1997). Fundamentos de Quìmica Analitica, Cuartas Edicion. Editorial REVERTE S.A, págs.( 468-469), Barcelona-España Kogel, J. E. (2006). Industrial minerals & rocks: commodities, markets, and uses. Littleton, CO: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration. Pag: 579 Shand, M. A. (2006). The chemistry and technology of magnesia
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