Universidad del Valle de Guatemala Departamento de Química Química Analítica
Practica No. 11 DETERMINACIÓN DE PERÓXIDO DE HIDRÓGENO
Franny Casasola Ramírez, Carné: 11068 Sección de Laboratorio No. 31 Grupo No. 3 Fecha de Realización de Práctica: 26/04/2013 Fecha de entrega de reporte: 03/05/2013
I.
Sumario Se realizó esta práctica con el objetivo de estudiar y aplicar de manera directa un método volumétrico de Oxido-Reducción utilizando el Permanganato valorado con Oxalato de Sodio como patrón primario, en la determinación cuantitativa del Peróxido de Hidrógeno en una muestra comercial. Para dicha práctica se requirieron: Una pipeta graduada de 5.00 ± 0.04mL, una bureta de 50.00 ± 0.05mL, erlenmeyers de 250 mL y una balanza analítica OHAUS EXPLORER ± 0.0001g. Los reactivos empleados en la práctica fueron Ácido Sulfúrico, FERMONT, al 99% de pureza, Permanganato de Potasio, MERCK, al 99% de pureza, Oxalato de Sodio, MERCK, al 99% en pureza, y una muestra de Agua oxigenada Comercial. Para dicha práctica se llevó a cabo la realización de una solución de Permanganato de Potasio 0.1N, que serviría como agente titulante. Para la valoración de dicha solución se realizaron 3 diferentes estandarizaciones, de las que se obtienen las molaridades experimentales de: 0.042404M, 0.043592M y 0.043931M de lo que se obtiene el promedio de la molaridad para la solución, resultando esta de 0.043309M y una desviación de 0.000654 con un intervalo de confianza a el 95% de , se obtuvo una normalidad para la muestra de 0.1008 N. Se obtuvo que un porcentaje de peróxido de hidrógeno de 1.5909%, con una desviación de 0.05006 y un intervalo de confianza del 95% de . Con esto se procede a la determinación de la cantidad Peróxido de Hidrógeno en una muestra comercial, cuyo valor teórico debería oscilar entre 3% por cada Alícuota de 2.5mL. De las fuentes de error encontradas en esta práctica, cabe resaltar, que las lecturas más próximas al punto de equilibrio se encontraban a menos de una gota de la solución, por ello, es posible que en alguna de las valoraciones haya ocurrido que al momento se titular, se titulara un exceso. Para esta práctica es importante realizar la valorización del Permanganato de Potasio según lo indica el método de Fowler y Bright, para evitar posibles errores.
0.041684≤≤0.044933
1.3978≤≤01.6465
2
II.
Marco Teórico Volumetrías Redox (Permanganimetrías): Las valoraciones redox están basadas en la transferencia cuantitativa de electrones entre un electrolito valorante y la sustancia problema. Las permanganimetrías son un tipo muy importante de valoraciones redox y utilizan como agente oxidante KMnO4. El KMnO4 no es patrón primario pues, aunque puede obtenerse puro sus disoluciones se descomponen pronto parcialmente dando MnO2 y debe ser valorado frente a un patrón primario como el Na2C2O4. La reacción que tiene lugar (sin ajustar) es: KMnO4 + Na2C2O4 + H2SO4 → MnSO4 + K 2SO4 + CO2 + H2O Donde el H2SO4 proporciona el medio ácido necesario para la reacción. El KMnO4 valorado con K 2C2O4 puede utilizarse para la valoración de H2O2, desprendiéndose oxígeno según la reacción (sin ajustar): KMnO4 + H2O2 + H2SO4 → MnSO4 + Na2SO4 + O2 + H2O En estas valoraciones no es necesario utilizar un indicador para detectar el punto final ya que el mismo KMnO4 actúa como tal pues en la forma oxidada es de color violeta rojizo e incoloro en la reducida. Las disoluciones de KMnO4 se deben guardar en frascos de color topacio para evitar su descomposición por la luz (Fernández, 2001). Oxalato de Sodio: Na2C2O4: Se dispone de este reactivo comercialmente en estado muy puro, se disuelve en medio ácido sulfúrico, formándose ácido oxálico no disociado. 2 MnO4- + 5 H2C2O4 + 6 H+ « 2 Mn+2 + 10 CO2 + 8 H2O El mecanismo por el cual transcurre esta reacción es extraordinariamente complicado, y sólo se obtienen resultados analíticos reproducibles y estequiométricos cuando se satisfacen ciertas condiciones empíricas: ·
Debe valorarse a unos 70 ºC para favorecer la velocidad de reacción
·
A medida que avanza la reacción, el valorante reacciona cada vez con mayor rapidez, hasta que la reacción se vuelve prácticamente instantánea, constituyendo un proceso autocatalítico, en el cual uno de los productos de la reacción funciona como un catalizador, se forman complejos de oxalato de Mn(III). 4 Mn+2 + MnO4- + 15 C2O4-2 + 8 H+ « 5 Mn(C2O4)3-3 + 4 H2O
·
Estos complejos de Mn(III) se descomponen en varios pasos, formando Mn+2 y CO2: 2 Mn(C2O4)3-3 « 2 Mn+2 + 2 CO2 + 5 C2O4-2 3
La serie de reacciones es aún más complicada porque las especies MnO2 y Mn(IV) se cree intervienen como intermedios transitorios. El resultado neto de todas estas reacciones es que el H2C2O4 se oxida a CO2, el KMnO4 se reduce a Mn+2 y se obedece la estequiometría de reacción deseada (Fernández, 2001). Soluciones Patrón: Estas soluciones son las que desempeñan una función principal en las valoraciones volumétricas. Para que una solución sea considerada patrón es necesario que sea estable, para no tener que estar determinando su concentración cada vez que se utiliza. Es necesario que reaccione rápidamente con el analito a tratar, además de que reaccione lo más posible con el analito, para poder obtener puntos finales lo más cercanos al punto real de equivalencia. Además, se necesita que sea una reacción selectiva, en caso de que el analito no se encuentre completamente puro en la solución a analizar. (Skoog, 2005). Debido a que se necesita conocer la concentración de estas soluciones para realizar las valoraciones, es necesario determinar inicialmente la concentración de esta mediante métodos conocidos. Básicamente hay dos caminos para ello: el método direto, que consiste en que una cantidad del patrón primario se pesa cuidadosamente y se disuelve en un solvente adecuado y luego se diluye hasta un volumen conocido y lo más exacto posible, esto en un balón volumétrico. El otro camino es el método de estandarización, en la que se valora esta solución con una cantidad pesada de un patrón primario, secundario o bien un volumen medido de otra solución estándar. (Skoog, 2005). Puntos de equivalencia y puntos finales: El punto de equivalencia en las valoraciones son los puntos teóricos en los que la cantidad de moles del analito es equivalente a la cantidad de moles de la solución patrón utilizada. Debido a que es prácticamente imposible determinar este punto experimentalmente, se encuentra un punto cercano, en el cual se pueda observar el cambio físico que conlleva el cambio químico en el punto de equilibrio. Generalmente este punto se encuentra mediante la presencia de indicadores en las soluciones, los cuales cambian ya sea de color o de densidad (al formar sustancias gelatinosas o precipitados) dentro de las soluciones. (Skoog, 2005). Indicadores: El pH (que es una escala logarítmica en la que se expresa la concentración de iones hidronio), puede determinar el transcurso de una reacción. Un indicador de pH es una solución que se agrega al analito y que no reacciona con este, pero que tiene la propiedad física de cambiar de color dependiendo de la concentración de iones hidronio, en otras palabras varía dependiendo del pH. Existe una gran gama de este tipo de soluciones, estas dependiendo del uso que se necesite, ya que no todas tienen el cambio físico en el mismo pH. Hay soluciones que pueden cambiar de color (a lo que se le conoce como viraje) que pueden tener un cambio muy cercano al punto de equivalencia, o bien en un cambio mínimo de pH siempre que se encuentren en medio ácido, y también existen los que viran en medio básico. Debido a esto, es recomendable conocer como se comportarán las soluciones a valorar, ya que la variación de pH es diferente para cada valoración con diferentes soluciones a valorar. (Christen, 1986). 4
Así como existen diferencias en el pH, existen también soluciones que pueden servir como indicadores. Dentro de estas soluciones se encuentran las que contienen cromo, las cuales son ideales en las valoraciones de óxido-reducción ya que dependiendo del estado de oxidación del cromo el color de la sustancia varía. De allí su nombre, ya que en latín chromo significa color. (Christen, 1986). Formas de expresar concentraciones: Gran parte del estudio de la química se basa en las concentraciones de las soluciones que se utilizan, sin embargo existen diferentes maneras de expresar estos valores. Los más comunes son la molaridad, que proporciona una relación entre moles existentes por litro de solución; la molalidad, que es la relación entre moles de la sustancia por kilogramo de solución; normalidad que relaciona los equivalentes de una especie presente en una sustancia por litro de solución; y los porcentajes peso/peso, que relaciona la masa de la sustancia estudiada en relación a la masa total de la muestra; peso/volumen, que es la relación de la masa de la sustancia en el volumen total de la solución; y volumen/volumen, que es la relación del volumen de la sustancia en el volumen total de la solución. (Smoot, 1979).
A. Ecuaciones Ecuación No. 1: Propagación de error en cálculos de suma y resta.
=
Ecuación No. 2: Propagación de error en los cálculos de multiplicación y división.
= = ∑
Ecuación No. 3: Media.
N= número total de datos Xi= Sumatoria de los datos
Ecuación No. 4: Desviación Estándar.
= ∑−−
S= desviación estándar X= media Xi= sumatoria de los datos
=± √
Ecuación No. 5: Intervalo de Confianza.
5
% =| |∗100
Ecuación No. 6: Porcentaje de Error.
B. Reacciones Químicas
Reacción No. 1: Reacción del Ión Permanganato.
− 8+ 5− →+ 4 2− 3+ 2↔5 4+ 4− 2→4 3 4− 2− 5− 16+ →2+ 10 8 2− 5 6+ →2+ 5 8
Reacción No. 2: Reacción del reactivo en exceso con el manganeso (II). Reacción No. 3: Reacción de oxidación del agua por el Ión Permanganato. Reacción No. 4: Reacción de oxidación del Ácido Oxálico por el Ión Permanganato. Reacción No. 5: Reacción de oxidación del Ión Permanganato por el Peróxido de Hidrógeno.
III.
Resultados Finales Tabla No. 1: Molaridad, Normalidad e Intervalo de Confianza al 95% de la Solución de KMnO4. MOLARIDAD PROMEDIO 0.043309M ±0.000160
NORMALIDAD SOLUCIÓN 0.1008N
DESVIACIÓN ESTÁNDAR 0.000654
INTERVALO DE CONFIANZA AL 95%
0.041684≤≤0.044933
Tabla No. 2: Porcentaje en Peso e Intervalo de Confianza al 95% del Peróxido de Hidrógeno. PORCENTAJE EN PESO
1.5909% IV.
DESVIACIÓN ESTÁNDAR 0.05006
INTERVALO DE CONFIANZA
1.3978≤≤01.6465
Discusión Se realizó una práctica con el objetivo de estudiar y aplicar de manera práctica, el método volumétrico de oxido reducción, utilizando el Permanganato de Potasio, valorado con Oxalato de Sodio como patrón primario, para la determinación cuantitativa del contenido de Peróxido de Hidrógeno en una muestra comercial. Para esto, es necesaria la elaboración de una solución de Permanganato de Potasio 0.1N, que fungirá como agente titulante. Dicha solución necesita ser estandarizada utilizando como patrón primario el Oxalato de Sodio. Y finalmente, determinar el porcentaje peso/peso de Peróxido de Hidrógeno en una muestra comercial de Agua Oxigenada. 6
Para la fabricación del titulante, se utilizaron 0.3188g ±0.0001g de Permanganato de Potasio sólido, que se diluyó en 100mL de agua destilada. Seguidamente, se estandarizó la solución, para lo que se utilizan 0.0500 gramos de Oxalato de Sodio al 99%, que se disuelven en 125mL de una disolución de Ácido Sulfúrico 0.9M. La normalidad obtenida fue de 0.1008N. En este caso, es necesario un medio ácido ya que las soluciones de permanganato de potasio, corresponden a soluciones altamente oxidantes. De esta manera, la semireacción que se produce por las oxidaciones es: MnO4- + 8H++ 5e- Mn2+ + 4H2O Esta semirreacción sólo tiene lugar en soluciones de ácidos fuertes. De otra manera, en medio menos ácido, los productos pueden ser Mn3+,Mn4+, Mn6+. Sin embargo, se requiere de Mn2+ ya que cataliza la reacción entre el H2O2 y KMnO4 porque las soluciones de permanganato se descomponen lentamente haciendo que la reacción transcurra de igual forma. De esto se obtienen los volúmenes de permanganato y mediante estequiometría, se determina la molaridad del Permanganato de Potasio, de modo que se obtuvieron las siguientes molaridades, 0.042404M, 0.043592M, y 0.043931M, con una molaridad promedio de 0.043309M. Dichas variaciones (tanto del volumen empleado como de las molaridades obtenidas) son atribuibles a posibles complicaciones con la lectura del cambio de color (punto de equilibrio) de la valoración. Una vez estandarizada la solución de Permanganato de Potasio, se determinó el porcentaje en peso del peróxido de hidrógeno en la muestra comercial. Para esto, fue necesario disolver 2.5mL de Agua Oxigenada comercial en 25mL de agua destilada. Las reacciones que ocurren durante este proceso son las siguientes: Oxidación: H2O2 O2+ 2H+ + 2eReducción: MnO4 + 5 e + 8 H+ Mn2+ + 4 H2O -
-
De esta manera se observa que el agua oxigenada actúa como agente reductor oxidándose en el transcurso de la reacción, mientras que el permanganato participa como agente oxidante debido a que experimenta un proceso de reducción. Así pues, en el punto en que estas dos reacciones suceden, el permanganato cambia de tonalidad indicando el final de la titulación. Se obtuvo un porcentaje en peso de 1.5909% para el peróxido de hidrógeno. De los errores más comunes presentados durante esta práctica, radica el que para la primera determinación, se espero un cambio de color muy drástico (morado intenso), con lo que se sospecha, pudo haber causado que la titulación se llevara a cabo con un exceso del titulante.
V.
Conclusiones 1. Para la solución de KMnO4 se obtuvo una Molaridad promedio de 0.043309M, Normalidad promedio de 0.1008N e Intervalo de Confianza al 95% de
0.044933
.
0.041684≤≤ 7
2. Para el Peróxido de Hidrógeno se obtuvo un porcentaje en peso de 1.5909% con un . intervalo de confianza al 95% de
1.3978≤≤01.6465
3. De los errores más comunes presentados durante esta práctica, radica el que para la primera determinación, se espero un cambio de color muy drástico (morado intenso), con lo que se sospecha, pudo haber causado que la titulación se llevara a cabo con un exceso del titulante.
VI.
Apéndice A. Procedimiento Se siguió el procedimiento de la Guía de laboratorio No. 11: “Determinación de Peróxido de Hidrógeno” de la Ing. Jeannette Barrios del año 2013.
B. Datos Originales Tabla No. 3: Datos originales. DESCRIPCIÓN Masa permanganato de potasio Masa oxalato (1) Masa oxalato (2) Masa oxalato (3) mL utilizados permanganato estandarización (1) mL utilizados permanganato estandarización (2) mL utilizados permanganato estandarización (3) mL utilizados permanganato determinación Peróxido (1) mL utilizados permanganato determinación Peróxido (2) mL utilizados permanganato determinación Peróxido (3)
VALOR 0.3188 ± 0.0001 g 0.0250 ± 0.0001 g 0.0257 ± 0.0001 g 0.0259 ± 0.0001 g 7.10 ± 0.05 mL 10.30 ± 0.05 mL 13.50 ± 0.05 mL 10.80 ± 0.05 mL 10.00 ± 0.05 mL 10.20 ± 0.05 mL
C. Cálculo de Muestra
100 (10000.1 )(158.50339 )(10099 )=0.32 g 0.500 .. . =25.79 0.3188 (158.50339 ) =0.1008 0.100 Cálculo No.1: cantidad de permanganato de potasio para hacer solución.
Cálculo No.2: cantidad de ácido sulfúrico para solución.
Cálculo No.3: normalidad del permanganato.
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Cálculo No.4: molaridad del permanganato
0.0.0000103 250 . á..á... ±.=0.042404± . %= . ±. 10.1.58909% 0 . *Se realizó el mismo procedimiento para las otras titulaciones.
Cálculo No.5: porcentaje de peróxido de hidrógeno en la muestra
*Se realizó el mismo procedimiento para las otras titulaciones.
D. Análisis de error Cálculo No.6: promedio de las concentraciones de permanganato
+. = ∑ = . + . =0.043309
*se realizo el mismo calculo para el promedio de las normalidades de permanganato. Cálculo No.7: incertidumbre concentración permanganato
= =±0.000103
*se determinaron las incertidumbres utilizando Excel 2010 Cálculo No.8: incertidumbre promedio molaridad de permanganato
= = 0.000103 0.000123 =±0.000160
*se realizó el mismo cálculo para la incertidumbre del promedio de porcentaje de peróxido Cálculo No.9: Desviación estándar de la concentración de permanganato
= ∑−− =0.000654 =± √ . =0. 0 43309±4. 3 03 √ 0.041684≤≤0.044933
*se realizo el mismo cálculo con la desviación estándar del porcentaje de peróxido Cálculo No.10: intervalo de confianza del 95% para la concentración de permanganato
*se realizo el mismo calculo para el intervalo de confianza del 95% para el porcentaje de peróxido
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E. Datos Calculados Tabla No. 3: Datos intermedios calculados. DESCRIPCIÓN molaridad permanganato (1) Molaridad de permanganato (2) Molaridad de permanganato (3) Promedio de la molaridad del permanganato Desviación estándar de la concentración permanganato Intervalo de confianza al 95% de permanganato Porcentaje de peróxido en muestra (1) Porcentaje de peróxido en muestra (2) Porcentaje de peróxido en muestra (3) Promedio del porcentaje de peróxido Desviación estándar del porcentaje de peróxido Intervalo de confianza del porcentaje de peróxido obtenido
VALOR 0.042404 ± 0.043592 ± 0.043931 ± 0.043309 ±
0.0.0000103 00103 0.0.0000103 00160 0.000654 0.041684≤≤0.044933 M M M M
1.5909 % 1.4731 % 1.5025% 1.5222%
0.05006
1.3978≤≤01.6465
F. Referencia Bibliográfica Cabrera, N. 2007. Fundamentos de química analítica básica: Análisis cuantitativo. 2ª ed. Universidad de Caldas. 290pp. Christian, G. 2009. Química Analítica. Sexta edición. México. Editorial Mc-Graw-Hill. Pags: 828 Rouessac, F. 2003. Análisis químico: métodos y técnicas instrumentales modernas España: McGraw-Hill. Pág. 270-275 Skoog, D. 2005. Fundamentos de Química Analítica. Octava edición. México. Editorial Thomson. Págs. 1065 Prácticas de Laboratorio Tema 12: Volumetría REDOX. Documento tomado del Centro Universitario del Sur Occidente (CUNSUROC), de la Universidad de San Carlos de Guatemala. Publicado por Ing. Ernesto Fernández. Facultad de Ingeniería. Agosto, 2001.
VII.
Tabla de Datos Experimentales (Ver fotocopias adjuntas).
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