DETERMINACIÓN ESPECTROFOTOMÉTRICA DE MANGANESO EN ACERO
I.
INTRODUCCIÓN
El acero contiene cierta cantidad de metales, en el cual uno de ellos se encuentra en pequeñas cantidades de aproximadamente 0.5% pero puede variar de 0.3% - 0.8%, pero en aceros especiales puede llegar hasta 25%. Este es el Manganeso, el cual aumentaba la Fortaleza, dureza, durabilidad y resistencia al uso del acero. En las industrias de acero, la determinación de Manganeso es obligatoria y se debe controlar su contenido en el proceso de elaboración. La técnica utilizada en estas industrias es la espectrofotometría de emisión de chispa pero también se pueden utilizar técnicas como la absorción atómica o la espectrometría de emisión de Plasma. En casos donde el Manganeso se encuentra por debajo del 1%, se utilizó la espectrofotometría UV-VIS. Estos métodos se han basado en la oxidación del Manganoso (Mn2+) al Permanganato (MnO4-) en medio acido utilizando Per yodato de Potasio (KIO 4) como oxidante aunque podría también utilizarse NaBiO3 solido, PbO2 y K2S2O8, solo que el KIO4 es para cuando la determinación final se realice espectrofotométricamente ya que el KIO 4 es incoloro y su exceso no perturba la determinación espectrofotométrica. Como hierro es el componente principal del acero, se crea una interferencia muy fuerte por parte del férrico, por lo cual se añade acido fosfórico (H3PO4), el cual actúa como agente enmascarante, eliminando así la interferencia, formando el complejo Fe-fosfato incoloro. El per sulfato (S 2O82-) oxide el carbón que acido nítrico no pudo oxidar. La reacción a llevarse a cabo será: 2Mn2+ + 5IO4- + 3 H2O 2MnO4- + 5IO3- + 6H+ La espectrofotometría es una técnica que permite determinar la concentración de un compuesto en solución. Se basa en que las moléculas absorben las radiaciones electromagnéticas y a su vez que la cantidad de luz absorbida depende de forma lineal de la concentración.
II.
RESULTADOS EXPERIMENTALES OBTENIDOS
II. 1 Obtención del espectro de absorción del KMnO4
Concentración de la solución madre de KMnO4 = 0.5 g/L
Intervalo espectral = 450 – 600 nm
Se calibro el espectrofotómetro con el blanco para verificar que estuviese funcionando correctamente, conocer el grado de calibración del aparato; y tomar la referencia del solvente utilizado para disolver el analito que es analizado en sus diferentes concentraciones.
II.2 Construcción de la curva del ion MnO4
Se preparan 5 soluciones a diferentes concentraciones partiendo de la solución madre de KMnO4 de concentración 0.5 g/L, se toman los espectros para cada solución tomando la longitud de onda de absorción en 526 nm.
Figura 1. Disoluciones en diferentes concentraciones partiendo de la solución madre de permanganato
Tabla Nº 1 Datos referentes a la curva de calibración de la A Vs Con de las disoluciones Balón Vol. Sln patrón (mL) Conc sln ( g/L) A (525 nm) A 1.5 0.015 0.229 B 3 0.030 0.441 C 3.5 0.035 0.512 D 4 0.04 0.591 E 5 0.05 0.738
Con los datos obtenidos en cada una de las disoluciones se construye la curva de calibración
Grafica 2. Curva de calibración de la soluciones preparadas a partir de la solución madre de concentración 0.5 g/L, dada por el espectro Uv-visible.
A vs C (g/L) 0.8
y = 14.682x + 0.0025 R² = 0.9998
a i c 0.6 n a b 0.4 r o s b 0.2 A
0 0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Concentracion g/L
Grafica 3. Curva de calibración de la soluciones preparadas a partir de la solución madre de concentración 0.5 g/L, hecha en Excel.
Pendientes Espectro Uv- visible = 14.557 Sacada con la tangente =
Excel= 14,68
Se puede observar que los puntos fueron congruentes lo que cabe decir que las diluciones fueron preparadas correctamente, en las pendientes las diferencias son mínimas.
Figura 4. Espectro Uv-visible de la solución KMnO 4
Figura 5. Espectro Uv-visible de la solución KMnO 4 %T vs λ (nm) En la figura 4 y 5, podemos observar el espectro de absorción de la solución de permanganato de potasio; observando claramente 3 picos bien definidos y un pequeño hombro al lado izquierdo y al lado derecho alrededor de los 485 y 570 nm respectivamente pero que no tiene importancia en el análisis; y se aprecian también 3 valles.
La longitud de onda máxima se encuentra alrededor de los 525 nm que presento una absorbancia de 0,568 y corresponde al segundo pico de la banda de absorción. Tabla N° 2 Características espectrales del ion permanganato
II.2.1 Verificación de la dependencia a la ley de Beer Tabla Nº 3 Datos referentes a la verificación a la ley de Beer y los referentes a al estudio del intervalo ideal en que es cumplida la ley de Beer (curva de Rigbam) Balón
Vol. Sln
Conc. g/L
Log conc
A B C D E
1.5 3 3.5 4 5
0.015 0.030 0.035 0.04 0.05
-1.824 -1.523 -1.456 -1.398 -1.301
A(525 nm) 0.23 0.44 0.51 0.59 0.74
%T
100-%T
58.9 36.30 30.90 25.70 18.19
41.1 63.7 69.1 74.3 81.8
Figura 6. Curva de Rigbam para el sistema KMnO 4 C1 = 10-1.81=0.0155 C2= 10-1.3=0.0501 Se pudo comprobar que esta bien el intervalo en la curva de Rigbam que es 0.0501-0.015 g/L que son los correspondientes a las concentraciones dadas al principio.
II. 3 Determinación de manganeso en acero
Figura 8. Calentamiento en determinación del manganeso en acero.
Figura
7.
Materiales usados en la determinación del manganeso en acero ; agua regia, Maquina de afeitar.
Se pesó 0.05 gr de acero extraídos de una máquina de afeitar, se le adicionó 10 mL de agua regia y fue sometido a calentamiento.
Figura 9. Solución después de adicionarle
Figura 10. Solución después de agregarle
agua destilada y H3PO4 conc.
KIO4 en calentamiento
Al enfriarse, se le añadieron a la solución 2 mL de H2SO4 conc; se calentó hasta observar el desprendimiento de gases blanco. Se dejo enfriar y se le adicionaron 10 mL de agua destilada y 5 mL de H3PO4, verificando que la Solución sea incolora.
Por ultimo se añade 0,3 gr de yodato de potasio. Se dejó hervir la solución por 1 minuto aproximadamente y se continuo con su calentamiento 5 minutos más hasta que la solución se torno violeta, indicándonos la formación del permanganato.
Tabla Nº 4 Concentraciones de las soluciones problema en la determinación de manganeso en acero dadas por el espectro Uv- visible
Figura 10. Curva de calibración de las soluciones desconocidas en la identificación del manganeso en acero.
Se puede observar que los puntos fueron congruentes lo que cabe decir que las diluciones fueron preparadas correctamente.
II. 4 Ejercicios y Preguntas II. 4.1 Escriba y discuta la ecuación química inherente a esta determinación. La reacción que tiene lugar seria: Mn+2
KIO4
Mn+7
2Mn3+ + 2H2O ↔ MnO2 + Mn2+ 4H+ 3MnO4 -2 + 2H2O ↔ MnO2 + 2MnO4- + MnO2 + 4OH4MnO4 - + 4H+ ↔ 4 MnO2 + 2H2O + 3O2 2Mn2+ + 5IO4- + 3H2O
4MnO4- + 5IO3- + 6H+
En esta reacción el KIO 4 es un agente oxidante fuerte y luego de tener el manganeso (II) en la solución, fácilmente es oxidado a manganeso (VII). La solución pasa de estar incolora a una coloración violeta característico del permanganato de potasio.
II. 4.2 Calcule el coeficiente de absortividad molar del ion permanganato
PM= 158 g/mol
II. 4.3 Con los datos obtenidos del espectro de absorción (A Vs longitud de onda), construir el espectro de absorción graficando él %T en función de la longitud de onda. %T=10-A x 100
Tabla Nº 5 Datos obtenidos por el espectro λ
(nm)
%T
507,005 525,807 545,306
37,33 27,04 28,38
%T vs
λ
40 35 T %30
25 20 0
0.5
1
1.5
λ (nm)
II. 4.4 Con los datos obtenidos calcule él %Mn en el acero analizado
Para muestra prob 1
Para muestra prob 2
Para muestra prob 3
. II. 4.5 ¿Porque es necesario tratar el acero con agua regia?
Aunque el agua regia disuelve el acero, ninguno de sus ácidos constituyentes puede hacerlo por sí solo. El acido nítrico es un potente oxidante, que puede disolver una cantidad minúscula (prácticamente indetectable) de acero, formando iones de manganeso. Por su parte el HCl proporciona los cloruros que reducen el permanganato formado y por lo tanto, hubo necesidad de utilizar HCl, deben ser eliminados previamente en forma de vapores de HCl calentado la disolución en presencia de H2SO4. Puesto que está presente Fe (III) amarillo, se adiciono acido fosfórico para formar el complejo incoloro de hierro-fosfato. Cantidades importantes de otros iones coloreados (Ce4+, Ni2+, Co2+, Cu2+y Cr2O72-) también interfieren. Además por calentamiento se elimino el NO en forma de un gas marrón.
II. 4.6 ¿Cuál es la función del KIO4? El KIO4 es muy utilizado como oxidante cuando la determinación final va a realizarse espectrofotométricamente ya que el per yodato es incoloro de modo que su exceso no perturba la determinación espectrofotométrica. Sin embargo, este oxidante no es recomendado en el caso de llevar a cabo de un método volumétrico dado que es difícil de eliminar posteriormente el exceso del mismo.
II. 4.7 ¿Cuál es la función del ácido fosfórico? El manganeso en el acero presenta una posible interferencia de parte del hierro, esto se debe a que el hierro se encuentra en grandes proporciones y al disolver el acero este ha pasado a ion férrico. La interferencia del ion férrico se puede minimizar al añadir acido fosfórico donde el ion del fosfato forma un ion de complejo incoloro con el hierro.
II. 5 CONCLUSIONES Se determino el porcentaje de manganeso en una muestra de acero presente en algún producto de uso comercial, mediante la digestión del acero para tratar sus aleaciones y utilizando los métodos de análisis instrumental como herramienta principal y como un método moderno que facilita realizar este tipo de análisis, en este caso el espectro de absorción molecular, que proporciona al químico herramientas que le permiten hacer un análisis mucho más detallado al tratar con este tipo de analitos presentes en las aleaciones.
II. 6 BIBLIOGRAFIA SCOOG, Dooglas. Principios de análisis instrumental. Quinta edición. Editorial McGraw-Hill.España 2001.WALTON, Harold F. Análisis Químico e Instrumental Moderno. Editorial Revete S.A España1978.EWING, Galen W. Instrumental Methds of Chemical Analysis. Segunda Edición. EditorialMcGraw-Hill. España 1960
A
C 0
0
0,0025
0,043735
0,005
0,078985
0,025
0,39641
0,03
0,48762
0,035
0,55481
0,04
0,64594
0,045
0,72358
0,06
0,96393
0,1
1,5795
A vs C
y = 15.847x + 0.0047 R² = 0.9998
1.8 1.6 1.4 a i 1.2 c n a 1 b r o 0.8 s b A0.6
0.4 0.2 0 0
0.02
0.04
0.06
0.08
concentracion g/L
0.1
0.12
̅
