EQUILIBRIO DE LAS SOLUCIONES

4° LABORATORIO: LABORATORIO: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES

EQUILIBRIO DE LAS SOLUCIONES “METODO COLORIMETRICO” I. -

OBJETIVO: Dete Determ rmin inac ació ión n y anál anális isis is cual cualit itat ativ ivo o y cuan cuanti tita tati tivo vo de sust sustan anci ciaa por por método método calori calorimét métric rico o basado basado en la propie propiedad dad que poseen poseen todas todas las

-

sustancias de absorber la emisión de la luz. Adiest Adiestram ramien iento to en el buen buen uso del del aparat aparato o de medici medición ón de inten intensid sidad ad de una sustancia estudiada, colorímetro.

II.

FUNDAMENTO TEÓRICO

El método colorimétrico es un método basado en la propiedad que tiene todos los cuerpos de absorber la radiación solar para la cual previamente el alumno debe revisar alunos conceptos.

!na sustancia en solución absorbe cierta cantidad de enería de la radiación electromanética, esta varía directamente proporcional a la concentración de la sustancia" cuando esta absorción es en la reión visible del espectro, el análisis análisis se denomina colorímetr colorímetro o debido esta absorción absorción podemos podemos saber que tan concentrada es un solución por medio de su coloración por supuesto con la ayuda de un espectrómetro.

Radiación elec!"#a$n%ica& Es una #orma de enería que se transmite por el espacio a velocidad muy alta por medio de ondas sinusoidales.

E'(ec!" elec!"#a$n%ic" : Es el con$unto de distintos tipos de radiación electromanética que abarcan las distintas lonitudes lonitudes de onda.

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4° LABORATORIO: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES

L)* +i'i,le& !na parte del espectro electromanético cuyas lonitudes de ondas pueden ser percibidas por la vista %umana. &ambién es conocida como luz blanca.

ABSORCIÓN DE LA LU- LE/ DE BEER0& 'onsidérese un %az de luz dx

monocromática que pasa a través de una placa de un absorbente de espesor

.

I + dI

I

(ea la intensidad del %az incidente e

, la intensidad del %az emerente.

)a intensidad del %az es el n*mero de cuantos de luz que atraviesan un plano perpendicular a la dirección del %az de área unidad en la unidad de I

−

dI

tiempo. (ea este n*mero . Entonces,

es el n*mero de cuantos absorbidos

dx

dx

−

dI I

en la distancia . )a probabilidad de absorción en la distancia es " si la placa es delada, la probabilidad de absorción es proporcional al espesor de la placa y al n*mero de moléculas que absorben en la placa, esto es, a la concentración de la especie absorbente. &enemos: dI −

I

=

%dx kc

.......+ + mol

/ c

Donde  es la constante de proporcionalidad,

es la concentración

m

0

,

dx

y

es el espesor de la placa.

)a ecuación + establece que la disminución relativa en intensidad del %az es proporcional al n*mero de moléculas absorbentes en la palca de material. (i %ay varias clases de moléculas presentes, cada una con distinta capacidad para absorber la luz de la #recuencia en cuestión, entones: dI −

I

=

% % + k2c + ........) dx (k1c 1 2

.......+1

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4° LABORATORIO: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES k  , k 1 ,....,

)as constantes son características de las sustancias en cuestión. 2ara cualquier sustancia, el valor de  depende de la lonitud de onda. (i la sustancia es transparente a una lonitud de onda determinada, pasara toda la k

=3

luz y . (i a una lonitud de onda determinada todas las sustancias son transparentes e4cepto una, entonces la ecuación +1 se reduce a la ecuación +. )a interación de la ecuación + da I

dI

∫I

I0

l

= − kc%∫ dx 0

I 3

Donde es la intensidad de %az incidente e I es la intensidad del %az emerente después de pasar a través de la lonitud total de la celda de lonitud l . 5nterando, obtenemos:

 I   I ÷ = −kcl  

ln

I

0

=

%

− kcl

I 0e

o bien

....... +0

Es costumbre usar en espectro#otometría usar loaritmos comunes en luar de e

loaritmos naturales" así en la ecuación +0 reemplazamos la base natural, I

,3 3.60617

por

= I 3,3

−3.6060k c/l

y obtenemos

/

E

. De#inimos I

=

=

,

3.6060k "

entonces,

% %

− Ecl

I 010

. ......+6 /

/

E

E

)a constante, , es el coe#iciente de absorción molar de la sustancia" se denomina también coe#iciente de e4tinción. )a transmitancia, T , se de#ine por: T =

I I0

.......+8 9 la absorbancia, A, se de#ine por UNI - FIGMM

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A

= − lo ,3 T

T = ,3

o bien

− A

.......+

(i la absorbancia aumenta en una unidad, la transmitancia disminuye en un #actor de diez. )a ecuación +6 es una e4presión de la ley de ;eer-)amber, llamada a menudo simplemente ley de ;eer. )a ley de ;eer es la ecuación básica para los diversos métodos de análisis colorimétricos y espectro#otométricos. (i se cumple la ley de ;eer, entonces la absorbancia está dada por: A

=

%c % E l

.......+< / c

'omo

mol = m

esta en

0

, l lo esta en metros y A debe ser un numero puro, /

E

m

1

m ol

tenemos que las unidades (5 para son . El coe#iciente de absorción molar, E, %a sido de#inido tradicionalmente por A>Ecb, donde c esta en mol=l y b es la lonitud de las celdas en centímetros. esto le da a E la unidad /

E

patolóica + pero mane$able  de mol -cm-. en consecuencia E>3 /

donde E

E

y son los coe#icientes de absorción molar e4presados en las unidades clásicas y (5, respectivamente. ?iura 

E'(ec!"1""#e!2a de A,'"!ción 2ara que la concentración de una sustancia pueda ser determinada con base en su propiedad de absorber enería radiante, debe e4istir una UNI - FIGMM

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correspondencia lineal entre su concentración y la manitud de su absorción, en aluna reión del espectro electromanético. Este requisito se e4presa también diciendo que la sustancia debe cumplir la ley de )ambert-;eer, ecuación que e4presa la relación matemática entre la concentración de una substancia y la manitud de su absorción de enería, ?iura 1. De ac)e!d"

c"n e'a le34 5Ln IE 6 IO 7

8,c 7

5 Ln T

7

8,c

En donde & es la @ Transmitancia  o cociente entre la intensidad de la luz emerente, 5 E y la intensidad de la luz incidente, 5 B. & > 5E = 5B. ?iura 1.- Cadiación que Atraviesa un edio Absorbente

A su vez, @ b es el camino óptico o anc%o de celda y @, la @ absortividad  del medio, una constante de proporcionalidad. El &érmino @ - Ln T ” 'e c"n"ce

c"#" la “A,'"!,ancia” 3 a'24 --)n 5E = 5B >

8,c 7

A

Le3 de La#,e!5Bee!

B bien, en términos de loaritmos decimales, A

>

1,030 bc

ótese que si el @camino óptico, b se mantiene constante para un con$unto de mediciones, entonces la @Absorbancia dependerá solo de la concentración de la sustancia absorbente, A >  c.

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En los inicios de esta técnica, las mediciones se e#ectuaban construyendo primero una curva de calibración de Absorbancia @vs 'oncentración para la especie en estudio y lueo se interpolaba en ella, las absorbancias de las muestras. En la actualidad, los espectro#otómetros disponibles en el mercado, almacenan en su memoria un ran n*mero de curvas de calibración, para el análisis de diversas especies, en diversas escalas de concentración, de tal suerte, que el procedimiento de medida eneralmente se limita a la selección del método en el instrumento y a la lectura de las muestras. 'uando un %az de radiación monocromática, con intensidad 5o, incide sobre una cubeta conteniendo una solución, varios #enómenos pueden ocurrir. El e#ecto más sini#icativo ocurre cuando parte de la radiación es absorbida por el medio que está siendo analizado. (in embaro, este no es el *nico e#ecto que puede ser observado El termino espectro#otometría se re#iere al uso de la luz para medir las concentraciones de sustancias químicas, en este in#orme consideraremos los principios #undamentales de la absorción y la emisión de la luz. (abemos que una sustancia en solución absorbe cierta cantidad de enería de radiación electromanética, esta varía directamente proporcional a la concentración de las sustancias. )a absorción de la luz se puede medir en términos de la absorbancia +A o de la transmitancia +&, que se de#inen como A > )BF + 2o = 2  y & > 2 = 2o, donde 2o es la potencia radiante de la luz que incide la muestra y 2 es la potencia que emere del otro lado. )a principal aplicación analítica de la espectroscopia de absorción deriva del %ec%o de que la absorbancia es proporcional a la concentración de la especie absorbente en una solución diluida +(B)!'5B DE ;EEC : A > E.;.'. de donde ; es el espesor de la celda, ' es la concentración, y la constante de proporcionalidad es la absortividad molar +E. )a aplicación analítica más com*n de la espectro#otometría se basa en la proporcionalidad entre absorbancia y concentración. (i se mide la concentración de una serie de patrones, puede concentrarse por comparación directa de la concentración de una muestra problema tratada en la misma #orma que los patrones.

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2ara encontrar las concentraciones de @n componentes que absorben en una mezcla, es su#iciente en principio %acer una serie de modi#icaciones de absorbancia de @ n di#erentes lonitudes de onda.

USO DEL ES9ECTROFOTOMETRO ULTRAVIOLETA 6 VISIBLE . 2ara cada medición se debe calibrar el espectro#ometro al 33G usando una solución incolora +aua destilada, debido a que la maquina es muy sensible a las variaciones de presión y temperatura. 1. El selector de lonitud de onda como su mismo nombre lo dice permite seleccionar la lonitud de onda en este e4perimento. 0. )a escala que se ve nos muestra el porcenta$e de transmitancia de la muestra. 6. En el comportamiento de la celda se introduce la muestra a analizar.

III. 9ROCEDIMIENTO& A. 9!e(a!ación de la '"l)ción e':nda! ;<<< #$!6L0& 2ara e#ectos de a%orrar reactivos y anar tiempo la solución #ue preparada por el encarado del laboratorio: se utiliza  r de cobre, este se disuelve en ácido nítrico, y a esta solución se area unas 0 a 6 otas de H6BH, esta solución resultante se vierte en una #iola de 333 ml y se enrasa con aua destilada.

B. Dee!#inación de la c)!+a de !a,a=" A partir de la solución patrón necesitamos preparar soluciones en las #iolas de 83 ml con las siuientes concentraciones: uestra patrón de 'uB0 333 mr=)

)as concentraciones pedidas se calcularon por dilución +'.I > '1.I1 JIolumen requerido IC , volumen de #iola I?, concentración pedido '1 concentración inicial ' +333mr=)K. (e sabe: 'IC > '1I?

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4° LABORATORIO: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES C 1V F C ,

=

C 1 F 1

,333

IC > Ceemplazando:

C"ncen!ación C? N> #$6l  1 0 6 8

83 33 033 683 33

V"l)#en de La 1i"la #l0

V"l)#en de S"l. E':nda! #l0

33 33 33 33 33

8 3 03 68 3

)ueo de obtener todas las concentraciones pedidas sacar una muestra de cada una de ellas en los tubos de ensayo para obtener el porcenta$e de transmitancia de cada muestra.

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ESPECTROFOTOMETRO


&'a"i'i#n"& $# *#l"a

T 0% Aj!"# $# T 0%

2ara cada medida se debe llevar el espectro#otómetro al 33G usando la solución incolora de aua destilada debido a que el colorímetro es muy sensible a las variantes en temperatura y en la corriente eléctrica.

A$ustar el selector de lonitud de onda a 13 nm.

IV.

CALCULOS / RESULTADOS&

CURVA DE TRABAJO

N> #)e'!a

C"ncen!ación #$6L0

@T

A,'"!,anciaA0 A7l"$;<<6@T0

+H1B 

3 83

33 L

3 3.37

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Página +


1 0 6 8

33 033 683 33

L 6L 1 1

3.< 3.0L 3.8L8 3.<<

ABSORBANCIA Y COMCENTRACION 0.8 0.6

,()  0 / 0.04

ABSORBANCIA 0.4 0.2 0 0

100

200

300

400

500

600

700

CONCENTRACION (mg/L)

CUESTIONARIO ;.5De'c!i,e en 1"!#a ,:'ica la' (a!e' de )n 1"ó#e!" 3 có#" 1)nci"na El #otómetro mide la atenuación de un %az de luz, debido a la absorción de electrolito coloreado en una solución, éste parámetro depende de la concentración de la especie responsable de la absorción.

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2ara su #uncionamiento, primero se coloca el patrón en la en la otra celda y se a$usta el instrumento al 33G de trasmitancia. Después se retira el patrón y se mide el G& de las muestras con un instrumento de doble %az, el rayo de luz eneralmente se divide en dos" una parte se dirie a través del patrón y la otra a través de la muestra en #orma simultánea. Así un instrumento de doble %az compensa los cambios a corto plazo en la intensidad de la lámpara y en la respuesta del detector.

?.5 Una '"l)ción  )e c"niene ;4;< 5 M iene )na !a'#iancia de <4 ,8643-6

A > -lo & > -lo+3,3
&> 3,3
A > ,38L6LL

A> abc

,38L6LL > a+1cm+,8643-6 A > 060,8+=cm.

?inalmente: '> MN

A > -lo & > -lo+3,111

&> 0+3,3
A > 3,8L0<01

Ceemplazando A> abc 3,8L0<01>060,871+=cm.+cm' ' > ,743 -6

.5 T!ae '",!e la i#("!ancia de la' '"l)ci"ne' c"l"!eada' (a!a )n )2#ic" anal2ic". El análisis espectro químico por emisión es el método instrumental de análisis más antiuos" por eso %a sido muy estudiado y los modernos espectrómetros recoen toda la e4periencia de muc%os aOos de avance tecnolóico en éste campo. UNI - FIGMM

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De aquí que su área de aplicación sea tan e4traordinariamente amplia que abarca desde análisis cualitativo y cuantitativo de minerales y de rocas, al de productos metálicos y sider*ricos, aleaciones de todo tipo y productos comerciales diversos. )a espectrora#ía de emisión aventa$a a las demás técnicas instrumentales en el análisis cualitativo rápido particularmente en la identi#icación de impurezas y trazas. Además, permite e#ectuar el análisis por un método prácticamente no destructivo ni alterable de la muestra, bastando cantidades de esta del orden inoránico. En análisis rutinarios o en series de ciertas industrias resulta imprescindible, siendo también de ran utilidad en investiaciones #ísicas, químicas, biolóicas, arqueolóicas, #orenses, etc. Cecientemente su campo de aplicación se %a ampliado con la incorporación, como #uente de e4citación de la llamada @antorc%a o soplete de plasma. El plasma es un as ionizado con iual n*mero de electrones que de iones positivos, es conductor de la electricidad y sensible a un campo manético. 'uando se enera un plasma se libera una ran cantidad de enería que da luar a temperaturas muy altas. Así con arón puro en estado de plasma se %a alcanzado temperaturas %asta de .333PQ. A estas temperaturas tan elevadas se e4citan muc%os elementos, incluso aquellos que por los métodos convencionales de e4citación +llama, arco o c%ispa no oriinan líneas espectrales por e$emplo con los compuestos de niobio, &ántalo y titanio o bien otros, como ciertos compuestos de #ós#oro o de boro di#ícilmente e4citables.

.5 De1ina l"' 'i$)iene' %!#in"' T!a'#ianc2a& En la #iura se muestra una radiación solares antes y después de pasar a través de una capa de solución absórbante a la concentración. 'omo consecuencia de las interacciones entre #otones y la partícula absórbante se puede notar que la

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radiación disminuye. (iendo la transmitacía la #racción o radiación incidente transmitida por solución. 2or lo eneral la transmitancía se e4presa en porcenta$e+G.

T +G-

P =

P 3

,33

A,'"!,ancia& )a absorbancia de una solución está de#inida por la ecuación: A

= −

lo T = lo

P 3 P

A,'"!i+idad 3 A,'"!i+idad M"la! 'omo se verá a continuación, la absorbancia es directamente proporcional a la trayectoria de la radiación a través de la solución y a la concentración de la especie que produce la absorción. Es decir A = abc

Dónde: a: es una constante de proporcionalidad llamada absortividad

Cesulta evidente que la manitud de a dependa de las unidades utilizadas para b y c. cuando se e4presa la concentración en moles por litros y la trayectoria a través de la celda en centímetros, la absortividad se denomina absortividad molar y se representa con el símbolo R. En consecuencia, cuando b se e4presa en centímetros y c en moles por litro se tiene: A > Rbc

.5Q)e (!inci(i" $ene!al !aa la le3 de Bee! )a ley de ;eer queda de esta manera: A > Rbc UNI - FIGMM

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)a ley de ;eer no se cumple para todas las concentraciones ya que la absortividad se determina e4perimentalmente. El recorrido b suele ser de un centímetro. )a lonitud de onda con la que se va a traba$ar se #i$a en el espectro#otómetro y con ella #i$a se traba$a con la ley de

Atotal

= A + A + A + .......... + A = ε bc + ε bc + ε bc + ...........+ ε Atotal 1

1

1

2

2

2

3

3

n

3

bcn

n

)ambert-;eer. Esta ley también se puede aplicar a mezclas, con la di#erencia que se suman las absorbancia parciales de cada mezcla, traba$ando cada una de ellas a una lonitud de onda determinada.

Li#iaci"ne' de la A(lica,ilidad de le le3 de Bee! E4isten limitaciones entre la relación lineal entre la absorbancia y la concentración. Esta relación es lineal si se traba$a a concentraciones in#eriores a 3-1. (i aumentamos la concentración se pone de mani#iesto las interacciones de atracción y repulsión dentro del analito, modi#icando la capacidad de absorber una lonitud de onda. &ambién e4isten limitaciones cuando e4iste presencia de sales en la disolución +e#ecto salino. 2odemos %ablar de dos tipos de desviaciones, las químicas y las instrumentales.

.5 En c)an" al e)i(" )'ad" )e c"n!"le' '"n l"' #:' )'ad"' )os controles más importantes del equipo son:     

'alibrador de lonitud de onda 'alibrador de la lectura de transmitancia )ectura del porcenta$e de transmitancia. 2antalla de lectura de la lonitud de onda 2ortador de muestras

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A9LICACIÓN A LA ES9ECIALIDAD El método del 'olorímetro es usado por los metaluristas para el análisis de muestras de sustancias y equilibrio de soluciones. En las minas es usado para el reconocimiento de aentes contaminantes por e$emplo las auas contaminadas y relaves por medio de su lonitud de onda. 2odemos usarlo en el campo de la mineraloía para el reconocimiento de minerales. Espectrora#ía amma super#icial, en per#oraciones y n*cleos: por medio de los reistro de radiactividad en per#oraciones y muestras de n*cleos y los ripios ayudan a los eóloos a predecir donde ocurren estratos contenedores de petróleo e identi#icar secuencias litolóicas. )os reistros de radiactividad indican el tipo de roca y líquidos contenidos en ellas. Estos datos se correlacionan con otras in#ormaciones para aumentar las probabilidades de encontrar petróleo. Entre otras aplicaciones tenemos. )evantamientos eolóicos-mineros reionales y de detalle. 2rospección y e4ploración minera+estudios eoquímicas, eo#ísicos, etc. Estudios mineralóicos, petrorá#icos, calcorá#icos y de alteración %idrotermal. 5denti#icación de minerales mediante di#racción de rayos S y microscopia electrónica. Estudios y análisis eotermobarométricos de inclusiones #luidas. Análisis químicos +determinación de elementos mayoritarios y traza en minerales, rocas, aua y suelos por espectrometría de Absorción Atómica. 2rocesamiento diital e interpretación de imáenes satelitales y #otora#ías aéreas.

CONCLUSIONES UNI - FIGMM

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4° LABORATORIO: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES 

 





'oncluimos que la absorbancia de una solución depende linealmente de su concentración, si %allamos dic%a relación, podremos %allar concentraciones desconocidas de la misma solución. El color de una solución es el complemento de la luz que absorbe. )a ley de ;eer también se aplica a soluciones que contenan más de una clase de especie absorbente +suponiéndose que no %ay interacción entre ellas. En el colorímetro la seOal de la célula #otovoltaica es lineal respecto a la potencia de radiación que recibe, por ende se mide una relación ósea la & en G. )a muestra más coloreada +de concentración más alta presenta mayor A y menor &.

RECOMENDACIONES 



'uando usemos el espectrómetro de %az simple, el control de 33G de transmitancia debe rea$ustarse cada vez que se modi#ica la lonitud de onda debido a la respuesta del detector que puede obtenerse a cada lonitud de onda, las lecturas posteriores se escalan a la lectura del 33G. )a e4actitud de los datos espectroscópicos depende sustancialmente del cuidado que se tena del uso y mantenimiento de las celdas , las %uellas, la rasa u otras manc%as que pueden a#ectar los cálculos o a#ectar la transmisión de una celda por tanto es imprescindible que las celdas se limpien per#ectamente antes como después de usarlas.

BIBLIOKRAFIA UNI - FIGMM

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4° LABORATORIO: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES       

(ydney H. Avner 5ntroducción a la etaluria ?ísica 'ap. I5 Adamson Tuímica ?ísica Filbert U. 'astellan ?ísico V Tuímica Filbert H.Ayres , análisis cuantitativo-seunda edición. C.A.Day.W yA.).!nderXood,química analítica cuantitativa-quinta edición.

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EQUILIBRIO DE LAS SOLUCIONES

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