Universidad Tecnológica Metropolitana. Facultad de Ciencias Naturales, Matemática y del Medio Ambiente Departamento de Química. Química Industrial. Asignatura: Electroquímica
Informe de potenciometría directa con electrodo selectivo de iones (ISE)
Autores:
Marisol Millan Jerez Jeannette Morales Alfaro Constanza Parra Barrera
Danitza Sepúlveda Salinas Profesor: Dr. Claudio Jiménez Valenzuela Fecha de entrega: 1 de julio de 2014
Índice Resumen………………………………………………………………………..
Pág. 1
Fundamentos teóricos…………………………………………………………. Pág. 2
Objetivos………………………………………………………………………… Pág. 6 Materiales y reactivos………………………………………………………….
Pág. 6
Procedimiento experimental………………………………………………….
Pág. 7
Datos y resultados……………………………………………………………..
Pág. 8
Conclusiones……………………………………………………………... .......
Pág. 13
Bibliografía……………………………………………………………………..
Pág. 14
Summary
Potentiometry persuis very clear physicochemical principles . The measured potential is proportional to the ion activity in the sample according to the Nernst equation . The ion-selective electrodes don’t measure concentration but activity , that is to say the effective concentration of a ion. In the experiment carried out in the laboratory, was taken as objective to study the response of a nitrate ion selective electrode in different solutions , where a calibration curve was prepared with different concentrations of nitrate. Solutions with KCl and KClO 4 , which act as interfering , and we observe the behavior of the electrode when face the solutions. It started with the equipment calibration with buffers or standard solutions provided by the manufacturer. Then measurement is started with the calibration curve prepared with standard solutions of 1.0 to 50 mg / L. Subsequently, measurement of both solutions such KCI as KClO 4 was made. Finally, the graphical representation of solution`s concentration of the obtained results was performed experimentally.
1
Fundamentos teóricos Los métodos potenciométricos de análisis se basan en las medidas del potencial de celdas electroquímicas en ausencia de corrientes apreciables. Son los métodos en los que las concentraciones de los iones se obtienen directamente del potencial de un electrodo de membrana selectiva de iones. Tales electrodos están relativamente libres de interferencias y proporcionan un medio rápido y conveniente para estimaciones cuantitativas de numerosos aniones y cationes importantes. El objetivo de una medición potenciométrica es obtener información acerca de la composición de una solución mediante la determinación del potencial que se genera entre dos electrodos. Los electrodos ion-selectivos no miden concentración sino actividad, es decir la concentración efectiva de un ion. La membrana está ubicada en la parte inferior del electrodo y no precisa el relleno con electrolito interno. Es un electrodo indicador que necesita trabajar siempre junto a uno de referencia. (Fig. 1).
2
Existen distintos tipos de electrodos selectivos en relación al diseño y componentes de la membrana sensora. Se observan en el siguiente cuadro resumen, de acuerdo con lo sugerido por la IUPAC
Para conocer la calidad del agua, los mejores indicadores son el contenido en amoniaco, en materia orgánica, en nitritos y en bacterias. La reglamentación considera al amoniaco y al nitrato como componentes no deseado en el agua y establece como valor orientativo de calidad un nivel guía de 25 mg/L y una concentración máxima admisible de 50 mg/L. El nitrato es uno de los más frecuentes contaminantes de aguas subterráneas en áreas rurales. Debe ser controlado en el agua potable principalmente porque niveles excesivos pueden provocar metahemoglobinemia, o “la enfermedad de los bebés azules”. Aunque los niveles de nitratos que afectan a los bebés no son peligrosos para niños mayores y adultos, sí indican la posible presencia de otros contaminantes más peligrosos procedentes de las residencias o de la agricultura, tales como bacterias o pesticidas. El origen de los nitratos en aguas subterráneas es principalmente de fertilizantes, sistemas sépticos y almacenamiento de estiércol u operaciones de extensión. Los fertilizantes nitrogenados no absorbidos por las plantas, volatilizados, o arrastrados por la escorrentía superficial acaban en las aguas subterráneas en forma de nitratos. Esto hace que el nitrógeno no esté disponible para las plantas, y puede también elevar la concentración en aguas subterráneas por encima de los niveles admisibles de calidad del agua potable. Los sistemas sépticos eliminan solamente la mitad del nitrógeno de las aguas residuales, dejando que la otra mitad sea lavada hacia las aguas subterráneas, de esta forma aumentando las concentraciones de nitrato en las aguas subterráneas. Ante estos hechos nuestro 3
interés por e los nitratos es evidente ya que los nitratos afectan tanto a las personas como al medio ambiente. Los nitritos no son aceptables en las aguas potables. Proceden de la oxidación incompleta del amoniaco y de la reducción bacteriana incompleta de los nitratos. Un agua que contenga nitritos puede considerarse un agua contaminada por materiales fecales. La reglamentación establece como valor orientador de calidad la ausencia de nitritos en un agua de consumo, y como valor máximo tolerable hasta 0.1mg/l. todos los valores superiores a estos determinan la contaminación del agua. Finalmente, las bacterias Nitrobacter llevan a cabo la reacción de nitrito NO2- , a nitratos NO 3-, consumiendo oxígeno. Se eliminan los intercambios propios del metabolismo de las plantas, mediante bacterias que utilizan el nitrato como alimento, absorbiendo el oxígeno y liberando nitrógeno. En medios con muy altas concentraciones de nitratos, del orden de 3.000 a 4.000 mg/l, el equilibrio puede retornar, convirtiéndose los nitritos y amoniacos. El análisis de todos los compuestos nitrogenados citados es imprescindible para la determinación de la calidad de las aguas, tanto destinadas a consumo humano como procedentes de procesos de depuración, siendo necesario el adoptar medidas de tratamiento para su eliminación o reducción de concentración.
PROCEDENCIA DE LOS NITRATOS DE LAS AGUAS
El agua de consumo puede contener nitratos en pequeña concentración formando parte de su normal composición química. Sin embargo, los acuíferos pueden recibir grandes cantidades de nitratos arrastrados por el agua. Proceden de los nitratos orgánicos o inorgánicos utilizados en el abonado agrícola (sobre todo) o en la industria. Se puede afirmar que si a los acuíferos llegan nitratos procedentes del abonado de las plantas es porque se utilizan más nitratos de los que las plantas pueden absorber y aprovechar, fundamentalmente por: Abono intensivo y por el empleo de fertilizantes inorgánicos
4
LOS NITRATOS EN NUESTRA DIETA Los nitratos se encuentran de forma natural en muchos vegetales, tales como lechuga y espinacas, y son producidos por microbios en el intestino humano, con el resultado de que solo una pequeña parte del nitrato en el cuerpo procede del agua que bebemos. Es improbable que la toma de nitratos por el consumo de vegetales cause problemas de salud, porque muy pequeña cantidad de este nitrato es transformada en nitrito. Los productos cárnicos aportan menos del 10 por ciento del nitrato en la dieta, pero aportan del 60 al 90 por ciento del nitrito consumido. Esto es básicamente porque a las comidas tales como perritos calientes, bacón o jamón se les añade nitrito de sodio. Frutas, granos y productos lácteos no aportan prácticamente nada de nitratos o nitritos a la dieta.
LIMITACIONES E INTERFERENCIAS DEL MÉTODO DE DETERMINACIÓN DE NITRATOS:
La materia orgánica disuelta, los agentes tensoactivos, el NO 2 y el Cr 6+ interfieren. Varios iones inorgánicos que normalmente no se encuentran en aguas naturales, tales como clorito y clorato, pueden interferir. Se pueden preparar curvas de corrección individuales para compensar la interferencia de las sustancias inorgánicas, por medio de análisis independientes de sus concentraciones.
5
Objetivos Generales
Aplicar electrodo selectivo de iones nitrato en métodos de potenciométria directa, estudiando su respuesta frente a distintas disoluciones.
Específicos
Aprender a calibrar el potenciómetro ISE con soluciones buffer y a manipularlo de forma correcta. Preparar una curva de calibración para cuantificar iones nitrato en distintas disoluciones Preparar disoluciones con diferentes interferentes. Observar el efecto de interferentes en el potenciómetro selectivo de iones. Determinar la concentración de iones nitrato por ISE en las disoluciones preparadas.
Materiales y Reactivos. MATERIALES
MARCA
Vaso precipitado 40 mL Vaso precipitado 250 mL Matraz de aforo de 50 mL Matraz de aforo 100 mL Matraz de aforo 250 mL Pipeta total de 1 mL + Pipeta total de 10 mL + Pipeta total de 20 mL + Pipeta total de 25 mL + Propipeta
REACTIVO
MARCA
Solución buffer 1 mg/L Solución buffer 100 mg/L Solución stock de nitrato Cloruro de potasio (KCl) 0.05 M Perclorato de potasio (KClO4) 0.05 M
-------------------------------------------
6
EQUIPO
MARCA
Potenciómetro con electrodo sensible de iones nitrato
Procedimiento experimental
I. Preparación de la curva de calibración 1.1 Se preparó los estándares de calibración de nitrato de 1,0 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L, 30 mg/L, 40 mg/L y 50 mg/L; donde se diluyó la solución stock de nitrato a 100 mL con agua grado reactivo para análisis exenta de nitrato. Nota: se utilizó agua destilada como agua grado reactivo para análisis ya que se encuentra exenta de nitrato. 1.2 Se confeccionó la curva de calibración, con un blanco de agua destilada con los seis estándares preparados anteriormente. 1.3 Posteriormente se sumergieron los electrodos en cada una de las soluciones estándares y se registró al menos tres valores de concentración entregada por el potenciómetro selectivo de iones. Nota: Se calibró el potenciómetro previamente con las soluciones buffer. 1.4 Se midieron todas las concentraciones de nitrato desde la solución estándar más diluida a la más concentrada, teniendo cuidado de que el electrodo no choque con las paredes del vaso, lavándolo y secándolo después de cada lectura.
II. Preparación de soluciones con KCl 2.1 En cinco matraces de aforo de 50 mL se agregaron 25 mL de solución de 50 mg/L de ión nitrato. 2.2 Posteriormente a cada uno de ellos de agregó 0 mL, 5 mL, 10 mL, 15 mL y 20 mL de solución de KCl 0.05 M respectivamente, finalmente se aforaron.
7
III. Preparación de soluciones con KClO 4 3.1 En cinco matraces de aforo de 50 mL se agregaron 25 mL de solución de 50 mg/L de ión nitrato. 3.2 Posteriormente a cada uno de ellos de agregó 0 mL, 5 mL, 10 mL, 15 mL y 20 mL de solución de KClO 4 0.05 M respectivamente, finalmente se aforaron.
IV. Determinación de la concentración de iones nitrato 4.1 Se sumergieron los electrodos en cada una de las diez soluciones antes preparadas y se registró al menos tres valores de concentración entregada por el potenciómetro selectivo de iones. 4.2 Se midieron todas las concentraciones de nitrato teniendo cuidado de que el electrodo no choque con las paredes del vaso, lavándolo y secándolo después de cada lectura.
Datos y resultados
I. Preparación de la curva de calibración Se realizaron disoluciones a partir de la solución stock de nitrato de 100 mg/L. Se preparó los estándares de calibración de nitrato de 1,0 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L, 30 mg/L, 40 mg/L y 50 mg/L en matraces de 100 mL C1 x V1 = C2 x V2 1,0 mg/L x 100 mL = 100 mg/L x V 2 V2= 1 mL de solución stock
10 mg/L x 100 mL = 100 mg/L x V 2 V2= 10 mL de solución stock
8
20 mg/L x 100 mL = 100 mg/L x V 2 V2= 20 mL de solución stock
30 mg/L x 100 mL = 100 mg/L x V 2 V2= 30 mL de solución stock
40 mg/L x 100 mL = 100 mg/L x V 2 V2= 40 mL de solución stock
50 mg/L x 100 mL = 100 mg/L x V 2 V2= 50 mL de solución stock
Tabla n°1: Resultados para la preparación de la curva de calibración
Concentración de solución estándar 1.0 mg/L 10 mg/L 20 mg/L 30 mg/L 40 mg/L 50 mg/L
Volumen requerido de la solución stock 1.0 mL 10 mL 20 mL 30 mL 40 mL 50 mL
Se midieron tres veces las concentraciones de nitrato y se obtuvieron los siguientes resultados: Tabla n°2: Resultados de la medición nitrato en las soluciones estándares
Concentración de Concentración nitrato de solución potenciómetro estándar 0.0 mg/L 0.0 mg/L 1.0 mg/L 0.0 mg/L 10 mg/L 0.7 mg/L 20 mg/L 3.5 mg/L 30 mg/L 21.7 mg/L 40 mg/L 24.5 mg/L 50 mg/L 36.9 mg/L
de nitrato 0.0 mg/L 0.0 mg/L 0.5 mg/L 2.4 mg/L 10.6 mg/L 19.9 mg/L 38.5 mg/L
medida por Promedio Concentración 0.0 mg/L 0.0 mg/L 0.0 mg/L 0.0 mg/L 0.3 mg/L 0.5 mg/L 1.9 mg/L 2.6 mg/L 7.1 mg/L 13.1 mg/L 18.7 mg/L 21.0 mg/L 28.3 mg/L 34.6 mg/L 9
Gráfico n° 1: Se observa la señal entregada por el potenciómetro ISE en función de la concentración de nitrato de las soluciones estándares.
40 35 ) L / g m ( E S I r o p ] 3 O N [ n ó i c a r t n e c n o C -10
30 25 y = 0.6557x - 3.8869 R² = 0.8929
20
Señal
15
Linear (Señal )
10 5 0 -5
0
10
20
30
40
50
60
-10 Concentración [NO3]
II. Preparación de soluciones con KCl Se realizo una disolución a partir de la solución stock de nitrato de 100 mg/L. Se preparó la dilución de 100 mg/L a 50 mg/L C1 x V1 = C2 x V2 50 mg/L x 250 mL = 100 mg/L x V 2 V2= 125 mL de solución stock
Se agregaron 125 mL de solución stock a cada matraz, luego los volúmenes de KCl y finalmente se aforaron.
10
III. Preparación de soluciones con KClO4 Se realizo una disolución a partir de la solución stock de nitrato de 100 mg/L. Se preparó la dilución de 100 mg/L a 50 mg/L C1 x V1 = C2 x V2 50 mg/L x 250 mL = 100 mg/L x V 2 V2= 125 mL de solución stock
Se agregaron 125 mL de solución stock a cada matraz, luego los volúmenes de KClO4 y finalmente se aforaron.
IV. Determinación de la concentración de iones nitrato
Tabla n°3: resultados de la determinación de iones nitrato en soluciones con KCl:
Volumen de KCl agregado a solución de nitrato 0.0 mL 5.0 mL 10 mL 15 mL 20 mL
Concentración potenciómetro
de nitrato
medida por Promedio Concentración
8.2 mg/L 37.8 mg/L 52.2 mg/L 126.8 mg/L 378.6 mg/L
3.8 mg/L 27.0 mg/L 48.0 mg/L 107.0 mg/L 263.8 mg/L
5.7 mg/L 29.6 mg/L 48.1 mg/L 95.4 mg/L 219.5 mg/L
5.9 mg/L 31.5 mg/L 49.4 mg/L 109.7 mg/L 287.3 mg/L
11
Gráfico n°2: señal entregada por potenciómetro ISE en soluciones de nitrato en función de los diferentes volúmenes agregados de KCl. 350 300 ) L 250 / g m ( ] 200 3 O N [ n 150 ó i c a r t 100 n e c n o 50 C
y = 12.82x - 31.44 R² = 0.802 Señal Linear (Señal)
0 0 -50
5
10
15
20
25
Volumen de KCl agregado (mL)
Tabla n°4: resultados de la determinación de iones nitrato en soluciones con KClO4:
Volumen de KClO4 Concentración de nitrato medida por agregado a potenciómetro solución de nitrato 0.0 mL 2047.5 mg/L 3504.0 mg/L 5796.8 mg/L 5.0 mL 10 mL 15 mL 20 mL
Promedio Concentración 3782.8 mg/L
Nota: no se continúa con la medición debido a que las soluciones están mal preparadas.
12
Conclusiones La utilización de métodos potenciométricos en la caracterización de sustancias a pesar de ser uno de los más usados por su rapidez y sencillez en el procedimiento, implica una serie de complejos estudios matemáticos y químicos para describir el comportamiento de los materiales empleados en la fabricación del instrumento con respecto a las soluciones de estudio. El espectro de alcance de los instrumentos es bastante amplio, sin embargo, está limitado a que el instrumento debe estar especializado para cierto grupo de sustancias. Es decir, no existen electrodos universales para estudiar cualquier tipo de sustancias. Ello se puede anotar como una limitación del método. En nuestro caso se utilizó un electrodo de nitrato y como otra posible complicación podemos señalar el hecho de que se trata de un equipo nuevo, del cual tenemos poco conocimiento sobre sus “mañas”.
Podemos señalar además, que para la curva de calibración los datos obtenidos no fueron los esperados, pero si se comportan de manera ascendente ya que se observó que va aumentando la concentración de NO 3. Esto pudo deberse a un error al momento de la preparación de las soluciones, lo que posteriormente se vio reflejado en las mediciones entregadas por el potenciómetro. En el caso de las mediciones con KCl se muestra que a medida que el volumen agregado de KCl a la solución de nitrato es mayor, el valor obtenido por el potenciómetro aumenta, esto se puede explicar debido a que el KCl es un interferente que no permite medir correctamente los iones de nitrato en las soluciones. Finalmente con las soluciones de perclorato de potasio con iones de nitrato, los resultados obtenidos fueron muy desfavorables, debido principalmente a que se sobre saturo el potenciómetro y los valores obtenidos fueron extremadamente altos saliendo totalmente del rango posible, como hipótesis podemos pensar que esto se debe principalmente a la contaminación de las soluciones con detergente los cuales poseen una gran cantidad de iones nitrato, debido a una mala manipulación de los materiales.
13
Bibliografía
BENAVENTE, Dra. Eglantina y JIMÉNEZ, Dr. Claudio. Potenciometría directa con electrodo selectivode iones (ISE). En : Práctico de laboratorio de Electroquímica, 2014. p.17-19 GONZÁLEZ, Bioq. Laura. Electrodos ion-selectivo: Potenciometría directa vs indirecta [en línea]. Argentina: Centro de Investigación y Biotecnología – Wiener Laboratorios SAIC, Rosario. 2013. [Consulta: 28 junio 2014]. Disponible en: Química Analítica II [en línea]. Colombia: Universidad de Antioquia. “Electrodo selectivo de iones” [Consulta: 29 junio 2014]. Disponible en:
14
