Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Área de Química Laboratorio de Análisis Cuantitativo Impartido por: Ing. Qco. Adrián Antonio Soberanis Ibáñez
ESTANDARIZACIÓN DE SOLUCIONES CON PATRÓN PRIMARIO, DETERMINACIÓN DE CARBONATOS
Nombre: Edgar Daniel Vallejo Celada Guatemala, 4 de Septiembre de 2012 1
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RESUMEN
En la práctica, se estandarizó una solución de Ácido Clorhídrico con un patrón primario para determinar la concentración de una solución de Hidróxido de Sodio, utilizando dichas soluciones estandarizadas para determinar la cantidad de carbonatos en diferentes muestras utilizadas.
Para estandarizar la solución de Ácido Clorhídrico, se preparó una solución de Carbonato de Calcio 0.1 M utilizándola como patrón primario. Mediante una titulación, se determina la concentración exacta del Ácido Clorhídrico preparado. Con esta solución, se utiliza como patrón secundario para determinar (de la misma manera, mediante una titulación) la concentración de una solución de Hidróxido de Sodio, conociendo de esta manera la concentración exacta del Hidróxido de Sodio. Al conocer la concentración de Hidróxido de Sodio, se titulan diferentes soluciones (Na 2CO3, NaHCO3 etc.) para determinar la dureza temporal del agua con éstos compuestos, asimismo se determina la dureza temporal del agua de grifo (agua común). La dureza temporal del agua, se conoce mediante una valoración volumétrica de cada una de las soluciones con el Hidróxido de Sodio estandarizada.
Mediante una valoración ácido-base se determina la cantidad de carbonatos presentes en cada una de las muestras, estableciendo mediante las mediciones en partes por millón (ppm) de carbonatos, qué tipo de dureza está presente en cada una de las soluciones.
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OBJETIVOS
Objetivo General Utilizar soluciones estandarizadas para determinar la cantidad de carbonatos (tipo de dureza) en el agua y en distintas muestras.
Objetivos Específicos 1. Estandarizar una solución de Ácido Clorhídrico, utilizando como patrón primario el Carbonato de Calcio, estableciendo su concentración exacta. 2. Hacer uso del Ácido Clorhídrico como un patrón secundario para estandarizar una solución de Hidróxido de Sodio. 3. Utilizar el Hidróxido de Sodio como titulante, para determinar la cantidad de carbonatos presentes en diferentes soluciones. 4. Determinar la cantidad de carbonatos presentes en el agua de grifo y en diferentes muestras mediante una valoración volumétrica. 5. Establecer los diferentes tipos durezas tanto en el agua como en variados tipos de muestras.
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MARCO TEÓRICO
Soluciones Estándar En química analítica, una solución estándar o disolución estándar es una disolución que contiene una concentración conocida de un elemento o sustancia específica, llamada patrón primario que, por su especial estabilidad, se emplea para valorar la concentración de otras soluciones, como las disoluciones valorantes.
Un "estándar simple" se obtiene por dilución de un único elemento o sustancia en un disolvente en el cual es soluble y con el que no reacciona. Como la mayoría de las muestras reales, contienen un variado rango de distintas sustancias, y si se mide la concentración de un elemento o sustancia en concreto, la muestra puede tener una composición diferente de la que se utilice como estándar. De hecho se suele usar por comodidad con fines comparativos los "estándares simples": disoluciones estándares del elemento o sustancia pura en el disolvente. Esto puede ocasionar inexactitudes, por eso algunas "muestras estándares" son diseñadas específicamente para que sean lo más parecidas posibles en su composición a las "muestras reales" que pretendemos determinar.
Patrón Primario Un patrón primario también llamado estándar primario es una sustancia utilizada en química como referencia al momento de hacer una valoración o estandarización. Usualmente son sólidos que cumplen con las siguientes características:
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Tienen composición conocida. Es decir, se ha de conocer la estructura y elementos que lo componen, lo cual servirá para hacer los cálculos estequiométricos respectivos.
Deben tener elevada pureza. Para una correcta estandarización se debe utilizar un patrón que tenga la mínima cantidad de impurezas que puedan interferir con la titulación. En cualquier caso, más del 98,5% de pureza, preferiblemente un 99,9%.2
Debe ser estable a temperatura ambiente. No se pueden utilizar sustancias que cambien su composición o estructura por efectos de temperaturas que difieran ligeramente con la temperatura ambiente ya que ese hecho aumentaría el error en las mediciones.
Debe ser posible su secado en estufa. Además de los cambios a temperatura ambiente, también debe soportar temperaturas mayores para que sea posible su secado. Normalmente debe ser estable a temperaturas mayores que la del punto de ebullición del agua.
No debe absorber gases. No debe reaccionar con los componentes del aire. Ya que este hecho generaría posibles errores por interferencias, así como también degeneración del patrón.
Debe tener un peso equivalente grande. Ya que este hecho reduce considerablemente el error de la pesada del patrón.
Tipos de Patrones Primarios Para estandarizar disoluciones de ácido: carbonato de sodio. Para estandarizar disoluciones de base: ftalato ácido de potasio Para estandarizar disoluciones de oxidante: hierro, óxido de arsénico (III) Para estandarizar disoluciones de reductor: dicromato de potasio, yodato de potasio, bromato de potasio. 8
Patrón secundario El patrón secundario es llamado también disolución valorante o estándar secundario. Su nombre se debe a que en la mayoría de los casos se necesita del patrón primario para conocer su concentración exacta.
El patrón secundario debe poseer las siguientes características:
Debe ser estable mientras se efectúe el período de análisis
Debe reaccionar rápidamente con el analito
La reacción entre la disolución valorante y el patrón primario debe ser completa, así también la reacción entre la disolución valorante y el analito.
Debe existir un método para eliminar otras sustancias de la muestra que también pudieran reaccionar con la disolución valorante.
Debe existir una ecuación ajustada o balanceada que describa la reacción.
Dureza Temporal del Agua (Carbonatos Presentes) En química, se denomina dureza del agua a la concentración de compuestos minerales de cationes polivalentes (principalmente divalentes y específicamente los alcalinotérreos) que hay en una determinada cantidad de agua, en particular sales de magnesio y calcio. Son éstas las causantes de la dureza del agua y el grado de dureza es directamente proporcional a la concentración de sales de esos metales alcalinotérreos.
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Clasificación de la dureza del agua
Tipos de agua
mg/l
°fH
ºdH
ºeH
Agua blanda
≤17
≤1.7
≤0.95
≤1.19
Agua levemente dura
≤60
≤6.0
≤3.35
≤4.20
Agua moderadamente dura
≤120
≤12.0
≤6.70
≤8.39
Agua dura
≤180
≤18.0
≤10.05
≤12.59
Agua muy dura
>180
>18.0
>10.05
>12.59
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MARCO METODOLÓGICO
Para la experimentación de la estandarización de soluciones mediante patrón primario y determinación de carbonatos, se utilizó el siguiente procedimiento descrito en pasos sucesivos y consecuentes.
1. Como procedimiento general, se lavó toda la cristalería a utilizar. 2. Se preparó una solución de patrón primario, en este caso de Carbonato de Calcio para estandarizar una solución de Ácido Clorhídrico. 3. Se estandarizó mediante una valoración ácido-base, el Ácido Clorhídrico (analito), controlando la cantidad de patrón primario (titulante) utilizado, determinando la concentración real del analito. 4. Utilizando el Ácido Clorhídrico estandarizado como patrón secundario, se estandarizó una solución de Hidróxido de Sodio, de la misma manera que en el paso 4. 5. Preparar soluciones de Carbonato de Sodio, Bicarbonato de Sodio, Hidróxido y Carbonato de Sodio, Carbonato y Bicarbonato de Sodio a 0.1M. 6. A la solución de Carbonato de Sodio, se le añade fenolftaleína, siendo ésta solución titulada con el Hidróxido de Sodio estandarizado, observando el volumen utilizado para el viraje de la fenolftaleína. 7. Tras virar la fenolftaleína, se añadió naranja de metilo, depositando de nuevo Hidróxido de Sodio estandarizado hasta que la solución vire, observando nuevamente el volumen utilizado para el viraje.
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8. Con los volúmenes de viraje de fenolftaleína y de naranja de metilo, se calculó la cantidad de Carbonatos presentes en dicha solución. (Cantidad de base utilizada para neutralizar cada una de las fases de disociación de los carbonatos de sodio). 9. Repetir los pasos 6 al 8 con cada una de las soluciones preparadas del paso 5, determinando en cada una de ellas la cantidad de carbonatos presentes. 10. Repetir los pasos 6 al 8 con agua de grifo (agua común). 11. Establecer según la cantidad de carbonatos presentes en cada una de las soluciones, el tipo de dureza temporal.
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RESULTADOS
Tabla I.
Concentraciones Estandarizadas
Solución
Conc. Teórica
Conc. Real
Error
NaOH
0.1 M
0.0725 M
27.5 %
HCl
0.1 M
0.107 M
1.2 %
Fuente: Datos Calculados, Hoja de Datos Originales.
Tabla II.
Concentración de los Componentes Alcalinos en la Muestra Desconocida
[CO3-]
[HCO3-]
ppm (CO3-)
ppm (HCO3-)
No determinable
Error de Titulación
No determinable
Error de Titulación
Fuente: Datos Calculados.
Tabla III.
[CO3-]
Concentración Temporal del Agua de Grifo
[HCO3-]
ppm (CO3-)
ppm (HCO3-)
-
-
-
Fuente: Datos Calculados.
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Tabla IV.
Concentración de Carbonatos y Bicarbonatos en Diferentes Muestras
Muestra
Partes por Millón (CO3-)
Partes por Millón (HCO3-)
Na2CO3
363.52
184.6
NaHCO3
--
92.3
NaOH/Na2CO3
620
134.3
NaHCO3/Na2CO3
601.4
598.5
Fuente: Datos Calculados
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INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
La primera parte de esta práctica constató en determinar la concentración de Hidróxido de Sodio (NaOH) y Ácido Clorhídrico (HCl) a partir de un patrón primario y secundario respectivamente, y de esta manera, determinar la concentración real de las disoluciones.
Las concentraciones reales encontradas a partir de la estandarización se pueden encontrar en la Tabla No. I, y como se puede observar la concentración de NaOH está alejado de la concentración real, esto se debe a que este compuesto es higroscópico, por lo que su masa puede variar fácilmente por la presencia de humedad. Otro factor que afectó al resultado obtenido fue que el ftalato no se dejó en la desecadora días antes de la práctica, con este paso se podía eliminar las impurezas y humedad que contiene este compuesto ya que viene guardado en un frasco donde tiende a absorber humedad, sin embargo gracias a la estandarización a partir del patrón primario se pudo eliminar el error producido por la variación de masa, de no haber sido así este error hubiera repercutido en la segunda estandarización que se hizo con el HCl, que como se puede observar a diferencia del NaOH, su concentración está un poco mas alejada del valor original.
El error que se pudo haber producido a partir de otras mediciones con las soluciones de NaOH y HCl pudo haber sido muy grande de no haber sido previamente estandarizadas. Es aquí donde radica la importancia de utilizar una solución patrón para evitar estos errores en mediciones.
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Luego de estandarizar las soluciones se procedió a la segunda parte de la práctica, la cual consistió en la titulación de muestras que contienen carbonatos y bicarbonatos. La importancia de la esta práctica es debida a su utilidad para la determinación de la dureza temporal del agua. En la práctica se titularon distintas muestras de carbonatos, se dice que se usaron mezclas compatibles, porque al encontrar la solución en equilibrio, las especies predominantes son las que se encuentran en pasos contiguos de la disociación.
En la titulación del carbonato de sodio solo, se notó que los volúmenes de viraje para la fenolftaleína y para la naranja de metilo no fueron muy similares como se esperaba, esto se explica porque en el viraje de la fenolftaleína se titulan los OH- de la hidrólisis del carbonato, y en el viraje de la naranja de metilo los de la hidrólisis del bicarbonato, pero como se encuentran en la misma proporción, los volúmenes son similares.
La siguiente titulación fue la del bicarbonato de sodio solo. En esta valoración, se dio únicamente un viraje, dado que solo se tenían que neutralizar los OH- de la hidrólisis del bicarbonato, para ello se utilizó como indicador naranja de metilo, el cual al tornarse de color amarillo indicaba la existencia del ión bicarbonato. No fue necesario utilizar fenolftaleína ya que en esta solución no haba presencia de carbonatos.
Luego, se tituló la muestra de hidróxido de sodio (NaOH) con carbonato de sodio (Na2CO3). Al titularlos se observó que existe un mayor volumen de ácido clorhídrico (HCl) adicionado para el viraje de la fenolftaleína que para el viraje de la naranja de metilo, esto se puede explicar debido a que en el viraje de la fenolftaleína, se titulan los hidróxidos del hidróxido de sodio y los producidos por la hidrólisis del ión carbonato, en
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el viraje de la naranja de metilo se titulan únicamente los iones hidróxido producidos por la hidrólisis del bicarbonato que se formaron después del viraje de la fenolftaleína.
Para la mezcla de bicarbonato con carbonato de sodio, se observó que el volumen de ácido utilizado para el viraje de la naranja de metilo es mayor que el utilizado para el viraje de la fenolftaleína. Esto se explica debido a que en el viraje de la fenolftaleína se neutralizaron los hidróxidos de la hidrólisis del carbonato. Luego, queda una concentración rica en bicarbonatos, por lo que en la neutralización con naranja de metilo, se neutralizaron todos los hidróxidos de la hidrólisis del bicarbonato, tanto el adicionado inicialmente, como el producido en la neutralización del carbonato de sodio.
Para la muestra desconocida, se añadió la fenolftaleína y no hubo cambio de color, lo cual indica que no había presencia de carbonatos en esa muestra. Luego se procedió adicionar naranja de metilo, que al entrar en contacto con la muestra se tornó de color amarillo. Indicando la presencia de bicarbonatos los cuales se titularon con el NaOH. Cabe mencionar que la titulación con NaOH no era la indicada, puesto que el pH se tenía que acidificar para lograr el viraje de la naranja de metilo y de esta manera, lograr determinar la concentración de bicarbonatos, por esto mismo fue que en la hoja de datos originales únicamente se indicó “no se pudo”, dado que la titulación no fue indicada y el naranja de metilo en ningún momento logró virar.
En el agua de grifo, el viraje de la fenolftaleína fue nulo, y de acuerdo con la lo establecido en las muestras anteriores, se puede observar que la existencia de hidróxido de sodio y carbonatos es prácticamente nula. Esto explica la alta cantidad de titulante utilizado (que fueron 119 mL.) ya que la fenolftaleína en ningún momento iba a lograr virar puesto que no hubo existencia de carbonatos en el agua, así como de 17
hidróxido de sodio, y dado que no se tituló con naranja de metilo no se logró determinar una dureza del agua real, ni un valor aproximado de ésta. Aún así, existen métodos para eliminar esta dureza temporal como el calentamiento del agua para precipitar las impurezas y luego filtrarlas pero para esta práctica únicamente se determinó la dureza temporal del agua. Asimismo, podemos clasificar el agua según su dureza, dado un concepto teórico (Ver: Marco Teórico).
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CONCLUSIONES
1.
El uso de la estandarización a partir de un patrón primario ayuda a minimizar la propagación de errores en métodos volumétricos.
2.
Una solución estandarizada puede usarse como patrón secundario para estandarizar una tercera solución.
3.
Es necesario estandarizar siempre disoluciones de compuestos que reaccionan muy fácilmente como lo son los compuestos higroscópicos.
4.
La relación de volúmenes de viraje para cada indicador muestra qué componentes existen en la muestra.
5.
El agua de grifo utilizada para la práctica no presentó la existencia de carbonatos, por esta razón nunca viró al titular el agua con fenolftaleína.
6.
La especie iónica más abundante tomando en cuenta la porción a la que se encontraba en cada muestra es el bicarbonato.
7.
El agua gaseosa es una solución contenida únicamente en bicarbonatos, dado esto al titularlo con NaOH, la naranja de metilo en ningún momento viró y no se logró determinar la concentración de carbonatos.
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BIBLIOGRAFÍA
1. DICK, J.G. Química Analítica. Ing. Alejandro Hill V. México, Editorial El Manual Moderno, 1979. Consulta: Capítulo 9.
2. AYRES, GILBERT. Análisis Químico Cuantitativo. University of Austin Texas, Editorial Harla, México 1998. Consulta: Determinación de Carbonatos (Capítulo No. 4). 3. MILLER, JAMES N. Y MILLER, JANE C., Estadística y Quimiometría para Química Analítica, 4ª edición, Prentice Hall, Madrid, 2002, Págs. 21-38 4. http://arturobola.tripod.com/carbo.htm Fecha de Consulta: 27 de Septiembre de 2012.
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APÉNDICE 1. DATOS ORIGINALES
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2. MUESTRA DE CÁLCULO
Ecuación I.
Estandarización mediante Patrón Primario (o Secundario) C1V1 = C2V2
Donde: C1 y V1 es la concentración y el volumen del analito (patrón primario ó secundario según sea la titulación) respectivamente C2 y V2 es la concentración y el volumen depositado de titulante, la solución de la cual se quiere conocer la concentración exacta
Corrida de Muestra: (
Ecuación II.
)(
)
Determinación de Carbonatos [
]
Donde: Vf es el volumen gastado en la solución con Fenolftaleína es la concentración de Ácido Clorhídrico Vt es el volumen del titulado
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Ecuación III. [
Determinación de Bicarbonatos ]
(
)
Donde: Vf es el volumen gastado en la solución con Fenolftaleína es la concentración de Ácido Clorhídrico Vt es el volumen del titulado Vnm es el volumen gastado con la Naranja de Metilo
Ecuación IV.
Determinación de las Partes por Millón de una Especie
CO 2
3
Donde: Ppm son las partes por millón resultantes [
] es la concentración de la especie (M) = Peso molecular (g/mol).
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3. DATOS CALCULADOS
Tabla I.
Concentración Estandarizada de Hidróxido de Sodio
KHC8H4O4 (M)
KHC8H4O4 (mL)
NaOH (mL)
NaOH (M)
9.793E-3
10
1.35
0.0725
Fuente: Muestra de Cálculo
Tabla II.
Concentración Estandarizada de Ácido Clorhídrico
NaOH (M)
NaOH (mL)
HCl (mL)
HCl (M)
0.0725
9.8
10
0.107
Fuente: Muestra de Cálculo
Tabla III. (mol/L) 0.107
Concentraciones para la muestra de Na2CO3
CO3-
HCO3-
ppm (CO3-)
ppm (HCO3-)
0.00568
0.00284
363.52
184.6
Fuente: Muestra de Cálculo
Tabla IV. (mol/L) 0.107
Concentraciones para la muestra de NaHCO3
CO3-
HCO3-
ppm (CO3-)
ppm (HCO3-)
-
0.00142
-
92.3
Fuente: Muestra de Cálculo
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Tabla V.
Concentraciones para la muestra compartida de NaOH/Na2CO3
(mol/L) 0.107
CO3-
OH-
ppm (CO3-)
ppm (OH-)
0.010
0.0079
620
134.3
Fuente: Muestra de Cálculo
Tabla VI.
Concentraciones para la muestra de compartida de NaHCO3/Na2CO3
(mol/L) 0.071
CO3-
HCO3-
ppm (CO3-)
ppm (HCO3-)
0.0097
0.0095
601.4
598.5
Fuente: Muestra de Cálculo
Tabla VII.
Concentraciones para la muestra desconocida (Agua Gaseosa)
(mol/L)
CO3-
0.071
HCO3-
ppm (CO3-)
ppm (HCO3-)
0.00101
-
63.63
Fuente: Muestra de Cálculo
Tabla VIII. (mol/L) 0.071
Concentraciones para el agua de grifo (Agua Común) CO3-
HCO3-
ppm (CO3-)
ppm (HCO3-)
0.001217
-
76.671
Fuente: Muestra de Cálculo
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4. ANÁLISIS DE ERROR
Ecuación IV.
Error Porcentual
Dato Teórico: Dato obtenido mediante la Teoría Dato experimental: Dato de la Media
Tabla VIII.
Error en la Estandarización
Muestra
Dato Teórico
Dato Experimental
%Error
NaOH
0.1
0.0725
27.5%
HCl
0.1
0.107
1.2%
Fuente: Datos Originales, Muestra de Cálculo, Análisis de Error (Ecuación IV)
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