Informe de laboratorio de Química Analítica I I
Practica Practi ca N° 5
23/11/2016
Departamento de Química - Universidad de córdoba
ANALISIS ESPECTROFOTOMETRICO SIMULTANEO DE DOS COMPONENTES COMPO NENTES EN UNA MUESTRA Gerson José Vélez peinado Facultad de Ciencias Básicas. Programa: Química. Docente: Edineldo Lans Ceballos
Abstract This experiment aimed to determine the concentration of Potassium Dichromate and potassium permanganate in a problem sample. For its realization it was necessary to make the calibration curve for each pure component, and to determine the molar absorptivities of each solution at different wavelengths; This was done in order to recreate an algebraic system that would allow us to determine the concentrations of these components.
INTRODUCCIÓN
una serie de estados excitados (o bandas) que la distingue del resto de moléculas. Como consecuencia, la absorción que a distintas longitudes de onda ond a presenta una molécula esto es, su espectro de absorción constituye una seña de identidad de la misma. Por último, la molécula en forma excitada libera la energía absorbida hasta el estado energético fundamental. En espectroscopia el término luz no sólo se aplica a la forma visible de radiación electromagnética, sino también a las formas UV e IR, que son invisibles. En espectrofotometría de absorbancia se utilizan las regiones del ultravioleta (UV cercano, de 195-400 nm) y el visible (400-780 nm). Como la energía se conserva, la diferencia de energía entre el estado excitado (A*) y el fundamental de la molécula (A) debe ser exactamente igual a la energía del fotón. Cada molécula tiene una serie de estados excitados discretos (o bandas) que dependen de su estructura electrónica y que la distinguen del resto de moléculas. Como consecuencia, el espectro de
Espectrofotometría UV-Vis: El fundamento de la espectroscopia se debe a la capacidad de las moléculas para absorber radiaciones, entre ellas las radiaciones dentro del espectro UV visible. Las longitudes de onda on da de las radiaciones que una molécula puede absorber y la eficiencia con la que se absorben dependen de la estructura atómica y de las condiciones del medio (pH, temperatura, t emperatura, fuerza iónica, constante dieléctrica), por lo que dicha técnica constituye un valioso instrumento para la determinación y caracterización compuestas. Las moléculas pueden absorber energía luminosa y almacenarla en forma de energía interna. Cuando la luz (considerada como energía) es absorbida por una molécula se origina un salto desde un estado energético basal o fundamental, E1, a un estado de mayor energía (estado excitado), E 2. Y sólo se absorberá la energía que permita el salto al estado excitado. Cada molécula tiene 1
absorción, es decir, la luz absorbida en función de la longitud de onda, constituye una verdadera seña de identidad de cada molécula. Dos moléculas distintas presentarán espectros de absorción distintos, como se representa esquemáticamente en la siguiente figura.
Equipo Usado: Espectrofotómetro Perkin Elmer: Lambda II
b. Fundamentos del método: Ley de Beer-Lambert La ley de Beer-Lambert, afirma que la absorbancia es directamente proporcional a la concentración de la especie absorbente. Para conocer cómo se expresa la ley de Beer, se imagina que una luz de potencia radiante P pasa a través de una capa infinitamente fina de la disolución de espesor dx. La disminución de potencia (dP) es proporcional a la potencia incidente (P), a la concentración de la especie absorbente, C, y al espesor de la sección (dx):
Instrumentación para la medición de absorbancias de la luz visible y ultravioleta: espectrofotómetro UV visible La medición de absorbancia de la luz por po r las moléculas se realiza en unos aparatos llamados espectrofotómetros. Aunque pueden variar en diseño, en especial con la incorporación de ordenadores para el análisis de datos, todos los espectrofotómetros constan, según se indica en la figura, de: 1. Una fuente de energía radiante: lámpara de deuterio y tungsteno. 2. Un monocromador para la selección de radiaciones de una determinada longitud de onda: filtros, prismas, redes de difracción. 3. Un compartimento donde se aloja un recipiente transparente (cubetas o tubos) que contenga la muestra. Pueden ser de vidrio, cuarzo o plástico transparente. Para medir en UV se deben usar las de cuarzo o sílice fundido, porque el vidrio no transmite la radiación UV. 4. Un detector de luz y un amplificador convertidor de las señales luminosas en señales eléctricas. 5. Un registrador o sistema de lectura de datos.
β
dP=βPc dx 1
Donde es una constante de proporcionalidad, y el signo menos significa que P disminuye al aumentar x. Es decir que la disminución de fotones (potencia) es proporcional al flujo incidente de fotones (Potencia). La ecuación (1) se resuelve por variable separada y se obtiene:
dP dP P = βc dx → ∫ P = ∫ dx → lnPlnP=βcb→ln(PP) = βcb Convirtiendo los logaritmos neperianos en decimales dec imales y usando la relación , se obtiene la ley de Beer.
z=ln10lnz
2
= cb log → A = εcb ε 10 M−cm−
Donde b es la ordenada al origen o intersección con el eje y, es decir, el valor de y cuando x es cero, y m es la pendiente de la recta
La absortividad molar puede valer desde 0 (si la probabilidad de absorción del foton es 0) hasta aproximadamente (cuando la probabilidad del foton se acerca a 1).
Para determinar una concentración desconocida Cx a partir de la recta de mínimos cuadrados, se obtiene el valor de la respuesta del instrumento Y c para la incógnita, y para la pendiente y la ordenada al origen se usan para calcular la concentración desconocida C x como se muestra en la siguiente ecuación
ε
Ha y depende de la longitud de onda de la luz
C = ym b
Método del estándar externo o calibración sencilla: Un estándar o patrón externo se prepara por separado de la muestra. En cambio, un estándar interno se añade a la muestra. La calibración se consigue al obtener la señal de respuesta (absorbancia, altura del pico, área del pico) en función de la concentración conocida del analito. Una curva de calibración se prepara con una gráfica de los datos o ajustándoles una ecuación matemática aceptable, como la ecuación de la recta dada por la pendiente y la ordenada al origen que se usa en el método de los mínimos cuadrados lineales.
En los casos en que los datos no se ajustan a un modelo lineal, entonces se puede recurrir a los métodos de regresión no lineal. Algunos de éstos utilizan modelos polinomiales o procedimientos de regresión múltiple Para la construcción del modelo de regresión se utilizó el software Microsoft Office: Excel 2013 Método Algebraico : Para la determinación de las concentraciones se efectuará un método graficoanalítico, el cual se crea un sistema de ecuaciones lineales, cuya solución a sus incógnitas implica la determinación de las concentraciones de los componentes A y B.
El paso siguiente es la etapa de predicción, en la que se obtiene la señal de respuesta para la muestra y se usa para predecirla concentración desconocida del analito, Cx, a partir de la curva de calibración o de la ecuación de mejor ajuste. La concentración del analito en la muestra original se calcula luego mediante Cx aplicando los factores de dilución convenientes tomados de los pasos que se siguieron para preparar la muestra.
Por lo general el método se utiliza para casos donde los espectros de los componentes de la mezcla no se solapan demasiado (cuando sus máximos de absorción están distantes).
El análisis de regresión proporciona los medios para obtener en forma objetiva dicha recta, y también para especificar la incertidumbre asociada con el uso posterior. Esta incertidumbre se relaciona con los residuos que se muestran en la figura anterior, los cuales son una medida de qué tan lejos de la recta de mejor ajuste quedan los datos.
A′
Sistema de ecuaciones lineales:
Sea la absorbancia de la mezcla determinada a la longitud de onda del componente Y y la absorbancia de la mezcla a la longitud de onda de X.
A′′ AA′′′ == εε′′′bb[[XX]] ++ εε′′′bb[[YY]]
Sistema de ecuaciones de 2x2
La relación matemática que representa esta suposición se llama modelo de regresión, y se podría representar con
Ancho de la cubeta (b) = 1cm
y = mx + b 3
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
ε′ ε′ ε′′ ε′′
De lo anterior realizado en el laboratorio se obtuvieron los siguientes valores de absorbancia para distintas concentraciones de estándares de Sln. Dicromato de Potasio (A) y Sln. Permanganato de potasio (B), y para una mezcla problema de estos dos componentes. Las lecturas de la señal analítica se realizaron a longitudes de onda máxima de los componentes A y B.
Se determinan los coeficientes de , , y mediante la curva de calibración de los estándares X y Y.
MATERIALES (6) Matraces de (50, 25 o 10) ml Pipeta de (2,0 y 5,0) ml
Los valores de absorbancia para ambos compuestos se pueden ver en tabla 1.
(1) Frasco lavador (1) Espátula (1) Agitador (1) Beaker de 100 Ml
REACTIVOS - Dicromato de potasio K 2Cr2O7 - Permanganato de potasio KMnO4
METODOLOGÍA
Preparar una solución madre de K 2Cr2O7 a 0,1M y una de Cr(Cl)3 a 0750M Tomar 5 balones aforados de d e 25 ml para cada compuesto, y a partir de diluciones con agua obtener las siguientes concentraciones de K 2Cr2O7 y Cr (Cl) 3: 0,006; 0,004; 0,002; 0,001; 0,0008. Llevar las soluciones para el respectivo análisis en el espectrofotómetro. Calibrar el equipo con un blanco y las longitudes de onda adecuadas para cada compuesto en la solución. Medir el porcentaje de transmitancia para cada disolución en orden ascendente de concentración y anotar los resultados.
4
A \ [M]
0,008
0,001
0,002
0,004
0,006
Mezcla
0,27 0,441 ) 0,305 0,3467 A Y(λx ) 0,4546 0,5441 A X(λ ) y 0,392 0,427 A Y(λy ) X (Dicromato de potasio) λX : 525nm Y (Cloruro de Cromo): Cromo): = 490nm λy =
0,662 0,74 0,9577 0,881
1,317 1,415 1,413 1,64
1,863 2,112 1,8674 2,246
0,2587 0,2587 0,1795 0,1795
) A X(λx )
Tabla 1. Absorbancias de ambas sustancias a las respectivas concentraciones. L. de onda 525 nm [M] Abs Y 0,0008 0,27 0,001 0,441 0,002 0,662 0,004 1,317 0,006 1,863
Curva de Calibrado Calibrado a 525 nm Dicromato de potasio 2 y = 299,75x + 0,0833 R² = 0,9954
1,5 1 0,5 0 0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
De la ecuación del grafico se puede determinar la absortividad molar a λ=525 nm
m = ε′ b ; b= b = 1 cm => ε′ = m = 299,75M−cm− Curva de Calibrado a 490 nm Dicromato de potasio
L. de onda 525 nm [M] Abs Y 0,0008 0,305 0,001 0,3467 0,002 0,74 0,004 1,415 0,006 2,112
2,5 y = 267,29x + 0,3096 R² = 0,9845
2 1,5 1 0,5 0 0
De
0,001
la
0,002
ecuación
del
0,003
0,004
grafico
0,005
se
0,006
puede
0,007
determin ar
la
absortividad
m = ε′ b ; b = 1 cm => ε′ = m = 267,29cm− 5
molar
a
λ=490
nm
Curva de Calibrado Calibrado a 525 nm Permanganato de potasio
2,5
L. de onda 490 nm [M] Abs X 0,0008 0,4546 0,001 0,5441 0,002 0,9577 0,004 1,413 0,006 1,8674
y = 349,18x + 0,02 R² = 0,9996
2
1,5
1
0,5
0 0
De
la
0,001
0,002
0,003
ecuación
del
grafico
0,004
se
0,005
puede
0,006
cdeterminar
0,007
la
absortividad
m = ε′ b ; b = 1 cm => ε′ = m = 349,18cm−
Curva de Calibrado a 490 nm Permanganato de potasio
a
λ=525
nm
L. de onda 490 nm [M] Abs X 0,0008 0,392 0,001 0,427 0,002 0,881 0,004 1,64 0,006 2,246
2,5 y = 364,22x + 0,112 R² = 0,9954
2
molar
1,5 1 0,5 0 0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
De la ecuación del grafico se puede cdeterminar la absortividad molar a λ=490 nm
m = ε′ b ; b = 1 cm => ε′ = m = 364,22cm−
6
Con los datos anteriores se puede realizar realizar Calculo de [X] y [Y] en la la mezcla problema
ε′ ε′ ε′′ ε′′
Se reemplazan los valores de , , y de [X] y [Y] por el método de Kramer.
en el sistema de ecuaciones lineales y se dispone a encontrar los valores
0,1795=364,22[X] + 267,29[Y] 0,2587=349,18[X] + 299,75[Y] A ′′′ [X] = Aε′ ε′′ 00,,21578975 | [X] = 364,22 349,18
ε′′′ ε′ ε′′ ε
ε′′′ | ; [Y] = εε′ ε′′
A′′′ | A′ ε′′ ε
229697,,7259| 0,2587∗267,29 0,1795∗299,75 226979,,2795 = 364,22∗299,75 349,18∗299,75 342798 = 0,00338 [X] = 15,4508, 24 003381010 M
336449,,2128 | [Y] = 364,22 349,18
00,,12759857| 364,22∗0,2587 349,18∗0,1795 226979,,2795 = 364,22∗299,75 349,18∗299,75 31,5459 = 0,000289 [X] = 109125, 515 00289 M
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A partir de los datos obtenidos se calcularon las diferentes concentraciones para X y Y las cuales nos arrojaron los valores anteriormente mostrados, esto hace referencia a que si se logró el objetivo de demostrar de forma tanto practica como teórica la ley de beer para mezclas.
BIBLIOGRAFÍA
CONCLUSIÓN Al concluir la practica y teniendo teniendo en cuenta la teoría en la cual se soportó la experiencia de laboratorio labo ratorio se puede concluir que A una longitud de onda especifica la absorbancia de una muestra problema que contiene un número de especies absorbentes distintas, es la suma ponderada de las absorbancias particulares de cada especie particular, seguido de esto también se pudo hacer la verificación tanto teórica como experimental (basado en los cálculos obtenidos) de la validez de la ley de beer para mezclas, la cual expresa expr esa que la cantidad de energía absorbida por una especie absorbente es proporcional al número de especies por unidad de volumen. MATERIAL (CUESTIONARIO).
COMPLEMENTARIO
1. ¿Mencione al menos tres tipos de mezclas que pueden ser analizadas mediante espectroscopia de absorción molecular? RTA/
Es posible determinar la presencia de Metales en una muestra, como en el caso de una mezcla de Vanadio y Titanio, en presencia de H2O2) y H2SO4 en solución acuosa ). Debido a que los espectros individuales de estos componentes se solapan, el método descrito anteriormente es útil. También para una mezcla de Permanganato de Potasio y Dicromato de Potasio. El método se aplica igualmente para una mezcla de indicadores como Azul de timol (TB), Azul de semitimol(STB) y Azul de Metiltimol(MTB).
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Daniel Harris. Análisis Cuantitativo. 2ed Pag 96 Skoog, Douglas A. Química Analítica,.Edit Mc Graw Hill 7ª ed. México 2001.Pág. 282
