Laboratorio de Analisis Instrumental
2017
FUNDAMENTO DEL MÉTODO DE ANÁLISIS
El método fotométrico de análisis se basa en la absorción selectiva de radiaciones electromagnéticas electromagnéticas de diversas regiones del espectro por el sistema homogéneo .Por eso, el método dado, si se emplea radiaciones monocromáticas, monocromáticas, se denomina métodos de espectroscopia de absorción o espectrofotometría .Debido a la sencillez y suficiente selectividad, este método se aplica ampliamente
La determinación de manganeso en acero se puede realizar mediante varios métodos, sin embargo el más conocido es el método espectrofotométrico el cual se basa en la oxidación del manganeso a permanganato, debido a la capacidad del peryodato de oxidar los estados inferiores del manganeso
En el análisis de aceros los componentes que acompañan al manganeso comunican cierta coloración a la disolución; el color del ión férrico se elimina con ácido fosfórico por la formación del complejo fosfórico incoloro. Las interferencias originadas por otros componentes coloreados se eliminan también, en gran extensión, utilizando una luz incidente de la longitud de onda absorbida con más intensidad por el componente a determinar
En este método, la concentración de manganeso se determina por medición de la absorbancia de la solución resultante después de diluir a un volumen conocido.
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DESCRIPCION DE LA TÉCNICA EMPLEADA El instrumento utilizado en esta práctica es el espectrofotómetro . Para la calibración de este espectrofotómetro se usó el CoCl2.6H2O y la solución de HCl al 1% como blanco. Con la solución de CoCl2 en HCl al 1% se hacen medidas de la transmitancia entre el rango de 450nm a 700nm ,hallando de esta manera el λ máximo, el cual al coincidir con el valor indicado con el catálogo indicaría que la calibración es correcta. Luego preparamos los patrones y muestras de la siguiente manera:
Descripción del proceso para la preparación de patrones: 1.
Pesamos por cuadriplicado 0.20g de sal de Mohr (sulfato ferroso amoniacal) y se lleva a fiola de 250ml
2. Agregamos 20ml de la mezcla de ácidos. Tapamos con la luna de reloj y la colocamos sobre la plancha eléctrica hasta llevarla a ebullición(para retirar todos los óxidos de nitrógeno) 3. Sacar de la plancha, enfriar, diluir hasta 50ml y agregar 0.1gr de KIO4. Hervir por 3 minutos y finalmente llevarlo a fiola de 100ml
Descripción del proceso para la preparación de las muestras : 1.
Pesamos por triplicado 0.12 g de la muestra de acero
2. Agregamos 20 ml de la mezcla de ácidos, tapar con luna de reloj y colocarlos en la plancha eléctrica. 3. sacra de la plancha y enfriarla, diluir hasta 50ml,agregar 0.1g de KIO4,hervir por 3 minutos, enfriar y finalmente llevarla fiola de 100ml
.
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Finalmente se escogió el patrón 2 (por ser de concentración media a los demás ) para calcular el λ máximo, y ello hallan la transmitancia para el resto de patrones y la muestra
;lo cual permitirá conocer mediante la curva de calibración la concentración de manganeso en la muestra de acero utilizado.
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REACCIONES QUIMICAS IMPORTANTES 1) Oxidación del manganeso en acero
Q
Mn + HNO3(cc)
→
2NO2(g) Mn(NO3)2(ac) + 2H2O(l)
-Reacciones secundarias:
Fe+2
+ HNO3 ↔ Fe+3 + NO2 + NO
MnO + HNO3 ↔ Mn+2 + NO2 + NO
2) Enmascarado al Fe+3 (acomplejado)
2PO3-4
+ Fe+3
→ [Fe (PO4)2]3- (Evita interferencia de coloración Fe+3 )
(Ácido fosfórico) (color amarillo)
( Solución incolora)
3) Oxidación final del manganeso
2MnSO4 + 5KIO4 + 3H2O
→
2HMnO-4 + 5KIO3
+ 2H2 SO4
-Ecuación iónica:
2Mn+2 + KIO4 + 3H2 O
→ 2MnO4- + 5KIO3 + 2H2+
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DESCRIPCIÓN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS ESPECTROFOTÓMETRO: Un espectrofotómetro es un instrumento que sirve para medir, en función de la longitud de onda, la relación entre valores de una misma magnitud fotométrica relativos a dos haces de radiaciones y la concentración o reacciones químicas que se miden en una muestra. También se utiliza en laboratorios de química para la cuantificación de sustancias y microorganismos. Hay varios tipos de espectrofotómetros, que son de absorción atómica, de absorción molecular (que comúnmente se conoce como espectrofotómetro UV-VIS), y no debe ser confundido con un espectrómetro de masa. Este instrumento tiene la capacidad de proyectar un haz de luz monocromática a través de una muestra y medir la cantidad de luz que es absorbida por dicha muestra. Esto le permite al operador realizar dos funciones: 1. Dar información sobre la naturaleza de la sustancia en la muestra. 2. Indicar indirectamente qué cantidad de la sustancia que nos interesa está presente en la muestra.
Componentes de un espectrofotómetro Fuente de luz La fuente de luz que ilumina la muestra debe cumplir con las siguientes condiciones: estabilidad, direccionabilidad, distribución de energía espectral continua y larga vida. Las fuentes empleadas son: lámpara de wolframio (también llamado tungsteno), lámpara de arco de xenón, lámpara de deuterio y lámpara LED que se utilizan en los laboratorios.
Monocromador
El monocromador aísla las radiaciones de longitud de onda deseada que inciden o se reflejan desde el conjunto, se usa para obtener luz monocromática. Está constituido por las rendijas de entrada y salida, colimadores y el elemento de dispersión. El colimador se ubica entre la rendija de entrada y salida. Es un lente que lleva el haz de luz que entra con una determinada longitud de onda hacia un prisma el cual separa todas las longitudes de onda de ese haz y la longitud deseada se dirige hacia otra lente que direcciona ese haz hacia la rendija de salida.
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Compartimiento de Muestra
Es donde tiene lugar la interacción, R.E.M con la materia (debe producirse donde no haya absorción ni disperisón de las longitudes de onda). es importante destacar, que durante este proceso, se aplica la ley de lambert-beer en su máxima expresión, en base a sus leyes de absorción, y lo implica esto, en lo que concierne a el paso de la molécula de fundamental-excitado.
Detector
El detector es el encargado de captar la radiación y, a su vez, dejarla en evidencia para su estudio posterior. Existen dos tipos: a) los que responden a fotones; b) los que responden al calor.
Fotodetectores
En los instrumentos modernos se encuentra una serie de 16 fotodetectores para percibir la señal en forma simultánea en 16 longitudes de onda, cubriendo el espectro visible. Esto reduce el tiempo de medida, y minimiza las partes móviles del equipo. Celdas Son los recipientes donde se depositan las muestras líquidas a analizar. El material del cual están hechas varía de acuerdo a la región que se esté trabajando; son de vidrio o plástico si se trabaja en la región visible, de cuarzo si se trabaja enla ultravioleta y de NaCl si se trabaja la región de infrarrojo. Se caracterizan por tener dos paredes correspondiente a los lados ópticos por donde cruza el haz de luz.
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CALCULOS DETALLADOS CALIBRACIÓN DEL ESPECTROFOTÓMETRO “GENESYS” Luego de la calibración del espectrofotómetro con solución de CoCl2 en HCl a 1% y de medir los valores de transmitancia en el rango de 450 hasta 700 nm,.Se obtuvo el gráfico “%T vs.λ ” obteniendo así el λ max igual a 508nm .
DETERMINACIÓN MAXIMA DEL λ MÁXIMO DEL PERMANGANATO . Utilizando el blanco preparado en el laboratorio y el standar 2, se determinó el λ máximo para el permanganato mediante la gráfica” %T vs. Λ “. Del cual se obtiene λ máximo = 526nm.
DETERMINACIÓN CUANTITATIVA DE MANGANESO EN ACERO
CALCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE Mn EN CADA UNO DE LOS PATRONES
*Solución patrón de manganeso Esta solución tiene una concentración de 0.2mg de manganeso por mL, expresados a ppm seria.
CMn Soluciones
0.2mg 1ml
1000 ml 1 L
→
CMn=200 ppm
estándar para la curva de calibración
Std1 ( 2 ml ) :
CMn 200 ppm fd
200 ppm
2ml 100ml
→
4 ppm <> 0.4mg Mn/100 ml
→
10 ppm<> 1.0 mg Mn/100 ml
→
20 ppm <> 2.0 mg Mn/100 ml
Std2 ( 5 ml ) :
CMn
200 ppm fd
200 ppm
5ml 100ml
Std3 ( 10 ml ) :
CMn 200 ppm fd
200 ppm
10ml 100ml
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solución
CMn (ppm)
A
bk
0
0
St1
4
0.196
St2
10
0.487
St3
20
0.999
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Con los datos de concentración y absorbancia se grafica la curva de calibración (ver grafica N03) y aplicamos el ajuste por mínimos cuadrados. A = mC(Mn) + b → Y = mX + b Donde obtenemos que: m= 0.0499
1
ppm
b= -0.00401 A = 0.0499C(Mn) -0.00401
Soluciones
(I)
muestra
CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE Mn EN LA MUESTRA 1:
W(muestra 1) = 0.1212g
V(sol.)=100mL
A=0.510
Remplazando este valor en la ecuación de la curva de calibración (I): 0.510 = 0.0499ppm -1CMn - 0.00401
W ( Mn) C ( Mn) V 10.3001 % Mn
mg L
→ CMn = 10.3001ppm
0.100 L W ( Mn ) 1.0301mg
1.0301 10 3 g
W ( Mn) Wmuestra
100%
0.1212 g
100%
%Mn=0.85%
CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE Mn EN LA MUESTRA 2:
W(muestra 1) = 0.1240g
V(sol.)=100mL
A=0.488
Remplazando este valor en la ecuación de la curva de calibración (I):
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0.488 = 0.0499ppm -1CMn - 0.00401
W ( Mn) C ( Mn) V 9.8599
mg L
→ CMn = 9.8599ppm
0.100 L W ( Mn ) 0.9860mg
0.9860 10 3 g
W ( Mn)
% Mn
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Wmuestra
100%
0.1240 g
100%
%Mn=0.80%
CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE Mn EN LA MUESTRA 2:
W(muestra 1) = 0.1215g
V(sol.)=100mL
A=0.473
Remplazando este valor en la ecuación de la curva de calibración (I): 0.473 = 0.0499ppm -1CMn - 0.00401
W ( Mn) C ( Mn) V 9.5593
% Mn
mg L
→ CMn = 9.5593ppm
0.100 L W ( Mn ) 0.9560mg
0.9560 10 3 g
W ( Mn) Wmuestra
100%
0.1215 g
100%
%Mn=0.79% TABLA DE DATOS Y RESULTADOS TABLA DE DATOS:
A) CALIBRACION DEL ESPECTROFOTÓMETRO λ
%T
λ
%T
450
45.3
550
44.2
460
35.2
560
59
470
29.2
570
71.7
480
25.1
580
78.9
490
22
590
84
500
18.6
600
85.2
502
18
610
87.6
504
17.6
620
89.3
506
17.2
630
89-5
508
16.7
640
90
510
16.8
650
89.8
512
17
660
91.1
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514
17
670
90.7
516
17.3
680
92.1
520
18.1
690
93.1
530
23.1
700
94
540
31.6
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B) DETERMINACION DEL λ MÁXIMO A PARTIR DEL PATRON 2 λ
A
480
0.064
490
0.094
500
0.118
510
0.144
520
0.173
522
0.175
524
0.182
526
0.198
528
0.194
530
0.186
532
0.170
C)MUESTRAS DE ACEROS UTILIZADO
W W1 W2 W3
W muestra (g)/100ml 0.1212g/100ml 0.1240g/100ml 0.1215g/100ml
D) SOLUCIÓN STANDARD: MnSO4 H 2O
PATRONES P1 P2 P3
Vol (ml) sol Standard 2ml 5ml 10ml
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TABLA DE RESULTADOS solución
CMn (ppm)
A
bk
0
0
St1
4
0.196
St2
10
0.487
St3
20
0.999
muestra
%Mn
1
0.85
2
0.80
3
0.79
TRATAMIENTOS ESTADISTICOS *MEDIA: ___
% Mn
% Mni n
___
% Mn 0.81%
*DESVIACI ON E STANDAR: ___
S
2 (% Mn % Mni )
n 1
S
0.0321
* C OE F I C I E N TE D E V A R I A C I O N CV
S
media
CV=0.0396
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BIBLIOGRAFIA 1.
-. Strobel Howard A.”Instrumentación Química”
Editorial Limusa, 1979.
2. Skoog D. West D., Principios de Análisis Instrumental, 5ta Edición, Ed. Mac Graw Hill, México 2001.
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