VOLUMETRÍA CON FORMACIÓN DE COMPLEJOS Lucas-Velásquez, Leonardo (1237458) & Muñoz-Bohórquez, Silvio Andrés (1242018)
[email protected],
[email protected] Universidad del Valle, Facultad de Salud, Escuela de Bacteriología, Laboratorio de Química Analítica General Abril 01 de 2013 RESUMEN La práctica de volumetría con formación de complejos consistió en la determinación de la dureza de una muestra de agua de grifo y de otra correspondiente a agua embotellada, ambas muestras fueron tratadas con HCl concentrado y HNO 3, seguidamente se tamponaron a pH 10 con solución NH 4OH/NH4Cl, se agrego indicador negro de eriocromo T y se valoro con solución EDTA previamente estandarizada hasta el viraje del color a azul, obteniéndose una dureza total en agua embotellada de 142.8 mg/L CaCO 3 y de 285.6 mg/L CaCO3 para el agua de grifo. Posteriormente se agrego a una alícuota de ambas muestras NaOH e indicador de murexida, se valoro con EDTA y se obtuvieron los valores de la dureza debida al Ca correspondientes a 137.2 mg/L CaCO 3 para el agua embotellada y 198.8 mg/L CaCO3 para el agua de grifo Palabras Clave: Dureza del agua, EDTA, indicador metalocrómico.
1. DATOS, CÁLCULOS CÁLCULOS Y RESULTADOS 1.1. Preparación de soluciones:
Peso de NaOH: Para la preparación de las soluciones acuosas se calcularon los gramos necesarios de carbonato de calcio (CaCO 3), de sal disódica del ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) y de hidróxido de sodio (NaOH), para preparar soluciones 0.0100 M, 0.01 M y 2 M, respectivamente: Peso de CaCO3:
Peso de EDTA:
Las cantidades correspondientes a la solución reguladora de amoníaco/cloruro de amonio (pH = 10) se midieron de acuerdo a las indicaciones de la guía del laboratorio (Tabla 1). Tabla 1. Contenido real de las soluciones utilizadas en la práctica Solución Amortiguador NH4OH/NH4Cl pH = 10.0 (25 mL):
Sustancia Cantidad NH4OH al 30% 7.1 (mL) NH4Cl sólido (g) 1.3502
Patrón de CaCO3 0.0100M (250 mL): EDTA 0.01M (100 mL): NaOH 2M (50 mL):
CaCO3 puro (g) HCl (mL)
0.2500 10
Sal disódica de EDTA (g) MgCl2•6H2O (g) NaOH sólido (g)
0.2930 0.0200 4.08
* Todas las soluciones se aforaron hasta su volumen final con agua destilada.
1.2. Estandarización del EDTA: A partir de la concentración conocida de la solución patrón de carbonato de calcio (0.0100 M) se titularon 10 mL de esta solución con la solución de EDTA para conocer la concentración (Molaridad) de esta última: Tabla 2. Titulación de la solución patrón Solución CaCO3 0.0100 M
Volumen gastado de EDTA (mL) 7
Esta concentración real fue muy cercana a la esperada o teórica (0.01 M), utilizada en los cálculos para su preparación.
1.3. Determinación de la dureza de un agua de botella: Dos muestras de 50 mL (cada una) de agua de botella fueron tratadas para determinar la dureza total (muestra 1) y la dureza debida al calcio (muestra 2).
Tabla 3. Titulación de las muestras de agua de botella Muestra Volumen gastado de EDTA (mL) 1 5.1 2 4.9
Dureza (D):
( ) ( )
Dureza total:
)( ) (
Dureza debida al calcio:
)( ) (
Dureza debida al magnesio:
1.4. Determinación de la dureza de un agua de grifo: Los datos para este apartado fueron proporcionados por otro grupo del laboratorio, quienes siguieron los mismos
procedimientos para analizar un agua de grifo. Tabla 4. Titulación de la solución patrón y de las muestras de agua de grifo Solución CaCO3 0.0100 M Muestra 1 Muestra 2
Volumen gastado de EDTA (mL) 7.1 10.2 7.1
metodología permite medir la cantidad de agente valorante (quelón o agente quelante) necesario para formar el complejo cíclico (quelato), técnica denominada como quelometría (Clavijo-Díaz, 2002), y es de gran utilidad para determinar la dureza del agua, la cual es debida principalmente a los iones calcio y magnesio que se encuentran libres y es un parámetro de gran importancia para calificar la calidad del agua.
2. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
El EDTA es el valorante complexométrico más utilizado para determinar los iones metálicos mediante un procedimiento simple, de manera directa o indirecta (Ospina-Gómez et al ., 2010). Este es un compuesto quelante tetraprótico que puede formar uno o varios enlaces con iones metálicos monovalentes, trivalentes y especialmente divalentes en una relación estequiométrica 1:1, lo que lo convierte en un excelente agente valorante ya que es independiente de la carga del catión (Harris, 2007). Además de esto, la importancia del EDTA en las valoraciones radica en que la mayoría de los quelatos que forma con los iones son lo suficientemente estables como para permitir una adecuada valoración volumétrica y obtener resultados confiables (Riaño-Cabrera, 2007). Gracias a estas características se logró determinar en esta práctica la concentración de la solución de EDTA (a partir de la concentración conocida del carbonato de calcio y su relación 1:1) y la cantidad de los iones calcio y magnesio presentes en los dos tipos de agua analizada.
La volumetría que usa un ligando polidentado y reacciona con un ion metálico para formar un complejo cíclico es muy usada actualmente para determinar iones metálicos en una solución o mezcla. Esta
Las valoraciones realizadas se llevaron a cabo a pH próximos a 10 debido a que en la solución los iones hidronio (H 3O+) compiten con los iones metálicos, inhibiendo la formación del quelato, y además en estos
Dureza total (muestra 1):
) ( )(
Dureza debida al calcio (muestra 2):
) ( )(
Dureza debida al magnesio:
valores de pH predomina la forma Y 4- del EDTA (con los cuatro grupos carboxilos ionizados) que posibilita la unión a los iones en varios puntos de coordinación (ClavijoDíaz, 2002). Sin embargo, los pH altos representan un problema debido a la elevada presencia de iones hidroxilos (OH-) que precipitan los iones metálicos como hidróxidos. Es por esto que el uso de la solución reguladora de amoníaco/cloruro de amonio para la determinación de la dureza total fue un factor importante tanto para la regulación de los iones hidronios libres en la muestra y la estabilización de un rango estrecho de pH, como para mantener ambos iones metálicos (calcio y magnesio) disueltos y evitar que fueran precipitados como hidróxidos. Esta interacción del amoníaco con los cationes metálicos es lo suficientemente débil como para ceder estos últimos a medida que se añade el EDTA (Harris, 2007). Los indicadores usados en este tipo de valoraciones son denominados metalocrómicos por su capacidad de ligarse a los iones metálicos y presentar en este estado un color diferente al de su estado libre. El viraje en la coloración del indicador negro de eriocromo T en la determinación de la dureza total, de un color azul a uno púrpura, permitió establecer el punto de equivalencia tras la adición de 5.1 mL de EDTA. Este punto se logra determinar gracias a que la interacción de los iones Ca 2+ y Mg2+ con el indicador es más débil que con el EDTA, por lo cual se puede observar la aparición (viraje) del color del estado libre (ha cedido todos los cationes) del indicador al adicionar suficiente EDTA para acomplejar tanto los cationes metálicos libres en la solución como los que fueron ligados por la pequeña cantidad de indicador utilizado. Adicionalmente, el pH regulado por el
amortiguador permitió obtener el color deseado fácilmente, ya que a valores de pH mayores a 10 se obtiene una especie diferente del indicador que presenta un color naranja. La determinación directa de la dureza debida al calcio se logró por la adición de 5 mL de la solución de NaOH 2M a la muestra de agua, la cual alcaliniza el medio hasta un pH de 12 a 13 aproximadamente, produciendo la precipitación del magnesio como Mg(OH)2. En este caso no se empleó la solución reguladora debido a que en este procedimiento se necesitaba dejar al calcio como único catión divalente libre en la disolución. El punto de equivalencia se determinó con el uso de murexida, el cual es un indicador que en su estado ligado al calcio es de color rosa y vira a púrpura cuando está en su forma libre. Lo anterior sucedió de igual forma en la estandarización de la solución de EDTA, añadiendo 3 mL de NaOH 2M a la solución patrón de CaCO 3 para aumentar el pH a 12 y precipitar el magnesio libre, antes de titular con el EDTA. La dureza se define como la capacidad de los cationes del agua de reemplazar a los iones sodio o potasio de los jabones, impidiendo su acción detergente por la formación de productos poco solubles (Riaño-Cabrera, 2007). Las aguas duras dejan depósitos sólidos en las tuberías cuando se evaporan y las blandas atacan al hormigón y otros derivados del cemento (Harris, 2007). Los resultados obtenidos en esta práctica indican que el agua de botella y el agua de grifo analizadas son clasificadas como duras, debido a que su dureza total fue de 142.8 mg CaCO3/litro y 285.6 mg CaCO3/litro, respectivamente, siendo superiores al valor de 60 mg/L, por debajo del cual un agua puede ser considerada
como blanda, y al de 100 mg/L por encima del cual se consideran duras (Riaño-Cabrera, 2007). Se demuestra en esta práctica que el agua de botella es menos dura que el agua de grifo, producto del mayor tratamiento de deionización que se le aplica a la primera. Adicionalmente, el agua de grifo no cumplió (DT = 285.6 mg CaCO3/L; y DMg = 86.8 mg CaCO3/L) con los parámetros establecidos para el agua potable de acuerdo a la Norma Técnica Colombiana 813, en la cual se epecifica que lo permitido para el consumo humano está entre 30 y 150 mg de CaCO 3/L para la dureza total y menos de 36 mg de CaCO3/L para la dureza debida al magnesio (ICONTEC, 1994). Sin embargo, los resultados para el agua de botella (D T = 142.8 mg CaCO3/L; y DMg = 5.6 mg CaCO 3/L) sí cumplieron con estos estándares de calidad, a pesar de ser un agua dura. Finalmente, cabe mencionar que pudieron presentarse factores de error en las determinaciones de la dureza, los cuales se relacionan con fallas en la identificación exacta del punto final en las titulaciones, el uso de una cantidad muy grande de indicador, que dificulta la observación del viraje del color, y la falta del control del pH en las muestras, ya sea por mala preparación de la solución reguladora o por la deficiencia de exactitud en la determinación del pH igual a 10 (tras adicionar NaOH 2M) usando papel de tornasol. 3. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS ¿Qué es un indicador metalocrómico? R/: Un indicador de ion metálico (también denominado indicador metalocrómico) es
un compuesto cuyo color cambia cuando se une a un ion metálico. Es la técnica más común para localizar el punto final de una titulación con EDTA. Para que un indicador sea útil, debe unirse al ion metálico menos fuertemente que el EDTA.
¿Cuál es la estructura del complejo Mg-EDTA?
R/:
Mg
Esta es la estructura del complejo Mg-EDTA donde se observa como el EDTA envuelve o captura al catión metálico. ¿Por qué adiciona MgCl2.6H2O en la preparación del EDTA? R/: El cloruro de magnesio se adiciona a la solución de EDTA para mejorar el viraje del indicador negro de eriocromo T. Los iones Ca2+ desplazan su equivalente de iones magnesio en este complejo coloreado con negro de eriocromo T que es suficientemente estable para resistir hasta el punto de equivalencia de la titulación.
4. CONCLUSIONES
La dureza total del agua está determinada por todos los metales alcalinos y sus respectivos derivados presentes en la muestra Durante el proceso de valoración con EDTA, el uso del indicador metalocrómico adecuado es determinante para poder localizar el punto final de la valoración. Es necesario tener en cuenta que la mayoría de indicadores metalocrómicos también son indicadores acido/base, por lo que fue necesario medir el pH al cual transcurría la reacción. La solución tampón actúa como agente complejante auxiliar impidiendo la precipitación de los hidróxidos metálicos, al complejar los iones metálicos hasta que se agrega EDTA a la solución. La dureza determinada tanto para el agua embotellada como para la de grifo encaja en el rango de aguas duras
5. BIBLIOGRAFÍA CLAVIJO-DÍAZ, A. 2002. Fundamentos de química analítica: equilibrio iónico y análisis químico. Editorial Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. 1009 p. HARRIS, D. C. 2007. Análisis químico cuantitativo. Tercera edición. Editorial Reverte. 744 p.
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACION (ICONTEC). 1994. Norma Técnica Colombiana (NTC) 813: Agua; Agua Potable. 13 p. OSPINA-GÓMEZ, G. A., J. J. GARCÍA DE OSSA & P. N. MARTÍNEZ-YEPES. 2010. Gravimetría y volumetría: Fundamentación experimental en química analítica. Elizcom S.A.S., Colombia. 174 p. RIAÑO-CABRERA, N. 2007. Fundamentos de química analítica básica: análisis cuantitativo. Editorial Universidad de Caldas, Colombia. 290 p. SKOOG, D. 2001. Química analítica. Mc Graw-Hill Interamericana. 289, 469 p. UNIVERSIDAD DE LA SERENA. Chile. Manual de Laboratorio de Química Analítica II. 2007. 2 p.
