DETERMINACIÓN DE PERMANGANATO DE POTASIO (KMnO4) EN ANTISÉPTICOS PARA ACUARIOS POR ESPECTROFOTOMETRÍA UV-VIS. OBJETIVOS: Aplicar los conocimientos adquiridos de espectrofotometría durante el curso práctico de Análisis Instrumental, mediante el diseño de un protocolo experimental, para poder cuantificar algún analito de interés de manera correcta y adecuada una muestra problema. Conocer el proceso de estandarización del KMnO 4 y su realización, por medio de la valoración de este con Ácido Oxálico (C 2H2O4), para poder utilizarlo como patrón primario. Cuantificar KMnO 4 en antisépticos para acuario, por medio de la preparación de una curva de calibración.
INTRODUCCIÓN: Un método espectrofotométrico está basado en la medida directa de la absorción de radiación electromagnética por parte de una muestra, cuantificable a través de la Absorbancia, y la correlación de esta variable con la concentración de la especie de interés en dicha muestra. Todo analito molecular tiene la capacidad de absorber ciertas longitudes de onda características de la radiación electromagnética. En este proceso, la radiación es transferida temporalmente a la molécula y, como consecuencia, disminuye la intensidad de la radiación. Dicha disminución, debida a la absorción experimentada por el analito, puede ser cuantificada utilizando diversas magnitudes, siendo la Absorbancia, A, la más comúnmente utilizada en la espectrofotometría de UV-VIS. Dicha Absorbancia se define por la expresión: donde A es la Absorbancia, P0 la potencia del haz de radiación incidente y P la potencia de dicho haz tras atravesar la muestra. Ley de Beer De acuerdo con la ley de Beer, la Absorbancia está relacionada linealmente con la concentración de la especie absorbente, c, y con la longitud de la trayectoria de la radiación en el medio absorbente o camino óptico, b. Esto es:
donde a es una constante de proporcionalidad llamada absortividad. Cuando la concentración c se expresa en moles por litro, y b en centímetros, la constante de proporcionalidad se denomina absortividad molar, y se designa por el símbolo e, y, puesto que la Absorbancia es una magnitud adimensional, tendrá unidades de L cm-1 mol-1. En este caso, la ley de Beer adquiere la forma:
Un espectro de absorción es una representación gráfica de la Absorbancia de un analito (o de otra magnitud equivalente) en función de la longitud de onda de la radiación, l, (o de otro parámetro relacionado con la energía de la radiación utilizada). El máximo de Absorbancia obtenido en el espectro de absorción de un analito, nos dará la longitud de onda que proporciona la mayor sensibilidad posible, y por tanto será la que se utilizará en el análisis espectrofotométrico de dicho analito. Todas las disoluciones que presentan color, absorben radiación electromagnética perteneciente al espectro visible, el cual puede dividirse en varias zonas según se muestra en la tabla siguiente:
En dicha tabla, la columna del "color" indica la porción del espectro que es absorbida, mientras que la correspondiente al "color complementario" indica la porción de radiación electromagnética que no absorbe la muestra y que por tanto es transmitida a través de ella y puede ser captada por el ojo humano (color de la disolución). En dicha tabla, la columna del "color" indica la porción del espectro que es absorbida, mientras que la correspondiente al "color complementario" indica la porción de radiación electromagnética que no absorbe la muestra y que por tanto es transmitida a través de ella y puede ser captada por el ojo humano (color de la disolución). Para llevar a cabo el análisis cuantitativo de una especie mediante la espectroscopía de absorción molecular, es preciso realizar una etapa previa de calibración. En dicha etapa se mide la Absorbancia de varias muestras de concentración conocida, las cuales serán utilizadas para, mediante "comparación", calcular la concentración de una muestra problema tras medir su Absorbancia.
Para llevar a cabo la etapa de calibración, se representa la Absorbancia de las muestras de concentración conocida (llamadas patrones) a la longitud de onda de máxima Absorbancia, frente a la concentración de dichas muestras. De esta manera se obtiene la Curva de Calibración. Según la ley de Beer, el resultado obtenido será una línea recta, cuya expresión matemática puede ser obtenida mediante un tratamiento de ajuste estadístico por mínimos cuadrados. Un patrón primario es un reactivo que cumple las características que se enumeran a continuación y permiten por tanto la obtención de disoluciones de concentración perfectamente conocida sin más requisito que el conocimiento de la masa exacta de reactivo empleada. 1.- El reactivo debe tener alta pureza (>99.9%). 2.- Su composición debe corresponder exactamente a su fórmula. 3.- Debe ser estable a temperatura ambiente, sin cambiar su composición con el secado o con el aumento de temperatura. 4.- No debe absorber agua ni CO2 de la atmósfera. Si es posible, es mejor no utilizar sustancias que contienen agua de cristalización porque, a veces (no siempre), este tipo de sustancias se deshidrata parcialmente en el transcurso del tiempo. 5.- El peso molecular debe ser alto, para minimizar así el error en la pesada. Desafortunadamente, el número de sustancias que pueden utilizarse como patrones primarios es muy restringido. Por ello normalmente las disoluciones del valorante se preparan en una concentración aproximada, y su concentración exacta se determina por estandarización frente a un patrón primario. Para ello se pesa una determinada cantidad de patrón primario, se disuelve completamente en el erlenmeyer y se valora con la disolución de valorante a estandarizar. El KMnO4 es un oxidante fuerte de intenso color violeta. En disoluciones fuertemente ácidas de pH ≤ 1.0 se reduce a Mn 2+ incoloro. MnO4- + 8H+ + 5e- Mn2+ + 4H2O Eº = 1.507v En disolución neutra o alcalina el producto de reducción es el sólido MnO 2, de color pardo. MnO4- + 4H+ + 3e- MnO2 + 2H2O Eº = 1.692v En disolución fuertemente alcalina (NaOH 2M), se produce ion manganato, de color verde. MnO4- + 1e- MnO4-2 Eº = 0.56v El KMnO4 no es un patrón primario, porque siempre contiene trazas de MnO 2. Además el agua destilada contiene diversas impurezas orgánicas para reducir algo de MnO4- recién disuelto a MnO 2. Para preparar una disolución stock de 0.02M, se disuelve la cantidad necesaria de KMnO4 en agua destilada, hervir durante una hora para acelerar la reacción del MnO 4- con las posibles impurezas orgánicas, y filtrar la solución resultante a través de una placa de vidrio poroso, para eliminar el MnO 2 que haya precipitado. El reactivo se guarda en una botella de vidrio ámbar. Las disoluciones acuosas de KMnO 4 son inestables debido a la reacción 4MnO4- + 2H2O 4MnO2 + 3O2 + 4OH-
Que es lenta en ausencia de MnO2, calor, luz, ácidos y bases. Hay que preparar y estandarizar soluciones recién diluidas a partir de la solución stock de 0.02M usando agua, que se destiló añadiendo algo de KMnO 4 y NaOH. El KMnO4 se puede estandarizar valorándolo con Oxalato sódico (Na2C2O4). Disolver en H2SO4 1M oxalato sódico, previamente secado (105 ºC, 2 horas), y tratar con el volumen necesario de la disolución de KMnO 4, a temperatura ambiente. Después calentar la disolución a 55-60 ºC, y acabar la valoración añadiendo lentamente KMnO 4. Restar el valor del blanco, para tener en cuenta la cantidad necesaria de valorante (normalmente una gota) para teñir la solución de color rosa. 2MnO4- + 5H2C2O4 + 6H+ → 2Mn2+ + 10CO2(g) + 8H2O En tratamientos ictiológicos, el KMnO 4 puede retirar parásitos externos y bacterias de los peces y algas en una dosis de 2mg/l. Se debe de tener en cuenta la cantidad de materia orgánica en el agua y el pH, debido a que puede resultar en toxicidad o precipitación de MnO 2 en las agallas de los peces.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. Preparación de Soluciones y Sistemas. 1.1 Soluciones. Agua Destilada. Solución de H2SO4 [1 M]. Se toman con pipeta graduada 5.42ml de reactivo analítico de y se afora a 100ml con agua destilada. Solución Patrón o Estándar de Permanganato de Potasio KMnO 4. Se pesan con exactitud 158.03 mg o 0.15803 gr de KMnO4 y disolver en 50ml de H2SO4 [1 M] (Solución A). Se toman 4ml de la Solución A y se aforan a 50ml de Agua destilada (Solución B). Solución Problema. Soluciones antisépticas para Acuario Permaseptic®.
Preparación de Solución Patrón o Stock de KMnO 4. Hervir durante una hora para acelerar la reacción del MnO 4- con las posibles impurezas orgánicas. Filtrar la solución resultante a través de un filtro de fibra de vidrio poroso, para eliminar el MnO 2 que haya precipitado. El reactivo se guarda en una botella de vidrio ámbar.
Estandarización de la Solución Patrón o Stock de KMnO 4 con Ácido oxálico (H2C2O4). Disolver en 4ml de H 2SO4 1M ácido oxálico (31.67mg), previamente secado (105 ºC, 2 horas). Tratar con el volumen necesario de la disolución de KMnO 4, a temperatura ambiente (90-95%).
Después calentar la disolución a 55-60 ºC, y acabar la valoración añadiendo lentamente KMnO 4, hasta el punto final de la valoración (la solución toma un color rosado pálido que dura 1 minuto).
Preparación de la Curva de Calibración Sistemas Blanco 1 2 3 4 5 6 7 Problema Sol. de H2SO4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 Sol. Problema. 0 0 0 0 0 0 0 0 v Sol. Patrón de KMnO 4. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 2.0 3.0 0 Aforo con agua destilada. 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Tabla 1.- Curva de Calibración. • Todos los volúmenes son en ml. • El volumen v de la muestra se propone de acuerdo a la intensidad de color mostrado de los estándares preparados, y de la misma muestra. En caso necesario se puede diluir la muestra. Obtención del espectro de Absorción. Realizar la calibración del instrumento de acuerdo a instructivo anexo y siguiendo las indicaciones de las asesoras. Con el sistema 5 que es el más concentrado en relación al analito de interés (KMnO4) tomar las lecturas del espectrofotómetro de Absorbancia (Abs) y porcentaje de transmitancia (%T) en el intervalo de 400 a 600 nm con incrementos de 10 en 10 nm. Con los datos obtenidos se procede a graficar el espectro de absorción del KMnO4. Por último se indica la longitud de onda óptima que seleccionaría para cuantificar el KMnO 4. Nota: por cada cambio de λ se debe calibrar nuevamente el equipo.
Lectura de la Curva de Calibración.
Seleccione la λ óptima y calibre el espectrofotómetro como se le indico
anteriormente. Una vez calibrado el equipo obtenga las lecturas de todos los sistemas (18) inicie con el sistema más diluido hasta terminar con el más concentrado, enjuagando la celda con el sistema siguiente. Para realizar la curva de calibración se debe de calcular primero la concentración de KMnO4 en cada sistema y se grafica contra el valor de las absorbancias que les corresponde. Una vez hecho esto, se procede a interpolar en la curva la concentración en las muestras problema por medio de su Absorbancia.
Resultados. Longitud de Onda (nm) 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600
Absorbancia 0.007 0.002 0.002 0.007 0.011 0.021 0.032 0.054 0.087 0.118 0.153 0.182 0.209 0.218 0.215 0.185 0.142 0.104 0.063 0.035 0.023
Tabla 2.- Espectro de Absorción. Longitud de Onda óptima: 530 nm Sistema 1 2 3 4 5 6 7 Problema
Concentración (ppm) 3.2870 6.5750 9.8610 13.1480 16.4351 32.8702 49.3053 ----------
Absorbancia 0.034 0.084 0.117 0.174 0.216 0.474 0.696 0.512
%Transmitancia 92.4 82.4 76.4 67.0 60.0 33.6 20.2
Tabla 3.- Datos obtenidos de la Curva de Calibración.
0.25
0.2
a i 0.15 c n a b r o s b A 0.1
0.05
0 400410420430440450460470480490500510520530540550560570580590600610620630640650
Longittud de Onda (nm)
Figura 1.- Espectro de Absorción
Figura 2.- Sistemas preparados para la Curva de Calibración.
