Ciencias de los materiales

Química. Determinación de hierro. Reacción de valoración. Valores de concentración molar. Molaridad. Fabricación de un mortero estándar. Compactación. Obtención de probetas. Resistencias a flexotracción. Tensión de ruptura a compresión

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PRACTICAS DE QUIMICA DE MATERIALES (1r. O.P.)

Práctica 1 : Determinación de hierro (a 10 de Noviembre de 1999)

1)Desarrollo, observaciones e incidencias de las medidas y método seguidos:

El objetivo de esta práctica es determinar la cantidad de hierro presente en una muestra de material previamente diluido y donde todo el hierro está presente bajo la forma de hierro (II). Para determinar esta cantidad de hierro llevaremos a cabo una valoración redox con una disolución patrón oxidante de dicromato potásico que se reduce en cromo (III) i oxida el hierro (II) en hierro (III).

Para llevar a cabo esta valoración y para tomar las medidas necesarias para la resolución de las preguntas planteadas por el informe llevaremos a cabo un procedimiento detallado en el informe al igual que están detallados en él el material necesario para llevarlo a cabo.

Una pregunta que nos podemos plantear es porque añadimos los ácidos fosfórico y sulfúrico a los 20 mL de disolución de Fe2+ si lo que estamos estudiando es la reacción de oxido-reducción entre el dicromato y el hierro (II) aunque ya responderemos más detalladamente a esta pregunta en el apartado “respuestas a las cuestiones”.

2)Estudio teórico de la valoración y resultados

Una vez llevado a cabo el procedimiento indicado procede hacer la valoración que realizaremos dos veces para mayor seguridad al poder hacer la media de los datos obtenidos y reducir así el porcentaje de error en los resultados debido a las imprecisiones en las lecturas de volúmenes en la probeta o la bureta. Para hacer el estudio de esta conozcamos ante todo la ecuación igualada de la reacción de valoración (con sus dos semi-equaciones electrónicas correspondientes en las que no se tendrá en cuenta a los iones potasio, sulfato y fósforo al ser iones espectadores en la reacción) que se lleva a cabo a lo largo de esta ultima:

Cr2O72- + 14H+ + 6e- 2Cr3+ + 7H2O (semireacción de oxidación)

6 x (Fe2+ Fe3+ + 1e-) (semirección de reducción)

Cr2O72- + 6Fe2+ + 14H+ 2Cr3+ + 6Fe3+ + 7H20 (Reacción ionica igualada)

La valoración consiste en agregar poco a poco el dicromato (el dicromato potassico de la bureta) en el erlenmeyer que contiene la solución compuesta por la disolución problema de hierro (II), los ácidos y agua destilada. Agitando el erlenmeyer esperaremos el momento en que la solución contenido en este virara y tomará un color violeta persistente a la adición de dicromato, momento de equivalencia en el cual podremos aplicar la formula Veq.N.f = V.N que nos ayudará a encontrar los resultados pedidos.

Para encontrar estos resultados hagamos ante todo una lista de las medidas tomadas a lo largo de las dos valoraciones necesarias para resolver el problema:

3)Calculo de resultados

Ahora ya podemos pasar a buscar los valores de la concentración molar en hierro de la disolución y la riqueza en hierro del compuesto sólido estudiado.

Teniendo en cuenta la tabla de medidas vista anteriormente y situándonos en el momento de “equivalencia” podemos aplicar la formula:

Veq.N1.f = Vd.N2

Siendo:

  • Veq: el volumen de dicromato potásico añadido a la disolución en el momento de equivalencia que es la media de los dos valores encontrados con lo cual tenemos:

Veq= (13,8 + 13,9)/2 =13,85mL

  • N1: Normalidad de la solución de dicromato potásico que es igual a o,o5N.

  • Vd: Volumen de disolución utilizado que es 20mL.

  • N2: Normalidad de la disolución de hierro estudiada que es el valor que buscamos.

Con lo cual tenemos:

13,85.10-3 . 0,05 . 0'998 = 20.10-3 . N2

N2 = 0,0345N

Sabemos que : Molaridad (M) = Normalidad (N) . X

X siendo el numero de electrones intercambiados en el reductor (en este caso el hierro) que aquí vale 1 tenemos en este caso que .......... (M) = (N) con lo cual ya conocemos la molaridad del hierro en la disolución estudiada que es de o,o345mol/L.

La molaridad del hierro en la disolución valorada será pues de : (o,o35 . 20.10-3)/150mL = 4,6.10-3mol/L (numero de moles de hierro en la disolución valorada entre los 150mL de la disolución valorada) con lo que hemos respondido a la primera pregunta planteada por el enunciado.

También sabemos que :

(M) = n/V y que n = m/PM

Lo cual nos permite decir que la masa m de hierro en la disolución que buscamos se define según la relación (siendo V = 1L el volumen de la disolución):

m = (M) . V . PM = 0,0345 . 1 . 55,847 = 1,927gr.

También podemos encontrar esta masa trabajando con equivalentes:

Equivalente gramo de Fe = P.M./X =

55,85/1 = 55,85 gramos/equivalente-gramo

y

Peso de Fe en un litro de dissolución problema =

Peso Equivalente (o equivalentes-gramo de Fe) . N2 . V =

55,85 . 0,0345 . 1 =

1,927 gramos de hierro en 1 litro de dissolución problema.

Sabiendo la masa en gramos de hierro presente en la disolución en un litro del compuesto sólido estudiado y conociendo además la masa del compuesto podemos determinar la riqueza en hierro de este compuesto:

( (Masa de hierro en el compuesto)/ (Masa del compuesto sólido)) .100=

(1,927/14,7) . 100 = 13,1%

Ya hemos respondido a la segunda pregunta y la riqueza en hierro de este compuesto sólido estudiado es del 13,1%.

4) Cuestiones y comentarios

La primera cuestión planteada nos pide detallar la ecuación igualada de la reacción de valoración con lo que queda respondida habiendo especificado dicha ecuación al comienzo de la práctica.

La segunda cuestión que se nos plantea es porque necesitamos añadir la mezcla de ácido fosfórico y sulfúrico a la disolución que valoramos. Necesitamos la mezcla de H2SO4 y H3PO4 para formar un medio ácido en la disolución permitiendo que K2Cr207 e se convierta en un agente oxidante poderoso. De hecho, cuando el dicromato proveniente de la bureta reacciona con el hierro (II) oxidándolo en hierro (III), este se transforma en cromato cediendo sus átomos de oxigeno en el medio (la disolución que valoramos). Es en este aspecto en el que los ácidos , mas precisamente, los protones (H+) de los ácidos juegan un papel fundamental en la valoración. De hecho estos protones por una parte reaccionarán con los átomos de oxigeno provenientes del dicromato formando moléculas de agua y por otro lado, y el más importante, reaccionando con los átomos de oxigeno, estos protones marcan el sentido único de la reacción de valoración (de reactivos a productos), impidiendo que los O presentes en el medio reaccionen de nuevo con el cromato creando dicromato nuevamente y falseando así nuestra valoración. En efecto, el punto de equivalencia en el que podemos aplicar la fórmula vista anteriormente es el momento en el que, habiendo reaccionado todos los átomos de hierro (II) de la disolución con el dicromato, éste ultimo, al no reaccionar con ninguno de los otros componentes (hierro(III) o ácido) reacciona con la difenilamina, haciendo virar la disolución al violeta y marcando el punto de equivalencia de la valoración en que el número de moles de dicromato añadidos a la disolución han reaccionado con todos los moles de hierro(II) presentes en ésta al principio de la valoración.

Práctica 2 : Fabricación y curado de un mortero estándar

El objetivo de esta práctica es el de obtener probetas de mortero de composición, dimensiones y condiciones de fabricación fijadas por la normativa i que nos servirán para determinar las resistencias a la flexotracción y compresión (en la práctica 3).

Esta práctica se puede dividir en cuatro partes:

  • Preparación y puesta a punto del molde

  • Preparación del mortero

  • Compactación del mortero y obtención de las probetas

  • Conclusiones y respuestas

  • La cuarta parte la estudiaremos detalladamente en la práctica 3 por lo que vamos a detallar ahora las tres primeras partes, contestando a lo largo de la explicación a la cuestión planteada, es decir, enumerando las propiedades que se fijan a fin de que no influencien en el valor de las resistencias (condiciones estándar que escribiremos en negrita).

  • Preparación y puesta a punto del molde

  • En primer lugar sacamos de la cámara húmeda (con un mínimo de 90% de humedad y 21º) unas probetas que se encontraban en su respectivo molde y las desmoldamos. Para ello aflojamos la sujeción del molde y procedimos a sacar las cuatro probetas de mortero. Acto seguido limpiamos la superficie del molde de impurezas con una espátula y aplicamos un cierto tipo de aceite a todos los componentes del molde para conseguir de esta manera superficies mas finas y lisas (evitando así irregularidades en las superficies de las futuras probetas). Una vez preparado el molde nos dispusimos a preparar el mortero en la pastadora.

  • Preparación del mortero

  • Para la preparación del mortero disponemos de 250 gramos de agua, 500 gramos de cemento y 1500 gramos de arena (en esta proporción, 1/2 de agua por 1 de cemento y por tres de arena). De estos tres componentes, la arena que se usa para la preparación de estos morteros debe de ser un tipo de arena de acuerdo con la normativa (98% de SiO) para que esta no influya en el valor de las resistencias al igual que el agua cuya composición debe seguir también un cierto control. No obstante, la arena que utilizamos en la práctica no es la normalizada debido a su alto coste hecho que puede (y seguramente lo hará) hacer variar los resultados obtenidos de los esperados para el tipo de cemento utilizado. El cemento que utilizamos en la realización del mortero provenía de un saco de cemento en el cual se podía leer claramente la señalización de 52,5R que indica una resistencia de 525 Kp/cm2 como establece la norma.

    La preparación del mortero consiste en verter los 250 gramos de agua y los 500 gramos de cemento en la pastadora y mezclarlos durante 30 segundos a velocidad lenta para a continuación verter la arena normalizada a lo largo de un intervalo de tiempo de 30 segundos , intentando que la arena vertida lo sea regularmente a lo largo de estos 30 segundos. Acto seguido, se continua mezclando el contenido de la pastadora durante 30 segundos a velocidad rápida. Una vez finalizados los 30 segundos se para la pastadora durante 90 segundos de los cuales usaremos los 15 primeros para despegar el mortero de las paredes de la pastadora. Durante los 75 segundos restantes se deja reposar el mortero para después volver a poner en marcha la pastadora a velocidad rápida durante un minuto más.

    3) Compactación del mortero y obtención de las probetas

    Transcurrido el tiempo y preparado ya el mortero volveremos a montar el molde que antes desmontamos y limpiamos y lo fijaremos a la compactadora, cuyo funcionamiento está normalizado y programado para dar 60 golpes en 60 segundos (a razón de un golpe por segundo). Rellenaremos homogéneamente el molde hasta la mitad de su capacidad sin intentar presionar o compactar la pasta (trabajo del cual se ocupará la compactadora) y realizamos la primera tanda de compactación que durará un minuto. Volvemos entonces a repetir la misma operación con le resto de la pasta y después de haber sustraído el molde de la compactadora enrasaremos el mortero que sobresale del molde con una espátula. Las probetas así preparadas se conservaran en una cámara de humedad en condiciones de humedad y temperatura fijadas por la norma (mínimo de 90% de humedad y 21º) durante 24 horas para ser luego desmoldadas y puestas a curar en dicha cámara hasta el momento de romperlas (o durante 28 días para lograr la resistencia de acuerdo con la norma).

    4)Conclusiones y respuestas

    Como podemos observar por la cantidad de escritura en negrita que encontramos en la explicación de la preparación de las probetas la mayor parte de componentes utilizados y la manera de utilizarlos están regulados por la normativa. El tipo de arena, las proporciones de arena agua y cemento, la pastadora (y el funcionamiento de esta), los intervalos de tiempo entre fase y fase de la realización del mortero, la compactadora, las condiciones de la camera húmeda, el tiempo de curación (28 días).... Tanto la maquinaria utilizada como la manera de utilizarla y los componentes usados están fijados por la norma salvo uno: EL CEMENTO. De hecho el cemento es la única variable en la preparación de las probetas. La resistencia de las probetas (a la flexotracción y a la compresión) solo variará (o solo tendría que variar según la normativa) dependiendo del cemento utilizado y de la indicación que lleve su saco (en nuestro caso 52,5R).

    Práctica 3 : Resistencias a flexotracción y a compresión del mortero

    El objetivo de esta práctica es el de determinar las tensiones de ruptura a flexotracción y a compresión, en condiciones fijadas por la normativa, de probetas estándar de mortero de cemento. Decimos “en condiciones fijadas por la normativa” porque tanto la prensa, el sistema de lectura de tensiones como las dimensiones de las probetas (4x4x16 cm) están fijados por la norma. No obstante conviene decir que en nuestra práctica las pruebas se hicieron con probetas hechas por alumnos de otros cursos con lo cual, por las mismas razones que esmentamos en la práctica 2 (cuando la realización de las probetas), puede que los resultados presenten alguna irregularidad o que presenten variaciones demasiado grandes entre ellos. Si esta variación en algún resultado es mayor al 15% respecto al resto de resultados lo desestimaremos tal y como indica la normativa.

    1)Determinación de la tensión de ruptura a flexotracción

    Para la realización de estas medidas se colocará la probeta sobre los soportes (dos cilindros en el caso de la flexotracción) de la prensa para cargas de flexotracción, quedando la cara de la probeta rasurada por el espátula después de la compactación en uno de los laterales (esta cara haría errar los resultados al calcular el valor de las tensiones de ruptura). Se pondrá en marcha la prensa a la velocidad fijada para la flexotraccón (5 Kp/s) y se conectará el dispositivo de carga hasta que la parte inferior de la prensa (que es la que ejerce la carga sobre la probeta) provoque la ruptura de la probeta que quedará dividida aproximadamente en dos partes iguales.

    El valor esmentado en el informe (0'234 P kp/cm2) viene dado por la distancia entre los dos puntos de soporte que también está normalizada, siendo el valor de la tensión de ruptura por flexotracción el producto de este valor por el valor dado por el registro gráfico que corresponderá a la carga de ruptura P en kp (o tensión de ruptura). Para las tres probetas estudiadas en nuestra práctica los resultados son :

    Rft(1)= 300

    Rft(2)= 345

    Rft(3)= 325

    La resistencia a flexotracción del mortero estudiado será la media de las tres tensiones de ruptura calculadas para las tres probetas multiplicado por el valor 0'234:

    Rft = ((Rft(1) + Rft(2) + Rft(3)) / 3) . 0'234 = 75,66 Kp/cm2

    Los dos trozos obtenidos tras la ruptura de cada probeta por flexotracción nos servirán para medir la resistencia a compresión con lo que en esta segunda parte de la práctica tomaremos 6 medidas (el registro gráfico tomará seis medidas).

    2) Determinación de la tensión de ruptura a compresión

    Para determinar la resistencia a compresión fijaremos uno de los trozos resultantes de una probeta sometida a la prueba de flexotracción en la prensa sobre los soportes para compresión (que en este caso es un plato de 16 cm2, es decir de 4x4) y pondremos la prensa en marcha a la velocidad que corresponde a la compresión, de 10 a 20 Kp/cm2/s. Si el mortero ha sido realizado de manera satisfactoria en el momento de la ruptura por compresión este tiene que dividirse formando uno de los trozos una pirámide o forma tetraédrica (tal y como anuncia la normativa).

    Como en el caso de flexotracción las medidas del plato soporte son las que determinan el valor Rc = P' / 16 Kp /cm2 . Procediendo de la misma manera que en el caso de ruptura por flexotracción:

    Rc1 = 6700

    Rc2 = 7000

    Rc3 = 7200

    Rc4 = 7200

    Rc5 = 6900

    Rc6 = 6800

    Como indica el informe, la resistencia a compresión del mortero estudiado es la media de las tensiones de ruptura (Rc) de los seis trozos resultantes de la ruptura a flexotracción de las tres probetas multiplicado por el valor dado en el informe, es decir, dividido por 16 (no habiendo ningún dato que deba desestimarse ya que el margen de diferencia no supera el 15%):

    Rc = ((Rc1 + Rc2 + Rc3 + Rc4 + Rc5 + Rc6 ) / 6) / 16 = 435,41 KP/cm2

    3) Cuestiones

    Las condiciones que pueden cambiar el valor de las resistencias son las que hemos esmentado en las anteriores prácticas así como algunas presentes en esta práctica 3, con lo que, vamos a responder a la pregunta planteada haciendo un listado de dichas condiciones, resumiendo en él el global de las tres prácticas respecto a esta cuestión. Las condiciones que podrían cambiar el valor de las resistencias y que se fijan por norma son:

    • La proporción de agua, cemento y arena que deberá de ser :1/2, 1, 3

    • Las características de la arena y del agua utilizadas

    • Las características y puesta a punto de las maquinas de pastado, de compactación y de prensado y lectura de tensiones en lo que se refiere a esta última práctica.

    • La calibración de la maquinaria utilizada (velocidad de pastado, de carga, de compactación y el calibraje del registro gráfico)

    • Las dimensiones y colocación de las probetas (prismáticas 4x4x16 y con la cara “mala” en un lateral a la hora de prensar) así como los moldes para realizarlas.

    • Las condiciones y tiempo de curado del mortero (21ºC , mín. de 95% de humedad y 28 días)

    Para finalizar diremos que la resistencia a una edad determinada de un mortero es la media de los resultados obtenidos para las tres probetas. El resultado se expresa en Mpa o en Kp/cm2, siendo 1Mpa = 10 Kp/cm2. El orden de magnitud de las resistencias a compresión de los morteros de cemento suele variar entre 20 Mpa y 70 Mpa.

    4

    VALORACIÓN................................... I II

    Cantidad de la muestra (en gramos de

    cemento diluidos en 1 litro)................ 14,7 14,7

    Vol. de disolución utilizada para la

    Valoración............................................ 20mL 20mL

    Factor del K2Cr2O7............................. 0'998 0'998

    Lectura bureta: - inicial........................ 2,2mL 16mL

    - final........................... 16mL 29,9mL

    mL de K2Cr207.................................... 13,8mL 13,9mL