Separación e identificación de cationes, preparación de disoluciones y volumetrías redox

Química analítica. Cationes. Disoluciones. Volumetrías. Laboratorio

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OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO

INGENIERO QUÍMICO

Separación e identificación de cationes, preparación de disoluciones y volumetrías redox.

Departamento de Química Analítica

1.- FUNDAMENTO TEORICO

Dentro de la rama de la ciencia que constituye la química, basada en el estudio de la materia, sus propiedades y sus transformaciones, esta se divide a su vez en otras ramas, entre ellas rama de química analítica.

La química analítica profundiza en el estudio de saber que sustancias componen una mezcla y cuanto hay de cada sustancia.

Esto expresado de una manera correcta viene a definir en lo que consiste el análisis cualitativo (que hay) y el análisis cuantitativo (que hay).

Estas experiencias realizadas se componen tanto de una práctica de química analítica cualitativa (identificación y separación de cationes) como de otra de química analítica cuantitativa (volumetría redox).

1.1 SEPARACION E IDENTIFICACION DE CATIONES

El fundamento teórico de esta operación, se basa en la identificación de unas propiedades comunes características, de las distintas sustancias, como pueden ser un determinado color o un determinado precipitado frente a cierto reactivo.

La propiedad detectada se denomina específica si la presenta un solo grupo químico, y se denomina general si la presentan varios grupos químicos, siendo dicha propiedad selectiva si la presenta grupo mas limitado de ellos.

Es poco factible la identificación de una determinada especie química con el uso de un solo reactivo, lo cual en el caso de producirse seria el ideal en el aspecto cualitativo del análisis.

Cuando existen varias especies en una mezcla para ser identificadas, su reconocimiento puede ser complicado debido a que pueden presentar interferencias mutuas que anulen la acción de los reactivos.

Es entonces en esta ocasión cuando se recurren a las llamadas marchas sistemáticas.

Las llamadas marchas analíticas consisten fundamentalmente en separar en etapas sucesivas los distintos componentes de una mezcla hasta conseguir el aislamiento en fracciones individuales.

Lo mas habitual para llevar a cabo estos procedimientos consiste en llevar a cabo reacciones de precipitación y de formación de complejos

1.2.- PREAPARACION DE DISOLUCIONES

Material de alta precisión: Piteta aforada, matraz aforado, balanza

Analítica.

Material de baja precisión: Probetas, pipetas graduadas, balanza granataria.

El análisis volumétrico, llamado corrientemente volumetría, consiste en la determinación del volumen de una disolución conocida, que reacciona con otra disolución de la sustancia a analizar. El análisis volumétrico se puede realizar con numerosas reacciones químicas, que se pueden agrupar en varios tipos principales:

Reacciones de neutralización, reacciones de oxidación-reducción, reacciones de precipitación y reacciones de formación de complejos.

La operación de hallar el volumen de la disolución de concentración conocida, o disolución patrón, necesario para completar la reacción se llama valoración. La concentración de la disolución patrón se determina por valoración con un material de referencia altamente purificado: patrón primario.

La finalidad de la valoración es la adición de disolución patrón en cantidad tal, que sea estequiometricamente equivalente a la sustancia objeto de la determinación con la cual reacciona. Esta condición se alcanza en el punto de equivalencia.

Para que una reacción pueda considerarse como base de un método volumétrico tiene que transcurrir bajo las condiciones generales siguientes:

  • que sea de cinética rápida ( si no lo es siempre podremos favorecer la rapidez mediante catalizadores o aumentando la temperatura)

  • de estequiometría fácil de determinar

  • que exista la posibilidad de detectar el punto final fácilmente.

El punto final en la valoración se determina observando cambios físicos asociados con él mismo. La detección del punto final implica la observación de alguna propiedad de la disolución que cambie de manera característica, como por ejemplo;

  • Color, debido al reactivo o a algún indicador

  • Enturbiamiento, por la formación de una fase insoluble

  • Conductividad eléctrica de la disolución.

En las valoraciones redox, en las proximidades del punto final se produce un cambio brusco, observable en el potencial del sistema, de forma elemental, detectándose con un voltímetro. En los procesos redox el intercambio de electrones sucede en un sistema formado por sustancias con tendencia a oxidarse en presencia de otras con tendencia a reducirse. Las sustancias oxidantes aceptan electrones de las reductoras.

Cuando se desea determinar la concentración de un ácido o una base en disolución, éste se hace reaccionar con una base o un ácido, respectivamente (disolución valorante) cuya concentración es exactamente conocida.

Cuando la reacción se produce entre un ácido fuerte y una base fuerte, el pH correspondiente al punto de equivalencia será 7.Si un ácido débil se valora con una base fuerte, el pH del punto de equivalencia es mayor que 7 y cuando se valora una base débil, el pH es menor que 7. En todo caso, en le punto de equivalencia se produce un cambio brusco del pH, que puede detectarse empleando un indicador o bien un pH-metro.

Para poder medir con exactitud el volumen gastado de la disolución conocida, utilizaremos, como instrumento de medida, la bureta. La bureta consiste en un tubo de vidrio graduado con una pequeña llame en su extremo inferior de manera que al abrir la llave, dejaremos pasar a la disolución conocida que reaccionara con la disolución desconocida que tendremos recogida en un matraz o similar.

Bureta

1.3.1 CARACTERISITICAS QUE DEBEN CUMPLIR LOS PATRONES PRIMARIOS.

-Gran pureza

- Poca a nula higrocospicidad

-Estables en disolución

-Aceptable solubilidad

-Gran peso molecular para minimizar el error en la pesada.

2.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

2.1.- SEPARACIÓN E IDENTIFICACINO DE UNA MUESTRA

Con respecto a este tema se realizan dos experiencias:

-La primera es una muestra en la cual sabemos que existe Ag+, Pb2+, y Hg22+ y tenemos que tratar de separarlos e identificarlos.

-La segunda es una muestra desconocida en la cual puede que existan los tres cationes anteriormente citados, dos de los tres, uno o ninguno, con lo cual debemos realizar todas las pruebas pertinentes para separar los tres e identificar los tres y luego valorar si que cationes existen.

Explicaremos el procedimiento para la segunda experiencia que a la vez, nos servirá para explicar la primera.

Debemos tener en cuenta una serie de normas básicas de funcionamiento en un laboratorio de sobra conocidas como por ejemplo etiquetar todos los tubos correctamente, no calentar un reactivo orientando el tubo en dirección que pudiera alcanzar a alguien etc.…

El primer paso a realizar una vez entregada la muestra, es separar la muestra en dos, por si acaso falláramos en alguno de los pasos a realizar y tuviéramos que repetir la practica.

Partiendo de la marcha analítica de cationes del carbonato de sodio, nos centramos en la separación e identificación de los cationes del tercer grupo: Ag+, Pb2+, y Hg22+.

Para ello se añaden unas gotas de HCl 2M a la muestra problema, con lo cual se consigue la precipitación de los cationes en forma de cloruros insolubles (propiedad común de este grupo de cationes).

Acto seguido se le aplica calor suave a estos cloruros precipitados de forma que precipiten todos. Esta operación se lleva a cabo con el mechero de alcohol.

Después de dejar enfriar el tubo de ensayo, lo ponemos a centrifugar, con la centrifugadora perfectamente calibrada, para así poder separar las fases.

La fase sólida esta constituida por los cloruros de dichos cationes, y la fase liquidan, por otro grupo de cationes en el supuesto de que estuvieran, concretamente los grupos 4,5 y 6 y parte de plomo que por desgracia se elimina en esta fase liquida.

Procedemos al lavado del sólido obtenido con agua destilada hirviendo y volviendo a centrifugar. Una vez terminada la centrifugación en la fase liquida tenemos el plomo (en el supuesto caso de que lo hubiera) recogido debido a la solubilidad en agua caliente de su cloruro, propiedad que los otros cloruros no presentan, así que en el precipitado sólido, nos queda el Hg2Cl2 y el AgCl, y en el liquido, el cual separaremos en un tubo de ensayo aparte etiquetado, plomo en el caso de que la muestra lo contuviera. (Mas tarde pasaremos a las reacciones de identificación)

Al sólido que nos queda (Hg2Cl2 y AgCl) le añadimos unas gotas de NH3 2M ,centrifugaremos y separemos una vez más las fases. La en la fase líquida, se encontraría la plata presente, aprovechando que forma un compuesto muy estable amoniacal. Esta disolución se separa, y se etiqueta correctamente en un tubo de ensayo, como plata para proceder a realizar las reacciones de identificación para efectivamente confirmar su presencia.

La presencia de un sólido negruzco, al añadir el NH3 es prueba suficiente de la presencia de mercurio.

Lavamos esta fase otra vez centrifugándola y tirando el centrifugado.

Obtenemos un sólido negro donde presuntamente se encuentran los cationes de Hg22+.

Una vez realizada estas operación es de separación de los cationes se procede a las reacciones de identificación.

Las reacciones de identificación consisten en hacer reaccionar , a la porción separada en la cual se supone que debe existir un determinado catión, con un reactivo de tal manera que se sepa de antemano que ha de obtenerse, característico por el color, o el determinado ataque a un material etc.…

Generalmente las reacciones de identificación suelen ser dos o más. Si de todas ellas se obtiene un resultado tanto positivo como negativo, podemos concluir la existencia o no existencia de dicho catión. Por el contrario si una reaccion de identificación de positiva y la otra negativa, habría que tener en cuenta las posibles causas de error.

Para estos cationes las reacciones de identificación son:

-Pb2+.- Separamos el contenido del tubo de ensayo que contiene el plomo en el caso de que lo haya en dos para llevar a cabo las reacciones de identificación que son las siguientes:

1) Añadimos K2CrO4 produciéndose la siguiente reacción:

Pb2+ + CrO42- PbCrO4

Observaríamos si existiera plomo un precipitado amarillo anaranjado.

2) Añadimos a la otra muestra separada KI produciéndose la siguiente reacción:

Pb2+ + I- PbI2

Observaríamos si existiera plomo un precipitado amarillo al cual si le aplicamos calor y dejamos enfriar lentamente se formarían cristales de PbI2, también conocido como lluvia de oro.

Evidentemente, en la primera experiencia realizada sabíamos que existían los tres cationes con lo cual al realizar estas reacciones con las puestas muestras de plomo pudimos comprobar que efectivamente existía.

En la segunda experiencia, con la muestra problema entrega, al realizar estas reacciones con los puestos cationes de plomo que habíamos separado, pudimos observar que, estas reacciones de identificación no respondían a lo esperado, con lo cual pudimos concluir que nuestra muestra problema esta ausente de plomo.

-Ag+.- Volvemos a separar el contenido del tubo de ensayo que supuestamente contiene plata en dos para realizar dos reacciones de identificación:

1)Añadimos KI, y en el caso de que existiera plata se produciría la siguiente reaccion:

Ag+ + I- AgI

Observaríamos un color amarillento.

2) La otra parte separada, se trata con HNO3 concentrado obteniéndose un precipitado lechoso y blanco que confirma una vez mas la presencia de plata.

En la primera experiencia evidentemente observamos estos fenómenos producidos al hacer reaccionar estos compuestos porque sabíamos de antemano la presencia de los tres cationes. En la segunda experiencia que fue realizada con una muestra problema observamos los fenómenos esperados pudiendo determinar que efectivamente existía plata en nuestra muestra problema.

-Hg22+.- Al añadir el NH3 sobre el precipitado que queda al separar el plomo, observamos un ennegrecimiento o pardeamiento de la muestra, es señal suficiente para la poder afirmar que existe mercurio en la muestra.

No obstante puede confirmarse al tratar el precipitado con agua regia (mezcla de HCl y HNO3) en proporción 3:1. Es conveniente diluir esta mezcla con ml de agua. Al aplicar esta moneda sobre un objeto de cobre, observaremos como aparece una amalgama plateada, que es una aleación de cobre y mercurio.

Todas estas operaciones conviene realizarlas en campana extractora debido a la posibilidad de desprendimiento de vapores de nitrógeno perjudiciales para el organismo.

Cuando añadimos el NH3 2M con el objetivo de separar la plata y el mercurio en el caso de que lo hubiera, ya presenciamos el color negruzco que tomo la disolución. Aun así realizamos la prueba del agua regia, obteniendo amalgamas plateadas sobre monedas de cobre.

2.2 PREPARACION DE DISOLUCIONES

●Preparacion de un litro de disolución 0,1 M de HCl

Partimos de un frasco de HCl con una concentración del 35% en peso y con una densidad ρ = 1,19 g / ml.

La masa molecular de este compuesto es de 36,45 gramos.

Puesto que este compuesto sospechamos que tiene unas pérdidas notables en forma de gas, los datos de concentración extraídos del frasco no son fiables 100 % por cual decidimos utilizar para realizar la disolución material de poca precisión.

Los cálculos realizados para saber cuanta cantidad de ácido necesitamos tomar de la botella para realizar nuestra disolución fueron los siguientes:

1 mol = 36,45 g 0,1 mol / l = x / 1 l , de donde necesitamos 0,1 moles, o lo que es lo mismo, 3,646 gramos.

Como nuestra fuente de HCl tiene una concentración del 35%:

(3,646 x 100) / 35 = 10,417 g

Por la fórmula de la densidad y con el dato de la densidad sabemos que, esos 10,417 gramos que necesitamos equivalen a:

ρ = (m/v) , de donde V = (10,417 g / 1,17 g / ml) = 8,76 ml necesitamos.

Una vez sabido esto el procedimiento es el siguiente:

Se toman con una probeta el volumen de HCl que necesitamos, (en campana).

Se añaden unos ml de de agua al vaso de precipitados, porque como ya es sabido, al realizar una dilución de un ácido con agua, siempre se debe añadir el ácido sobre el agua, puesto que si es realizado al contrario, puede originar una violenta reaccion con proyecciones sobre la cara y la piel.

Una vez vertido el contenido de la probeta, se enjuaga con agua destilada y se vierte al vaso de precipitados.

Se pasa esta disolución del vaso de precipitados a la probeta previamente enjuagada con agua destilada, y se enrasa hasta un litro.

El último paso es verter el contenido de la probeta de un litro en una botella previamente etiquetada y previamente enjuagada con la disolución a contener.

● Preparación de 0,5 litros de una disolución 0,02 M de KMnO4.

El peso molecular de esta sustancia es 158,04 g cada mol.

Necesitamos una disolución de 0,5 litros 0,02 molar, es decir en esa disolución hay 0,01 moles de KMnO4, o lo que es lo mismo, 1,58 gramos de permanganato potásico.

0,02 mol / l = x / 0,5 l x = 0,01 moles

0,01 moles x 158,04 g / mol = 1,58 g de KMnO4

Utilizaremos para preparar esta disolución material no preciso debido a las perdida originadas por el paso del Mn+7 a Mn2+.

Pesamos en la balanza granataria aproximadamente 1,58 g de KMnO4. En nuestro caso la pesada fue de 1,56 g. Para pesar la espátula debe estar limpia y seca, y nunca se debe devolver el reactivo al frasco de origen por poder estar este contaminado al haber salido al exterior.

Se va disolviendo el KMnO4 en un vaso de precipitados, arrastrando con agua los posibles restos pegados en el vidrio de reloj. Cuando tengamos todo el sólido bien disuelto, procederemos a tomar una probeta de un litro y enrasar hasta 0,5 l. Una vez realizado esto se verterá la disolución en una botella de cristal previamente etiqueta.

2.3 ANALISIS VOLUMETRICO: VOLUMETRIAS

●Valoracion de una disolución de KMnO4 aproximadamente 0.02 M con Na2C2O4

Disponemos de una disolución de KMnO4 de 0,0197 M ≈ 0,02 M.

Vamos a utilizara para valorara la disolución de KMnO4, un patrón primario como es el Na2C2O4 , un sólido de color blanco.

Para ello utilizaremos la bureta, ya descrita anteriormente como material volumétrico de precisión. El procedimiento será el siguiente:

Llenamos la bureta de la disolución de permanganato potásico. Pesaremos del orden de 0,2 g de Na2C2O4 y lo disolveremos en 50 ml de agua. Agregaremos 15 ml de H2SO4, para proporcionar el medio ácido que la reaccion necesita puesto que se trata de una reaccion redox que transcurre en medio ácido.

La reaccion que se produce es la siguiente:

2(MnO4)- + 5 (C2O4) 2- + 16H+ 2Mn2+ + 10CO2

Colocamos un matraz erlenmeyer con la disolución de Na2C2O4 de manera que el KMnO4, gotee sobre el matraz produciéndose así la reacción.

Al principio esta reaccion, es un poco lenta, así que favoreceremos la cinética de reaccion aumentando la temperatura. Una vez que la reaccion va siguiendo su curso, los iones Mn2+, son capaces de autocatalizar la reacción.

El punto final de la reaccion se detectara por la aparición de un ligero tono rosáceo, violeta, signo de que el (MnO4)-, no ha reaccionado debido a que todo el oxalato se ha terminado.

Nuestra pesada de Na2C2O4 fue de 0,2135, lo cual quiere decir que teníamos 1,593 10-3 moles de Na2C2O4.

0,2134 g / 134 g /mol = 1,593 10-3 moles

Ahora, según la estequiometría de la reaccion, sabemos que la relación entre moles consumidos de permanganato potásico y de oxalato cálcico es 2: 5.

Es decir que cuando finaliza la reacción (conviene que cuanto menos tono rosáceo-violáceo coja mejor, menos error) se habrán gastado los 1,593 10-3 moles de oxalato cálcico, lo que conlleva que se habrán gastado (2/5) x 1,593 10-3 moles de permanganato, es decir, 6,36 10-4 moles.

Estos moles divididos del volumen de disolución que hemos gastado que se puede comprobar, mirándolo en la bureta nos daría la concentración de permangato:

[KMnO4] = (6,36 10-4 moles / 0,0316 litros gastados ) = 0,02005 M

Este procedimiento se realiza dos veces más con el fin de minimizar el error.

Gramos de Na2C2O4

Ml de KMnO4 gastados

Molaridad de la disolución calculada

0,2135

31,6

0,02005

0,2003

29,8

0,02006

3

0,2584

38,7

0,01993

Media de los tres valores: 0,02002 M

●Determinacion de H2O2 con disolución valorada de KMnO4

Este proceso consistirá en una volumetría igual que la anterior pero con la siguiente reaccion:

2 (MnO4)- + 5 H2O2 + 6H+ 2Mn2+ + 5O2 + 8 H2O

Esta reaccion transcurre lo suficientemente rápida a temperatura ambiente por lo cual no hará falta calentar el reactivo para acelar su cinética.

Tenemos que añadir aproximadamente unos 15 ml de H2SO4 para así proporcionar el medio ácido a la reaccion para que transcurra.

Tomamos 5 ml de H2O2 con pipeta aforada (material de precisión puesto que la disolución de permanganato fue valorada con un patrón primario ) para diluirlo en 500 ml de agua, obteniendo así una disolución de H2O2 del 0,3%.Hay que agitar esta disolución para si homogenizarla.

Tomamos 10 ml de la disolución de H2O2 del 0,3%, y le añadimos el medio ácido que antes hemos citado.

Ahora, ya podemos comenzar la volumetría, haciendo gotear el permanganato potásico sobre el H2O2 . El punto final de dicha valoración vendrá dado por la aparición de un tono rosáceo claro, que viene dado por el (MnO4)- , cuando ya no reacciona puesto que se ha agotado todo el H2O2 . Cuanto más claro sea el color que toma la disolución llegado al punto de equivalencia, más exacta será la valoración.

Según la estequiometría de la reaccion, los moles de H2O2 y de (MnO4)- , por tanto de KMnO4, están en proporción 5:2.

Repitiendo hasta tres veces el proceso se obtienen los siguientes datos:

Volumen de KMnO4 gastado (ml)

Moles de H2O2 que han reaccionado

[H2O2] (mol / l)

17,3

8,671625 10-4

8,671625 10-2

17,1

8,571375 10-4

8,571375 10-2

16,8

8,421 10-4

8,421 10-2

[H2O2] media = 8,5546666 M

  • (Nota).- El volumen de H2O2 en todas las valoraciones fue 10 ml.

Para comprobar si esta determinación esta bien realizada, vamos a contrastar los datos del frasco de H2O2 (30% en peso), con los obtenidos experimentalmente.

Del frasco de H2O2 sabemos que:

  • ρ = 1.11 g/mL

  • M = 34.01g/ mol

El numero de moles que hay en medio litro de peroxido de hidrogeno, es cincuenta veces mas que el que hay en 10 ml.

El numero medio de moles que hay en 10 ml de H2O2 es la suma de los tres números de moles partido por tres es decir, 8,555 10-4 , entonces el numero de moles que habrá en 5 ml será 0,0427 moles,

[H2O2] = (0.0427moles / 0,005 ml ) = 8,56 M

En un litro habrá 8,56 moles o lo que viene a ser 291, 12 gramos. Se supone según su densidad que en un litro de disolución habrá 1110 gr

291,12 g ------------ 1110 g

X ------------ 100%

X = 26,23%

Este error puede ser debido a imprecisión a la hora de realizar las disoluciones, o a la descomposión por medio de la luz del H2O2 etc..

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