Analisis Gravimetrico, Apuntes de Química Analítica

¡Descarga Analisis Gravimetrico y más Apuntes en PDF de Química Analítica solo en Docsity! Química Analítica Ing. Karolin Aguilera UNIDAD IV. ANÁLISIS GRAVIMÉTRICO La gravimetría es una de las técnicas analíticas más exactas. ¡T.W. Richards la usó para determinar los pesos atómicos! Recibió el Premio Nobel en 1914 por este trabajo. Los métodos gravimétricos son métodos cuantitativos basados en la determinación de la masa de un compuesto puro con el cual está químicamente relacionado el analito. El análisis gravimétrico consiste en la separación y pesada, de un elemento o compuesto de composición química conocida. Esta sustancia debe obtenerse en el mayor estado de pureza posible y debe encontrarse en una relación estequiométrica definida con el elemento o compuesto que se desea determinar. Los resultados se calculan a partir de la medida de la masa de la sustancia separada. Las valoraciones gravimétricas anteceden a las valoraciones volumétricas por más de 50 años. Las valoraciones por masa o valoraciones gravimétricas difieren de sus contrapartes volumétricas en que se mide la masa del titulante en lugar de medir su volumen. Por lo tanto, en una valoración por masa, la bureta y sus marcas se sustituyen por una balanza analítica y un dosificador de disolución que se puede pesar. Algunas ventajas del análisis gravimétrico son: 1. Se elimina por completo la calibración del material de vidrio y la necesaria y tediosa limpieza del mismo para asegurarse de que tenga un drenaje adecuado. 2. Las correcciones de temperatura son innecesarias porque la concentración molar de la masa (peso) no cambia con los cambios de temperatura, como sí sucede con la concentración molar del volumen. Esta ventaja es particularmente importante en valoraciones no acuosas debido a los altos coeficientes de expansión de la mayoría de los líquidos orgánicos (aproximadamente 10 veces más que la del agua). 3. Se pueden hacer mediciones de masa con una precisión y exactitud mayores en comparación con las mediciones de volumen. Por ejemplo, 50 g o 100 g de una disolución acuosa se pueden pesar fácilmente hasta 61 mg, lo que corresponde a 60.001 mL. Este aumento en la sensibilidad hace posible que se escojan tamaños de muestra con los cuales se utilicen cantidades significativamente menores de los reactivos estándar. 4. Las valoraciones gravimétricas son automatizadas más fácilmente que las valoraciones volumétricas. Podemos clasificar los métodos gravimétricos como directos (de precipitación directa) e indirectos (o de precipitación indirecta, volatilización o desprendimiento). Método Gravimétrico de Precipitación Directa. Son aquéllos en los cuales el analito se transforma, mediante reacciones químicas adecuadas, en un precipitado poco soluble que contiene el elemento a determinar. Se somete a un determinado tratamiento térmico y posteriormente se pesa. Con la masa del precipitado y factores gravimétricos se determina la composición de la muestra original. La pesada se puede efectuar de tres maneras: Química Analítica Ing. Karolin Aguilera a) En la misma forma química en que se precipitó. b) Transformando el precipitado en otro compuesto, que contenga el mismo analito, pero que reúna mejores condiciones para ser pesado. c) Transformando el precipitado en otro compuesto que no contiene el analito, pero que está ligado a éste por una relación estequiométrica conocida. Método Gravimétrico Indirecto. Los métodos indirectos, de volatilización o desprendimiento, consisten en eliminar componentes en forma de compuestos volátiles. El producto volátil se recoge y se pesa, o se determina la masa de forma indirecta por diferencia en las masas. Cuando se usa la volatilización no se involucran cambios químicos, es decir, no ocurre reacción química, solo el cambio físico (de estado) de la sustancia que se analiza. Mientras que por desprendimiento, debe ocurrir una reacción química que genera gases que se “desprenden” y por diferencia en las masas, se obtiene la masa del gas desprendido que está relacionada estequiometricamente con la sustancia a analizar. TIPOS DE PRECIPITADO Precipitados Coloidales Las partículas coloidales individuales son tan pequeñas que no pueden retenerse en filtros ordinarios. Además, el movimiento browniano evita que se sedimenten en la disolución por la influencia de la gravedad. Por fortuna, es posible coagular, o aglomerar, las partículas individuales de la mayoría de los coloides para producir una masa amorfa filtrable que se sedimentará en la disolución. La coagulación de coloides puede ser acelerada mediante calor, agitación o por la adición de un electrolito al medio. Las suspensiones coloidales son estables porque todas las partículas del coloide tienen cargas positivas y negativas y se repelen unas a otras. Las cargas provienen de cationes o aniones que están unidos a la superficie de las partículas. Por otro lado, la peptización es el proceso en el cual un coloide coagulado regresa a su estado dispersado original. Cuando un coloide coagulado es lavado, algunos de los electrolitos responsables de su coagulación se liberan del líquido interno en contacto con las partículas sólidas. Precipitados Cristalinos Los precipitados cristalinos son generalmente más fáciles de filtrar y de purificar que los coloides coagulados. Además, el tamaño de las partículas cristalinas individuales y, en consecuencia, la posibilidad de filtrarlas, puede ser controlado hasta cierto punto. Química Analítica Ing. Karolin Aguilera INSTRUMENTOS UTILIZADOS PARA EL ANÁLISIS GRAVIMÉTRICO 1. Morteros 2. Balanzas Analíticas y Pesas de calibración 3. Recipientes para pesar: muestras y productos finales: pesa muestra, crisoles (porcelana, platino) 4. Papel de filtro 5. Pinzas 6. Desecador 7. Estufa (a presión atmosférica, al vacío) 8. Mufla 9. Muestras Patrón PESO CONSTANTE Este procedimiento se realiza para garantizar que el recipiente no es una fuente de error en el análisis, ya que el vidrio y la porcelana pueden absorber humedad del ambiente, lo que hace variar su peso considerablemente. El recipiente debe calentarse a la temperatura a la cual se va a someter durante el análisis. El recipiente limpio se calienta al menos cuatro horas, se coloca en el desecador y se deja enfriar a temperatura ambiente, para luego pesarlo. El procedimiento se repite con un tiempo de calentamiento de al menos 30 minutos y el mismo tiempo de enfriamiento. Cuando la diferencia entre dos pesadas consecutivas sea menor a 0,0006 g, se dice que se ha alcanzado el peso constante del recipiente vacío. Al final del análisis se repite este procedimiento para obtener el “peso constante” final. Por otra parte, la masa de estos materiales puede variar con las diferencias de temperatura: el vidrio caliente y frío no pesan igual. Una sugerencia para obtener peso constante fácilmente, consiste en dejar enfriar en el desecador el mismo tiempo cada vez, a fin de mantener la misma temperatura al pesar. MÉTODOS CUANTITATIVOS EN EL ANÁLISIS GRAVIMÉTRICO Los resultados de un análisis gravimétrico se calculan por lo general a partir de dos mediciones experimentales: la masa de la muestra y la masa de un producto de composición conocida. Los factores constantes combinados en un cálculo gravimétrico son conocidos como factor gravimétrico. Cuando el factor gravimétrico es multiplicado por la masa de la sustancia pesada, el resultado es la masa buscada de la sustancia. Ejemplo1: El calcio en 200,0 mL de una muestra de agua natural fue determinado por la precipitación del catión en forma de oxalato de calcio (CaC2O4). El precipitado fue filtrado, lavado y calcinado en un crisol vacío con Química Analítica Ing. Karolin Aguilera una masa de 26,6002 g. La masa del crisol más óxido de calcio (56,077 g/mol) fue de 26,7134 g. Calcule la concentración de Ca (40,078 g/mol) en la muestra de agua en unidades de gramos por 100 mL de agua. Solución: La masa del CaO es: 26.7134𝑔 − 26.6002𝑔 = 0.1132 𝑔𝐶𝑎𝑂 El número de moles de Calcio en la muestra es igual al número de moles de CaO, o: 𝑛𝐶𝑎 = 0,1132𝑔𝐶𝑎𝑂𝑥 1𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑎𝑂 56,077𝑔𝐶𝑎𝑂 𝑥 1𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑎 1𝑚𝑜𝑙𝐶𝑎𝑂 = 2,0186𝑥10−3𝑚𝑜𝑙𝐶𝑎 Entonces la concentración de Calcio viene dada por: 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐶𝑎 = 2,0186𝑥10−3𝑚𝑜𝑙𝐶𝑎 200,0𝑚𝐿 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑥 40,078𝑔𝐶𝑎 1𝑚𝑜𝑙𝐶𝑎 𝑥 100𝑚𝐿 𝑎𝑔𝑢𝑎 100𝑚𝐿 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0,04045𝑔𝐶𝑎 100𝑚𝐿⁄ 𝑎𝑔𝑢𝑎 Ejemplo 2: Para determinar el contenido de Manganeso en un mineral se convierte éste a Mn3O4 y se pesa. Si una muestra de 1,52g genera Mn3O4 con un peso de 0,126 g, ¿cuál será el porcentaje de Mn2O3 en la muestra? ¿El porcentaje de Mn? Solución: La relación gravimétrica entre el Mn3O4 y el Mn2O3 considerando su masa molar de manganeso es 3:2, de modo que: %𝑀𝑛2𝑂3 = 0,126𝑔𝑀𝑛3𝑂4𝑥 3𝑀𝑀𝑛2𝑂3 2𝑀𝑀𝑛3𝑂4 1,52𝑔 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑥100 = 0,126𝑔𝑀𝑛3𝑂4𝑥 ( 3𝑥157,9𝑔𝑀𝑛2𝑂3 2𝑥228,8𝑔𝑀𝑛3𝑂4 ) 1,52 𝑔 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑥100 = 8,52% De la misma forma calculamos el %Mn en la muestra, considerando ahora la relación gravimétrica entre el Mn y el Mn3O4, 3:1 %𝑀𝑛 = 0,126𝑔𝑀𝑛3𝑂4𝑥 3𝑀𝑀𝑛 1𝑀𝑀𝑛3𝑂4 1,52𝑔 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑥100 = 0,126𝑔𝑀𝑛3𝑂4𝑥 ( 3𝑥54,94𝑔 𝑀𝑛 1𝑥228,8𝑔𝑀𝑛3𝑂4 ) 1,52 𝑔 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑥100 = 5,97% Ejemplo 3: Un mineral que contiene hierro se analizó al disolver una muestra de 1,1324 g en ácido clorhídrico concentrado. La disolución resultante fue diluida con agua y el hierro (III) fue precipitado como el óxido hidratado Fe2O3·xH2O por la adición de NH3. Después de la filtración y el lavado, el residuo fue calcinado a alta temperatura para producir 0,5394 g de Fe2O3 puro (159,69 g/mol). Calcule a) el % de Fe (55,847 g/mol) y b) el % de Fe3O4 (231,54 g/mol) en la muestra. Química Analítica Ing. Karolin Aguilera Solución: Lo primero que debemos conocer es el número de moles de Fe2O3 en la muestra: 𝑛𝐹𝑒2𝑂3 = 0,5394𝑔𝐹𝑒2𝑂3𝑥 1𝑚𝑜𝑙𝐹𝑒2𝑂3 159,69𝑔𝐹𝑒2𝑂3 = 3,3778𝑥10−3𝑚𝑜𝑙𝐹𝑒2𝑂3 La masa de hierro es: 𝑚𝐹𝑒 = 3,3778𝑥10−3𝑚𝑜𝑙𝐹𝑒2𝑂3𝑥 2𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒 1𝑚𝑜𝑙𝐹𝑒2𝑂3 𝑥 55,847𝑔𝐹𝑒 1 𝑚𝑜𝑙𝐹𝑒 = 0,3773𝑔𝐹𝑒 El %Fe en la muestra es de: %𝐹𝑒 = 0,3773𝑔𝐹𝑒 1,1324𝑔 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑥100% = 33,32% Para calcular el %Fe3O4 consideramos: 𝑚𝐹𝑒3𝑂4 = 3,3778𝑥10−3𝑚𝑜𝑙𝐹𝑒2𝑂3𝑥 2𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒3𝑂4 3𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒2𝑂3 𝑥 231,54𝑔 𝐹𝑒3𝑂4 1 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒3𝑂4 = 0,5214𝑔 𝐹𝑒3𝑂4 El % Fe3O4 en la muestra es de: %𝐹𝑒 = 0,5214𝑔 𝐹𝑒3𝑂4 1,1324𝑔 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑥100% = 46,04% Ejemplo 4. Una serie de muestras de sulfato es analizada por precipitación en forma de BaSO4. Si se sabe que el contenido de sulfato en estas muestras varía entre 20 y 55%, ¿cuál es la masa mínima de muestra que debe tomarse para asegurar que la masa del precipitado producido no sea menor que 0,200 g? ¿Cuál es la masa máxima de precipitado que se debe esperar si se toma dicha cantidad de muestra? Solución: Podemos expresar el % de sulfato así: %𝑆𝑂4 2− = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑆𝑂4 2− 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑥100 Entonces la masa mínima de muestra a tomar será de: 20% = 0,200𝑔𝐵𝑎𝑆𝑂4𝑥 1𝑚𝑜𝑙𝐵𝑎𝑆𝑂4 233,39𝑔𝐵𝑎𝑆𝑂4 𝑥 1𝑚𝑜𝑙𝑆𝑂4 2− 1𝑚𝑜𝑙𝐵𝑎𝑆𝑂4 𝑥 96,06𝑔𝑆𝑂4 2− 1𝑚𝑜𝑙𝑆𝑂4 2− 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑥100 ⟹ 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 = 0,200𝑔𝐵𝑎𝑆𝑂4𝑥 1𝑚𝑜𝑙𝐵𝑎𝑆𝑂4 233,39𝑔𝐵𝑎𝑆𝑂4 𝑥 1𝑚𝑜𝑙𝑆𝑂4 2− 1𝑚𝑜𝑙𝐵𝑎𝑆𝑂4 𝑥 96,06𝑔𝑆𝑂4 2− 1𝑚𝑜𝑙𝑆𝑂4 2− 20 𝑥100 = 0,412𝑔