analisis

Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Área de Química Laboratorio de Análisis Cuantitativo Impartido por: Inga. Adela Marroquín. Sección: “C” Práctica No. 1 “ESTANDARIZACIÓN DE SOLUCIONES CON PATRÓN PRIMARIO, MANEJO ESTADISTICO DE DATOS” SECCIÓN 1.Resumen 2.Objetivos 3.Marco teórico 4.Marco metodológico 5. Resultados 6. Interpretación de Resultados 7. Conclusiones 8. Bibliografía

VALOR 10 5 5 5 15 30 15 5

9. Anexos 9.1 Datos Originales

1

9.2 Muestra de Cálculo 9.3 Datos Calculados NOTA DE PROMOCIÓN

5 4 100

Jeniffer Marleny Osoy Osorio 201403738 Guatemala 11 de Agosto de 2015

1

NOTA

1. RESUMEN

2

En la práctica No. 1 “Estandarización de soluciones con Patrón Primario, Manejo Estadístico de Datos” se realizó la estandarización de dos soluciones de Hidróxido de Potasio ( KOH ) y Ácido Clorhídrico ( HCl ).

Se utilizaron dos Patrones Primarios Ftalato Ácido de Potasio ( C8 H 5 KO 4 ) y Carbonato de Calcio ( CaCO3 ), Fenolftaleína y Naranja de Metilo como indicadores respectivamente, se realizó la titulación de patrones Segundarios alternando las soluciones de Ácido Clorhídrico e Hidróxido de Potasio como alícuota y titulante. Se determinó la concentración de la solución de Patrón Segundario. Se calculó la Media Aritmética, Desviación estándar de la Media, coeficiente de variación y prueba de T de student de la concentración de la solución de Patrón Segundario y se compararon los datos teóricos con los datos experimentales para determinar la precisión y exactitud de los datos. La Práctica se realizó a 20 grados centígrados a 0.81 atmosferas, en la ciudad capital 1

1 http://www.insivumeh.gob.gt/#, 4 de Agosto 2015 3

2. OBJETIVOS

4

2.1

Objetivo General: Recolectar datos experimentales de las concentraciones de las soluciones

de

Ácido

Clorhídrico

e

Hidróxido

de

Potasio

estandarizadas con Patrones Primarios de Ftalato Acido de Potasio y Carbonato de Calcio respectivamente para ser analizados con herramientas estadísticas.

2.2

Objetivos Específicos:

2.2.1 Determinar la Concentración Media Experimental de la Solución de Hidróxido de Potasio. 2.2.2 Determinar la Concentración Media Experimental de la Solución de Ácido Clorhídrico. 2.2.3 Calcular la Desviación Estándar de la Media y Coeficiente de Variación de la Concentración Media Experimental de la solución de Hidróxido de Potasio. 2.2.4 Calcular la Desviación Estándar de la Media y Coeficiente de Variación de la Concentración Media Experimental de la solución de Ácido Clorhídrico. 2.2.5 Calcular el Porcentaje de Error entre la Concentración Media Experimental y la Concentración Teórica de la solución de Hidróxido de Potasio. 2.2.6 Calcular el Porcentaje de Error entre

la Concentración Media

Experimental y la Concentración Teórica de la solución de Ácido Clorhídrico.

5

3. MARCO TEORICO

3.1

Estandarización: Es un método para determinar la cantidad de una sustancia presente en solución. Una solución de concentración conocida, llamada solución valorada, se agrega con una bureta a la solución que se analiza. En el caso ideal, la adición se detiene cuando se ha agregado la cantidad de reactivo determinada en 6

función de un cambio de coloración en el caso de utilizar un indicador interno, y especificada por la siguiente ecuación

de

la titulación,

CaVa= CbVb, donde el producto de la concentración y el volumen del titulante es igual al producto de la concentración y el volumen de la solución estándar, la estandarización

es un proceso en el cual la

solución estándar (del patrón primario) se combina con una solución de concentración desconocida para determinar dicha concentración, además la curva de titulación es la gráfica que indica como el pH de la solución cambia durante el transcurso de la misma. 3.2

2

Patrón Primario: Un patrón primario también llamado estándar primario es una una valoración o

en química como referencia al momento de hacer estandarización.

Usualmente

son sólidos que

cumplen con las siguientes características: 3 Tienen composición conocida, tener elevada pureza,

ser estable

a temperatura ambiente, debe ser posible su secado en mufla, No debe absorber gases, No debe reaccionar con los componentes del aire, debe reaccionar rápida y estequiométricamente con el titulante, debe tener un peso equivalente grande. Una solución de patrón primario es una solución de concentración exactamente conocida que se prepara a partir de una sustancia patrón primario algunos ejemplos de compuestos que se utilizan como patrón primario son: Para estandarizar disoluciones de ácido carbonato de sodio, para estandarizar disoluciones de base ftalato ácido de potasio, para estandarizar disoluciones de oxidante: hierro, óxido de 2 http://ciencia-basica-experimental.net/titulacion.htm, 8 de Agosto 2015 3 http://quimicaanaliticabioanalisis.blogspot.com/2011/06/analisis-volumetrico.html, 8 de Agosto 2015 7

arsénico (III), para estandarizar disoluciones de reductor dicromato de potasio, yodato de potasio, bromato de potasio. 4 3.3

Patrón Segundario: El patrón secundario es llamado también disolución valorante o estándar secundario. Su nombre se debe a que en la mayoría de los casos se necesita del patrón primario para conocer su concentración exacta. El patrón secundario debe poseer las siguientes características: Debe ser estable mientras se efectúe el período de análisis, Debe reaccionar rápidamente con el analito, La reacción entre la disolución valorante y el patrón primario debe ser completa, Debe existir un método para eliminar otras sustancias de la muestra que también pudieran reaccionar con la disolución valorante, Debe existir una ecuación ajustada o balanceada que describa la reacción. 5

3.4

Solución: Una Solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. La sustancia disuelta se denomina soluto compuesto en menor

proporción y

la

sustancia

donde

se

disuelve

se

denomina solvente. 6 3.5

Tipos de Soluciones: Los diferentes tipos de soluciones basados en la cantidad de soluto y de solvente presentes son: solución saturada, Solución que contiene la máxima cantidad de soluto que el solvente

4 http://quimicaanaliticabioanalisis.blogspot.com/2011/06/analisis-volumetrico.html, 8 de Agosto 2015 5 http://quimicaanaliticabioanalisis.blogspot.com/2011/06/analisis-volumetrico.html, 8 de Agosto 2015 6 CHANG, R. Principios Esenciales de Química General, Cuarta edición, McGraw-Hill, Madrid, 2006. 8

puede

disolver a

esa

presión

y esa

temperatura, solución

sobresaturada es una solución que contiene soluto en exceso, más del que el solvente puede disolver y la solución no saturada contiene menor cantidad de soluto de la que el solvente puede disolver.7 3.6

Medidas de Tendencia Central: Las medidas de tendencia central son valores que se ubican al centro de un conjunto de datos ordenados según su magnitud. Generalmente se utilizan 4 de estos valores también conocidos como estadígrafos, La media aritmética es la medida de posición utilizada con más frecuencia. Si se tienen n valores de observaciones, la media aritmética es la suma de todos y cada uno de los valores dividida entre el total de valores: Lo que indica que puede ser afectada por los valores extremos, por lo que puede dar una imagen distorsionada de la información de los datos. La Mediana, es el valor que ocupa la posición central en un conjunto de datos, que deben estar ordenados, de esta manera la mitad de las observaciones es menor que la mediana y la otra mitad es mayor que la mediana.

3.7

Medidas de Variabilidad: Son intervalos que indican la dispersión de los datos en la escala de medición. Una medida de dispersión o variabilidad

nos

determina

el

grado

de

acercamiento

o

distanciamiento de los valores de una distribución frente a su promedio de localización, sobre la base de que entre más grande sea el grado de variación menor uniformidad tendrán los datos y por lo tanto menor representatividad o confiabilidad del promedio de tendencia central o localización por haber sido obtenido de datos dispersos. Por el contrario, si este valor es pequeño (respecto a la 7M.D. Reboiras, QUÍMICA La ciencia básica, Thomson Ed. Spain, Paraninfo S.A., Madrid, 2006. 9

unidad de medida) entonces hay una gran uniformidad entre los datos. Cuando es cero quiere decir que todos los datos son iguales. 8 3.7.1

Desviación Estándar: Es el promedio de desviación de las puntuaciones con respecto a la media. Esta medida se expresa en las unidades originales de medición de la distribución. Cuanto mayor sea la dispersión de los datos alrededor de la media, mayor será la desviación estándar. Se simboliza con s o mediante la abreviatura DE.

3.7.2 Coeficiente de Variación: Es una medida que se emplea fundamentalmente para: Comparar la variabilidad entre dos grupos de datos referidos a distintos sistemas de unidades de medida. Por ejemplo, kilogramos y centímetros. Comparar la variabilidad entre dos grupos de datos obtenidos por dos o más personas distintas.

9

3.7.3 Prueba de T de Student: La prueba t de Student se utiliza para contrastar hipótesis sobre medias en poblaciones con distribución normal. También proporciona resultados aproximados para los

8Montgomery y George C. Runger. Limusa Wiley, Probabilidad y estadística aplicadas a la ingeniería, 2002. Segunda edición.

9 Ronald E. Walpole, Raymond H Myers, y Sharon L. Probabilidad y estadística, Prentice Hall, 2008.

10

contrastes de medias en muestras suficientemente grandes cuando estas poblaciones no se distribuyen normalmente.10 3.7.4 Prueba de Dixón.

La prueba de Dixon utiliza relaciones de las

diferencias entre datos que parecen atípicos comparados con los valores del

grupo de datos. Estas técnicas están diseñadas para

detectar un único valor atípico en un grupo de datos, y por lo tanto no son adecuadas para la detección de múltiples valores atípicos. Una técnica rigorosa y amplia para identificar eficazmente múltiples valores atípicos es el procedimiento para muchos valores atípicos con generalización extrema de la desviación de Student. 11

10 http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2001065/html/un1/cont_103_03.html, 8 de Agosto 2015

11 Sampieri, Roberto Hernández, Metodología de la Investigación, McGraw- Hill 6ta edición 2008. 11

4. MARCO METODOLÓGICO

4.1

Reactivos, Equipo y Cristalería:

4.1.1

Reactivos:

Ácido Clorhídrico (HCl) Hidróxido de Potasio (KOH) Agua destilada (H2O) 12

Ftalato Acido de Potasio (C8H5KO4) Carbonato de Calcio (CaCO3)

4.1.2 Cristalería:

Bureta. Pipeta. Beacker 100 ml. Erlenmeyer. Varilla de Agitación. Pizeta. Vidrio de Reloj. Balones Aforados.

4.1.3 Equipo:

Balanza Analítica. Soporte Universal.

4.2

Algoritmo del Procedimiento:

13

1. Colocar el Patrón Primario en la desecadora un día antes de la 2. 3. 4. 5. 6.

práctica para eliminar la humedad. Pesar 0.1g de Patrón Primario. Diluir el Patrón Primario con agua destilada y aforar 50 ml. Agregar el indicador a la disolución de patrón primario. Preparar Hidróxido de Sodio y Ácido Clorhídrico 0.1M. Titular la solución del patrón primario con Ácido Clorhídrico o

Hidróxido de Sodio según el Patrón primario. 7. Anotar el volumen gastado para determinar la concentración. 8. Tomar una alícuota de 10 ml de la solución de Ácido Clorhídrico y estandarizarla con el patrón segundario de Hidróxido de Sodio utilizando como indicador fenolftaleína. 9. Realizar el procedimiento para cada Patrón primario sea Ftalato acido de Potasio o Carbonato de Calcio y utilizando como indicadores Fenolftaleína o Naranja de Metilo.

4.3

Diagrama de Flujo:

INICIO Pesar 0.1g de patrón primario

14

Diluir el Patrón Primario

Agregar Indicador

Preparar soluciones de KOH y HCl 0.1M

Titular el patrón Primario

¿Llegó al punto de Equivalencia?

SI Anotar el volumen gastado

FIN

15

NO

5. RESULTADOS 5.1

Tabla I: Concentración Media, Desviación Estándar, Coeficiente de Variación, Prueba de T y Prueba de Q de las soluciones de Patrones Segundarios.

Solució n KOH HCl

[M] Media

Desviación Coeficiente % Estándar [M] de Variación Error Prueba de T Q de Dixón 0,01966073 21,3936165 0,0919 4 1 8,1 1,30282265 0,13953488 4,60875725 0,1224 0,005641119 5 22,4 12,5569096 0,33333333 Fuente: Datos Calculados

16

6. INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

17

En la Práctica se realizó la estandarización de soluciones de Ácido Clorhídrico e Hidróxido de Potasio con Patrones Primarios de Ftalato Ácido de Potasio y Carbonato de Calcio, las soluciones de Hidróxido de Potasio y de Ácido Clorhídrico fueron preparadas con una concentración teórica de 0,1 M, se utilizaron los Patrones Primarios de Ftalato Acido de Potasio y Carbonato de calcio ya que cumplen con las características esenciales que debe tener un Patrón Primario, tiene una composición conocida, una pureza elevada, no absorbe gases ni reacciona con los componentes del aire, es estable a temperatura ambiente y es posible su secado en horno o en mufla. Se llevaron a cabo una serie de corridas para cada Patrón Primario con la solución e indicador respectivo, las soluciones de hidróxido de potasio y ácido clorhídrico fueron usadas como alícuotas concentración desconocida

con

y se aplicaron herramientas estadísticas

como la Media Aritmética, Desviación Estándar de la Media, Coeficiente de variación, prueba t de Student y prueba Q de Dixon para analizar la precisión, exactitud y errores de los datos recolectados en el laboratorio, entre más grande sea el grado de variación entre los datos experimentales y los datos teóricos menor uniformidad tendrán los datos experimentales y por lo tanto menor confiabilidad, si la variación entre los datos teóricos y los datos experimentales es pequeña los datos experimentales tendrán mayor confiabilidad, si los datos teóricos y los datos experimentales son iguales representarían condiciones ideales en la práctica de laboratorio. La tabla I muestra los resultados de la aplicación de las herramientas estadísticas antes mencionadas, para el primer caso la solución de Patrón Segundario de Hidróxido de Potasio se determinó que la Media Aritmética de sus concentraciones experimentales es 0,0919 [M] se determinó

el porcentaje de error entre la concentración media 18

experimental y la concentración media teórica de la solución, se obtuvo un porcentaje de error de

8,1% la desviación estándar es de

0,019660734 el coeficiente de variación es 21,39361651, la prueba de t es 1,30282265 y la Prueba Q es 0,13953488 datos que nos indican que las corridas realizadas para determinar el volumen de descarga del punto de equivalencia entre el titulante y el analito son precisas porque se acercan una a la otra y son exactas con el menor porcentaje de error entre el la concentración teórica y la concentración experimental de la solución de Patrón Segundario. En el caso dos la solución de Patrón Segundario de Ácido Clorhídrico se determinó

que

la

Media

Aritmética

de

sus

concentraciones

experimentales es 0,1224 [M] se determinó el porcentaje de error entre la concentración Media Experimental y la concentración teórica de la solución, se obtuvo un porcentaje de Error de 22,4%

la desviación

estándar es de 0,005641119 el coeficiente de variación es 4,608757255, la prueba de t es 12,5569096 y la Prueba Q es 0,33333333, la desviación estándar con valor pequeño indica que los datos son muy precisos entre sí, sin embargo un alto porcentaje de error señala la inexactitud entre la concentración experimental y la concentración teórica.

Los errores obtenidos por medio de herramientas estadísticas pueden justificarse con los errores cometidos durante la práctica, por ejemplo la mala lectura volumétrica en los instrumentos, añadir gotas adicionales de titulante aun cuando ya se llegó al punto de equivalencia, cálculos erróneos y pesos inexactos para preparar las soluciones de Ácido clorhídrico e hidróxido de potasio, en el caso de los Patrones Primarios que no fueron introducidos en la desecadora para eliminar humedad al pesar 0,1g se da la pauta a una pérdida de Patrón Primario al exponerlo 19

al entorno con humedad, la incerteza de los instrumentos de medición como la balanza analítica, pipeta, bureta y errores en la lectura del menisco al aforar las soluciones.

20

7. CONCLUSIONES 1. La concentración Media Experimental de la Solución de Patrón Segundario de Hidróxido de Potasio es 0,0919 M. 2. La concentración Media Experimental

de la Solución de Patrón

Segundario de Ácido Clorhídrico es 0,1224 M.

21

3. La Desviación Estándar de la solución de Patrón Segundario de Hidróxido de Potasio es 0,019660734 y el coeficiente de Variación es 21,39361651. 4. La Desviación Estándar de la solución de Patrón Segundario de Ácido Clorhídrico es 0,005641119

y el coeficiente de Variación es

4,608757255. 5. El porcentaje de Error entre la Concentración Teórica y la Concentración Experimental del Patrón Segundario de Hidróxido de Potasio es 8,1%. 6. El porcentaje de Error entre la Concentración Teórica y la Concentración Experimental del Patrón Segundario de Ácido Clorhídrico es 22,4%

22

8. BIBLIOGRAFIA

1. CHANG, R. “Principios Esenciales de Química General”, Cuarta edición, Editorial McGraw-Hill, Madrid, 2006. 2.

M.D. Reboiras, “QUÍMICA La ciencia básica”, sexta Edición, Editorial Paraninfo S.A., Madrid, 2006

23

3. MONTGOMERY y George C. Runger. Limusa Wiley, “Probabilidad y estadística aplicadas a la ingeniería”,

Segunda edición, McGraw-Hill,

Madrid, 2002 4. RONALD E. Walpole, Raymond H Myers, y Sharon L. “Probabilidad y estadística”, Cuarta Edición, Editorial Prentice Hall, 2008. 5. SAMPIERI, Roberto Hernández, “Metodología de la Investigación”, edición, McGraw- Hill, 2008.

24

6ta

9. APÉNDICE 9.1

Datos Originales: Adjuntos al Final

9.2

Muestra de Calculo:

9.2.1 Determinación de la Concentración de una solución estandarizada.

C 1 V 1=C 2V 2 [Ecuación 1]

25

Dónde: C1 Es la concentración del titulante V1 Es el volumen del titulante C2 Es la concentración de la alícuota V2 Es el Volumen de la alícuota. 9.2.2 Media Aritmética de un Conjunto de Datos: X=

x 1+ x 2+ x 3+ x 4 +…+ xn N

[Ecuación 2] Dónde: X Es la Media Aritmética de un conjunto de Datos Xn Es la suma de todos los Datos N Es el número total de Datos 9.2.3 Desviación Estándar de la Media: S=

√

∑( xn−x)2 N

[Ecuación 3] Dónde: S Es la Desviación Estándar de la Media. 2 ∑ (xn−x ) Es la sumatoria de cada uno de los datos menos la Media al cuadrado. X es la Media Aritmética de un Conjunto de Datos N Es número total de Datos. 9.2.4 Coeficiente de Variación: S σ = ∗100 X 4] Dónde: σ Es el Coeficiente de Variación

26

[Ecuación

S Es la Desviación Estándar de la Media X Es la Media Aritmetica de un conjunto de Datos 9.2.5 Prueba Q de Dixon: Q=

VS−VC VG−VP

[Ecuación 5] Donde: Vs Es el Valor Sospechoso Vc Es el valor más cercano Vg Es el valor más grande Vp Es el valor más pequeño 9.3

Datos Calculados:

9.3.1 Tabla I: Concentración del Patrón Primario Ftalato Acido de Potasio utilizando como titulante Hidróxido de Potasio.

Corrid a C8H5KO4 (ml) KOH (ml) [M] KOH [M] C8H5KO4 1 10 2,2 0,1 0,022 2 10 3,2 0,1 0,032 3 10 2,2 0,1 0,022 4 10 2,3 0,1 0,023 5 10 1,45 0,1 0,0145 6 10 2,9 0,1 0,029 7 10 2,05 0,1 0,0205 8 10 1,85 0,1 0,0185 9 10 1,85 0,1 0,0185 Fuente: Datos Originales

27

9.3.2 Tabla II: Media Aritmética, Desviación Estándar y Coeficiente de Variación del Patrón Primario Ftalato Acido de Potasio utilizando como titulante Hidróxido de Potasio.

Media 0,0222222 2

9.3.3

Desviación Estándar

Coeficiente de Variación

0,005391609 24,26223918 Fuente: Datos Originales

Tabla III: Concentración del Patrón Primario Carbonato de Calcio utilizando como titulante Ácido Clorhídrico.

Corrida 1 2 3 4 5 6

9.3.4

CaCO3 HCl (ml) (ml) [M] HCl [M] CaCO3 10 3,3 0,1 0,033 10 3,3 0,1 0,033 10 3,5 0,1 0,035 10 3,8 0,1 0,038 10 4,0 0,1 0,04 10 4,2 0,1 0,042 Fuente: Datos Originales

Tabla IV: Media Aritmética, Desviación Estándar y Coeficiente de Variación del Patrón Primario Carbonato de Calcio utilizando como titulante Ácido Clorhídrico.

Media 0,0368333

Desviación Estándar 0,003763863 28

Coeficiente de Variación 10,21863329

3 Fuente: Datos Originales

9.3.5 Tabla V: Concentración del Patrón Segundario Hidróxido de Potasio utilizando como titulante Ácido Clorhídrico. Corrida KOH (ml) HCl (ml) [M] HCl [M] KOH 1 5 5,1 0,1 0,102 2 5 5,0 0,1 0,1 3 5 6,3 0,1 0,126 4 5 5,3 0,1 0,106 5 5 5,6 0,1 0,112 6 5 3,7 0,1 0,074 7 5 3,9 0,1 0,078 8 5 3,45 0,1 0,069 9 5 3,85 0,1 0,077 10 5 3,75 0,1 0,075 Fuente: Datos Originales 9.3.6 Tabla VI: Media Aritmética, Desviación Estándar y Coeficiente de Variación del Patrón Segundario Hidróxido de Potasio utilizando como titulante Ácido Clorhídrico.

Media 0,0919

Desviación Coeficiente de Estándar Variación 0,019660734 21,39361651 Fuente: Datos Originales

9.3.7 Tabla VII: Concentración del Patrón Segundario Ácido Clorhídrico utilizando como titulante Hidróxido de Potasio.

Corrida HCl (ml) 1 2

KOH (ml) 5 5

[M] KOH 6,4 6,4

29

[M] HCl 0,1 0,128 0,1 0,128

3 4 5 6 7 8 9 10

5 6,2 5 6,4 5 6,4 5 6,1 5 5,7 5 6,0 5 5,8 5 5,8 Fuente: Datos Originales

0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

0,124 0,128 0,128 0,122 0,114 0,12 0,116 0,116

9.3.8 Tabla VIII: Media Aritmética, Desviación Estándar y Coeficiente de Variación del Patrón Segundario Ácido Clorhídrico utilizando como titulante Hidróxido de Potasio.

Media 0,1224

Desviación Coeficiente de Estándar Variación 0,005641119 4,608757255 Fuente: Datos Originales

9.3.9 Tabla IX: Media Aritmética, Desviación Estándar y Coeficiente de Variación Prueba de t y Q de Dixón de los patrones segundarios.

Desviación Coeficiente [M] Estándar de % Q de Solución Media [M] Variación Error Prueba de T Dixón 0,091 0,01966073 21,3936165 0,1395348 KOH 9 4 1 8,1 1,30282265 8 0,122 4,60875725 0,3333333 HCl 4 0,005641119 5 22,4 12,5569096 3 Fuente: Datos Originales

30