Deter. Espect. de Hierro Con O-fenantrolina

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE EDUCACIÓN, CULTURA Y DEPORTES INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA “JOSÉ ANTONIO ANZOÁTEGUI” DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA QUÍMICA

PRACTICA N° 6 DETERMINACIÓN ESPECTROFOTOMETRICA DE HIERRO CON O - FENANTROLINA BACHILLERES: LÓPEZ A., Carlos E. LÓPEZ P., Richard J. MATERIA : SECCIÓN: Prof.:

C.I.: 11.657.913 12.678.721

Laboratorio de Análisis Instrumental Q - 02 Bethsady Ordaz

El Tigre, Junio del 2000 INTRODUCCIÓN La absorción es un proceso por el cual la potencia o intensidad de un haz incidente sobre una sustancia química disminuye por interacción de dicha sustancia con la radiación electromagnética. La absorción está regida por la ley de Beer, la cual sirve para el análisis cuantitativo de especies solas o mezcladas. Esta ley presenta con frecuencia desviaciones en la relación lineal entre la absorbancia y la concentración, manteniendo el punto de corte “b” constante. Estas pueden ser positivas o negativas según sea el caso. Otras desviaciones conocidas de la ley son las químicas y las instrumentales. En la espectroscopia UV y VIS es útil conocer cual longitud de onda es absorbida por la sustancia con mayor intensidad. Posteriormente esta longitud de onda es la que se usa para irradiar la muestra y obtener la respectiva gráfica de absorbancia contra concentración. Para elaborar la gráfica del espectro de absorción basta con analizar una muestra patrón a distintas longitudes de onda, obteniéndose así la longitud de onda máxima (?máx.). Esta experiencia mostró como objetivos elaborar el espectro de absorción mediante el análisis de una solución patrón determinada a distintas longitudes de onda, determinar a partir del espectro de absorción la longitud de onda máxima, determinar por interpolación gráfica la concentración de una muestra problema para finalmente calcular la concentración de hierro en la solución.

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FUNDAMENTOS TEÓRICOS Como se mencionó en la experiencia anterior, la potencia o intensidad de un haz incidente sobre una sustancia química disminuye cuando dicha sustancia interacciona con la radiación electromagnética debido al proceso de absorción. La absorción de cualquier tipo de radiación por una especie dada está condicionada por la ley de Beer, que establece que la cantidad de luz absorbida por la especie es directamente proporcional a su concentración y a la longitud de la trayectoria atravesada por el haz. Tal relación sirve de fundamento para analizar cuantitativamente especies solas o mezcladas, debido a que se percibe una aditividad en la relación cuando la muestra contiene más de una especie absorbente. Con frecuencia, se producen desviaciones en la relación lineal entre la absorbancia y la concentración, manteniéndose el punto de corte “b” constante. Las desviaciones se designan como positivas o negativas, dependiendo si la curva está por encima o por debajo de la línea recta. El acatamiento estricto de la ley de Beer no es imprescindible para que un sistema absorbente sea utilizado en el análisis cuantitativo. Una vez que una curva es establecida para la sustancia absorbente a partir de soluciones patrones, esta puede ser utilizada como curva de calibración. La concentración de una solución problema puede determinase a partir de la curva tan pronto como se mida su absorbancia. Algunas de las desviaciones de la ley de Beer son importantes y constituyen verdaderas limitaciones; otras son consecuencia del modo de hacer la medición (desviaciones a causa de los instrumentos) o secuela de los cambios asociados a las variaciones de concentración (desviaciones químicas). Una limitación real de dicha ley es el caso de que las soluciones utilizadas deben ser suficientemente

diluidas, de

concentraciones inferiores a 0,01M. A concentraciones más altas, la distancia entre las especies absorbentes disminuye hasta el punto en que cada una de ellas afecta la

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distribución de carga de las demás. Esta interacción puede alterar su posibilidad de absorber una radiación de determinada longitud de onda. Se deduce que este efecto es mayor con el aumento de la concentración de la solución. Las desviaciones químicas no se consideran verdaderas limitaciones a la ley de Beer debido a que pueden preverse a partir de las constantes de equilibrio de las reacciones y de las absortividades de los iones en competencia. Las desviaciones instrumentales, por último, resultan del hecho de que, en la práctica, no se utilice una radiación verdaderamente monocromática, condición necesaria para que se cumpla la ley de Beer. Hay que tener presente que la absortividad es una constante mientras la longitud de onda permanezca invariable. La posibilidad de error debido a la falta de luz realmente monocromática puede ser minimizada seleccionando una región espectral donde el cambio de absortividad molar con la longitud de onda sea mínimo. En la espectroscopia UV y VIS es muy útil conocer cual longitud de onda de la energía radiante es absorbida más intensamente por la sustancia. Esta longitud de onda, conocida como ?máx., es la que se usa posteriormente para irradiar la muestra y obtener la gráfica de Absorbancia vs. Concentración, y corresponde a la diferencia de energía entre el estado fundamental y el estado excitado. Para determinar la longitud de onda de máxima absorción λmáx., de una especie determinada, se hace incidir sobre una solución patrón de la especie un rango de longitudes de onda en orden creciente y se mide su absorbancia para cada valor de λ. Los datos de A se grafican después en función de la longitud de onda. La curva obtenida consiste casi siempre en una curva suave llamada banda de absorción, que presenta un valor máximo correspondiente a λmáx. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Preparar solución estándar de Fe (III), solución de o – fenantrolina al 0,3%, solución amortiguadora de AcH y

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AcNa (ambas 1M), solución de hidroquinona a 1% en buffer AcH – AcNa y solución de AcNa 2M. ↓ Añadir en cuatro balones de 50mL: 1; 2,5; 3,5 y 5mL de estándar de Fe+3 respectivamente. ↓ Agregar 10 mL de solución problema en un quinto balón de 50mL. ↓ Añadir 20mL de agua destilada en cada una de las cinco soluciones. ↓ Agregar gota a gota en cada balón AcNa 2M hasta un pH de 3,5 aproximadamente. ↓ Añadir 4mL de solución de hidroquinona y 4mL de solución de o – fenantrolina en cada solución y diluir hasta 50mL con agua destilada. ↓ Dejar reposar cerca de 10 minutos. ↓ ↓ Medir la absorbancia de cualquiera de las cuatro primeras soluciones a las longitudes de onda dadas. ↓ Determinar la longitud de onda máxima. ↓ Medir la absorbancia de las cinco soluciones a la longitud de onda máxima obtenida.

DATOS EXPERIMENTALES Tabla # 1: Masa de alumbre férrico [Fe(NH4)2(SO4)212H2O] utilizada para la preparación de la solución estándar de (Fe+3).

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Reactivo Fe(NH4)2(SO4)212H2O

m (g) 0,1775

V (mL) de solución 500

Tabla # 2: Volúmenes añadidos a cada solución patrón necesarios para producir la formación del complejo coloreado. Solución 1

V (mL) de estándar Fe+3 1

2

2,5

3

3,5

4

5

V (mL) de H2O 20

pH dado por adición de AcNa 3,5

V (mL) de hidroquinona

V (mL) de o fenantrolina

4

4

V (mL) total de sol. 50

Tabla # 3. Volúmenes añadidos en la preparación de la muestra a partir de la solución problema para la formación de complejo coloreado. Sol. N°

Muestra

V (mL) V (mL) pH dado solución de H2O por adición problema de AcNa 10

20

3,5

V (mL) de Hidroquinona

V (mL) de o fenantrolina

4

4

V (mL) total de sol. 50

Tabla # 4. Valores de absorbancia de la solución patrón # 3 obtenidos a las longitudes de onda dadas para la formación del espectro de absorción. ? (nm) 420 440 460 480 490 500 510 520 530 540 560 580

A 0,373 0,453 0,518 0,589 0,599 0,617 0,637 0,607 0,500 0,346 0,139 0,071

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Tabla # 5. Absorbancia de soluciones patrón y solución problema obtenidos a una longitud de onda máxima de 510 n m. Solución 1 2 3 4 problema

A 0,163 0,471 0,635 0,888 0,553

Tabla # 6: Concentración teórica del hierro II (Fe+2) en la solución problema. Solución Problema

C (ppm) teórica de Fe+2 15,09

RESULTADOS Tabla # 1. Concentración de solución estándar de Fe+3 a partir de la masa de alumbre férrico [Fe(NH4)2(SO4)212H2O]. Solución Estándar

m (g) 20,5580

V (mL) 0,500

C (ppm) 41,1160

Tabla #2: Concentraciones de Fe+2 determinados en las soluciones patrón. Solución 1

C (ppm) 0,8223

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2 3 4

2,0558 2,8781 4,1116

Tabla #3: Concentración de Fe+2 en la muestra problema dada por la interpolación en la gráfica #2. Solución Muestra

C (ppm) 2,4500

Tabla #4: Concentración experimental en la solución problema y su porcentaje de error. Solución Problema

C (ppm) 12,2500

%E 18,82

DISCUSIÓN

Carlos E. López A. C.I.: 11.657.913 Al realizar la medición espectrofotometrica de la absorbancia en la solución patrón #3 a diversas longitudes de onda que fueron de 420 a 580nm, se determinó una longitud e onda máxima (?máx.) de 510nm a la cual el hierro absorbe mayor cantidad de energía radiante. A partir de esta longitud de onda se midieron las absorbancias de las cuatro soluciones patrón y la muestra problema, elaborándose la gráfica de Absorbancia vs. Concentración de hierro. Al realizar la interpolación gráfica de la muestra problema a partir

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de su absorbancia (0,553) se obtuvo una concentración de 2,45ppm, determinándose luego la concentración en la solución problema de 12,25ppm. Esta concentración, comparada con la teórica (15,09ppm) arrojó un error porcentual de 18,82%. Este elevado error se puede deber a una desviación de la ley de Beer en la relación lineal de la absorbancia y la concentración (ver gráfica #2), caracterizándose por ser una desviación negativa debido a que la curva está por debajo de la línea recta imaginaria. Otra causa de este error puede ser por una desviación instrumental, debido a que el espectrofotómetro de Milton Roy 1201 pudo haber tenido una eficiencia baja de medición, ofreciendo valores de absorbancia que originaron una curvatura en la línea. Por último, una desviación química relacionada a la variación de las concentraciones a la longitud de onda máxima obtenida pudo ser la causante del error porcentual obtenido. A pesar de todo, la gráfica muestra una orientación lineal, cumpliéndose así la ley de Beer.

Richard J. López P. C.I.: 12.678.721 Después de haber analizado los resultados obtenidos se observó lo siguiente: Los valores obtenidos en el espectrofotómetro Milton Roy 1201 de absorbancias a diferentes longitudes de onda (420, 440, 460, 480, 490, 500, 510, 520, 530, 540, 560 y 580nm) se usaron para la determinación de la longitud de onda máxima a la cual la especie (hierro) absorbe más cantidad de energía radiante (510nm), con la cual se graficó nuevamente para obtener una relación lineal y poder determinar la concentración de la muestra problema (12,25ppm) que al compararlo con la concentración teórica (15,09ppm) resultó un error de 18,82%, logrando observar una desviación química o cambios asociados a las variaciones de las concentraciones a una determinada longitud de onda (510nm), o por la razón de ser utilizado tantas veces el espectrofotómetro, lo que implica un calentamiento

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del mismo. Sin embargo, se logró obtener un resultado aceptable a pesar de las causas expresadas. Las gráficas utilizadas fueron la curva de banda de absorción ideal para la obtención de ?máx y la curva de relación lineal ideal para obtener la concentración de la solución o especie absorbente a esa ?máx.

CONCLUSIONES

Carlos E. López A. C.I.: 11.657.913 Luego de analizar y discutir los resultados obtenidos, se puede llegar a las siguientes conclusiones: 1. La desviación de la ley de Beer basándose en la relación lineal produce un elevado porcentaje de error en la obtención de la concentración en la solución problema. 2. Las desviaciones instrumentales (baja eficiencia del espectrofotómetro) pueden producir un error apreciable en el resultado de la concentración.

3. Las desviaciones químicas (variación de las concentraciones a la longitud de onda ?máx) pueden contribuir al porcentaje de error obtenido. 4. La gráfica del espectro de absorción expresa la longitud de onda máxima con la cual la especie (Fe) absorbe la mayor cantidad de radiación, mientras que la

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gráfica de absorbancia vs. Concentración muestra la concentración de dicha especie a la longitud de onda máxima determinada. 5. El porcentaje de error (18,82%) se puede considerar aceptable dentro del rango de las desviaciones de la ley de Beer. 6. Por lo general, la gráfica #2 muestra una orientación lineal, pudiéndose decir que se cumple la ley de Beer.

Richard J. López P. C.I.: 12.678.721 Después de haber analizado los resultados obtenidos y anotado las observaciones basándose en estos se llegó a las conclusiones siguientes: 1. El cambio o variación de la concentración de la especie contribuye a un error en la determinación de la concentración de la muestra problema (desviación química). 2. El equipo o instrumento utilizado no trabajó a su capacidad por la cantidad de veces utilizado (desviación instrumental). 3. Las curvas utilizadas: una expresa la longitud de onda máxima a la cual la especie absorbe mayor cantidad de energía radiante y la otra presenta la concentración de la especie absorbente a esa longitud de onda. 4. El error estuvo aceptable (18,82%) a pesar de los problemas presentes.

BIBLIOGRAFÍA

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Brito M., A. (1.994): Algunos Temas de Análisis Instrumental - Teoría y Problemas. Trabajo de Ascenso. El Tigre.

APÉNDICE MUESTRA DE CÁCULOS Concentración (ppm) de solución estándar (Fe+3) m Fe(NH4)2(SO4)212H2O= 0,1775g V= 500mL PM Fe(NH4)2(SO4)212H2O= 482,19g/mL PA Fe+3= 55,847g/mol C (ppm) Fe= mg Fe+3 / L sol. m Fe+3= 0,1775g alumbre férrico x 55,847g Fe+3 / 482,19g alumbre férrico m Fe+3= 0,0205580g mg Fe+3= 0,0205580g x 1000mg / 1g mg Fe+3= 20,5580mg C Fe+3= 20,5580mg / 500mL C Fe+3= 41,1160ppm Concentraciones (ppm) de Fe+2 en las soluciones patrones Solución #1: V1= 50mL

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C1= ? V2= 1mL C2= 41,1160ppm V1 x C1= V2 x C2 ⇒ C1= V2 x C2 / V1 C1= 1mL x 41,1160ppm / 50mL C1= 0,8223ppm NOTA: De igual forma se hizo para el resto de las concentraciones. Concentración (ppm) de Fe+2 de la solución problema partiendo de la concentración de la muestra obtenida por interpolación en la gráfica # 2 Vmuestra= 50mL Cmuestra= 2,45ppm (por interpolación) Vsol. problema = 10mL Csol. problema = ? Cmuestra x Vmuestra = Csol. problema x Vsol. problema Csol. problema= Cmuestra x Vmuestra / Vsol. problema Csol. problema= 2,45ppm x 50mL / 10mL Csol. problema= 12,25ppm Porcentaje de error del análisis CTeórica= 15,09ppm Cexp= 12,25ppm %E= [ | Cexp – CTeórica | / CTeórica ] x 100 %E= [ | 12,25 – 15,09 | / 15,09 ] x 100 %E= 18,82% ÍNDICE Pág. INTRODUCCIÓN FUNDAMENTOS TEÓRICOS

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL DATOS EXPERIMENTALES RESULTADOS DISCUSIÓN CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA APÉNDICE

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