Química Analítica III
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iiiiii3iiiiiiiiiiIIiiIii DETERMINACION POR ESPECTROFOTOMETRIA DE LA CONCENTRACIÓN DE COBALTO Y NIQUEL EN UNA MEZCLA Coral, R.1 (2141401191); Oñate, D.2 (2131401293) & Ortega, A3 . (2131401284) Departamento De Química, Facultad De Ciencias Exactas y Naturales Universidad De Nariño San Juan de Pasto, Torobajo – Cra. 18 Calle 50
[email protected] INTRODUCCIÓN La mayoría de los conocimientos acerca de los átomos, las moléculas y los núcleos proviene del estudio de la radiación emitida o absorbida por ellos. En Química, se obtienen por reacción una gran variedad de compuestos a determinadas composiciones químicas como mezclas homogéneas, por lo cual es necesario aplicar una determinada técnica analítica con el fin de caracterizarlas tanto cualitativamente como cuantitativamente. La espectrofotometría actualmente es una de las técnicas analíticas más empleadas y se basa en el estudio del espectro de radiación emitida o absorbida por una sustancia para determinar los elementos que la componen y sus respectivas concentraciones. Sus principios se basan en la teoría de Bohr, la cual postula que en el átomo, los electrones se desplazan en órbitas fijas [1]. Un cambio de órbita de un electrón corresponde a la absorción o emisión de un cuanto de energía. La absorción ocurre durante la excitación de los electrones y la emisión cuando estos regresan a un estado estable. En función de ello se clasifican fundamentalmente en: • Métodos de absorción: Se basan en la disminución de la potencia de un haz de radiación electromagnética al interaccionar con una sustancia. • Métodos de emisión: Se basan en la radiación que emite una sustancia cuando es excitada previamente por medio de otro tipo de energía (térmica, eléctrica, etc.) • Métodos de fluorescencia: Se basan en la radiación que emite la sustancia cuando es excitada previamente por un haz de radiación electromagnética. [2] Para la determinación de Níquel y Cobalto en una muestra problemas, se optó por emplear el método de absorción por espectrofotometría UV-VIS, en donde se cumple que la absorbancia está relacionada con la concentración de la sustancia, C, por la ley de Beer-Lambert, que se resume con la siguiente ecuación: Ecuación 1:
Donde se expresa en mol/L, b es la longitud del camino óptico (anchura de la célula que contiene la disolución de la sustancia) y se expresa en cm, y ε es la absortividad molar, propiedad característica de cada sustancia correspondiente a la cantidad de radiación que absorbe a una longitud de onda determinada por unidad de concentración, siendo sus unidades M-1 cm-1 [3]. Para poder aplicar la ley de Lambert-Beer es necesario seleccionar previamente una longitud de onda puesto que tanto A como ε varían con ella. Para esto se obtiene previamente el espectro de absorción de la sustancia, que consiste en una representación de los valores de absorbancia frente a la longitud de onda expresada en nanómetros (nm), del espectro de absorción puede seleccionarse el valor de longitud de onda para el cual la absorbancia es máxima. Si bien la ley de Beer-Lambert indica que a una representación gráfica de la absorbancia frente a la concentración le correspondería una línea recta, esto sólo tiene lugar para disoluciones diluidas, por ello, no es conveniente utilizar la expresión matemática directamente, sino construir en cada caso la recta de calibrado que confirme que la ecuación de Beer-Lambert se cumple en el intervalo de concentraciones en el que se trabaja. Esta recta se construye midiendo la absorbancia de una serie de disoluciones de concentración perfectamente conocida.
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Estudiante Química, Practica de laboratorio, Universidad de Nariño, Pasto (Colombia) Estudiante Química, Practica de laboratorio, Universidad de Nariño, Pasto (Colombia) 3 Estudiante Química, Practica de laboratorio, Universidad de Nariño, Pasto (Colombia) 2
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN
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La ley de Beer-Lambert afirma que la absorbancia es directamente proporcional a la concentración de la especie absorbente. Para poder determinar un compuesto por espectrofotometría, este debe absorber luz, y la absorción debe distinguirse de las otras sustancias que pueda haber en la muestra, razón por la se realizó un espectro de absorción, que relaciona la cantidad de luz absorbida en diferentes longitudes de onda, 510nm para el Ni(NO3 )2 .6H2 O y 395nm para Co(NO3 )2 .6H2 O, para la realización de este espectro se preparó una solución diluida, 009M, la cual se preparó a partir de 2,643g Ni(NO3 )2 .6H2 O y 2,700g Co(NO3 )2 .6H2 O respectivamente, y aforadas con agua, puesto que el solvente no debe absorber en forma apreciable en la región en donde se va a realizar la determinación. El agua es un solvente excelente que es transparente en la región UV-visible, además las sales preparadas son nitratos y estos son solubles en agua y la longitud de onda a la cual absorben está muy lejos de la de los átomos que se están analizando, en los espectros se puede observar claramente que sales tienen su máximo de absorción en la longitud de onda antes mencionadas Figura 1: Espectro de absorción solución 0,09M de Co(NO3 )2 .6H2 O
Figura 2: Espectro de absorción solución 0,09M de Ni(NO3 )2.6H2O
Una vez comprobada la longitud de onda a la cual absorbe cada compuesto, se realizó mediciones de absorbancia para Cobalto y Níquel, estas se reportan en la Tabla 1 Tabla 1: Medida de absorbancia. Se muestra las mediciones realizadas de absorbancia y el promedio de las mismas Absorbancia Absorbancia Co(NO3 )2 .6H2O Ni(NO3 )2 .6H2O 0,451 0,459 0,450
0,456
0,453
0,456
Por medio de la Ecuación 1, y haciendo que 𝑎𝑏 𝐾 se tiene que 𝐴 𝐾𝑐 siendo de interés K, donde 𝐾 𝐴 𝑐 , lo que permitió calcular a través de una relación matemática la concentración de Co y Ni en la muestra problema
Calculo de K para Co 𝐾
𝐴 𝐶𝑜 𝐶
9𝑀
𝑀−1
2
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Calculo de K para Ni
iiiiii3iiiiiiiiiiIIiiIii −1
9 Una vez determinado K y despejando c de la ecuación 1, se obtuvo la concentración de Co y Ni en la muestra problema, mediante la relación matemática expresada a continuación. Ecuación 2 Para esto fue necesario realizar mediciones de absorbancia la muestra problema, estos valores se expresan en la siguiente tabla Tabla 2: Medida de absorbancia. Se muestra las mediciones realizadas de absorbancia y el promedio de las mismas en la muestra problema Absorbancia Cobalto 0,029
Absorbancia Níquel 0,037
0,029
0,038
0,030
0,037 9
Con los valores promedio de absorbancia de Co y Ni, mediante el uso de la ecuación 2 y el valor de K, se pudo identificar la concentración de dichos átomos en una muestra problema, teniendo como referencia teórica, una concentración de cobalto y Níquel de 0,007M y 0,006M respectivamente. Concentración de Cobalto 𝐴𝐶𝑜 0 029 𝑐𝐶𝑜 𝑀𝑜 𝑚𝑔 𝑚𝐿 −1 𝐾
5 01𝑀
Concentración de Níquel −1
Comparando valores experimentales con los valores teóricos se tiene un alto porcentaje de error de 17,1% para la concentración de Cobalto y 21,7% la de níquel, los cuales se atribuyen de cierta manera a la concentración de la solución, puesto que la ley de Beer funciona para concentraciones muy diluidas (0,01M), como en este caso se preparó las disoluciones tanto de Cobalto como de Níquel a una concentración de 0,09 M se puede atribuir el grado de error desde esta disolución, según la ley de Beer Lambert a concentraciones altas casi siempre mayores a 0,01M en este caso se trabajó a una concentración de 0,09 M (concentración alta) el grado de las interacciones soluto- solvente, solutosoluto, o los puentes de hidrógeno afectaron el ambiente del analito y su capacidad de absorción, ya que a concentraciones altas la distancia promedio entre las moléculas e iones responsables de la absorción disminuye hasta el punto en que cada partícula altera la distribución de carga de las moléculas vecinas. Estas interacciones soluto-soluto modifican la capacidad de las especies del analito para absorber la radiación de una determinada longitud de onda. Como la magnitud de la interacción depende de la concentración, surgen desviaciones respecto a la relación lineal entre la absorbancia y la concentración, además se pueden atribuir a errores de tipo sistemático, pues para la determinación de la absorbancia de los átomos transcurrió gran cantidad de tiempo, haciendo que el Níquel que presenta mayor error pudo oxidarse; También de la Tabla 1 y 2 se puede hacer un estimado de precisión y exactitud, permitiendo concluir que estos datos son exactos pero no precisos. Es importante concluir la precisión del método, para esto se realizó una recolección de 6 datos promedio de absorbancia para Cobalto y Níquel de la muestra problema, obteniendo como resultado los valores expresados en la Tabla 3: Precisión del método Se muestra las mediciones realizadas de absorbancia para la muestra problema de 6 grupos diferentes, y la concentración de los átomos de Co y Ni, los cálculos efectuados se obtuvieron mediante el usos de K=5,01M-1 y 5,08M-1 respectivamente y la Ecuación 2. Los valores teóricos de comparación son los reportados con anteriormente
Grupo 1 2
% de error % de error Absorbancia Absorbancia Concentración Concentración concentración concentración Cobalto Níquel Cobalto Níquel Cobalto Níquel 0,034 0,029 0,0068 0,0057 3,1 4,9 0,029 0,037 0,0058 0,0073 17,3 21,4 3
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3 4 5 6 Promedio
0,035 0,036 0,036 0,038
0,036 0,036 0,03 0,027
iiiiii3iiiiiiiiiiIIiiIii 0,0070 0,0071 0,0072 0,0072 0,0076 0,0068
0,0071 0,0059 0,0053 0,0064
0,2 2,7 2,7 8,4 1,2
18,1 18,1 1,6 11,4 6,6
De la tabla 3 se puede hacer una estimación de precisión y exactitud, logrando concluir que se presentan datos más exactos al encontrar la concentración de Cobalto, también se puede calcular la precisión del método utilizando la desviación estándar, la cual se calcula a partir de Ecuación 3: 2
∑ √
9 CONCLUSIONES Se obtuvieron como resultado los datos de concentración de cobalto de 0,0058 M y 0,0073 de Níquel de la muestra problema en donde comparando con los valores teóricos se tuvo altos porcentajes de error del 17,1% para la concentración de Cobalto y 21,7% la de níquel lo cual se puede observar que los errores son altos, esto pudo deberse a ley de Beer funciona para concentraciones muy diluidas y en este caso se preparó las disoluciones tanto de Cobalto como de Níquel a una concentración de 0,09 M entonces lo cual fue muy concentrada . según la ley de Beer Lambert a concentraciones altas casi siempre mayores a 0,01M el grado de las interacciones soluto- solvente, soluto-soluto, o los puentes de hidrógeno afectaron el ambiente del analito y su capacidad de absorción, ya que a concentraciones altas la distancia promedio entre las moléculas e iones responsables de la absorción disminuye hasta el punto en que cada partícula altera la distribución de carga de las moléculas vecinas esto fue lo que ocasiono el alto porcentaje de error de las muestras problema Al preparar las soluciones de referencia para encontrar la concentración de una muestra problema; la concentración de referencia debe ser similar a la concentración problema, debes estar en el mismo rango para que haya linealidad. Además se debe tener muy en cuenta las limitaciones de la ley de Beer, la cual funciona muy bien a concentraciones menores o igual a 0,01M, rango en el cual presenta un comportamiento lineal, como se preparó la disolución de 0,09M ya aplicaría a disoluciones muy concentradas lo cual influyo en el error. REFERENCIAS [1] Higson, S. P. J. Química Analítica. 1ª ed. Capítulo 5. Ed. Mc Graw Hill. 2007. [2] Martínez Urreaga, J.; Narros Sierra, A.; De La Fuente García-Soto, M.M.; Pozas Requejo, F.; Díaz Lorente, V.M. Experimentación en Química General. Capítulo 5. Ed. Thomson Paraninfo, 2006. [3] Hernández-Hernández, L.; González-Pérez, C. Introducción al análisis instrumental. Capítulo 3. Ed. Ariel Ciencia, 2002.
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