Mn en Acero Labo 1

UNIVERSIDADNACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (DECANA DE AMERICA) FACULTAD DE QUIMICA E INGENIERIA QUIMICA E. A. P. DE INGENIERIA QUIMICA INFORME DE LABORATORIO NO1

DETERMINACION DE MANGANESO EN ACERO POR ESPECTOFOTOMETRIA VISIBLE PROFESOR: Mg ANAYA MELÉDEZ, Fernando ALUMNO: . Saccsa tacas Cesar. N0 ORDEN:

.07070094 9

GRUPO: Jueves: 08am – 12pm

FECHA DE PRESENTACION: 26 de DICIEMBRE del 2010

LIMA-PERÙ

INDICE

I. HOJA DE DATOS………………………………………………………………………1 II. RESUMEN DEL IMFORME……………………………………………………………2 III. OJETIVOS Y FUNDAMENTO DEL METODO DE ANALISIS……………………..3 IV. DESCRIPCION DE LA TECNICA EMPLEDA…………………………………….…4 V. REACCIONES QUIMICAS IMPORTANTES………………………………………...6 VI. DESCRIPCION DEL EXPERIMENTO:..................................................................7 MATERIALES REACTIVOS E INSTRUMENTOS

VII. CALCULOS DETALLADOS:…………………………………………………………. 9 TRATAMIENTO ESTADISTICO TABAL DE RESULTADOS

VIII. GRAFICO DE LOS EXPERIMENTOS……………………………………………….12 IX. DISCUSIÓN DE LA TECNICA EMPLEADA…………………………………………15 X. DISCUSIÓN DE RESULTADOS OBTENIDOS……………………………………...15 XI. CONCLUSIONES……………………………………………………………………....16 XII. RECOMENDACIONES…………………………………………………………………16 XIII. BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………….....17

II. RESUMEN DEL IMFORME

El objetivo del presente experimento es el de determinar por medio de un método espectrofotométrico la concentración de manganeso en una muestra de acero en ppm. Para lograr esto se oxida al Mn+2 hasta formar el permanganato MnO4-2 que puede absorber la luz visible (cromofero). Para determinar la concentración de este se empleo la técnica d curva de calibración que consiste en preparar solución con concentración del analito en forma creciente y tomando lectura de la absorbancia de estas para luego graficar absorbancia VS. Concentración y por un ajuste de mínimos cuadrados se determinan los parámetros de comportamiento de esta recta de los cuales con los valores de absorbancia de las muestras podemos determinar la concentración de manganeso en esta y obtener el porcentaje en masa de manganeos en acero. El resultados obtenido fue a un intervalo de confianza del 95% C (Mn)= (0.4957 ± 0.1566 )% lo cual nos da un coeficiente de variación muy grande lo cual nos indica que se cometieron errores en algunos de los pasos del método.

III. OJETIVOS Y FUNDAMENTO DEL METODO DE ANALISIS

2

Objetivos • Determinación de manganeso en acero por espectrofotometría visible

• Obtener conocimientos sobre el modo de uso del instrumento (Analyst 200 – Perkin Elmer) Fundamento del método

• En el experimento se utilizara la técnica de espectrofotométrica de absorción visible. La técnica se basa en la absorción de luz por parte de un cromóforo (especie química capaz de absorber luz). La determinación cuantitativa del manganeso se basa en la ley de BeerLambert la cual establece que la absorbancia es proporcional a la concentración del cromofero, se construirá una curva de calibración con soluciones de concentración conocida del Ion de permanganato y se determinara los parámetros de pendiente e intercepto por ajuste de mínimos cuadrados, la concentración de la muestra se determina en base a la pendiente e intercepto obtenido por el método de mínimo cuadrado.

3

IV. DESCRIPCION DE LA TECNICA EMPLEDA El acero es una aleación de metales donde el manganeso (Mn) se encuentra en cantidades pequeñas (aproximadamente 0.5% w/w). La cantidad de manganeso depende de la compañía comercial que lo produce y la aplicación del acero. En términos generales, el acero también puede presentarse en otros metales como el hierro, cromo y níquel. La presencia de una diversidad de metales y en diferentes concentraciones hace que el acero posea ciertas cualidades físicas. El manganeso, por su parte, le aumenta la fortaleza dureza, durabilidad y resistencia al uso del acero, otra forma molecular del manganeso, el bióxido de manganeso, se puede utilizar como despolarizador. El manganeso es el responsable del color amatista en piedras y vidrios. El método mas utilizado en la determinación espectrofotométrica de manganeso se basa en la oxidación del Ion manganeso (Mn+2) a permanganato (MnO-4). El Ion de permanganato absorbe la luz visible en la región de los 525nm lo que le imparte un color violeta a la solución acuosa de este Ion. El agente oxidante es el yodato de potasio (KIO4) el cual oxida al Mn+2 mediante: 2Mn2+ + 5IO4- + 3H2O → 2MnO4- + 5IO3- + 4H+ El análisis espectrofotométrico de manganeso en acero presenta una posible interferencia de parte del hierro. Esto se debe a que el hierro en el acero se encuentra en grandes cantidades y al disolver el acero en este pasa al Ion ferrico. La interferencia del Ion ferrico se puede minimizar al añadir acido fosforico donde el Ion de fosfato forma un complejo incoloro con el Ion hierro. Por otro lado, la presencia de níquel y cromo se puede simular al añadir la cantidad presente en la aleación de acero a las soluciones que se preparan para la construcción de la curva de calibración de manganeso. El carbonato presente en la muestra se puede eliminar mediante peroxidisulfato de amonio de acuerdo a la reacción. C ( S ) + 2S 2 O8−(2ac ) + 2 H 2 O → CO 2 ( g ) + 4 SO 4−(2ac ) + 4 H (+ac )

En este experimento se determinara la concentración de manganeso en acero por espectrofotometría

de

absorción

molecular

visible.

El

experimento

consiste

principalmente en cuatro partes. En la primera se prepara la solución valorada de permanganato de potasio, en la segunda parte se preparan las soluciones de curva de calibración y de adición de patrón, tercero la solución muestra y por ultimo se determina la absorbancia de todas las soluciones preparadas. Con estos datos se prepara una curva de calibración de absorbancia como función de la concentración conocida de manganeso y con la absorbancia de la solución del desconocido se podrá 4

determinar la concentración del Ion MnO-4. Las medidas Espectrofotométricas se llevan a acabo en un espectrofotómetro GENESYS 20. Dilución de la muestra con la mezcla de ácidos (H3PO4, HNO3, H2O) (1:1:1): Fe2+ + HNO3 → Fe3+ + NO2 + NO MnO + HNO3 → Mn2+ + NO2 + NO Al realizar la disolución de la muestra, la mezcla de ácidos H3PO4, HNO3, H2O: actúa sobre los componentes dejándolos en estados iónicos, donde el ácido nítrico actúa tanto en la muestra de acero como en el de manganeso y el ácido fosfórico va a acomplejar al ión férrico dando un complejo incoloro cuya reacción es la siguiente: 2PO43- + Fe3+ → [Fe(PO4)2]3Adición de sal de Mohr: La adición de sal de Mohr es para dar las mismas condiciones a la muestra patrón, con el fin de igualar el contenido de hierro de los patrones con el hierro contenido en la muestra de acero a determinar.

a.

Calibración del espectrofotómetro con CoCl2 en HCl 1%.

Con la solución de CoCl en HCl 1% se hacen medidas entre el rango de 480nm a 540nm, con las lecturas obtenidas se traza el gráfico de % T vs. λ y el de absorbancia vs. λ. Usar como blanco la solución de HCl al 1%. Los valores obtenidos y la forma de la curva se comparan con el catálogo del fabricante.

b.

Determinación del λ máximo del KMnO4.

Obtener la curva de absorción máxima con uno de los patrones que se preparan. Usando el blanco para ajustar a 0A. Efectuar en el rango de 480nm a 555nm de longitud de onda. c.

Determinación cuantitativa de manganeso en acero.

Ver cálculos detallados (VII)

5

V. REACCIONES IMPORTANTES Tratamiento de la muestra de Acero para determinación de Mn: Dilución de la muestra con los ácidos H3PO4 + HNO3 + Agua: Fe +2 + HNO 3 → Fe +3 + NO 2 + NO MnO + HNO 3 → Mn +2 + NO 2 + NO

Al realizar la disolución de la muestra, la mezcla de ácidos H3PO4 + HNO3: actúa sobre los componentes dejándolos en estados iónicos, donde el ácido nítrico actúa tanto en la muestra de acero como en el de manganeso y el ácido fosfórico va a acomplejar al ión férrico dando un complejo incoloro, cuya reacción es la siguiente: 2PO −43 + Fe +3 → [Fe (PO 4 )2 ]

−3

Complejo −incoloro

Agregación de Sal de Mohr: ( NH 4 ) 2 [ Fe( SO4 ) 2 • 6 H 2O ] La adición de sal de Mohr es para dar las mismas condiciones a la muestra patrón con el fin de igualar el contenido de hierro de los patrones con el hierro contenido en la muestra de acero a determinar. Oxidación del Mn con la adición de peryodato de potasio. 2Mn +2 + 5IO− 4 + 3H2 O ↔ 2MnO

− 4

+ 5IO 3− + 6H+

Reacciones en el equipo de espectrofotometría: En el proceso de absorción de radiación electromagnética una especie, en un medio transparente, capta selectivamente ciertas frecuencias de la radiación electromagnética. El fotón absorbido hace pasar la especie M a un estado excitado M*: M + hγ  M* Tras un corto periodo, se pierde la energía de excitación, generalmente en forma de calor, y la especie vuelve a su estado fundamental: M*  M + Calor

VI. DESCRIPCION DEL EXPERIMENTO: MATERIALES, REACTIVOS E INSTRUMENTOS: 6

Materiales Pipetas volumétricas de 1, 2, 3, 5 y 10ml Fiolas de 250, 150 y 50ml Vasos de 250, 150 y 50ml Pisetas Propipetras reactivos

• Mezcla de Ácidos (partes iguales de acido nítrico, acido fosforico y agua) • Ácido Fosfórico • Agua

• Sal de Mohr QP • Peryodato de Potasio ( KIO4 ) QP • Solución patrón de Manganeso (0.20mg de manganeso por mL). Se disuelve 0.6153g de MnSO4.H2O QP y se lleva a enrase en fiola de 1 litro.

Soluciones estándares para el blanco y curva de calibración Para la curva de calibración se preparan 4 soluciones (bk, St1, St2, St3) de las cuales “bk” viene a ser el blanco. Estas soluciones se preparan con 0, 2, 5, 10mL de la solución patrón de manganeso y luego de su tratamiento químico se enrasa en fiolas de 100ml. solución

VSP (ml)

Vf (ml)

bk

0

100

St1

2

100

St2

5

100

St3

10

100

 Preparación de la muestra Se prepararon tres soluciones muestras, para las cuales se pesaron aproximadamente 0.12g de la muestra y luego se realizo el tratamiento químico para oxidar al Mn+2 y disminuir las interferencias por parte del Fe+2 seguidamente se enraso en fiolas de 100ml.

7

solución

Wmuestra (g)

Vf (ml)

M1

0.1235

100

M2

0.1210

100

M3

0.1202

100

Instrumento: Espectrofotómetro GENESYS 20: El espectrofotómetro GENESYS 20 es un instrumento fácil de usar que ejecuta mediciones de absorbancia, % de transmitancia y concentración dentro del rango de longitud de 325 a 1100 manómetros. Sus características incluyen:

• Pantalla digital de dos líneas, 20-caracteres. • Teclado al tacto con chasquido para indicar que la tecla a sido oprimida

• Porta celdas disponibles para un amplio rango de cubetas, tubos de ensayo y celdas de paso largo. • Impresora interna opcional. • Interfaz RS232.

VII. CALCULOS DETALLADOS, TABLA DE RESULTADOS Y TRATAMIENTO ESTADISTICO

8

Solución patrón de manganeso esta solución tiene una concentración de 0.2mg de manganeso por mL, expresados a ppm seria. CMn =

0.2mg 1000 ml × 1ml 1L

CMn = 200 ppm

→

Soluciones estándar para la curva de calibración Ejemplo de cálculo para std1: CMn = 200 ppm × fd = 200 ppm ×

2ml → 100 ml

std 1 C Mn = 4.00 ppm

solución

CMn (ppm)

A

bk

0

0

St1

4

0.169

St2

10

0.411

St3

20

0.808

Con los datos de concentración y absorbancia se grafica la curva de calibración (ver grafica N03) y aplicamos el ajuste por mínimos cuadrados. A = mC(Mn) + b → Y = mX + b

∑x ∑ y − ∑x ∑x b= p∑ x − (∑ x ) 2 i

i

i

i

yi

m=

2

2 i

p ∑ xi yi − ∑ xi ∑ yi

i

p ∑ xi2 −

(∑ x )

2

i

Tambien hallamos la correlacion: r=

b=

nb ∑ y + nm ∑xy − (∑ y ) 2 n∑ y 2 − (∑ y ) 2

i bk St1

C=x 0 4

A= y 0 0,169

xy 0,000 0,676

x2 0 16

y2 0,000

St2

10

0,411

4,110

100

0,169

St3

20

0,808

16,160

400

0,653

∑

34

1,388

20,946

516

0,850

516 ×1.388 − 34 × 20 .946 = 0.0045 3 × 516 − 34 2

0,029

9

m=

4 × 20 .946 − 34 ×1.388 = 0.0403 ppm −1 3 × 516 − 34 2 4 × (0.0045 ) ×1.388 + 4 × (0.0403 ) × 20 .946 − 1.388 2 = 1.0000 4 × 0.85 − 1.388 2

r=

A = ( 0.0403 ppm

−1

) CMn + 0.0045.....................(*)

 Soluciones muestra Ejemplo de cálculo de la concentración de Mn en la muestra 1: la muestra 1 se preparo con 0.1202g de acero llevados a un volumen de solución final de 100ml teniendo como absorbancia valor igual a 0.202, remplazando este valor en la ecuación de la curva de calibración (*) 0.202 = 0.0403ppm-1CMn + 0.0045 W ( Mn ) = C ( Mn ) ×V = 4.9007 % Mn =

→ CMn = 4.9007ppm

mg × 0.100 L W ( Mn ) =0.4901 mg L

W ( Mn ) 0.4901 ×10 −3 g ×100 % = ×100 % Wmuestra 0.125 g

→

muestra

%Mn

1

0.4077

2

0.5219

3

5.5756

% Mn = 0.4077 %

Cálculos estadísticos: ___

% Mn=

∑ % Mni n ___

S=

∑ (% Mn− %Mni)

CV =

n −1

S media

2

___

→

% Mn= 0.4957%

→

S = 0.0783 %

→

CV = 0.1578

%Mn en acero con intervalos de confianza del 95% = (0.4957 ± 0.1566 )% TABLAS PARA GRAFICAR 10

DETERMINACION DE. ‫ג‬max GRAFICO N02

CALIBRACION DEL INSTRUMENTO GRAFICA NO1

.‫ג‬m

%T

.‫ג‬m

%T

550 545 540 535 530 525 520 515 510 505 500 495 490 485 480 475 470 465 460 455 450

56,55 51,05 46,60 42,35 39,25 36,80 34,95 33,85 33,60 34,00 34,25 36,55 38,05 39,20 40,10 41,00 42,10 43,95 46,85 50,80 55,25

550 545 540 535 530 525 520 515 510 505 500 495 490 485 480

43,5 41,8 44 44,6 42,1 40,8 43,7 48,7 50 51,8 57,7 62,4 65,6 69,6 74,9

CURVA DE CALIBRACION GRAFICA NO3

solucion

[Mn](ppm)

A

bk std1 std2 std3

0 4 10 20

0,000 0,169 0,411 0,808

VIII. DISCUSIÓN DE LA TECNICA EMPLEADA 11

Los resultados obtenidos fueron muy diferentes con un coeficiente de variación alto de 0.1578 esto no puede ser utilizada para cuestionar la precisión del método aunque por ser un procedimiento largo se pueden cometer errores en ellos. La precisión y la exactitud, además del procedimiento y tratamiento de la muestra, también depende del instrumento que se utilice. En este caso se usó un espectrofotómetro “SPECTRONICS GÉNESYS 20”, el cual es de haz simple. Los espectrofotómetros de haz doble, además de automatizar el proceso de medición, también disminuye el error en las mediciones ya que el hecho de sacar y poner repetidamente el blanco del espectrofotómetro de haz simple puede generar errores de tipo instrumental.

IX. DISCUSIÓN DE RESULTADOS OBTENIDOS

• Uno de los errores que se pueden cometer con facilidad es provocado por el hecho de sacar y poner repetidamente el blanco del espectrofotómetro de haz simple puede generar errores de tipo instrumental.

• Se halló la longitud de onda máximo del COCl2.6H2O en la calibración del instrumento, la cual nos resulta 525 nm esta medida no coincide con la longitud de onda teórica por lo tanto pude existir un error en la medición de las absorbancia.

• La gráfica absorbancia vs. concentración nos da muy aproximadamente una recta (cumple con la ley de Beer) ya que se preparó bien las soluciones para la curva de calibración.

• Los resultados obtenidos con respecto al % de manganeso en el acero fueron muy variados con un coeficiente de variación muy grande, los posibles errores para estos resultados se deben a una mala pesada de la muestra y a un mal tratamiento químico de oxidación del Mn+2 y disminuir las interferencias del Fe+2. • Los errores que hemos podido cometer fueron: soluciones mal preparadas, mal limpieza de la celda, equipo mal calibrado, etc.

X. CONCLUSIONES 15

%Mn en acero con intervalos de confianza del 95% = (0.4957 ± 0.1566 )%

XI. RECOMENDACIONES • Las ventanas de las celdas de absorción se deben mantenerse escrupulosamente limpias, pues tanto las huellas digitales como rastros muestras anteriores pueden ser causa de error considerable en determinaciones cuantitativas.

•La mayor parte las sustancias inorgánicas no absorben en el visible y se deben por lo tanto producir un color por adición de un reactivo. • La utilización de este método es muy bueno ya que se puede determinar partes por millón de muchas sustancias, o inclusos de cantidades menores, de este modo la sensibilidad de este método es muy buena. • Es evidente que un análisis espectrofotometrito preciso requiere el uso de cubetas de buena calidad contrastadas. Estas deben calibrarse una frente otras para detectarlas diferencias que pueden surgir de ralladuras y desgaste.

•Previamente a la medida, las superficies de la celda se limpian con un papel para lentes empapado con metanol de grado espectrometrito. El papel se coge con una pinza, depuse de la limpieza, el metanol se evapora, se evapora, dejando la superficie de la cubeta libre de contaminantes.

16

XII. BIBLIOGRAFIA

1. -. Strobel Howard A.”Instrumentación Química”

Editorial Limusa, 1979.

2. Alexéiev VN. “Semimicroanálisis Químico Cualitativo” Editorial MIR,Moscú,1975

3. Willard Hobarth “Métodos Instrumentales De Análisis” – Primera Edición, editorial Continental, 1971. 4. Skoog D. West D., Principios de Análisis Instrumental, 5ta Edición, Ed. Mac Graw Hill, México 2001. Páginas: 730, 735, 751-755, 759-766,776, 777.