PRÁCTICA N° 03. ESPECTROFOTOMETRÍA ULTRAVIOLETA VISIBLE- DETERMINACIÓN ESPECTROFOTOMÉTRICA DE HIERRO POR ADICIÓN ESTÁNDAR (1)

PRÁCTICA N° 03. ESPECTROFOTOMETRÍA ULTRAVIOLETA VISIBLE: DETERMINACIÓN ESPECTROFOTOMÉTRICA DE HIERRO POR ADICIÓN ESTÁNDAR 22/03/2017 Paula Camila Baron Tovar 1 , Nathaly Heredia Perez 1 . DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA,

OBJETIVO GENERAL: ​Determinar la cantidad de hierro presente en una muestra comercial de sulfato ferroso. OBJETIVO ESPECÍFICO: ​Especificar la cantidad de sulfato ferroso en la muestra comercial mediante una curva de adición estándar y espectrofotometría. RESUMEN: ​En esta práctica de laboratorio se llevó a cabo la cuantificación de F e2+ (por medio de adición estándar), presente en una muestra de 0,0670 ± 0, 0001 g de sulfato ferroso comercial posiblemente hexahidratado, así mismo mediante una relación estequiométrica se determinó la cantidad de sulfato ferroso cuantificado en la práctica, que corresponde a 29 mg, y una vez comparado este resultado con el sulfato ferroso utilizado en la práctica se encontró un error en la determinación del mismo de 1,48 %. PALABRAS CLAVES: ​Adición estándar, espectrofotometría ultravioleta- visible, ley de beer, reducción de hierro, formación de complejos. KEYWORDS: Standard addition, ultraviolet-visible spectrophotometry, Beer's law, iron reduction, complex formation.

1

UNIVERSIDAD DE LA SABANA.

3

2,0

0,40

0,40

1,0

1,0

4

2,0

0,60

0,40

1,0

1,0

5

2,0

0,80

0,40

1,0

1,0

6

2,0

1,00

0,40

1,0

1,0

7

2,0

1,20

0,40

1,0

1,0

8

2,0

1,40

0,40

1,0

1,0

9

2,0

1,60

0,40

1,0

1,0

10

2,0

2,00

0,40

1,0

1,0

Tabla N°1​: Volúmenes usados en la adición estándar. La concentración en molaridad de hierro presente en cada una de las soluciones preparadas para la curva, (teniendo en cuenta que el volumen de solución problema* permanece constante y que el gradiente de concentración se genera por el cambio del volumen de la solución patrón) fue determinada de la siguiente forma: Ejemplo de cálculo para muestra N°2: RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADO : Para la determinación de hierro por medio de la metodología Volumen final es 10 ± 0, 025 mL ya que este es el afore del de adición estándar, se llevó a cabo la preparación de las balón. C 1 = 25 ppm de F e2+ siguientes soluciones: V 1 = 0, 2 mL C 2 =? Balón Volumen de (mL) V 2 = 10 ± 0, 025 mL aforado N° slon slon hidroxil Buffer o-fenant C 1V 1 = C 2V 2 (1) problem patrón amina rolina. Se despeja C2 y se obtiene la concentración del estándar para a* la muestra N°2; este procedimiento se llevó a cabo para todas Blanco 0,0 0,00 0,40 1,0 1,0 las soluciones. 25 ppm *0,2 mL C 2 = C1V V2 1 = = 0, 51 ppm de F e 2+ 10 mL 1

2,0

0,00

0,40

1,0

1,0

2

2,0

0,20

0,40

1,0

1,0

mg de F e 2+ L

1g 1000 mg

debido a que el método de calibración por adición estándar se basa en la ley de Beer A = εbc (3) . Por otra parte la absorbancia fue medida en cada una de estas Como se debe cumplir dicha se elimina el dato de la soluciones a 510 nm, la cual es la longitud de onda en la cual el solución N°10​, puesto que con la ​gráfica N°1 se observa complejo entre F e 2+ y la o-fenantrolina, de color rojo- naranja, que dicha solución, (la cual es preparada con 2,00 mL de solución patrón y 2,0 mL de solución problema) , no cumple absorbe mejor, es decir a esta longitud de onda se presenta el la relación lineal entre la señal analitica y el volumen del máximo de absorción para este complejo; los resultados del estándar​. cálculo de concentración y la medición de absorbancia en las Eliminando este punto se obtiene la siguiente gráfica: soluciones son presentados en la siguiente tabla: 0, 51

*

*

1 mol 55,845 g de F e2+

= 9,1 x 10−6 M de F e2+

Balón aforado N°

volumen sln patrón (mL)

Concentración (M)

Absorbancia (nm)

1

0

0

0,145

2

0,2

9,1E-06

0,266

3

0,4

1,8E-05

0,373

4

0,6

2,7E-05

0,469

5

0,8

3,6E-05

0,576

6

1

4,5E-05

0,666

7

1,2

5,4E-05

0,739

Gráfica N°1:​ Absorbancia de estándar vs volumen del estándar, datos sin solución N°10. 9 1,6 7,3E-05 0,939 Haciendo uso de la ecuación de la ​gráfica N°2​, Abs = 0, 4928(v) + 0, 166 se puede determinar la cantidad 10 2 9,1E-05 1,67 de sulfato ferroso presente en la pastilla, partiendo de los Tabla N°2: Concentración (M), volumen y absorbancia del gramos de F e2+ cuantificados por la adición estándar patrón para las soluciones. mediante la formación del complejo entre la o- fenantrolina En el método de adición estándar se debe realizar que relacione y el F e2+ . el volumen o la concentración del estándar (patrón) y su El intercepto de la recta cuando la absorbancia , es igual a absorbancia, esta gráfica se realizó con el volumen el estándar y cero nos proporciona el volumen de solución problema; la es presentada a continuación: concentración del analito se calcula mediante la ​ecuación N°3: *V o I ntercepto en x = − CA (3) CS El intercepto en x es igual a: 0 = 0, 4928(v) + 0, 166 −0,166 0,4928 = v = intercepto en x − 0, 337 mL = intercepto en x Antes de realizar el cálculo de la concentración de analito se debe tener en cuenta que la solución del estándar fue preparado con 0,0445 g de ​(NH4)2Fe(SO4)2 *6H2O y 0,25 L, Gráfica N°1:​ Absorbancia de estándar vs volumen del estándar, que el peso molecular del sulfato ferroso amoniacal hexahidratado todos los datos. es 329,14 g /mol y que el peso molecular del de F e2+ es 55,845 La adición estándar debe cumplir la relación lineal entre la señal g/mol , por lo tanto la concentración de la solución patrón en partes por millón es: analítica y el volumen del estándar añadido (VS ) ​(1)​, 8

1,4

6,4E-05

0,869

1 mol del compuesto

estequiométricas y teniendo en cuenta que el PM del sulfato ferroso hexahidratado es 260,0244 g/mol, 55,845 g 2+ 2+ = 0, 000113 mol de F e * 1 mol de F e2+ = 0, 00634 g de F e obteniendo 0,01069 ± 0, 0001g de sulfato ferroso. = 63, 4 mg de F e2+ /0, 25 L = 25 ppm de sln patrón En la práctica de laboratorio para la preparación de la Teniendo en cuenta la concentración del estándar utilizado, se solución stock se utilizaron 0,0670 ± 0, 0001g de procede a calcular la concentración de analito CA: sulfato ferroso hexahidratado es decir 0,0391 −0,337 mL* Cs = − C A ± 0, 0001g de sulfato ferroso. Vo Donde C s = 25 ppm de sln patrón , Por último se sabe que: V o = 2 mL = v olumen de muestra problema g de sulfato ferroso usados para la preparación de la −0,337* 25 ppm = − C A solución stock= g de sulfato ferroso cuantificados por 2 mL C A = 4, 3 ppm acomplejamiento + g de sulfato ferroso no diluidos. 2+ 4,3 ppm de F e están presentes en 2 ml de solución stock que Entonces: fue diluida en 50 mL, sin embargo se debe tener en cuenta que la g de sulfato ferroso cuantificados por acomplejamiento solución stock fue preparada en un volumen de 100 mL, por lo + g de sulfato ferroso no diluidos= 0,02903 g tanto la concentración del analito debe ser relacionada con un +0,01069 g =0,03972 g factor de dilución de ( 50 2 ) , para obtener la concentración final de Por lo tanto ​el error en la determinación de hierro, de analito presente en la alícuota de 100 mL. 2+ = 106, 7 ppm de F e2+ acuerdo a lo estipulado por el fabricante: ( 50 ) 4 , 3 ppm de F e 2 * | E r = |xi−xv Para calcular los mg de sulfato ferroso cuantificado es necesario xv * 100 (4) calcular los g de F e2+ , así: mg de F e2+ 1g 2+ Donde: 106, 7 * 0, 1 L = 10, 67 mg de F e 1000 mg L xi : v alor teórico , xv : v alor medido = 0, 01067 g de F e2+ 0,0391−0,03972 E r = | 0,0391 | * 100 (4) Teniendo los gramos de F e2+ , y sabiendo que PM de sulfato E r = 1, 48% ferroso es 151,908 g/ mol, se calculan los mg de sulfato ferroso Se debe tener en cuenta que un análisis cuantitativo cuantificados por adición estándar : UV-Vis, ultravioleta visible, es un método usado 1 mol de F e(SO4)2 1 mol de F e2+ 2+ comúnmente debido a su gran campo de aplicación, ya 0, 01067 g de F e * 55,845 g * 1 mol de F e2+ 1 mol de F e(SO4) 151,908 g 1000 m g que muchas especies tanto orgánicas como inorgánicas * 1 mol F e(SO4)2 * 1 mol F e(SO 4) * 1 g absorben los rayos UV y las especies que no son = 29, 03 mg de F e(SO4 ) absorbentes se pueden tratar de tal forma que lo sean, De la pastilla de sulfato ferroso que fue utilizada para la también se puede estudiar un rango de concentraciones cuantificación de hierro, del laboratorio Laproff, no se encontro pequeñas para tener mayor precisión de acuerdo a los una descripcion exacta, por lo tanto asumimos que la misma esta grandes valores de coeficientes de absortividad ɛ entre hexahidratada; ya que si la pastilla es considerada solo como 5000 y 40000 permitidos. Se tiene una selectividad de sulfato ferroso el error que arroja la determinación de hierro es de manejo como el poder decidir la onda en donde por 29,4% . conveniencia del estudio se quiere mirar al compuesto, Para encontrar el error en la determinación de hierro, se debe de igual forma, se conoce que este proceso tiene buena tener en cuenta el sulfato ferroso hexahidratado que no se diluyó exactitud debido a que el error relativo está entre el 1 y en la preparación de la solución stock y que quedó como 3% (Anónimo, SF). En nuestra práctica el error remanente en el papel filtro, esta cantidad es: relativo dio 1,48% , por tanto es exacto el valor de P eso del papel f iltro corregido : 0, 2608 ± 0, 0001g acuerdo a los parámetros dichos anteriormente sobre P eso del papel f iltro corregido y sulf ato f erroso no diluido este método el cual es bastante satisfactorio. : 0, 2797 ± 0, 0001g Se habla de sulfato ferroso hexahidratado debido a que S ulf ato f erroso hexa − hidratado no diluido 0, 01830 ± 0, 0001g los iones de Fe​+3 forman enlaces de coordinación con Estos gramos de sulfato ferroso hexahidratado son expresados el agua, donde el metal comparte sus electrones con un como gramos sulfato ferroso mediante relaciones ligando, así este se va a hidratar formando un complejo con seis ligando de agua, cada ligando 0, 0445 g de (N H4)2F e(SO4)2 * 6H2O * 329,14 g 1 mol de F e2+ = 0.000113 mol de (N H4)2F e(SO4)2 * 6H2O * 1 mol de (N H4)2F e(SO4)2

contribuye con dos electrones, en el caso del hierro, ocurre en la subcapa 3d (internos) o 4d (externos) (Anónimo, 2009), por eso los cálculos se han hecho con el sulfato ferroso hexahidratado debido a sus tendencias de coordinación. La cantidad de sulfato ferroso dio mayor a la cantidad utilizada, esto pudo ocurrir por varios factores experimentales que alteraron los resultados, el primero es la exactitud del método de espectrofotometría que ya se mencionó, la mala limpieza de los utensilios de laboratorio como las celdas de cuarzo que podían estar contaminadas o mal lavadas teniendo en cuenta que otras personas las usaron para la misma determinación de hierro y pudo quedar parte de este alterando la concentración real. También se debe tener en cuenta que los pesos fueron corregidos por una calibración y esto influye significativamente en cuanto a la medición de los gramos. En cuanto al método que se usó para la determinación de hierro se debe tener en cuenta que para poder cuantificar el mismo ,por medio de espectrofotometría ultravioleta-visible, se debe formar un complejo con la o-fenantrolina, puesto que si se mide la absorción UV-VIS de una especie atómica o molecular M, el tiempo de vida de la especie excitada M* es muy corto aproximadamente de 10−8 a 10−9 s y su concentración que en cualquier momento es despreciable, adicional a esto la cantidad de energía térmica desarrollada en la relajación de M* no es, habitualmente, detectable, así pues teniendo en cuenta estas razones. la formación del complejo entre el hierro reducido y la o-fenantrolina, es la mejor opción para la determinación de F e2+ , ya que este puede llegar a favorecer la absorción en el ultravioleta, además aunque los complejos se puedan presentan en una cantidad pequeña. generar señales altas a diferencia de las especies atómicas o moleculares (​García, SF) Adicionalmente se hizo uso de un metodología de adición estándar, ya que se quería evitar las complicación en la equiparación de la matriz de los estándares con la muestra; es decir la matriz de la pastilla de sulfato ferroso es difícil de replicar puesto​ ​que es una muestra

comercial de la cual no se posee demasiada información (Harvey, 2000); Así pues una de las ventajas de la metodología es que se puede analizar un analito con una matriz compleja, como también lo es que mediante relaciones muy sencillas se puede obtener la concentración de analito en la muestra problema. En la adición estándar también se presentan desventajas en cuanto a la desviación de la ley de Beer por concentraciones elevadas del analito, puesto que en la solución se agrega un volumen de muestra problema que contiene el analito y un volumen de solución estándar que también lo contiene; por último como ya se dijo con anterioridad el método de adición estándar está basado en ​la relación lineal entre la señal analítica y el volumen del estándar añadido (VS) (Sánchez, S,F), esta relación en sí, es entendida como la ley de Beer. CONCLUSIONES: El método de espectrofotometría ultravioleta visible es uno de los más usados para el análisis cuantitativo de compuestos debido a su exactitud y manejo de acuerdo a la absorbancia de rayos uv que pueda tener un compuesto y que a su vez sea relacionado de forma proporcional a la concentración. El hierro presente en una pastilla de sulfato ferroso se puede cuantificar reduciendo el hierro a su forma protonada Fe+2 para hacer un complejo que permita absorber con comportamiento lineal cumpliendo la ley de Beer y así relacionar la absorbancia con la concentración. El error relativo es de 1,48% haciendo el método exacto de acuerdo a lo establecido entre (1 y 3%), por tanto la práctica generó resultados satisfactorios en cuanto a su exactitud. Varios errores que se presentan en este método son de parte del experimentador que no es cuidadoso con el manejo de material, tanto en la limpieza como en las mediciones para cada disolución.

BIBLIOGRAFÍA:

FIRMAS :

(1) Sánchez María Angélica, (S,F) “Métodos de calibrado” [En línea] Consulta del 18/03/17 en http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/angelisa/Do wnloads/tecnicascalibracio_vr1.pdf (2) Anónimo, (S,F) “Espectrofotometría UV-VIS” [En línea] consulta del 18/03/17 en www.ugr.es/~clinares/webexp/fundamentos/SEM INARIO%202.doc (3) Anónimo, (2009) “Teoría del campo cristalino” [En línea] Consulta del 18/03/17 en Nathaly Heredia Perez http://la-mecanica-cuantica.blogspot.com.co/2009 /08/teoria-del-campo-cristalino.html (4) García Tamara (S,F) “Aplicaciones y criterios de uso de la espectroscopía de absorción molecular espectrofotométrica” [En línea] Consulta del 18/02/17 en http://www.uhu.es/tamara.garcia/quimI/apuntes/T EMA%203.pdf Paula Camila Baron Tovar (5) Harvey David (2000) “Modern analytical chemistry” [En línea] Consulta del 18/03/17 en http://elibrary.bsu.az/azad/new/2477.pdf