Síntesis y Caracterización Del Compuesto Tris(Oxalato)Ferrato(III) de Potasio

SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DEL COMPUESTO TRIS(OXALATO)FERRATO(III) DE POTASIO TRIHIDRATADO . Vidal Guerrero, Alex Javier (1343400). [email protected]; Burbano Galvis, Juan David (1423133). [email protected]; Pérez Álvarez, Kevin David (1425650). [email protected]. 17 de Noviembre del 2016. Departamento de Química – Universidad del Valle.

1. Objetivos 

Síntesis

y

caracterización

complejo

tris(oxalato)ferrato(lll)

potasio

del

tornándose la solución de color azul claro.

de

Luego se adicionaron 0.75 g de

trihidratado

K 3 [ Fe ( C2 O4 )3 ]∗3 H 2 O . 

H2O

cuales se les adicionó 5 mL de

se

acidulo

un

poco

H 2C2O 4

H 2 SO 4 ,

con

calentándose

levemente

Comprender la síntesis del complejo

ebullición,

cual

y asociarlos con las propiedades

amarilloso viéndose dos fases y un sólido en

químicas del metal.

suspensión,

la

la

y

cambió

además,

solución

hasta

a

verde

color

prologando

el

2. Abstract

calentamiento la solución se puso más amarrilla

The potassium tri(oxalato)ferrate(lll) trihydrate is

y más turbia.. La reacción química que se llevó

a organometallic coordination complex which is

a cabo es la siguiente:

very stable due, mainly, to the chelate effect it presents. In addition to this, the complex has octahedral geometry where the three oxalate bidentate ligands are bounding the central ion through the oxygen atom. The synthesis of this

( NH 4 )2 Fe ( SO 4 )2∗6 H 2 O+ H 2 C2 O4 → Fe C2 O4 + ( NH 4 )2 SO 4+ H 2 SO4 +6 H 2 O (Ec.1)

complex was carried out, first, synthesizing iron oxalate which was oxidized and, then, the

Se requiere saber el reactivo limitante de la

ligands were added obtaining the complex. The

reacción con el objetivo de determinar cuánto

experimental results, regarding the synthesis of

del oxalato de hierro se debería obtener. Por lo

the complex, were 43.04% of the chemical yield,

tanto, usando la Ecuación 1 y los datos de los

54.3% for the determination of the ion oxalate

reactivos antes mencionados se procede a

using permangometry.

hacerlo como sigue:

3. Datos, cálculos y resultados. Preparación de

K 3 [ Fe ( C2 O4 )3 ]∗3 H 2 O .

Para

el

preparar

tris(oxalato)ferrato(lll)

mol sal Mohr =1.54 g sal de Mohr de

potasio trihidratado se pesaron 1.54 g de

( NH 4 )2 Fe ( SO 4 )2∗6 H 2 O

(sal de Mohr) a los

¿

1mol sal de Mohr =3.932∗10−3 mol 392.13 g sal de Mohr

mol H 2 C 2 O 4 rxn=0.75 g reactivo

antes mencionados y lo que se debió formar de oxalato de hierro se procede a hacerlo como

99.6 g H 2 C 2 O4 ∗1mol H 2 C 2 O 4 100 g reactivo ¿ ∗¿ 90.3 g H 2 C 2 O4

sigue:

mol Fe C2 O4 =3.932∗10−3 mol

1 mol sal de Mohr =8.272∗10−3 mol 1 mol H 2 C2 O 4

mol K 2 C2 O4∗H 2 O rxn=1.0453 g reactivo Con base en los anteriores resultados se concluye que el reactivo limitante de la Ecuación 1 es la sal de Mohr, por lo tanto, a partir de este valor se calculará cuanto de oxalato de hierro se debió obtener como sigue:

99.8 g K 2 C 2 O4∗H 2 O ∗1mol K 2 C 2 O4∗H 2 O 100 g reactivo ¿ ∗¿ 184.3 g K 2 C 2 O4∗H 2 O 2 mol FeC 2 O 4 =3.774∗10−3 mol 3 mol K 2 C 2 O4∗H 2 O Con base en los anteriores resultados se

−3

g Fe C 2 O 4=3.932∗10 mol sal de Mohr

concluye que el reactivo limitante de la Ecuación

¿

1mol Fe C 2 O 4 1 mol sal de Mohr

2 es el oxalato de potasio, por lo tanto, a partir

143.91 g Fe C 2 O 4 =0.5651 g 1 mol Fe C 2 O4

se debió obtener como sigue:

¿

de este valor se calculará cuanto del complejo

Posteriormente, se agregaron 3 mL de y 1.0453 g ± 0.0001 g de Finalmente se añadió

H2O

K 2 C 2 O 4∗H 2 O

H 2 O2

g complejo=5.660∗10−3 mol K 2 C 2 O4∗H 2 O .

al 30% gota a

gota hasta que la solución se tornó marrón, para luego adicionar

H2C2O4

¿

2 mol complejo 3 mol K 2 C 2 O4∗H 2 O

¿

437.20 g complejo =1.651 g 1 mol complejo

hasta que la

solución se tornó verde indicando que se formó

Experimentalmente se obtuvo 0.7106 g ± 0.001

el complejo. La reacción química que se llevó a

g del complejo, junto con este valor y el anterior

cabo es la siguiente:

calculado

se

procede

a

determinar

rendimiento usando la Ecuación 3 como sigue.

2 Fe C 2 O 4 + H 2 C 2 O4 +3 K 2 C2 O4∗H 2 O+ H 2 O2 → 2 K 3 [ Fe ( C 2 O4 )3 ] +2 H 2 O (Ec.2) Se requiere saber el reactivo limitante de la reacción con el objetivo de determinar cuánto del complejo se debería obtener. Por lo tanto, usando la Ecuación 2, los datos de los reactivos

%rendimiento=

valor experimental ∗100 valor teórico

(Ec. 3)

%rendimiento=

0.7106 g ∗100=43.04 1.651 g

Caracterización cuantitativa.

el

Determinación de oxalatos. Para caracterizar

V ( mL )=29.9mL KMn O4

cuantitativamente

el

complejo, se determina la cantidad de oxalato

El volumen experimental de la titulación fue de

mediante

tomaron

26 mL, con el cual procedemos a calcular los

g

de

moles oxalato y determinar

cuales

se

complejo.

permanganometría.

0.1221

g

±

K 3 [ Fe ( C2 O4 )3 ]∗3 H 2 O

Se

0.0001 los

la cantidad de

disolvieron en ácido sulfúrico calentando hasta 60 °C, para después titular con la solución de

KMnO 4

de concentración 0.00996 M. La

reacción química que se llevó a cabo es la siguiente:

+¿ → 2−¿+16 H ¿ ¿ −¿+ 5 [C 2 O 4 ] 2 Mn O¿4

mmol complejo=26 mL KMn O4 2 mmol Mn O−¿ 4 2−¿ C O 5 mmol 2 ¿4 0.00996 mmol KMn O4 ¿ ∗¿ 1 mL KMn O4 2−¿

3 mmol C2 O 4 =0.215 mmol 1 mmol K 3 [ Fe ( C 2 O 4 )3 ]∗3 H 2 O ¿ ¿

2+¿+10 C O2 +8 H 2 O 2 Mn ¿ (Ec.4)

Se requiere saber cuál es el volumen teórico de permanganato que se debería. Por lo tanto,

A partir de estas moles obtenemos los gramos de complejo y calculamos el porcentaje de rendimiento usando la Ecuación 3.

g complejo=2.15 ×10−4 mol complejo ¿

491.139 g complejo =0.105 g 1 mol complejo

usando la Ecuación 4 y los datos de los reactivos antes mencionados se procede a hacerlo como sigue:

%rendimiento=

0.105 g ∗100=86 1.221 g

Basado en lo anterior se procede a determinar

V ( mL )=0.1221 g K 3 [ Fe ( C2 O4 )3 ]∗3 H 2 O C 2 O 42−¿ 3 mol 1 mol complejo 1 mol complejo ¿ ∗¿ 491.139 g complejo −¿

0.00996 mol Mn O 4 C 2 O 42−¿∗1000ml 5 mol ¿ O−¿ 2 mol Mn 4 ¿ ¿¿

la concentración de los iones oxalatos en complejo preparado.

2−¿= C 2 O4

26 mL KMn O4 105mg K 3 [ Fe ( C2 O4 )3 ] 3 H 2 O

¿ −¿

2 mmolMnO4 C 2 O42−¿ 5 mmol ¿ 0.00996 mmol KMn O4 ¿ ∗¿ 1 mL KMn O4

el

1 mmolC 2 O4

0,00005 0,00008 0,0001 0,00012

2−¿

∗100=54.3 C O 2−¿ 88 mg 2 4 ¿ ¿¿

0,298 0,385 0,492 0,6

Determinación de Hierro (ll). Se calculó el porcentaje de hierro presente en el

tris(oxalato)ferrato(III)

por

colorimetría,

aprovechando la facilidad de fotoreducción de Fe(lll) para obtener un complejo de Fe (ll) y el ligando 1,10-fenantrolina de coloración rojiza.

0.7 0.6

f(x) = 4772.77x + 0.02

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

0

0

A continuación

0

0

0

0

se

presenta

0

la

0

curva

0

de

calibración de los estándares Grafica

1.

Figura 1 - tris(1,10-fenantrolina) hierro (II).

estándares.

Para realizar este análisis se preparó una

A partir

solución

linealización

de

0,0122

tris(oxalato)ferrato(III)

g

±

0.001

g

(solución A)

de y una

solución B a partir de 2.5 mL de la solución A y 5 mL de 1,10-fenantrolina

garantizando la

de

Curva

la

de

calibración

ecuación

obtenida

de

en

los

la

y la absorbancia correspondiente

a la solución B se determina la concentración de hierro en ésta.

Y =4772,8 X +0,0199

fotoreducción durante 2 horas, posteriormente se

realizó

estándares

una curva de calibración de

Fe

y

así

con 5

determinar

la

concentración de hierro presente en la solución

Y= 0,3553 absorbancia correspondiente a la solución B, despejamos hierro X

B del complejo tris(1,10-fenantrolina) hierro (II)

X=

de coloración rojiza. Tabla 1. Absorbancia estándares de Fe. Concentración Fe (M) 0,00004

Absorbancia 0,186

la concentración de

0,3553−0,0199 = 7,03× 10−5 M 4772,8

Para obtener la concentración de hierro en la solución A.

0

7,03× 10−5 M slnb ×

25 mL slnb =7,03 ×10−4 M 2.5 mL slna

Peso del hierro −4

7,03× 10 M × 25 mL sln a ×

55,845 mg 1 g Fe −4 × 3 =9,81× 10 1 mmol Fe 10 mgFe

g Fe Figura 2: Configuración del anión trisoxalato ferrato

Porcentaje de hierro en el complejo.

%Fe=

Con respecto a las reacciones que se

9,81×10−4 g Fe ×100=8,10 0,0121 g

muestran en las Ecuaciones 1 y 2 podemos destacar

sobre

la

primera,

en

donde

Con respecto a la espectroscopia infrarroja, se

mientras ocurría la reacción se adiciono un

obtuvieron

las

siguientes

bandas,

con

sus

poco de

IR

del

2+¿ Fe¿

respectivas vibraciones asignadas Tabla

2.

Bandas

del

K 3 [ Fe ( C2 O4 )3 ]∗3 H 2 O

4. Discusión

de

resultados. EL

Fe(III)

forma

espectro Vibraciones

C-O O-H Fe-O C-O

experimentales

teóricas (Cm-1)

(Cm-1) 1578 3458 382 1114

1600-1700 3300-3500 350 1100-1200 −17

átomos donadores de oxígeno. El ion actúa como

que

Bandas

presenta una afinidad por ligandos con ligando

bidentado,

coordinándose al mismo átomo central a través de dos átomos donadores de oxígeno

para prevenir que el

se hidrolice formando el hidróxido

Bandas

mayoritariamente, complejos octaédricos, y

oxalato

H 2 SO 4

Kps=4.87∗10

posee

un

, en lugar del oxalato,

ya que este último es el que se quiere obtener

para

formar

el

complejo

posteriormente, además, como la sal de oxalato es insoluble en agua, ya que posee un

−7

Kps=2∗10

, los iones amonio y

diferentes y dando lugar a complejos más

sulfato se retiran con la decantación y los

estables por la formación de anillos quelato1.

lavados. Por otro lado, la Ecuación 2 es la reacción principal ya que es en la que se forma el complejo, en la cual hay que destacar, que para formarse el complejo se tiene que tener el

3+¿ ¿ Fe

por eso se usa un

agente oxidante como el

H 2 O2 , el cual

por qué se obtuvieron unos resultados tan alejados de los reales3.

es el encargado de esta labor. Sumado a esto, si se analiza individualmente la tarea del

K2C2O4

conclusión

H2C2O4

y

de

que

a

se llega a la

partir

de

estos

compuestos proviene el anión oxalato el cual actúa como ligando en el complejo, pero el

H 2C2O 4

por si solo no puede actuar

como ligando ya que los protones del ácido protegen las posiciones que actuarían como ligantes hacia el

3+¿ ¿ , con lo cual, usando Fe

Figura 3. Estructura y análisis elemental del

solo el ácido no se obtendría el complejo. De

complejo.

igual manera no debe usarse solo el

K2C2O4

El análisis colorimétrico es la variación en la

para formar el complejo ya que

intensidad del color de una solución con

el pH de la solución sería básico formando el

cambios en la concentración. El color puede

hidróxido el cual precipitaría pues posee un

deberse a una propiedad inherente del

Kps=2.79∗10−39 . Con lo anterior se deduce que el par

H 2 C 2 O 4 / K 2 C 2 O4

constituyente

es

ya que forman una solución buffer2. el

análisis

permanganométrico

Comparando

la

intensidad del color de una solución de

el ideal para que la reacción se lleve a cabo

En

mismo.

concentración

desconocida

intensidades

de

concentraciones

del

con

soluciones

conocidas,

se

las de puede

porcentaje de oxalatos en el complejo se

determinar la concentración de una solución

obtuvo un 54.3% lo que quiere decir que hay

desconocida. Aunque el ojo puede discernir

14.8090% de carbono y

40.4043% de

diferencias en intensidad de color con

oxígeno en el complejo. Los resultados

exactitud razonable, es común usar para

anteriores no concuerdan con los mostrados

este propósito un instrumento conocido

en la Figura 2 debido a que el complejo se

como espectrofotómetro.

dejó expuesto a la luz mucho tiempo de manera descuidada lo que favoreció mucho su fotorreducción según la Ecuación 5 mostrada en la sección de preguntas, en donde se ve que se produce que el hierro es reducido y el oxalato oxidado, lo cual explica

.

En el análisis por colorimetría se prepara una solución del complejo

de oxalato de

hierro, fenantrolina y una solución buffer. La fenantrolina es una base débil, su función es acomplejar al hierro en la solución. Es un ligando bidentado por la presencia de dos

átomos de nitrógeno cada uno con dos

En conclusión podemos decir que se logró el

pares de electrones que se enlazan con los

objetivo de sintetizar el compuesto a pesar

orbitales vacíos del hierro. El complejo

de no haber obtenido un buen rendimiento.

formado

Por

es

conocido

como

tris(1,10-

otro

lado,

las

caracterizaciones

fenantrolina) hierro (II). El complejo tiene un

realizadas al compuesto dieron buenos

característico color rojo. La formación del

resultados, ya que los datos obtenidos eran

complejo hierro (II) con fenantrolina se da en

acorde a lo que se esperaba. También se

un intervalo de pH comprendido entre 2 y 9,

puede resaltar la importancia del ligando

aunque éste es suficientemente amplio, para

bidentado como lo es el oxalato y de la

asegurar

estabilidad que le da al complejo formando

la

formación

cuantitativa

del

complejo se adiciona una solución buffer pH

los quelatos.

4.0. 6. Respuestas a las preguntas. Con respecto a la caracterización del compuesto, se realizó la espectroscopia

a) Escriba todas las reacciones y explíquelas.

infrarroja y se le tomó

R//:

observar

el

infrarrojo

ultravioleta. Al encontramos

las

Mirar la discusión.

bandas esperadas, vemos alrededor del 3500 Cm-1 una banda que la podemos relacionar con las vibraciones del O-H a causa del agua, también se encuentra las vibraciones presentes por el grupo carbonilo el cual se encuentra en el oxalato, además está presente la banda de la vibración del hierro con el oxígeno, indicando el enlace entre el hierro y el oxalato4. Por otro lado el

b) Explique porque los cristales no deben ser expuestos a la luz. R//: El complejo sufre fotoreducción ya que el

3+¿ ¿ Fe

pasa a ser

2+¿ ¿ Fe

de acuerdo a la

siguiente reacción.

cual también lo indica el diagrama de tanabe

2−¿+2CO 2 2+¿+5 C 2 O4 ¿ 3−¿+hv → 2 Fe ¿ ¿ 2 [ Fe ( C2 O4 )3 ]

y sugano, ya que el hierro al tener estado de

(Ec.5)

oxidación de tres más, tiene configuración

La reacción es termodinámicamente favorable pero cinéticamente lenta, lo cual se traduce a que posee una energía de activación alta5.

ultravioleta del compuesto el cual se muestra en el anexo 3, no mostro ninguna banda lo

de d5, y este diagrama está dividido en campo débil y en campo fuerte, y el oxalato al ser un ligando de campo débil provoca el desplazamiento al lado izquierdo, el cual muestra que no se genera ninguna banda. 5. Conclusiones.

7. Referencias.

2.

3. 4.

5.

1. G, Gonzales; S, Miguel. Potassium Tris(oxalato)ferrate(III): A Versatile Compound; J.Chem.Edu. Barcelona, 2004. Vol. 81 pp 1193-1195 O, John; Preparation and Analysis of Potassium tris(Oxalato)Ferrate(lll)Trihydrate. J.Chem.Edu. United States, 1984. Vol. 61 pp 1098-1099 F, Richard. Synthesis and Characterization of Potassium Tris(oxalato)ferrate(lll) Trihydrate; J.Chem.Edu. pp 936 Nakamoto, K. Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds Part A, 6th ed; John Wiley and Son: Hoboken, New Jersey. D, Joseph; D, James. The Thermal Decomposition of Potassium Tris(oxalato)ferrate(III); J.Chem.Edu. United States, 1970. Vol. 10 pp 1623-1627

Anexos:

Anexo 1: Espectro IR parte organica del

K 3 [ Fe ( C2 O4 )3 ]∗3 H 2 O

Anexo 2: Espectro IR parte inorgánica del

K 3 [ Fe ( C2 O4 )3 ]∗3 H 2 O

Anexo 3. Espectro UV del

K 3 [ Fe ( C2 O4 )3 ]∗3 H 2 O