MANUAL DE EXPERIMENTOS DE LABORATORIO

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1 UNIDAD IZTAPALAPA DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA MANUAL DE EXPERIMENTOS DE LABORATORIO PARA LAS UU.EE.AA. DE LA LICENCIATURA EN QUÍMICA: QUÍMICA INORGÁNICA QUÍMICA DE COORDINACIÓN QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO, Y PARA LA U.E.A. DE LA LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA: QUÍMICA INORGÁNICA I JUAN PADILLA NORIEGA Septiembre de 2009 Página Web Educativa:

2 TABLA DE CONTENIDOS Prolegómeno 4 Servicios de Emergencia 6 Medidas de Seguridad 7 Qué hacer en caso de incendio? 10 Libreta de Laboratorio 11 Reporte del Experimento de Laboratorio 12 A. MANUAL DE EXPERIMENTOS PARA QUÍMICA INORGÁNICA Determinación Colorimétrica del Hierro Análisis de una Mezcla Binaria Síntesis y Análisis Térmico de Oxalatos Metálicos Análisis por Absorción Atómica de Magnesio y Calcio Conductividades Eléctricas en Solución Polímeros Inorgánicos pka Ácido/Base vía Espectrofotometría Síntesis Electroquímica de K 2 S 2 O Periodicidad en la Serie de Actividad de los Metales 63 B. MANUAL DE EXPERIMENTOS PARA QUÍMICA DE COORDINACIÓN Síntesis de Complejos de Oxalato El Método de Job Síntesis de una Droga Anti-cáncer Síntesis de Isómeros Geométricos Síntesis de Isómeros de Enlace Síntesis de Isómeros Ópticos Resolución de Isómeros Ópticos Caracterización por Polarimetría de Isómeros Ópticos Constantes de Estabilidad 105 C. MANUAL DE EXPERIMENTOS PARA QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO Estructuras Tridimensionales de Sólidos 120 2

3 20. Crecimiento de Cristales en Geles Síntesis de un Semiconductor Orgánico Síntesis de un Superconductor de YBa 2 Cu 3 O Síntesis del Hg[Co(SCN) 4 ] Síntesis de Magnetita y Ferrita de Zinc Análisis por Difracción de Rayos-X en Polvos Síntesis del Azul de Prusia Preparación de un Ferrofluido Acuoso 154 D. MANUAL DE EXPERIMENTOS PARA QUÍMICA INORGÁNICA I 2. Análisis de una Mezcla Binaria Análisis Térmico de Oxalatos Metálicos Absorción Atómica de Calcio y Magnesio Conductividades Eléctricas en Solución pka Ácido-Base vía Espectrofotometría Síntesis Electrolítica del K 2 S 2 O 8 57 (2-n)+ 18. Constantes de Estabilidad del Ni(gli) n Síntesis de un Superconductor de YBa 2 Cu 3 O Síntesis y Difracción de Rayos-X de Magnetita y Ferrita de Zinc 144 BIBLIOGRAFÍA GENERAL 160 ANEXO 1 Instrucciones de Operación para el Colorímetro Spectronic ANEXO 2 Instrucciones de Operación para el Colorímetro 20 Genesys 164 ANEXO 3 Instrucciones de Operación para el Equipo de Absorción Atómica 167 ANEXO 4 Instrucciones de Operación para el ph-metro Modelo PC Tabla Periódica 172 3

4 El maestro promedio, dice. El buen maestro, explica. El maestro superior, modela. El gran maestro, inspira. - Anónimo PROLEGÓMENO En este Manual de Experimentos de Laboratorio se presentan un total de 27 experimentos diseñados específicamente para cubrir la parte experimental de los cursos de las uu.ee.aa. de la licenciatura en química Química Inorgánica, Química de Coordinación y Química del Estado Sólido, así como de la u.e.a. de la licenciatura en ingeniería química Química Inorgánica I. Para cubrir la parte experimental de los cursos indicados se dispone de un total de 11 sesiones semanales de tres horas cada una. Sin embargo, la primera sesión se emplea para establecer las reglas del juego: (i) Informar sobre el objetivo y el contenido de las actividades experimentales que contempla el Plan de Estudios, (ii) Establecer la metodología de trabajo, (iii) Presentar las fuentes de información del material didáctico, y (iv) Establecer los criterios de evaluación. Consideramos que nueve experimentos son el máximo de actividades que se pueden programar, ya que en ocasiones se atraviesan días feriados o eventos fortuitos. En principio todos los experimentos se pueden llevar a cabo en una sola sesión, aquellos en lo que era imposible simplemente se dividieron en dos y hasta tres sesiones. Por ejemplo, el experimento sobre isomería óptica cubre una sesión sobre síntesis, otra sobre resolución, y una más sobre caracterización; es posible sólo hacer la primera parte, aunque no es posible hacer sólo la segunda o tercera partes por estar concatenadas con la primera (aunque si se les proporciona la mezcla racémica del isómero óptico, sí se podría). Algunos experimentos se pueden diseñar para una o dos sesiones; por ejemplo, la síntesis del K 2 S 2 O 8 se puede terminar en una sesión si el profesor les proporciona el KHSO 4, o bien los alumnos pueden preparlo en una sesión previa, en cuyo caso el experiemnto sería de dos sesiones. Los experimentos se seleccionaron basados en los siguientes criterios: (i) Que fueran representativos de los temas que abarca el Programa de Estudios de la parte teórica del curso, (ii) Que no fueran peligrosos, (iii) Que se contara con los reactivos y disolventes en los laboratorios de docencia, (iv) Que se aprovecharan los equipos con 4

5 que cuenta la Coordinación de Laboratorios de Química, (v) Que tuvieran un grado de complejidad razonable para estudios de licenciatura. Para el curso de Química Inorgánica para ingenieros químicos se hizo una antología de los tres cursos. El criterio para seleccionar los experimentos fue enfatizar el uso de técnicas analíticas y reducir la parte de síntesis de los compuestos. Así, en los experimentos se usan: (i) un espectrofotómetro UV-Vis, (ii) el analizador térmico, (iii) el espectrometro de absorción atómica, (iv) un conductímetro, (v) un equipo de electrólisis, y (vi) el difractómetro de rayos-x para polvos. De esta manera, creo que se sirve mejor a los intereses de un ingeniero químico, que normalmente no están involucrados en síntesis de compuestos elaborados. Al final, se añadieron anexos con los instructivos para la operación de algunos de los equipos empleados en los cursos. Comienza con lo que sabe el grupo, no con lo que piensas debería saber. 5

6 SERVICIOS DE EMERGENCIA INTERNOS UNIDAD IZTAPALAPA DE LA UAM Operadora: 10 Emergencias: 4833 Servicios Médicos: 4884 Urgencias Médicas: 4885 Servicios Auxiliares: 4894 Vigilancia: 4895 Protección Civil: 6546 SERVICIOS DE EMERGENCIA PÚBLICOS Bomberos: 068 Estación Central: Estación Iztapalapa (Calz. Ermita Iztapalapa 2121): y Cruz Roja: ERUM: S.O.S.: Policía: 066 Código de colores para tubería: - Agua: Azul - Aire comprimido: Verde oscuro - Eléctrico: Rojo - Gas: Amarillo - Red de cómputo: Verde claro - Telefonía: Café - Vacío: Blanco 6

7 MEDIDAS DE SEGURIDAD Los laboratorios de química incluyen peligros y riesgos, pero si se siguen las medidas de seguridad no tienen por qué ocurrir accidentes. Protección Personal Use protectores para los ojos (goggles de seguridad a prueba de salpicaduras de reactivos). Esto aplica en todo momento a todas las personas en el laboratorio, aún las visitas. Es aceptable usar lentes de contacto si se usan junto con goggles, pero los lentes con o sin graduación recetados por un oftalmólogo no proveen protección suficiente. Aumente el grado de protección (uso de caretas, campanas de laboratorio, etc.) cuando aumenten los riesgos o peligros. Tenga cuidado de no ingerir algo en el laboratorio. Nunca se permite comer alimentos, tomar bebidas, masticar chicle, o fumar en el laboratorio. No se aplique cosméticos en los laboratorios. Nunca chupe líquidos con una pipeta o cualquier otro material de laboratorio, ni siquiera si es agua destilada. Siempre use una bata de laboratorio de algodón de manga larga. La ropa lo protege de salpicaduras accidentales. Use ropa que pueda quitarse fácilmente en caso de accidente. La ropa debe cubrir el cuerpo desde el cuello hasta al menos la rodilla. Ajústese el cabello largo y quítese la joyería antes de entrar al laboratorio. Use zapatos prácticos. Zapatos con tacones, abiertos o sandalias no son apropiados. Zapatos tenis son aceptables. Los mandiles no-flamables, no-porosos proveen una protección excelente. Quíteselos siempre antes de abandonar el laboratorio. Es sumamente recomendable usar casi siempre guantes para evitar contacto con la piel de materiales peligrosos. Es importante usar el tipo de guante apropiado. Consulte con su instructor. Siempre, aún si usó guantes, lávese las manos con jabón y agua antes de abandonar el laboratorio. Protocolo en el Laboratorio Es su responsabilidad prevenir accidentes en el laboratorio. La experiencia en el laboratorio debería ser agradable, pero es seria. No es el momento para 7

8 jugar, correr, ni aventar. Esté atento a lo que ocurre en su alrededor y reporte a su instructor, laboratorista o coordinador cualquier comportamiento cuestionable que ponga en riesgo a usted o a los demás. Siempre planee el trabajo en el laboratorio antes de ejecutarlo. Tomar las medidas de seguridad para evitar accidentes potenciales son elementos importantes del plan. Usted debe entender los peligros asociados con los reactivos involucrados antes de que comience el experimento. Si no está seguro de los peligros y la protección que usted necesita, consulte las MSDS s (Material Safety Data Sheets) en o con su profesor. Use una careta de seguridad cuando trabaje con sustancias altamente reactivas. Nunca se permiten flamas cuando use gases o líquidos inflamables. Siempre alerte a otros antes de encender una flama. Entérese dónde encontrar y cómo usar todo el equipo de emergencia (tal como extintores de fuego, lava-ojos, y regaderas de seguridad) en el laboratorio. Siempre ensamble los aparatos de laboratorio lejos del filo de la mesa de trabajo. Siempre revise su material de vidrio y deseche cualquiera que esté roto o astillado. Cuando use una campana de extracción de gases, coloque el equipo y reactivos lejos de la ventana de la campana. Asegúrese de comprender el uso correcto y como opera todo el equipo de laboratorio. Nunca trabaje solo en el laboratorio. Nunca deje sin atender un experimento, a menos de que tome precauciones especiales para evitar accidentes y notifique a las personas responsables. Use las campanas de extracción para todas las operaciones en las que estén involucrados reactivos tóxicos, corrosivos, irritantes o inflamables. Asegúrese de que la campana funciona correctamente antes de comenzar a trabajar. Nunca ponga su cara dentro de la campana de extracción. 8

9 Nunca haga experimentos no autorizados ni se desvíe del procedimiento experimental. Reporte experimentos no autorizados al profesor. Limpieza Usted es responsable de asegurarse que se mantenga un espacio de trabajo limpio tanto en su área de trabajo como en las áreas comunes. El área de trabajo debe quedar al menos tan limpio como estaba al comenzar. Ponga el material de vidrio roto en los receptáculos apropiados. No los deje acumular en la mesa de trabajo. Conserve la mesa de trabajo sin salpicaduras de reactivos. Limpie las salpicaduras inmediatamente como le indique su instructor. Evite riesgos conservando los cajones y gabinetes cerrados. Prevenga contaminaciones evitando poner materiales en el suelo. Siempre lave el material de vidrio antes de regresarlo al almacén. No deje que se acumule material de vidrio sucio. Siga las instrucciones de su instructor para desechar reactivos. Si no sabe, pregunte! Desechar inapropiadamente resulta en posibles peligros personales o contaminación ambiental, además de violación de leyes locales, estatales o federales. El papel contaminado se debe manejar separadamente del papel de desecho normal. REFERENCIAS F. V. Soto et al., Rev. Soc. Quím. Méx. 40(3), (1996). 3. F. V. Soto et al., Rev. Soc. Quím. Méx. 40(5), (1996). 4. Suplemento Cemanahuac, Instructivo sobre el funcionamiento interno y operativo para regular el uso de los servicios e instalaciones de los laboratorios de docencia. Aprobado por el Consejo Académico de la UAMI en su sesión No Safety in Academic Chemistry Laboratories, 6th ed., American Chemical Society,

10 QUÉ HACER EN CASO DE INCENDIO? El fuego es una reacción de oxidación de material combustible acompañada de liberación de energía en forma de luz y calor. La combustión se produce por la combinación en proporciones apropiadas de oxígeno, calor y combustible. Si separamos uno de estos tres componentes el fuego no puede existir. MÉTODOS DE EXTINCIÓN DE INCENDIOS Enfriamiento. Se utiliza el agua para eliminar el calor del fuego, es el agente extintor más económico; sin embargo, es peligroso si se utiliza en incendios de tipo eléctrico o de líquidos inflamables. Sofocación. El oxigeno se puede sofocar utilizando un polvo químico seco, tierra, arena, etc. Es importante identificar el tipo de fuego que exista y de ello dependerá el tipo de extintor que se deba usar. El ataque al fuego con mangueras es la última opción cuando un incendio adquiere proporciones que pueden tornarse difíciles de controlar. Al momento de que ocurra un incendio que requiera el uso de mangueras con agua es importante cerciorarse de que el suministro eléctrico haya sido suspendido. Recuerda: Lo más importante es no perder la calma y esperar instrucciones de la Brigada de Protección Civil. Para aprender lo mínimo necesario para casos de envenenamiento, consulte: First Aid in Poisoning (Primeros Auxilios en caso de envenenamiento), The Merck Index, 9ª. ed., pp. MISC-21:28. 10

11 LIBRETA DE LABORATORIO Es una excelente práctica de laboratorio el contar con una libreta de laboratorio de preferencia tamaño carta cuyas hojas no deben ser desprendibles (aunque algunas tienen una copia amarilla desprendible, lo que permite entregarle la copia al profesor del laboratorio). La libreta tiene un uso doble, antes y durante la experiencia de laboratorio. Antes de la sesión de laboratorio sirve para tomar notas de la investigación bibliográfica; para escribir las reacciones (balanceadas) que se van a llevar a cabo, lo cual permite hacer cálculos de los rendimientos teóricos que se esperan de los productos; para anotar las propiedades fisicoquímicas de los reactantes y disolventes que se emplearán, sus propiedades toxicológicas y las precauciones de seguridad que se deben tomar en la manipulación de los mismos. Durante la sesión de laboratorio sirve para anotar todos los datos, mediciones con su incertidumbre y observaciones inmediatamente. Se deben hacer dibujos de los aparatos. Una regla de oro es que las anotaciones deben incluir suficiente detalle para que otro químico competente pueda repetir el experimento exitosamente. Ejemplos de las observaciones que deben siempre anotarse son los cambios de color, el color del producto final, la temperatura a la que se calentó la mezcla de reacción, el tiempo de la reacción, las dificultades encontradas, mediciones. Una práctica común que debe evitarse es escribir un borrador en hojas sueltas para posteriormente pasar lo escrito en limpio en la libreta. Primero, es una pérdida de tiempo. Si se escribe todo directamente en la libreta no será perfecta, pero se irá adquiriendo un excelente hábito que será invaluable en la práctica profesional (las libretas de laboratorio son obligatorias y práctica estándar en la industria). Todas las anotaciones se deben hacer con tinta permanente, si se comete un error, simplemente se cruza con una línea y se anota brevemente por qué se tachó. REFERENCIA H. M. Kanare, Writing the Laboratory Notebook, ACS: Washington,

12 REPORTE DEL EXPERIMENTO DE LABORATORIO Los reportes se entregarán a la siguiente semana de haber terminado la práctica. No se aceptarán reportes extemporáneos. La calificación será un promedio ponderado de la calidad del reporte, tanto en contenido como en formato, del desempeño en el laboratorio, seguimiento de las medidas de seguridad, participación activa en el desarrollo de la práctica, limpieza y orden en las mesas de trabajo, etc. Antes de comenzar la sesión de laboratorio, el estudiante deberá traer por escrito, manuscritos en la LIBRETA DE LABORATORIO (vide supra), todos los cálculos necesarios para la preparación de las disoluciones, así como una descripción acerca de las propiedades (densidad, solubilidad, masa molecular, puntos de fusión o ebullición, sensibilidad a la humedad o al aire, etc.) de las substancias que se usarán durante el experimento. También deberá traer, por escrito, la toxicidad de las sustancias que se emplearán en la sesión de laboratorio y las acciones a tomar en caso de accidente. EL REPORTE ESCRITO DE CADA ACTIVIDAD EXPERIMENTAL DEBERÁ CONTENER LO SIGUIENTE: 1. Título de la actividad experimental. 2. Autor(es) del reporte. 3. Objetivo de la actividad experimental. Máximo un párrafo. 4. Introducción (antecedentes, bases matemáticas, etc.). Máximo una cuartilla. 5. Cálculos. Deberán expresarse con suficiente detalle como para poder identificar dónde hay errores, si los hay. El análisis dimensional no debe obviarse. 6. Resultados. Las mediciones deberán expresarse con el número correcto de cifras significativas y su incertidumbre (absoluta, relativa o porcentual). También deberán expresarse con las unidades correspondientes. De preferencia deberán reportarse en forma de tablas o gráficas, según convenga. Las gráficas deberán hacerse con un programa adecuado (Excel, Origin, Kaleidagraph, etc.), y deberán contener el título de la gráfica, los ejes deberán estar debidamente etiquetados con las unidades apropiadas. 7. Discusión de los resultados. 8. Conclusiones. 9. Referencias bibliográficas y/o hemerográficas. 12

13 Para mayor detalle sobre cómo se debe hacer un reporte escrito, puede consultar: 1. C. Gutiérrez Aranzeta, Introducción a la metodología experimental, 2ª edición, Limusa: México (1998), cap D. C. Baird, Experimentation: An introduction to measurement theory and experiment design, 3 rd edition, Prentice-Hall: New Jersey (1995), cap H. F. Ebel, C. Bliefert, W. E. Rusey, The Art of Scientific Writing, VCH: Weinheim,

14 MANUAL DE EXPERIMENTOS PARA QUÍMICA INORGÁNICA 14

15 OBJETIVO DETERMINACIÓN COLORIMÉTRICA DEL HIERRO Familiarizarse con los principios del análisis colorimétrico. INTRODUCCIÓN La base para lo que los químicos llaman análisis colorimétrico es la variación en la intensidad del color de una solución con cambios en la concentración. El color puede - deberse a una propiedad inherente del constituyente mismo por ejemplo, MnO 4 es púrpura- o puede deberse a la formación de un compuesto colorido como consecuencia de la adición de un reactivo adecuado. Comparando la intensidad del color de una solución de concentración desconocida con las intensidades de soluciones de concentraciones conocidas, se puede determinar la concentración de una solución desconocida. Usted analizará para hierro en este experimento permitiendo al hierro(ii) reaccionar con un compuesto orgánico (o-fenantrolina) para formar un complejo de hierro rojo-naranja. Note en su estructura (mostrada abajo) que o-fenantrolina tiene dos pares de electrones desapareados que se pueden usar en formar enlaces covalentes coordinados. La ecuación para la formación del complejo de hierro es 3C 12 H 8 N 2 + Fe 2+ [(C 12 H 8 N 2 )Fe] 2+ Rojo-naranja Sin embargo, antes de que se forme el complejo de hierro(ii) colorido, todos los Fe 3+ presentes se deben reducir a Fe 2+. Esta reducción se alcanza usando un exceso de clorhidrato de hidroxilamina: 4Fe NH 2 OH --> 4Fe 2+ + N 2 O + 6H + + H 2 O Hidroxilamina 15

16 N Pares de electrones desaparedos N o-f enantrolina Aunque el ojo puede discernir diferencias en intensidad de color con exactitud razonable, es común usar para este propósito un instrumento conocido como espectrofotómetro, el cual elimina el error humano. Básicamente, es un instrumento que mide la fracción I/I o de un rayo de luz incidente de una longitud de onda particular y de intensidad I o que es transmitida por la muestra. (Aquí, I es la intensidad de la luz transmitida por la muestra.) Una representación esquemática de un espectrofotómetro se muestra en la Figura del Anexo 1. El instrumento tiene estos cinco componentes fundamentales: 1. Una fuente de luz que produce luz con un rango de longitudes de onda de 375 a 650 nm, aproximadamente. 2. Un monocromador, el cual selecciona una longitud de onda particular y la envía a la celda de la muestra con una intensidad de I o. 3. La celda de la muestra, la cual contiene la solución a ser analizada. 4. Un detector que mide la intensidad I, de la luz transmitida, desde la celda de la muestra. Si la intensidad de la luz incidente es I o y la muestra absorbe luz, la intensidad de la luz transmitida, I, es menor que I o. 5. Un medidor que indica la intensidad de la luz transmitida. Para una sustancia dada, la cantidad de luz absorbida depende de 1. La concentración; 2. La celda o longitud de la trayectoria; 3. La longitud de onda de la luz; y 4. El solvente. 16

17 Las gráficas de la cantidad de luz absorbida versus la longitud de onda se llaman espectros de absorción. Hay dos formas comunes de expresar la cantidad de luz absorbida. Una es en términos de porciento de transmitancia, T, la cual se define como T = x100 [1] I I o Como implica el término, el porcentaje de transmitancia corresponde al porcentaje de luz transmitida. Cuando la muestra en la celda es una solución, I es la intensidad de luz transmitida por la solución y I o es la intensidad de luz transmitida cuando la celda solo contiene solvente. Otro método de expresar la cantidad de luz absorbida es en términos de la absorbencia, A, la cual se define por A = log I o I [2] El término densidad óptica, D.O., es sinónimo con absorbencia. Si no hay absorción de luz por una muestra a una longitud de onda dada, el porcentaje de transmitancia es 100, y la absorbencia es 0. Por otra parte, si la muestra absorbe toda la luz, T = 0 y A =. La absorbencia está relacionada a la concentración por la ley de Beer-Lambert: A = abc [3] Donde A es la absorbencia, b es la longitud de la trayectoria de la solución, c es la concentración en moles por litro, y a es la absorptividad molar o coeficiente de extinción molar. Hay una relación lineal entre absorbencia y concentración cuando se obedece la ley de Beer-Lambert; sin embargo, puesto que a veces ocurren desviaciones de esta ley, es recomendable construir una curva de calibración de absorbancia versus concentración. APARATOS Y REACTIVOS Colorímetro 20 Genesys o Spectronic 20 con celdas Matraz volumétrico de 50 ml Pipetas de 1-, 2- y 5-mL Muestra de hierro desconocida, de preferencia que contenga entre 12 y 15% de Fe. Solución de hierro estándar, Fe(NO 3 ) 3 acidulado con HNO 3 (1 ml = mg Fe) NH 4 C 2 H 3 O 2, acetato de amonio 1 M Clorhidrato de hidroxilamina al 10% o-fenantrolina al 0.3% H 2 SO 4 6 M 17

18 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PREPARE SU CURVA DE CALIBRACIÓN EN EQUIPOS DE TRES, PERO ANALICE SU MUESTRA DESCONOCIDA INDIVIDUALMENTE. A. Preparación de la Curva de Calibración Añada con una pipeta exactamente 1 ml de solución de hierro estándar (1 ml = 0.05 mg Fe) en un matraz volumétrico de 50 ml. Añada 1 ml de acetato de amonio 1 M, 1 ml de clorhidrato de hidroxilamina al 10%, y 10 ml de solución de fenantrolina al 0.3%, y diluya exactamente a 50 ml con agua destilada. Mezcle bien hasta desarrollar el color característico rojo-naranja del complejo de hierro(ii) fenantrolina. Permita que el color se desarrolle durante 10 minutos. Llene a la mitad una celda limpia y seca (tubo colorimétrico) con la solución colorida y determine la absorbancia a 510 nm usando un Spectronic 20 u otro colorímetro. Las instrucciones de operación del Spectronic 20 se encuentran en el Anexo 1. Repita usando porciones de 2-mL, 3-mL, 4-mL, y 5-mL de la solución estándar. Grafique sus resultados con miligramos de hierro a lo largo de la abscisa y absorbancia a lo largo de la ordenada. Esta curva se debe entregar con su hoja de reporte. (Se puede ahorrar tiempo si estas soluciones se hacen todas al mismo tiempo.) B. Determinación del Hierro Pese exactamente alrededor 0.1 g (0.05 para muestras con 12 a 15 porciento hierro) del hierro desconocido en una matraz volumétrico de 50 ml, añada 5 gotas de ácido sulfúrico 6 M, y diluya a exactamente 50 ml. Mezcle completamente y luego transfiera esta solución a un matraz Erlenmeyer de 125 ml. Mida exactamente 1 ml de esta solución con una pipeta en un matraz volumétrico de 50 ml perfectamente enjuagado y repita el procedimiento descrito arriba en la Parte A. Usando la absorbancia observada y la curva de calibración, calcule los miligramos de hierro en 1 ml de solución y el porcentaje de hierro en la muestra. Repita este procedimiento en dos alícuotas adicionales de 1 ml de solución desconocida y calcule la media y la desviación estándar de sus resultados. PREGUNTAS DE REVISIÓN 18

19 Antes de comenzar este experimento en el laboratorio, usted debe ser capaz de responder las siguientes preguntas: 1. Para una sustancia dada, cuáles son los 4 factores de los que depende la cantidad de luz absorbida? 2. Cómo están relacionadas algebraicamente el porcentaje de transmisión y la absorbancia? 3. Cuáles son los 5 componentes fundamentales de un espectrofotómetro? 4. Enuncie la ley de Beer-Lambert y defina todos los términos en la expresión. 5. Cuál es el propósito de preparar una curva de calibración? 6. Por qué se usa hidroxilamina en este experimento? 7. Si el porcentaje de transmitancia para una muestra es 100 a 350 nm, cuál es el valor de A? 8. Suponga que la absorbancia experimental es mayor a uno. Cómo modificaría su procedimiento? 9. Si 3.0 ml de una solución de hierro estándar (1 ml = mg Fe) se diluye a 50 ml, cuál es la concentración final de hierro en mg Fe/mL? 10. Si Co(NO 3 ) 2 acuoso tiene un coeficiente de extinción de 5.1 L/mol-cm a 505 nm, muestre que una solución de Co(NO 3 ) M dará una absorbancia de

20 INCLUYA ESTA HOJA EN SU REPORTE Muestra desconocida No.. A. Curva de Calibración Concentración de Fe (mg Fe/mL) Absorbencia Los datos de arriba obedecen la ley de Beer-Lambert? Por qué? B. Determinación Muestra Desconocida 1. Peso de la muestra volumen de solución Absorbencia Concentración de Fe (mg Fe/mL) Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Media 2. Concentración de Fe en mg/ml ± 3. Desviación estándar (muestre los cálculos) 4. Porcentaje de Fe en la muestra original (muestre los cálculos) ± 20

21 CUESTIONARIO 1. Por qué la línea en la celda siempre se alinea con la del portamuestras? 2. Por qué se añadió cloruro de hidroxilamina a su muestra? 3. El hierro(ii) reacciona con agua por una reacción de hidrólisis. Para evitar esta hidrólisis, se añadió ácido a la solución de hierro estándar. Cómo habrían cambiado sus resultados finales si no se hubiera añadido ácido a la solución de hierro estándar? 4. Suponga que una solución de Co(NO 3 ) 2 tiene un coeficiente de extinción de 5.1 L/mol-cm a 505 nm. Grafique, en papel milimétrico, una gráfica de A versus c (mol/l) para soluciones de Co(NO 3 ) , 0.040, 0.060, 0.080, y Men una celda de 1 cm. Grafique, en la misma gráfica, el porcentaje de transmitancia, T, de cada solución versus concentración. 5. Por qué está la ley de Beer-Lambert en unidades de absorbencia en lugar de en unidades de porcentaje de transmitancia? 21

22 ANÁLISIS DE UNA MEZCLA BINARIA OBJETIVO Determinar por el método espectrofotométrico la concentración de los componentes de una mezcla binaria que absorbe luz en la región visible. INTRODUCCIÓN En esta actividad experimental se emplea la espectrofotometría para determinar la concentración de dos sustancias que absorben en la región del espectro visible, para ello se preparan disoluciones de KMnO 4 y K 2 Cr 2 O 7 en medio ácido, lo suficientemente diluidas para obtener un error relativo mínimo en la medición de la absorbencia. Se corren por separado el espectro de las dos disoluciones, así como el de una mezcla de ambos de composición desconocidas. Cuando las curvas espectrales de ambos componentes se traslapan, como es el caso, se eligen dos longitudes de onda, λ 1 y λ 2, a las cuales las relaciones entre las absortividades de los componentes a 1 /a 2 y a 2 /a 1 son máximas. Para el permanganato de potasio λ 1 = nm y para el dicromato de potasio λ 2 = nm. Como hay dos componentes, se requiere resolver un sistema de dos ecuaciones simultáneas. Las ecuaciones que se derivan suponen que ambas sustancias cumplen con la ley de Beer y que las absorbencias son aditivas. Sabemos que A = εbc (c, en mol/l) o A = abc (c, en g/l), ε = a (MM) ε 1,435.2 = A 1,435.2 /c 1 ε 1,525.2 = A 1,525.2 /c 1 ε 2,435.2 = A 2,435.2 /c 2 ε 2,525.2 = A 2,525.2 /c 2 o bien: a 1,435.2 = ε 1,435.2 /MM 1 a 1,525.2 = ε 1,525.2 /MM 1 a 2,435.2 = ε 2,435.2 /MM 2 a 2,525.2 = ε 2,525.2 /MM 2 Para encontrar la concentración de KMnO 4 y de K 2 Cr 2 O 7 en la mezcla se tienen las siguientes relaciones: 22

23 A = a 1, b c 1 + a 2, b c 2 A = a 1, b c 1 + a 2, b c 2 O bien: (i) A = ε 1, b c 1 + ε 2, b c 2 A = ε 1, b c 1 + ε 2, b c 2 Para el sistema de ecuaciones (i): (ii) c 1 (g/l) = c 2 (g/l) = a2,435.2a525.2 a2,525.2a435.2 a1,525.2a2,435.2 a2,525.2a1,435.2 a1,525.2a435.2 a1,435.2a525.2 a1,525.2a2,435.2 a2,525.2a1,435.2 (1) (2) Para el sistema de ecuaciones (ii): c 1 (mol/l) = c 2 (mol/l) = ε 2,435.2A525.2 ε 2,525.2A435.2 ε1,525.2ε 2,435.2 ε 2,525.2ε1,435.2 ε1,525.2a435.2 ε1,435.2a525.2 ε1,525.2ε 2,435.2 ε 2,525.2ε1,435.2 (3) (4) Substituyendo los datos experimentales en las ecuaciones (1-4) obtenga las concentraciones en g/l y en mol/l Nota 1: c 1 se refiere a la concentración de KMnO 4 en la mezcla. c 2 se refiere a la concentración de K 2 Cr 2 O 7 en la mezcla. Nota 2: Si la disolución de la mezcla que se use para correr la gráfica del espectro la toma de una mezcla cinco veces más concentrada, tomando una alícuota de 5 ml y aforando a 25 ml, entonces la concentración de ésta mezcla concentrada será cinco veces la calculada arriba. MATERIAL Colorímetro 20 Genesys ó espectrofotómerto Perkin-Elmer Celdas de cuarzo o polietileno (un juego por equipo). Matraces aforados de 50 ml (3 por equipo) Matraz aforado de 1 L (uno para todo el grupo). REACTIVOS Permanganato de potasio, KMnO 4 23

24 Dicromato de potasio, K 2 Cr 2 O 7 Ácido sulfúrico concentrado Agua destilada PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se preparan 100 ml de KMnO x 10-4 M y 100 ml de K 2 Cr 2 O x 10-3 M. Registre e imprima el espectro de cada una. El instructivo del colorímetro 20 Genesys se encuentra en el Anexo 2. De la gráfica del espectro para el KMnO 4 se obtiene el máximo de absorción a la longitud de onda, λ = nm; a esa misma longitud de onda se obtiene la absorción para el K 2 Cr 2 O 7. De la gráfica del espectro para el K 2 Cr 2 O 7 se obtiene la absorción máxima a la longitud de onda de nm; a esa misma longitud de onda se obtiene la absorbancia que presenta el KMnO 4. Del espectro para la mezcla binaria KMnO 4 / K 2 Cr 2 O 7 se obtienen las absorbencias A y A REPORTE Incluya las gráficas de A vs. λ para las tres disoluciones, así como los cálculos para los coeficientes de extinción molar, absortividades, absorbencias y concentraciones en g/l y mol/l. Incluya en su reporte la respuesta a la pregunta siguiente: Por qué se preparan las disoluciones en medio ácido? 24

25 SÍNTESIS Y ANÁLISIS TÉRMICO DE OXALATOS METÁLICOS OBJETIVO Preparar oxalatos metálicos hidratados y observar la descomposición térmica usando la técnica de ATG o CBD. INTRODUCCIÓN Una de las formas más comunes de determinar la estabilidad de un compuesto es midiendo su repuesta física a la aplicación de calor. Hay muchos tipos de técnicas analíticas de análisis térmico, pero las dos más comunes son el análisis termogravimétrico (ATG) y la calorimetría de barrido diferencial (CBD). En ATG, la muestra a ser analizada se calienta siguiendo un programa de temperatura preestablecido (lo más común es elevar la temperatura por o C por minuto), y se registra la pérdida de peso del compuesto. En CBD, lo que se registra es la absorción o liberación de energía sobre el mismo rango de temperatura. Los iones metálicos del Grupo 2 (IIA) forman oxalatos insolubles a partir de soluciones neutras o débilmente ácidas. Estos oxalatos precipitan como compuestos cristalinos blancos hidratados de composición específica, los cuales son candidatos ideales para estudiarse por métodos térmicos. Se observan regularidades periódicas en las propiedades térmicas de estas sales en el grupo o familia. En esta práctica, se preparan los oxalatos de los iones metálicos del Grupo 2 (IIA) vía precipitación de una solución a ph aproximadamente 5, siguiendo la reacción general M 2+ (ac) + C 2 O 2-4 (ac) = MC 2 O 4 (s) Donde M 2+ = Mg 2+, Ca 2+, Sr 2+, y Ba 2+. El Método de Precipitación Homogénea Puesto que los oxalatos del Grupo 2 (IIA) son las sales del ácido débil, ácido oxálico, su solubilidad aumentará al incrementarse la concentración de ion hidrógeno. Por lo tanto, los oxalatos se pueden precipitar haciendo la solución más alcalina, por ejemplo, elevando el ph. Deseamos producir el precipitado en la forma de cristales individuales grandes. Para alcanzar esta meta se usa el método de la precipitación homogénea. En esta técnica, el reactivo precipitante no se añade inicialmente, sino más bien, se 25

26 forma lentamente en la solución. De esta manera, se minimiza la sobresaturación, y se evita la formación local de concentración de reactivo precipitante. La urea, cuando se hidroliza, forma amoniaco. (H 2 N) 2 C=O + H 2 O = 2NH 3 + CO 2 La formación de amoniaco eleva lentamente el ph de la solución a aproximadamente 5, debido a su propia hidrólisis. Este ph es suficiente para generar oxalato libre y precipitar los oxalatos metálicos. NH 3 + H 2 O = NH OH - El grado de hidrólisis de la urea depende de la temperatura, así que esencialmente cualquier ph final deseado se puede alcanzar por el método de precipitación homogénea, usando un control de la temperatura cuidadoso. SECCIÓN EXPERIMENTAL Recomendaciones de Seguridad Óxido de Magnesio. Este compuesto no se considera peligroso, sin embargo, deben seguirse las precauciones de seguridad estándar en el laboratorio. Carbonato de Calcio. Este compuesto no se considera peligroso, sin embargo, debe seguir las precauciones de seguridad estándar en el laboratorio. Carbonato de Estroncio. Es prudente usar este compuesto con mucho cuidado, ya que el estroncio es un metal pesado y se sabe que causa envenenamiento. No lo ingiera o respire el polvo de este compuesto (use mascarilla). Evite el contacto con la piel (use guantes). Lave repetidamente con agua si hay contacto con la piel. Carbonato de Bario. Este compuesto puede ser fatal si se inhala (use mascarilla), traga, o absorbe a través de la piel (use guantes). Los compuestos de bario, que es un metal pesado, se sabe que producen envenenamiento. Lave repetidamente con agua si hay contacto con la piel. Urea. La urea no se considera peligrosa y se clasifica como un diurético, sin embargo, deben seguirse las precauciones de seguridad estándar en el laboratorio. Datos Químicos Compuesto PF Cantidad mmoles p.fus. ( o C) Densidad MgO mg CaCO mg

27 SrCO mg (d) BaCO mg (d) (NH 4 ) 2 C 2 O. 4 H 2 O Sol n. Satd Urea g MATERIAL Agitador magnético Vaso de precipitados de 25-mL Probeta de 10-mL Vidrio de reloj Parrilla con agitación magnética Embudo Hirsch Trampa de agua Soporte universal con nuez y pinza Filtro de papel Whatman PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Si hay suficientes alumnos, cada equipo puede preparar uno solo de los oxalatos metálicos y compartir los datos con el resto del grupo. Pese 25 mg del carbonato metálico deseado (en el caso del magnesio, use 40 mg de MgO en lugar del carbonato) en un vaso de precipitados de 25-mL. Añada 2.0 ml de agua desionizada, un agitador magnético, y cubra el vaso con un vidrio de reloj. Añada HCl 6 M gota a gota al sólido con agitación y suavemente caliente la solución en una parrilla hasta que se disuelva todo el sólido. Usando agua desionizada, diluya la solución a 10.0 ml para todos los metales excepto magnesio. Añada una gota de indicador rojo de metilo al 1%. En este punto la solución debe ser ácida y tornarse ligeramente roja. Añada 1.5 ml de una solución saturada de oxalato de amonio y 1.5 g (25 mmoles) de urea sólida a la solución. En el caso de magnesio, la cantidad de urea añadida debe ser 4.5 g. Separación del Producto Con agitación, hierva la solución suavemente hasta que cambie el color de rojo a amarillo. Si es necesario, añada agua para compensar la pérdida de agua por evaporación (la urea puede que precipite de la solución concentrada). En este momento 27

28 deben comenzar a precipitar cristales incoloros de oxalato metálico. Si no se forma precipitado, añada unas cuantas gotas de hidróxido de amonio 6M para neutralizar cualquier exceso de ácido. Enfríe la solución a temperatura ambiental. Recolecte los cristales del producto por filtración usando un embudo Hirsch y trampa de agua. Lave el producto con agua fría hasta que esté libre de cloruros (pruebe con solución de AgNO 3 ; el producto está libre de cloruros cuando unas cuantas gotas del filtrado no muestra turbidez alguna con una gota de solución de AgNO 3 al 1%). Seque el producto sobre papel filtro. Calcule el rendimiento porcentual de cada producto. Caracterización del Producto Obtenga el termograma ATG o CDB de cada oxalato metálico hidratado, como le indique su instructor de laboratorio. Los hidratos de oxalato (con algunas excepciones) se descomponen en tres etapas. MC 2 O. 4 nh 2 O = MC 2 O 4 + nh 2 O MC 2 O 4 = MCO 3 + CO MCO 3 = MO + CO 2 Determine la temperatura para cada una de estas descomposiciones, y calcule que tan exactamente la técnica térmica usada mide la périda de masa en cada etapa. NOTA: La descomposición final para el producto de bario ocurre arriba de 1200 o C, la cual quizá esté más allá de el límite de la capacidad del analizador. Calcule el número de aguas de hidratación para cada oxalato hidratado en base a su termograma (Si sólo corrió uno, comparte los resultados con el resto del grupo). Los oxalatos de magnesio y calcio preparados en este experimento se pueden analizar por absorción atómica en el siguiente experimento. CUESTIONARIO 1. Describa la reacción del carbonato de calcio con HCl. Escriba la ecuación química. 2. Qué clase de indicador es el rojo de metilo? Cuál es el rango de ph en el que cambia de color este indicador? 3. En la preparación del oxalato de magnesio hidratado se debe evitar un exceso de oxalato de amonio. Por qué? 4. Correlacione las temperaturas a las que se pierden las aguas de hidratación. Qué tendencia periódica ilustra esto? 28

29 5. Correlacione la temperatura a la que se descompone el carbonato para formar un óxido. Qué tendencia periódica ilustra esto? 6. La temperatura a la que se pierde agua en un compuesto hidratado es indicativo de la manera en la que está enlazado. En el Grupo 2 (IIA) de los oxalatos, De qué manera se enlaza el agua? 7. En sulfato de cobre, claramente hay dos modos de enlazarse las aguas de hidratación. Cuáles son estas? Haga una búsqueda bibliográfica para encontrar la estructura del CuSO. 4 5H 2 O. Un lugar conveniente para comenzar es Comprehensive Coordination Chemistry, Vol. 5, bajo Copper. (Ayuda: El sulfato es un ligante oxigenado.) Quién determinó primero esta estructura y cómo? REFERENCIAS 1. Z. Szafran, R. M. Pike, M. M. Singh, Microscale Inorganic Chemistry. A Comprehensive laboratory experience, Wiley,

30 ANÁLISIS POR ABSORCIÓN ATÓMICA DE CALCIO Y MAGNESIO OBJETIVO Aprender a usar un espectrómetro de absorción atómica como técnica analítica para determinar el porcentaje de metal en una muestra. INTRODUCCIÓN La Espectroscopia por Absorción Atómica (EAA) es la medición instrumental de la cantidad de radiación absorbida por átomos no-excitados en el estado gaseoso. El espectro de absorción de un elemento en su forma atómica gaseosa consiste de líneas agudas, bien definidas, que surgen de las transiciones electrónicas de los electrones de valencia. Para metales, las energías de estas transiciones generalmente corresponden a longitudes de onda en las regiones UV y visible. Se debe seleccionar una longitud de onda para cada elemento donde el absorba fuertemente el elemento, y donde no interfieran otros elementos. Para el calcio, la longitud de onda usual es nm, y para magnesio es de nm. La espectroscopia de absorción atómica se ha usado para la determinación de más de 70 elementos. Las aplicaciones en la industria incluyen muestras clínicas y biológicas, materiales forenses, alimentos, bebidas, agua y efluentes, análisis de suelos, análisis de minerales, productos petrolíferos, farmacéuticos y cosméticos. En este experimento, se analizará el contenido de calcio y magnesio de muestras de agua de la llave o agua dura. SECCIÓN EXPERIMENTAL Recomendaciones de Seguridad Carbonato de calcio: Este compuesto no se considera peligroso, sin embargo, se deben tomar las medidas de seguridad propias de un laboratorio de química. Magnesio. Este elemento es dañino si se ingiere. Se deben observar las precauciones normales. DATOS QUÍMICOS Compuesto PF Masa (g) mmoles p.fus.( o C) Densidad CaCO

31 Mg MATERIAL Dos matraces volumétricos de 1-L Dos matraces volumétricos de 250-mL Dieciséis matraces volumétricos de 100-mL Solución estándar de Cu 2+, 5 ppm. Preparación de Soluciones Stock y Estándares de Calibración NOTA: Asegúrese de etiquetar todos los matraces cuidadosamente con el metal que contienen y su concentración. Se preparan suficientes soluciones stock para todo el grupo. Prepare una solución stock de ion calcio, Ca 2+, a 500 ppm, disolviendo g de carbonato de calcio en 50 ml de agua destilada en un matraz volumétrico de 1-L. Añada suficiente HCl concentrado (Precaución: Corrosivo!) sólo hasta que se disuelva el carbonato de calcio. Añada agua destilada hasta el aforo. Prepare una solución stock de ion magnesio, Mg 2+, a 1,000 ppm, disolviendo g de tiras de magnesio (remueva la película de óxido con papel lija) en un matraz volumétrico de 1-L en suficiente HCl 6M hasta disolverlo. Añada HCl al 1% (v/v) hasta el aforo. Prepare una solución de ion calcio Ca 2+ a 50 ppm diluyendo 25 ml de la solución stock a 500 ppm en un matraz volumétrico de 250-mL. Prepare una serie de soluciones de calibración, como sigue, usando matraces volumétricos de 100-mL ppm: Diluya 4 ml de la solución a 50 ppm a 100 ml ppm: Diluya 8 ml de la solución a 50 ppm a 100 ml ppm: Diluya 12 ml de la solución a 50 ppm a 100 ml ppm: Diluya 16 ml de la solución a 50 ppm a 100 ml ppm: Diluya 20 ml de la solución a 50 ppm a 100 ml ppm: Diluya 24 ml de la solución a 50 ppm a 100 ml. Prepare una solución de Mg 2+ a 20 ppm diluyendo 5 ml de la solución stock a 1,000 ppm hasta 250 ml. Prepare una serie de soluciones de calibración, como sigue, usando matraces volumétricos de 100-mL ppm: Diluya 2 ml de la solución a 20 ppm a 100 ml. 31

32 ppm: Diluya 4 ml de la solución a 20 ppm a 100 ml ppm: Diluya 6 ml de la solución a 20 ppm a 100 ml ppm: Diluya 8 ml de la solución a 20 ppm a 100 ml ppm: Diluya 10 ml de la solución a 20 ppm a 100 ml ppm: Diluya 12 ml de la solución a 20 ppm a 100 ml. Obtenga de su profesor de laboratorio una muestra desconocida de agua dura. (Se pueden usar para este propósito los oxalatos preparados en el experimento Síntesis y Análisis Térmico de Oxalatos Metálicos : Disuelva 18 mg de oxalato de magnesio hidratado en un matraz volumétrico de 250-mL, usando 1 ml de HCl 12M. Afore con agua.) Prepare una serie de soluciones de la muestra desconocida, como sigue: 1. Diluya 5 ml de la muestra desconocida hasta 100 ml. 2. Diluya 2 ml de la muestra desconocida hasta 100 ml. 3. Diluya 1 ml de la muestra desconocida hasta 100 ml. 4. Diluya 0.5 ml de la muestra desconocida hasta 100 ml. Calibración del Equipo de Absorción Atómica (Vea el ANEXO 4). PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Comenzando con la solución más diluida, obtenga la lectura de absorción (abs) para cada una de las soluciones de calibración de Ca 2+. Aspire agua destilada entre cada medición de Ca 2+. Luego registre la absorción de la solución de Ca 2+ desconocida. Gire la manecilla de abs a conc. Seleccione dos de las soluciones conocidas (preferentemente una concentración alta y otra baja). Recuerde aspirar agua destilada entre cada solución. Mientras aspira la dilución más baja teclee la concentración de la solución conocida. Por ejemplo, ponga 2.0 y presione SI dos veces. Cambie de conc to abs y registre la absorbencia. Repita el procedimiento por tantos estándares como lo permita el equipo. Presione 5.0 (s) y el botón t. Aspire la muestra desconocida y presione lectura. Ahora se puede leer la concentración de la desconocida directamente. Registre este valor. (Si usó los oxalatos del experimento previo, calcule el porcentaje de Mg o Ca en el oxalato.) 32

33 Repita este procedimiento para Mg 2+, recordando establecer la longitud de onda en 285 nm. Recalibre el instrumento como antes. NOTA: Si el instrumento no permite la lectura directa de concentraciones desconocidas, haga una gráfica de concentración (eje x) versus absorbencia (eje y) para las soluciones conocidas. Ajuste los puntos con la mejor línea recta. La concentración de la desconocida se puede obtener leyendo del eje de la absorbencia hasta que se alcance la línea y tomar la lectura del valor de la concentración. Para apagar el instrumento, cierre el tanque de acetileno, y luego el aire. Apague el compresor y la fuente de poder. CUESTIONARIO 1. Qué significa el término sputter (chisporrotear) en relación a la operación de un tubo de cátodo hueco en análisis de absorción atómica? 2. Qué enfoque gráfico se puede usar en la determinación cuantitativa EAA de una especie específica? Ilustre con un ejemplo. 3. Cuáles son los dos fenómenos básicos que contabilizan por la ineficiencia del sistema de quemado de la flama nebulizada que se usa en EAA? 4. Por qué se debe cortar el rayo de luz (de la fuente de cátodo-hueco)? 5. En una flama H 2 -O 2, el pico de absorción para hierro se encontró que bajaba en intensidad en la presencia de grandes concentraciones de ion sulfato. Sugiera una explicación para esta observación. Sugiera un método para vencer esta interferencia potencial del ion sulfato en una determinación cuantitativa de hierro. 6. El plomo y el mercurio son metales pesados venenosos bien conocidos. Ambos se analizan comúnmente usando EAA, aunque los métodos para cada uno difieren. Haga una búsqueda bibliográfica acerca de la historia de la EAA y cómo se ha usado para analizar estos elementos. Un buen artículo de revisión para comenzar es Waals, A. Anal. Chem. 1974, 46, 698A. REFERENCIAS Z. Szafran, R. M. Pike, M. M. Singh, Microscale Inorganic Chemistry. A Comprehensive Laboratory Experience, John Wiley & Sons, Inc.: New York,

34 Skoog, D. A., Principles of Instrumental Analyses, 3 rd ed., Saunders: Philadelphia, PA, 1985, capítulo 9. 34

35 CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DE SOLUCIONES IÓNICAS OBJETIVO Este experimento considera la teoría y la práctica de usar mediciones de conductividad para caracterizar compuestos de coordinación. INTRODUCCIÓN La conductividad tiene extensas aplicaciones analíticas más allá de las titulaciones conductométricas. Algunas de las otras aplicaciones son revisar la calidad del agua, determinar el contenido de humedad del suelo y preparar soluciones de concentraciones conocidas. El uso principal de las mediciones conductométricas en química inorgánica es determinar la naturaleza de los electrolitos formados por sales inorgánicas. Por ejemplo, en la tabla de abajo, tres de los isómeros solvatados de cloruro de cromo presentan estos valores de conductividad. Tabla 1 Compuesto Tipo de Sal Concentración Conductividad [Cr(H 2 O) 6 ]Cl 3 (A 3+ )(X 1- ) M [CrCl(H 2 O) 5 ]Cl. 2 H 2 O (A 2+ )(X 1- ) M 208 [CrCl 2 (H 2 O) 4 ]Cl. 2H 2 O (A 1+ )(X 1- ) M Claramente la sal tri-univalente tiene una conductividad mayor que la sal uni-univalente. Si se puede encontrar alguna correlación entre mediciones de conductividad y tipos de iones, las determinaciones conductométricas serán útiles en la caracterización de compuestos inorgánicos. Al medir la resistencia de soluciones, es inmediatamente evidente que el valor depende de la concentración de la solución, tamaño de los electrodos, la distancia que separa los electrodos, etc. Por esta razón, se han establecido varias definiciones convenientes para poder asignar los valores característicos del soluto y el solvente. Resistencia Específica La resistencia específica es la resistencia en ohms de un espécimen de un centímetro de longitud y un centímetro cuadrado de sección transversal. Si 35

36 r = resistencia específica l = longitud en cm a = sección transversal en cm cuadrados R = resistencia medida Entonces l R = r a ohms Conductancia Específica La conductancia específica es el recíproco de la resistencia específica. Si la conductancia específica es K, entonces por definición K 1 1 = o r = r K Substituyendo en la expresión para resistencia específica, l 1 1 K = r ohms cm ( a)( R) Conductancia Equivalente Este término usualmente se representa por Λ, y expresa la conductividad de todos los iones producidos por un gramo equivalente de un electrolito. Si mo equivalente N = gra litro K = conductancia específica K Λ = 1000 N ohms 1 2 cm equivalente 1 El gramo equivalente se usa en el sentido clásico. Así, equivalentes de NaCl = PF/1, BaCl 2 =PF/2, LaCl 3 =PF/3, etc. (P.F. = Peso Fórmula). Conductancia Equivalente de Iones Separados Esto es idéntico a la conductancia equivalente excepto que Λ es una medida de la conductividad de solo el anión o el catión. N en este caso es el número de gramos equivalente del ion particular por litro. Un gramo equivalente de Cl - = (peso atómico)/1, Ca 2+ = (peso atómico)/2, [Fe(CN) 6 ] 4- = (peso fórmula del ion)/4, etc. Conductancia Molar, μ Este término es similar a la conductancia equivalente excepto que M, el número de gramos mol por litro, se usa en lugar de equivalentes por litro. 36