VALORACIÓN REDOX (PERMANGANIMETRÍA)

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1 SEMINARIO DE FÍSICA Y QUÍMICA NIVEL: BACHILLERATO. FÍSICA Y QUÍMICA MATERIA: QUÍMICA CURSO PRÁCTICA Nº: Nombre y apellidos:... Grupo:... Fecha:... VALORACIÓN REDOX PERMANGANIMETRÍA Introducción Las volumetrías redox tienen su fundamento en el estudio cuantitativo de una reacción de oxidación-reducción utilizando el procedimiento de valoración. En las reacciones de oxidaciónreducción existe transferencia de electrones de tal forma que hay una especie química que cede electrones se oxida y otra que los acepta se reduce; el número de electrones cedidos ha de ser igual al de electrones captados y por lo tanto el balance electrónico total en la reacción cero. La especie que cede electrones actúa como reductor y la especie que capta electrones actúa como oxidante. Como en toda determinación volumétrica, en las volumetrías redox es necesario que la estequiometría de la reacción esté perfectamente establecida, que la reacción sea rápida, y que se cuente con los medios para determinar un punto final tan cercano al punto de equivalencia como sea posible. Por otra parte también tiene gran importancia el grado de exactitud con que se conoce la concentración de la disolución del reactivo valorante. Por ello, siempre que sea posible debe emplearse como tal, una sustancia que sea patrón primario alto grado de pureza, estable en disolución, etc.. Las sustancias de tipo primario más comúnmente utilizadas en las volumetrías de oxidación-reducción son,,, y. El permanganato potásico es un oxidante fuerte y sus disoluciones se utilizan con frecuencia para valorar sustancias reductoras. Sin embargo, el permanganato potásico no es patrón primario contiene pequeñas cantidades de y reacciona lentamente con el agua y para poder ser utilizado como agente valorante la concentración de su disolución debe ser determinada no por pesada directa del sólido, simplemente, sino por valoración previa con una disolución patrón por ejemplo con oxalato de sodio,. Las valoraciones redox son reacciones en las que, usando un proceso redox, se pretende determinar la concentración de una disolución conociendo la de la otra sustancia reaccionante. En el caso que nos ocupa se determinará la concentración de un agua oxigenada en peróxido de hidrógeno. Las disoluciones de agua oxigenada en agua destilada tienen una concentración variable que oscila entre el 3 % al 30 %. Esta concentración se suele indicar en volúmenes, expresión que nos indica el volumen de oxígeno que puede desprender un volumen determinado de la disolución. Así, si un agua oxigenada es de 10 volúmenes quiere decir que 1 litro de esa disolución tiene una cantidad de agua oxigenada tal que es capaz de desprender 10 litros de oxígeno, medidos en condiciones normales cuando se produce su descomposición según la reacción: 1

2 donde 2 moles de agua oxigenada 34 gramos desprenden 1 mol de oxígeno gaseoso, el cual en condiciones normales ocupa 22,4 L. El permanganato oxida en medio ácido al agua oxigenada, reduciéndose éste a a libre. Las reacciones que tienen lugar son: y oxidándose el agua Objetivos Preparar disoluciones normalizadas de permanganato de potasio o normalizar las existentes. Preparar disoluciones diluidas de a partir de disoluciones de comercial. Determinar la concentración de un agua oxigenada comercial utilizando una disolución de permanganato de potasio de concentración conocida. Esta valoración recibe el nombre de permanganimetría. Materiales y reactivos Bureta con soporte Erlenmeyers de 250 ml Probetas de 100 ml y de 200 ml Vasos de precipitados de 250 ml 2 mín. Frasco lavador con agua desionizada Espátula, vidrio de reloj y varilla de vidrio Matraz aforado de 100 ml Pipeta de 10 ml Agua oxigenada comercial Balanza de precisión 0.01 g Disolución acuosa de 6 M Embudo alemán sólido Disolución acuosa de 0.02 M Procedimientos A. Determinación de la concentración en de un agua oxigenada comercial A.1. Preparación y normalización de la disolución de Se preparará 1 L de disolución para todos los grupos de prácticas: 6 aproximadamente 0.02 M de, por lo que deberemos pesar en la balanza, sobre un vidrio de reloj, la siguiente cantidad de reactivo sólido: 2

3 Disolver el soluto con agua destilada en un vaso de precipitados ayudándose de una varilla de vidrio y transvasar su contenido, a través de un embudo alemán, a un matraz aforado de 1 L de capacidad 1, arrastrando el posible soluto que quede en el vaso, la varilla y el embudo con agua destilada de un frasco lavador. Enrasar el matraz con agua destilada disponible en un vaso de precipitados, usando un gotero. Para la normalización o estandarización del permanganato de potasio oxidante utilizaremos una disolución de un patrón primario reductor, el oxalato de sodio,. Las ecuaciones de las reacciones que tienen lugar son: Conocida la relación estequiométrica entre el permanganato de potasio y el oxalato de sodio, se deberá calcular la cantidad necesaria de este último para gastar un volumen determinado de disolución de permanganato de potasio de una determinada concentración. Por ejemplo, si queremos gastar aproximadamente 20 ml de una disolución de permanganato de potasio 0.02 M, la cantidad de oxalato de sodio necesaria sería: 1 Dado que el permanganato es inestable y es capaz de oxidar el agua espontáneamente o ser reducido a por la materia orgánica que contenga ésta o la que se halle en el aire, según la siguiente reacción, que transcurre muy lentamente y está catalizada por luz, calor, ácidos, bases, sales de manganeso II y por el propio : se sugiere, según la bibliografía consultada, que se hierva suavemente la disolución de permanganato durante 15 a 20 minutos, tapando previamente con un vidrio de reloj el vaso de precipitados o el matraz Erlenmeyer que la contenga y así acelerar la reacción de descomposición. Después de dejarla enfriar para que coagule el inicialmente coloidal, se filtraría, para eliminar el, a través de un tapón de asbesto en un crisol de Gooch o en un embudo Büchner con filtro de lana de vidrio o a través de un embudo filtrante de vidrio sinterizado, pero NUNCA a través de papel de filtro, que puede ser causante de nueva descomposición del permanganato. Las soluciones de deben permanecer en frascos oscuros de color ámbar caramelo, alejados de la luz y preservados del polvo que puede contener materia orgánica en suspensión. 3

4 El oxalato de sodio debe secarse en estufa entre 105 C y 110 C durante 2 h, se debe enfriar en un desecador hasta temperatura ambiente, para pesarse directamente en balanza analítica precisión de miligramo o de décima de miligramo dentro de un matraz Erlenmeyer 2 de 500 ml. Ya que en la estandarización se deberían realizar 3 determinaciones, deberíamos preparar 3 muestras de oxalato como se acaba de describir, recordando que no hay que empecinarse en pesar la cantidad exacta calculada anteriormente, pero sí próxima a ella. A la muestra preparada en el Erlenmeyer de 500 ml se le adicionarán 250 ml de agua destilada y 10 ml de ácido sulfúrico concentrado extremando las precauciones, al ser una sustancia muy corrosiva. La disolución resultante se agita y se calienta suavemente hasta unos 70 C 80 C. Se titula en caliente no debe bajar la temperatura del contenido del Erlenmeyer por debajo de 60 C desde una bureta de color caramelo con la disolución de a estandarizar, gota a gota, dejándolas caer directamente sobre la disolución, no dejándolas resbalar por las paredes internas del Erlenmeyer, para evitar un exceso localizado de que pudiera dar lugar a la aparición de un precipitado oscuro de. Al agregar las primeras gotas, el contenido del Erlenmeyer permanece rosado y, sólo después de unos instantes, se decolora. Esto sólo ocurre al principio; al avanzar la valoración la oxidación ocurre rápidamente catalizada por la presencia de iones. Continuar la adición de, agitando continuamente el Erlenmeyer hasta la aparición de un color rosado tenue persistente que no desaparece al agitar. Anotar el volumen de disolución de consumido. Se repetirá el proceso 3 veces y se obtendrá un valor promedio,. La concentración de vendrá dada, en función de la masa pesada,, expresada en gramos, por: donde el número de moles de viene dado por: Por otro lado, el número de moles de también debe poder expresarse como: De manera que, igualando ambas expresiones, tenemos: 2 Desafortunadamente, no disponemos de momento ni de estufa de secado, ni de desecadores operativos, por lo que este apartado se obviará supondremos que la concentración de la disolución de que hemos preparado es exacta. Y algo obvio: esta preparación requiere mucho más tiempo del que dura una sesión de prácticas de este nivel de estudios. 4

5 de donde, podemos obtener la expresión para calcular : Obtener un valor promedio de las 3 determinaciones y etiquetar el envase que lo contenga, indicando la concentración aproximada y el factor f: A.2. Preparación de una disolución de ácido sulfúrico 6 M Se prepararán 250 ml de una disolución acuosa aproximadamente 6 M en, a partir de disolución comercial de, del 96 % en masa y densidad 1000/540 g/ml según etiquetado, disponible en el laboratorio: 1 Todas estas operaciones se realizarán dentro de la vitrina de gases. 2 Abocaremos sobre una probeta de 100 ml, con la ayuda de una varilla de vidrio, unos 83 ml de ácido sulfúrico comercial. 3 En un vaso de precipitados o en un Erlenmeyer de 500 ml, verteremos unos 63 ml de agua destilada. 4 Verteremos el contenido de la probeta, con mucho cuidado ya que el ácido sulfúrico es una sustancia muy corrosiva y fuertemente deshidratante ávida de agua, sobre el vaso de precipitados o Erlenmeyer con agua, dejándolo resbalar lentamente por la pared interna de éste. Precaución: la reacción de dilución es fuertemente exotérmica. Se agitará la disolución para su correcta homogeneización. 5 Abocaremos esta disolución, con la ayuda de una varilla de vidrio a través de un embudo alemán, a un matraz aforado de 250 ml de capacidad y arrastraremos el soluto que quede en el recipiente, en la varilla y en el embudo con agua destilada del frasco lavador. 6 Enrasaremos el matraz aforado con agua destilada en las proximidades del enrase, utilizaremos gotero. 7 La disolución así preparada será trasvasada a un recipiente adecuado y etiquetada convenientemente soluto, concentración, fecha de preparación, grupo u operador. 5

6 A.3. Determinación del peróxido de hidrógeno de un agua oxigenada Una vez estandarizada la solución de permanganato de potasio, se procederá a la determinación del peróxido de hidrógeno de un agua oxigenada comercial. 1 Mediante una pipeta de 10 ml y su correspondiente aspirador, trasvasar 10 ml de agua oxigenada comercial depositada en un vaso de precipitados, a un matraz aforado de 100 ml de capacidad. Enrasarlo con agua destilada utilizar gotero en las proximidades del enrase. 2 Medir con una pipeta y su correspondiente aspirador 10 ml de la disolución diluida de agua oxigenada del matraz aforado y verterlos en el Erlenmeyer. Con una probeta añadirle 25 ml de agua destilada. 3 Añadir con una probeta limpia y seca, 10 ml de ácido sulfúrico 6 M, extremando las precauciones. 4 Enjuagar y cargar la bureta con la solución normalizada de permanganato de potasio 0,02 M. 5 Añadir lentamente la disolución de permanganato desde la bureta, mientras se agita el Erlenmeyer suavemente, hasta que se produzca el cambio de color. 6 Limpiar bien el Erlenmeyer y repetir la operación, otras 2 veces, afinando bien el punto final. 7 Al finalizar el experimento seguir las instrucciones habituales para lavar y ordenar el equipo usado, desechar los residuos adecuadamente, limpiar y ordenar el área de trabajo. Cálculos, cuestiones y análisis de resultados Registrar los datos de las tres determinaciones en una tabla, que incluya las unidades y la incertidumbre de las medidas si cada grupo sólo puede hacer una valoración, compartir los resultados de todos los grupos de la clase. A partir del volumen de disolución de permanganato de potasio utilizado, calcular: a La concentración del peróxido de hidrógeno en la muestra de agua oxigenada diluida. b La concentración del agua oxigenada comercial. Expresar los resultados en Molaridad, g/l y % en peso. Considerar la densidad de la disolución diluida como de 1 g/ml. c De cuántos volúmenes es el agua oxigenada comercial analizada? Compara el resultado con el de la etiqueta comercial. Por qué el hecho de añadir el ácido sulfúrico y agua destilada al Erlenmeyer en el que se va a realizar la valoración, no va a suponer ninguna modificación en los resultados? Por qué se adiciona ácido sulfúrico al Erlenmeyer? Qué indicador se utiliza en esta volumetría? Razonar la respuesta. Bibliografía Petrucci, R. H; Harwood, W. S; Herring, F. G. Química General. Ed. Prentice Hall, Madrid Atkins, P. W. Química General. Ed. Omega, Chang, R. Química. Ed. 7ª ed. Editorial Mac Graw Hill, Harris, D. C. Análisis Químico Cuantitativo. 2ª ed. Ed. Reverté, Gómez, M.; Matesanz, A. I.; Sánchez, A.; Souza, P. Laboratorio de Química. 2ª ed. Ediciones UAM,