DETERMINACIÓN COLORIMÉTRICA DEL HIERRO

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1 DETERMINACIÓN COLORIMÉTRICA DEL HIERRO OBJETIVO 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 > [(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

2 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 1.1. 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 3. La longitud de onda de la luz; y 4. El solvente. 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 absorbancia, A, la cual se define por A = log I o I [2] El término densidad óptica, D.O., es sinónimo con absorbancia. Si no hay absorción de luz por una muestra a una longitud de onda dada, el porcentaje de transmitancia es 100, y la absorbancia 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 Donde A es la absorbancia, 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 absorbancia y concentración cuando se obedece la ley de Beer-Lambert, como se ilustra en la Figura 1.2. 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 Espectrofotómetro con celdas de cuarzo

4 Matraz volumétrico de 50 ml Pipetas de 1-, 2- y 5-mL Muestra de hierro desconocida Solución de hierro estándar, Fe(NO 3 ) 3 + HNO 3 (1 ml = mg Fe) NH 4 C 2 H 3 O 2, acetato de amonio 1 M Hidroxilamina hidroclorada al 10% o-fenantrolina al 0.3% H 2 SO 4 6 M PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PREPARE SU CURVA DE CALIBRACIÓN EN EQUIPOS DE CINCO, 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 fenentrolina al 0.03%, 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 45 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. Abajo se describen las instrucciones de operación del Spectronic 20. 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.) Instrucciones de Operación para el Spectronic 20:

5 1. Gire el botón de control de la longitud de onda (vea la Figura 1.3) a la longitud de onda deseada. 2. Encienda el instrumento rotando el control de potencia en el sentido de las manecillas del reloj y deje calentar al instrumento alrededor de 5 min. Sin muestra en el porta muestras pero con la cubierta cerrada, gire el ajuste a cero para que la aguja medidora marque cero en la escala de porcentaje transmitancia. 3. Llene la celda cerca de la mitad con agua destilada (o el solvente usado como blanco) e insértelo en la porta muestras, alineando la línea en la celda con la del la porta muestras; cierre la cubierta y rote el botón que controla la luz hasta que el medidor lea 100 porciento de transmitancia. 4. Inserte la celda que contiene la muestra cuya absorbancia se va a medir en la porta muestras en lugar del blanco. Alinee las líneas en la celda con la porta muestras y cierre la cubierta. Lea porcentaje de transmitancia o densidad óptica del medidor. 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

6 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 0.38.

7 Nombre: Equipo: Fecha: Profesor del Laboratorio: Muestra desconocida No.. HOJA DE REPORTE PARA EL EXPERIMENTO DETERMINACIÓN COLORIMÉTRICA DE HIERRO A. Curva de Calibración Concentración de Fe (mg Fe/mL) Absorbancia Los datos de arriba obedecen la ley de Beer-Lambert? Por qué? B. Determinación Muestra Desconocida 1. Peso de la muestra volumen de solución Absorbancia 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) ±

8 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 absorbancia en lugar de en unidades de porcentaje de transmitancia?

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