UNIVERSIDAD INTERAMERICANA DE PUERTO RICO RECINTO METROPOLITANO Departamento de Ciencias Naturales PRONTUARIO I. Título del Curso: Química Analítica Código y Número: CHEM 3320 Creditaje: 4 créditos Requisitos: CHEM 2212 II. Descripción del Curso: Teoría y aplicaciones del análisis cuantitativo, volumetría, gravimetría y potenciometría. Se incluye además, fundamentos y aplicaciones de métodos espectrofotométricos y de separación III. Objetivos del Curso: a. Terminales Familiarizar al estudiante con los conceptos y principios fundamentales del análisis cuantitativo como medio para: 1. Aplicar y relacionar los principios de equilibrio químico a la experimentación. 2. Adquirir destrezas en las técnicas de análisis titrimétrico cuantitativo. 3. Desarrollar destrezas en las técnicas de análisis instrumental cuantitativo, incluyendo análisis potenciométrico y espectrofotométrico. 4. Desarrollar las destrezas para que el estudiante pueda seleccionar el método y las condiciones más apropiadas para una análisis titrimétrico. b. Capacitantes B.1. Introducción a. Explicar y contrastar entre, (i) análisis cualitativo y cuantitativo, (ii) componente principal, menor, y traza en una muestra. 1
b. Definir y delinear los pasos fundamentales del método analítico cuantitativo. B.2. Errores y tratamiento estadístico de la data analítica a. Aplicar la definición de error y explicar su relación con la exactitud. b. Reconocer y clasificar los errores determinados e indeterminados asociados al método analítico, la instrumentación y el análisis que realiza la medición. c. Explicar el efecto de los errores determinados (constante y proporcionales) en el error relativo del resultado final de análisis. d. Aplicar la definición de desviación estándar y explicar su relación con la precisión. e. Aplicar las definiciones de promedio y mediana y explicar su efectividad como medida del valor central. f. Aplicar la prueba Q para aceptar o rechazar datos experimentales. g. Aplicar las reglas de propagación de errores indeterminado para operaciones de suma, resta, multiplicación y división. h. Aplicar las reglas sobre uso de cifras significativas durante la medición de datos experimentales y durante los cálculos con estos. i. Aplicar el método de los cuadrados mínimos para determinar la pendiente e intercepto de la línea de regresión, coeficiente de correlación linear, desviación estándar de la regresión y desviación estándar del valor interpolado. B.3. Preparación de soluciones y aplicación de los métodos volumétricos de análisis a. Describir la preparación de soluciones en unidades de % masa, % volumen, % masa/volumen, partes por millón, molaridad y concentración analítica. b. Describir el cambio de unidades de concentración de una unidad a otra incluyendo cambio de % masa a molaridad, partes por millón a molaridad y viceversa. c. Aplicar los conceptos de analito, titulante, solución estándar, estandarización o valoración, punto de equivalencia y punto final en problemas de análisis titrimétrico. 2
d. Calcular el contenido o la concentración de analito en una muestra a partir de data experimental obtenida en un análisis volumétrico. e. Aplicar el concepto de dilución de muestra y el de titulación de una alicuota de solución de muestra, a problemas de determinación de concentración y de contenido. f. Distinguir entre titulación directa, indirecta y retrotitulación y resolver problemas cuantitativos. B.4. Equilibrio químico ácido-base a. Describir y aplicar el concepto de electrolito fuerte ó débil a sales y compuestos con propiedades ácido-base. b. Formular la expresión de reacción de equilibrio ácido-base y de la constante de equilibrio para cualquier ácido o base débil c. Clasificar ácidos y bases en las categorías de fuertes y débiles. d. Aplicar la definición de ácidos y bases de acuerdo a Arhenius y a Bronsted. e. Derivar la relación entre el K w de agua, la concentración de ión hidronio y de ión hidróxido en agua y la escala de ph. f. Calcular el ph de soluciones de ácido o de base (fuertes o débiles) dada la concentración y la fórmula de la sustancia. g. Predecir la forma de la curva de titulación de un ácido o base (fuerte ó débil) con titulante fuerte. h. En la titulación de un ácido o base monoequivalente (fuerte ó débil), calcular el volumen de titulante necesario para llegar al punto de equivalenciay el ph de la solución en dicho punto. i. Establecer la relación entre el K a y K b de un par conjugado ácido-base. j. Calcular las concentraciones de los componentes de par conjugado ácido-base necesarios para la preparación de soluciones amortiguadoras de ph y concentración total dada. k. Aplicar el concepto de indicador visual ácido-base y explicar el criterio utilizado para su selección. B.5. Equilibrio de formación de complejos 3
a. Aplicar el concepto de equilibrio de formación de complejos y establecer la reacción y constante de equilibrio en términos de formación. b. Establecer la relación entre la constante global de formación (β α ) y las constantes de formación de cada complejo intermedio (K ъ ). c. Clasificar diferentes ligandos como monodentado, bidentado, tridentado, etc. y el tipo de complejo que forman. d. Escribir la fórmula estructural y los equilibrios de disociación ácido-base del ligando EDTA. e. Predecir como las reacciones ácido-base del ligando afectan el equilibrio de formación de los complejos. f. Aplicar el concepto de fracción α L ó α Y al cálculo de la constante condicional de formación. g. Predecir como las reacciones de formación de complejo con ligandos auxiliares afectan el equilibrio de formación de complejo con EDTA. h. Describir la curva de titulación de formación de complejo y calcular la concentración de ión metálico en el punto de equivalencia de la titulación. i. Aplicar el concepto de indicador visual ácido-base y explicar el criterio utilizado para su selección. B.6. Equilibrio de solubilidad a. Calcular la solubilidad en agua de una sal poco soluble ignorando reacciones secundarias del ión metálico y del anión. b. Predecir como la solubilidad de una sal se afecta cuando se añade (i) una sal de ión común, (ii) un ligando que forma un complejo con el catión de la sal, y (iii) una solución amortiguadora de ph dado. c. Calcular la solubilidad de una sal en solución de ión común. d. Describir los métodos de Mohr, Fajans y Volhard para la determinación cuantitativa de aniones. B.7. Equilibrio de oxidación-reducción a. Distinguir entre medias reacciones de reducción y oxidación. b. Distinguir entre agente oxidante y agente reductor. c. Determinar el número de oxidación de un elemento que forma parte de un ión poliatómico. d. Balancear reacciones redox y calcular la constante de equilibrio para la reacción. 4
e. Identificar el ánodo, cátodo, puente salino y la dirección del flujo de electrones en una celda electroquímica. f. Calcular el potencial neto de una celda electroquímica y predecir la dirección de la reacción espontánea. g. Aplicar la ecuación de Nernst para calcular el potencial de electrodo, la concentración de una sustancia o la constante de equilibrio de una reacción. h. Aplicar los conceptos de representación abreviada de una celda o un electrodo. i. Describir el electrodo estándar de hidrógeno y su relación con los potenciales estándares. j. Predecir si una celda va a ser galvánica o electrolítica dada su representación abreviada. B.8. Métodos de absorción molecular (a discutirse en el laboratorio) a. Describir la metodología de absorción de luz y definir la transmitancia. b. Establecer la Ley de Beer-Lambert y sus parámetros. c. Establecer los componentes principales de un espectrofotómetro ultravioleta-visible. B.9. Métodos de absorción atómica en llama (a discutirse en el laboratorio) a. Describir la metodología de absorción atómica en llama. b. Establecer los componentes principales de un espectrofotómetro de absorción atómica. c. Establecer la metodología para realizar un análisis cuantitativo. B.10. Teoría y aplicación de métodos de separación (a discutirse en el laboratorio) a. Describir el equilibrio de distribución de una sustancia entre dos líquidos no miscibles y establecer la constante de distribución de la sustancia. 5
IV. Contenido Temático del Curso 1. Introducción 1. Química Analítica 2. Análisis cualitativo y cuantitativo 3. Metodología analítica 2. Errores y tratamiento de la data analítica 1. Error 2. Precisión 3. Propagación de errores y rechazo de datos 4. Cifras significativas 5. Métodos de los cuadrados mínimos 3. Preparación de soluciones y aplicación de los métodos volumétricos de análisis 1. Sistemas de concentración molar, ppm, % masa, % volumen, % masa/volumen. 2. Cálculos estequiométricos aplicados a cambio de unidades de concentración. 3. Aplicación de los métodos volumétricos de análisis para determinar composición o concentración. 4. Equilibrio ácido-base 1. Tratamiento de Bronstead de ácidos y bases. 2. Cálculos sistemáticos de equilibrio ácido-base. 3. Indicadores ácido-base. 4. Soluciones amortiguadoras o buffer. 5. Aplicaciones de las titulaciones ácido-base. 6. Titulación de una mezcla binaria de ácidos o bases. 5. Equilibrio de formación de complejos (complejometría) 1. Estabilidad de complejos 2. Titulaciones complejométricas 3. Efecto de ph en el equilibrio de formación de complejps con EDTA. 4. Efecto de ligandos auxiliares en el equilibrio de formación de complejos con EDTA. 6. Equilibrios de solubilidad y titulaciones de precipitación 1. Factores que afectan la solubilidad (ph, ión común, formación de complejos, temperatura). 2. Aplicaciones de las titulaciones de precipitación. 6
7. Equilibrios de oxidación-reducción y titulaciones potenciométricas 1. Ecuación de Nernst 2. Tipos de electrodos 3. Reacciones redox y el efecto de reacciones secundarias en el equilibrio químico. 8. Métodos de absorción molecular 1. Ley de Beer y su relación con la transmitancia. 2. El espectrofotómetro ultravioleta-visible y sus componentes básicos. 3. Metodologías para análisis cuantitativo. 9. Métodos de absorción atómica en llama 1. La metodología de absorción atómica, el instrumento y sus componentes básicos. 2. Métodos de calibración y su aplicación al análisis cuantitativo. 10. Teoría y aplicación de métodos de separación 1. La distribución de un analito entre dos fases, el equilibrio de distribución, la constante de equilibrio. V. Experimentos de Laboratorio 1. Aplicación de conceptos estadísticos en la calibración de bureta y pipeta. 2. Determinación de fosfato o hierro por espectrofotometría visible. 3. Determinación de calcio por titulación con EDTA. 4. Determinación de calcio o plomo por absorción atómica. 5. Determinación de carbonato de sodio por titulación. 6. Aplicación de los métodos de separación. VI. Evaluación del Curso Para aprobar el curso se requiere aprobar tanto en la parte teórica como en la práctica. La evaluación del curso consta de: A. Parte Teórica La parte teórica constituye el 70% de la nota final del curso e incluye: 1. Tres exámenes parciales de 100 puntos cada uno y un examen final comprensivo de 150 puntos. 7
2. Una nota acumulativa de asignaciones y/o pruebas cortas equivalente a 100 puntos para sustituir la nota más baja de los exámenes parciales. B. Parte Práctica El laboratorio constituye el 30% de la nota final del curso e incluye: 1. Informes escritos de los experimentos realizados los cuales corresponden al 75% de la nota de laboratorio. Los informes de laboratorio deberán entregarse en el laboratorio en la fecha estipulada por el profesor. No se aceptarán informes con más de una (1) semana de atraso. 2. Exámenes o pruebas cortas de laboratorio los cuales corresponden al 25%. C. Escala de Evaluación Para establecer la nota final del curso se utilizará la que aparece abajo: A B C D F 100-85 84-75 74-65 64-55 54-0 VII. Recursos y Materiales A. Libro de Texto Skoog, D.A., West, D.M., Holler, F.J. and Crouch, S.R. Fundamentals of Analytical Chemistry, 8 th Ed.; Brooks Cole, 2004. Skoog, D.A., West, D.M., Holler, F.J. and Crouch, S.R. Analítica Fundamentos, 7 ma Ed.; McGraw Hill. Química B. Manual de Laboratorio Preparado por el Departamento. C. Bibliografía 1. Christian G.D., Analytical Chemistry, 6 th Edition, John Wiley & Sons, 2004. 2. Enke C.G., The Art and Science of Chemical Analysis, John Wiley & Sons, 2001. 3. Skoog, D.A., West, D.M., Holler, F.J. and Crouch, S.R. Fundamentals of Analytical Chemistry, 8 th Ed.; Brooks Cole, 2004. 8
4. McMurry J. and Fay R.C., Chemistry, 3 rd Edition, Prentice Hall, 2001. 5. Trujillo, Andrés; http://coqui.lce.org/atrujillo/analitica 6. Billo, J.E. Excel for Chemists: A Comprehensive Guide, Wiley- VCH, 2001. 7. Limusa/Noriega Eds; Microsoft Excel 2000 / Tecnología de la Información en Computación, 2000. 8. Young, Sidney; Wierzbicki, Andrzej. Linear Least-Squares Regression, J. Chem. Educ., 2000 77 669. 9. Sielemann, Morten; Andersen, Niels Peder Raj; Keiding, Kristian; Modeling ph in Natural Waters, J. Chem. Educ. 2002 79 528. 10. Burke, Jeffrey T.J.; An Acid Hydrocarbon: A Chemical Paradox, Chem, Educ. 2004 81 65. 11. Concepts tests in analytical chemistry: www.jce.divched.org/jcedlib/qbank/collection/conceptests/ analyt.html Revisado: Enero 2005 9