Determinación espectrofotométrica de hierro PDF

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Informe de espectrofotometría de hierro...

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Determinación espectrofotométrica de hierro (II) Esteban Mora Monestel Laboratorio de Química Analítica, Grupo 02, Prof. José Ángel Rodríguez Corrales Bachillerato en Ingeniería de Bioprocesos Industriales, Escuela de Química, Universidad Nacional, Costa Rica. Fecha de realización: 29/04/19 Fecha de entrega: 07/05/19 Fundamento teórico La espectrofotometría estudia la relación existente entre la absorbancia de una muestra con su concentración. Se preparó una disolución de hierro (II). Luego, a la misma se le agregó clorhidrato de hidroxilamina para reducir el hierro a hierro (II), acetato de sodio para regular el pH y ortofenantrolina para formar la ferroína de color rojo-naranja. La reacción es la siguiente: +¿ ¿ 2+ ¿+3 H +¿ → Fe (Ph)¿3 ¿ 2+¿+3 PhH ¿ Fe Posteriormente se determinó la concentración de hierro (II) en pastillas de fumarato de hierro (II) y una disolución patrón de hierro (II) por medio de la medición de la absorbancia usando un espectrofotómetro Helios beta. El resultado se reportó como concentración de hierro (II) en mg/L y masa de hierro (II) por pastilla en g. Sección experimental Reactivos - Disolución patrón de hierro (II) (20,0031 ± 0,0079¿ M - Fumarato de hierro (II) - 1,10 - Fenantrolina 0,1% - Disolución de ácido clorhídrico 6 mol/L - Clorhidrato de hidroxilamina 5% - Acetato de sodio 10% Equipo - Espectrofotómetro Helios Beta

Datos preliminares - Concentración de hierro Absorbancia−b Fe2+ mg/L= m -

Masa de hierro en pastilla

Fe2+ g [ Muestra]∗Vol. Baló n 1 Vol. Baló n 2 Masa Pastilla

=

Vol. alí cuota Masa triturado∗1000

Datos experimentales Cuadro 1. Medida de la masa de una pastilla de fumarato de hierro (II) usando una balanza analítica AND GR 200. Medición Masa de las Masa del triturado pastillas ( (

± 0,00018¿ g . 1

0,35900

± 0,00018¿ g . 0,23770

Cuadro 2. Absorbancia de las muestras de una disolución de fumarato de hierro (II) a una longitud de onda de (520,000 ± 0,030¿ nm . usando un espectro fotómetro Helios beta. Muestra Absorbancia (

± 0,00029¿ 1 2 3

0,82300 0,62200 0,62700

Cuadro 3. Curva de calibración para la determinación de hierro (II) en disoluciones patrón de hierro (II) (20,0031 ± 0,0079) M usando un espectrofotómetro Helios beta con una longitud de onda de (520,000 ± 0,030¿ nm. Muestra Absorbancia ( Concentración (

± 0,00029¿ 1 2 3 4 5 6

0,11700 0,17400 0,35900 0,53300 0,71300 -0,00800

± 0,0 0079¿ mg/L 0,60009 1,00015 2,00031 3,00046 4,00062 0,00000

Resultados La concentración de hierro (II) promedio fue de (194 ± 24) mg/L con una desviación estándar relativa de 16%. Por otra parte, la masa promedio obtenida de hierro (II) por pastilla de fumarato de hierro fue de (2,44 ± 0,65) g con una desviación estándar relativa de 21%. La curva de calibración para la determinación de hierro (II) en disoluciones patrón de hierro (II) es la siguiente:

Absorbancia

Curva de calibración 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

f(x) = 0.18 x + 0 R² = 1 Linear ()

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Concentración mg/L

Discusión Los métodos espectrofotométricos estudian la relación existente entre la absorbancia de radiación electromagnética y la concentración del analito en una sustancia. La técnica se basa en que cada sustancia absorbe o transmite luz a cierta longitud de onda la cual es directamente proporcional a la energía necesaria que promueve la transición de los electrones de valencia hacia un estado excitado. Es necesario hacer uso de un espectrofotómetro para llevar a cabo este método. El anterior es un aparato que descompone la luz policromática en diferentes longitudes de onda y mide la absorbancia de una muestra a una longitud de onda determinada. 1 Los artefactos para la medición de absorción de radiación poseen una fuente de energía radiante, un

selector de onda, un detector y cubetas como componentes básicos. La fuente de luz o energía radiante comúnmente utilizada para la región visible es la lámpara de tugnsteno/halógeno. Éstas son lámparas ordinarias con un filamento de tungsteno. La misma al presentar una pequeña cantidad de yodo dentro del filamento provee una amplia distribución de longitud de onda entre 350 y 2500 nm. Normalmente, la vida media de una lámpara de tugnsteno/halógeno es mayor a una lámpara de tungsteno por la inevitable sublimación del mismo dentro del filamento. Al haber precencia de yodo, el tungsteno sublimado producira WI2. Estas moléculas regresan al filamento caliente, se descomponen y liberan yodo. Los selectores de longitud de onda son componentes que restringen la radiación que se está midiendo, la cual es absorbida o emitida por el analito. Estos instrumentos aumentan considerablemente la sensibilidad y selectividad del método en la cuantificación de la absorbancia. Comúnmente, los espectrofotómetros poseen monocromadores o filtros los cuales aislan una banda de la longitud de onda deseada. Por otra parte se encuentran los detectores. Para emplear las técnicas espectroscópicas es necesario que la energía radiante manifestada sea detectada para hacer posible su cuantificación. Los detectores se encargan de indicar y registrar los factores variables, en este caso la radiación electromagnética. En la espectrofotometría, un detector convierte la señal luminosa en una corriente eléctrica la cual es proporcional a la intensidad incidente. Específicamente, los transductores de radiación se encargan de convertir las magnitudes no eléctricas en señales eléctricas que posteriormente pueden transformarse para desplegar un valor numérico. Por último se encuentran los procesadores de señales y dispositivos de salida. Éstos poseen la función de amplificar la señal eléctrica desplegada por el detector. Los procesadores efectúan diversas labores matemáticas en la señal tales como la integración o conversión a logaritmos. Los contenedores donde fueron depositadas las muestras presentan un material específico el cual depende de la longitud de onda a la cual será sometida la muestra. Por ejemplo, para determinar la absorbancia de una muestra por radiación ultravioleta (longitudes de onda menores a 350 nm) se requiere una cubeta de cuarzo o silicato fundido.

El vidrio de silicato es un contenedor comúnmente utilizado por su bajo costo. Éste es empleado en longitudes de onda de 375-2000 nm. Otra opción de menor costo y que abarca gran parte de la lectura del espectro visible son las cubetas de plástico. Para la determinación colorimétrica de hierro (II) se deben tomar en cuenta varios aspectos con el fin de obtener resultados satisfactorios. Primeramente, para que la formación del complejo rojo-anaranjado, llamado ferroína, sea completa; todas las soluciones de hierro deben ser reducidas a hierro (II). Para esto se utiliza cloridrato de hidroxilamina o un exceso de hidroquinona. Una vez efectuada la reducción de hierro, se requiere que la disolución posea un pH entre 2 y 9. Se recomienda un pH prximo a 4 para evitar la precipitacin de diversas sales de hierro como puede ser el fosfato.2 Se hace uso de acetato de sodio para regular el pH en el intervalo descrito anteriormente. Por último, el Fe+2 reacciona con el ligando indicador 1,10-fenantrolina, presente en el reactivo en forma de sal de sodio, formando la ferroína.3 Este acomplejamiento viene acompañado de un color rojo-anaranjado el cual es proporcional a la concentración de hierro (II) total en la muestra. El complejo de coordinación octaédrico formado presenta una composición de tres ligandos con un centro metálico y que absorbe en el rango de UV Visible a una longitud de onda máxima de 510 nm.4 De igual manera, un método alterno para la determinación de hierro (II) es haciendo uso del reactivo Ferrover. Este reactivo cuenta con agentes reductores los cuales reaccionan con todo el hierro soluble para producir Fe 2+. Estos agentes son el ditionito y el metabisulfito. Una vez que el ditionito de sodio se disuelve en agua, este se disocia en bisulfito y bisulfato sódico. El bisulfito sódico reducirá el Fe3+ a Fe2+. Luego, se le añade 1,10fenantrolina para formar la ferroína y así realizar el proceso espectrofotométrico. Analizando el cuadro 2, se observa alta precisión en el valor de absorbancia para la muestra 2 y 3 (s=0,0035). Por otra parte, al analizar los datos incluyendo la muestra 1, la precisión disminuye considerablemente (s=0,11), habiendo mayor dispersión entre los valores. Para el cálculo de la concentración de hierro (II) en las disoluciones se obtuvo alta presición (s=0,65). Al estudiar los valores de absorbancia y concentración promedio obtenidos en las disoluciones de hierro (II) y compararlos con las concentraciones de las alícuotas del patrón se avista concordancia entre

estos datos. La absorbancia promedio de hierro (II) en la alícuota de 2 mL fue de (0,69067 ± 0,00029 ) con una concentración de (3,883 ± 0,023) mg/L, al compararse con la curva de calibración se indica que el dato se encuentra entre la muestra 4 y 5. Las concentraciones finales de hierro (II) despliegan valores cuya precisión disminuye notoriamente (s=32) al ser comparado con las concentraciones en disolución (s=0,65). Se puede inferir a raíz de estas cifras que si la absorbancia promedio de varias muestras varía de forma notable, la concentración de las mismas lo hará de manera semejante por su condición de proporcionalidad. Esta dispersión inicial en los valores de absorbancia propició datos con alto grado de incertidumbre, significando que los resultados tienen leve nivel de confiabilidad. Por otra parte, la masa de hierro (II) por pastilla de fumarato de hierro fue de (2,44 ± 0,65) g cuya desviación estándar es 0,51. Este último valor señala un cambio de precisión en comparación a la concentración de hierro (II). Para la masa de hierro por pastilla se observa alta precisión entre los datos obtenidos. En cuanto a los errores presenciados en el experimento, se infiere la incidencia de los de método. Es posible que se diera la reacción de interferencias, reducciones incompletas por parte de la hidroxilamina, deficiente regulación del pH usando el acetato de sodio y hasta la formación de pequeñas sales de hierro como el fosfato; disminuyendo la exactitud del resultado. Por último, para futuras experimentaciones se aconseja agregar los reactivos en el orden tal como aparecen en el escrito. De no ser así, la reacción presentará dificultades y no se lograrán resultados convenientes. Referencias 1. Skoog, D.; West, D.; Holler, F. J.; Crouch, S. Fundamentals of Analytical Chemistry, 9na ed.; Brooks/Cole: México, 2015; pp 690. 2. Profesores y preparadores del laboratorio Instrumental Analítico. Guía de análisis mediante métodos de espectrometría molecular en el UV-Visible [Online]; Venezuela, 2013; pp 5. 3. Jimenez Herraiz, J. Validación de un método espectrofotométrico para la determinación de hierro en muestras de agua procedentes de torres de refrigeración y condensadores.

Bach. Tesis, Universitat Rovira i Virgili, Tarragona, Junio 2017. 4. Douglas, B. E.; McDaniel, D.H.; Alexander J.J. Conceptos y modelos de Química Inorgánica, 2ª ed, Editorial Reverté: Barcelona, 1994; pp 246.

Apéndice Parte I. Concentración de hierro(II) Curva de Calibracion Alícuota (mL) 0 3 5 10 15 20

Concentracion (mg/L) 0 0,60009 1,00015 2,00031 3,00046 4,00062

Absorbancia -0,00800 0,11700 0,17400 0,35900 0,53300 0,71300

Ecuación de la curva de calibración, obtenida por el método de mínimos cuadrados simples: y = 0,1774x + 0,0026 Concentración de las muestras (mg/L) 0,823−0,0026 = (4,633 ± 0,023) mg/L 1. Cmuestra = 0,1774 0,622−0,0026 =¿ (3,495 ± 0,023) mg/L 2. Cmuestra = 0,1774 0,627−0,0026 =¿ (3,523 ± 0,023) mg/L 3. Cmuestra = 0,1774 Concentración final de Fe+2 en la disolución mg 0,823∗100 Fe+2 = = (231,6 ±1,3 ¿ mg/L 1. 2 L mg 0,622∗100 Fe+2 = 2. = (174,7 ± 1,2) mg/L 2 L mg 0,627∗100 Fe+2 = 3. = (176,2 ± 1,2) mg/L L 2 Contribuciones a la incertidumbre

Alícuota (mL) 0 3 5 10

Concentración (mg/L) 0 0,60 1,00 2,00

Absorbancia (y) 0,0000 0,1170 0,1740 0,3590

Absorbancia esperada ( ^y ) 0,0026 0,1090 0,1800 0,3574

Diferencia de absorbancia (y- ^y ) -0,0026 0,0079 -0,0060 0,0016

Diferencia al cuadrado (y- ^y )2 6,84669E-06 6,3223E-05 3,60413E-05 2,59127E-06

15 20 Promedio

3,00 4,00 1,767

0,5330 0,7130 0,316

0,5347 0,7122 0,316

1. Incertidumbre de la curva de calibración Se = 0,0053 (Calculado con Excel) Sxx = 11,636 (Calculado con Excel) 2 0,005304 1 1 (( 0,823 −0,0000 )) Sx (Cmuestra 1) = * = 0,023 + + 0,1774 3 6 0,1774 2∗11,6369 2 0,005304 (( 0,622 −0,0000 )) Sx (Cmuestra 2) = * 1+1+ = 0,023 0,1774 3 6 0,17742∗11,6369 Sx (Cmuestra 3) =

0,005304 * 0,1774

√ √ √

2

1 1 (( 0,627 −0,0000 )) + + 3 6 0,1774 2∗11,6369

2. Incertidumbre de las pipetas A) Pipeta 2mL 0,01 = 0,0041 µ (tolerancia): √6 −4 1∗2,1 x 10 µ (temperatura): = 0,00012 √3 µ (repetibilidad): 0,00059 µ = √ (0,0041)2+( 0,00012 )2+(0,00059)2 = 0,0041 3. Incertidumbre de los balones A) Balon 100 mL 0,1 = 0,040 µ (tolerancia): √6 1∗2,1 x 10−4 = 0,00012 µ (temperatura): √3 Repetibilidad: 0,0062 µ = √ (0,040)2 +( 0,00012)2 +( 0,0062 )2 =0,040 B) Balón 250 mL 0,12 = 0,049 √6 −4 1∗2,1 x 10 = 0,00012 µ (temperatura): √3 µ (repetibilidad): 0,0155 µ = √ (0,049)2 +( 0,00012 )2 +( 0,0155 )2 =0,051 µ (tolerancia):

Cálculo de la incertidumbre combinada

= 0,023

-0,0017 0,0008 -7,8641E-17

3,158E-06 6,99068E-07 1,87599E-05

0,023 0,823 ¿ ¿ 0,0041 2,0000 ¿ µ(Fe+2) = 231,6276538 * = 1,3 ¿ 0,040 100,000 ¿ ¿ ¿ √¿ 0,023 0,622 ¿ ¿ 0,0041 2,0000 ¿ µ(Fe+2) = 174,7374871 * = 1,2 ¿ 0,040 100,000 ¿ ¿ ¿ √¿ 0,023 0,627 ¿ ¿ 0,0041 2,0000 ¿ µ(Fe+2) = 176,1526654 * = 1,2 ¿ 0,040 100,000 ¿ ¿ ¿ √¿ Promedio, desviación estándar y %RSD (Concentracion Final) ´ = 231,6 + 174,7 + 176,2 = 194 X 3 S = 32,44 32,44 % RSD = * 100 = 16% 194,1726

Incertidumbre promedio

µ ( X´ ) =

1,3 + 1,2 + 1,2 3 ¿ ¿ 1,312∗32,44 √3 ¿ ¿ ¿ √¿

= 24

Incertidumbre expandida µ = 24 * 2 = 48 Resultado (194 ± 24) mg/L de Fe+2 Parte II. Masa de hierro(II) por pastilla Contribuciones a la incertidumbre 4. Incertidumbre de la balanza AND GR 200 μ(m) =

√ (0,00017 ) +( 0,000029 ) 2

2

2

+( 0,000034 )

= 0,00018

5. Incertidumbre de Balon 250ml µ = √ (0,048)2 +( 0,00012)2 +( 0,0155 )2 = 0,050 Calculo de la masa de hierro por pastilla 1. Masapastilla = 231,6 * (

0,100∗0,250∗0,2395 ¿ = (2,9169 0,002∗( 0,2377 )∗1000

2. Masapastilla = 174,7 * (

0,100∗0,250∗0,2395 ¿ = (2,200 0,002∗( 0,2377 )∗1000

± 0,078) g

3. Masapastilla = 176,2 * (

0,100∗0,250∗0,2395 ¿ = (2,219 0,002∗( 0,2377 )∗1000

± 0,078) g

Promedio, desviación estándar y %RSD ´ = 2,9169 + 2,2008+ 2,2191 = 2,4454 X 3 S = 0,51 0,51 % RSD = * 100 = 21 2,44 Cálculo de la incertidumbre combinada

± 0,0061) g

0,05 250 ¿ ¿ 0,00018 0,2377 ¿ ¿ 0,00018 0,2395 ¿ ¿ 0,0041 µ (Masapastilla) = 231,6 * = 0,0061 2 ¿ ¿ 0,040 100 ¿ ¿ 1,3 231,6 ¿ ¿ ¿ √¿ 0,05 250 ¿ ¿ 0,00018 0,2377 ¿ ¿ 0,00018 0,2395 ¿ ¿ 0,0041 174,7∗¿ = 0,078 µ (Masapastilla) = 2 ¿ ¿ 0,040 100 ¿ ¿ 1,2 174,7 ¿ ¿ ¿ √¿

µ (Masapastilla) =

176,2 ¿

0,05 250 ¿ ¿ 0,00018 0,2377 ¿ ¿ 0,00018 0,2395 ¿ ¿ 0,0041 2 ¿ ¿ 0,040 100 ¿ ¿ 1,2 176,2 ¿ ¿ ¿ √¿

Incertidumbre del promedio 0,78 + 0,78 + 0,0061 3 ¿ ¿ 1,312∗0,51 ´¿ = µ( X √3 ¿ ¿ ¿ √¿

Incertidumbre expandida µ = 0,65* 2 = 1,3 Resultado (2,44 ± 0,65) g Fe2+ por pastilla

= 0,65

= 0,078...