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Universidad Nacional Autónomade MéxicoFacultad de Estudios Superiores ZaragozaQuímica Farmacéutico BiológicaGrupo 1274Laboratorio de Ciencia Básica IIAnálisis cualitativo de cationes en la tinta deperiódico por medio de la combustiónFecha: 14 / Enero/ 2021Profesora: Ruiz Rodríguez Ana KarenAlumno: P...

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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Zaragoza

Química Farmacéutico Biológica Grupo 1274 Laboratorio de Ciencia Básica II

Análisis cualitativo de cationes en la tinta de periódico por medio de la combustión

Fecha: 14/ Enero/ 2021 Profesora: Ruiz Rodríguez Ana Karen Alumno: Pérez Gonzalez Ricardo Equipo: 3

Análisis cualitativo de cationes en la tinta de periódico por medio de la combustión

Introducción

Desde la invención de la escritura, esta ha sido el método por excelencia con el cual se transmite la información y el conocimiento, así mismo, esta ha ido evolucionando con el paso del tiempo, una clara prueba de dicha evolución es la creación de la tinta, ya que se han ideado distintos métodos para elaborar una gran cantidad de pigmentos de tinta creados al mezclar varios compuestos. En un inicio la tinta fue creada por los chinos (2500 a.c.) los cuales la elaboraban con hollín, pigmentos vegetales y algunos elementos más, método usado de igual manera por los egipcios, en el caso de los griegos y los romanos, utilizaban distintos materiales para elaborar las tintas, como la cochinilla o mariquita del nopal, el índigo o añil, carbón de madera resinosa o la tinta de sepia o calamar. [1,2] Con la llegada de la edad media entre los siglos XII - XVII se crearon tintas más resistentes, usando titanio y hierro como base, sin embargo se decoloraban al pasar el tiempo, posteriormente, con la evolución de la química se crearon tintas con compuestos como los acetatos de plomo, nitratos de plata o cloruro de cobalto (sustancias tóxicas), hasta llegar a las tintas actuales hechas por ejemplo con ácido oxálico, cloruro de oro o con cloruro de cobalto. [2,3] En la actualidad, una de las formas en las que se continúa difundiendo la información es a través de los periódicos, por esta razón existen una gran cantidad de fábricas o imprentas encargadas de las fabricaciones y distribuciones de los periódicos, para esto utilizan distintos métodos para plasmar la tinta en el papel, por lo tanto no es de extrañar que incluso se utilicen distintos tipos de tintas, las cuales como ya se vio, son elaboradas con distintos compuestos los cuales aún en la actualidad pueden ser o no tóxicos. Ahora bien, cuando encendemos la estufa para preparar un café o al encender una vela se puede notar que la flama es de un color característico, en el caso de la estufa, la flama es de un tono azul sin embargo, en el caso de la vela, la flama es de un color amarillo, así mismo alguna vez hemos puesto al fuego algún material el cual al arder ocasiona que la flama cambie de tonalidad. Con lo dicho anteriormente todos los elementos que se encuentran en la tabla periódica al ser quemados ocasionan que la llama cambien a un determinado color el cual es característico de dicho elemento (espectro de emisión), teniendo esto en mente, el cambio de color en la flama puede ser usado para saber qué elementos se

encuentran en un determinado compuesto, este método puede ser considerado por ende como una especie de análisis analítico como lo puede ser también las marchas analíticas y sigue de forma similar el principio de una marcha de cationes. En las sesiones experimentales realizadas, mediante la combustión de tres periódicos de diferentes editoriales se determinó de forma cualitativa los cationes que se encontraban presentes en las tintas usadas en las impresiones de dichos periódicos, ello cuando la flama donde se quemaron los periódicos cambió de color al quemar determinado papel de cada uno de los periódicos como consecuencia del espectro de emisión de cada elemento.

Marco Teórico Como primer punto debemos de explicar el concepto de marchas analíticas que se entiende como toda sistemática que permita la separación y la identificación de especies químicas, agrupándolas por su comportamiento característico frente a algún disolvente o algún reactivo. Las marchas analíticas se circunscriben al caso de los iones inorgánicos, si bien, suelen incluir también algunos iones orgánicos que tienen un comportamiento similar al de los iones inorgánicos, Existen diferentes marchas, tanto para aniones como para cationes. Dado el elevado número de cationes inorgánicos y la diversidad de su comportamiento, las marchas para cationes son complejas. En una marcha para cationes, éstos son separados en cinco o seis grupos. Dentro de cada grupo se realizan ensayos de identificación, y también algunas operaciones de separación adicionales cuando son necesarias. Las marchas más extendidas para la identificación de cationes son las conocidas como del sulfhídrico y del carbonato, Los iones metálicos ordenados de acuerdo a la sistemática de la marcha analítica del carbonato son: Grupo I: Cr(VI), As(III), As(V). Grupo II: Sn(IV), Sb(V). Grupo III: Pb(II), Hg(I), Ag(I). Grupo IV: Pb(II), Ba(II), Ca(II). Grupo V: Cr(III), Fe(III), Al(III), Bi(III). Grupo VI: Zn(II), Cu(II), Ni(II), Co(II), Hg(II), Mn(II), Ca(II) y Mg(II). [4]

Es necesario para esta sesión experimental conocer el significado de catión, que explicaremos de la siguiente manera, cuando un átomo neutro pierde uno o más electrones, el número total de electrones disminuye mientras que el número de protones en el núcleo sigue igual. El resultado es que el átomo se convierte en un catión, un ion con una carga neta positiva. [5] El proceso opuesto también puede ocurrir cuando un átomo neutro gana uno o más electrones, el número de electrones aumenta mientras que el número de protones en el núcleo permanece igual, el resultado es que el átomo se convierte en un anión, un ion con una carga neta negativa... … esto se puede ilustrar al examinar algunos cationes y aniones muy simples, aquellos que se forman cuando un solo átomo de hidrógeno pierde o gana un electrón. [6] Cuando un electrón se encuentra en movimiento, produce efectos que son en parte eléctricos y en parte magnéticos. La fuente vibrante que produce una onda de radio en una antena transmisora está constituida por electrones que oscilan de un lado a otro en un tiempo muy breve. Como éstas se producen por fluctuaciones en los campos eléctricos y magnéticos que provocan los electrones oscilantes, reciben el nombre de ondas electromagnéticas. Los científicos han determinado que la luz visible, los rayos infrarrojos y los ultravioleta, también están constituidos por ondas electromagnéticas. Fue el físico escocés James Clerk Maxwell (18311879) el primero en proponer la naturaleza electromagnética de la luz, él consideró lo siguiente: así como un campo magnético variable genera un campo eléctrico, también es posible que un campo eléctrico variable produzca uno magnético. De tal manera que una sucesión repetida de ellos produzca una perturbación electromagnética siendo generador del otro. Maxwell encontró una magnitud de 300 mil km/s para la velocidad de las ondas electromagnéticas. Que es igual a la magnitud de la velocidad de propagación de la luz. Esto le permitió proponer que la luz está formada por ondas electromagnéticas, las cuales se pueden propagar en el vacío sin necesidad de un medio material. [7,8] En la radiación se emiten ondas electromagnéticas, de partículas atómicas o de rayos de cualquier tipo. Las radiaciones de mayor frecuencia y menor longitud de onda tienen un elevado poder de penetración y de ionización; tal es el caso de los rayos gamma, X y ultravioleta. Otras de menor frecuencia y mayor longitud de onda presentan efectos caloríficos y se les llama radiaciones infrarrojas. [9] El color de los cuerpos que nos rodean, se debe a la impresión que produce la luz en el ojo humano, así como a la propia naturaleza de los rayos luminosos y a la manera como son difundidos o reflejados por los cuerpos.

La luz blanca del Sol, es en realidad una mezcla de luces con diferentes longitudes de onda. Esto fue demostrado por Newton al incidir un rayo luminoso proveniente del Sol sobre un prisma de cristal. Se le da el nombre de espectro óptico al conjunto de rayos de diferentes colores que se forman uno junto al otro, cuando un rayo luminoso se descompone al atravesar un prisma de cristal o una red de difracción. Esto se debe a que al pasar el rayo luminoso de un medio a otro de índice de refracción distinto, su trayectoria sufre una desviación según disminuye su longitud de onda. El espectro obtenido a través de un prisma es poco preciso, por ello se utiliza un aparato llamado espectroscopio, mismo que proporciona un espectro claro y detallado. [10] Un espectro continuo es un espectro que se muestra sin interrupciones a través de toda su gama, contiene todas las gamas posibles de radiaciones desde un valor mínimo a otro máximo. Se pasa de una radiación a otra de forma gradual. La luz natural, al ser detectada por un prisma, abarca todas las radiaciones.Un arcoiris es un buen ejemplo de un espectro continuo. [11, 12] Todos los elementos que se encuentran en la tabla periódica tienen sus espectros de emisión y de absorción. Un espectro, distribuye la intensidad de una radiación en función de una magnitud característica, como la longitud de onda, la energía o la temperatura. El espectro de emisión es el producido por cualquier tipo de manantial de luz, si se trata de un sólido incandescente produce un espectro continuo que contiene todas las longitudes de onda comprendidas entre sus dos extremos. Cuando un gas es excitado eléctrica o térmicamente, emite un espectro de líneas característico de él. Así pues, la formación del espectro de líneas de cada elemento se debe a que los electrones emiten cantidades definidas de energía, por ello la luz es originada cuando los electrones, que se encontraban excitados y, por tanto, habían pasado de un nivel de energía menor a otro mayor, emitiéndose como radiación electromagnética, es decir, en forma de luz monocromática de longitud de onda perfectamente determinada por los niveles energéticos inicial y final en el seno (parte interna) del átomo. Kirchhoff descubrió que todo elemento químico tiene un espectro de líneas de emisión característico, esto ha posibilitado a los físicos desarrollar la técnica del análisis espectral y catalogar con exactitud las líneas que constituyen el espectro de emisión de cada sustancia. Por tanto, si se desea conocer la naturaleza de una sustancia desconocida, basta con observar su espectro de emisión, pues las distintas combinaciones químicas

de un mismo elemento químico no alteran fundamentalmente su espectro. En conclusión, se puede afirmar que el origen del espectro de un elemento se encuentra en sus átomos. [13] Los espectros de emisión de sólidos calentados son continuos (como el espectro de emisión del sol); esto significa que, abarca todas las longitudes de onda de la luz visible. Por su parte, los espectros de emisión de los átomos es fase gaseosa, no muestran una distribución continua de longitudes de onda, si no que emiten líneas brillantes en distintas partes del espectro visible. Estos espectros de líneas corresponden a la emisión de la luz sólo a ciertas longitudes de onda. [14] Cualquier sustancia absorbe el mismo tipo de luz que la que emite. Un espectro de absorción se presenta cuando un cuerpo que emite un espectro continuo se le interpone un gas antes de llegar la luz al espectroscopio. Como el gas absorbe todas las longitudes de onda de igual índole de su espectro de emisión, al observar el espectro resultante en el aparato, se notarán unas líneas negras en los sitios correspondientes a las líneas características del espectro de emisión del gas absorbente. [15, 16]

De los siete colores del espectro de la luz visible, tres son primarios o fundamentales, porque al mezclarlos se obtienen los demás colores; los fundamentales son: el amarillo, el rojo y el azul. [16] Ahora bien, un espectro de emisión se da cuando los átomos se encuentran en estado fundamental o más estable y por lo tanto están en un equilibrio, sin embargo, al calentarlos dicho estado de equilibrio se pierde y absorben energía alcanzando un estado de excitación. Este estado posee una energía determinada, que como ya se mencionó, es característica de cada sustancia. Los átomos que se encuentran en un estado excitado tienden a volver al estado fundamental (energéticamente más favorable) para ello deben perder energía, por ejemplo, en forma de luz. Puesto que los estados excitados posibles son diferentes para cada

elemento y el estado fundamental es siempre el mismo, la radiación emitida también es diferente para cada elemento y puede ser utilizada para identificar a este, funcionando como una especie de marca. Un ejemplo donde se puede utilizar esta característica de los elementos es en los ensayos a la llama, método que consiste en exponer a la flama de un mechero, una vela, etc, una determinada cantidad de una cierta sustancia y esperar a que ocurra una excitación de los átomos y por ende el color de la llama cambie, a este método un tanto más simple que la espectrofotometría también se le puede considerar como un método de marcha anaítica.[17] Los espectros de emisión de algunos de los metales más comunes (que muestran al ser expuestos a la llama) son los que se muestran en la siguiente tabla:

[18] Retomando el tema central de la práctica y como se mencionó anteriormente, la escritura es la forma para transmitir la información con más relevancia, un claro ejemplo son los periódicos, ahora bien, la tinta empleada en la impresión de periódicos ha variado durante los años; desde la clásica pintura negra manchante, a una tinta morada. En algunos casos, o incluso de color café, aunque el desarrollo más reciente de la tinta se ha enfocado a que no manche y que sea biodegradable. La tinta de periódico y la impresión de color de las revistas contienen disolventes de gran toxicidad, sobre todo por el gran contenido de acetato de plomo que contiene, por eso es aconsejable desechar las revistas y periódicos una vez leídos. [19] Entre los diferentes tipos de tinta utilizados en la imprenta se encuentran: 

Tintas ultravioleta: este es el que se emplea actualmente en muchos sistemas de impresión como la Tipografía, la Flexografía, el Offset o la impresión de etiquetas autoadhesivas. No se denomina secado, sino polimerización o curado de las tintas. Se genera a través de la radiación de unos rayos ultravioleta que despiden unos emisores (lámparas) U.V. y que están a una distancia determinada.

Tintas grasas convencionales (tipografía/ offset): para acelerar el secado se emplean infrarrojos (I.R.).  Tintas en base solventes (sistema flexográfico) que secan por evaporación de los disolventes en contacto con el aire: también se utilizan secadores de aire caliente  Tintas en base agua (sistema flexográfico) que secan por oxidación al contacto con el aire: también se emplean secadores de aire caliente para acelerar el secado. [20] 

Justificación Durante las sesiones experimentales, mediante la combustión de cuatro periódicos de diferentes editoriales se buscó determinar de manera cualitativa los elementos metálicos con los que están elaboradas las tintas de cada periódico, ello se logró mediante la observación del cambio de color de la flama del fuego al quemarse una hoja de cada uno de los periódicos, provocado por el espectro de emisión los metales que poseía cada tinta. Planteamiento del problema En muchas ocasiones cuando se desea saber qué elementos se encuentran en determinadas sustancias se emplean métodos de análisis cualitativos como la marcha de cationes, sin embargo en algunas ocasiones no es posible llevar a cabo dicho método analítico, una manera más sencilla de realizar un análisis de este tipo es mediante un ensayo a la flama, aplicando lo anterior en la vida cotidiana; existen diversas editoriales que se encargan de imprimir los periódicos de todos los días, por esta razón es evidente que no todas las editoriales utilizan los mismos métodos de imprenta o las mismas tintas, en estos casos para saber que compuestos conforman cada tinta usada por las editoriales se puede aplicar el método de ensayo a la flama. Pregunta de investigación ¿Qué cationes se encontrarán en las tintas de diferentes periódicos al realizar un ensayo a la flama? Hipótesis Al quemar los periódicos de diferentes editoriales, el color de la flama cambiará dependiendo del catión que esté presente en la tinta del periódico y con ayuda del espectro de emisión, se podrá identificar el catión que está presente en cada tinta.

Objetivos General: Identificar el motivo del cambio de color de la flama al quemar cada uno de los periódicos de distintas editoriales. Particulares: Emplear de manera adecuada el método de análisis cualitativo ensayo a la llama Variables Independiente: Tinta de periódico, tiempo de exposición a la flama Dependiente: Color emitido (espectro de emisión)

Material General 

1 caja de fósforos / encendedor

Metal 

1 recipiente de metal

Reactivos 

3 periódicos de distintas editoriales

Metodología En primer lugar se colocó el recipiente de metal en un lugar donde la luz del sol no era tan fuerte, las corrientes de aire fuesen mínimas y no hubiese riesgo de incendio, posteriormente se tomó el primer tipo de papel periódico y se colocó dentro del recipiente de metal, a continuación, con los fósforos/encendedor se encendió el periódico y se registraron los cambios observados en el color de la llama, se repitió el mismo procedimiento para el segundo y tercero tipo de papel periódico. Finalmente se realizó el análisis de los datos obtenidos. Lo anterior se hizo cuatro veces.

Diagrama de flujo

Diagrama de Ishikawa

Diagrama de Gantt Horario / Pasos

Paso 1

Paso 2

Paso 3

Paso 4

Paso 5

Paso 6

1:00-1:05 pm 1:05-1:10 pm 1:10-1:15 pm 1:15-1:20 pm 1:20-1:30 pm 1:30-3:00 pm

Resultados obtenidos Durante las sesiones experimentales en las cuales se buscó determinar los cationes de los elementos metálicos presentes en las tintas usadas en la impresión de los periódicos mediante un ensayo a la llama, se observaron ciertos cambios en la coloración de la llama del fuego al quemar los diferentes tipos de papel periódico de las tres diferentes editoriales, estos cambios se observan en las imágenes que se presentarán a continuación.

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Color de la flama del Periódico 1; editorial “La prensa” Sesión experimental 1.

Imagen 1.1. Fuego verde-azul -

Imagen 1.2 Fuego Amarillo con verde-azul

Sesión experimental 2.

Imagen 2.1. Fuego verde claro

Imagen 2.2 Fuego verde claro

Sesión experimental 3.

Imagen 3.1. Fuego verde-azul

Imagen 3.2. Fuego verde-azul

Sesión experimental 4

Imagen 4.1. Fuego verde-azul -

Imagen 4.2. Fuego verde-azul

Color de la flama del Periódico 2; editorial “Pásala”

Sesión experimental 1

Imagen 5.1. Fuego verde-azul

Imagen 5.2. Fuego verde-azul

Sesión experimental 2

Imagen 6.1. Fuego verde-azul

Imagen 6.1. Fuego verde-azul

Sesión experimental 3

Imagen 7.1. Fuego verde-azul

Imagen 7.2. Fuego verde-azul

Sesión experimental 4

Imagen 8.1. Fuego verde-azul

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Imagen 8.2. Fuego verde-azul

Color de la flama del Periódico 3; editorial “Esto”

Sesión experimental 1

Imagen 9.1. Fuego verde-azul

Imagen 9.2. Fuego verde-azul

Sesión experimental 2

Imagen 10.1. Fuego verde-azul Sesión experimental 3

Imagen 11.1. Fuego verde-azul

Imagen 10.2. Fuego verde-azul

Imagen 11.2. Fuego verde-azul

Sesión experimental 4

Imagen 12.1. Fuego verde-azul

Imagen 12.2. Fuego verde-azul

Tabla 1. Colores de la flama al quemar hojas de periódicos 1era sesión Editorial

“La prensa”

“Pásala”

“Esto”

Color de Ele...