Informe de gavimetria del hierro en medio homogenea. AL PDF

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Gavimetria por precipitacion, usando urea...

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DETERMINACIÓN GAVIMÉTRICA DE HIERRO EN MEDIO HOMOGÉNEO Anthony Libre Laboratorio de Química Analítica (sección 1)- Departamento de Química Facultad Experimental de Ciencias y Tecnología, Universidad de Carabobo

Profesor: Daniel Pacheco.

RESUMEN El análisis gravimétrico, como su nombre lo sugiere, depende de medir la masa para determinar la cantidad original de un analito. En la presente practica se llevó a cabo la determinación de dos etapas. La primera etapa se realizó el tarado de un crisol de porcelana como se indicó en la metodología, para eliminar las impurezas, grasas, bacterias y moléculas de agua, hasta obtener un peso constante. En la segunda etapa se determinó el porcentaje de hierro en una muestra de la sal de Morh, a partir de cuatro procesos explicados en la metodología. En el primer proceso se llevó a cabo la dilución de (0,5020 ± 0,0001) 𝑔 de la sal, seguidamente se añadió HNO3 hasta la oxidación completa del hierro, empleando una solución de ferricianuro de potasio se comprobó la oxidación total del hierro. En el segundo proceso se realizó la precipitación, añadiendo gota a gota hidróxido de amonio hasta llegar a un pH =3 mientras la solución se calienta y se agita constantemente, Al verificar con un papel indicador que se llegó al pH requerido, se añadió 15 gramos de urea con constante agitación y calentamiento, se dejó durante 1 hora hasta que se formará todo el precipitado de (Fe2O3), teniendo una apariencia gelatinosa de color pardo rojizo muy característicos, por último se dejó sedimentar todo precipitado durante 30 minutos. En el tercer proceso se comenzó con la filtración, donde se decantó todo el líquido sobrenadante en un papel filtro sin cenizas, el precipitado obtenido se lavó 3 veces con solución de hidróxido de amonio 1%, en caliente, y se pasó el precipitado por el filtro. Finalmente se realizó el cuarto proceso, donde se llevó a cabo la calcinación. Se dobló el papel filtro con su contenido y se colocó dentro del crisol ya tarado previamente, luego se introdujo el crisol en una mufla para calcinar a (900-1000) °C durante 1 hora hasta llevarlo a peso constante. Se obtuvo (0,0981 ± 0,0003)𝑔 de óxido férrico, a partir de los cálculos estequiométrico se determinó que la masa de hierro fue (0,0686 ± 0,0002)𝑔 y obtenido así un porcentaje de rendimiento del (13,67 ± 0,04)% Palabras claves: pectización, Precipitado, calcinación, homogéneo.

INTRODUCCIÓN.

pueden evitar utilizando un procedimiento en el cual el precipitante se produce como resultado de En una solución siempre existen regiones locales una reacción que ocurre dentro de la solución. A de alta concentración cuando se le adiciona un esta técnica por lo general se le llama precipitación precipitante aun cuando la solución esté diluida y a partir de una solución homogénea y puede llevar bien agitada, sim embargo, estos efectos locales se a la formación de partículas de precipitados 1|Página

grandes y puros. El ejemplo mejor conocido de este método es la utilización del hidrolisis de la urea para aumentar el pH y precipitar así a los óxidos hidratados o las sales de ácidos débiles. El problema más importante del análisis gravimétrico por precipitación es la formación de precipitados puros y que se puedan filtrar con facilidad. Por ello, es importante considerar algunos aspectos de tipo físico relacionados con la formación de los precipitados. En la siguiente practica se aplicará este procedimiento para la determinación gravimétrica del contenido de hierro presente en una muestra sólida. METODOLOGÍA. En la etapa 1 se llevó a cabo el tarado del crisol de porcelana. Bajo campana, se le adicionó 10 ml de HNO3 6M con ayuda de un cilindro graduado y se dejó reposa durante 10 minutos con el ácido. Seguidamente se descartó el ácido con ayuda de unas pinzas y se lavó con agua destilada. Al terminar el lavado, con ayuda de unas pinzas de metal, se introdujo el crisol con su tapa medio puesta en una mufla previamente calentada a unos (900 – 1000) °C, durante unos 20 minutos. Con la pinza de metal se retiró el crisol cuidadosamente hacía una superficie resistente al calor, para disminuir su temperatura y se dejó reposar durante 10 minutos en el desecador. Una vez enfriado, se llevó a pesar con su tapa y se anotó el valor obtenido. El proceso de calentar el crisol en la mufla durante 5 minutos y dejarlo reposar en el desecador y pesarlo en la balanza, se realizó tres veces hasta obtener un una diferencia menor a 0,0050 g. Nota 1: la manipulación del crisol se debe realizar con pinzas de metal o pinzas de madera, con la finalidad de no volver a contaminar el crisol.

Nota 2: Al momento de introducir el crisol con su tapa en la mufla, se debe utilizar guantes térmicos, y unas pinzas grandes para evitar quemaduras por las altas temperaturas. En la etapa 2 se realizó la determinación de hierro en una muestra de sal de Mohr. Esta etapa posee cuatro procesos fundamentales. El primer proceso se llevó a cabo la dilución de (0,5020 ± 0,0001) 𝑔 de la muestra, con 20 ml de agua destilada y con calentamiento, luego se adicionó HNO3 concentrado (15 M) para oxidar al hierro, para la comprobación de la oxidación, se tomó una placa de porcelana y se adicionó 1 gota de la solución y una gota de ferricianuro de potasio, una coloración amarilla indica que todo el hierro se oxido, una coloración azul indica que aún existe hierro sin oxidar en la muestra y se debe seguir añadiendo HNO3. Una vez oxidado todo el hierro se diluyó la solución con agua hasta obtener un volumen total de 250 ml, seguidamente se calienta sobre una plancha calefactora y se agita. En el segundo proceso se realizó la precipitación de la sal, donde se adicionó gota a gota 𝑁𝐻4 𝑂𝐻 3M hasta obtener un pH =3 mientras la solución se calienta y se agita constantemente, Al verificar con un papel indicador que se llegó al pH requerido, se añadió 15 gramos de urea. Se dejó la solución en calentamiento ligero hasta que precipitó todo durante 1 hora, finalmente se dejó sedimentar el precipitado obtenido durante 25 minutos. En el tercer proceso se llevó a cabo la filtración del precipitado obtenido, donde se decantó todo el líquido sobrenadante, filtrándolo por gravedad con papel filtro en pliegues y sin cenizas, Seguidamente se lavó 3 veces por decantación con 𝑁𝐻4 𝑁𝑂3 1% en caliente usando cada vez 75 a 100 ml del nitrato de amonio. Cuando se escurrió todo el líquido, se comenzó el cuarto proceso, donde se envolvió el papel filtro con su contenido de forma tal que el precipitado quede envuelto como se 2|Página

muestra en la (figura 2). Seguidamente se colocó en el crisol de porcelana previamente tarado y se prosiguió con la calcinación del óxido férrico, introduciéndolo en la mufla a una temperatura de (900 – 1000) °C durante 1 hora. Una vez calcinado se dejó enfriar en el desecador durante 20 minutos, y se llevó a pesar registrando su valor. El calcinado se realizó tres veces para hacer durante 20 minutos, hasta obtener un una diferencia menor a 0,0050 g en sus pesos registrados.

poder eliminar todas estas impurezas que puedan alterar los análisis a realizar. Existen microorganismos que son resistentes a altas temperaturas [1]. En la (Tabla 1), se muestran los pesos obtenidos del crisol vacío. Tabla 1. Masa del crisol obtenida al realizar la calcinación. Masa del crisol. Calcinación. (m ± 0,0001) 1 2 3

34,7797 g 34,7795 g 34, 7790 g

En la etapa 2 se determinó la cantidad de hierro como se indicó en la metodología, a partir de una . muestra problema de sal de Mohr de formula molecular Fe(NH4)2(SO4)2 ∙ 6𝐻2 O. Es una sal muy estable frente al oxigeno atmosférico y cristaliza en forma hexahidratada en el sistema monoclínico. Sólo existe en estado sólido y se forma por cristalización de la mezcla de sulfatos figura 2. Forma de plegar el papel de filtro y colocarlo dentro correspondientes, debido a que esta es más del crisol para calcinarlo. insoluble que los sulfatos por separado. Es muy útil en la preparación de patrones para medidas de RESULTADOS Y DISCUSIÓNES. ferromagnetismo. En la etapa 1, se llevó a cabo el tarado del crisol como se mencionó en la metodología, ya que estos En el proceso de dilución de la sal, al añadir el análisis gravimétricos son cuantitativos, es decir, agua destilada se debe calentar para aumentar la un análisis midiendo la masa de la sustancia a solubilidad de la sal. Ya que tiene un producto de analizar, estos instrumentos son altamente solubilidad de 10-39. Al añadirle el ácido nítrico resistentes a los cambios de temperatura, pueden concentrado estamos buscando la oxidación del funcionar a una temperatura máxima de 1100 °C. hierro por una reacción oxido reducción, donde el Es muy importante tener un peso constante del HNO3 oxidara al hierro (+2) a hierro (+3) como se crisol. Por lo cual él no debe interferir en estos muestra en la ecuación debido a su potencial pesados. Mayormente los crisoles absorben la estándar de reducción (1). humedad del ambiente, además de que poseen 3Fe2+ + NO3- + 4H+ ↔ 3Fe+3 + NO + 2H2O (1) microrganismos y principalmente grasas que se adhieren al momento de ser manipulados por el El ácido nítrico se reducirá pasando a monóxido analista. Por lo tanto calcinarlos a una temperatura de (900- 1000) °C es de vital importancia para nitroso un gas altamente toxico, por eso debemos 3|Página

trabajar bajo campana para así, evitar inhalar estos gases. Para comprobar que se óxido totalmente todo el hierro, se hizo una prueba rápida en una placa de porcelana. Donde se añadió una gota de la solución de hierro y una gota de solución de ferricianuro de potasio K3[Fe(CN)6], que posee un color característico amarillo pálido. Al reaccionar con el hierro (+2) da una coloración azul, conocido como azul de Prusia [2]. En base a esto si la prueba da una coloración azul se debe añadir pequeñas cantidades del ácido y se deja reposar para que la reacción se complete durante 3 minutos, hasta que la prueba no muestre ningún cambio de coloración al añadir el ferricianuro de potasio [1].

Esta descomposición se debe generar de forma lenta a temperaturas ligeramente por debajo de los 100 °C, y con constante agitación, para que se dé lugar un precipitado bastante denso, mucho menos sujeto a impurificaciones, que el que se obtiene por método convencional sin agregar la urea [2]. El tiempo empleado en total depende de la acidez inicial y de la temperatura, en el caso ideal la precipitación debería empezar al cabo de 1 hora. [2]. El precipitado que se obtuvo, fue un coloide coagulado (gelatinoso) de color pardo rojizo. Este tipo de precipitados se debe a las condiciones establecidas anteriormente, el precipitado se forma, al principio, en fase dispersa, pero al calentar, en presencia del electrolito, coagula en una masa gelatinosa que sedimenta, un prolongado calentamiento motiva que los coágulos se rompan dando partículas pequeñas. El óxido férrico hidratado es un ejemplo típico del coloide coagulado [2]. La reacción del precipitado gelatinoso se describe en la reacción (3).

En el proceso de precipitación. Se calentó a unos 60 °C y se adicionó hidróxido de amonio 3M con un pequeño exceso con la finalidad de llegar a un pH= 3, Esto de se debe al producto de solubilidad del óxido férrico, es del orden de 10-36, por lo que se puede efectuar una precipitación cuantitativa, aún en solución ligeramente ácida, y además, las perdidas por solubilidad en los lavados son desestimable [1]. Por lo tanto la adición de 𝐹𝑒 +3 + (2 + 𝑥 )𝐻 𝑂 →𝑏𝑎𝑠𝑒 𝐹𝑒𝑂𝑂𝐻 ∙ 𝑥𝐻 𝑂 + 3𝐻+ (3) 2 (𝑠) 2 hidróxido de amonio 3M nos proporcionara el medio ácido para que se produzca el precipitado de Una vez sedimentado todo el precipitado, hasta óxido férrico [2]. que todo el líquido sobrenadante sea incoloro. Se comienza con el proceso de filtración, donde se Al volatilizar todo el amoniaco debido al decanta el líquido sobrenadante, filtrándolo por el calentamiento, se añadió los 15 g de urea con papel filtro sin cenizas, de velocidad de filtración constante agitación, usando agitador magnético rápida. El papel de filtro debe ajustarse bien a las para una buena homogenización y con paredes del embudo de modo que el vástago del calentamiento por debajo de los 100 °C. La urea se embudo quede siempre lleno de líquido, para que emplea en la mayoría de los casos para generar los la filtración no sea demasiada lenta. iones hidroxilos de manera homogénea, que es el reactivo precipitante, donde se genera de manera Se agrega, al precipitado, unos 100 ml de uniforme en el seno de la solución como solución, a ebullición, de nitrato de amonio al 1%, consecuencia de la descomposición lenta de la para evitar que el precipitado coagulado coloidal urea, como se muestra en la reacción (2). de óxido férrico hidratado vuelva a su estado (NH2)2CO + 3H2O  CO2 + 2 NH4+ + 𝑂𝐻 −

(2)

disperso original, este fenómeno se conoce como pectización [1]. 4|Página

Por lo tanto los lavados son necesarios para minimizar la contaminación. No se utiliza agua pura para evitar la pectización, y el precipitado disperso pueda filtrase en el embudo. La reacción entre el electrolito fuerte de la sal amoniacal y el precipitado se representa en la reacción (4).

calcinación debe llevarse en buenas condiciones de oxidación, especialmente cuando se está quemando el papel de filtro, porque puede formarse por reducción parcial el 𝐹𝑒3 𝑂4 y aun hierro metálico. Estos productos de reducción son lentamente transformados en oxido férrico, por calcinación prolongada, con libre acceso de aire. 3+ + Fe(H2O)6 + 3 NH3  Fe(H2O)3(OH)3 + 3NH4 (4) Se evitó estas reducciones teniendo una temperatura controlada, no superior a los 1000°C, En el proceso de calcinación, al terminar de se mantuvo tapado el crisol pero dejando un escurrir el ultimo lavado, se dobló el papel filtro pequeño acceso de aire y no permitiendo que los como se indicó en la (figura 1) y se introdujo en la gases reductores provenientes de la llama llegaran capsula de porcelana ya tarada anteriormente. Se al precipitado [1]. utilizó el papel filtro sin cenizas. Ya que son fabricados con fibra de celulosa que se han tratado Los datos obtenidos una vez se llevó a peso para eliminar las especies inorgánicas, de modo contante el crisol con la masa del precipitado, se que no dejen residuos de cenizas cuando se muestran en la Tabla 3. En la tabla 4, se muestra calcinan. Además que son alta mente resistentes al los cálculos realizados para la determinación del momento de trabajar en soluciones ácida o básicas. hierro en la muestra de la sal de Mohr. La calcinación se debe hacer a una temperatura Tabla 3. Masa del crisol con el precipitado obtenido después de (900 – 1000) °C, ya que a estas temperaturas se de calcinar. Masa del crisol con el elimina las moléculas de agua que esta ocluida o Calcinación. precipitado. absorbida con mucha fuerza, y para completar el cambio de algunos precipitados al compuesto (m ± 0,0001) deseado. Para así formar óxido férrico, según la 1 34,8787 reacción (5). 2 34,8780 3

Fe(H2O)3(OH)3  Fe2O3 + 9 H2O

34,8788

(5)

Este tipos de fuerzas intermoleculares son conocidas, como las fuerzas de van der Waals, ya que existe una interacción puente de hidrogeno, y se necesita aplicar altas energía para poder eliminarlas. Durante el crecimiento de los cristales, el agua puede quedar encerrada y sólo puede excluir a temperaturas muy elevadas pala eliminar el agua por completo [1].

Tabla 4. Resultados obtenidos experimentalmente en la determinación de la sal de Mohr. Masa obtenida de 𝑭𝒆𝟐 𝑶𝟑 (0,0981 ± 0,0003)𝑔 Masa de 𝑭𝒆+𝟑

% 𝑭𝒆+𝟑 experimentales % 𝑭𝒆+𝟑 teóricos

(0,0686 ± 0,0002)𝑔 (13,67 ± 0,04)% 14,2419 %

Comparando el valor obtenido experimentalmente que fue del 13,67 % con el A temperaturas más altas, se puede formar más lentamente el Tetraoxido Triferrico (𝐹𝑒3 𝑂4 ). La valor teórico de hierro en la sal de Mohr de 5|Página

14,2419 %. Con este resultado se puede decir que los análisis gravimétricos son muy precisos si se realiza en las condiciones necesarias y empleando una buena técnica. durante la realización de los procesos pudo haber alguna perdida de materia, ocasionando así la disminución del rendimiento. Como lo fue en la filtración del precipitado, donde se pudo observar pequeñas trazas de hierro en el líquido sobrenadante, esto se comprobó añadiendo hidróxido de amonio al líquido sobrenadante ya filtrado, tomando así una coloración rojiza muy débil. Esto pudo ser ocasionado ya sea por falta de adición de hidróxido de amonio o por la pectización de algún núcleo del precipitado. Otro factor pudo ser errores en la calcinación, uno de los más graves es la reducción del precipitado por el carbono cuando se utiliza el papel filtro. Además los precipitados se pueden sobre calcinar, llevándolos a la descomposición y a la obtención de sustancias de composición definida. Los errores también pueden ser resultados de que un precipitado calcinado reabsorba agua o dióxido de carbono al enfriarse. Por ello, los crisoles se deben cubrir de forma adecuada y se deben mantener dentro del desecador mientras se enfría.

 La descomposición de la urea se debe generar de forma lenta a temperaturas ligeramente por debajo de los 100 °C, y con constante agitación  Controlar la temperatura y la agitación, es importante para la formación de los núcleos donde se formara la aglomeración de los precipitados.  Utilizar papel filtro sin cenizas, evitara la formación de algún residuo al momento de calcinar.  La temperatura para calcinar el precipitado de óxido férrico hidratado a oxido férrico, se debe hacer a altas temperaturas entre los 900 a 1000 °C.  Se debe utilizar solución de sal amonio en caliente para realizar el lavado del precipitado, para eliminar las impurezas, y evitar la pectización.  Una vez se saca el crisol de la mufla, se debe dejar enfriar durante pocos minutos en una superficie resistente al calor, antes de introducirlo en el desecador, para evitar los choques términos. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.

[1] Underwood A. (1989) Química Analítica cuantitativa. Quinta edición. Editorial Prentice El porcentaje de hierro obtenido de una Hall. México, México CF. Páginas: 90-110 muestra como la sal de Mohr obteniendo [2] Voguel A. “Química analítica Cuantitativa”. (13,67 ± 0,04)% Volumen I (volumetría y gravimetría). Editorial Kapelusz. (México) pág.: 289, 296, 565-569.  Emplear ferricianuro de potasio es una prueba rápida para comprobar la oxidación total del hierro. RECOMENDACIONES. CONCLUSIÓN.

 Realizar la precipitación del óxido férrico en un medio poco ácido permite la formación de un precipitado más denso.

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Si no se posee mufla en el laboratorio, la calcinacion tanto del crisol, como el del precipitado, se puede realizar en un 6|Página

mechero bunsen. Ya que estos tiene la capacidad calentar a unos 1200 °C. su montaje se puede observar en la figura 2. (ver anexos). 

La manipulacion del crisol se debe realizar con pinzas de metal, o de madera. Se debe evitar el uso de pinzas con algun recubrimiento plastico cunado se esta calcinando.

Figura 3. Coloración que debe tomar la solución al añadir el hidróxido de amonio.

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Si al momento de agregar la urea, y pasados 1 hora no se forma el precipitado gelatinoso, se debe añadir solucion de hidroxido de amonio. Para generar el medio requerido. Hasta que la solucion se torne de un clor amarillo-rojizo. Ver (Figura 3).

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Añadir solucion de hidroxido de amonio al liquido sobrenadante filtrado, si la solucion se torna de un color pardo, quiere decir que existe hierro por precipitar. Si ocurre esto, Figura 4. Precipitado obtenido experimentalmente del oxido se debe añadir una cantidad considerable de férrico hidratado. hidroxido de amonio, y se debe calentar por deajo de los 100 °C y con poca agitacion para favorecer el precipitado. ANEXOS.

Figura 2. Montaje para la calcinación del crisol y la muestra en mechero.

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CÁLCULOS TÍPICOS

 PROPAGACION DEL ERROR EN LAS MEDICIONES: El valor de una variable x calculada ...