Informe de Química Analítica: Determinación de hierro total en vinos mediante espectrofotometría UV-Visible PDF

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Práctica donde se determina la concentración de hierro en vinos mediante el uso de espectrofotometría ultravioleta-visible....

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¿Necesitas más apuntes? Encuéntrame en Unybook.com buscando el usuario @jmarinvives49 en el buscador web (arriba a la derecha) ¡No olvides puntuar, ni comentar!... UNIVERSIDAD: U.N.E.D. ASIGNATURA: EXPERIMENTACIÓN EN QUÍMICA FÍSICA Y ANALÍTICA (3er Curso). DOCUMENTO: Informe Química Analítica Práctica 3: Determinación de hierro total en vinos mediante espectrofotometría UV-Visible

PRÁCTICA 3: DETERMINACIÓN DE HIERRO TOTAL EN VINOS MEDIANTE ESPECTROFOTOMETRÍA UV-VISIBLE

Figura 1.1: Ejemplo espectrofotómetro analógico usado en la práctica

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Resumen En este experimento teníamos como objetivo el determinar el contenido de hierro en una muestra de vino blanco, mediante la técnica de la espectrofotometría de UV-Visible. Para ello hemos partido de dos muestras, la primera para determinar el contenido total de hierro en la muestra y la segunda para determinar el contenido de hierro(III) y de hierro(II). Para hallar estas concentración o contenido la técnica usada ha sido partir de una serie de disoluciones de las que conocemos el contenido en mg/L (ppm) de hierro , que son las disoluciones del calibrado, porque nos permiten conociendo la absorbancia a una longitud de onda determinada, representando estas absorbancias en función de la concentración, una recta de calibrado, de tal forma, que conociendo la absorbancia de las muestras mediante el espectrofotómetro analógico, con la ecuación de la recta de calibrado podemos determinar la concentración de hierro de estas muestras. El método usado ha consistido en preparar unas disoluciones de etanol, peróxido de hidrógeno, tiocianato potásico y de hierro a 50 ppm por dilución de otra de hierro con mayor concentración. Hemos preparado 6 disoluciones con cierta cantidad de estas disoluciones anteriores con cierta cantidad de la disolución patrón de hierro a 50 ppm que nos han servido para hacer la curva de calibración. A partir de esta recta de calibración hemos podido determinar el contenido de hierro en las dos muestras. Los resultados obtenidos han sido :

-De la recta de calibración: Pendiente = 0,153 ±0,004 ; Ordenada en origen = -0,032 ±0,033; Coef. correlación = 0,999; - Valores de las concentraciones en las muestras, tanto de la primera (para determinación contenido total de hierro), como de la segunda (para el contenido de hierro trivalente): -4

M1 = 1,32 ± 9,5·10 ppm M2 = 0,4 ± 0,12 ppm La absortividad molar ha sido:  = 8521 ± 38,29 L·mol -1·cm -1 y el límite de detección para una serie de blancos: L.D. = 9,15·10-7 M ; L.D. = 0,051 ± 0,00133 ppm (o mg/L).

Introducción teórica El vino es una bebida cargada de sustancias beneficiosas, debido a las cualidades de sus componentes, composición característica. Los dos metales más importantes que contiene el vino son el cobre y el hierro, de los que el vino tolera una cantidad límite sin que se produzcan quiebras (por insolubilidad de los mismos). El hierro que contiene el vino (3mg/L) se halla en 2 formas, como Fe2+ o como Fe3+. El ión Fe 3+ en medio ácido reacciona con KSCN para dar unos 2+ + complejos de color rojo: [Fe(SCN) , [Fe(SCN) 2] . Esta reacción constituye la base de un método espectrofotómetrico para la determinación de hierro en diferentes matrices como alimentos, aguas, minerales, sales metálicas,…

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Con esta práctica trataremos los conocimientos básicos que se aplican en la espectroscopía de absorción molecular de las radiaciones ultravioleta-visible, mediante determinación espectrofotométrica del contenido total de hierro. Determinaremos el espectro de absorbancia de la muestra, conocimiento de la aplicabilidad práctica de esta técnica y determinar el contenido de hierro en una muestra de vino, mediante espectrofotometría de UV-Visible. La espectroscopía de absorción UV-visible es una técnica que se basa en la absorción de radiación electromagnética por parte de analitos en la zona ultravioleta y visible del espectro. Si la radiación tiene la energía adecuada será absorbida por dicho compuesto y se producirá la promoción de un electrón a un nivel de energía superior, la molécula pasa a un estado excitado de mayor energía. Las líneas E1 y E2 representan las energías de los distintos niveles electrónicos excitados de la molécula de nivel energético fundamental E 0. Para que se produzcan transiciones entre el estado energético E 0 y E 1 es necesaria la absorción de fotones de longitud de onda del visible, más energéticos que los infrarrojos. Cuando un átomo o una molécula absorben radiación electromagnética de longitud de onda λ, esto significa que absorbe un fotón de esa λ. Tras esta absorción la especie se excita pasando un electrón de un orbital del estado fundamental a un orbital excitado de energía superior. Los estados excitados de cada átomo o molécula dependen de su estructura electrónica y que los distinguen del resto. Como consecuencia, el espectro de absorción de cada sustancia constituye una verdadera seña de identidad de la especie. Los parámetros que se utilizan para describir este proceso son la Transmitancia que es la relación entre la luz incidente I0 y la luz transmitida I y la Absorbancia que es el logaritmo decimal con signo negativo de la transmitancia:   =     =  −  =      La ley de Lambert-Beer, que es una ley de proporcionalidad que se cumple para luz monocromática y disoluciones diluidas de las especies absorbentes (< 0’01 M), establece una relación directa entre la absorbancia (A) y la concentración de especies absorbentes (A):   =    = ε ·  ·   donde A es la absorbancia, ε es la absortividad, l la longitud de la trayectoria del haz de radiación a través del medio o camino óptico, y C la concentración del analito. Luego, la absorción selectiva de radiación de determinadas longitudes de onda por parte de un analito o compuesto permite obtener el espectro de absorción característico del mismo con el instrumento espectrofotómetro. Para ello primero se ha de seleccionar la longitud de onda (que normalmente será la de máxima absorción del compuesto, dado que en las proximidades del máximo se cumple la ley de Beer). Después se hace la medición de la absorbancia a esa longitud de onda seleccionada de una serie de disoluciones patrón de concentración creciente y conocida para elaborar la recta de calibrado (para ello se representa la variación de la absorbancia A (eje de ordenadas) frente a su correspondiente concentración (eje de abcisas). El ajuste se hace por el método de mínimos cuadrados y la pendiente de la recta será ε. Cuanto

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mayor sea la pendiente, mayor exactitud tendremos en la medida. Finalmente llevando a la gráfica obtenida la absorción de una muestra determinada, obtendremos su concentración. El fundamento de la determinación del contenido en hierro de una muestra mediante la espectrofotometría de UV-visible, se basa en la propiedad que posee el ión Fe 3+ para dar complejos de color rojo, en presencia del ión tiocianato (SCN ). Fe3+ + nSCN-n(3-n) , con (n = 1,2,3,…,6). Esta reacción es la base para el diseño de métodos de determinación de este catión y 2+ 3+ determinación del contenido total de hierro de una muestra, previa oxidación del Fe a Fe . El complejo que se forma en cantidad significativa es el complejo [Fe(SCN) 2 ]+ . El espectro de 3+ absorción del complejo entre el ión Fe y el tiocianato en medio ácido, podemos ver que el máximo varía en el intervalo comprendido entre 470 y 530 nm. El color rojo de la disolución se debe a que el complejo absorbe las radiaciones correspondientes al verde del haz de luz blanca que atraviesa la muestra (longitudes de onda correspondientes al verde donde sucede mayor variación de la absorbancia con la concentración). Entorno a esa longitud de onda se toma para realizar las medidas. La concentración de los reactivos y el pH del medio condicionan el predominio de cada uno de los posibles complejos, todos ellos de color rojo, cuya intensidad aumenta a medida que lo hace el número de coordinación. En general en un medio poco ácido y con concentraciones + moderadas de tiocianato, se forma el complejo [Fe(SCN) 2 ] en cantidad significativa, manteniéndose estable durante aproximadamente 45 minutos.

Desarrollo del trabajo experimental MATERIAL: -Matraz aforado de 100 mL; -2matraces aforados de 50 mL; -1 matraz aforado de 25mL -10 matraces aforados de 10 mL; -pipetas de 5 y 10 mL; -20 tubos de ensayo; -vasos de precipitados; -cuentagotas;

-4 botes de plástico de 50 mL;

-HCl al 37%;

3+

-H 2O2 al 30% ; -Etanol al 95%; -disolución patrón ión férrico (Fe ); -KSCN

PREPARACIÓN DISOLUCIONES: Hemos preparado primero las disoluciones necesarias para llevar a cabo el experimento, usando peras para las pipetas, de tal modo que no pipeteamos directamente, sino que calculamos previamente cuánta cantidad vamos a necesitas y trasvasamos cierta cantidad a un vaso de precipitados y de ahí pipeteamos. (Hemos tomado precaución de no devolver el reactivo sobrante a la botella o envase original. Hemos preparado: I.

Disolución de etanol al 20% (v/v), 50 mL:

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Para ello lo que hemos hecho es en la campana hemos pipeteado 10mL de etanol y lo hemos llevado a un matraz aforado de 50mL, que lo hemos enrasado con agua destilada. (así tenemos 50mL por dilución 1:5) (y hemos limpiado para esta y para las demás disoluciones con jabón los vasos y pipetas y cuentagotas y matraces aforados y 2 o 3 veces con agua destilada). II.

Disolución de peróxido de hidrógeno al 3% (v/v), 50mL:

Tenemos una botella de H 2O 2 al 30% de concentración. Entonces lo que hemos hecho para tener 50 mL al 3%, es pipetear 5 mL de la botella comercial del 30% y ponerlos a un matraz aforado de 50 mL que hemos enrasado con agua destilada (la tenemos por dilución 1:10). III.

Disolución de 25 mL de tiocianato potásico a 2,1 M:

Hacemos cálculos, siendo M m (KSCN) = 97,18, =

 

=

 

->2′1 · 0,025 =



 ,

-> m = 2,1mol/L · 0,025L· 97,18 g/mol = 4,82 g de

tiocianato potásico hemos calculado. Hemos pesado en la balanza analítica 4,81 g. Estos gramos los hemos disuelto en agua destilada en un vaso de precipitados y luego lo hemos pasado a matraz aforado de 25 mL. IV.

Disolución de 100 mL de hierro 1000ppm en agua destilada a pH = 1,3:

Tenemos en cuenta que 1000 ppm = 1g/1L, y que esta disolución la hacemos a partir del 3+ FeCl 3 y HNO3 para el pH. Queremos 1g/1L, si tenemos 0’1 L, tendremos 0,1 g de Fe 

3+ Así, n(Fe ) = ! =  ##, 

," #"/%&

-3

= 1,79·10 moles de Fe

3+

3+

1mol de Fe equivalen a 1mol de FeCl 3 , entonces: m(FeCl 3) = n· M m (FeCl3) = 1,79·10 -3 mol· 162,1 g/mol = 0,296 g de FeCl 3 Realmente hemos pesado 0,2995 g de FeCl 3 que hemos disuelto en agua en vaso de precipitados. Antes de enrasarlo a 100 mL hemos de asegurarnos de que el pH sea de 1,3. Para ello hemos añadido HNO 3 , que reacciona 1 mol a 1 mol con Fe3+ : +

+

+

-1,3

pH = -log[H ], 1’3 = -log[H ], porque HNO 3 es un ácido fuerte. Así, [H ] = 10 así  =

 

→ ( =



!

=

,·)* ,#+

= 0,0502,

= 0,035( = 3,5-( para los 100 mL.

Así, hemos puesto en el matraz donde hay FeCl 3 disuelto con agua (pero no está enrasado a 100mL, sino aproximadamente unos 70 mL), los 3,5 mL de ácido nítrico y hemos enrasado a 100 mL con la disolución de FeCl 3. (se observa un color anaranjado en la disolución. V.

Disolución de 100 mL de patrón de hierro de 50 ppm por dilución 1:20 (v/v):

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Tenemos en cuenta que necesitamos 50 ppm (esta es la concentración). Es la 20ª parte de 1000 ppm. Así pues para conseguir 100mL a esa concentración de 50 ppm, la relación es 1:20, es decir, dividimos los 100 mL entre 20 y son 5mL. Así hemos cogido 5mL de la disolución anterior con una pipeta y la hemos traspasado a un matraz aforado de 100mL que lo hemos enrasado con agua destilada. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Una vez hemos hecho las disoluciones anteriores, hemos realizado las disoluciones para el calibrado. Hacemos 6 disoluciones, en cada una le hemos puesto 5mL de EtOH (20%), 1mL de HCl concentrado, 5 gotas de H2O 2 (al 3%) y 1 mL de KSCN (a 2,1M). Cambiando la cantidad de mL de la disolución patrón de hierro de 50 ppm según: 1 -> 0,25 mL; 2-> 0,5 mL; 3-> 1mL; 4-> 1,5 mL; 5-> 2mL; 6-> 2,5 mL Teniendo así las 6 disoluciones las cantidades de 1,25; 2,5; 5; 7,5; 10 y 12,5 mg/L de hierro, respectivamente. Las 6 disoluciones las hemos puesto en matraces aforados de 10 mL. Hemos lavado bien las pipetas y cuentagotas, y hemos usado un cuentagotas o una pipeta para cada aditivo o reactivo. Lo hemos añadido todo en la campana y le hemos puesto tapones. Una vez hecho esto, hemos hecho un blanco, en un matraz aforado de 10 mL hemos añadido todo lo anterior salvo la disolución patrón de hierro ( EtOH (5mL), HCl(1mL), H 2O 2 (5 gotas), KSCN (1mL)). Ahora hemos preparado las muestras, que se obtienen de una botella de vino blanco y se llevan a cabo dos determinaciones: -Muestra 1 (M1: para la determinación del contenido total de hierro): mezclamos en matraz aforado de 10 mL, 7mL de vino blanco + 1mL de HCl + 5 gotas de peróxido de hidrógeno + 1 mL de KSCN y todo lo hemos enrasado en un matraz aforado de 10 mL con agua). Y el blanco de la muestra 1 (B1) igual que la muestra M1 pero sin el vino blanco. -Muestra 2 (M2: para la determinación del contenido de hierro trivalente): mezclamos 7mL de vino blanco + 1mL de HCl + 1 mL de KSCN y lo hemos enrasado en un matraz aforado de 10 mL con agua (igual que M1 pero sin adicionar agua oxigenada). Y el blanco de la muestra 2 (B2) igual que la muestra M2 pero sin el vino blanco. Entonces hemos hecho en total 11 disoluciones en 11 matraces aforados de 10 mL. Ahora con el espectrofotómetro analógico bien calibrado ( ajustando el cero de absorbancia del espectrofotómetro utilizando el blanco del calibrado), hemos determinado la absorbancia de los distintos patrones y muestras ajustando la longitud de onda a 478 nm. Hemos usado cubetas espectrofotométricas con un paso óptico de 10 mm y un volumen máximo de 3 mL. Antes de medir hemos comprobado que las cubetas están bien limpias y las paredes transparentes secas. Hemos cogido la cubeta por los lados traslúcidos (para evitar dejar restos de grasa en la celda y no afectar a la lectura de la absorbancia), introduciéndola en el

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compartimento de medida de forma que los dos lados transparentes de la cubeta queden hacia los lados abiertos del soporte metálico, y hemos cerrado la puerta del compartimento de medida. Así, hemos determinado la absorbancia de los patrones frente al blanco, comenzando por la disolución más diluida. (hemos limpiado la cubeta después de cada medición). Después de estos hemos medido la absorbancia de las muestras y sus correspondientes blancos. Hemos obtenido los siguientes valores de las absorbancias: Concent patrón de Fe (mg/L) o (ppm) [EJE X]

Absorbancia [EJE Y]

Matraz 1

1,25

0,18

Matraz 2 Matraz 3

2,5 5

0,35 0,72

Matraz 4

7,5

1,11

Matraz 5

10

1,45

Matraz 6

12,5

1,92

Tabla 1.1: Absorbancias de las disoluciones de calibrado

Teniendo en cuenta que 1mg/L = 1ppm (1 parte por millón). Y ahora las absorbancias obtenidas con el espectrofotómetro para λ = 478 nm para las dos muestras y sus blancos. Absorbancia Blanco 1 (B1)

0,03

Blanco 2 (B2)

0

Muestra 1 (M1) Muestra 2 (M2)

0,17 0,03

Tabla 1.2: Absorbancias de las muestras para la determinación del contenido total de hierro

Ahora, con los datos obtenidos de absorbancia de las disoluciones patrón hemos construido la recta de calibrado.

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Recta de Calibrado 2,5

Absorbancia

2

y = 0,1527x - 0,0315 R² = 0,998

1,5 1 0,5 0 0

2

4

6

8

10

12

14

C(ppm)

Fig 1.2: Recta de calibrado para los datos de absorbancia a partir de las disoluciones patrón de hierro.

Hemos ajustado estos valores de la absorbancia para las disoluciones patrón por ajuste de mínimos cuadrados. Vemos que se ajustan a una recta de la forma y = mx + n, siendo m la pendiente y n la ordenada en el origen. Hemos obtenido una recta y = 0,1527x – 0,0315, con un coeficiente de correlación r = √(R 2) = √(0,998 2) = 0,999. Este coeficiente varía en el rango [-1,1], el valor obtenido es muy cercano a 1, así que podemos concluir a la vista de los resultados que la correlación entre las variables concentración de las disoluciones patrón y la absorbancia es una correlación positiva muy fuerte, casi perfecta. Volviendo a la ecuación de la recta y = 0,1527x – 0,0315, comparándola con la ecuación modelo y = mx + n, obtenemos una pendiente m = 0,1527, y una ordenada en el origen n = 0,0315. Esta pendiente y ordenada en el origen tienen un error. Para hallarlos hemos hecho una serie de cálculos con el excel: Para ello hemos hecho una serie de cálculos en el excel.

2

2

Y (absorb.) 0,18

X (C en ppm) 1,25

(Xi -Xm ) -5,21

(Xi-X m) 27,13

Yi-Ym -0,78

(Yi -Y m) 0,60

0,35

2,5

-3,96

15,67

-0,61

0,367

2,39

0,72

5

-1,46

2,13

-0,24

0,06

0,34

1,11 1,45

7,5 10

1,04 3,54

1,09 12,54

0,16 0,50

0,024 0,245

0,16 1,75

1,92

12,5

6,04

36,50

0,97

0,93

5,83

(Xi –Xm)·(Yi –Y m) 4,04

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Sumatorios / . /0 Yr

------->>>>> 3,14 -0,0058 (Yi-Y r)

95,05

2,22

(Yi-Yr )2

Xi2

Yi2

0,16

0,021

0,0004

1,56

0,032

0,35

-0,00038

1,47E-07

6,25

0,12

0,73 1,11

-0,012 -0,004

0,00015 1,69E-05

25 56,25

0,52 1,23

1,50

-0,0...