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Instituto politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

Principios de análisis cuantitativo

Gravimetría

Equipo: 2 Integrantes: Cantú Ortiz Luis Carmona Soto Karla Cristell Carreón Gálvez Daniel Isaac Castro Olvera Alexis Contreras Arellano Fernanda Karime

Grupo: 2IM43

GRAVIMETRÍA La gravimetría es la parte del análisis químico cuantitativo que comprende el estudio de los métodos de análisis que se basan en la medición del peso de una o varias substancias. Pero no todos se basan en los mismos principios; los que se basan en el peso de un precipitado que se obtiene por vía química se conocen como métodos por precipitación, los que se apoyan en el pedo del precipitado que se obtiene por medio de la corriente eléctrica se conocen como métodos por electrodeposición y los que se basan en la variación del peso de la muestra se conocen como métodos por volatilización. El proceso de un método gravimétrico que se basa en la obtención de un precipitado comprende varias etapas, algunas son comunes para todos los métodos de análisis y otras son específicas para los procedimientos de este tipo.

Un proceso general: OPERACIONES COMUNES EN UN PROCESO GRAVIMÉTRICO

Preliminares

Selección del método Muestreo Medición de la muestra Disolución de la muestra

Específicas

A.- Precipitación B.- Digestión C.- Filtración D.-Lavado E.- Secado

Finales

Medición final Cálculos Resultado

MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS POR PRECIPITACIÓN ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢

Solubilidad y pH Solubilidad y temperatura Solubilidad y exceso reactivo Producto de solubilidad Efecto de ion común Filtración Lavado del precipitado Secado o calcinación

MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS POR VOLATILIZACIÓN Métodos de separaciones por volatilización ➢ ➢ ➢ ➢ ➢

Descomposición térmica Desplazamientos de los ácidos (o anhídridos) volátiles de sus sales Oxidación Formación de compuestos volátiles, no polares Reducción con hidrogeno

Métodos de determinación ➢ Métodos directos ➢ Métodos indirectos

VOLATILIZACIN En la gravimetría de volatilización, el analito es convertido en un gas de composición química conocida para separarlo de los otros componentes de la muestra. La masa del gas sirve como medida de la concentración del analito. Los dos métodos gravimétricos más comunes basados en la volatilización son aquellos utilizados para determinar agua y dióxido de carbono. El agua es destilada cuantitativamente mediante calentamiento a partir de varios materiales. En la determinación directa, el vapor de agua es colectado en cualquier desecante sólido y su masa es determinada a partir de la ganancia de masa del desecante. El método indirecto, en el cual la cantidad de agua es determinada mediante la pérdida de masa de la muestra durante el calentamiento, es menos satisfactorio porque debe suponerse que el agua es el único componente volatilizado. Esto supuesto puede causar problemas si cualquiera de los componentes del precipitado es volátil. No obstante, el método indirecto es ampliamente utilizado para determinar el contenido de agua en productos comerciales. Medidor de humedad en cereales y granulados.

Por ejemplo, un instrumento semiautomático para la determinación de la humedad en granos de cereales puede ser adquirido en el mercado. Consiste en una balanza de plataforma sobre la cual una muestra de 10 g es calentada mediante una lámpara infrarroja. El porcentaje de humedad se lee directamente.

Un ejemplo de procedimiento gravimétrico que involucra la volatilización del dióxido de carbono es la determinación del contenido de hidrógeno carbonato de sodio o bicarbonato de sodio en las tabletas de un antiácido. Una muestra pesada de tabletas finalmente molidas es tratada con ácido sulfúrico diluido para convertir el bicarbonato de sodio en dióxido de carbono: NaHCO3 (ac) + H2 SO4 (ac) → CO2 (g) + H2 O(l) + NaHSO4 (ac) Como se ve en la figura de abajo, esta reacción es realizada en un matraz conectado primero a un tubo que contiene CaSO4 que elimina el vapor de agua del flujo de la reacción inicial para producir un flujo de CO2 puro en nitrógeno. Después estos gases pasan a través de un tubo de absorción previamente pesado que contiene el absorbente Ascarita II, el cual consiste en hidróxido de sodio absorbido sobre un silicato no fibroso. Este material retiene dióxido de carbono por la reacción: 2𝑁𝑎𝑂𝐻 + 𝐶𝑂2 → 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 + 𝐻2 𝑂

Instrumento para determinar el contenido de bicarbonato de sodio o hidrógeno carbonato de sodio de tabletas de antiácidos por medio de un procedimiento gravimétrico de volatilización. El tubo de volatilización debe contener también un desecante como CaSO4 para evitar la pérdida del agua producida en esta última reacción. Los sulfuros y sulfitos pueden también ser determinados mediante volatilización. El sulfuro de hidrógeno o el dióxido de azufre liberados a partir de la muestra después del tratamiento con ácido es colectado en un absorbente adecuado. El método clásico para la determinación de carbono e hidrogeno en compuestos orgánicos es el procedimiento gravimétrico de volatilización en el cual los productos de combustión (H2O y CO2) son recolectados selectivamente en absorbentes pesados y el aumento en la masa sirve como la variable analítica. (Skoog, 2015)

GRAVIMETRIA POR ELECTRO-DEPOSITACION El depósito electrolítico ha sido utilizado durante más de un siglo para la determinación gravimétrica de metales, y sigue siendo utilizado en gran medida y es de mucha importancia. La electrodeposición o electro-depositacion es un proceso por el cual un recubrimiento metálico es aplicado sobre una superficie a través de una corriente eléctrica. Se forma una fase sólida por la acción de la corriente eléctrica que provoca, mediante procesos de oxidación-reducción, la deposición de ciertas sales o metales en el ánodo o en el cátodo del sistema. De esta forma se determinan algunos metales. El objetivo de un proceso de electrodeposición es el de preparar un recubrimiento metálico que sea adherente y por lo cual tenga buenas propiedades, químicas, físicas y mecánica. Los métodos gravimétricos por electrodeposición se consideran más bien métodos instrumentales y el área de la química analítica se encarga de estudiarlos.

TIPOS DE METODOS ELECTROGAVIMETRICOS

Electro gravimetría sin control del potencial

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Electro gravimetría con control del potencial

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Este método utiliza equipo económicamente accesible y requieren poca atención del operador. El potencial aplicado a través de la celda completa se mantiene a un nivel más o menos

En este método siempre se tienen que mantener bien controladas las condiciones. el electrodo de trabajo es un cátodo donde el analito se deposita como metal.

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Aplicación o uso

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Para la separación de cationes fácilmente reducidos a partir de aquellos que son más difíciles de reducir que los iones hidrógeno o nitrato. Utilizado en el uso de plata, cobre, zinc y con disoluciones diferentes

Instrumentación

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para separar y determinar especies químicas metálicas que tienen potenciales estándar que difieren por unas décimas de un volt. utilizado con potenciostatos controlados por computadora

Instrumentación

MÉTODO GRAVIMETRICO POR PRECIPITACIÓN

En la precipitación gravimétrica, el analito es convertido a un precipitado poco soluble. Este precipitado es luego filtrado, lavado para eliminar impurezas, convertido a un producto de composición conocida por un tratamiento de calor adecuado y después se le pesa. Cuando se hace una precipitación se obtiene un sistema heterogéneo solido-liquido en el que la fase solida es el precipitado en el que se queda la especie química que se cuantifica y la fase liquida es la solución, a la que algunas veces se le llama solución “madre”, en la que quedan disueltas las otras substancias.

Operaciones de Precipitación. El proceso de un método gravimétrico que se basa en la obtención de un precipitado que comprende varias etapas, algunas son comunes para todos los métodos de análisis y otras son específicas para los procedimientos de este tipo. No obstante que existen algunas diferencias entre un método y otro, en este caso se considerada un proceso general.

OPERACIONES COMUNES EN UN PROCESO

PRELIMINAR

SELECCIÓN DEL METODO. MUESTREO. MEDICION DE MUESTRA. DISOLUCION DE MUESTRA.

ESPECIFICA

A.-PRECIPITACION.

FINALES

MEDICION FINAL.

B.-DIGESTION. CÁLCULOS. C.-FILTRACION. D.-LAVADO. E.-SECADO.

En un método gravimétrico por precipitación el resultado se calcula con el peso de la substancia o residuo que se obtiene al final del proceso y por lo tanto es importante que el análisis se haga cuidando los aspectos que se relacionan con las características del residuo. Como el peso del residuo se usa para calcular el resultado, el residuo debe obtenerse a partir de la especie química que se cuantifica.

Filtración. Esta operación se usa para separar el precipitado de la solución “madre” utilizando un material poroso que impide el paso de las partículas sólidas. Para retener las partículas es necesario que el material filtrante tenga una porosidad adecuada y que sea químicamente inerte. La filtración se puede hacer en diversas formas pero en la práctica es muy común que se haga usando papel filtro o utilizando, como medio filtrante, una capa de fibra de asbesto que se prepara previamente sobre el fondo de un crisol Gooch.

El papel filtro es un papel especial de tipo cuantitativo del que se conocen sus características, como la cantidad de cenizas que quedan al quemado completamente o la porosidad, que normalmente se indica con la clave que proporciona el fabricante. La fibra de asbesto también es un material especial que no debe contener substancias que se disuelvan con la solución que se desea filtrar. En un análisis gravimétrico la pureza de la fibra de asbesto es de vital importancia porque el peso de residuo se obtiene por la diferencia entre el peso del recipiente con precipitado y el peso del recipiente sin precipitado. Para elegir el sistema de filtración más apropiado hay que considerar el posible tamaño mínimo de las partículas que forman el precipitado y la porosidad del material filtrante, pero también hay que tomar en cuenta si después de filtrar y lavar el precipitado, este se someterá a una operación de secado o calcinación. El secado se realiza a temperaturas menores de 100°C y tiene por objeto eliminar la humedad del precipitado sin alterar su composición química, mientras que la calcinación se realiza a temperaturas relativamente elevadas y el precipitado generalmente se transforma en una substancia diferente, pero de composición química conocida. Si el precipitado se va a calcinar se puede filtrar en papel filtro porque a la temperatura de la calcinación el papel se quema totalmente y solo queda una cantidad de cenizas que se conoce de antemano. Este criterio es aplicable siempre y cuando la combustión del papel no afecte al precipitado que se está calcinando, de lo contrario es mejor que la filtración se haga utilizando fibra de asbesto, que es un material inorgánico e inerte a temperaturas elevadas. La filtración por medio de papel es más practica porque no requiere de preparativos muy complicados. Si la filtración se hace con fibra de asbesto es necesario preparar el crisol Gooch con una capa de fibra del espesor que sea necesario y antes de usarlo para filtrar, la capa de asbesto se debe lavar perfectamente y junto con el crisol se debe mantener, durante un tiempo determinado, a la misma temperatura que se usara para calcinar el precipitado. Esta operación se tiene que repetir hasta que el peso del crisol sea constante.

Cuando el precipitado se tiene que secar no es recomendable utilizar el papel filtro porque a la temperatura de secado el papel se seca o se descompone parcialmente y pierde peso, de manera que la diferencia entre el peso del papel con precipitado y del papel sin precipitado no es el peso neto del residuo y por lo tanto el resultado del análisis, que se calcula con el peso del precipitado, es totalmente incorrecto. En un caso semejante es más correcto filtrar con fibra de asbesto o con cualquier otro material que sea inorgánico. Un precipitado que está formado por una substancia orgánica lógicamente que no se debe someter a una calcinación y por lo tanto es recomendable que antes de secarlo se lave con agua y con algún solvente que no disuelva al precipitado; en esta forma el solvente elimina el agua y el solvente que queda humedeciendo el precipitado se puede eliminar por calentamiento a temperaturas bajas que no descomponen la materia orgánica. El análisis gravimétrico del níquel en forma de dimetilglioximato de níquel ejemplifica el caso de precipitados orgánicos que se secan a temperaturas relativamente bajas.

Lavado del precipitado Es la operación que sirve para purificar el precipitado usando agua o alguna solución que elimine las impurezas. Para elegir la forma de lavar el precipitado hay que tomar en cuenta la solubilidad y el tipo de precipitado que se desea purificar. Si se utiliza únicamente agua se eliminan las impurezas pero junto con las impurezas también se elimina el exceso de reactivo que está originando el efecto de ion común y su ausencia hará que se empiece a disolver el precipitado. Si se trata de un precipitado coloidal, que se lava únicamente con agua, se eliminan todas las impurezas, incluyendo el electrolito que se usa para la coagulación y entonces se originara una peptización ósea que las partículas del coloide coagulado se desintegraran en pequeñas partículas que pueden pasar a través de los poros del material filtrante. Los inconvenientes que se tiene si se lava únicamente con agua son más marcados si el lavado del precipitado se hace en caliente. Si el lavado se hace con una solución de una substancia que sirve para mantener el efecto de ion común o para mantener la estabilidad física de los coloides coagulados, se tiene el inconveniente de obtener, al final del proceso analítico, un residuo impuro que contiene los residuos de la solución que se usa para lavar el precipitado. Para evitar este problema, el precipitado se lava con una solución de una substancia que se volatilice o se descomponga durante el secado o durante la calcinación. Por ejemplo, el hidróxido férrico se lava con una solución de nitrato de amonio que sirve para evitar la peptización del coloide. El nitrato de amonio, el ácido nítrico o el ácido sulfúrico que quedan ocluidos en el precipitado o que impregnan el material filtrante, se volatilizan fácilmente a la temperatura de la calcinación y no quedan substancias que alteren la pureza del residuo. El lavado del precipitado generalmente se controla identificando cualitativamente las impurezas que quedan en el filtrado y la operación se termina cuando en el filtrado de uno de los lavados ya no se detecta la substancia que se desea eliminar.

Secado En esta operación el precipitado recibe un tratamiento térmico que tiene como objetivo obtener un residuo completamente puro. El secado se realiza con temperaturas no mayores a 100°C a diferencia de la calcinación que se utilizan temperaturas muy altas. Se realiza en un aparato que se conoce como estufa y se clasifica en dos tipos: Por convección natural y convección forzada, según su forma de operación. Los aparatos eléctricos tiene la ventaja del control de la temperatura y además el precipitado no se expone a la acción de los gases que se producen por la combustión del gas, como cuando se usa el mechero. El tiempo de exposición y la temperatura a la que se somete un precipitado dependen de su naturaleza y del material que se utiliza para filtrar. El tiempo que dura el secado depende de la eficiencia del calentamiento y sobretodo de la rapidez con la que se logra que el residuo tenga un peso constante. La substancias que se descomponen con el calor se secan normalmente a temperatura ambiente, el precipitado se lava con agua, luego con alcohol etílico y al final con éter etílico; así los solventes eliminan el agua y cuando se evaporan dejan un residuo casi exento de humedad que termina de secarse en un desecador. Los compuestos inorgánicos que se descomponen parcialmente cuando se secan en la estufa se exponen a temperaturas más altas para que la descomposición sea completa. Después de secar un precipitado, hay que protegerlo de la acción del ambiente, sobretodo de la humedad y de las partículas que puedan caer en el recipiente que lo contiene. El peso real del residuo se calcula mediante la diferencia que hay entre el peso del recipiente con residuo y el peso del recipiente sin residuo. Obviamente el recipiente se tiene que pesar antes de realizar la filtración y se la da el mismo tratamiento térmico que recibe el precipitado para que no se altere el peso del recipiente al secar el precipitado y entonces no exista una diferencia de pesos que no sea la cantidad real de residuo.

Calcinación Después de la filtración, un precipitado gravimétrico es calentado hasta que su masa se vuelve constante. El calor elimina el disolvente y otras especies químicas volátiles transportadas con el precipitado. Algunos precipitados también son calcinados para descomponer el sólido y formar un compuesto de composición conocida. Este nuevo compuesto es comúnmente llamado forma de pesada. Sus objetivos son: • • •

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Eliminar el agua, presente como humedad absorbida, «agua de cristalización» o «agua de constitución ártica» (como en la conversión del hidróxido férrico en óxido férrico); Eliminar el dióxido de carbono (como en la calcinación de la piedra caliza en cal en un horno de cal), el dióxido de azufre u otros compuestos orgánicos volátiles; Para oxidar (calcinación oxidante) una parte o toda la sustancia (usado comúnmente para convertir menas sulfurosas a óxidos en el primer paso de recuperación de metales como el zinc, el plomo y el cobre); Para reducir (calcinación reductora) metales a partir de sus menas (fundición).

Puede llegar a una temperatura máxima de 1200 °C. Su numeración para aumentar su temperatura depende de 10-10. Para protección y cuidado no se debe tomar la muestra directamente con las manos. Las reacciones de calcinación pueden inclu ir disociación térmica, incluyendo la destilación destructiva de los compuestos orgánicos (es decir, calentar un material rico en carbono en ausencia de aire u oxígeno, para producir sólidos, líquidos y gases). Ejemplos de otras reacciones de calcinación son la concentración de alúmina calentando bauxita, cambios de estado polimórficos y las re cristalizaciones térmicas como la desvitrificación del cristal. Se suelen someter a procesos de calcinación materiales como los fosfatos, la alúmina, el carbonato de manganeso, el coque de petróleo y la magnesita marina.

Bibliografía Douglas A. Skoog, D. M. (2015 ). Fundamentos de química analítica,. Cuidad de México : Cengage Learning. Portillo, I. M. (2002). Analasis Quimico Cuantitativo (Fundamentos teoricos) . Cuidad de México . Skoog, D. A. (2015). Fundamentos de química analítica. Ciudad de México: CENGAGE learning. Págs. 297,298 Colín, P. M. (1998). Análisis químico cuantitativo. México: 1ra ed.

Ayres, H. G. (1970). Análisis químico cuantitativo. Madrid: 1ra ed....