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PRÁCTICA 1. ALCALINIDAD DE LAS AGUAS: DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE
CARBONATOS Y BICARBONATOS.
1.- INTRODUCCIÓN.
La alcalinidad de las aguas es la medida de la capacidad que poseen las especies aniónicas presentes en el agua de capturar protones (H
) y, así, amortiguar (tamponar) los cambios de pH debidos a la adición de ácidos. Las especies más importantes presentes en las aguas que poseen esta cualidad son los aniones hidroxilo (OH-), los carbonatos (CO 3 2-) y bicarbonatos (HCO 3 - ), así como otras especies minoritarias como las tres formas iónicas de los fosfatos (PO 4 3-, HPO 4 2-^ y H 2 PO 4 - ), los sulfatos (SO 4 2-^ y HSO 4 - ) y las formas disociadas de los ácidos grasos orgánicos y húmicos. Aunque la medida general de la alcalinidad suele controlarse a través de la medida de HCO 3 −^ y CO 3 −2^ que contienen. Aunque la manera más correcta de medir estas especies es mediante el uso de las constantes de disociación (pK), el pH y el equilibrio entre las tres especies, la determinación de las mismas y su alcalinidad puede aproximarse mediante una valoración volumétrica con HCl en la que se estudian dos puntos sucesivos de equivalencia a valores de pH de 8,3 y 4,5. En esta práctica, para determinar esos dos puntos finales se hará uso de los indicadores fenolftaleína y azul de bromofenol. En e l punto de equivalencia de la fenoftaleína, a pH 8,3 y condiciones ambientales (20ºC y P=1 atm), se considera que todo el CO 3 2-^ ha sido convertido a HCO 3 -. Representa la mitad de la alcalinidad debida al carbonato, pues ha absorbido un protón de los dos que permite su capacidad. En el punto de equivalencia del azul de bromofenol, a pH 4,5, se considera que todo el HCO 3 -^ ha sido protonado a ácido carbónico (H 2 CO 3 ). Se considera la alcalinidad total debida a carbonatos (carbonato+bicarbonato). En la Figura 1 se indica los puntos de viraje de color de ambos indicadores, así como su relación con las especies de carbonatos presentes en el agua.
Figura 1: Determinación de la alcalinidad debida a carbonatos. Según se adiciona el HCl, el pH va disminuyendo. En el punto de viraje de la fenoftaleína se considera que todo el carbonato se ha transformado en bicarbonato, mientras que en el punto de viraje del azul de bromofenol, se considera que todo el bicarbonato se ha transformado en ácido carbónico.
La determinación de la alcalinidad es fundamental para conocer cómo se comportará el agua en procesos que implican un cambio de pH. Por ejemplo, es muy útil en procesos industriales que necesiten trabajar a pH constante (para controlar el gasto en reactivos ácidos), para predecir daños por precipitación química en sistemas de conducción hidráulica, así como en procesos biotecnológicos, en los que el pH es fundamental para optimizar la actividad de los microorganismos.
2.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
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2.1.- Materiales y reactivos.
Matraz aforado de 250 ml Pipetas de 5 y 1 ml Probeta de 25 ml Vaso de precipitados de 100 ml Matraces Erlenmeyer de 100 ml Embudo de vidrio Bureta de 50 ml Fenolftaleína Azul de bromofenol HCl 35% Na 2 CO 3 Muestra problema
2.2.- Procedimiento.
(a) Preparar 250 ml de HCl 0,01M. (b) Con esta disolución llenar una bureta y proceder a la valoración de carbonato sódico. Para esto, pesar exactamente 0,020 gramos de Na 2 CO 3 en un matraz Erlenmeyer de 100 ml y disolver con 25 ml de agua destilada. Añadir dos o tres gotas de azul de bromofenol. La muestra adquiere una coloración azul. Adicionar la disolución de HCl hasta observar el cambio de coloración a verde que indica el punto final. (c) Repetir esta etapa y anotar los volúmenes medidos de HCl para hacer la media y así calcular la normalidad del HCl preparado. (d) Tomar 5 ml de la muestra de agua y llevar a un matraz Erlenmeyer de 100 ml. Agregar dos -tres gotas de fenolftaleína. (e) Si aparece color rosa, valorar con la disolución de HCl 0,01 M hasta viraje a incoloro. Si no aparece coloración rosa, es indicativo de que no hay presentes carbonatos. (f) Calcular con los datos de la valoración la concentración de CO 3 − del agua analizada. Determinar la alcalinidad debida a los carbonatos. (g) Añadir en el mismo Erlenmeyer tres gotas de azul de bromofenol 0,05%, lo que dará lugar a la aparición de un color azul intenso y proceder a su valoración con el HCl 0,01 M (el punto final vendrá determinado por la aparición de coloración verde-azulada). (h) Calcular con los datos de la valoración la concentración de HCO 3 −^ del agua analizada, así como la alcalinidad debida a bicarbonatos. (i) Repetir la valoración y hacer la media de los volúmenes medidos en cada una.
3.- CALCULOS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
(a) Indica todos los cálculos realizados en la práctica. (b) ¿Por qué es necesario realizar una valoración del HCl con Na 2 CO 3? (c) ¿Cuáles son las reacciones que tienen lugar en cada una de las valoraciones con HCl? (d) ¿Cómo puede influir la presencia de otros aniones en la valoración? Razónalo empleando los valores de pK. (e) Indica la concentración en carbonatos y bicarbonatos del agua analizada, así como la alcalinidad total, la alcalinidad debida a carbonatos, y la alcalinidad debida a bicarbonatos.
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Con esta disolución se preparan disoluciones patrón de concentración 0,1 - 0,4 g Mg2+/ml en matraces aforados de 100 ml.
Procedimiento: Conectar los gases acetileno y aire en las proporciones correctas. Seleccionar la lámpara de Mg a una longitud de onda de 285,2 nm. Empezar las medidas con la disolución menos concentrada, aspirando dichas disoluciones hasta que lleguen a la llama. Entre medida y medida, aspirar agua destilada. Medir una muestra de agua del grifo, que habrá que diluir para que corresponda al intervalo de medida de la recta de calibrado, 10 ml en un matraz de 100 ml. Si el contenido de magnesio en agua es superior a 5 g/ml se debe trabajar con una línea de menos sensibilidad, a una longitud de onda de 202,5 nm.
2.2.2.- Preparación de las disoluciones patrón para la determinación de calcio.
Existen dos procedimientos, uno de ellos consiste en utilizar agentes eliminantes de interferencias mientras que el otro implica el uso de un tampón (más apropiado cuando se usa una llama de acetileno-óxido nitroso). En esta práctica se va a utilizar el primer procedimiento, y a que la llama que se empleará será de acetileno-aire. Para el calcio, se podrían utilizar tres agentes eliminantes de interferencias diferentes: cloruro de lantano, cloruro de estroncio ó EDTA. Se utilizará el cloruro de lantano.
Lo primero que se debe hacer es preparar una disolución de lantano (50000 mg/L) por disolución de 67 g de cloruro de lantano (LaCl 3 7H 2 O) en 100 ml de ácido nítrico 1 M. Calentar para disolver la sal, después enfriar la disolución y llevarla hasta 500 ml en un matraz aforado enrasando con agua destilada.
Se prepara una disolución de calcio (1000 mg/L) disolviendo 1,248 g de carbonato cálcico en el mínimo volumen de ácido clorhídrico 1 M (son necesarios unos 25 ml). Cuando se disuelve completamente se transfiere a un matraz de 500 ml y se enrasa con agua destilada. A partir de esta disolución se preparan 100 ml de disolución cuya concentración sea 50 mg/L. Con esta disolución se preparan patrones de 1-5 g Ca+2/ml en matraces aforados de 50 ml, adicionando además 5 ml de la disolución de cloruro de lantano y luego enrasando hasta 50 ml. Además se prepara un blanco, que no debe contener la disolución de calcio. El procedimiento a seguir será el mismo que en la medida del Mg, primero se selecciona la lámpara de calcio con una λ de 422,7 nm y se miden las muestras empezando por la menos concentrada. Medir una muestra de agua del grifo, que habrá que diluir para que corresponda al intervalo de medida de la recta de calibrado, 25 ml en un matraz de 100 ml.
3.- INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Y CÁLCULOS.
(a) Exponer brevemente en que consiste la técnica de Espectroscopia de Absorción Atómica.
(b) Indicar los cálculos realizados para la preparación de las disoluciones patrón de Ca+2^ y Mg+2^ a partir de
las correspondientes disoluciones de 1000 mg/L.
(c) Representar las correspondientes rectas de calibrado y determinar [Ca
] y [Mg
] en la muestra
problema.
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PRÁCTICA 3. LEY DE LAMBER-BEER.
1.- INTRODUCCIÓN.
La espectroscopía de absorción ultravioleta-visible se emplea muy frecuentemente para el análisis medioambiental en fase acuosa. La determinación de la concentración de analito presente en una muestra se basa en el cumplimiento de la ley de Lambert-Beer, que establece una relación de proporcionalidad directa entre absorbancia (A) y concentración de especies absorbentes (C):
A = a·b·C
donde a es una constante de proporcionalidad llamada absortividad y b es el camino óptico o distancia recorrida por la radiación a través del medio absorbente. Cuando la concentración se expresa en moles por litro y la longitud de la celda en centímetros, la absortividad se llama absortividad molar, se designa como ε y tiene unidades de: l·mol
- 1 ·cm - 1 , expresándose la absorbancia como: A = ε·b·C
Dependiendo del tipo de analito estudiado, se utiliza radiación correspondiente a la región visible (longitudes de onda comprendidas entre 400 y 750 nm) o a la región ultravioleta del espectro electromagnético (longitudes de onda comprendidas entre 200 y 400 nm). Las medidas en la región visible del espectro ( análisis colorimétrico) requieren que las muestras sean coloreadas o bien que se haga un tratamiento químico que desarrolle el color en las mismas.
El primer paso que se sigue en cualquier análisis colorimétrico es la preparación de una recta de calibrado, es decir, la medida de la absorbancia de disoluciones estándar del analito a determinadas concentraciones, tratadas con el reactivo necesario para producir coloración en los casos en que sea necesario. La representación de las absorbancias medidas frente a las correspondientes concentraciones de estándar, debe ser una línea recta que permitirá posteriormente determinar de una manera rápida y eficaz la concentración de analito en las muestras problema.
2.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
2.1.- Materiales y reactivos.
Espectrofotómetro UV-vis.
Cubeta de líquidos para medir en el espectrofotómetro.
Matraces aforados de 25 ml.
Pipetas de 5 y 10 ml.
Disolución estándar de KMnO 4 10
2.2.- Determinación de las condiciones de medida.
(a) Preparar en matraces aforados de 25 ml, disoluciones de KMnO 4 de concentraciones respectivas 0,1; 0,2; 0,3 y 0,4 mM a partir de la disolución estándar 10-3^ M de KMnO 4. Registrar el espectro de absorción de la disolución de KMnO 4 0,3 mM. Para esto: (b) Abrir el menú “Scan” haciendo doble click en el icono del mismo nombre. (c) En el menú “Scan” para realizar el espectro, en primer lugar en el icono “Set up” se eligen las siguientes condiciones de medida: Start : 700 nm Stop : 400 nm Scan controls: “medium”
Y mode : Absorbance Y min : 0 Y max: 1
Presionar OK para salir del menú “Set up”.
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PRÁCTICA 4. CROMATOGRAFÍA LÍQUIDA DE ALTA RESOLUCIÓN (HPLC).
1.- INTRODUCCIÓN.
La cromatografía líquida de alta resolución ( high performance liquid chromatography ) es una técnica cromatográfica de separación basada en la mayor o menor retención que la fase estacionaria , situada en
una columna , ejerce sobre cada una de las especies presentes en una muestra problema la cual es
empujada por una fase móvil líquida. La fase móvil es un líquido y la fase estacionaria es, en general, un líquido retenido covalentemente
sobre partículas sólidas que actúan de soporte y que rellenan la columna cromatográfica. El tamaño de
partícula es del orden de 5-10 μm por lo que la caída de presión a lo largo de la columna es elevada; esto obliga a emplear bombas de alta presión para impulsar la fase móvil. La modalidad de fase inversa es la más
utilizada, la fase estacionaria es de naturaleza apolar y la fase móvil es polar.
La separación de los componentes de la muestra se debe a sus diferencias de retención por la fase estacionaria al ser arrastrados por la fase móvil a través de la columna.
La fase estacionaria más común es C18 (octadecilsilano) y la optimización de una separación
cromatográfica se controla mediante la selección adecuada de la composición de la fase móvil. El proceso donde se pasa un líquido a través de la columna se llama elución y la velocidad a la cual
se mueve la fase móvil se llama caudal o flujo (F).
En función de la mezcla que se quiere analizar, se seleccionará una columna adecuada y capaz de separar los componentes de dicha mezcla. Después, se efectuará la elección de una fas e móvil que produzca
una retención , selectividad y resolución adecuadas para dichos componentes. A la vista del cromatograma
resultante, se podrán variar las condiciones hasta lograr la mejor separación. Se obtendrá un registro de la señal en función del tiempo y obteniéndose un cromatograma , en el
cual hay varios términos a considerar:
Tiempo de retención ( tR ): Tiempo que transcurre entre la inyección de la muestra y el momento que el
centro de la banda del compuesto alcanza el detector.
Tiempo muerto ( tM ): Tiempo necesario para que la mayoría de las moléculas de un compuesto que no
es retenido alcance el detector. El tiempo muerto coincide con el tiempo que tardan las moléculas de la fase móvil en recorrer el sistema cromatográfico y alcanzar el detector.
Tiempo de retención corregido ( tR’ ): Es la diferencia entre el tiempo de retención y el tiempo muerto e
indica el tiempo que el compuesto está retenido en la columna.
Volumen de retención ( VR ): Volumen de fase móvil necesario para transportar el centro de la banda
del compuesto desde el punto de inyección hasta el detector. Se obtiene multiplicando el tr por el caudal o flujo volumétrico de la fase móvil ( F ) en ml/min:
VR = tR x F
Volumen muerto ( VM ): Volumen de fase móvil necesario para transportar el centro de la banda de un
compuesto no retenido hasta el detector. Coincide con el volumen de fase móvil que hay en el interior de la columna: VM = tM x F
Volumen de retención corregido ( VR’ ): Es la diferencia entre el volumen de retención y el VM.
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Factor de capacidad ( k’ ): Es un parámetro importante que con frecuencia se utiliza para describir las
velocidades de migración de los compuestos en las columnas. Se define como la relación entre el tiempo que el compuesto pasa en la fase estacionaria y en la fase móvil:
k’ = tR’ / tM. Factor de selectividad ( ): Indica la retención relativa de dos compuestos A y B en una columna
cromatográfica. Se calcula como el cociente entre el tr’ de la especie más retenida y el tR’ de la especie menos retenida: = tRa’ / tRb’.
Resolución ( R ): Es una medida cuantitativa de la capacidad de una columna para separar
compuestos. La resolución de dos bandas o picos adyacentes se define como la distancia entre los picos dividida entre el ancho promedio de las bandas (unidades de tiempo):
R = ( tRb – tRa ) / (( WA + WB )/2) Número de platos teóricos ( N ): Cantidad adimensional que expresa la eficacia de una columna, es
decir, su capacidad para dar bandas estrechas. Se puede calcular a partir de un pico cromatográfico como: N = 16 ( tR / W )^2
Altura de plato teórico (HETP): Permite expresar la eficacia de la columna en unidades de longitud
(cm): HETP = L / N Siendo L la longitud de la columna (cm).
Un equipo HPLC está formado por varios módulos dispuestos en serie. Desde la inyección de la muestra,
se encuentra el inyector , que puede ser manual o automático, el módulo de bombeo de la fase móvil y la
muestra, el módulo de columna , donde se ubica la columna cromatográfica, y finalmente el detector , en
el cual se cuantifica la señal de cada banda separada mediante el empleo de un transformador de señal, el
cual transforma en señal eléctrica alguna propiedad física del compuesto que se está determinando. Los
detectores más ampliamente utilizados son los de absorción visible/ultravioleta (empleado para
compuestos que absorben radiación en el rango visible o ultravioleta), índice de refracción (para
compuestos que refractan un haz de luz emisor), emisión de fluorescencia (para compuestos que emiten
radiación fluorescente), conductividad térmica (en el cual se registra la mayor o menor conductividad
térmica del compueso a determinar) y espectroscopía de masas , en la que la detección se basa en la
fragmentación de moléculas mediante campos eléctricos y la separación de los fragmentos en función de
su relación carga/masa. Los equipos modernos constan también de un sistema de control conectado a
cada módulo, que a su vez se conecta a un ordenador en el cual se realiza el control del sistema mediante
el uso de un software específico.
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PRÁCTICA 5. PROPIEDADES DE LAS RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO.
1.- INTRODUCCIÓN.
Las resinas de intercambio iónico consisten en pequeñas partículas esféricas formadas por copolimerización del estireno con el divinilbenceno. Para activar el polímero frente a los iones, a la estructura se le unen químicamente grupos funcionales ácidos o básicos. Los grupos más comunes en las resinas de intercambio catiónico son los grupos de ácido fuerte como ácido sulfónico (-SO 3 – H+) y los grupos de ácido débil como ácido carboxílico (-COO–H+). Cuando una resina de intercambio catiónico fuertemente ácida se pone en contacto con un disolvente acuoso que contiene cationes Mn+, se establece el siguiente equilibrio: Resina-SO 3 –^ H+^ (s) + Mn+^ (ac) Resina-(SO 3 – )n Mn+^ (s) + n H+^ (ac) La constante para este equilibrio recibe el nombre de coeficiente de selectividad (K), ya que describe la selectividad relativa de la resina por ambos cationes:
K = [R-(SO 3 - )n Mn+] [H+^ ]n^ / [R-SO 3 -^ H+] [Mn+]
Cuando mayor sea el coeficiente de selectividad, mayor será la afinidad de la resina por el catión Mn+^ con respecto al H+. Sin embargo, hay que tener en cuenta que elevando la concentración de este último el equilibrio puede desplazarse hacia la izquierda.
Las resinas de intercambio iónico tienen múltiples aplicaciones. Así por ejemplo, estas resinas se utilizan como fase estacionaria en cromatografía de intercambio iónico para la separación de mezclas complejas de iones. Las resinas de intercambio iónico también son útiles durante la preparación de la muestra para la eliminación de iones interferentes, en particular cuando estos iones tienen carga opuesta a la del analito.
En la siguiente práctica vamos a estudiar, en una primera parte, las propiedades de una resina de intercambio catiónico fuertemente ácida que contiene grupos de ácido sulfónico. En una segunda parte aplicaremos dicha resina a la determinación del contenido total de cationes en un agua mineral mediante una volumetría ácido-base.
2.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
2.1.- Materiales y reactivos.
Matraces aforados de 100 ml. Pipetas de 2 y 10 ml. Vasos de precipitados de 100 y 250 ml. Vidrio de reloj. Columna cromatográfica de vidrio. Resina de intercambio catiónico fuertemente ácida. Matraz Erlenmeyer de 100 y 250 ml. Bureta. Fenolftaleína. Disolución de NaOH 0,1 M. Disolución de HCl 1 M. Disolución problema de NaCl. Disolución problema de Fe(NO 3 )3. Muestra de agua mineral. Hidrógeno Ftalato Potásico (KHP)
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2.2.- Determinación de las propiedades de la resina.
(a) Preparar 100 ml de HCl 1 M. (b) Preparar una disolución de NaOH 0,1 M (c) Preparar una disolución de Hidrógeno ftalato potásico pesando 0,2000 gramos y enrasando con agua destilada hasta 100 ml. (d) Valorar la disolución de NaOH preparada con el patrón Hidrógeno ftalato potásico para calcular la concentración exacta de la disolución de NaOH. (e) Rellenar la columna cromatográfica con la resina de intercambio catiónico hasta una altura de 10 cm. (f) Añadir a la resina, con ayuda de una pipeta Pasteur, 15 ml de HCl. Abrir la llave de la columna y dejar pasar el ácido lentamente (una gota por segundo aproximadamente). Recoger el eluato en un vaso de precipitados. Importante: la resina no debe quedar nunca sin medio líquido ya que debe estar exenta de burbujas de aire. (g) Lavar la resina con 20 ml de H 2 O destilada añadidos con una pipeta Pasteur. Abrir la llave de la columna y dejar pasar el agua lentamente. Recoger el eluato en vaso de precipitados. (h) Añadir a la columna 2 ml de la disolución problema de NaCl. Colocar debajo de la columna un Erlenmeyer limpio de 100 ml y abrir la llave de la columna de manera que la disolución problema pase a través de la resina lentamente (una gota por segundo aproximadamente). (i) Cuando toda la disolución problema ha pasado a través de la resina, cerrar la llave y lavar la resina con 20 ml de agua destilada recogiendo el eluato en el mismo Erlenmeyer. (j) Añadir al Erlenmeyer 3 gotas fenolftaleína y valorar la disolución con la NaOH 0,1 M. Cuando la disolución vira de incoloro a rosa pálido entonces se habrá alcanzado el punto final de la valoración. (k) Repetir el proceso desde el apartado (c) al apartado (g), utilizando 2 ml de las disoluciones problema de Fe(NO 3 ) 3 y agua mineral.
(l) Una vez finalizada la práctica la resina debe ser regenerada. Para ello repetir los procesos indicados en los apartados (c) y (d). Una vez regenerada, la resina puede ser devuelta a su vaso original.
3.- CÁLCULOS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
3.1.- Determinación de las propiedades de la resina.
(a) Indica los cálculos realizados para la preparación de las disoluciones HCl 1 M, NaOH 0,1 M y Ftalato potásico y realiza el cálculo de la concentración exacta de la disolución de NaOH. (b) Haz un esquema de las reacciones que ocurren cuando las dis tintas disoluciones problema pasan a través de la resina. (c) A partir de los volúmenes de NaOH consumidos en cada una de las valoraciones, calcula la concentración de las disoluciones problema de NaCl, Fe(NO 3 ) 3 y agua mineral. (d) ¿Qué se observaría en el caso de añadir a la columna una disolución de NaOH? ¿Por qué? (e) ¿Por qué se pasa HCl 1 M a través de la resina para su regeneración?
