Analisis Informe 4.docx

Laboratorio de Análisis Químico

Análisis espectrofotométrico en mezclas binarias Fecha: 26 de marzo de 2019 Marlon Elian Bello Sepúlvedaa y María Valentina Castiblancob a b

Universidad de la Sabana, Facultad de Ingeniería, Bogotá, Colombia Universidad de la Sabana, Facultad de Ingeniería, Bogotá, Colombia

INFORMACIÓN

DEL ARTÍCULO

Palabras clave: Espectrofotométrico Analito Longitud de onda Coeficiente de absortividad Concentración Solapamiento Aditividad Curva de calibración

RESUMEN

El análisis espectrofotométrico es útil para cuantificar componentes presentes en una mezcla, en este caso una binaria en la cual las propiedades de los dos analitos no interfieren entre sí, a la hora de la medición del espectro. Este análisis se divide en dos, el primero de ellos en el cual se analiza una especie y el otro mas de un analito. En esta practica se llevo a cabo la determinación de permanganato de potasio (KMnO4) y dicromato de potasio (K2Cr2O7) en una muestra problema B, esto se llevo a cabo realizando soluciones patrón para cada componente y de esta manera realizar el espectro de cada especie individual, para luego mediante análisis de un analito (curva de calibración) y más de uno (Aditividad) determinar la concentración de estos, obteniendo una concentración de 8,3902E-05 M (KMnO4) y 7,1303E-05 (K2Cr2O7), con un error de 0,23% y 4,40% respectivamente.

1. Objetivo general Determinar por el método espectrofotométrico la concentración de los componentes de una mezcla binaria que absorbe luz en una región de 230-650nm. 1.1. Objetivos específicos 

Obtener los espectros UV-Visible de KMnO4 y K2Cr2O7 a diferentes longitudes de onda.



Determinar el mejor método para cuantificar los componentes de la mezcla mediante la comparación de los espectros.



Analizar la exactitud de la metodología para el estudio espectrofotométrico de mezclas.



Determinar el coeficiente de absortividad a diferentes longitudes de onda de cada compuesto.

2. Datos y resultados Para la cuantificación de permanganato de potasio (KMnO4) y dicromato de potasio (K2Cr2O7) en una solución problema “B” fue necesaria la preparación de cuatro soluciones cada una con diferentes componentes, con el fin de conocer los espectros haciendo un barrido entre 230-650nm. 2.1. Espectros permanganato de potasio (KMnO4) y Dicromato de potasio (K2Cr2O7) El procedimiento descrito a continuación será en conjunto para ambos reactivos, puesto que las

cantidades de dilución y los pasos es el mismo en los dos casos, el único cambio es el compuesto utilizado y la cantidad de este. En un inicio se preparó una solución concentrada de KMnO4 (solución 1) y K2Cr2O7 (solución 2), para esto se utilizaron aproximadamente 0,0723g de permanganato de potasio y 0,1324g de dicromato de potasio para cada caso en particular, los cuales se disolvieron en un balón aforado de 25mL con ácido sulfúrico (H2SO4). Para obtener una mayor exactitud en el valor del peso, se hace una corrección de dicha masa de acuerdo con la ecuación de la balanza en la cual fue pesado el reactivo (Balanza 3). 𝑦 = 1,000025477𝑥 − 0,000264043 Ecuación 1. Ecuación de la Balanza 3 para corrección de masas. Una vez corregida la masa, se obtiene como valor real 72,037±0,001mg (KMnO4) y 132,139±0,001mg (K2Cr2O7), seguidamente se tomó una alícuota de 2,5mL de esta y se transfirió a un balón aforado de 100mL disolviéndose nuevamente con ácido sulfúrico (solución Stock 1 y 2), finalmente se realizaron las soluciones patrón a partir de las soluciones Stock 1 y 2 respectivamente, utilizando las cantidades descritas en la tabla 1 y 2.

Tabla 1. Volumen diluciones permanganato de potasio Balón N.º 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8

Tabla 3. Concentraciones soluciones 3,1-3,8 Balón N.º Concentración (M) 3,1 3,6467E-05 3,2 7,2934E-05 3,3 0,00010,9401 3,4 14,5868 E-05 3,5 5,47005E-05 3,6 9,11675E-05 3,7 12,7634 E-05 3,8 16,4101 E-05

VKMnO4 (mL) 2 4 6 8 3 5 7 9

Tabla 4. Concentraciones soluciones 4,1-4,8 Balón N.º Concentración (M) 4,1 3,59337E-05 4,2 7,18673E-05 4,3 10,7801 E-05 4,4 14,3735 E-05 4,5 5,39005E-05 4,6 8,98342E-05 4,7 12,5768 E-05 4,8 16,1702 E-05

Tabla 2. Volumen diluciones dicromato de potasio V K2Cr2O7 (mL) 2 4 6 8 3 5 7 9

Con las diluciones preparadas se tomó la medición espectrofotométrica con un barrido entre 230-650nm. 2.2. Concentraciones en las soluciones 3,1-3,8 y 4,1-4,8 Para calcular las concentraciones en las soluciones se tiene en cuenta las diluciones realizadas y el peso molecular del reactivo utilizado en la solución 1 y 2, siendo KMnO4 (158,034g/mol) y K2Cr2O7 (294,185g/mol) respectivamente, de esta manera se comienza con una razón entre los moles del reactivo y el volumen en el cual se diluyo (25mL), luego teniendo en cuenta que se realizó una dilución se utilizó la ecuación 2. 𝐶1 ∗ 𝑉1 = 𝐶2 ∗ 𝑉2 Ecuación 2: Formula de diluciones Siendo C1 la concentración de la solución 1 o 2 , V1 0,0025L (alícuota tomada de la solución concentrada de KMnO4 o K2Cr2O7 ) y V2 el volumen en el cual se preparó la solución stock 1 y 2, siendo este 0,1L, por ultimo se realiza otra dilución, por lo tanto se utiliza nuevamente la ecuación 2, con el fin de encontrar las concentraciones en las disoluciones 3,1-3,8 y 4,1-4,8, pero en este caso C1 corresponde a la concentración calculada anteriormente (Solución Stock 1 ó 2), V1 el volumen de cada alícuota, esta varia en cada caso (volumen utilizado esta contenido en la tabla 1 y 2) y V2 el volumen del balón aforado usado el cual es el mismo en todas las soluciones (0,025L), dando como resultado la tabla 3 y 4. (Cálculos anexo 1)

2.4. Muestra problema B. Se realizo una medición del espectrofotómetro (230650nm) de una muestra problema B, con el propósito de calcular la concentración de permanganato y dicromato de potasio en la misma.

Absorbancia solución problema B

0.5 0.4

Absorbancia

Balón N.º 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8

0.3 0.2 0.1 0 230

330

430

530

Longitud de onda (nm) Figura 1. Espectrofotómetro muestra B

630

2.4. Cuantificación de permanganato de potasio (KMnO4) y Dicromato de potasio (K2Cr2O7) en solución problema B Para poder calcular la concentración de ambos componentes en la solución problema correspondiente se debe escoger por cual método se realizará el mismo, ya sea por análisis espectrofotométrico de un analito o más de uno.

2.4.1. Elección del método de análisis espectrofotométrico Al hacer una elección del método se debe hacer una comparación de los espectros de ambos componentes en una de las disoluciones más concentradas (3,8 y 4,8) puesto que esto nos garantiza un mejor resultado ya que la absorción será máxima, de esta manera se realizó la figura 2.

máxima, la cual corresponde en este caso a 525nm. En la tabla 5 están contenidas las concentraciones del permanganato de potasio organizados de menor a mayor y las absorbancias de estas a 525nm Tabla 5. Concentraciones y absorbancia (525nm) de permanganato de potasio Balón N.º 3,1 3,5 3,2 3,6 3,3 3,7 3,4 3,8

Absorbancia KMnO4 y K2Cr2O7 0.7 3,8

4,8

0.5 0.4

Absorbancia 0,102 0,128 0,167 0,217 0,266 0,289 0,351 0,393

0.3

A partir de la anterior tabla se graficó la figura 3.

0.2 0.1

Curva Calibración KMnO4 (525nm) 0.45

0

200

300

400

500

600

Longitud de onda (nm) Figura 2. Comparación espectros

700

Al observar la gráfica se encuentra que hay una región (500-650nm) en la cual el permanganato es el único que absorbe, por lo tanto se puede realizar un análisis de un analito, específicamente de curva de calibración puesto que en el procedimiento realizado se utilizaron soluciones con concentraciones conocidas del analito, de esta manera se obtiene la concentración del permanganato de potasio, luego para calcular el dicromato de potasio se utiliza aditividad ya que entre 230-500nm ambos compuestos absorben y los picos no son similares pero tampoco están muy alejados, se observa un leve solapamiento entre estos.

0.4 0.35

Absorbancia

Absorbancia

0.6

Concentración (M) 3,6467E-05 5,47005E-05 7,2934E-05 9,11675E-05 0,00010,9401 12,7634 E-05 14,5868 E-05 16,4101 E-05

y = 2328,9x + 0,0056 R² = 0,9933

0.3

0.25 0.2

0.15 0.1 0.000025

0.000075

0.000125

Concentración (M)

0.000175

Figura 3. Curva de calibración KMnO4 (525nm) De la anterior grafica se obtiene la siguiente ecuación de la recta 𝑦 = 2328,9𝑥 + 0,0056

2.4.2. Coeficiente de absortividad molar. En la cuantificación de los compuestos en la muestra problema es necesario conocer el coeficiente de absortividad molar de cada longitud de onda, para ello se utiliza la ecuación 3 para cada disolución (3,1-3,8 y 4,14,8) en las diferentes longitudes de onda. 𝐴 𝑏∗𝐶 Ecuación 3. Ley de Lambert-Beer 𝜀=

Una vez realizado este calculo se saca el promedio de los coeficientes de absortividad en una misma longitud de onda, esto es posible gracias a que esto solo puede variar por un cambio de compuesto o de longitud de onda (Cálculos anexo 2). 2.4.3 Curva de calibración En la cuantificación del permanganato de potasio por medio de curva de calibración se debe escoger una longitud de onda en la cual la absorción de este sea

Siendo “y” la absorbancia de la muestra problema a 525nm (0,201) y “x” la concentración del permanganato de potasio, haciendo los respectivos cálculos se obtiene 8,3902E-05 M KMnO4. (Calculos anexo 3) 2.4.4. Aditividad Para escoger una longitud de onda apropiada para determinar la concentración de dicromato de potasio es necesario encontrar una longitud de onda en donde Ɛpermanganato > Ɛdicromato o Ɛpermanganato < Ɛdicromato, estos puntos se pueden encontrar fácilmente planteando una relación entre los dos coeficientes (Ɛx/Ɛy), siendo “x” permanganato y “y” dicromato y el lugar en donde se cumplen las dos condiciones anteriores es cuando la relación da como resultado el número máximo y el mínimo; por ende para poder visualizar esto se grafica Ɛx/Ɛy vs longitud de onda.

Relación coeficientes de absortividad 40

Tabla 7. Concentraciones y absorbancia (310nm) de dicromato de potasio

35

Balón N.º 4,1 4,5 4,2 4,6 4,3 4,7 4,4 4,8

Ɛx/Ɛy

30 25 20 15 10 5 0 230

330

430

530

630

Concentración (M) 3,59337E-05 5,39005E-05 7,18673E-05 8,98342E-05 10,7801 E-05 12,5768 E-05 14,3735 E-05 16,1702 E-05

Absorbancia 0,071 0,079 0,096 0,12 0,146 0,171 0,201 0,215

Longitud de onda (nm) Figura 4. Relación coeficientes de absortividad.

Tabla 6. Concentración y absorbancia (310nm) de permanganato de potasio Balón N.º 3,1 3,5 3,2 3,6 3,3 3,7 3,4 3,8

Concentración (M) 3,6467E-05 5,47005E-05 7,2934E-05 9,11675E-05 0,00010,9401 12,7634 E-05 14,5868 E-05 16,4101 E-05

Absorbancia 0,078 0,09 0,119 0,156 0,187 0,216 0,252 0,289

Comprobación Ley Lambert-Beer (KMnO4 a 310nm)

Absorbancia

0.27

y = 1703,4x + 0,0025 R² = 0,9916

0.22

Comprobación Ley Lambert-Beer (K2Cr2O7 a 310nm) Absorbancia

Anteriormente se describió que el dicromato de potasio no absorbe en la región de 500-630nm por lo tanto estos puntos no se tienen en cuenta, de este modo la longitud de onda escogida es 310nm en el cual la relación entre las absortividades es 1,2123, pero todavía no se puede saber si es la longitud correcta ya que en esta se debe cumplir la ley de Lambert-beer tanto para el permanganato de potasio como para el dicromato de potasio, para ello se realizan las tabla 6 y 7 y las figuras 5 y 6.

0.23 0.21 y = 1329,8x + 0,0035 0.19 R² = 0,9946 0.17 0.15 0.13 0.11 0.09 0.07 3.E-05 5.E-05 7.E-05 9.E-05 1.E-04 1.E-04 2.E-04 2.E-04

Concentración (M) Figura 6. Comprobación ley Lambert-Beer K2Cr2O7 Como se evidencia en la figura 5 y 6 para ambos casos se cumple la ley de Lambert-beer, esto se demuestra mediante la tendencia lineal de las gráficas siendo 0,99. Al verificar el cumplimiento de la ley ahora se puede decir con seguridad que la longitud de onda es la adecuada. Tabla 8. Datos necesarios para aditividad Longitud de onda (nm) Absorbancia sln B Ɛpermanganato Ɛdicromato [KMnO4 ] (M) b (cm)

310 0,250 1752,16 1444,39 8,3902E-05 1

0.17

Se utiliza la ecuación 4 y los datos en la tabla 8 para calcular la concentración del dicromato de potasio en la solución B.

0.12 0.07 0.00003

0.00008

0.00013

Concentración (M) Figura 5. Comprobación ley Lambert-Beer KMnO4

𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑠𝑙𝑛 𝐵 = 𝜀𝐾𝑀𝑛𝑂4 ∗ 𝐶𝐾𝑀𝑛𝑂4 ∗ 𝑏 + 𝜀𝐾2 𝐶𝑟2𝑂7 ∗ 𝐶𝐾2 𝐶𝑟2𝑂7 ∗ 𝑏 Ecuación 4. Aditividad Finalmente dando como resultado 7,1303E-05 M K2Cr2O7. (Cálculos anexo 4)

2.5. Exactitud Para calcular la exactitud de las medidas se tiene en cuenta que los valores reales de la concentración de permanganato y dicromato de potasio en la solución B es 8,3709E-05 y 7,4587E-05, respectivamente. Dando como resultado un error de 0,23% para el permanganato de potasio y 4,40% de dicromato de potasio. (Cálculos anexo 5)

3,7 3,8 Ɛ230𝑛𝑚 = +

(2138,92 + 1563,05 + 1480,79 + 1665,89) 8 (1352,82 + 1744,04 + 1849,03 + 1907,35) 8

1712,73 = 𝑐𝑚 ∗ 𝑀

3. Discusión

5. Referencias

𝑀 𝐾𝑀𝑛𝑂4 = Anexos 1. Concentración en la solución 3,1

0,0720𝑔 ∗ 158,034𝑔/𝑚𝑜𝑙 0,025𝐿 = 0,01823𝑀 𝐾𝑀𝑛𝑂4

Solución Stock 1:

𝑀 𝐾𝑀𝑛𝑂4 = 

0,01823𝑀 ∗ 0,0025𝐿 = 0,000455𝑀 𝐾𝑀𝑛𝑂4 0,1𝐿

𝑀 𝐾2 𝐶𝑟2 𝑂7 0,250 − ((1752,16/𝑐𝑚 ∗ 𝑀) ∗ 8,3902 ∗ 10−5 𝑀 ∗ 1𝑐𝑚) = (1444,39/𝑐𝑚 ∗ 𝑀) ∗ 1𝑐𝑚 = 7,1303 ∗ 10−5 𝑀 𝐾2 𝐶𝑟2 𝑂7 5. Error relativo % permanganato de potasio

Solución 3,1: 0,000455𝑀 ∗ 0,002𝐿 0,025𝐿 = 3,6467 ∗ 10−5 𝑀 𝐾𝑀𝑛𝑂4

2. Coeficiente de absortividad en permanganato de potasio a 230nm

|8,3902 ∗ 10−5 𝑀 − 8,3709 ∗ 10−5 𝑀| ∗ 100% 8,3709 ∗ 10−5 𝑀 = 0,23%

Firmas

Marlon Elian Bello Sepúlveda ID:0000164172

Coeficiente de absortividad de solución 3,1 (230nm): 𝜀=

0,078 2138,92 = −5 1𝑐𝑚 ∗ 3,6467 ∗ 10 𝑀 𝑐𝑚 ∗ 𝑀

*Los cálculos de las otras soluciones se realizan de la misma manera cambiando la absorción y la concentración según sea el caso.



0,201 − 0,0056 2328,9 = 8,3902 ∗ 10−5 𝑀 𝐾𝑀𝑛𝑂4

4. Concentracion dicromato de potasio en solucion B (Aditividad)

𝐸𝑟 % =

𝑀 𝐾𝑀𝑛𝑂4 =



1 𝑐𝑚 ∗ 𝑀 ∗

Solución 1: 𝑀 𝐾𝑀𝑛𝑂4 =



1 𝑐𝑚 ∗ 𝑀

3. Concentración permanganato de potasio en solución B (Curva de calibración)

4. Conclusión



1849,03 1907,35

Coeficiente de absortividad molar a 230nm Tabla 9. Coeficiente de absortividad de las soluciones 3,1-3,8 a 230nm Balón N.º 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6

Ɛ (1/cm*M) 2138,92 1563,05 1480,79 1665,89 1352,82 1744,04

Maria Valentina Castiblanco Jimenez ID:0000160270