Download - Espectofotometria Visible
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERIA QUIMICA
E.A.P. INGENIERIA QUIMICA
CURSO : LABORATORIO DE ANÁLISIS INSTRUMENTAL
PROFESORA : ELVIRA BECERRA V.
ALUMNO : JESUS MUNAREZ CCOICCA (00114800)
TEMA : DETERMINACIÓN CUANTITATIVA DE MANGANESO EN ACERO PORESPECTROFOTOMETRÍA
GRUPO : JUEVES 12:00 – 4:00 P.M.
CIUDAD UNIVERSITARIA, OCTUBRE DE 2005
1) OBJETIVOS
En esta práctica se va ha realizar la determinación espectrofotométrica (cuantitativa) del
manganeso en acero en la que se va ha usar los espectrofotómetros “Spectronic 20 Baush
Lomb” y el “Spectronic Lambda 40 P Perkin Elmer”, previa calibración con el CoCl2 en HCl al
1%, para la determinación del máximo del KMnO4 y así comparar con el catálogo del
fabricante; y la determinación cuantitativa de manganeso en acero por espectrofotometría.
En la espectrofotometría, la energía que incide sobre la muestra es una radiación
monocromática (energía radiante de una sola longitud de onda; ó por razones prácticas, una
banda muy estrecha de longitud de onda). Las medidas de la radiación transmitida se realizan
mediante aparatos muy sensibles, como fotocélulas, tubos fotomultiplicadores y termopares.
2) INTRODUCCIÓN
La Radiación Electromagnética y su Interacción con la Materia
Los modelos explicativos de la estructura de la materia que tienen como fundamento
las características ondulatorias de las partículas que la constituyen proporcionan un
marco de referencia conveniente para describir las interacciones entre la radiación
electromagnética y la materia. Estas interacciones a su vez son el fundamento de
las aplicaciones espectroscópicas.
La energía radiante se encuentra constituida por fotones cada uno de los cuales
tiene como característica una longitud de onda. Toda la radiación electromagnética
se mueve a la misma velocidad en el vacío y esa velocidad de desplazamiento en el
vacío es la máxima observada en el universo. En algún medio material la interacción
entre los campos eléctricos y magnéticos que existen en la materia y los
correspondientes de la radiación pueden llegara a reducir esa velocidad de
propagación; por esta razón es solamente en el vacío en donde se observa esa
velocidad máxima.
Si asignamos como ya se dijo una longitud de onda característica a cada tipo de
radiación, la propagación de esa onda se hará con una frecuencia tal que al
multiplicarla por su longitud debe darnos la velocidad de propagación. Esto es:
la letra griega lambda minúscula representa la longitud de onda y la letra griega nu
minúscula representa la frecuencia de esa onda. c = 2,99792458×108 m·s-1 es la
velocidad de la luz en el vacío.
La radiación electromagnética que constituyen las ondas de radio de banda AM,
digamos de la frecuencia 1000 kHz (kilohercios) tiene, en consecuencia, una
longitud de 2,99792458×108 m·s-1/1,0×106 s-1 = 299,8 m. Esta onda se convierte en
señal que interpretamos, mediante el uso de un circuito apropiado que se encuentra
en el aparato receptor de radio.
Ondas más cortas que la referida antes son las interpretamos en nuestros ojos, sin
ayuda de ningún traductor construido artificialmente . La radiación electromagnética
que se percibe como color rojo tiene una longitud del orden de los 700 nm, por lo
tanto su frecuencia debe ser 2,99792458×108 m·s-1/7,0×10-7 m = 4,28×1014 s-1. Es
decir 428 THz (terahercios).
La energía asociada con cada una de esas ondas, se obtiene mediante la ecuación
de Planck:
Para las dos ondas descritas antes las energías respectivas serán: ERF =
6,6260755×10-34 J·s×1,0×106 s-1 = 6,626×10-28 J [0,0006626 yJ (yoctoJulios)]; y Eroja =
6,6260755×10-34 J·s×4,28×1014 s-1 = 2,836×10-19 J [0,2836 aJ (attoJulios)]
Absorción y Emisión de Radiación por Parte de la Materia
Una descripción simplificada de la estructura de la materia permite explicar los
enlaces entre los átomos para formar moléculas en términos de la localización de
ciertas partículas subatómicas, los electrones, entre esos átomos. Esas “partículas”
evidencian sus características ondulatorias ya que interactúan con la radiación
electromagnética. La molécula en su forma estable bajo las condiciones ambientales
corrientes se encuentra en un determinado nivel energético. Si se logra hacer incidir
sobre esa molécula un fotón de radiación electromagnética con la energía
apropiada, la molécula incrementa su contenido energético absorbiendo ese fotón.
Se dice entonces que la molécula paso a un estado excitado.
La molécula energizada se encuentra en un estado que no es estable en las
condiciones ambientales corrientes; por lo tanto tiende a regresar a la condición
estable y para lograrlo emite un fotón con la energía que logró excitarla antes.
La ferrocina es un compuesto policíclico que forma un complejo de color púrpura
con el ión ferroso el color de ese compuesto se debe a la absorción de radiación en
la región visible del espectro electromagnético con un máximo a la longitud de onda
de 562 nm. ¿En cuanto se incrementa la energía del compuesto por absorción de un
mol de esos fotones? Cada uno de los fotones con esa longitud de onda tiene una
energía de 6,6260755×10-34 J·s×(2,99792458×108 m·s-1/562×10-9 m) = 3,535×10-19 J y
en consecuencia un mol de esos fotones tendrán una energía de 6,0221367×1023
mol-1×3,535×10-19 J = 212858 J·mol-1; 212,858 kJ·mol-1
La materia absorbe radiación de diversas regiones del espectro electromagnético
originadas, esas absorciones, en diferentes tipos de interacciones entre la materia y la
radiación electromagnética. Dependiendo del tipo de interacción se pueden analizar
las transiciones electrónicas que se pueden causar con la radiación ultravioleta o
visible. La radiación infrarroja interactúa con los estados rotacionales y vibracionales
de las moléculas. Si el fotón que llega a afectar a una molécula tiene un alto contenido
de energía, por ejemplo de la región de rayos X o de los rayos gamma, no se produce
absorción que se pueda emitir luego, sino que se modifica la estructura de la
sustancia.
3) DETALLES EXPERIMENTALES
2.1 Reactivos y Materiales
Reactivos:
Solución de CoCl2 – HCl 1% (Blanco)
Solución de KMnO4 – H2SO4 0.5 M (Blanco)
Mezcla de ácidos (partes iguales HNO3, HPO3, H2O)
Sal de Mohr Q.P.
Peryodato de potasio sólido (KIO4) Q.P.
Solución patrón de manganeso (0.3096g MnSO4.H2O / 500 ml)
Agua destilada
Materiales:
2 fiolas de 100ml
1 fiola de 500ml
5 vasos de 250ml
5 lunas de reloj
5 fiolas de 250 ml
Pipetas volumétricas de 5, 15 y 25
Probeta
Piseta
2.2 Equipo
El Spectronic 20 es un instrumento utilizado para medir la transmisión eficaz de
luz monocromática a través de un líquido de la muestra. Esta medida determina la
concentración del líquido de la muestra. Se requiere 2 medidas; uno de un líquido
de referencia (un blanco) y uno del líquido de la muestra. La proporción de las
dos medidas se llama el “porcentaje de transmitancia” de la muestra
ESPECTRONIC LAMBDA 40 P PERKIN ELMER
2.3 Reacciones Importantes:
Tratamiento de la muestra de Acero para determinación de Mn:
Dilución de la muestra con los ácidos H3PO4 + HNO3 + Agua :
Al realizar la disolución de la muestra, la mezcla de ácidos H3PO4 + HNO3 : actúa sobre los
componentes dejándolos en estados iónicos, donde el ácido nítrico actúa tanto en la muestra
de acero como en el de manganeso y el ácido fosfórico va a acomplejar al ión férrico dando un
complejo incoloro, cuya reacción es la siguiente:
Agregación de Sal de Mohr :
La adición de sal de Mohr es para dar la mismas condiciones a la muestra patrón, con el fin de
igualar el contenido de hierro de los patrones con el hierro contenido en la muestra de acero a
determinar.
Oxidación del Mn con la adición de peryodato de potasio
Reacciones en el equipo de espectrofotometría:
En el proceso de absorción de radiación electromagnética una especie, en un medio
transparente, capta selectivamente ciertas frecuencias de la radiación electromagnética. El
fotón absorbido hace pasar la especie M a un estado excitado M*:
M + h M*
Tras un corto periodo, se pierde la energía de excitación, generalmente en forma de calor, y la
especie vuelve a su estado fundamental:
M* M + Calor
4) DATOS ESPERIMENTALES
Grafica # 1 : T Vs. Longitud de Onda ()
% T Long. de Onda
73 450
70.5 460
68 470
64.5 480
61 490
55 500
55 510
61 520
65.5 530
68.5 540
78.5 550
Grafica # 2 : Absorbancia Vs. Longitud de Onda ()
A Long. de Onda
0.1367 450
0.1518 460
0.1675 470
0.1904 480
0.2147 490
0.2596 500
0.2596 510
0.2147 520
0.1838 530
0.1643 540
0.1051 550
PREPARACIÓN DE PATRONES ESTANDARES
PESO DE SAL DE MOHR VOL. SOL. PATRON DE Mn PESO DE KIO3
BLANCO 0.5004 0 0.2443
PATRON # 1 0.5132 5 0.2643
PATRON # 2 0.5167 10 0.2628
PATRON # 3 0.5130 20 0.2570
Gráfica # 3 : Absorbancia Vs. concentración
%T A C(mg/250mL)
BLANCO 100
PATRON # 1 30 0.5229 2.0110
PATRON # 2 67 0.7193 1.0055
PATRON # 3 12 0.9208 3.0165
MUESTRA DE ACERO 35 0.4559
5) CÁLCULOS Y RESULTADOS
Determinación de las Absorbancias
La relación entre % T y el de Absorbancia , se realizará aplicando la siguiente fórmula:
Tomando una λ = 510nm se tiene un % T = 55, la cual dará una Absorbancia igual a :
A = 0.2596
Ver la grafica #2
Determinación de la concentración de Mn en las muestras patrón
Peso de la Muestra de Acero = 0.1475g
A partir de una solución de 0.0618g de MnSO4.1H2O / 100mL determinaremos el peso de
Mn/mL
Peso Mn/100mL = 0.0618g MnSO4.H2O * (55g Mn/169g MnSO4.H2O)
Peso = 0.02011g Mn/100ml
Peso = 20.11mg Mn/100ml
En las alícuotas de solución de manganeso determinaremos el peso:
5mL: 5mL*(20.11 mg Mn/100mL) = 1.0055 mg Mn / 250mL
10mL : 10mL*(20.11 mg Mn/100mL) = 2.011 mg Mn / 250mL
15mL : 15mL*(20.11 mg Mn/100mL) = 3.0165 mg Mn / 250mL
con estos valores de concentración obtendremos la gráfica # 3 que plotea Absorbancias Vs.
Concentración de los patrones a los cuales se les agregaron las respectivas alícuotas de la
solución patrón de manganeso.
Al medir los % T se obtuvo:
Patrón #1 : 30% T entonces A = -Log (30/100) = 0.5229
Patrón #2 : 67% T entonces A = -Log (67/100) = 0.7193
Patrón #3 : 12% T entonces A = -Log (12/100) = 0.9208
Muestra : 35% T entonces A = -Log (35/100) = 0.4559
Con lo cual obtenemos la gráfica de una línea recta cuya ecuación es:
Y = 0.3714 X – 0.2076 A = 0.3714 C – 0.2076
Donde la pendiente es : m = 0.3714
El intercepto es: b = - 0.2076
Con la absorbancia de la muestra se calcula el valor de la concentración del manganeso en la
solución final axial el %Mn:
Para A= 0.4559 tenemos:
0.4559 = 0.3714 C –0.2076
C = 1.786 mgMn/250ml
Entonces el %Mn será
%Mn = Peso Mn (mg) x 100% Peso Muestra (mg)
%Mn = 1.786mgMn/250ml x 100% 14.75mg Muestra/250ml
%Mn = 1.21%
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Los movimientos de los electrones dentro de un compuesto o elemento químico, sobre
todo si se trata de un compuesto aromático, con dobles o triples enlaces, polares, en
los cuales se presenta el llamado efecto resonancia de los electrones, lo hacen
emitiendo y/o absorbiendo cantidades de energías cuantizadas.
En un espectrofotómetro los elementos tales como el Mn muestran un denominado
pico de absorción que es característico para cada elemento químico. El producto de la
absorbancia y el peso molecular de la sustancia se llama “absorbancia molar" la cual
se relaciona con la ley de Beer y nos sirve para trazar la grafica de la curva patrón.
Dicho pico de absorción esta intimamente relacionado con el color de la solución patrón
y la concentración de la misma, obteniéndose por ello distintos valores de absorbancia
para distintas concentraciones.
Antes de utilizar el espectrómetro Perkin Elmer se debe calibrar con una solución de
cloruro de cobalto y verificar que los resultados obtenidos con esta calibración
correspondan exactamente con los estándares internacionales que se tienen en al
base de datos.
Cuando se encuentra un sistema coloreado prometedor o un color producido en una
reacción, es preciso una investigación para desarrollar una determinación
espectrofotometría adecuada del constituyente.
Recomendamos a los demás grupos de trabajo utilizar con cuidado el
espectrofotómetro ya que un error en la manipulación del equipo podría ocasionar
serias consecuencias técnicas, por lo tanto económicas.
Una buena calibración del instrumento con el blanco favorece la disminución de los
errores de medición, además que sirve de comparación con el catalogo del fabricante.
BIBLIOGRAFÍA
Skoog D. West Analisis Instrumental Ed. Mc. Graw Hill Mexico 1992.
Pág: 105-150
Hobart H. Willard métodos Instrumentales de Análisis Editorial Continental, Mexico-
España. Pág: 110-120