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