1 Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera Qumica rea de Qumica Laboratorio de Anlisis Cuantitativo Seccin D Impartido por: Ing. Adrin Soberanis EQUILIBRIOS DE SOLUBILIDAD: DETERMINACIN DE SULFATOS. SECCINPONDERACINNOTA 1.Resumen10 2.Objetivos5 3.Marco Terico5 4.Marco Metodolgico5 5.Resultados15 6.Interpretacin de Resultados30 7.Conclusiones15 8.Bibliografa5 9.Apndice 9.1 Datos Originales1 9.2 Muestra de clculo( incluye anlisis de error)5 9.3 Datos calculados4 NOTA Nombre: Edna Tatiana Godnez Marroqun Carn: 2012 -22613 Guatemala, 14 de agosto de 2014 Fecha de revisin: ______________Nota: _____Firma: ______________ 2 RESUMEN La prctica no. 2consisti en la precipitacin deSulfato de Hierro Fe(SO)3 insoluble,usandounagenteprecipitante,clorurodebario,paraanalizartcnicas gravimtricas para determinacin de sulfatos. ParaestsepreparunasolucindeSulfatodeHierroFe(SO)3 al10%y unasolucindeClorurodeBarioBaCl2al1%,semezclaronformandocomo resultado una sal soluble y un sulfato insoluble(Ba(SO)4 ) que luego es separado pormediodefiltracin,lavadoysecado,sepesparaobtenerlamasasulfato finalobtenido.Pormediodelaestequiometraseobtuvoelrendimientotericoy se compar con el dato experimental. La masa promedio final obtenida luego de la experimentacin fue de0.126 gramos,un0.55%menoralamasainicialusadadesulfato, porlocualnotamos que parte de el sulfato inicial no reaccion con el agente precipitante, debido a que la precipitacin se hizo en fro. Se obtuvo un porcentaje ms bajo de sulfato como Trixido de Azufre, de 0.45%.Enelmomentodelaexperimentacin,lascondicionesdellaboratoriose encontraban a una temperatura de 22 C y a una presin atmosfrica constante de 0.84 atm. 3 OBJETIVOS General Estudiarelequilibriodesolubilidadyaplicarlagravimetraparala preparacin de una solucin para la formacin de un precipitado. Especficos 1.Determinar el rendimiento de sulfatos esperado o terico. 2.Calcularelporcentajedesulfatosdentrodeunamuestradesolucin conocida. 3.Determinar el porcentaje de sulfatos como trixido de azufre. 4.Realizar el diagrama de control, anlisis estadstico y la prueba de t-Student para los datos obtenidos experimentalmente. 4 1.MARCO TERICO 1.Gravimetra ElanlisisgravimtricoesunMtododeanlisiscuantitativobasado enla medicinprecisayexactadelamasadelasustanciaquesedeterminallamado analito, la cual ha sido previamente separada del resto de los componentes de la muestra o matriz como una fase ms o menos pura. El Anlisis gravimtrico involucra dos etapas generales esenciales: La separacin del componente que se desea cuantificar y La pesada exacta y precisa del componente separado LosmtodosdeAnlisisgravimtricosepuedenclasificarendosgrandes grupos: Volatilizacin o destilacin Losmtodosgravimtricosporvolatilizacinodestilacintienencomo fundamento la separacin del analito del resto de los componentes de la muestra medianteunprocedimientoqueinvolucralavolatilizacinevaporacino destilacin de determinadas sustancias con la ayuda del calor. Finalmente se pesa con precisin el residuo no volatilizado. Extraccin Los mtodos gravimtricos por extraccin se fundamentan en la separacin delanalitodelrestodeloscomponentesdelamuestramedianteunprocesode extraccin,yaseaconelempleodedisolventesorgnicosquesolubilicenel compuestoobjetodeestudio,oconsolucincida,bsica,oneutraquesepare 5 compuestos interferentes. De cualquier manera, el compuesto objeto de estudio se cuantifica finalmente, bien por pesada directa o por diferencia de pesada. 2.Precipitacin Enlosmtodosgravimtricosporprecipitacin,laporcinpesadadela sustancia que se estudia (matriz), se solubiliza por algn procedimiento, y luego el elemento a determinar (analito) se precipita en forma de un compuesto difcilmente soluble.Elprecipitadoseseparaporfiltracin,selavaafondo,seincinera(ose seca) y se pesa con precisin. Conociendo la identidad (su frmula) y la masa de lascenizas(odelprecipitado)puedefinalmenteexpresarselaconcentracindel analito en la matriz. 3.Solubilidad Lasolubilidadesunamedidadelacapacidaddedisolverseuna determinadasustanciallamadasoluto,enundeterminadomedio,llamado solvente; implcitamente se corresponde con la mxima cantidad de soluto disuelto enunadadacantidaddesolventeaunatemperaturafijayendichocasose establecequelasolucinestsaturada.Suconcentracinpuedeexpresarseen molesporlitro,engramosporlitro,otambinenporcentajedesoluto(m(g)/100 mL).

Elmtodopreferidoparahacerqueelsolutosedisuelvaenestaclasede solucionesescalentarlamuestrayenfriarhastatemperaturaambiente (normalmente25C).Enalgunascondicioneslasolubilidadsepuedesobrepasar de ese mximo y pasan a denominarse como soluciones sobresaturadas. 6 Enlasolubilidad,elcarcterpolaroapolardelasustanciainfluyemucho, yaque,debidoaestecarcter,lasustanciasermsomenossoluble;por ejemplo, los compuestos con ms de un grupo funcional presentan gran polaridad porloquenosonsolublesenteretlico.Entoncesparaqueuncompuestosea soluble en ter etlico ha de tener escasa polaridad; es decir, tal compuesto no ha detenermsdeungrupopolar.Loscompuestosconmenorsolubilidadsonlos quepresentanmenorreactividad,comoson:lasparafinas,compuestos aromticos y los derivados halogenados. Factores que afectan la solubilidad: Entropa:Lasolubilidaddeunasustanciaenotraestdeterminada por el equilibrio de fuerzas intermoleculares entre el disolvente y el soluto, y la variacin de entropa que acompaa a la solvatacin. Temperatura:Lasolubilidaddeunsolutoenundeterminado disolvente principalmente depende de la temperatura. Para muchos slidos disueltosenelagualquida,lasolubilidadaumentaconlatemperatura hasta100C,2aunqueexistencasosquepresentanuncomportamiento inverso. En el agua lquida a altas temperaturas la solubilidad de los solutos inicostiendeadisminuirdebidoalcambiodelaspropiedadesyla estructuradelagualquida,elreducirlosresultadosdelaconstante dielctrica de un disolvente menos polar. Presin: La presin no afecta demasiado las solubilidades de slidos ylquidos,mientrasquetieneunefectodeterminanteenlasdelosgases. Unaumentoenalpresinproduceun aumentoenlasolubilidaddegases en lquidos. Esta relacin es de proporcionalidad directa. 7 Estadodesubdivisin:Estefactortieneespecialimportanciaenla disolucin desustanciasslidas ensolventelquidos,yaque,cuando mas finamentedivididoseencuentreelsolid,mayorsuperficiedecontacto existir entre las molculas del soluto y el solvente. Con ello, se aumenta la eficienciadelasolvatacion.Esporesoqueenalgunassituacionesla trituracin de los solutos facilita bastante la disolucin. 4.Determinacin de sulfato y bario Elionsulfatoendisolucinsedeterminaporprecipitacinconclorurode bario en una disolucin caliente, dbilmente acidificada con cido clorhdrico:SO4-2+Ba+2BaSO4.Elprecipitadosedigiereysefiltraencaliente,selava,se calcinaysepesacomoBaSO4.Enstadeterminacinpresentamuchas dificultades a causa de la coprecipitacin de otras sustancias.Solo se consiguen determinacionescuantitativamenteexactascondisolucionesdecidosulfricoo de sulfato sdico en condiciones muy definidas. 8 2.MARCO METODOLGICO 2.1 Algoritmo del procedimiento 1.Se prepararon 100 ml de una solucin de Sulfato de Hierro al 10%. 2.Se prepararon 100 ml de una solucin de Cloruro de Bario al 1%. 3.Se tom una alcuota de 50 ml de la primera y una de 10 ml de la segunda. 4.Se vertieron ambas soluciones en un beacker de 250 ml y se mezclaron. 5.Se dej reposar para que se formara el precipitado y se sedimentara. 6.Se cort una rueda de papel filtr y se pes. 7.Con ayuda de un embudo y el papel filtro se filtr la mezcla. 8.Se coloc el papel filtrcon el precipitado en un crisol y se dej secar por varias horas en la desecadora. 9.Se pes el papel filtro con el precipitado de Sulfato de Bario obtenido. 9 2.2 Diagrama de Flujo INICIO Se prepar solucin de Fe(SO)3al 10%. (10 g) Se filtr el precipitado. Se coloc el papel filtr con el precipitado en un crisol y se dej secar. Se mezclaron ambas soluciones en un beacker. Se prepar solucin de BaCl

al 1%. (1 g) Se dej reposar varios minutos. Se form el precipitado? Se dej reposar hasta que se sediment. Se pes el papel filtro con el precipitado de Sulfato de Bario. obtenido. FIN 10 3.RESULTADOS Tabla l: % de recuperacin de sulfatos

,de los 4 grupos de laboratorio. No. de grupo

(g)% de sulfatos 10.130.54 20.110.45 30.0970.40 40.1670.69 Fuente: Datos calculados Tabla ll: % de recuperacin de sulfatos como trixido de azufre

. No. de grupo

(g)% de sulfatos 10.130.45 20.110.38 30.0970.33 40.1670.57 Fuente: Datos calculados Tabla lll: Datos tericos de la masa y % de sulfatos recuperados.

(g)% de sulfatos Dato terico1.1144.61 Fuente: Datos calculados 11 Grfica l: Diagrama de Control de los datos obtenidos experimentalmente del % de recuperacin de Sulfatos de los 4 grupos de laboratorio. Fuente: Datos calculados Tabla lV: errores de precisin y exactitud (prueba t de Student y Q de Dixon) 95% de confiabilidad. PruebaValor calculadoValor de tabla t de Student15.563.180 Q de Dixon-0.1720.829 Fuente: datos calculados Tabla V: Anlisis estadstico de los datos obtenidos experimentalmente del % de recuperacin de Sulfatos de los 4 grupos de laboratorio. Medida estadstica% Media 0.52 Mediana 0.064 Error Tpico 0.495 Desviacin estndar 0.127 Varianza 0.016 Curtosis 0.049 Coeficiente de asimetra 0.921 Fuente: Datos calculados 12 4.INTERPRETACIN DE RESULTADOS En la prctica no. 2 sedetermin el BaSO4 al momento de precipitar una solucin de Fe2(SO4)3 con BaCl2, para ello se mezclaron ambas soluciones en un beacker de 250 mL y posteriormente se filtr la reaccin obtenida, hasta que slo quedoelslidoenelpapelfiltro.Sedeterminlacantidaddesulfatosenuna muestrapormediodelmtodogravimtricoporprecipitacinpararecuperar sulfatos formando sulfato de bario (BaSO4), como el precipitado resultante. Para llevar a cabo el mtodo gravimtrico para la determinacin se Sulfatos (

,serealizaronlossiguientespasos:Seagregan10mLdelasolucinde Cloruro de Bario a los 50 ml de sulfato de Hierro. Al agregar Cloruro de Bario se da una reaccin de doble sustitucin, lo cual forma la sal altamente soluble Cloruro de Hierro, as como el sulfato de bario insoluble en agua, que precipita, la solucin setornaunamarillosuave.Segundopaso,Sedejareposarlasolucinpor30 minutos,aldejarreposarlasolucin,sepermitequelareaccinsecomplete,a pesardeserunareaccinmuyespontanea,tomamsdeunmomentoenla formacin del precipitado. Tambin da tiempo para el proceso de digestin, en el cualloscristalesprecipitadosdemayortamaocrecenaexpensasdelos menores.Tercerpaso,sefiltraelprecipitado,enestepasosucedelaseparacin delprecipitadodelrestodelasolucin.Alpasarlasolucinporelpapelfiltro, solamentelasolucin con elCloruro deSodiola atraviesa, dejandoel Sulfatode Bario atrapado en los poros del papel filtro. Cuarto paso, se seca y pesa el papel filtro,conelsecadoa altastemperaturasse eliminacualquierhumedadqueeste todavaenelpapelfiltro,parahacerelpesadomsprecisoyeliminarcualquier excedente de agua o hidratacin. Luegoenlatablano.1seobservanlosporcentajesylamasarecuperadade sulfatos en la muestra analizada en los 4 grupos. La media de los porcentajes se recuperacinfuede0.52%.Latablano.3brindaelporcentajederecuperacin 13 terico el cual es 4.61%, se observa que el dato obtenido experimentalmente est muypordebajodeltericoestosedebiengranparteaquelagravimetrase realizenfro;yaquesisehubieracalentadosehubieranobtenidocristalesde mayor tamao por lo cual el rendimiento fuera mayor. Otro factor que influye en la precipitacin es la fcil capacidad del sulfato de bario de transformarse en sulfuro de bario, por la adsorcin de los gases que lo rodean a la hora del secado. En la tabla no. 2 estn los porcentajes de Sulfatos pero ahora como trixido deazufre.Enpromedioelrendimientofuede0.43%,anmenorqueenlos sulfatos.Esdeesperarseobtenerunmenorporcentajedesulfatoscomotrixido de azufre, debido a que parte del Trixido de Azufre se debi haber perdido en las reaccionespreviasquedieronlugaralsulfatodeHierro,primerosiendocido sulfrico y luego sulfato. Enlagrficano.1se observaundiagrama deControlelcual nospermite vercmo estndistribuidoslosdatosdeporcentajesderecuperacindesulfatos alrededor de la media. Se observa que la mayora de los valores se encuentran en el rango de+ lo cual quiere decir que el valor real tiene el 68% de probabilidad deaparecerenesteintervalo.Tambinsevequelamayoradedatos exceptuando uno con valor de 0.40%se encuentran muy cercanos a la media que es de 0.52%, al tener tanta precisin entre s el resto de datos, se tom la decisin deaplicarlapruebaQparaelvalorde0.0.40%,elvalorobtenidofuede-0.172 paraQ(tablalV),alcompararestevalorconelvalordelastablas,0.829,se decidi no desechar el valor ya que la Q calculada es menor que la de las tablas, es por ello que s se debe tomar en cuenta. Al ser tan pocos datos se puede decir que las medidas analizadas no son muy confiables, existe menos probabilidad de encontrar un valor exacto en un determinado rango. 14 En la tabla no. 4 se encuentra el valor obtenido para t al aplicar la prueba det-Student a los porcentajes de recuperacin de sulfatos experimentales y el terico calculado,el cual fue de 15.56, mucho mayor que el valor de las tablas, 3.180 con un 95% de confiabilidad; esto quiere decir que existe gran variabilidad enentre el rendimiento experimental al aplicar la gravimetra en fro y el dato de rendimiento terico calculado. Esto debido a que al aplicar un mtodo gravimtrico debe existir muchocuidadoquealprepararsolucionesyseguirlospasosdelmismoexisten erroressistemticosypersonalesqueafectanlascantidadesconlasque trabajamos. Por ltimo en la tabla no.5 se encuentra el anlisis estadstico descriptivo, lamediaindicaquelos4valoresdeporcentajeseencuentranen0.52%en promedio, sin embargo esta medida se ve afectada por el valor de0.69%lo cual lahacemenosrepresentativa.Luegoestlamediana,elcualtieneunvalorde 0.064% lo cual quiere decir que por encima de este valor se concentran la misma cantidad de valores que por debajo de ella. La desviacin estndar es de0.127% .Se dice que los valores de las concentraciones estn dispersos 0.127%respecto a la media que es 0.0.52%. Elcoeficientedeasimetraobtenidoespositivoporloquesedicequela distribucindelosdatosesasimtricapositivaconsesgoalaizquierda.Ypor ltimoestlacutosisytieneunvalorde0.049dichodatoesmenorqueel parmetro 0.263 por lo que se dice que la distribucin de los datos es platicrtica o seaquehayunabajaconcentracindelosdatosalrededordelosvalores centrales. 15 CONCLUSIONES 1.Siendoelanlisisgravimtricounmtodoanaltico,muyexacto, cualquiererrorseledebeacreditaralospasosduranteelprocesode precipitacin,yaseanohaberloelevadoaunasaltastemperaturas,o untiempomuycortodereposoparaelprocesodeformaciny digestin. 2.El valor terico esperado de la masa recuperada del precipitado como

fue de 1.114 g y el rendimiento de 4.61%. 3.La media de los datos de los 4 grupos de laboratorio fue de 0.52% de porcentaje de recuperacin de Sulfatos, mucho menor al terico debido la gravimetra en fro realizada. 4.En promedio el porcentaje de sulfatos como trixido de azufre obtenidos fue de 0.43%. 5.Al comparar el rendimiento terico de Sulfatos y la media experimental, porlapruebadet-Studentyeldiagramadecontrolsedeterminque existeprecisin masnoexactitud enlosdatos.Seobtuvoparala serie dedatosdeporcentajesquelamediaesde0.52%,laMedianade 0.064%,elerrortpicode0.495,laDesviacinestndarde0.127%,la varianzade 0.016 y el coeficiente de asimetra de 0.921. 16 BIBLIOGRAFA 1.BurrielF,LucenaF,ArribasSyHernndezJ. "QumicaAnaltica Cualitativa". Ed.Paraninfo.Madrid.(1994).McGraw.Hill.(Pginas06-07) 2.CHRISTIAN,Gary.Qumicaanaltica,EditorialMcGrawHill,Mxico septiembre 2009. 6ta. edicin.(Pginas 180-195) 3.MartnA. "IntroduccinGeneralalAnlisisCualitativoyCuantitativo". Universidadde Sevilla. Sevilla. (1979). McGraw.Hill. (Pginas 06-08) 4.SKOOG,DouglasA.yWest,DonaldM.Introduccinalaqumica analtica,Reimpresinen:Espaa,RevertS.A.,2005.(Pginas318-325) 17 5.APNDICE 5.1 Datos originales 5.2 Muestra de clculo 1.Clculo del factor gravimtrico de sulfatos en la muestra. (Ecuacin #1) Donde:FG= Factor gavimtrico del

g analto= peso frmula.(

) g precipitado= peso frmula.

Ejemplo:Determinarelfactorgravimtricodesulfatosenlamuestrasielpeso frmuladelinsulfato

es96.06gyel peso frmuladelSulfatodeBarioes 232.06 g.

2.Clculo del porcentaje de sulfatos en la muestra experimental.

(

)(Ecuacin #2) 18 Donde:

Porcentaje de sulfatos en la muestra muestra buscada.

Cantidad de sulfato de bario obtenidoFactor Gravimtrico

Cantidad utilizada de sulfato de hierro.Ejemplo:Determineel%desulfatosenlamuestra,sielfactorgravimtricoes 0.41139, la cantidad despus del filtrado es de 0.822g y se pes al inicio 10.011g de sulfato de Hierro.

( ) 3.Clculoexperimentaldelporcentajedetrixidodeazufreenla muestra. Paraelclculodelporcentajedetrixidodeazufre(

.Setienencomo factor gravimtrico 0.345.

(

(

)

) (Ecuacin #3) Donde:

Porcentaje trixido de azufre en la muestra

Cantidad de sulfato de bario obtenido

Peso molecular del trixido de azufre

Peso molecular del sulfato de bario

Cantidad utilizada de sulfato de sodio. 19 Ejemplo: En base a la seccin de datos calculados. Determinar el porcentaje de trixido de azufre en la muestra.

(

) = 4.Clculo de la masa terica del precipitado sulfato de bario a obtenerse despus de la reaccin. Nota:Paraelclculodelamasatericaseprocediautilizarconocimientos estequiomtricosylafrmuladelareaccindelprecipitadoqueserala ecuacin no. 13.

(Ecuacin #4) 5.Clculo del porcentaje terico de sulfato en la muestra. Nota: Para el clculo del porcentaje terico de sulfato en la muestra se procedi a utilizar la masa terica de

y el factor gravimtrico de 0.4139.

(

(

)

) =(Ecuacin #5)

20 6.Coeficiente de Variacin (Desviacin Estndar Relativa) (Ecuacin # 6) Donde: es la desviacin estndar. |x|es la media de los datos Ejemplo:Clculodelcoeficientedevariacindeunaseriededatosqueposeen una de 6.6 y una lxl de 6.93.

7.Prueba de t de Student (Ecuacin # 7) Donde: s es la desviacin estndar. |x| es la media de los datos es un valor conocido Ejemplo: Clculo de t de student de una serie de 5 datos que poseen unade 6.6, una lxl de 6.93 y un valor conocido de 6.7

21 8.Prueba de Q de Dixon

(Ecuacin #8) Ejemplo: Valores 75,938; 76,261; 76,289; 76,394; 76,448; 76,938.Diferencia entre valor sospechoso y ms cercano= 0,323; dispersin en toda la serie= 0,510

9.Media (Promedio) (Ecuacin #9) Donde:a: elemento n: nmero total de elementos. Ejemplo: Determine la media para la siguientes temperaturas 75.25, 75 y 75 C.

22 10.Desviacin Estndar

( Ecuacin #10 ) Donde: S= desviacin estndar = media = elemento = nmero de elementos Ejemplo:Determineladesviacinestndarparalassiguientes temperaturas: 75.25,75 y 75C.

=0,12 11. Moda Nota:Lamodaparaunaseriededatosnoagrupados,eselvalorqueserepite con mayor frecuencia. Ejemplo: Determine la moda para la siguiente serie de datos: 1, 1, 5, 6, 9, 9, 9, 6, 2, 8, 7, 4. Mo= 9 12. Mediana Nota:Lamedianaparaunaseriededatosnoagrupados,eselvalorcentralde dicha serie. Se ordenan ascendentemente los datos. 23 Ejemplo: Determine la mediana de la siguiente serie de datos: 1, 1, 5, 6, 9, 9, 9, 6, 2, 8, 7, 4, 2. 1122456678999 Mediana= 6 13.Reaccin Qumica 3BaCl2 + Fe2(SO4)3 3BaSO4 + 2FeCl3 5.324 5.4 Datos calculados Tabla Vl: Clculo del % de Sulfatos recuperados de los 4 grupos de laboratorio. Factor Gravimtrico

(g)Fe(SO)3(g)% sulfatos 0.41390.139.9950.54 0.41390.119.9990.45 0.41390.0979.9990.40 0.41390.16710.0100.69 Fuente: Datos calculados Tabla Vll: Clculo del % de sulfatos como trixido de Azufre recuperados de los 4 grupos de laboratorio. Factor Gravimtrico

(g)Fe(SO)3(g) % sulfatos

0.3450.139.9950.45 0.3450.119.9990.38 0.3450.0979.9990.33 0.3450.16710.0100.57 Fuente: Datos Calculados Tabla V:Clculo para la elaboracin del diagrama de control, en base alos datos experimentales del % de recuperacin de sulfatos. % experimental de recuperacin de

-3-2-++2+3 0.210.1410.1660.1920.520.2430.2680.294 0.160.1410.1660.1920.520.2430.26850.294 0.210.1410.1660.1920.520.2430.26850.294 0.230.1410.1660.1920.520.2430.26850.294 Fuente: Datos calculados 25 Nota: Para la realizacin del anlisis estadstico se utiliz una hoja de clculo en Excel en la cual se us la opcin de anlisis de datos y luego la opcin estadstica descriptiva, es por ello que no hay datos calculados adjuntos. 5.4 Anlisis de error Tabla Vl: Determinacin de la t -Student, en base alos datos experimentales del % de recuperacin de sulfatos. Valor terico del % de recuperacin de

nSt 4.160.5240.12715.56 Fuente: Datos calculados TablaVll:DeterminacindelaQparalapruebadeDixon,enbasealos datos experimentales del % de sulfatos. Valor sospechoso % Valor prximoal sospechoso %Valorms grande %Valorms pequeo %Q 0.400.450.690.40-0.172 Fuente: Datos calculados