FACULTAD DE INGENIERIAGEOLOGICA MINERA Y METALURGICA LABORATORIO N°4 EQUILIBRIO DE SOLUCIONES PROFESOR: ING. ARTURO LOBATO CURSO: FISICO QUIMICA ALUMNOS: CAHUANA VENTURA JORGE ALEXANDER 20080119D ALARCON USCUCHAGUA IVAN 20080081G 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES EQUILIBRIO DE LAS SOLUCIONES “METODO COLORIMETRICO” I. OBJETIVO: - Determinación y análisis cualitativo y cuantitativo de sustancia por método calorimétrico basado en la propiedad que poseen todas las sustancias de absorber la emisión de la luz. - Adiestramiento en el buen uso del aparato de medición de intensidad de una sustancia estudiada, colorímetro. II. FUNDAMENTO TEÓRICO El método colorimétrico es un método basado en la propiedad que tiene todos los cuerpos de absorber la radiación solar para la cual previamente el alumno debe revisar algunos conceptos. Una sustancia en solución absorbe cierta cantidad de energía de la radiación electromagnética, esta varía directamente proporcional a la concentración de la sustancia; cuando esta absorción es en la región visible del espectro, el análisis se denomina colorímetro debido esta absorción podemos saber que tan concentrada es un solución por medio de su coloración por supuesto con la ayuda de un espectrómetro. Radiación electromagnética: Es una forma de energía que se transmite por el espacio a velocidad muy alta por medio de ondas sinusoidales. UNI - FIGMM Página 2 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES Espectro electromagnético: Es el conjunto de distintos tipos de radiación electromagnética que abarcan las distintas longitudes de onda. Luz visible: Una parte del espectro electromagnético cuyas longitudes de ondas pueden ser percibidas por la vista humana. También es conocida como luz blanca. ABSORCIÓN DE LA LUZ (LEY DE BEER): Considérese un haz de luz monocromática que pasa a través de una placa de un absorbente de espesor dx . Sea I la intensidad del haz incidente e I dI , la intensidad del haz emergente. La intensidad del haz es el número de cuantos de luz que atraviesan un plano perpendicular a la dirección del haz de área unidad en la unidad de tiempo. Sea este número I . Entonces, dI es el número de cuantos absorbidos dI I; en la distancia dx . La probabilidad de absorción en la distancia dx es si la placa es delgada, la probabilidad de absorción es proporcional al espesor de la placa y al número de moléculas que absorben en la placa, esto es, a la concentración de la especie absorbente. Tenemos: dI k c%dx I .......(1) ~ Donde k es la constante de proporcionalidad, c es la concentración y dx es el espesor de la placa. (mol m3 ), La ecuación (1) establece que la disminución relativa en intensidad del haz es proporcional al número de moléculas absorbentes en la palca de material. Si hay varias clases de moléculas presentes, cada una con distinta capacidad para absorber la luz de la frecuencia en cuestión, entones: dI % (k1c% 1 k2c2 ........) dx I .......(2) Las constantes k1 , k 2 ,...., son características de las sustancias en cuestión. Para cualquier sustancia, el valor de k depende de la longitud de onda. Si la sustancia es transparente a una longitud de onda determinada, pasara toda la UNI - FIGMM Página 3 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES luz y k 0 . Si a una longitud de onda determinada todas las sustancias son transparentes excepto una, entonces la ecuación (2) se reduce a la ecuación (1). La integración de la ecuación (1) da I l dI I I kc%0 dx 0 Donde I 0 es la intensidad de haz incidente e I es la intensidad del haz emergente después de pasar a través de la longitud total de la celda de longitud l. Integrando, obtenemos: I % kcl I 0 ln o bien I I0e kcl% ....... (3) Es costumbre usar en espectrofotometría usar logaritmos comunes en lugar de logaritmos naturales; así en la ecuación (3) reemplazamos la base natural, e , 0.4343k~c l ~ 0.43429 I I 10 0 10 por y obtenemos . Definimos E 0.4343k ; entonces, % I I 010 Ecl% . ......(4) ~ ~ La constante, E , es el coeficiente de absorción molar de la sustancia; E se denomina también coeficiente de extinción. La transmitancia, T, se define por: T I I0 .......(5) Y la absorbancia, A, se define por A log 10 T o bien T 10 A .......(6) Si la absorbancia aumenta en una unidad, la transmitancia disminuye en un factor de diez. La ecuación (4) es una expresión de la ley de Beer-Lamber, llamada a menudo simplemente ley de Beer. La ley de Beer es la ecuación básica para los diversos métodos de análisis colorimétricos y espectrofotométricos. Si se cumple la ley de Beer, entonces la absorbancia está dada por: UNI - FIGMM Página 4 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES A E%c%l .......(7) 3 ~ Como c esta en mol / m , l lo esta en metros y A debe ser un numero puro, ~ tenemos que las unidades SI para E son m2 mol . El coeficiente de absorción molar, E, ha sido definido tradicionalmente por A=Ecb, donde c esta en mol/l y b es la longitud de las celdas en centímetros. esto le da a E la unidad ~ patológica ( pero manejable ) de 1mol-1cm-1. en consecuencia E=10 E donde E ~ y E son los coeficientes de absorción molar expresados en las unidades clásicas y SI, respectivamente. Figura 1 Espectrofotometría de Absorción Para que la concentración de una sustancia pueda ser determinada con base en su propiedad de absorber energía radiante, debe existir una correspondencia lineal entre su concentración y la magnitud de su absorción, en alguna región del espectro electromagnético. Este requisito se expresa también diciendo que la sustancia debe cumplir la ley de Lambert-Beer, ecuación que expresa la relación matemática entre la concentración de una substancia y la magnitud de su absorción de energía, Figura 2. De acuerdo con esta ley, -Ln IE / IO = kbc = - Ln T = kbc En donde T es la “Transmitancia” o cociente entre la intensidad de la luz emergente, IE y la intensidad de la luz incidente, IO. T = IE / IO. Figura 2.- Radiación que Atraviesa un Medio Absorbente UNI - FIGMM Página 5 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES A su vez, “b” es el camino óptico o ancho de celda y “k”, la “absortividad” del medio, una constante de proporcionalidad. El Término “- Ln T” se conoce como la “Absorbancia” y así, --Ln IE / IO = kbc = A Ley de Lambert-Beer O bien, en términos de logaritmos decimales, A = 2,303 kbc Nótese que si el “camino óptico, b” se mantiene constante para un conjunto de mediciones, entonces la “Absorbancia” dependerá solo de la concentración de la sustancia absorbente, A = kc. En los inicios de esta técnica, las mediciones se efectuaban construyendo primero una curva de calibración de Absorbancia “vs” Concentración para la especie en estudio y luego se interpolaba en ella, las absorbancias de las muestras. En la actualidad, los espectrofotómetros disponibles en el mercado, almacenan en su memoria un gran número de curvas de calibración, para el análisis de diversas especies, en diversas escalas de concentración, de tal suerte, que el procedimiento de medida generalmente se limita a la selección del método en el instrumento y a la lectura de las muestras. Cuando un haz de radiación monocromática, con intensidad Io, incide sobre una cubeta conteniendo una solución, varios fenómenos pueden ocurrir. El efecto más significativo ocurre cuando parte de la radiación es absorbida UNI - FIGMM Página 6 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES por el medio que está siendo analizado. Sin embargo, este no es el único efecto que puede ser observado El termino espectrofotometría se refiere al uso de la luz para medir las concentraciones de sustancias químicas, en este informe consideraremos los principios fundamentales de la absorción y la emisión de la luz. Sabemos que una sustancia en solución absorbe cierta cantidad de energía de radiación electromagnética, esta varía directamente proporcional a la concentración de las sustancias. La absorción de la luz se puede medir en términos de la absorbancia (A) o de la transmitancia (T), que se definen como A = LOG ( Po / P ) y T = P / Po, donde Po es la potencia radiante de la luz que incide la muestra y P es la potencia que emerge del otro lado. La principal aplicación analítica de la espectroscopia de absorción deriva del hecho de que la absorbancia es proporcional a la concentración de la especie absorbente en una solución diluida (SOLUCIO DE BEER ): A = E.B.C. de donde B es el espesor de la celda, C es la concentración, y la constante de proporcionalidad es la absortividad molar (E). La aplicación analítica más común de la espectrofotometría se basa en la proporcionalidad entre absorbancia y concentración. Si se mide la concentración de una serie de patrones, puede concentrarse por comparación directa de la concentración de una muestra problema tratada en la misma forma que los patrones. Para encontrar las concentraciones de “n” componentes que absorben en una mezcla, es suficiente en principio hacer una serie de modificaciones de absorbancia de “ n” diferentes longitudes de onda. USO DEL ESPECTROFOTOMETRO ULTRAVIOLETA / VISIBLE 1. Para cada medición se debe calibrar el espectrofometro al 100% usando una solución incolora (agua destilada), debido a que la maquina es muy sensible a las variaciones de presión y temperatura. 2. El selector de longitud de onda como su mismo nombre lo dice permite seleccionar la longitud de onda en este experimento. 3. La escala que se ve nos muestra el porcentaje de transmitancia de la muestra. 4. En el comportamiento de la celda se introduce la muestra a analizar. UNI - FIGMM Página 7 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES III. PROCEDIMIENTO: A. Preparación de la solución estándar (1000 mgr/L): Para efectos de ahorrar reactivos y ganar tiempo la solución fue preparada por el encargado del laboratorio: se utiliza 1 gr de cobre, este se disuelve en ácido nítrico, y a esta solución se agrega unas 3 a 4 gotas de NH4OH, esta solución resultante se vierte en una fiola de 1000 ml y se enrasa con agua destilada. B. Determinación de la curva de trabajo A partir de la solución patrón necesitamos preparar soluciones en las fiolas de 50 ml con las siguientes concentraciones: Muestra patrón de CuNO3 1000 mgr/L Volumen de Volumen de La fiola Sol. Estándar (ml) (ml) 1 50 100 5 Las 2 100 100 10 3 300 100 30 4 450 100 45 5 600 100 60 6 800 100 80 concentraciones pedidas se calcularon por dilución (C1.V1 = C2.V2) N° Concentración C2 mg/l [Volumen requerido VR, volumen de fiola VF, concentración pedido C2 concentración inicial C1 (1000mgr/L)]. Se sabe: C1VR = C2VF C 2V F C 2 F2 1000 V R = C1 Reemplazando: UNI - FIGMM Página 8 ESPECTROFOTOMETRO 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES Compartimiento de celta T 0% Ajuste de T 0% Luego de obtener todas las concentraciones pedidas sacar una muestra de cada una de ellas en los tubos de ensayo para obtener el porcentaje de transmitancia de cada muestra. Para cada medida se debe llevar el espectrofotómetro al 100% usando la solución incolora de agua destilada debido a que el colorímetro es muy sensible a las variantes en temperatura y en la corriente eléctrica. Ajustar el selector de longitud de onda a 620 nm. UNI - FIGMM Página 9 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES IV. CALCULOS Y RESULTADOS: N° muestra (H2O) 1 2 3 4 5 6 UNI - FIGMM Concentración (mg/L) 0 50 100 300 450 600 800 %T 100 84 79 60 50 35 25 Absorbancia(A) A=log(100/%T) 0 0.076 0.102 0.222 0.301 0.456 0.602 Página 10 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES CUESTIONARIO 1.-Describe en forma básica las partes de un fotómetro y cómo funciona? El fotómetro mide la atenuación de un haz de luz, debido a la absorción de electrolito coloreado en una solución, éste parámetro depende de la concentración de la especie responsable de la absorción. Para su funcionamiento, primero se coloca el patrón en la en la otra celda y se ajusta el instrumento al 100% de trasmitancia. Después se retira el patrón y se mide el %T de las muestras con un instrumento de doble haz, el rayo de luz generalmente se divide en dos; una parte se dirige a través del patrón y la otra a través de la muestra en forma simultánea. Así un instrumento de doble haz compensa los cambios a corto plazo en la intensidad de la lámpara y en la respuesta del detector. 2.- Una solución X que contiene 1,54x10-4 M tiene una trasmitancia de 0,0874 cuando se mide en una celda de 2cm. Que concentración de X permitirá tener una trasmitancia tres veces mayor si se utiliza una celda de 1cm ? Inicialmente: C= 1,54x10-4 A = -log T = -log(0,0874) T= 0,0874 A = 1,058488 A= abc 1,058488 = a(2cm)(1,54x10-4) A = 3436,6511(1/cm.M) Finalmente: C= ¿? A = -log T = -log(0,2622) T= 3(0,0784) A = 0,581367312 Reemplazando A= abc 0,581367312=3436,651192(1/cm.M)(1cm)C C = 1,69x10-4 UNI - FIGMM Página 11 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES 3.- Trate sobre la importancia de las soluciones coloreadas para un químico analítico. El análisis espectro químico por emisión es el método instrumental de análisis más antiguos; por eso ha sido muy estudiado y los modernos espectrómetros recogen toda la experiencia de muchos años de avance tecnológico en éste campo. De aquí que su área de aplicación sea tan extraordinariamente amplia que abarca desde análisis cualitativo y cuantitativo de minerales y de rocas, al de productos metálicos y siderúrgicos, aleaciones de todo tipo y productos comerciales diversos. La espectrografía de emisión aventaja a las demás técnicas instrumentales en el análisis cualitativo rápido particularmente en la identificación de impurezas y trazas. Además, permite efectuar el análisis por un método prácticamente no destructivo ni alterable de la muestra, bastando cantidades de esta del orden inorgánico. En análisis rutinarios o en series de ciertas industrias resulta imprescindible, siendo también de gran utilidad en investigaciones físicas, químicas, biológicas, arqueológicas, forenses, etc. Recientemente su campo de aplicación se ha ampliado con la incorporación, como fuente de excitación de la llamada “antorcha o soplete de plasma”. El plasma es un gas ionizado con igual número de electrones que de iones positivos, es conductor de la electricidad y sensible a un campo magnético. Cuando se genera un plasma se libera una gran cantidad de energía que da lugar a temperaturas muy altas. Así con argón puro en estado de plasma se ha alcanzado temperaturas hasta de 16.000°K. A estas temperaturas tan elevadas se excitan muchos elementos, incluso aquellos que por los métodos convencionales de excitación (llama, arco o chispa) no originan líneas espectrales por ejemplo con los compuestos de niobio, Tántalo y titanio o bien otros, como ciertos compuestos de fósforo o de boro difícilmente excitables. UNI - FIGMM Página 12 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES 4.- Defina los siguientes términos Trasmitancía: En la figura se muestra una radiación solares antes y después de pasar a través de una capa de solución absórbante a la concentración. Como consecuencia de las interacciones entre fotones y la partícula absórbante se puede notar que la radiación disminuye. Siendo la transmitacía la fracción o radiación incidente transmitida por solución. Por lo general la transmitancía se expresa en porcentaje(%). T (%) P 100 P0 Absorbancia: La absorbancia de una solución está definida por la ecuación: A log T log P0 P Absortividad y Absortividad Molar Como se verá a continuación, la absorbancia es directamente proporcional a la trayectoria de la radiación a través de la solución y a la concentración de la especie que produce la absorción. Es decir A abc Dónde: a: es una constante de proporcionalidad llamada absortividad Resulta evidente que la magnitud de a dependa de las unidades utilizadas para b y c. cuando se expresa la concentración en moles por litros y la trayectoria a través de la celda en centímetros, la absortividad se denomina absortividad molar y se representa con el símbolo ε. En consecuencia, cuando b se expresa en centímetros y c en moles por litro se tiene: UNI - FIGMM Página 13 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES A = εbc 5.-Que principio general trata la ley de Beer La ley de Beer queda de esta manera: A = εbc La ley de Beer no se cumple para todas las concentraciones ya que la absortividad se determina experimentalmente. El recorrido b suele ser de un centímetro. La longitud de onda con la que se va a trabajar se fija en el espectrofotómetro y con ella fija se trabaja con la ley de Atotal A1 A2 A3 .......... An Atotal 1bc1 2bc2 3bc3 ........... nbcn Lambert-Beer. Esta ley también se puede aplicar a mezclas, con la diferencia que se suman las absorbancia parciales de cada mezcla, trabajando cada una de ellas a una longitud de onda determinada. Limitaciones de la Aplicabilidad de le ley de Beer Existen limitaciones entre la relación lineal entre la absorbancia y la concentración. Esta relación es lineal si se trabaja a concentraciones inferiores a 10-2M. Si aumentamos la concentración se pone de manifiesto las interacciones de atracción y repulsión dentro del analito, modificando la capacidad de absorber una longitud de onda. También existen limitaciones cuando existe presencia de sales en la disolución (efecto salino). Podemos hablar de dos tipos de desviaciones, las químicas y las instrumentales. 6.- En cuanto al equipo usado que controles son los más usados Los controles más importantes del equipo son: Calibrador de longitud de onda Calibrador de la lectura de transmitancia UNI - FIGMM Página 14 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES Lectura del porcentaje de transmitancia. Pantalla de lectura de la longitud de onda Portador de muestras APLICACIÓN A LA ESPECIALIDAD El método del Colorímetro es usado por los metalurgistas para el análisis de muestras de sustancias y equilibrio de soluciones. En las minas es usado para el reconocimiento de agentes contaminantes por ejemplo las aguas contaminadas y relaves por medio de su longitud de onda. Podemos usarlo en el campo de la mineralogía para el reconocimiento de minerales. Espectrografía gamma superficial, en perforaciones y núcleos: por medio de los registro de radiactividad en perforaciones y muestras de núcleos y los ripios ayudan a los geólogos a predecir donde ocurren estratos contenedores de petróleo e identificar secuencias litológicas. Los registros de radiactividad indican el tipo de roca y líquidos contenidos en ellas. Estos datos se correlacionan con otras informaciones para aumentar las probabilidades de encontrar petróleo. Entre otras aplicaciones tenemos. Levantamientos geológicos-mineros regionales y de detalle. Prospección y exploración minera(estudios geoquímicas, geofísicos, etc.) Estudios mineralógicos, petrográficos, calcográficos y de alteración hidrotermal. Identificación de minerales mediante difracción de rayos X y microscopia electrónica. Estudios y análisis geotermobarométricos de inclusiones fluidas. Análisis químicos (determinación de elementos mayoritarios y traza en minerales, rocas, agua y suelos) por espectrometría de Absorción Atómica. Procesamiento digital e interpretación de imágenes satelitales y fotografías aéreas. UNI - FIGMM Página 15 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES CONCLUSIONES Concluimos que la absorbancia de una solución depende linealmente de su concentración, si hallamos dicha relación, podremos hallar concentraciones desconocidas de la misma solución. El color de una solución es el complemento de la luz que absorbe. La ley de Beer también se aplica a soluciones que contengan más de una clase de especie absorbente (suponiéndose que no hay interacción entre ellas). En el colorímetro la señal de la célula fotovoltaica es lineal respecto a la potencia de radiación que recibe, por ende se mide una relación ósea la T en %. La muestra más coloreada (de concentración más alta) presenta mayor A y menor T. RECOMENDACIONES Cuando usemos el espectrómetro de haz simple, el control de 100% de transmitancia debe reajustarse cada vez que se modifica la longitud de onda debido a la respuesta del detector que puede obtenerse a cada longitud de onda, las lecturas posteriores se escalan a la lectura del 100%. La exactitud de los datos espectroscópicos depende sustancialmente del cuidado que se tenga del uso y mantenimiento de las celdas , las huellas, la grasa u otras manchas que pueden afectar los cálculos o afectar la transmisión de una celda por tanto es imprescindible que las celdas se limpien perfectamente antes como después de usarlas. UNI - FIGMM Página 16 4° INFORME: EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES BIBLIOGRAFIA Sydney H. Avner Introducción a la Metalurgia Física Cap. VI Adamson Química Física Gilbert W. Castellan Físico – Química Gilbert H.Ayres , análisis cuantitativo-segunda edición. R.A.Day.J yA.L.Underwood,química analítica cuantitativa-quinta edición. UNI - FIGMM Página 17