Quim. Elizabeth Espinosa D.

CURSO : QUIMICA INORGANICA CUALITATIVAING.GEOLOGICATEORIA-CLASE 1Quim. Elizabeth Espinosa D.

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CONTENIDO DE LA CLASE 1:

INTRODUCCION: 1.-Objetivo y división de la Química

Analítica. 2.-Analisis cualitativo inorgánico. 3.-Analisis por vía seca y vía húmeda. 4.-Escalas de trabajo. 5.-Soluciones, formas de expresar la

concentración de las soluciones. 6.-Analisis fraccionado y sistemático.

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INTRODUCCION Objetivos de la Química Analítica :

Desarrollar y proveer las bases teóricas de los métodos de análisis quimicos, aplicados para determinar la composición química de sustancias ò mezclas.

División de la Química Analítica: Q. Analítica Cualitativa Q. Analítica Cuantitativa Q.Analitica cualitativa orgánica e inorgánica Q.Analitica cuantitativa orgánica e inorgánica.

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ANALISIS QUIMICO:CUALITATIVO :Conocimientos ordenados para la

investigación de los constituyentes de la sustancia que se analiza.

CUANTITATIVO: Su principal objetivo es la determinación de las cantidades individuales relativas de los componentes de una sustancia.

1º Efectuar un análisis cualitativo para seleccionar los métodos cuantitativos más adecuados sabiendo qué otros elementos ò sustancias están presentes (posibles interferencias, etc..)

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CLASIFICACION DE LOS METODOS ANALITICOS

Se aplica una gran variedad de métodos basados en las propiedades químicas, físicas y fisicoquímicas.

En A. cualitativo, generalmente el elemento ò ion a ser detectado, se convierte en un nuevo componente, de propiedades especificas características, para demostrar su presencia.

El cambio quimico ocurrido es conocido como una “Reacción analítica” y la sustancia que lo causa, como un “REACTIVO”.

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Ejemplos:

SO4 -- + Ba +2 +H+___ BaSO4( sólido blanco)

Anión Reactivo compuesto característico

por determinar.

Cl- + Ag+ _____ AgCl (sólido blanco) Anión Reactivo Compuesto característico

Por determinar.

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Métodos Físicos de Análisis

Se determina la composición de la sustancia problema sin recurrir a las reacciones químicas, aplicando propiedades físicas como las òpticas, eléctricas, magnéticas, térmicas, etc.

Tenemos: 1.- Medición de la densidad a una

determinada temperatura.

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Métodos Físicos… 2.- Análisis espectrales: Basados en los

espectros de absorción y/ò de emisión de radiación de la sustancia.

3.-Análisis por difracción de rayos X: Aplicables para dilucidar la estructura de una sustancia.

4.- Análisis por espectrofotometría de masa (estructura)

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METODOS FISICOQUIMICOS DE ANALISIS

Basados en el estudio de los fenómenos físicos que ocurren en el curso de las reacciones químicas: Cambios de color, de la densidad, la intensidad de color (colorimetría) , de la conductividad eléctrica, etc..

Ejemplo: Fe+3 + 6 NH4SCN _____(Fe(SCN)6)--- solución rojo sangre Este cambio puede ser evaluado por comparación

visual, colorimétrica ò espectrofotométrica frente a los respectivos patrones.

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En general: Métodos clásicos y metodos modernos :

Clásicos: Aplican las reacciones características de los compuestos, usando determinados reactivos, para detectar desde trazas a cantidades mayores como porcentajes.

Modernos ò instrumentales: Se determinan trazas de los componentes de una muestra mediante la aplicación de la óptica, electricidad, electroquímica, propiedades térmicas, magnéticas, etc. Asociadas a la electrónica. En la industria son muy apreciados por dar resultados en menor tiempo que la mayoría de métodos clásicos, ademàs de ser capaces de determinar trazas de varias impurezas por su alta sensibilidad;. Muy usados en laboratorios de servicio , y de investigación y desarrollo.

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METODOS DEL ANALISIS CUALITATIVO, escalas de trabajo Según la cantidad de la sustancia

(MUESTRA) con que se trabaje, tenemos los siguientes métodos de análisis cualitativo:

Macro análisis: Se ensaya cantidades relativamente grandes de muestra (0.5 a 1 g) ò en solución (20 a 50 ml.); las reacciones se efectúan en tubos de ensayo, vasos de precipitados ò erlenmayers y la separación se realiza por filtración.

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METODOS DE ANALISIS CUALITATIVO, escalas de trabajo…

Microanálisis: La magnitud de muestra es aprox. 100 veces menor que la del macro análisis: mg de sustancia sólida y fracciones de ml en soluciones. Aplica reacciones de alta sensibilidad; permite determinar varios cationes por el método fraccionado.

Las reacciones se desarrollan mediante el método microcristaloscopico (en portaobjetos) ò por el de la gota, como en tiras de papel de filtro, en placas de toque, vidrios de reloj, crisoles, etc.

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METODOS DE ANALISIS CUALITATIVO, escala de trabajo… Semimicroanalisis: Intermedio entre el

macro y microanálisis; las cantidades de muestra a ensayar son del orden de 1/20 a 1/25 de la usada en el macro análisis (50 mg de sustancia solida, 1 ml de solución) . Los resultados son mas precisos que en los otros métodos.

Ultra microanálisis: Se ensayan cantidades de sustancia menores a 1mg. Casi todas las operaciones analíticas se observan bajo el microscopio.

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METODOS DE ANALISIS POR VIA SECA y HUMEDA:

Las reacciones analíticas pueden efectuarse en un solvente (mas usual en medio acuoso) ò por vía seca.

Vía seca: La muestra y el reactivo adecuado están en estado solido y generalmente se calientan juntos a una temperatura determinada. Incluyen la observación de colores característicos de ciertos metales a la llama bajo condiciones adecuadas. Otras técnicas se basan en la formación de perlas ò vidrios de bórax ò de fosfatos al fundirse con sales de determinados metales.

Por vía húmeda se trabaja con ambos en solución y son las mas usuales en la química analítica.

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ANALISIS ORGANOLEPTICOS Se usan los sentidos: vista, gusto, olfato, tacto, oído. Vista: Permite diferenciar el estado físico de la sustancia

(sólido, liquido, gaseoso),el aspecto homogéneo ò heterogéneo, si es cristalino ò amorfo, colores, etc.

Gusto: Mediante la saliva como disolvente, se detecta sabores (ácido, amargo, dulce, etc..)

Olfato: Característico de sustancias volátiles (gases:H2S, olor a huevos podridos).

Es importante ser muy prudentes con los métodos del gusto y olfato porque las sustancias químicas tienen diversos grado de toxicidad por inhalación, pudiendo causar hasta la muerte (acido cianhídrico HCN, H2S, CO)

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ANALISIS PRELIMINARES Se consideran las propiedades físicas de

la sustancia problema; como ejemplos de ensayos preliminares tenemos: Observación del estado físico, color, color de la raya ; solubilidad; aspecto: si es translucida, iridiscente, lustrosa; impresión al tacto; olor ; sonido al romperse; aspecto de la fractura, densidad, dureza, propiedades òpticas (refracción),etc.

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ANALISIS PRELIMINARES… Si tenemos muestras tipo de las cuales se conocen

sus propiedades físicas, por comparación se puede llegar a identificar con cierta seguridad la muestra problema.

Es conveniente disponer de una descripción de las propiedades físicas de los compuestos conocidos, especialmente de los MINERALES.

Ejemplo: La mayoría de las sales de sodio, potasio y amonio son blancas ò incoloras, solubles en agua; todas las sales de amonio a una temperatura relativamente alta y algunas al ambiente, se descomponen desprendiendo olor a amoniaco.

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CONCENTRACION DE LOS REACTIVOS EN SOLUCION

Las reacciones por vía húmeda, se efectúan en tubos de prueba, usando volúmenes mínimos de 1 a 2 ml de solución, llegando a un volumen total de 5-10 ml; para:

1.- Evitar el desperdicio de reactivos . 2.- Minimizar el impacto ambiental de los

desechos sólidos, líquidos y emisiones de gases. Responsabilidad ambiental.

3.-Por seguridad de los operadores: mientras las cantidades y concentraciones sean mínimas, el riesgo por el manipuleo, será menor(emision de gases tóxicos, posible inflamación, etc.).

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SOLUCIONES

Una solución es una dispersión al tamaño molecular de una ò varias sustancias en otra, en una relación que varia dentro de ciertos limites. Sus componentes son:

En las soluciones acuosas el componente agua será el disolvente ò SOLVENTE, medio en el cual un componente ò varios se encuentran disueltos y se les llama SOLUTOS

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Unidades Físicas de Concentración

1.-Gramos/unidad de volumen: El peso en gramos ò mg de soluto por litro de solución.

2.-Porcentaje: Cantidad de soluto en gramos por 100 g. de solución. Ej. Una sol. De NaCl al 5%,se prepara pesando 5 g de cloruro de sodio y se disuelve en 95 g. de agua.

3.-Densidad: La masa/unidad de volumen de una solución que contiene un único soluto es una medida de su concentración en la solución. Ej. La sol.de HCl de densidad 1,12 a 20 C es de 24.25 g de HCl por 100 g. de solución y equivalente a 7.449 moles/litro (ver tablas en Handbook de Química).

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Unidades Físicas de Concentración…

4- Relaciones de volumen: Se aplican frecuentemente a soluciones acuosas de ácidos minerales y amoniaco. Expresan la relación de volumen del reactivo concentrado y el agua.

Ej. HCl (1:3) se prepara con 1 volumen de HCl concentrado y 3 volúmenes de agua.

Para expresar la concentración en g/L se aplica la siguiente expresión: C (g/L) = 10 x densidad x Porcentaje

g/L= 10 x d x %

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Unidades Químicas de Concentración

1.- Solución molar (M): Contiene un determinado número de moles de una sustancia disuelta por litro de solución.

2.-Solución formal (F): Numero de pesos formula de una sustancia disueltos en 1 litro de solución. Se recomienda aplicar en el caso de sustancias que se ionizan en agua.

3.- Molalidad (m): Es el numero de moles de un soluto disueltos en 1 Kg de solvente.

4.-Normalidad (N): Es el numero de pesos equivalentes gramo(eq-g) de soluto disueltos ò contenidos en 1 L de solución.

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¿Qué es un equivalente gramo? Es una cantidad químicamente equivalente

a 1.008 g de hidrogeno, H, en una reacción dada. Así el equivalente gramo del HCl es igual a una mol (36.5 g); el eq-g del H2SO4, es ½ mol, 98/2= 49, del H3PO4, 1/3 de mol (32.67 g).

El eq-g de bases y sales es el peso que contiene un numero de gramos del metal dado que se requiere para reemplazar a 1 g de Hidrogeno. Ej.

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Equivalente gramo, ejemplos…

KOH, NaOH, NaCl, KNO3…… 1 molCa(OH)2,Ba(OH)2, Na2SO4,CuSO4… ½ molAl(OH)3,FeCl3, AlPO4,Na3PO4…. 1/3 molAl2(SO4)3,Ca3(PO4)2….. ..1/6 mol

IMPORTANTE: El peso equivalente depende de la reacción

involucrada. Al ser relativo, un mismo producto quimico puede tener diferentes eq-g. Ej.:

1.- H3PO4 + 2NaOH _____Na2HPO4 + 2H2O El eq-g es ½ mol de H3PO4

2.- H3PO4 + NaOH ____ NaH2PO4 + H2O El eq-g es de 1 mol.

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Equivalente gramo, ejemplos… En reacciones redox, el calculo del eq-g

depende del numero de electrones involucrados en la c/reacción.

Si el Fe+2 se oxida a Fe+3, ha perdido un electron, su peso equivalente será igual a su Pfg.

En el KMnO4, el estado de oxidación del ion Mn es Mn+7, si se reduce a Mn+2 el cambio involucra a 5 electrones, el peso equivalente es PfgKMnO4/5.

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REACCIONES ENTRE EQUIVALENTES

Si dos soluciones reaccionantes, 1 y 2 tienen las mismas normalidades, N1=N2, en la reacción se consumirà el mismo volumen de ambas. Pero si una de ellas es mas concentrada, el volumen de ésta debiera disminuir proporcionalmente.

Así, el volumen a usar en la reacción, es inversamente proporcional a su normalidad:

V1/V2 = N2/N1 , ò V1x N1=V2xN2 Los productos del volumen y la normalidad son

iguales para ambas soluciones en el punto de equivalencia.

V1 y V2, deben estar expresados en las mismas unidades.

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Ejercicios: 1.-Calcular la cantidad de AgNO3 0.1 N requerida

para la reacción con 2 ml de CaCl2 0.5N: CaCl2 + 2AgNO3 ______ 2AgCl(s) + Ca(NO3)2 Recordemos que en el punto de equivalencia, se

cumplirá que: V1 x N1 = V2 x N2, luego V1 x 0.1eq-g/L = 2 ml x 0.5 eq-g/L V1= 2 ml x 0.5 /0.1 V de AgNO3 0.1N = 10 ml

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Ejercicios… 2.-A-Preparar 500 ml. De BaCl2 2N.

2.-B- Expresar la concentración en molaridad.2.-C-Calcular el volumen de Sol. 0.5 M de H2SO4 necesario para precipitar el ion Ba+2 de 1ml de BaCl2

Solucion 2-A.-Debemos partir de la fórmula de la sal cristalina

BaCl2.2H2O, PM= 244.3g/mol. El eq-g correspondiente es 244.3/2= 122.2 g Para un L de una solución 2N, se requiere 244.3,

luego, para 0.5 L : 244.3 g/eq-g x 0.5L = 122.2 g

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Ejercicios… B.- Molaridad, 1M = 244.3 g/L C.- BaCl2 + H2SO4 ___ BaSO4(s) +

2HCl El BaCl2 2N=1M y el H2SO4 (0.5 M)

reaccionan en relación 1:1, así: V2 x 0.5 moles/L = 1 ml x 1 mol/L V2= 2 ml. De H2SO4 0.5 M

Ejercicios… 3.-Preparar 1 L de H2SO4 6N a partir del ácido H2SO4 al

95,12% , densidad 1,834 g/ml a 20 C. (datos de Tablas de densidad vs concentración, Handbook ). Luego calcular la molalidad de la solución final si su densidad es 1.18 g/ml.

Solucion: Peso equivalente del H2SO4 es 98/2=49 g Para1 litro 6 N: 6 eq-g/L x 49g/eq-g= 294 g/L. Calcular la masa de H2SO4 al 95.12% que contenga 294 g de

H2SO4 (no se pesan los acidos concentrados). 100 g “ “ contienen 95,12 g X “ “ “ “ 294 g X= 294 x 100/95,12 = 309,08 g (*)

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Ejercicios… 1000 ml pesan 1834 g V ml “ 309,08 g V ml = 309,08 x 1000/ 1834 = 168,53 ml del

ácido de d= 1,834 y conc. 95,12% para preparar 1 L de H2SO4 6N.

Molalidad(m) = Nº de moles-g de H2SO4/Kg de agua.

Molaridad= 294 g/98 g/mol /(1,180-0,294) =3,386 molal.

(*) Seguridad en el manejo de los ácidos.

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EJERCICIOS, Simplificando: Si se conocen la densidad(d) y el

porcentaje de la solución (%) podemos expresar la concentración en molaridad y normalidad:

M= 10x d x %/peso molecular N = 10 x d x %/peso equivalente Ejemplo anterior para el H2SO4 concentrado: M=10 x 1,834 x 95,12/98= 17,80 moles/L N= 10 x 1,834 x 95,12/49= 35,60 eq-g/L

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Análisis fraccionado versus Análisis Sistemático

1.-Cantidad de muestra: Porcion pequeña aprox. 2ml vs Porciones mayores de 5 a 10 ml.

2.-No hay secuencia definida vs Orden establecido.

3.-Aplicable a menor numero de determinaciones vs Un mayor número de muestras.

4.-Requiere de reacciones muy sensibles y especificas vs Reacciones de separación y de identificacion.

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Ejemplo de esquemas de clasificación de aniones

Grupo A: Se caracterizan por producir productos volátiles al ser tratados con ácidos

Grupo B: Dependen de reacciones en solución. Subgrupos: A-I:Desprenden gases al ser tratados con HCl ò

H2SO4 diluidos. A-II: Los que desprenden vapores con H2SO4 cc. B-I: Los que se identifican mediante reacciones de

Precipitacion. B-II: Se les identifica mediante reacciones de

oxidación y reducción.

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Ejemplo de esquemas de clasificación de aniones…

Clase A-I:Desprenden gases con HCl ò H2SO4 diluidos

A-I: Carbonato, bicarbonato, sulfito, tiosulfato, sulfuro, nitrito, hipoclorito, cianuro y cianato.

A-II: Desprenden gases ò vapores con H2SO4 cc: Además de los del grupo A-I tenemos a

Fluoruro, cloruro, bromuro, yoduro, nitrato, clorato, perclorato, bromato, yodato, borato, ferrocianuro, ferrocianuro, tiocianato, formiato, acetato, oxalato, tartrato y citrato.

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Ejemplo de esquemas de clasificación de aniones…

Clase B-I: Reacciones de Precipitacion. B-I: Sulfato, persulfato, fosfato, fosfito,

hipofosfito, arseniato, arsenito, silicato, fluosilicato, salicilato, benzoato y succinato.

Clase B-II : Reacciones de oxidación y reducción en solución

Manganato, permanganato, cromato y dicromato

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Ejercicios para desarrollar 1.-Calcular la molaridad, formalidad,

normalidad y el % en peso de una solucion que se ha preparado disolviendo 37,6 g de NaOH en 200 ml de agua, si a densidad de la solucion es 1,175 g/ml

Considere la densidad del agua =1. 2.-¿Cuántos litros de una solucion 0,01 M se

pueden preparar con 5 g de PB(NO3)2 y agua ? peso molecular del Pb(NO3)2 = 331,203 g/mol

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Ejercicios para resolver 3.-¿Qué cantidad de agua se debe

añadir a 10 ml de una solucion 16N de HNO3, para preparar una nueva solucion de conc. 6N? P.mol.HNO3=63,014 g

4.-¿Qué volumen de sol de H2SO4 1,4M se necesita para que reaccione con 50 g de Alumnioo?.