Rolando Oyola Martnez, Ph. D. Departamento de Qumica

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Espectrofotometra: Determinacin de manganeso en acero Introduccin El acero es una aleacin de metales donde el manganeso (Mn, PA 54.938) se encuentra en cantidades pequeas (aproximadamente 0.5% w/w). La cantidad de manganeso depende de la compaa comercial que lo produce y la aplicacin del acero. En trminos generales, en el acero tambin se puede encontrar presente otros metales como el hierro, cromo y nquel. La presencia de una diversidad de metales y en diferentes concentraciones hace que el acero posea ciertas cualidades fsicas. El manganeso, por su parte, le aumenta la fortaleza, dureza, durabilidad y resistencia al uso del acero. Otra forma molecular del manganeso, el bixido de manganeso, se puede usar como depolarizador. El manganeso es el responsable del color amatista en piedras y vidrios. El mtodo ms usado en la determinacin espectrofotomtrica de manganeso se basa en la oxidacin del in de manganeso, Mn2+ al permanganato, MnO4-. El in de permanganato absorbe luz visible en la regin de los 525 nm lo que le imparte un color violeta a la solucin acuosa de este in. El agente oxidante es el yodato de potasio (KIO4, PM 230.000) el cual oxida a Mn2+ mediante la ecuacin (1):

42( ) 4 2 3 ( )2 5 ( ) 3 2 ( ) 5 ( ) 6ac acMn IO ac H O MnO ac IO ac H

+ ++ + + +

(1) El anlisis espectrofotomtrico de manganeso en el acero presenta una posible interferencia de parte del hierro. Esto se debe a que el hierro en el acero se encuentra en grandes cantidades y al disolver el acero este pasa al in frrico. La interferencia del in frrico se puede minimizar al aadir cido fosfrico donde el in de fosfato forma un complejo incoloro con el in de hierro. Por ltimo, el carbono presente en la muestra se puede eliminar mediante su oxidacin con peroxidisulfato de amonio de acuerdo a la reaccin (2).

2 22 8 2 2 4 ( )( ) 2 ( ) 2 ( ) 4 ( ) 4 acC s S O ac H O CO g SO ac H

++ + + +

(2) En este experimento usted determinar la concentracin de manganeso en acero por espectrofotometra. El experimento consiste principalmente en cuatro partes. En la primera parte preparar una solucin valorada de permanganato de potasio (KMnO4, PM 158.034). En la segunda parte preparar cinco soluciones por el mtodo de dilucin. En la tercera parte, preparar una solucin del desconocido y su blanco de reaccin. Finalmente, determinar la absorbencia de todas las soluciones preparadas. Con estos datos preparar una curva de calibracin de absorbencia como funcin de concentracin conocida de manganeso y con la absorbencia de la solucin del desconocido podr determinar la concentracin del in de MnO4-. Las

medidas espectrofotomtricas las llevar a cabo en un espectrofotmetro Hewlett Packard modelo 8453. Objetivo Determinar la concentracin de manganeso en una muestra de acero por medidas espectrofotomtricas y curva de calibracin. Mtodo En el experimento se usar la tcnica de espectrofotometra. La tcnica se basa en la absorcin de luz por parte de un cromforo (especie qumica capaz de absorber luz). La determinacin cuantitativa del manganeso se basa en la ley de Beer-Lambert la cual establece que la absorbencia es proporcional a la concentracin del cromforo. Se construir una curva de calibracin con soluciones de concentracin conocida del in de permanganato y se determinar los parmetros de la pendiente e intercepto por el mtodo de cuadrados mnimos para determinar la concentracin del desconocido. Reactivos y su preparacin: 1) Solucin valorada de KMnO4 (~0.02 M) =

disponible en el extractor. 2) Solucin de HNO3 concentrado = disponible en el

extractor. 3) Slido de peroxidisulfato de amonio (NH4)2S2O8 =

disponible en el extractor. 4) Solucin de H3PO4 85% = disponible en el

extractor. 5) Slido de periodato de potasio KIO4 = disponible en

el extractor. 6) Slido NaHSO3 = disponible en el extractor. 7) Solucin de H2SO4 1.0 M = disponible en el

extractor. 8) Muestra desconocida = NO tiene que secar el acero. Procedimiento Nota importante: El proceso de disolucin y oxidacin del manganeso TIENE que llevarlo a cabo en el extractor. Importante: Tiene que preparar un blanco de reaccin que a su vez ser el blanco del desconocido en las lecturas de absorcin. 1) Preparacin de la muestra (SE TIENE que llevar a

cabo en el extractor) a) Pese dos muestras de 0.25 gramos de acero

(balanza analtica). Nombre una muestra como desconocido y la otra como blanco. Disuelva las muestras en 10 mL de cido ntrico (HNO3) 6 M. Caliente las muestras hasta que se disuelva

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el slido. No permita la evaporacin total de HNO3.

b) Aada 0.25 gramos de peroxidisulfato de amonio ((NH4)2S2O8) y ponga a hervir ligeramente las muestras de 10 a 15 minutos. Tiene que tener cuidado durante la adicin del peroxidisulfato. S la solucin es rosada o contiene bixido de manganeso (MnO2) que muestra un color marrn, aada 0.1 gramos de NaHSO3 y caliente por 5 minutos adicionales.

c) Enfre un poco las soluciones y aada 25 mL de agua deionizada a cada muestra.

d) Aada 3 mL de H3PO4 concentrado (al 85%). e) ESTE PASO NO LO TIENE QUE HACER

EN LA MUESTRA QUE NOMBR COMO BLANCO. PONGA A ENFRIAR EL BLANCO HASTA EL PRXIMO PASO. Aada aproximadamente 0.1 gramos de periodato de potasio (KIO4) y deje hervir suavemente por aproximadamente 3 minutos. Luego de los 3 minutos, espere a que la temperatura disminuya un poco y aada otros 0.10 gramos de KIO4. Vuelva a hervir suavemente la solucin de 1 o 2 minutos.

f) Deje enfriar la solucin DEL DESCONOCIDO hasta temperatura de saln. Luego, transfiera cuantitativamente la solucin del desconocido y el blanco a respectivos matraces volumtricos de 100.0 mL. Estas sern las soluciones a las cuales se les medir la absorbancia.

2) Preparacin de soluciones estndares de KMnO4 para construir curva de calibracin. a) Prepare las soluciones por el mtodo de

dilucin. Anote la concentracin de la solucin patrn que se le brinda. Un ejemplo para preparar una solucin, digamos la solucin I de la Tabla 1. Para preparar la solucin I, usted transferir con pipeta 2.00 mL de la solucin valorada de KMnO4 a un matraz volumtrico de 100.00 mL. Luego lleva a volumen con agua deionizada y homogeniza la solucin. Otro ejemplo, digamos la solucin II, usted transferir con pipeta 15.00 mL de la solucin I a un matraz volumtrico de 25.00 mL. Luego lleva a volumen con agua deionizada y homogeniza la solucin.

Solucin Patrn (M):

Tabla 1: Preparacin de soluciones estndares de KMnO4 Solucin Volumen Solucin Volumen Alcuota (mL) Patrn Matraz, mL

I 2.00 ~0.02 M 100.0

II 15.00 Solucin I

25.00

III 10.00 Solucin I

25.00

IV 5.00 Solucin I

25.00

V 1.00 Solucin I

25.00

3) Lecturas de absorcin Las instrucciones de uso del instrumento se le brindarn el da del laboratorio. En trminos generales, le tiene que medir el espectro de absorcin a todas las soluciones estndares preparadas en la Tabla 1. El blanco de estas medidas es agua deionizada. La lectura del espectro de absorcin de la solucin del desconocido tendr como blanco la solucin que prepar en la parte 1f. Debe leer el espectro del desconocido tres veces. Determine la absorbencia al largo de onda mximo de todas las soluciones. Recuerde que este largo de onda mximo tiene que ser igual para todas las soluciones.

4) Calcule la concentracin de soluciones estndares de KMnO4 preparadas por dilucin y antelas en la Tabla 2.

Datos Experimentales: Tabla 2: Medidas de absorbancia soluciones estndares. Solucin Molaridad Absorbancia I II III IV V Tabla 3: Dato de absorbencia del desconocido Repeticin Absorbancia (0.001)

1 2 3

Clculos 1) Lleve a grfica los valores de absorbencia como

funcin de concentracin de KMnO4 que aparecen en la Tabla 2.

2) Usando la funcin linest en Excel determine los valores de la pendiente e intercepto con sus

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incertidumbres absolutas y el valor de coeficiente de correlacin (R2). Anote los valores en la Tabla 4.

Tabla 4: Datos obtenidos para curva calibracin: Pendiente (m) Intercepto (b)

R2 3) Calcule la concentracin de Mn (Mdesc) en el acero

con el valor promedio de la absorbencia de su desconocido (Tabla 3), la pendiente (m) y el intercepto (b) de la Tabla 4 y la ecuacin (3).

( )( )desc descA m M b= + (3)

4) Determine el % w/w de Mn en la muestra de acero por la ecuacin (4)

( )( )( )( )

( )100

%Desc

desc matrazww

M V PAMnMn

masa muestra= (4)

Conclusiones Presente los resultados obtenidos. Identifique posibles fuentes de error y discuta como el error afecta el valor reportado en sus resultados. Identifique en qu direccin, mayor o menor relativo al valor esperado, el error descrito afecta sus resultados.

Anejo 1: Clculo de la incertidumbre del %Mn en acero. La incertidumbre de la concentracin molar de manganeso determinado por absorbancia se puede determinar por la ecuacin (5):

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )2

21 1

21

n n

i iy i i

desc

C x Cx nSM

m k D D D= =

D = + +

(5)

donde las variables en la ecuacin (5) se representan a continuacin: n = nmero de puntos de soluciones estndares en la curva de calibracin. k = el nmero de lecturas de absorbancia del desconocido, en este caso tres. |m| = es el valor absoluto de la pendiente de la regresin lineal de la curva de calibracin. b = es el valor del intercepto de la regresin lineal de la curva de calibracin. La ecuacin (5) tiene otras variables que se obtienen mediante las siguientes ecuaciones.

( ) ( ) ( ) ( )( )2 2 2exp exp exp21 1 1 1

2 2 2 2

n n n ncalc calc

i i i i i i ii i i i

d y y A A A mC b

y n n n nS = = = = +

= = = = (6)

( )

22

1 2

1

( )( )

n n

i i n ni i n

i ini i n

ii n

C CD C n C

C n

= =

= =

=

= =

(7)

Donde expiy = el valor de absorbancia de la solucin estndar calciA = absorbancia calculada mediante pendiente e intercepto de la regresin lineal para cada solucin estndar.

C = es la concentracin molar de cada solucin estndar. En este caso tiene cinco valores.

( )2 2 2

% %desc

desc matrazw ww w desc

desc matraz

M V Masa MuestraMn MnM V Masa Muestra

D D D D = + +

(8)

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