DUREZA DEL AGUA

Jexsy Mata

Profesor: Cristina De Sousa, Preparador: Alejandro Quevedo

Laboratorio de Química Analítica, Sección 62, Muestra Nº 31Escuela de Química, Facultad de Ingeniería, Universidad de Carabobo

Valencia, 31 de Mayo de 2011

RESUMEN

Las titulaciones complejométricas son aquellas donde se mide el volumen necesario de complejante para formar un complejo con un catión metálico del compuesto que se analiza, utilizando indicadores metalocrómicos; estos son colorantes orgánicos que forman quelatos con dicho ión. Este método es usado para determinar la dureza total en una muestra de agua. Para determinar dicha dureza, es necesario usar como complejante el EDTA (ácido etilendiaminotetraacético) y como indicador el NET (negro eriocromo T), realizando cada valoración como mínimo tres veces, para observar que no existan grandes variaciones en los volúmenes de complejante gastados, para así disminuir las probabilidades de error. Primeramente se estandarizó el EDTA con 100 ml de una muestra patrón de CaCO 3 0,01M y posteriormente, al obtener la concentración del EDTA se tituló la muestra problema de agua con dicho complejante, obteniendo su dureza, la cual fue de (1987±14) ppm CaCO3.Palabras clave: dureza del agua, EDTA, NET.

INTRODUCCIÓN

La dureza total del agua es la cantidad de calcio y magnesio presente en una muestra, usualmente en forma bicarbonatos disueltos. La determinación de la dureza es una prueba analítica útil que se realiza mediante la aplicación de titulaciones complejométricas, usando como complejante EDTA y como indicador NET, manteniendo el pH de la muestra en 10. La dureza proporciona una medida de la calidad del agua para uso doméstico o industrial. La prueba es de particular

importancia en la industria, gracias a que el calentamiento del agua dura precipita el carbonato de calcio, obtura calderas y tuberías.

METODOLOGÍA

Para comenzar se pesa la masa necesaria de CaCO3 para preparar la solución patrón 0,01M en 100ml, necesaria para estandarizar el EDTA. En un balón aforado de 250ml, se prepara una solución diluida de EDTA, usando 25ml de este

último. Se toman alícuotas de 10ml de la solución patrón y se vierten a tres matraces, los cuales contienen media pastilla de NET y aproximadamente 15 gotas de NH4OH; cada muestra se valora con EDTA, para así obtener los volúmenes gastados de titulante hasta observar el cambio de color del indicador, tomando en cuenta que los valores obtenidos deben ser cercanos, no deben diferir en más de 0,3ml y así poder determinar las concentraciones de EDTA en cada titulación y luego calcular su concentración promedio. Luego se repite el procedimiento anteriormente nombrado y detallado en el preinforme, pero esta vez usando la muestra problema. La concentración promedio obtenida en las últimas tres valoraciones, luego de ser transformada a ppm CaCO3, corresponde a la dureza total de la muestra problema.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Primeramente se pesa la masa de CaCO3

necesaria para preparar la solución patrón 0,01M de CaCO3 en 100ml. Teóricamente dicha masa debería ser 0,10009g, pero experimentalmente se obtuvo otra masa, indicada en la tabla 1, a la cual está asociada su respectivo error dado por la balanza analítica. Ya que se tiene una masa diferente a la teórica, también se tiene una concentración experimental, con su error asociado proveniente de la propagación de errores. La diferencia entre un valor y otro, arrojará errores en los próximos cálculos.

Tabla 1. Datos básicos de la solución patrón de carbonato de calcio (CaCO3)

Masa de CaCO3 Volumen deCaCO3

(VP ± 1) mL

Concentración de CaCO3

(MCaCO3 ± 0,0001) mol/L

Teórica(g)

Experimental (masaCaCO3 ±

0,0001) g0,1001 0,1017 100 0,0102

masaCaCO3: masa experimental del CaCO3

MCaCO3: concentración experimental de CaCO3

VP: volumen de la muestra patrón de CaCO3

Para realizar la pesada de la masa CaCO3, se empleó un vaso precipitado de 100mL, el cual se introdujo primeramente en una estufa y luego a un desecador, con la finalidad de desinfectar dicho instrumento, obteniendo una mayor exactitud en el proceso de medición de la masa necesaria. Luego, a la cantidad de masa medida se le añadió una cantidad de agua para realizar la disolución de la sal y también se le agregó HCl 6M con la finalidad de eliminar el ión carbonato (CO3

=), observándose una pequeña efervescencia (1), por lo que la reacción asociada es la siguiente: [1]

CaC O3+2H (ac)+ ¿ →C a+2

(ac )+C O2(g )↑+H2 O(l)¿(1)

Al preparar la solución diluida de EDTA, se usó un balón aforado de 250ml y (25,0±0,5) ml de EDTA concentrado, que es incoloro, agregando agua con el frasco de lavado hasta enrasar. Parte de dicha solución se transfirió a la bureta, previamente lavada y curada, para ser usado como titulante y en tres matraces Erlenmeyer agregar alícuotas de (10,00±0,02) ml de la solución patrón de CaCO3, media pastilla de NET y aproximadamente 15 gotas de NH4OH. Se valora el EDTA en cada uno de los matraces hasta observar el cambio de color de rojo vino a verde oliva, sin ninguna traza de rojo. Al obtener los volúmenes gastados de EDTA para cada valoración, se calculan las concentraciones de este para cada titulación y luego se calcula la concentración promedio. Los valores de estas tres primeras titulaciones se reflejan en la tabla 2.

Tabla 2. Estandarización del EDTA

Número de Titulación

Volumen de CaCO3

(VCaCO3 ± 0,02) mL

Concentración de CaCO3

(MCaCO3 ± 0,0001) mol/L

Volumen EDTA

(VEDTA ± 0,05) mL

1 10,00 0,0102 8,002 10,00 0,0102 8,203 10,00 0,0102 8,00

VCaCO3: volumen de solución patrónVEDTA: volumen gastado de EDTA

En la tabla 3 se reportan los valores de concentraciones obtenidos para cada titulación y promedio, con sus respectivos errores asociados, ya sea por propagación de errores o por desviación, para el caso del error para el valor promedio.

Tabla 3. Concentración de EDTA

Número de Titulación

Concentración de EDTA (MEDTA ± 0,0002) mol/L

Concentración Promedio de EDTA (M EDTA ± 0,0002)

mol/L1 0,0128

0,01262 0,01243 0,0128

MEDTA: concentración de EDTA para cada valoraciónM EDTA: concentración promedio de EDTA

El EDTA, ácido etilendiaminotetraacético, es el agente quelante que más se utiliza para la titulación de iones metálicos, es decir, es un ligando hexadentado potencial que se puede coordinar con un ión metálico mediante el par de electrones de sus dos nitrógenos y sus cuatro grupos carboxilo. El EDTA forma complejos bastante estables con la mayoría de los cationes y entra siempre en relación molar 1:1 en la fórmula del complejo, independiente de la carga del catión [1].

El indicador metalocrómico NET, negro de eriocromo T, es un compuesto orgánico colorido que forma quelatos con los iones metálicos al perder iones hidrógeno de sus grupos fenólicos –OH y mediante la formación de enlaces entre los iones metálicos y los átomos de oxígeno. La molécula se representa en forma abreviada como un ácido triprótico H3In.

Los enlaces del EDTA con el metal son más fuertes que los del NET con dicho metal, dentro de un pH entre 8-10, por lo que en esta titulación

se añade hidróxido de amonio (NH4OH) a la solución de CaCO3 para hacerla básica debido a que con el HCl se acidificó inicialmente la solución, y el pH se controla con un buffer que está incluido en la pastilla de NET. Entonces, cuando al final de la titulación se ha agregado una cantidad de EDTA equivalente a la del ión metálico, desplaza a éste de su complejo con el indicador y se produce el viraje [2]:

H Y 3−¿+M Z−¿→ H Z 2−¿+M Y2−¿¿¿ ¿¿ (2)

Rojo Azul

La presencia del buffer es para mantener el pH en 10 y a su vez para mantener la estabilidad de los complejos formados, además, a pH elevados el indicador cambia de color y/o precipitaría el CaCO3 o el Mg(OH)2. [1]

Después de estandarizado el EDTA, se procede a valorar la muestra problema de la misma manera que se hizo en el caso de estandarización del EDTA, sólo que en los tres matraces en vez de existir la solución patrón habrá (10,00±0,02) ml de la muestra problema en cada uno, además de la media pastilla de NET y las 15 gotas de NH4OH. Los valores arrojados en cada titulación son los reportados en la tabla 4.

Tabla 4. Valoración de la muestra problema con EDTA

Número de Titulación

Volumen de Muestra Problema

(VM ± 0,02) mL

Volumen EDTA (VEDTA ± 0,05)

mL1 10,00 15,602 10,00 15,803 10,00 15,50

VM: Volumen de muestra problema

Al agregar el indicador a la muestra problema, se observa como la solución que antes era incolora se transforma a rojo vino, este color es debido a la presencia de Mg2+, y debido a la formación del complejo Mg-NET, según la reacción 3. El Ca2+

permanecerá libre, junto con los restos de Mg2+ no complejados por el indicador. Durante la valoración se formará primero el complejo con el calcio, que es más estable, y a continuación se valorará el magnesio que queda libre. El magnesio, que forma el complejo de EDTA menos estable de todos los cationes multivalentes en muestras normales de agua, no se titula hasta que se ha añadido suficiente reactivo para complejar los demás cationes de la muestra, según la reacción 4. En el punto final el NET pasa a un color verde oliva. [3]

Ca2+¿+Mg2+¿+HNET 2−¿↔ MgNET−¿+ Ca2+¿+ H

+¿¿¿¿¿¿ ¿ (3)

MgNET+Ca2+¿+EDTA →CaEDTA +MgEDTA+NET ¿ (4)

Con los valores obtenidos de volumen gastado de EDTA y su concentración y con el volumen de la muestra problema, se determina la dureza total del agua para cada valoración y promedio, luego de realizar los cálculos pertinentes. Se denomina dureza del agua a la concentración de compuestos minerales que hay en una determinada cantidad de agua, en particular sales de magnesio y calcio. Son éstas las causantes de la dureza del agua, y el grado de dureza es directamente proporcional a la concentración de sales alcalinas. [3] Dichos valores son los representados en la tabla 5.

Tabla 5. Dureza total de la muestra problema

Número de Titulación

Dureza de la muestra problema

(D ± 42) ppm CaCO3

Dureza promedio de la muestra problema

(D ± 14) ppm CaCO3

1 198319872 2008

3 1970D: dureza total de la muestra problema para cada titulaciónD: dureza total promedio de la muestra problema

La diferencia que existe entre el valor obtenido experimentalmente y el real, es debido a la cantidad de errores cometidos durante el

desarrollo de la práctica. Algunos de ellos son: el error al pesar la muestra de carbonato de calcio para preparar la solución patrón, no enrasar correctamente en la preparación de la solución patrón o en la disolución del EDTA concentrado o en la disolución de la muestra problema (error de paralaje; variaciones de volumen de muestra a titular, poca sensibilidad del indicador ante la adición de EDTA o se añadió mucho indicador a la solución a valorar, por lo que la disolución sería muy oscura y no se observaría bien el final del viraje, no usar agua desionizada, exenta de calcio y magnesio, tanto en el enjuague de los materiales como en las disoluciones, etc. [1]

CONCLUSIONES

La masa pesada de CaCO3 es (0,1017±0,0001) g. La concentración experimental de la muestra patrón es (0,0102±0,0001) mol/L. La concentración promedio de EDTA es (0,0126±0,0002) mol/L. La dureza total promedio de la muestra problema es (1987±14) ppm CaCO3.

REFERENCIAS

[1] El rincón del vago. (2011). Dureza en aguas: Volumetría Complejométrica. [Documento en línea]. Disponible en ˂http://html.rincondelvago.com/dureza-en-aguas_volumetria-complejometrica.html˃. Consultado el 28 de mayo de 2011.

[2] Tapia, J., Morandi, N., Hood, P. (2007). Titulación de dureza total de agua con EDTA. Paraninfo. Argentina. Páginas: 4-7.

[3] Laboratorio de Química. (2009). Distintos tipos de titulaciones. [Documento en línea]. Disponible en: ˂

http://labquimica.wordpress.com/2009/02/25/disti ntos-tipos-de-titulaciones/˃. Consultado el 01 de junio de 2011.

CÁLCULOS TÍPICOS

Determinación de la masa teórica necesaria para la preparación de una solución de carbonato de calcio (CaCO3) 0,01M en 100mLMediante la ecuación 1:

mCaC O3=CCaC O3

× M CaC O3×V sol (1)

Dónde:mCaC O3

: masa teórica de carbonato de calcio (CaCO3) (g)

M CaC O3: peso molecular del carbonato de calcio (CaCO3) (g/mol)

V sol: volumen de la solución de carbonato de calcio (CaCO3) (L)

CCaC O3: concentración la solución de carbonato de calcio (CaCO3) (mol/L),

Sustituyendo los datos en la ecuación, se obtiene el siguiente resultado:

mCaC O3=0,01 mol

L×

100,09 gmol

×0,1 L=0,10009 g

Determinación de la concentración experimental de la solución de carbonato de calcio (CaCO3) Mediante la ecuación 2:

M e CaC O3=

meCaC O3

M CaC O3× V sol

(2)

Dónde:M e CaC O3

: concentración experimental de la solución de carbonato de calcio (CaCO3) (mol/L)

me CaC O3: masa experimental de carbonato de calcio (CaCO3) (g),

Sustituyendo los datos de la Tabla 1 en la ecuación, se obtiene el siguiente resultado:

M e CaC O3= 0,1017 g

100,09 g /mol ×0,1 L=0,0102 mol/ L

Cálculo del error de la concentración de la solución de CaCO3

Aplicando el criterio de propagación de errores, se tiene la siguiente ecuación:

∆ M e CaC O3=(∆ meCaC O 3

meCaC O3

+∆ V Sol

V sol )×C eCaC O 3(3)

Dónde:∆ M e CaC O3

: error de la concentración de la solución patrón (mol/L)

∆ meCaC O3: error de la balanza empleada para medir la masa de CaCO3 (g)

∆ V Sol: error del instrumento volumétrico empleado para medir la solución de CaCO3 (mL),

Sustituyendo los valores en la ecuación, se obtiene:

∆ C e CaC O3=( 0,0001 g

0,1017 g+ 1 mL

100 mL )× 0,0102 mol/ L=0,0001 mol / L

Finalmente:M e CaC O3

=(0,0102 ± 0,0001 ) mol/ L

Determinación de la concentración de la solución de EDTA en el punto final de la titulaciónMediante la ecuación 4:

M EDTA=M e CaC O3

× V CaCO 3

V EDTA

(4)

Dónde:MEDTA: concentración de la solución de EDTA (mol/L)V CaCO3: volumen de la alícuota de la solución de CaCO3 con la que se titula (mL)VEDTA: volumen de EDTA gastado en la titulación (mL),

Sustituyendo los valores de las Tabla 2 en la ecuación, se obtiene:En la 1era titulación:

M 1 EDTA=0,0102 mol /L ×10 mL

8 mL=0,0128 mol /L

En la 2da titulación:M 2 EDTA=0,0124 mol /L

En la 3era titulación:M 3 EDTA=0,0128 mol/ L

Cálculo del error de la concentración de la solución de EDTAAplicando el criterio de propagación de errores, se tiene la siguiente ecuación:

∆ M EDTA=( ∆ M e CaC O3

M e CaC O3

+∆ V CaC O3

V CaC O3

+∆ V EDTA

V EDTA )×CEDTA (5)

Dónde:∆ M EDTA: Error de la concentración de la solución de EDTA (mol/L)

∆ V CaC O3: Error del instrumento volumétrico empleado para medir la alícuota de CaCO3 con la que se titula (mL)

∆ V EDTA: Error del instrumento volumétrico empleado para medir la solución de EDTA (mL),

Sustituyendo los valores de la 1era titulación en la ecuación, se obtiene:

∆ M 1 EDTA=( 0,0001 mol /L0,0102 mol /L

+ 0,02 mL10,00 mL

+ 0,05 mL8mL )× 0,0128 mol /L=0,00023 mol /L≅ 0,0002 mol / L

Finalmente:M 1 EDTA=(0,0128 ± 0,0002 ) mol /L

M 2 EDTA=(0,0124 ± 0,0002 )mol / L

M 3 EDTA= (0,0128± 0,0002 ) mol /L

Cálculo de la concentración promedio de las concentraciones de EDTAMediante la ecuación 6:

M EDTA=∑i=1

n

M EDTA

n(6)

Dónde:M EDTA: concentración promedio de la solución de EDTA (mol/L)n: número de titulaciones (Adim),

Sustituyendo los valores en la ecuación, se obtiene:

M EDTA=(0,0128+0,0124+0,0128 )mol / L

3=0,012 6 mol /L

Cálculo del error cometidoAplicando el criterio de la desviación media:

∆ M EDTA=∑i=1

n

|M i EDTA−M EDTA|n

(7)

Dónde:M i EDTA: valores obtenidos de concentración de CaCO3 (mol/L),

Sustituyendo los valores de concentración de EDTA para cada volumen:

∆ M EDTA=(|0,0128−0,0127|+|0,0124−0,0127|+|0,0128−0,0127|) mol /L

3=0,0002mol / L

Finalmente:M EDTA=(0,0126± 0,0002 ) mol / L

Determinación de la dureza total de la solución problemaMediante la ecuación 8:

DT=C EDTA ×V EDTA × M CaC O3

× 1000

V MP

(8)

Dónde:DT : Dureza total de la muestra (ppm CaCO3)

V MP: Volumen de la alícuota titulada de la muestra problema (mL),

Sustituyendo los valores de la Tabla 5, se obtiene:

En la 1era titulación:

DT 1=0,0127 mol/ L× 15,60 mL×100,09 g/mol× 1000

10 mL=1983 ppm CaC O3

En la 2da titulación:DT 2=2008 ppm CaCO3

En la 3era titulación:DT 3=1970 ppm CaCO3

Cálculo del error de la dureza total de la muestra problemaAplicando el criterio de propagación de errores, se tiene la siguiente ecuación:

∆ DT=(∆ M EDTA

M EDTA

+∆V EDTA

V EDTA

+∆ V MP

V MP)× DT (9)

Dónde:∆ V MP: error del instrumento volumétrico empleado para medir la alícuota titulada de la muestra problema (mL),

Sustituyendo los valores de la 1era titulación en la ecuación, se obtiene:

∆ DT 1=( 0,0002 mol / L0,0127 mol /l

+ 0,05 mL15,60 mL

+0,02 mL10 mL )×1983 ppmCaC O3=41,55 ppmCaC O3

∆ DT 1≅ 42 ppm CaCO 3

Finalmente:

DT 1=(1983 ± 42) ppmCaC O3

DT 2=(2008 ± 42) ppmCaC O3

DT 3=(1970 ± 42) ppmCaC O3

Cálculo del valor promedio de la dureza total de la muestra problemaMediante la ecuación 10:

DT=∑i=1

n

DT

n

(10)

Dónde:DT : Dureza total promedio de la muestra problema ( ppmCaCO 3),

Sustituyendo los valores en la ecuación, se obtiene:

DT=(1983+2008+1970 ) ppm CaC O3

3=1987 ppmCaC O3

Cálculo del error cometidoAplicando el criterio de la desviación media:

∆ DT=∑i=1

n

|DTi−DT|n

(11)

Dónde:DT i: Valores obtenidos de dureza total de la muestra problema (ppm CaCO3),

Sustituyendo los valores de dureza total de la muestra problema para cada volumen, se obtiene:

∆ DT=(|1983−1987|+|2008−1987|+|1970−1987|) ppm CaC O3

3=14 ppm CaC O3

Finalmente:DT=(1987 ± 14 ) ppm CaC O3