Microsoft Word - LQII Practica 11 Dureza Intercambio Ionico

Lab. Química II (Grado Química) Curso 2012-2013 Práctica 11 - Pág.

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PRÁCTICA 11: Intercambio iónico. Determinación de la dureza del agua. OBJETIVOS

Sobre una muestra de agua dura se realizarán las siguientes experiencias: 1. Determinación de la dureza 2. Ablandamiento del agua: i) Intercambio de iones Ca+2 y Mg+2 por Na+. 3. Desionización del agua: i) Intercambio de cationes por H+. ii) Intercambio de aniones por OH-. Se hará un seguimiento de las experiencias realizando medidas de pH, conductividad iónica y una estimación del contenido de iones Cl- e iones Ca+2 en las distintas muestras de agua.

INTRODUCCIÓN

Para referirnos al planeta en el que vivimos, se emplea a veces el término “Planeta Azul”. Esta denominación pretende ser una imagen de la gran cantidad de agua que contiene, no sólo en los océanos que representan aproximadamente el 71% de la superficie terrestre, sino en otros muchos ecosistemas terrestres y en la atmósfera que nos envuelve.1

Tabla 1.- El agua en nuestro planeta Fuente de agua Volumen de

agua, en Km3

Porcentaje de

agua dulce

Porcentaje total

de agua

Océanos, Mares y

Bahías

1,338,000,000 -- 96.5

Capas de hielo,

Glaciares y

Nieves Perpetuas

24,064,000 68.7 1.74

Agua subterránea 23,400,000 -- 1.7

*Dulce 10,530,000 30.1 0.76

*Salada 12,870,000 -- 0.94

Humedad del

suelo

16,500 0.05 0.001

Hielo en el suelo

y gelisuelo

(permafrost)2

300,000 0.86 0.022

Lagos 176,400 -- 0.013

*Dulce 91,000 0.26 0.007

*Salada 85,400 -- 0.006

Atmósfera 12,900 0.04 0.001

Agua de pantano 11,470 0.03 0.0008

Ríos 2,120 0.006 0.0002

Agua biológica 1,120 0.003 0.0001

Total 1,386,000,000 - 100

Fuente: Gleick, P. H., 1996: Water resources In Encyclopedia of Climate and Weather,

ed. by S. H. Schneider, Oxford University Press, New York, vol. 2, pp.817-823.

1 La atmósfera contiene la nada despreciable cantidad de 12000 km

3 de agua. Fuente: Gleick, P. H., 1996: Water resources In

Encyclopedia of Climate and Weather, ed. by S. H. Schneider, Oxford University Press, New York, vol. 2, pp.817-823. 2 Permafrost: capas de hielo subterráneas en regiones polares

(http://www.madrimasd.org/blogs/universo/2008/08/23/99331)


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El agua en nuestro planeta se encuentra presente en los tres estados, aunque el agua líquida contenida en los océanos (salada) representa el 97% del total. Los procesos naturales de evaporación-condensación constituyen el conocido “ciclo natural del agua”3, en el que la atmósfera actúa a modo de gigantesco destilador.

El agua es imprescindible para la vida y representa un porcentaje elevado del cuerpo humano y de la mayoría de los seres vivos.4 Para el ser humano la cadena trófica depende en gran manera de la disponibilidad de agua dulce para el crecimiento de las especies vegetales que forman su base y es en este sentido en el que podemos hablar de que el agua es un “bien escaso”, aunque lo realmente escaso sea la disponibilidad de agua con unas características concretas (baja salinidad, potabilidad, etc.) para usos agrícolas, industriales y de consumo. Por otra parte, se da la circunstancia añadida de que el pequeño porcentaje de agua disponible para estos usos está muy desigualmente distribuido en distintas zonas del planeta, y su escasez representa una seria amenaza para la vida en determinadas zonas.

El agua es un compuesto termodinámicamente muy estable (∆Hf = 286,02 kJ·mol -1) y un disolvente extraordinariamente eficaz debido a su elevado momento dipolar y su facilidad para formar puentes de hidrógeno. Además interviene en una gran diversidad de procesos químicos, en los que puede actuar como ácido o como base, como oxidante o como reductor. Por otra parte, es capaz de disolver una gran diversidad de gases en proporciones elevadas.5

La versatilidad del agua como reactivo, explica que en muy pocas ocasiones se encuentre en estado puro en la naturaleza. No obstante, la gran cantidad de agua disponible en el planeta hace innecesaria su obtención a partir de los elementos. Es por esta razón que los procedimientos de tratamiento y purificación de las aguas adquieren una importancia estratégica para la vida en nuestro planeta.

El proceso más importante de purificación de aguas lo constituye su propio ciclo natural. El agua de lluvia, que ha sufrido un proceso de “evaporación → condensación”, es una de las fuentes naturales de agua pura, aunque contiene partículas de polvo y gran cantidad de gases disueltos, como N2, O2, CO/CO2, SO3, NO2, responsables estos últimos del fenómeno de la lluvia ácida.

El agua de lluvia, que se almacena en lagos y pantanos y que discurre por cauces fluviales se va enriqueciendo en sales minerales por un proceso de lixiviación de los minerales que encuentra a su paso (calizas, dolomitas, creta, etc.).

Dureza de las aguas naturales

Este parámetro de calidad de las aguas describe el contenido global de minerales disueltos (sobre todo calcio y magnesio), que se manifiestan en forma de depósitos o incrustaciones en las tuberías de agua caliente, e interfieren en la acción espumante de los jabones. Un agua dura no es en realidad nociva para la salud humana, (de hecho, no se han descrito contraindicaciones para la salud humana,6 ) pero representa un grave problema técnico de difícil solución cuando la dureza es excesiva y puede producir importantes perjuicios económicos. En algunos ámbitos, las aguas duras pueden resultar beneficiosas, por ejemplo para el riego, puesto que contribuyen a que floculen las partículas coloidales del suelo, lo que incrementa la permeabilidad de los terrenos arcillosos, dificultando el encharcamiento.

3 http://ga.water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html#global

4 Los porcentajes varían con la edad y la cantidad de grasa acumulada.

Puede representar el 78 % en los bebés o el 55% en un adulto obeso.

5 http://www.engineeringtoolbox.com/gases-solubility-water-d_1148.html

6 http://www.who.int/entity/water_sanitation_health/dwq/gdwq3_es_10.pdf


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Los componentes más abundantes de las aguas naturales son sales de calcio y magnesio, fundamentalmente bicarbonatos, cloruros y sulfatos asociados a la tierra y a las rocas. La contribución de otros iones metálicos presentes, como Fe3+, Al3+ y Mn2+, suele ser pequeña, puesto que normalmente se encuentran en muy baja concentración. En la práctica se considera que en una muy buena aproximación la dureza total es la suma de las concentraciones de calcio y magnesio, ignorando otros posibles cationes metálicos, muy variables en función de los terrenos atravesados por el agua en su ciclo.

Tanto si es debida sólo al Ca2+, o mayoritariamente al Ca2+ pero con una proporción significativa de Mg2+, la dureza total se expresa como mg/L equivalentes de CaCO3, (partes por millón, o ppm, de CaCO3), cálculo que implica realizar una sustitución ficticia de todos los cationes magnesio presentes por calcio. Un agua es calificada de “blanda” cuando su dureza es inferior a 60 ppm de CaCO3, y se considera “muy dura” por encima de las 120 ppm.

Se suelen distinguir dos tipos de dureza, en función de los efectos producidos por el calor. La fracción de dureza debida al bicarbonato constituye la denominada dureza temporal. El nombre se debe a que esta fracción desaparece cuando el agua se hierve, debido a la precipitación de CaCO3:

Ca2+ + 2 HCO3− CaCO3(s) + CO2(g) + H2O

El mismo proceso sucede con Mg2+. La dureza que permanece tras hervir se denomina dureza permanente y es aquélla asociada a aniones de otras sales (SO4

2−, Cl−, NO3− , etc), que no van a

precipitar por calentamiento.

Determinación de la dureza total en aguas

Antiguamente se determinaba la dureza de un agua por la capacidad que tenía para formar espuma en presencia de jabón, ya que como se ha indicado los iones Ca2+ y Mg2+ precipitan los ácidos grasos que constituyen el jabón, impidiendo la formación de espuma. Aprovechando este efecto, el procedimiento consistía en una valoración en la que vertía con ayuda de una bureta, una solución estandarizada de jabón de Marsella sobre el agua cuya dureza se deseaba determinar, hasta que se observaba la primera aparición de espuma persistente.

En la actualidad, se mide la dureza investigando directamente las concentraciones de Ca2+ y Mg2+. Lo usual es determinar estos dos cationes conjuntamente por valoración con la sal disódica del ácido etilendiamintetracético (o EDTA, Na2H2Y). El EDTA es capaz de complejar a todos los cationes metálicos excepto los alcalinos, envolviéndolos para coordinarse por seis puntos: los dos nitrógenos amínicos y los cuatro oxígenos carboxílicos disponibles al liberarse los respectivos hidrógenos ácidos. El resultado es la formación de compuestos de coordinación de estequiometría 1:1 (un ligando EDTA por catión metálico), excepcionalmente estables, denominados quelatos. Esta palabra procede de “chele”, palabra griega que significa “garra”, aludiendo al parecido que existe entre estas estructuras y una garra que sujeta al catión metálico. Existen otros agentes quelantes de la familia del EDTA, menos usados, todos ellos con grupos -N(CH2-COOH)2, denominados complexonas.


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Como indicador se utiliza el negro de eriocromo T (NET). El Mg2+ forma con el NET un complejo (log KMg−NET = 7.0) que es más estable que el que forma el Ca2+ (log K Ca−NET = 5.4). A pH 8−10 regulado con un tampón NH4

+/NH3 el equilibrio de complejación del indicador NET es:

Mg2+ + HNET2− MgNET− + H+ (azul) (rojo vino)

Los complejos a cualquier pH son siempre rojos. En cambio el NET adquiere diferentes coloraciones al cambiar su estado de protonación. En pHs ácidos por debajo (pH <6.3) es rojizo, y en medios básicos (pH>11.6) adopta tonos anaranjados. La única transición de color (rojoazul) bien visible sucede a pH entre 6.3 y 11.6. El complejo Ca−NET, de idéntico color rojo, es menos estable que el Mg−NET. Así, al añadir una pequeña cantidad de indicador a una disolución que contiene Ca2+ y Mg2+, aparecerá el color rojo vino del complejo MgNET−. El Ca2+ permanecerá libre, junto con los restos de Mg2+ no complejados por el indicador. Durante la valoración con Na2H2Y, se formará en primer lugar el complejo con calcio, que es más estable, y a continuación se valorará el magnesio que quede libre:

Inicialmente: Ca2+ + Y4− CaY2− log KCa−Y = 10.7 Al agotarse el Ca2+ libre: Mg2+ + Y4− MgY2− log KMg−Y = 8.7

Cuando todo el Ca2+ y el Mg2+ libre se haya valorado, el EDTA que se agregue reaccionará desplazando al Mg2+ del complejo con NET, debido a la mayor estabilidad del complejo MgY2− (log KMg−Y = 8.7 mientras que log KMg−NET = 7.0). Cuando todo el indicador MgNET se haya desplazado, el color de la disolución cambia del rojo vino al azul del indicador libre al pH de valoración (medio tamponado con el sistema NH4

+/NH3).

Si representamos la proporción de metal libre como –log [M] (o pM: pCa o pMg) en disolución en función del volumen de valorante agregado, obtendremos una curva

de valoración creciente. Podemos razonar la forma de la curva con facilidad. Al comienzo del proceso existe mucho metal libre por valorar: pM será un número bajo al ser [M] un número relativamente alto. Al final del mismo existe muy poco [M], debido a que el complejo, que es muy estable, deja una cantidad vestigial de metal libre por disociación. Al terminarse el metal libre disponible para ser valorado por EDTA, se produce un súbito incremento en el valor de pM: la existencia de EDTA libre forzará el desplazamiento del metal en el complejo Mg−NET− para formar MgY2−, con lo que se hará visible el color del NET liberado, azul.

Ablandamiento del agua

Las aguas excesivamente duras se acondicionan con dispositivos denominados “ablandadores de agua”, que usan zeolitas o resinas de intercambio catiónico artificiales, que por contacto reemplazan los cationes alcalinotérreos por sodio o potasio. Las zeolitas son polímeros naturales porosos, constituidos por silicoaluminato sódico o potásico. Cuando la zeolita (o resina de

HNET2− (azul)

MgNET− (rojo)

v (EDTA)

pM

(1) Ca2+ + Y4− CaY2−

(2) Mg2+ + Y4− CaY2−

HNET2− (azul)

MgNET− (rojo)

v (EDTA)

pM

(1) Ca2+ + Y4− CaY2−

(2) Mg2+ + Y4− CaY2−


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síntesis) se agota, se puede regenerar con facilidad lavándola con una solución concentrada de cloruro sódico, que vuelve a rellenar sus puntos de intercambio iónico con sodio, de modo que el tiempo de vida del material es ilimitado si éste se regenera apropiadamente cada cierto tiempo.

En las calderas y tuberías por las que circulan aguas duras, con el paso del tiempo se forman placas adherentes, especialmente sobre los focos de calor, que reducen de forma dramática la conductividad térmica. Además existe un creciente riesgo de explosión por obstrucción. En los procesos industriales, compensar la caída en rendimiento implica incrementar el consumo de combustible. Los materiales sobrecalentados sin embargo se deterioran más rápidamente, al acelerarse los procesos de corrosión. Debido a ello, los ablandadores de agua

resultan en muchos países indispensables tanto a nivel industrial como doméstico (resistencias eléctricas de lavadoras y lavavajillas).

Los métodos de ablandamiento de agua (reducción de la concentración de Ca2+ y Mg2+), tienen que permitir el tratamiento de grandes cantidades de agua y además han de resultar económicamente viables.

Para las aguas industriales, no destinadas el consumo humano, uno de los métodos de ablandamiento empleado es la adición de fosfatos y polifosfatos, que forman complejos solubles con el calcio, evitando su precipitación. No obstante este procedimiento está desaconsejado por los efectos contaminantes (eutrofización).

Ablandamiento y desionización del agua con RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO

Como se ha indicado, ablandar un agua es disminuir su dureza la sustitución de los cationes calcio y magnesio por iones sodio. Para ello, se pasa el agua por unas columnas rellenas con resinas de intercambio iónico. Estas resinas son polímeros insolubles con forma granular en los que existen grupos funcionales, por ejemplo -SO3

-H+ que intercambian cationes (o –NH3+OH-

que intercambian aniones). La resina de intercambio catiónico la representaremos como RES-SO3

-H+ y la de intercambio aniónico la representaremos como RES-NH3+OH-.

Como la interacción de los grupos funcionales de las resinas con los iones es de tipo electrostático, los más cargados se retienen en mayor proporción. Así pues la afinidad de una resina para retener un determinado ión crece al aumentar la carga: M+<M2+<M3+. Cuando se trata de iones de la misma carga la afinidad disminuye el aumentar el tamaño del ión hidratado (Na+>K+).

• Si a través de una resina de intercambio de cationes en forma RES-SO3-H+, se pasa una

disolución concentrada de NaCl, los iones Na+ quedan retenidos en la columna liberándose la cantidad equivalente de iones H+.

El proceso puede escribirse de este modo:

RES-SO3- H+ + Na+Cl- <===> RES-SO3

- Na+ + H + Cl- (H+/Na+) (1)


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Esquemáticamente:

• Esta misma resina se encuentra ahora en forma de sal sódica, RES-SO3-Na+ y, por tanto, al adicionar agua del grifo (que contiene iones Ca2+, Mg2+, Cl-, NO3

-, etc) se producirá un intercambio de iones Na+ por los cationes anteriores, dejando pasar los aniones, que escribiremos de este modo:

2 RES-SO3-Na+ + Ca2+ <===> (RES-SO3

-)2Ca2+ + 2Na+ (2Na+ /Ca2+ ) (2)

• Si la resina tiene grupos funcionales amonio RES-NH3+OH- (resina de intercambio aniónico), al pasar una disolución (que contiene iones Ca2+, Mg2+, Cl-, NO3

-, etc) el canje será entre iones OH- y los aniones anteriores, dejando pasar los cationes, que escribiremos de este modo:

RES-NH3+OH- + H +Cl- <===> RES-NH3

+Cl- + H2O (OH-/Cl-) (3)

La reacción 2) es un ejemplo de intercambio de un ión por otro, que en el caso de Na+ por Ca2+ y Mg2+ se denomina ablandamiento del agua.

La combinación de los procesos 1) y 3) produce la eliminación de todos los iones de la disolución y, por tanto, consigue la desionización del agua.

REGENERACIÓN DE RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO

Una vez agotada la capacidad de cambio, es decir, cuando todos los grupos funcionales están coordinados a los iones que se pretenden retener, la resina se regenera invirtiendo el proceso. Eso se consigue pasando en cada caso a través de la columna una disolución que contiene una elevada concentración de los iones originales de la resina (HCl, NaCl o NaOH).

RES-SO3-Na+ + H+Cl- <==> RES-SO3

-H+ + Cl- + Na+ (Na+/H+) (4)

(RES-SO3-)2 Ca+2 + 2Na+ 2Cl- <==> 2 RES-SO3

-Na+ + Ca+2 + 2Cl- (Ca+2/2Na+) (5)

RES-NH3+Cl- + Na+OH- <==> RES-NH3

+OH- + Cl- + Na+ (Cl-/OH-) (6)

Medidas de conductividad iónica

La forma más precisa de detectar la presencia de iones en disolución es la medida de la conductividad específica, que se define como la inversa de la resistencia específica (resistencia de un cubo de 1 cm de arista que se mide en Ω.cm). La conductividad específica de una disolución se mide en Ω-1.cm-1 o S/cm, milisiemens (mS=10-3 S) y microsiemens (microS=10-6 S).

La conductividad iónica depende de la cantidad de iones presentes en la disolución y de su movilidad, por lo que se ve afectada de forma significativa por la temperatura. Un valor elevado

SO 3 - Na +

SO 3 - Na +

SO 3 - Na +

SO 3 - H +

SO 3 - H +

SO 3 - H +

LANA DE VIDRIO

Na + Cl - + H + Cl -

Na + Cl -

H + Cl -


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de la conductividad específica indica la presencia de muchos iones en disolución. Para el agua desionizada el valor de la conductividad específica es entre 3-10 microS/cm mientras que para el agua corriente puede llegar a 1000 mS/cm.

La medida de la conductividad específica no es una indicación de la dureza del agua ya que esta última sólo tiene en cuenta la concentración de Ca2+ y Mg2+. Un agua con alto contenido en Na+ sería un agua blanda aunque su conductividad específica sea elevada.

IMPORTANTE:

(1) A lo largo de esta práctica es esencial que se use agua desionizada, exenta de calcio y magnesio, tanto en el enjuague del material como en la preparación de las disoluciones.

(2) Es imprescindible añadir una porción muy pequeña de indicador (0,06 g) a la disolución que se valora. De lo contrario las disoluciones serán demasiado oscuras, resultará difícil observar el final del viraje, y el error del indicador será alto. No debe quedar el menor matiz rojo del indicador complejado en el final de la valoración.

(3) Antes de comenzar la práctica conviene llenar completamente de agua desionizada un frasco lavador, de manera que a lo largo de la práctica utilicemos siempre la misma agua, que identificaremos como “blanco” (B).

…

EXPERIMENTAL Determinación dureza de agua

Material Bureta de 10 mL 3 Matraces erlenmeyer 100 mL 1 Matraz aforado de 50 mL 1 Vaso de precipitados de 50 mL 1 Vaso de plástico (para recoger lavados de la bureta) 1 Probeta de 25 mL Varilla de vidrio Pipeta aforada de 10 mL Propipeta Pesasustancias Balanza

Reactivos Negro de Eriocromo T (indicador sólido, mezcla con NaCl al 1%) Disolución amortiguadora NH4

+/NH3 de pH=10 Disolución de EDTA* 0.01M (preparar cada pareja)

(*) EDTA: sal disódica que ha de estar previamente acondicionada secándola a 80°C durante una hora, y guardada en

desecador.

1. Preparación de la disolución de EDTA

Pesa la cantidad necesaria de sal disódica de EDTA para preparar 50 mL de una disolución 0.01 M (cuestión previa número 5) en un pesasustancias. Transfiere el sólido a un vaso de precipitados y disuélvelo en una mínima cantidad de agua. Transfiere el líquido cuantitativamente a un matraz aforado de 50 mL, lavando el vaso y recogiendo las porciones de lavado en el aforado. “Lleva a volumen” el aforado, es decir, añade agua hasta la marca de aforo, con cuidado


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y terminado de completar con un cuentagotas.

Lava cuidadosamente la bureta con agua, aclárala con agua desionizada y “ceba” (i.e., elimina las burbujas de la punta de la bureta) abriendo la llave por completo para que las arrastre. Cierra la bureta dejando un poco de agua por encima de la llave para evitar que se formen nuevas burbujas. Enjuaga la bureta con pequeñas porciones de la disolución de EDTA, abriendo la llave para arrastrar el agua y el EDTA de lavado, dejando que el líquido salga por la punta pero, siempre dejando disolución de EDTA por encima de la llave para que no vuelva a formarse una burbuja en el proceso de lavado. Cuando la bureta esté enjuagada con EDTA (3 porciones serán suficientes) rellénala inclinándola ligeramente, y ponla a cero. Siempre que vayas a valorar, comienza preparando la bureta: ¡tenla lista antes de pasar a hacer otras operaciones!

Calcula la concentración molar de acuerdo a la masa real que has pesado, esto es, actualiza el cálculo de la molaridad con la masa de sal que estás disolviendo.

Nota: la concentración verdadera de EDTA no se puede determinar a partir de la cantidad que hemos pesado. Cuando queremos establecer la verdadera concentración de una disolución de EDTA debemos valorarla frente una sustancia de elevada pureza denominada “patrón primario”. Un patrón primario apropiado para estandarizar EDTA es el CaCO3. Por cuestiones de tiempo, ignoraremos la fase de estandarización del reactivo valorante y consideraremos que la concentración obtenida por pesada es exacta (el error es muy pequeño, en cualquier caso). En segundo curso, en las asignaturas de análisis, ya profundizarás en estas cuestiones."

2. Determinación de la dureza total en la muestra problema

El procedimiento que a continuación se describe puede ser adaptado para analizar aguas minerales o naturales. La concentración del EDTA y los volúmenes de muestra a tomar pueden variar en función de los contenidos típicos en diferentes aguas comerciales (dureza total entre 2.5 y 170 ppm de CaCO3). Sin embargo, para que en la práctica usemos volúmenes pequeños y pesos de reactivos adaptados a las balanzas disponibles (sin que sea necesario realizar diluciones previas), vamos a analizar un agua sintética, de mayor concentración que las aguas reales.

Toma una alícuota de 10 mL de la muestra problema (con pipeta aforada) e introdúcela en un erlenmeyer. Añade 5 mL del tampón de pH=10 y una punta de espátula de NET. Añade 15 mL de agua desionizada con probeta. Valora con la disolución de EDTA que has preparado, hasta que veas que el color rojo de la disolución vira a azul puro, apuntando el volumen. Realiza la valoración por triplicado, anotando el volumen gastado de EDTA en la Tabla 2 y expresa el resultado como mg/L de CaCO3 referidos a la muestra original. En caso de que alguna medida


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discrepe, realiza una cuarta valoración.

Tabla 2

Volumen EDTA (mL) V1: V2: V3:

Volumen medio de la valoración (mL) Vmedio:

Dureza total (mg/L o ppm de CaCO3) Dureza total:

Los residuos generados en este apartado se recogen en recipiente marcado como residuos básicos.

EXPERIMENTAL Intercambio iónico

Material 3 Columnas Gradilla + tubos de ensayo 2 viales pH y conductividad 3 vasos de 100 mL Probetas de 10, 25 y 50 mL Cuentagotas de plástico 3 Frascos + tapa (AB,SC,D) Varilla de vidrio

Reactivos Muestra problema de agua (AP) NaCl 0.1M HCl 0.1 M NaOH 0.01 M EDTA 0.01M Negro de eriocromo T sólido Tampón pH 10 (NH4Cl-NH3) HNO3 0.1 M AgNO3 0.1M

Aparatos pH-metro Conductímetro

IMPORTANTE:

... (4) Las columnas se deben mantener llenas de líquido en todo momento. (5) Descartar siempre los primeros 2 mL que salen de las columnas.

Consejos de orden práctico. Para cada disolución a analizar:

1) Lavar dos tubos de ensayo y enjuagar con agua desionizada. No hace falta secar. 2) Rotular los tubos de ensayo. Por ejemplo: B-1 y B-2. 3) Introducir la cantidad deseada de disolución en sendos tubos de ensayo (1 ml aprox. en

cada tubo de ensayo/unas 20 gotas). 4) Realizar los ensayos químicos 1 y 2 respetando la numeración. Así el tubo B-1, en nuestro

ejemplo, corresponde al ensayo de cloruros sobre el blanco y B-2 el ensayo de Ca2+ y Mg2+ sobre el blanco, etc.

5) Finalmente, medir la conductividad y el pH en los viales correspondientes, identificados adecuadamente (B, AP).

1. ENSAYOS CUALITATIVOS En primer lugar, realizaremos varios ensayos químicos para determinar la presencia de diversos iones (cloruros e iones Ca2+ y Mg2+) y mediremos la conductividad y el pH para las dos aguas siguientes:

Blanco (B), agua desionizada del frasco lavador. Los resultados obtenidos con esta agua tienen un doble propósito. Por una parte, nos sirven para comparar con los del agua desionizada que obtengamos al final de la experiencia del apartado 2 y por otra, nos permiten comprobar que el


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agua del frasco lavador no está contaminada.

Agua Problema (AP), agua facilitada por el Laboratorio de Química General7. Se encuentra en una botella debidamente etiquetada.

Los resultados derivados de los ensayos químicos y físicos realizados se recopilarán en la Tabla 3.

1.1-Ensayo de Cloruros A 1 mL de disolución (en un tubo de ensayo) se le añaden 2 gotas de HNO3 0.1M con objeto de acidificar el medio. Agitar. A continuación se introduce 1 gota de AgNO3 0.1M. Si aparece turbidez, debida al AgCl, indica presencia de cloruros. Los residuos de este ensayo se recogen en recipiente marcado como metales del grupo IV (Ag).

1.2-Ensayo de iones Ca2+ y Mg2+

A 2 mL de disolución (en un tubo de ensayo), se añaden 10 gotas de disolución tampón de pH=10. Agitar. Añadir una punta de espátula de indicador negro de eriocromo T ( se encuentra en un tubo Eppendorf). El indicador toma color rojo en presencia de iones Ca+2 ó Mg+2, en caso de ausencia toma color azul. Los residuos de este ensayo se recogen en recipiente marcado como residuos básicos.

En los casos en que el ensayo sea positivo, añadir gota a gota disolución de E.D.T.A. hasta cambio de color de rojo a azul. Contar las gotas de disolución EDTA, necesarias para virar de rojo a azul, es una manera cualitativa de comparar aguas antes y después de pasar por una resina de intercambio catiónico.

1.3-Medida de la Conductividad Lavar la celda de conductividad con agua desionizada.

- Poner el agua que se está analizando en un vial. - Medir la conductividad. - Lavar la celda.

1.4-Medida del pH Seguir las instrucciones de manejo del pHmetro.

2. REGENERACIÓN DE LAS RESINAS

El resultado de la práctica depende en gran medida del proceso de regeneración de las resinas. Éste es necesariamente un proceso lento, puesto que tenemos que asegurar que la reacción de intercambio es completa. Después de cada regeneración hay que lavar varias veces la columna con agua desionizada para eliminar el exceso de reactivo que hemos añadido. Podremos parar el proceso de lavado cuando la conductividad del agua que eluye a través de la columna sea similar a la del agua desionizada que estamos empleando. (En la práctica, para no prolongar excesivamente este proceso podremos dar como aceptable una conductividad inferior a 30 µS/cm.) Los procesos de regeneración 2.1, 2.2 y 2.3 pueden realizarse simultáneamente. 2.1. Regeneración de la resina para ablandamiento que en este caso es catiónica RES-SO3-

Na+ - Asegurarse de que no hay burbujas en la resina (si las hay se puede agitar suavemente con una varilla de vidrio). Vaciar la columna hasta que el nivel de líquido coincida aproximadamente con los granos de la resina. La resina no debe secarse nunca.

7 No es agua del grifo del Laboratorio, porque ésta ya ha pasado por un descalcificador instalado en el Campus.


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- Añadir 5 mL de NaCl 0.1 M (medidos con probeta) a la resina de intercambio de iones (Ca2+/2 Na+) (ver ec. (5)). Abrir la llave y dejar pasar la disolución lentamente a través de la columna a la velocidad de aproximadamente 1 gota por segundo. Cuando el nivel de líquido alcance de nuevo la parte superior de la resina cerrar la llave de la columna.

- Lavar la columna con agua desionizada para eliminar el exceso de NaCl. El paso del líquido puede ser ahora más rápido que antes. Se lavará hasta que la conductividad del agua de lavado sea la misma que la del agua con la que estamos lavando (B).

2.2. Regeneración de la resina catiónica RES-SO3

- H+ - Asegurarse de que no hay burbujas en la resina (si las hay se puede agitar suavemente con una varilla de vidrio). Vaciar la columna hasta que el nivel de líquido coincida aproximadamente con los granos de la resina. La resina no debe secarse nunca.

- Añadir 5 mL de HCl 0.1 M (medidos con probeta) a la resina de intercambio catiónico. Abrir la llave y dejar pasar el ácido lentamente a través de la columna, a una velocidad de aproximadamente 1 gota por segundo. Cuando el nivel de líquido alcance de nuevo la parte superior de la resina cerrar la llave de la columna.

- Lavar la columna con agua desionizada del frasco lavador, dejando caer a ritmo rápido para eliminar el exceso de ácido, hasta que la conductividad del agua de lavado sea la misma que la del agua con la que estamos lavando (B).

2.3. Regeneración de la resina aniónica RES-NH3+ OH-

- Regenerar la resina de intercambio aniónico con 5 mL de NaOH 0.01 M (medidos con probeta). Operar como en las dos resinas anteriores, dejando pasar la base lentamente y lavando el exceso con agua desionizada hasta que la conductividad sea similar a la obtenida para el agua desionizada del frasco lavador, utilizada como prueba en blanco (B).

3. ABLANDAMIENTO DEL AGUA PROBLEMA (AP) (Ver esquema del proceso en anexo)

3.1. Intercambio (2 Na+/Ca2+) (ver ec. (2)). − Vaciar la columna de intercambio hasta el nivel de la resina. − Añadir 20 mL (medidos con probeta) de agua dura de la botella etiquetada AP, a la columna

recién regenerada. Dejar caer gota a gota a un ritmo lento, de aproximadamente 1 gota por segundo.

− Después de descartar los primeros 2 mL que salen de la columna, recoger el agua ablandada en un frasco y etiquetarlo como AB (Agua Blanda).

3.2. Ensayos químicos y medida del pH y de la conductividad del agua blanda AB. − Se procede como en el apartado 1. − Recopilar los resultados en la Tabla 3. − Si el ensayo de Ca2+ y Mg2+ da positivo, se puede volver a pasar el agua recogida, AB, por

la columna, aunque una forma rápida de comprobar que la cantidad de Ca2+ y Mg2+ es mucho menor que la del agua problema, consiste en añadir una gota de EDTA y verificar que una sola gota es suficiente para virar de rojo a azul.

4. DESIONIZACIÓN DEL AGUA

4.1. Obtención de un agua sin cationes (SC). Eliminación de cationes.

− Añadir 40 mL (medidos con probeta) de agua dura AP a la columna de intercambio catiónico recién regenerada.

− Dejar caer gota a gota a un ritmo lento, 1 gota por segundo. Desechar los primeros 2 mL y recoger el resto. Etiquetar esta agua como SC.


12

4.2. Ensayos químicos y medida de la conductividad y del pH del agua sin cationes SC.

− Se procede como en el apartado 1. − Completar la Tabla 3 y comparar con los resultados obtenidos para el agua problema (AP).

4.3. Obtención del agua desionizada (D). Eliminación de aniones.

− Añadir el agua SC (generada anteriormente en el apartado 4.1) a la columna de intercambio aniónico y dejar caer de nuevo a ritmo lento (1 gota por segundo). Desechar los primeros 2 mL y recoger el resto. Etiquetar como D.

4.4. Ensayos químicos y medida del pH y de la conductividad del agua desionizada D.

− Se procede como en el apartado 1. − Recopilar los resultados para el agua desionizada D en la Tabla 3 y compararlos con los

correspondientes a los obtenidos anteriormente para el agua problema (AP) y la prueba en blanco (B).

Tabla 3. Resultados sobre la presencia de iones analizados y valores medidos de pH y conductividad.

Disolución Ensayo Cl- Ensayo

Ca2+, Mg2+ pH Conductividad

(µS/cm)

B (Blanco)a)

AP (Agua Problema)

AB (Agua Blanda)

SC (Agua Sin Cationes)

D (Agua Desionizada)

a) B: agua desionizada del frasco lavador.

CUESTIONES

Cuestiones previas

1. A partir de los datos que figuran en las etiquetas o en las fichas de seguridad, indica los posibles riesgos que puede implicar la manipulación de cada uno de los siguientes reactivos y las precauciones que se deben de tomar en cada caso: HNO3, AgNO3 y EDTA.

2. ¿Qué se entiende por dureza del agua? ¿Qué es la dureza temporal?


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3. Por qué un agua dura es poco adecuada para usos industriales y domésticos? 4. Escribir la fórmula desarrollada del ácido Etilendiaminotetraacético (EDTA). ¿Cómo

reacciona con los iones calcio? 5. Calcula la masa de sal disódica de EDTA (Na2H2Y·2H2O, MR = 372.5 g/mol) necesaria para

preparar 50 mL de una disolución 0.01 M. 6. Leer detenidamente el modo operativo tratando de seguir y entender los esquemas adjuntos

con todas las operaciones que se van a realizar en la presente práctica. Estos esquemas se utilizarán como guión durante la práctica.

7. Explicar la regeneración de resinas tomando como ejemplo: RES-SO3- Na+ + H + Cl- <==> RES-SO3- H+ + Cl- + Na+ (1Na+/H+),

basándose en el concepto de equilibrio dinámico. 8. ¿Por qué se recomienda pasar lentamente a través de la columna la disolución que se

desea intercambiar? ¿Qué inconveniente tendría hacerla pasar rápidamente?

Cuestiones posteriores al trabajo experimental

1. Explicar todos los procesos que ocurren al pasar las diferentes disoluciones por cada una de las columnas de intercambio e interpretar los valores de la Tabla 3 en función del contenido de iones en cada muestra.

2. Expresa los resultados de dureza total del agua problema como mg/L de CaCO3.

BIBLIOGRAFÍA 1. Ralph H. Petrucci. Química General. Prentice-Hall (Capítulo 22)

2. Carles Mongay y Víctor Cerdà. Introducción a la Química Analítica. Col·lecció Materials Didàctics - 106 (Capítulo 15)

3. Daniel Harris. Análisis Químico Cuantitativo. Grupo Editorial Iberoamérica (Capítulo 13)

4. Douglas Skoog y col. Fundamentos de Química Analítica. Reverté (Volumen 1, Capítulo 13)

5. Francisco Bermejo y col. Química Analítica General, Cuantitativa e Instrumental. Paraninfo (Volumen 1, Capítulo 13)

6. Eduardo Primo Yúfera. Química Orgánica básica y aplicada. Tomo I. Cap.18

Vídeo: Intercambio iónico (Ablandamiento del agua)

http://mmedia.uv.es/buildhtml?lang=es_ES&user=tcliment&name=descalcificacion_agua.mp4&path=/LABORATORIO/&id=3066


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ANEXO

-

-

-

-Na +

-Na +

-Na +

-Na +

Ca 2+

Na +

NaCl

Cl - Cl -

Ca 2+ Cl -

-Na +

-Na +

-

-

-Na +

-Na + Cl -

Cl -

Ca 2+

-

-

-

-Na +

-Na +

-Na +

Ca 2+

Ca 2+

-

- Na +

Cl -

Cl -

Na + Na +

Cl -

Cl -

-Na +

-Na +

-

-

Na +

Regeneración

Ablandamiento

Na +

-Na + -Na

+

-Na +

Resina p/ regenerar

ABLANDAMIENTO

Agua dura AP

Ca2+ 2Cl-

Agua blanda

Na + -

Resina regenerada

Desechar

Medir pH Conduct. Cl -

Ca 2+

AB

*Agua desionizada

H2O*

H2O*


15

HCl

DESIONIZACIÓN

H2O*

Regeneración

INTERCAMBIOCATIONES

Agua dura APCa2+, (Na+), Cl -

*Agua desionizada

Resina

regenerada

AP

H+

Na+

Ca2 +

H+

H+

H+

H+ H+

H+

H+

H+

H+

H+

Cl-

Cl-

Cl-Na+

Cl-

Cl-Cl-Na+

Ca2+H+Cl-

Resina p/ regenerar

H+

H+

H+

H+

H+

Ca2+

Cl-

Cl-

H+

H+

H+

Na+

Ca2 +

Cl-

Cl-

Cl- H+

H+

H+

Medir

pHConduct.

Cl -

Ca2+

SC

RegeneraciónResina

regenerada

H2O*Na+ OH -

OH- OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-Cl-

Cl-Cl-

Na+

Cl-

Na+

Na+

Cl-

OH-

Cl-Na+

Na+OH-Na+

Cl-Desechar

INTERCAMBIOANIONES

Resina p/ regene rar

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

Cl-

Cl -Cl -Cl -

H+

OH-

H+

H+

OH- OH- DMedir

pH

Conduct .Cl -

Ca2+

Agua desionizada

SC SC

Na+

Cl-

OH-

H+

H+

Documents

Microsoft Word - LQII Practica 11 Dureza Intercambio Ionico