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Manual química analítica
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Qumica
Analtica
Cuantitativa Teora y Prctica
Rosalba Patio Herrera
Pedro Alberto Quintana Hernndez
A mis padres y hermanos que comparten conmigo un pasaporte familiar a un
mundo maravilloso que jams abandonare. A Ivan e Ivonne hacedores de
diabluras que siembran semillas de alegra para que el mundo nazca cada da. A
Kuko un milln de veces.
Rosalba
A mis padres por su gran esfuerzo y ayuda en mi formacin. A Erika, Pedro y Erik
por compartir cada da sus aventuras y llenar mi vida de felicidad.
Pedro Alberto Quintana Hernndez
I
NDICE DE CONTENIDO
Prefacio.VIII
Captulo 1 Introduccin a la Qumica Analtica..... 1
Clasificacin de los mtodos de anlisis 5
Mtodos clsicos o qumicos 5
Mtodos instrumentales. 6
Mtodos de separacin.. 7
Proceso de un anlisis qumico 7
Problema... 8
Definicin de objetivos 8
Seleccin del mtodo analtico.. 9
Exactitud y precisin 11
Selectividad... 13
Linealidad (rango dinmico)... 14
Sensibilidad del calibrado... 15
Lmite de deteccin.. 15
Tolerancia o fortaleza.. 15
Robustez 16
Muestreo 16
Preparacin de la muestra. 18
Determinacin analtica.. 19
Interpretacin de resultados.. 19
Captulo 2 Soluciones. 21
Disolucin de solutos.. 22
Medidas de las soluciones. 27
Porcentaje masa-masa... 28
Porcentaje masa-volumen. 29
Porcentaje volumen-volumen 31
Partes por milln (ppm).. 31
II
Clculos basados en ecuaciones qumicas. 32
Definicin de mol.. 33
Reactivo limitante. 39
Porcentaje de pureza... 41
Rendimiento de las reacciones qumicas. 42
Molaridad (M) 43
Formalidad (F).. 44
Normalidad (N). 45
Fraccin molar (Xn).. 50
Molalidad (m) 51
Diluciones.. 52
Prctica 2.1 Sntesis de un alumbre: KAl(SO4)2. 78
Prctica 2.2 Determinacin de la densidad de slidos y lquidos 82
Prctica 2.3 Determinacin del contenido de azcar en refrescos85
Prctica 2.4 Preparacin de soluciones.. 87
Captulo 3 Equilibrio qumico. 89
Diferencia entre equilibrio fsico y equilibrio qumico. 92
Equilibrio homogneo.... 92
Equilibrio heterogneo 94
Factores que afectan el equilibrio. 95
Cambio de concentracin... 96
Cambio de la temperatura.. 96
Cambio de presin y volumen 97
Efecto de un catalizador.. 99
La constante de equilibrio (Kp) para compuestos en fase gaseosa103
Relacin en Kc y Kp104
Equilibrios mltiples.107
Prediccin de la direccin de una reaccin.108
Prctica 3.1 Efecto de la concentracin, de la temperatura y de los
catalizadores en la velocidad de reaccin.. 122
III
Prctica 3.2 Determinacin de la constante de equilibrio de una reaccin
de esterificacin a temperatura constante .126
Captulo 4 Equilibrio qumico cido-base131
Comportamiento anftero del agua..134
El producto inico del agua134
Significado y determinacin de pH136
pH negativo...138
Fuerza de un cido..142
cidos fuertes...143
cidos dbiles..144
La constante de disociacin o ionizacin de cidos (Ka)..146
Bases fuertes150
Bases dbiles...151
La constante de disociacin o ionizacin de bases (Kb)...146
cidos diprticos y poliprticos.155
Grado de disociacin (ionizacin).156
Relacin entre Ka y Kb...160
Prctica 4.1 Determinacin del pH169
Prctica 4.2 Fuerza cido-base.173
Prctica 4.3 Determinacin de la constante de ionizacin (Ka) y
del porcentaje de disociacin del cido frmico174
Captulo 5 Hidrlisis y amortiguadores Hidrlisis...177
Caso I: sales que producen soluciones neutras (anin de cido fuerte y
catin de base fuerte)................177
Caso II: sales que producen soluciones bsicas (catin de base fuerte y
anin de cido dbil)...178
Caso III: sales que producen soluciones cidas (catin de base dbil y
anin de cido fuerte)..180
Caso IV: sales que proceden de un cido dbil y una base dbil...183
Soluciones reguladoras (amortiguadoras, buffer o tampn).187
Solucin amortiguadora de un cido dbil y una sal inica soluble del
IV
cido dbil.190
Solucin amortiguadora de base dbil y una sal inica soluble de dicha
base dbil 191
Prctica 5.1 Determinacin del pH de diferentes sales (Hidrlisis)...207
Prctica 5.2 Determinacin de la constante de ionizacin del cido
actico...208
Prctica 5.3 Soluciones amortiguadoras209
Prctica 5.4 Preparacin de 50 mL de solucin amortiguadora.212
Prctica 5.5 Determinacin de la capacidad reguladora de soluciones
buffer de pH = 4 y pH = 10...213
Captulo 6 Anlisis volumtrico 215
Volumetra de neutralizacin (cido-base)........219
Mtodos de valoracin222
Mtodos de valoracin directos.223
Mtodo de valoracin indirecta..229
Curvas de valoracin cido base (neutralizacin)233
Prctica 6.1 Valoracin de un cido fuerte y una base fuerte...267
Prctica 6.2 Anlisis de sustancias comerciales por acidimetra..270
Prctica 6.3 Anlisis de sustancias comerciales por alcalimetra.274
Prctica 6.4 Determinacin de calcio en una muestra de gis (mediante
una valoracin por retroceso)..276
Prctica 6.5 Determinacin de cido acetilsaliclico en una aspirina
Comercial .. 277
Prctica 6.6 Curva de valoracin potenciomtrica cido-base...279
Prctica 6.7 Determinacin de la composicin de mezclas compatibles
NaOH, NaHCO3, Na2CO3 (titulacin mltiple)..280
Prctica 6.8 Determinacin de nicotina en tabaco284
Captulo 7 Equilibrio en la formacin de precipitados287
Solubilidad.288
V
Producto de solubilidad (Kps).289
Condiciones de precipitacin en funcin de Kps.294
Producto inico.296
Factores que afectan la solubilidad..298
Efecto del in comn...300
Efecto del pH....307
Efecto de pH en las sales poco solubles.309
Separacin de iones por precipitacin fraccionada318
Titulacin donde existe precipitacin319
Prctica 7.1 Solubilidad de compuestos inicos en agua.338
Prctica 7.2 Determinacin de la solubilidad del KNO3 en agua a
distintas temperaturas y construccin de la curva de solubilidad340
Prctica 7.3 Equilibrios de Solubilidad.342
Prctica 7.4 Determinacin de la constante del producto de solubilidad
(Kps) de un compuesto poco soluble (PbI2).344
Prctica 7.5 Preparacin y estandarizacin de AgNO3.345
Prctica 7.6 Determinacin de cloruros por el mtodo de Mohr..347
Captulo 8 Gravimetra349
Extraccin.349
Precipitacin.350
Diagrama para realizar una determinacin gravimtrica..352
Disolucin de la muestra.353
Precipitacin.358
Filtracin del precipitado.359
Lavado y purificacin de precipitados..360
Secado del precipitado362
Calcinacin del papel filtro..362
Desecado del precipitado...363
Pesada del precipitado y clculo de resultados..366
Prctica 8.1 Determinacin de la masa constante del crisol386
VI
Prctica 8.2 Preparacin de un crisol Gooch para filtracin....387
Prctica 8.3 Determinacin de la masa del precipitado de PbI2..389
Prctica 8.4 Determinacin del porcentaje de agua en el sulfato de
cobre penta hidratado (Agua de hidratacin).390
Prctica 8.5 Determinacin de cobre en una muestra de sulfato
de cobre..391
Prctica 8.6 Determinacin de cobre en una moneda..393
Prctica 8.7 Determinacin gravimtrica de sulfatos.395
Captulo 9 Equilibrios en la formacin de complejos.399
Aplicaciones de los complejos...402
Propiedades de los Quelatos.405
Equilibrio de formacin de complejos...406
Equilibrios mltiples.412
EDTA (cido etilen-diamino-tetractico)..414
Equilibrio cido - base del EDTA..416
Constante condicional de formacin de complejos420
Orden de la quelatacin..428
Enmascaramiento429
Titulacin complejomtrica.432
Prctica 9.1 Preparacin de solucin de sal disdica de EDTA..444
Prctica 9.2 Determinacin de la dureza del agua....447
Prctica 9.3 Determinacin del porcentaje de Cinc...450
Prctica 9.4 Influencia del pH en un sistema de Na2EDTA y en un
sistema Ba-EDTA...451
Prctica 9.5 Determinacin de la constante de equilibrio qumico de
una reaccin qumica.453
Captulo 10 Volumetra de oxidacin reduccin.459
Reglas para asignar el nmero de oxidacin..461
Valoraciones redox..466
VII
Permanganimetra...469
Yodometra474
Dicromatometra..478
Ceriometra...481
Indicadores redox482
Prctica 10.1 Preparacin y valoracin de KMnO4 0.02 N...491
Prctica 10.2 Determinacin del contenido de perxido de hidrgeno
en agua oxigenada comercial.493
Prctica 10.3 Determinacin de calcio en el cascarn de huevo494
Apndice...499
Resultado de los problemas..531
Glosario.541
Bibliografa....565
VIII
PREFACIO
El conocimiento humano es como un rbol con muchas ramas en donde
una de ellas, con toda seguridad, es la qumica. Con el paso del tiempo, los
nuevos descubrimientos y el desarrollo de nuevas tecnologas hacen que ese
conocimiento se fortalezca y el rbol se vuelva ms frondoso. De cada una de las
ramas principales van creciendo otras nuevas que a su vez son soporte de
muchas ms, en un proceso que podra no tener fin.
La qumica analtica desde su nacimiento ha ayudado a los cientficos a
descubrir muchos de los elementos que existen en la Tierra. Ha abierto la
posibilidad de entender de qu manera estn compuestas las sustancias
qumicas, si son simples y complejas como la sal comn o las protenas; ha
permitido descifrar la composicin de las rocas y minerales y ha contribuido a que
se establezcan registros escrupulosos de la abundancia de los elementos
qumicos en la Tierra. Gracias a la qumica analtica muchas disciplinas se han
podido consolidar como ciencias exactas.
El presente libro surge como una necesidad de la asignatura Qumica
Analtica para facilitar el aprendizaje de los estudiantes. Para su elaboracin nos
hemos trazado como objetivos fundamentales: facilitar la comprensin del
contenido terico, la realizacin de ejercicios, el desarrollo de habilidades y la
posibilidad de integrar los aspectos tericos y prcticos de la asignatura,
contribuyendo todo ello a mejorar la calidad de su aprendizaje y a una adecuada
formacin del profesional.
El texto est estructurado en 10 captulos que pueden ser revisados de
manera secuencial en un curso de quince semanas con tres horas tericas y
cuatro horas prcticas por semana. Los captulos del 2 al 5 contienen el material
bsico del curso. Se desarrollan los conceptos de soluciones, estequiometria de
las reacciones, preparacin de soluciones en diferentes unidades de
concentracin, se aborda el tema de equilibrio qumico, y se analizan los
equilibrios cido-base, efectos de amortiguadores y manipulaciones del pH en los
anlisis. Es claro que algunas de las secciones de estos captulos pudieran haber
IX
sido revisadas en cursos previos, si este fuera el caso, los materiales seguramente
servirn como repaso a los estudiantes y el profesor tendr la posibilidad de
acelerar el ritmo.
En los captulos 6 al 10 se revisan las principales estrategias de valoracin
desarrolladas en el rea de la qumica analtica. En el capitulo 6 Anlisis
volumtrico, se realiza la determinacin cuantitativa de sustancias qumicas con
la medicin exacta del volumen de una solucin de concentracin conocida que
reacciona con la sustancia a determinar. En el captulo 7 Equilibrio en la
formacin de precipitados se estudia la teora de reacciones que van
acompaadas de la formacin de un producto difcilmente soluble. En el captulo 8
Gravimetra se abordan procedimientos analticos basados en mediciones de
masa y donde el objetivo es la separacin de un elemento o un compuesto del
resto de los constituyentes, en forma de un compuesto poco soluble. En el capitulo
9 Equilibrios en la formacin de complejos se presenta la formacin de complejos
estables que resultan de la reaccin de un in metlico con especies inicas o
moleculares que tienen pares de electrones libres y que pueden establecer
enlaces covalentes coordinados con el in metlico. Finalmente en el captulo 10
La volumetra de oxidacin-reduccin, tambin conocida como volumetra redox,
estudia las reacciones que llevan implcita una transferencia de electrones entre
dos sustancias, una de las cuales se reduce (acepta electrones), mientras que la
otra, simultneamente, se oxida (cede electrones). Estos ltimos captulos se han
organizado como unidades de aprendizaje independiente, permitiendo as a los
profesores incluirlos u omitirlos, en funcin del tiempo y de los medios que
disponga.
En la presentacin del material se ha incluido un gran nmero de ejemplos
que son resueltos paso a paso para comprender los conceptos de qumica
analtica. Algunos de estos ejemplos pueden ser usados como modelo de solucin
de los problemas propuestos. Al final de nueve captulos se ha incluido una
extensa lista de problemas cuya respuesta aparece al final del libro.
X
Por otra parte, dado que reconocemos que la qumica analtica es una
ciencia experimental, hemos incluido 43 prcticas redactadas en forma de
diagramas de bloque para facilitar su desarrollo en el laboratorio. Es importante
aclarar que los experimentos no se pueden realizar si se desconoce la teora, ya
que en la mayora de los mismos se da libertad al analista de seleccionar las
cantidades (masa y volumen) que se van a analizar.
Para facilitar la solucin de los problemas o dar ms versatilidad a las
prcticas se ha incluido un amplio apndice, con tablas de constantes qumicas,
diferentes tipos de indicadores qumicos, densidades de soluciones, lista de
material de vidrio y equipo necesario para realizar los experimentos.
Escribir este texto ha sido una tarea ardua y difcil, pero tambin
infinitamente enriquecedora y llena de satisfacciones, que requiri ocho aos de
estudio, prctica, trabajo en clase, reflexin, bsqueda de informacin y consultas
con especialistas como el Ing. Juan Ledesma Vzquez. El material ha sufrido
mltiples cambios gracias a las inquietudes, preguntas y aportaciones de nuestros
valiosos alumnos de la asignatura de qumica analtica del Instituto Tecnolgico de
Celaya.
Queremos expresar nuestro agradecimiento al Dr. Juan Manuel Ricao
Castillo por sus comentarios de aliento al inicio del proyecto; a la Unidad Directiva
del ITC por permitirnos y animarnos a culminar este proyecto, en especial al M. E.
Jos Ignacio Lpez Valdominos. No podemos dejar de mencionar la gran deuda
que tenemos con nuestros compaeros del Departamento de Ingeniera Qumica,
quienes siempre nos motivaron y nos hicieron comentarios enriquecedores.
Por ltimo estamos conscientes que este libro texto es una obra perfectible,
que ayudar en gran medida a los estudiantes a la mejor comprensin de la
asignatura y a los profesores a presentar de una manera fcil los principales
aspectos terico-prcticos de la qumica analtica.
RPH/PAQH
1
La qumica analtica es la ciencia que nos permite determinar la composicin de la
materia y cuantificar cada componente, empleando tcnicas especialmente
desarrolladas para cada caso. Con este fin es necesario utilizar ciertas
propiedades que presente la materia y mediante las cuales se pueda establecer su
composicin cualitativa o cuantitativa. Estas propiedades pueden ser observadas
directamente de la materia o encontradas mediante un proceso fsico o qumico.
Es importante sealar que si se trata de establecer la presencia o ausencia de un
determinado grupo qumico o si se trata de determinar la proporcin de un
determinado componente en una muestra, se requiere de un proceso analtico
experimental.
El anlisis qumico es un ejercicio prctico que aplica mtodos rigurosos
para resolver problemas relativos a la composicin y naturaleza qumica de la
materia, comprende el estudio minucioso de los caminos a seguir en el
establecimiento de mtodos tanto cualitativos, como cuantitativos para la
caracterizacin de la materia; comprende la separacin, identificacin y
determinacin de las cantidades de los componentes que forman una muestra de
materia. El estudio de todos estos mtodos rigurosos se lleva a cabo en la materia
que se denomina generalmente Qumica Analtica. La figura 1.1 muestra las dos
divisiones de la qumica analtica.
Introduccina la Qumica Analtica
Captulo
1
2
Figura 1.1 Instrumentos del anlisis qumico y sus relaciones.
Las aplicaciones de los anlisis qumicos son mltiples. En la industria
destaca el control de calidad de materia prima y asegurar la calidad de los
productos acabados. Los productos de uso domstico, como combustibles,
pinturas y frmacos antes de venderlos a los consumidores se someten a pruebas
para detectar la presencia sospechada de contaminantes. El valor nutritivo de los
alimentos se determina mediante el anlisis qumico de los componentes
principales, como protenas y carbohidratos, as como de los microcomponentes,
como las vitaminas y los minerales. Incluso las caloras de un alimento se calculan
a menudo a partir de su anlisis qumico. En el campo mdico los anlisis clnicos
facilitan el diagnstico de enfermedades, por otra parte, la determinacin de la
composicin qumica de una sustancia es fundamental en el comercio, en las
legislaciones y en la industria. Los laboratorios certificados de anlisis aseguran
las especificaciones de calidad de las mercancas. En la tabla 1.1 se listan algunas
aplicaciones de la qumica analtica.
De qu componentes est constituida la muestra? ANLISIS QUMICO CUALITATIVO.
Identificacin o caracterizacin, de las especies o elementos presentes en una muestra.
Cunto hay de cada componente en la muestra? ANLISIS QUMICO CUANTITATIVO.
Determinacin de la medida cuantitativa de los componentes de una muestra.
QUMICA ANALTICA: es una va genrica de conseguir informacin sobre qu y cunto material est presente en una sustancia.
3
El proceso analtico ordinario comienza con una cuestin que se plantea en
la vida cotidiana. Por ejemplo: El control de los gases emitidos por los
automviles, reduce la contaminacin ambiental? Un analista sabe que este tipo
de cuestiones plantean la necesidad de hacer medidas concretas y por lo tanto
debe escoger y desarrollar un procedimiento para realizar estas medidas
encaminadas a resolver este tipo de problemas. Cuando se termine el anlisis, el
analista debe transformar los resultados en trminos que puedan ser entendidos
por cualquier persona, sin importar que no tenga formacin qumica.
Tabla 1.1Aplicaciones de la qumica analtica.
Aplicacin de la qumica analtica
Anlisis
Contaminacin de un ro
Identificacin y determinacin de especies contaminantes en el agua del ro.
Leche y sus derivados Determinacin de humedad (quesos y leche en polvo). Determinacin de densidad (leche). Determinacin de cloruros (quesos). Determinacin de slidos totales (leche pasteurizada, yogurt, helados).
Juegos olmpicos Determinacin de anfetaminas y hormonas (doping).
Toxicidad de juguetes Determinacin de cadmio y plomo en las pinturas de los juguetes.
Bebidas no alcohlicas Determinacin de acidez. Determinacin de CO2 en refrescos carbonatados.
Antigedad de un zircon
Determinacin de las relaciones isotpicas del plomo contenido en el mineral.
Frutas y verdudas Determinacin de acidez. Determinacin de slidos solubles en conservas. Determinacin de cloruros en conservas.
Presencia de especies bioqumicas
Determinacin de aminocidos, protenas, enzimas.
Cereales y granos Determinacin de humedad.
Bebidas alcohlicas Determinacin de densidad en vinos. Determinacin de CO2 en cervezas. Determinacin de slidos solubles cervezas. Determinacin de acidez en vinos.
Presenciade microorganismos
Determinacin de microorganismos y cuantificacin de los mismos.
Grasas y aceites Contenido de grasa total en mayonesa. Determinacin del punto de fusin en margarinas.
Enfermedades Determinacin de bilirrubina y de fosfataza alcalina
4
hepticas (enzima) en el suero sanguneo de un paciente.
Chocolates Determinacin de humedad.
Fermentacin alcohlica
Determinacinde cido actico en vinagre.
En la actualidad, ningn producto sale al mercado sin ser sometido a un
riguroso control de calidad que garantice su aceptacin en el comercio. El control
de calidad constituye una etapa ms del proceso de produccin y permite
encontrar errores en el proceso de fabricacin, en la materia prima,
almacenamiento, transporte de materia prima y de materia terminada, con lo cual
se puede proponer medidas eficaces para disminuir o eliminar los errores de
produccin.
El control de calidad no se limita al producto final sino que tambin debe
controlarse la materia prima y el producto durante el proceso de elaboracin.
Ejemplo 1.1
Qu anlisis se realiza en la
fabricacin de yogurt?
En el ejemplo 1.1, el control de calidad en la produccin de yogurt debe ser
minucioso desde la materia prima que es la leche y los insumos, hasta el producto
final incluyendo cada etapa del proceso. Adems del aspecto fisicoqumico existen
parmetros microbiolgicos y sensoriales que igualmente son determinados como
parte del control de calidad. En la materia prima e insumos se verifica la calidad
fisicoqumica y microbiolgica de la leche e insumos, la leche debe poseer
determinado nivel de acidez, densidad, protenas, grasas, deteccin de
antibiticos, clulas somticas y recuento bacteriano que son necesarios controlar.
En el proceso de elaboracin es requisito determinar el porcentaje de acidez
expresado como cido lctico, ya que niveles entre 0.6% y 0.8% indican el
momento de detener la fermentacin; se debe cumplir con el control de los
5
parmetros tcnicos como tiempos, temperaturas, pH y normas sanitarias. En el
producto final se evalan los parmetros sensoriales, fisicoqumicos y
microbiolgicos. En la etapa de almacenamiento, los alimentos pueden sufrir
transformaciones que involucren cambios en su composicin qumica con la
aparicin de productos indeseables, por lo cual el envase y el mtodo de
conservacin y/o almacenamiento deben ser evaluadas a travs de la
determinacin cualitativa o cuantitativa de ciertas sustancias.
Clasificacin de los mtodos de anlisis
El mtodo analtico es el conjunto de operaciones fsicas y qumicas que permite
identificar y/o cuantificar un componente qumico, al cual se denomina analito en
el sistema material que lo contiene, al cual se le denomina lote.Por ejemplo, en
la determinacin de cido actico en muestras de botellas de vinagre, las botellas
de vinagre constituyen el lote en el cual se desea determinar el analito (cido
actico).
Para llevar a cabo un anlisis cuantitativo hay que llevar a cabo dos
mediciones:
- La primera medida es el peso o volumen de la muestra bajo anlisis.
- La segunda medida es una cantidad que es proporcional a la cantidad de
analito presente en la muestra.
Los mtodos analticos se clasifican en funcin de la naturaleza de esta
ltima medida, en este sentido hablamos de:
Mtodos clsicos o qumicos
Los mtodos clsicos son los ms antiguos, estn basados en interacciones
materiamateria, esto es, reacciones qumicas en las que interviene el analito que
se desea determinar, en la mayora de los casos implican una gran destreza
experimental. Actualmente, se utilizan conceptos, fenmenos y propiedades que
6
han contribuido a aumentar y consolidar la base sobre la que se asientan los
antiguos mtodos empricos, as como a desarrollar otros nuevos. Estos mtodos
pueden clasificarse en mtodos de anlisis gravimtrico, que se basan en el hecho
de que la determinacin del analito se alcanza midiendo directa o indirectamente
su masa tras una reaccin qumica cuantitativa y de estequiometra definida, y
mtodos de anlisis volumtrico, los cuales se basan en la medida exacta del
volumen de una solucin que contiene suficiente reactivo para reaccionar
cuantitativamente con el analito. Los mtodos de anlisis volumtrico son:
volumetra cido-base, volumetra de precipitacin, volumetra de formacin de
complejos y volumetra de oxidacin-reduccin (redox). En los mtodos clsicos la
instrumentacin es escasa, se limita a balanzas, potencimetros, conductmetros o
de algn otro tipo de instrumento para detectar el punto final de las valoraciones.
Mtodos instrumentales
La revolucin tecnolgica e industrial durante los aos treintas del siglo XX,puso
de manifiesto la necesidad de analizar componentes trazas en concentraciones
inferiores a 0.01%, en una gran variedad de muestras, as como de efectuar
numerosos anlisis de productos industriales en un tiempo muy corto. Estos
requisitos no podan ser alcanzados con los tradicionales mtodos gravimtricos y
volumtricos, por lo que da un gran impulso el desarrollo de nuevos
mtodosbasados en interacciones materiaenerga, que emplean algn
instrumento distinto de la balanza y la bureta para realizar la medicin.
Los mtodos instrumentales constituyen un conjunto de procedimientos
basados en la medicin instrumental de alguna propiedad fisicoqumica del
sistema estudiado. Los mtodos electroanalticos conllevan la medida de alguna
propiedad elctrica como potencial, intensidad de corriente, resistencia o cantidad
de electricidad. Los mtodos espectrofotomtricos se basan en la medida de
alguna propiedad de la radiacin electromagntica tras la interaccin con los
tomos o molculas del analito; o bien la produccin de radiacin
electromagntica a partir del analito cuando la materia ha sido sometida a algn
tipo de excitacin. Existe un grupo de mtodos que implican la medida de la
7
relacin carga-masa, velocidad de desintegracin radioactiva, calor de reaccin,
conductividad trmica, actividad ptica o ndice de refraccin.
Un mtodo instrumental puede ser ms selectivo para ciertas clases de
analitos, pero para otros, un planteamiento gravimtrico o volumtrico puede
suponer una menor interferencia.
Mtodos de separacin
Cuando se desarrollaron estos mtodos su finalidad inicial era la eliminacin de
interferentes antes de proceder a aplicar la tcnica analtica seleccionada. En la
actualidad, existen mtodos de separacin que son mtodos de anlisis en s
mismos, como por ejemplo la cromatografa.
Proceso de un anlisis qumico
Con el surgimiento de una gran cantidad de nuevos materialesse debe considerar
la existenciade nuevos analitos, dichos materiales son de diversa naturaleza y
pueden estar compuestos por un nmero elevado de sustancias qumicas, dentro
de las cuales nos puede interesar uno, varios o todos los componentes, los cuales
pueden estar presentes en diferentes concentraciones. Por otra parte, cada vez
aumentan ms las exigencias de calidad para la aceptacin de un mtodo
analtico, lo que exige esfuerzo y un riguroso tratamiento estadstico que permita
considerar el resultado como confiable.
En el proceso de un anlisis qumico hay una serie de etapas y operaciones
comunes a cualquier mtodo analtico, que es necesario considerar a la hora de
realizar el anlisis, se inicia por la definicin del problema planteado y se termina
con la elaboracin de un informe y sus conclusiones. En algunos casos, es posible
omitir una o ms etapas; por ejemplo, si la muestra se encuentra en el estado
fsico y en las condiciones adecuadas para ser analizada mediante la tcnica
seleccionada, es posible que no se requiera ningn tratamiento previo de la
8
misma. A continuacin se detalla cada una de las etapas del proceso analtico que
se muestra en la figura 1.2.
Figura 1.2 Esquema de un anlisis qumico.
Problema
En esta primera etapa se plantea el tipo de anlisis requerido y la escala de
trabajo, convirtiendo as las cuestiones generales en cuestiones especficas.
Definicin de objetivos
El xito de la determinacin depende de la correcta definicin de los objetivos. Se
debe trazar una estrategia de anlisis en base a interrogantes como: Qu
especies se van a determinar?, Cul es el origen de la poblacin?, Qu tipo de
anlisis se va a realizar? Es necesario definir si se requiere una cuantificacin o si
9
la simple deteccin cualitativa es suficiente.Es importante que se entienda la
diferenciaentreel problema a resolver y el objetivo analtico.
Ejemplo 1.2
Se detecta una intoxicacin en un grupo
poblacional que ingiri pizza de pepperoni.
Identifique el problema a resolver y el objetivo
del anlisis qumico.
En el ejemplo 1.2 el problema a resolver ser identificar la sustancia txica
responsable de la intoxicacin. Para resolver el problema es necesario definir ms
de un objetivo analtico, que a su vez generan varias tareas analticas:
En qu lote se va a realizar la determinacin?: en la harina, en el queso, en el
pur de tomate, en el pepperoni, en la sal, etc.
Cules son los posibles analitos que pudieran estar contaminando la
materiaprima?: por ejemplo, un aditivo como el nitrito de sodio, algn plaguicida
utilizado en la produccin de la harina de trigo, radicales libres presentes en el
aceite, microrganismos en el pepperoni, etc.
Seleccin del mtodo analtico
La tcnica analtica es el medio utilizado para llevar a cabo el anlisis qumico,
mientras que el mtodo analtico es un concepto ms amplio pues no slo
incluye las tcnicas analticas empleadas en un anlisis sino tambin todas las
operaciones implicadas hasta la consecucin del resultado final.
Rara vez un mtodo de anlisis es especfico, en el mejor de los casos ser
selectivo. Por esta razn es muy comn la aparicin de especies que interfieren
durante un anlisis, estas especies qumicas influyen en la respuesta del analito,
logrando disminuir dicha respuesta (interferencia negativa) o incrementarla
10
(interferencia positiva). El enmascaramiento es una va comnmente empleada
para eliminar interferencias, ya que la especie interferente es transformada en otra
especie qumica que no altera la respuesta del analito.
La mayor parte de los mtodos analticos son relativos, es decir el
contenido de analito en la muestra se obtiene a travs de un patrn de referencia.
Una solucin patrn o estndar es una solucin de concentracin exactamente
conocida. La grfica que representa la respuesta analtica en funcin de la
concentracin del analito correspondiente se llama curva de calibrado o curva
estndar.
En la seleccin del mtodo analtico se consideran las caractersticas
qumicas y las propiedades fisicoqumicas del analito, las caractersticas de la
muestra y la validacin del mtodo analtico. Los mtodos dependen de si se van
a determinar sustancias orgnicas o inorgnicas, sustancias de baja o alta masa
molecular. Se debe considerar el estado de agregacin de la muestra ya que el
anlisis es diferente en funcin de su estado de agregacin (lquido, slido o gas).
El anlisis es ms complicado en la medida que la matriz (componentes de la
muestra menos el analito) tenga un mayor nmero de componentes.
El mtodo seleccionado ha de ser especfico a fin de determinar solo la
sustancia de inters (analito) en presencia de un gran nmero de otras sustancias
que coexisten en el lote. Para obtener los mejores resultados se deben considerar
todas las variables del mtodo en todas las etapas del esquema. Se debe utilizar
un mtodo validado, es decir debe ser un mtodo que rene los requisitos ptimos
para el cumplimento de los objetivos propuestos y para asegurar que el
procedimiento analtico dar resultados reproducibles y confiables que sean
adecuados para el propsito previsto, los mtodos validados permiten obtener
datos fiables que facilitan las transacciones comerciales basadas en la aceptacin
mutua de los resultados. Para realizar una buena medicin, el mtodo analtico
hace uso de parmetros de calidad, como se muestra en la tabla 1.2. Los criterios
de validacin que el mtodo analtico debe cumplir son: exactitud, precisin,
selectividad, sensibilidad de calibrado, linealidad, lmite de deteccin, tolerancia y
robustez.
11
Tabla 1.2 Parmetros para realizar una buena medicin.
Cuestiones para realizar una buena
medida analtica
Criterio Parmetro de calidad
Es reproducible? Precisin Desviacin estndar relativa
y absoluta, coeficiente de
variacin, varianza.
Cmo conseguir el valor
verdadero?
Exactitud Error absoluto sistemtico,
error relativo sistemtico.
Cal es la cantidad ms pequea
que puede ser medida?
Sensibilidad Sensibilidad de calibrado,
sensibilidad analtica.
En qu intervalo de cantidad? Linealidad Intervalo dinmico.
Existen interferencias? Selectividad Coeficiente de selectividad.
Exactitud y precisin
La exactitud indica la capacidad del mtodo analtico para dar resultados lo ms
prximo posible a un valor aceptado como verdadero.
La precisin de un mtodo describe qu tan cerca estn los resultados, unos de
otros al aplicar repetidamente el mtodo a varias muestras. Indica la concordancia
entre los valores numricos de dos o ms mediciones que se obtuvieron en forma
idntica. La varianza, desviacin estndar y desviacin estndar relativa son
estimaciones simples de la precisin de un anlisis.
Un mtodo ser ms preciso, en tanto menor desviacin estndar relativa
se tenga, es decir, cuanto ms se acerquen entre s los resultados obtenidos de
varios anlisis realizados a una misma muestra. Cuando los resultados son
precisos, hay ausencia de errores aleatorios. Estos errores aleatorios se deben a
que los factores que influyen en el resultado de una determinacin no pueden ser
controlados completamente, la variabilidad de los resultados se atribuye al
analista, al equipo utilizado, a la calibracin del equipo, al medio ambiente
12
(temperatura, humedad, contaminacin del aire, etc.), al tiempo que pasa entre la
realizacin de las mediciones.En la figura 1.3 se representa la precisin y la
exactitud. Cuando los resultados son exactos hay ausencia de errores aleatorios y
sistemticos.
Figura 1.3 Representacin de precisin y exactitud.
La precisin puede expresarse en funcin de la repetitividad y de la
reproducibilidad. La repetitividad se refiere a un conjunto de medidas repetidas en
una sucesin rpida y describe la variabilidad mnima del proceso analtico; por
ejemplo, cinco valoraciones de la misma muestra utilizando la misma serie de
soluciones, el mismo material de vidrio, la misma solucin de indicador, en las
mismas condiciones de temperatura, humedad, presin. Por su parte, la
reproducibilidad se refiere a cuando cada una de las medidas se ha realizado en
situaciones diferentes y describe la mxima variabilidad de un procedimiento
analtico ya que incluye el estudio en diferentes condiciones; por ejemplo, las cinco
valoraciones anteriores realizadas con distintos recipientes de vidrio, distintas
soluciones de indicador y en diferentes condiciones del laboratorio.
13
Selectividad
La selectividad es un parmetro de calidad fundamental de cualquier mtodo
analtico, pues afecta de forma directa a la exactitud. La selectividad de un mtodo
analtico indica el grado de ausencia de interferencias, debidas a otras especies
contenidas en la matriz de la muestra, es decir que mide con exactitud el analito,
sin interferencia de impurezas u otros componentes que puedan estar presentes
en la muestra. La selectividad depende de las caractersticas del propio mtodo
analtico y de las caractersticas de la muestra que se analiza. Mientras ms
especfica sea la reaccin o el principio empleado para la determinacin, ms
selectivo ser el mtodo, puesto que se evitan reacciones colaterales secundarias.
Ahora bien, si la reaccin es poco especfica, otros compuestos en la muestra
sern capaces de reaccionar actuando como interferencias y afectando la
exactitud del mtodo. Por otra parte, la selectividad depende tambin de las
caractersticas, naturaleza y composicin del lote estudiado. No es lo mismo
determinar la concentracin de cido actico en vinagre, un lote relativamente
simple, que determinar cido actico en una pia donde pueden existir otros
compuestos que experimenten la misma reaccin que el analito y acten como
interferencias. De ah que un mtodo analtico puede ser muy especfico para un
tipo de muestra (vinagre) y poco especfico para otro lote (pia).La selectividad
debe asegurar que la seal medida con el mtodo analtico procede nicamente
de la sustancia a analizar sin interferencias de otros componentes que estn
presentes en el lote estudiado.
El qumico analtico dispone de diferentes opciones para conseguir una
mayor selectividad mediante la eliminacin de las interferencias:
Qumicas: Usando agentes enmascarantes (sustancia que reacciona con el
interferente para formar una especie que no produce la misma seal del analito).
Se consigue mediante un ajuste de pH, un cambio en el estado de oxidacin o por
formacin decomplejos.
Fsicas: Separando las interferencias previamente a la determinacin, mediante
precipitacin, extraccin, destilacin o volatilizacin.
14
Linealidad (intervalo dinmico)
Es la capacidad de un mtodo analtico para obtener resultados proporcionales a
la concentracin de analito en la muestra dentro de un intervalo determinado.
Dicho de otro modo, la linealidad es la proporcionalidad entre la concentracin y la
respuesta del mtodo en un intervalo de concentraciones. El ensayo de linealidad
puede efectuarse sobre soluciones de concentraciones crecientes o sobre
muestras problema a las que se han adicionado cantidades crecientes de un
patrn del analito. En ambos casos el procedimiento lleva a la construccin de una
curva de calibracin, como la mostrada en la figura 1.4.
Para la realizacin de una curva de calibracin se prepara una serie de
soluciones (ms de seis) de un patrn del analito a concentraciones crecientes y
se procede a determinar el analito en cada solucin aplicando el mtodo quese
evala y obteniendo para cada solucin una respuesta o seal (mL consumidos,
absorbancia, ndice de refraccin, etc.). Se determina la proporcionalidad existente
entre la concentracin y la respuesta del mtodo analtico (intervalo dinmico).
Figura 1.4 Curva de calibracin.
15
Sensibilidad del calibrado
La sensibilidad nos indica cual es la cantidad ms pequea que puede ser medida,
es la capacidad para discriminar entre pequeasdiferencias en la concentracin de
un analito. La IUPAC define la sensibilidad como la pendiente de la curva de
calibracin a la concentracin de inters. La sensibilidad de calibrado se define
como el coeficiente diferencial entre la sealmedida (respuesta del mtodo) y la
concentracin. En el caso de una calibracin lineal, la sensibilidad de calibrado
coincide con la pendiente(m) de la recta de calibracin e indica la capacidad de
respuesta del mtodo analtico apequeas variaciones de la concentracin.En un
mtodo analtico sensible, ligeros incrementos de la concentracin del
analitoprovocan incrementos notables de la seal o respuesta que se mide.
Lmite de deteccin
Es la menor concentracin o masa de analito en una muestra que puede ser
detectada, pero no necesariamente cuantificada, bajo las condiciones
experimentalesestablecidas. La determinacin prctica de los lmites de deteccin
solo se efecta en el caso de mtodos empleados para el anlisis de trazas,
contaminantese impurezas a muy bajas concentraciones.
Tolerancia o fortaleza
Se expresa como la carencia de influencia en los resultados por cambios en las
condiciones de operacin. La tolerancia es el grado de reproducibilidad de los
resultados obtenidos por el anlisis de la misma muestra bajo diferentes
condiciones de operacin como: temperaturas, laboratorios, columnas, lotes de
reactivos, equipos, etc.Para su determinacin, se realizan los anlisis de muestras
tomadasde un mismo lote homogneo, en diferentes laboratorios, por diferentes
analistas, adiferentes temperaturas, en diferentes das, etc.
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Robustez
Investiga la influencia de pequeos cambios en las condiciones analticas sobre la
fiabilidad del mtodo analtico, localizando los factores que originan fluctuaciones
menores y los que originanvariaciones significativas. En un estudio entre
laboratorios, se introducen deliberadamente variaciones razonables en las
condiciones experimentales y se observa su influencia.
Muestreo
Se denomina muestra a una parte representativa de la materia objeto de anlisis,
siendo una alcuota de la muestra una porcin o fraccin de la misma. La matriz
de la muestra es el conjunto de todas aquellas especies qumicas que acompaan
al analito en la muestra, segn el porcentaje de los componentes en la muestra, se
habla de: constituyentes principales (concentracin mayor al 1% del total),
constituyentes secundarios (concentracin entre 1% y 0.1% del total), nivel traza
(concentraciones menores al 0.1% del total), ultra trazas (a nivel de ppm).
Para que la informacin obtenida sea significativa, es necesario que la
muestra tenga la misma composicin que el resto del material del que se obtuvo.
Cuando este material es de gran tamao y heterogneo, la obtencin de una
muestra representativa requiere gran esfuerzo. La toma de muestra requiere un
plan adecuado con el fin de conseguir una pequea masa del material cuya
composicin represente con exactitud a la totalidad del material muestreado y ha
de presentar carcter homogneo.
La obtencin de la muestra, tambin llamada toma de muestra o muestreo
es el proceso de seleccin de una muestra para ser analizada, de forma tal que la
concentracin del analito (especie qumica objeto del anlisis) en la muestra que
se analiza, debe ser igual a la concentracin del analito en la poblacin (lote) de la
cual se ha tomado la muestra. El muestreo consta de dos fases, en la fase de
diseo se genera un plan de muestreo donde se aplica principios estadsticos que
pretenden minimizar la diferencia entre las propiedades de una muestra y la
poblacin. La segunda fase involucra la realizacin fsica de la toma de muestra,
17
en esta etapa se considera la instrumentacin, almacenamiento y la conservacin
de la muestra.
Los procedimientos, cantidad de muestra e instrucciones de muestreo son
diferentes para cada tipo de producto, dependen del estado de agregacin de la
sustancia y de sus caractersticas especficas. En cualquier procedimiento de
muestreo, la muestra debe estar compuesta del mayor nmero posible de
porciones de sustancia tomadas al azar, de diversos lugares de la poblacin que
se estudia. Un lote de un mismo producto en sus diferentes partes puede tener
una composicin muy distinta. Cuanto mayor sea el nmero de porciones de la
sustancia que se escojan al azar, mayor ser la probabilidad de que la
composicin de la muestra se acerque a la composicin media de la poblacin que
se analiza. Los procedimientos de muestreo aparecen en manuales de anlisis
tcnicos conocidos como Normas de Muestreo.
Ejemplo 1.3
Se tiene un vagn de tren cargado con 25
toneladas de arroz envasado en sacos, se
sospecha un contenido de arsnico en el arroz
superior al legislado. Cmo se procedera para
realizar el muestreo?
El ejemplo 1.3 hace referencia a muestreo de materiales slidos envasados
a granel. Es necesario tomar muestras al azar de diferentes sacos y de diferentes
lugares de los sacos para formar una gran muestra. Por supuesto que esta
muestra no se emplea directamente en el anlisis debido a su gran tamao y a
que es heterognea, se procede a triturar para aumentar la homogeneidad.
El tamao de la muestra, que es de varios kilogramos, se reduce mediante
cuarteo. El cuarteo es una de las tcnicas ms empleadas para reducir el tamao
de las muestras slidas. En este procedimiento, la muestra triturada se extiende
uniformemente sobre una superficie lisa de modo que resulte un cuadrado, este se
divide diagonalmente en cuatro tringulos, de los cuales se eliminan dos opuestos
y los dos restantes se mezclan nuevamente entre s. El material obtenido de este
18
modo se vuelve a cuartear tantas veces como sea necesario hasta reducir el
tamao de la muestra hasta un valor conveniente de 50 gramos a 1000 gramos. El
material no desechado es conocido como muestra bruta.
Preparacin de la muestra
Existen algunos problemas que se resuelven sin necesidad de tratamiento de la
muestra; por ejemplo, la medida del pH de una muestra de agua de ro puede
llevarse a cabo directamente sin tratamiento alguno, pero comnmente la muestra
necesita algn tratamiento, ya sea para preparar la forma y el tamao de la
muestra, o tener el intervalo adecuado de concentracin del analitoy la tcnica
analtica seleccionada.
La mayora de los anlisis, aunque por supuesto no todos, se llevan a cabo
en disoluciones de la muestra preparadas en un solvente adecuado.Si la muestra
es slida, lo ms habitual es proceder a su trituracin para disminuir el tamao de
partcula, mezclarla de forma efectiva para garantizar su homogeneidad y
almacenarla en condiciones adecuadas. En el caso en que la muestra ya se
encuentre en estado lquido pero no vaya a analizarse tras su recoleccin, por
supuesto las condiciones de almacenamiento han de tenerse en consideracin;
por ejemplo, si una muestra lquida se mantiene en un recipiente abierto, el
solvente podra evaporarse modificando as la concentracin del analito. En el
caso de que el analito fuese un gas disuelto, el recipiente de la muestra debe
mantenerse en un segundo recipiente sellado para impedir contaminacin por
gases atmosfricos.
Los anlisis qumicos deben llevarse a cabo sobre varias rplicas de la
muestra. La finalidad de hacer medidas replicadas (medidas repetidas) es
establecer la variabilidad (incertidumbre) del anlisis, y evitar el riesgo que
ocurrira si se analiza una nica alcuota, la realizacin de rplicas mejora la
calidad de los resultados e informa acerca de la fiabilidad del anlisis. La
incertidumbre de una medida es tan importante como la medida misma, porque
19
nos dice lo fiable que es la medida. En caso necesario, hay que aplicar mtodos
analticos diferentes a muestras parecidas para asegurar que todos los mtodos
dan el mismo resultado y que la eleccin del mtodo analtico no afecta al
resultado. Tambin se pueden tomar y analizar varias muestras brutas diferentes
para ver que variaciones se presentan en funcin del procedimiento de muestreo.
Las medidas cuantitativas de rplicas de muestras se promedian y luego se
aplican diversas pruebas estadsticas a los resultados para establecer la fiabilidad
y descartar datos atpicos, si los hubiera.
Determinacin analtica
Esta etapa consiste en cuantificar el analito por medio de principios basados en
anlisis de volumetra, gravimetra, espectrofotometra o cromatografa. Al efectuar
una determinacin analtica se debe seguir rigurosamente la metodologa
establecida en la tcnica analtica ya que los resultados del anlisis son vlidos
solo si se cumplan las condiciones planteadas en la metodologa, pues esta ha
sido comprobada y validada por normas de control de calidad.
Cualquier cambio en las condiciones establecidas en la metodologa, como
cambio de algn reactivo por otro, modificacin en el volumen o concentracin de
alguna de las soluciones empleadas conduce siempre a errores y disminuye
apreciablemente la precisin y exactitud del mtodo.
Interpretacin de resultados
Los resultados analticos estn incompletos sin una estimacin de su fiabilidad.
Por tanto, si pretendemos que los resultados tengan valor, debe proporcionarse
alguna medicin de la incertidumbre relacionada con los clculos obtenidos.
Adems, el informe final no slo debe plasmar los resultados obtenidos sino
tambin las limitaciones concretas del mtodo de anlisis empleado. En cualquier
caso, ste puede ir dirigido a un especialista o para el pblico en general, de modo
que ser necesario asegurarse de que es apropiado para el destinatario previsto.
20
Una vez escrito el informe, el analista puede o no estar implicado en el uso de su
informacin. Como mnimo el analista tiene la responsabilidad de asegurar que las
conclusiones que se extraigan de sus datos sean coherentes con los mismos.
21
En la mayora de las reacciones qumicas, las sustancias se encuentran en
solucin; una solucin es una mezcla homognea de sustancias simples o
compuestas de las cuales es imposible separar mecnicamente los constituyentes
y cuya composicin puede variar dentro de ciertos lmites, de manera continua. La
figura 2.1 muestra de forma esquemtica las relaciones entre los componentes de
una solucin. Adems se incluyen las principales caractersticas de cada una de
ellas.
Figura 2.1 Descripcin de los componentes de una solucin.
Las soluciones tienen las siguientes caractersticas:
a) Poseen composicin variable.
b) Son mezclas homogneas: ante la observacin visual directa o con microscopio
no se aprecia la existencia de varias partes o fases. El hecho de que las
Soluciones Captulo 2
Solvente
Es el medio dispersor, es el componente que tiene la propiedad de disolver ciertas sustancias.
Soluto
Es el componente que cambia de fase cuando se produce la solucin; tambin denominado cuerpo disperso.
Componentes de una solucin Son aquellas sustancias puras (soluto y solvente) que se mezclan para formar una solucin.
22
soluciones sean homogneas quiere decir que sus propiedades son siempre
constantes en cualquier punto de la mezcla.
c) No son resistentes a procesos fsicos de fraccionamiento (sus componentes se
separan por cambios de fases, como la fusin, evaporacin, condensacin, etc.)
d) Sus propiedades fsicas dependen de su concentracin. Por ejemplo una
solucin de cido clorhdrico con 12 mol/L, tiene una densidad igual a 1.18
g/mL, mientras que otra solucin de cido clorhdrico con 6 mol/L, tiene una
densidad de 1.10 g/mL.
e) Tienen ausencia de sedimento cuando son sometidas a un proceso de
centrifugacin debido a que las partculas del soluto tienen un tamao inferior a
10 Angstroms ().
Disolucin de solutos
El agua es considerada como solvente universal de sustancias inicas,
polares no inicas y anfipticas, ya que facilita que en su seno se puedan llevar a
cabo la totalidad de las reacciones qumicas, as como el transporte adecuado de
sustancias en el organismo. El agua puede actuar como sustrato o producto de
muchas reacciones como la hidrlisis. Aunque se dice que el agua es un solvente
universal, esto no es del todo cierto, el agua ciertamente disuelve muchos tipos de
sustancias y en mayores cantidades que cualquier otro solvente. El carcter polar
del agua la hace un excelente solvente para los solutos inicos y polares, que se
denominan hidroflicos (del griego hydor, agua y philos, amante). Por otra parte,
los compuestos no polares son virtualmente insolubles en agua (el agua y el
aceite no se mezclan) y por lo tanto, son hidrofbicos (del griego fobos, temer).
Los compuestos no polares, son solubles en solventes no polares como el CCl4
(tetracloruro de carbono) o el hexano. La descripcin anterior puede resumirse en
lo semejante disuelve a lo semejante.
23
Por qu las sales se disuelven en el agua? Las sales, como el NaCl
(cloruro de sodio) o el K2HPO4 (fosfato monocido de potasio), se mantienen
unidas por fuerzas inicas. Los iones de una sal, como lo hacen cargas
cualesquiera, interactan de acuerdo a la ley de Coulomb:
1 2
2
q qF
Dr
(2.1)
Donde: F es la fuerza entre las dos cargas elctricas, q1 y q2 son las dos cargas, r
es la distancia entre las dos cargas, D es la constante dielctrica del medio entre
las cargas y es una constante de proporcionalidad (8.99 x 109 JmC-2).
A medida que la constante dielctrica del medio crece, la fuerza entre las
cargas decrece. La constante dielctrica, es una medida de las propiedades de un
solvente para mantener cargas opuestas separadas. En el vaco, D = 1 y en aire,
es apenas un poco mayor. En la tabla 2.1 se muestra la constante dielctrica de
algunos solventes comunes, as como sus momentos dipolares permanentes.
Tabla 2.1 Constante dielctrica y momento dipolar de algunos solventes.
Solvente Constante dielctrica (D)
Momento dipolar (debye)
Formamida Agua Dimetil sulfxido Metanol Etanol Acetona Amoniaco Cloroformo ter dietlico Benceno CCl4 Hexano
110.0 78.5 48.9 32.6 24.3 20.7 16.9 4.8 4.3 2.3 2.2 1.9
3.37 1.85 3.96 1.66 1.68 2.72 1.47 1.15 1.15 0.00 0.00 0.00
La constante dielctrica del agua es la ms alta de un lquido puro, por el
contrario, la de los solventes no polares como los hidrocarburos, es relativamente
24
pequea. La fuerza entre dos iones separados por una distancia dada en un
lquido no polar como hexano o benceno, es 30 40 veces mayor que en agua.
Consecuentemente, en solventes no polares (con D baja), los iones de cargas
opuestas, se atraen tan fuertemente que forman una sal, por el contrario, las
fuerzas dbiles que existen entre los iones en agua (D alta), permiten que
cantidades significativas de iones permanezcan separadas.
Un in negativo inmerso en un solvente polar, atrae la parte positiva del
dipolo del solvente y viceversa, por ejemplo, en el agua. El agua es una molcula
tetradrica, con el tomo de oxgeno en el centro y los dos tomos de hidrgeno
en los vrtices de dicho tetraedro quedando los otros dos vrtices ocupados por
los electrones no compartidos del oxgeno. El oxgeno es un tomo que posee
mayor electronegatividad que el hidrgeno, esto hace que la molcula de agua
sea un dipolo elctrico. Esta estructura explica muchas de las propiedades fsicas
y qumicas del agua bien sea por la formacin de puentes de hidrgeno o por
solvatacin de otras molculas. La figura 2.2 muestra como se distribuyen los
aniones y cationes en soluciones acuosas.
Figura 2.2 Orientacin de aniones y cationes en solucin acuosa.
Cada in queda rodeado por capas concntricas de molculas de solvente.
A este fenmeno se le denomina solvatacin, en el caso especfico del agua,
25
hidratacin. Este arreglo atena las fuerzas coulmbicas entre los iones, de ah
que los solventes polares tengan constantes dielctricas tan elevadas.
En el caso particular del agua, la constante dielctrica es mayor que la de
otros lquidos con momentos dipolares comparables, por que los puentes de
hidrgeno entre las molculas de agua permiten que los solutos se orienten de tal
forma que las estructuras formadas resisten movimientos causados por el
incremento en la temperatura, por lo cual, la distribucin de cargas es mucho ms
efectiva.
Cuando se disuelve un cido fuerte o una base fuerte en agua, se libera
calor debido a la energa liberada durante el rearreglo a nivel molecular del soluto
y el solvente. Este calor es el calor de mezclado, y se le asigna un signo negativo
cuando es proceso exotrmico. Para que el solvente disuelva un soluto, el
solvente debe ejercer sobre las molculas o tomos del soluto, una fuerza superior
a las fuerzas que lo mantienen unido en su forma lquida o slida; de forma tal que
pueda separarlo de esta fase y a travs de fuerzas atractivas, dispersarlo.
Durante la disolucin del cloruro de sodio, las molculas de agua, de
naturaleza polar, se orientan alrededor de los cristales de NaCl de manera que la
parte negativa de la molcula de agua se acerca a los cationes de sodio y la parte
positiva se acerca a los aniones de cloruro. La diferencia en los signos de las
cargas en el punto de contacto, permite que se establezcan fuerzas electrostticas
que superan las fuerzas que mantienen unidos los iones del NaCl. As que los
iones se separan y se dispersan en el agua. Una vez all, el agua rodea a cada in
para tratar de compensar su carga elctrica, y ocurre el llamada fenmeno de
solvatacin, o en el caso del agua, hidratacin. Debido a la diferencia entre la
magnitud de las fuerzas intermoleculares que se manifiestan en solucin, a la
magnitud de las fuerzas que mantenan unidas a las molculas de agua y a la
magnitud de las fuerzas del cloruro de sodio en su estado puro; se produce la
liberacin de energa.
26
En el cloruro de sodio, esta energa es mnima y casi imperceptible; pero en
el caso del hidrxido de potasio (base fuerte) y del cido ntrico (cido dbil) este
efecto es mayor. Durante la solubilizacin de cido ntrico en agua se observa una
fuerte liberacin de energa, pero tambin un cambio en el volumen de la mezcla,
resultando un volumen menor de la solucin que la suma de los volmenes de
soluto y solvente aadidos. Los efectos de cambios en el volumen de mezcla y la
liberacin o absorcin de calor durante la formacin de una solucin, es lo que se
conoce como no-idealidades de las soluciones; ya que de formarse soluciones
ideales ambos efectos serian nulos. Las soluciones son ideales si el soluto y el
solvente son tan similares en forma, tamao y polaridad; que al unirse desarrollan
en solucin, fuerzas intermoleculares iguales a las que tenan en su estado de
pureza.
Considera el estado en que se encuentran el solvente y el soluto en una
solucin se pueden encontrar los casos ejemplificados en la tabla 2.2.
Tabla 2.2 Posibles combinaciones de estados de soluto y solvente en una solucin.
Estado del
soluto
Estado del
Solvente
Estado de la
solucin
Ejemplo
Gas Gas Gas Oxgeno en nitrgeno, oxgeno en argn, oxgeno en hidrgeno.
Lquido Lquido cido fosfrico en refrescos, bixido de carbono en agua.
Slido Slido Humo en ropa, gases de combustin en cama catalizada, metal con burbujas.
Lquido Gas Gas Vapor de agua en aire.
Lquido Lquido Alcohol en agua.
Slido Lquido Azcar en agua, sal en agua (salmuera).
Slido Gas Gas Partculas de polvo en el aire.
Lquido Lquido Metal en mercurio (amalgama).
Slido Slido Carbono en hierro (acero), cinc en cobre (latn), cobre en estao (bronce).
27
Las combinaciones ms frecuentes en la naturaleza son aquellas que
tienen el soluto slido y el solvente lquido (y en general en medio acuoso); el
soluto y el solvente en fase lquida; el soluto en fase gaseosa y el solvente en fase
lquida. En las soluciones lquido-lquido, los dos lquidos han de ser totalmente
miscibles, por ejemplo el agua y el alcohol.
Medidas de las soluciones Debido a que no es posible representar las soluciones mediante frmulas,
ha sido necesario definirlas por medio de sus composiciones.
Solucin diluida: es aqulla en la que la proporcin de soluto respecto a la de
solvente es muy pequea.
Solucin concentrada: es aqulla en la que la proporcin de soluto respecto al
solvente es alta.
Existen dos formas comunes de representar sus medidas: en porcentajes y
en concentracin. En la tabla 2.3 se enlistan las formas ms comunes de
representar las soluciones; estas diferentes formas son descritas en las siguientes
secciones.
Tabla 2.3 Formas comunes de representar las soluciones.
Medidas de concentracin
Porcentaje en masa Porcentaje en volumen Porcentaje en volumen a volumen Partes por milln Gramos por litro Normalidad Formalidad Molaridad Fraccin molar Molalidad
28
Porcentaje masa-masa El porcentaje masa-masa representa la masa de soluto, w1, contenida en la
masa de solucin, w1 + w2. Donde w2 representa la masa de solvente. Es comn
expresar este porcentaje como los gramos del soluto contenidos en 100 gramos
de solucin. La ecuacin (2.2) nos permite calcular el porcentaje en masa.
masa de soluto% m/m= 100
masa de solucin (2.2)
Ejemplo 2.1
Se disolvieron 50 g de NaOH en 200 g de agua.
Calcule el porcentaje m/m.
masa de soluto 50 g
% m/m= 100 = 100=20%masa de solucin 50 g+200 g
Ejemplo 2.2
Qu masa de una solucin acuosa al 14%
m/m de HCl debe aadirse a 35 g de una
solucin acuosa al 6% m/m de HCl para
obtener una solucin al 7% m/m?
La masa de HCl en la solucin tres debe ser igual a la suma de la masa de
HCl en las soluciones uno y dos. Adems la suma de las masas de las soluciones
uno y dos deber ser igual a la masa de la solucin tres (propiedad de la
29
conservacin de la materia). Si planteamos este razonamiento por medio de
ecuaciones algebraicas se tiene:
1 3
14 6 7M + (35)= M
100 100 100 (a)
1 3M +35=M (b)
Donde M1 corresponde a los gramos de la solucin uno y M3 corresponde a los
gramos de la solucin tres. Resolviendo el sistema de ecuaciones (a y b) con dos
incgnitas se obtiene el valor de M1 = 5 g y M3 = 40 g. En la tabla 2.4 se muestra el
resumen con los valores de HCl y agua en cada una de las soluciones, as como
los % m/m.
Tabla 2.4 Valores de HCl y agua en las diferentes soluciones.
Solucin 1 Solucin 2 Solucin 3
HCl 0.7 gramos 2.1 gramos 2.8 gramos
Agua 4.3 gramos 32.9 gramos 37.2 gramos
Total 5.0 gramos 35.0 gramos 40.0 gramos
% m/m 14% 6% 7%
Porcentaje masa-volumen Esta medida indica la masa del soluto en 100 mL de solucin.
masa de soluto% m/v= 100
volumen de solucin (2.3)
Ejemplo 2.3
Se disuelven 50 g de NaOH en agua para
obtener 500 mL de solucin. Calcular el
porcentaje en masa/volumen.
30
Masa de soluto 50 g% m/v= 100 = 100=10%
Volumen de solucin 500 mL
Ejemplo 2.4
Cuntos gramos de sulfato de aluminio se
necesitan para preparar 200 mL de una solucin
acuosa con 1% m/v de sulfato de aluminio?
masa de soluto% m/v= 100
volumen de solucin
g1% 200 mL
mLMasa de soluto= =2.0 g
100
Para preparar la solucin se pesan 2.0 g de sulfato de aluminio, se disuelven en
agua y se afora el volumen a 200 mL con agua.
Ejemplo 2.5
Una solucin acuosa al 45% m/v de H2SO4
tiene una densidad de 1.35 g/mL. Calcular el
porcentaje m/m de esta solucin.
Si consideramos como base de clculo 1000 mL, tendremos que la masa
correspondiente de esa solucin ser igual al producto de la densidad por el
volumen.
Masa de la solucin en 1000 mL = (1.35 g/mL)(1000 mL) = 1350 g Por otra parte, la masa de H2SO4 contenida en la solucin al 45% es igual al
producto del volumen por la fraccin correspondiente al porcentaje m/v.
31
Masa de H2SO4 en 1000 mL = (1000 mL)(0.45) = 450 g
El porcentaje en masa correspondiente es:
2 4masa de H SO 450 g
% m/m= 100 = 100 =33.3333%masa de solucin 1350 g
Porcentaje volumen-volumen
Esta medida indica el volumen del soluto en 100 mL de solucin. Esta forma
de expresar la concentracin se usa cuando tenemos que expresar la
concentracin de una solucin lquido-lquido. Por ejemplo una solucin de alcohol
al 96%. Es una solucin con 96 mL de alcohol por cada 100 mL de solucin.
volumen de soluto% v/v= 100
volumen de solucin (2.4)
Ejemplo 2.6
Se disuelve 50 mL de tolueno al 100% en benceno para
obtener 500 mL de solucin. Calcular el porcentaje en
volumen/volumen.
volumen de soluto 50 mL
% v/v= 100 = 100=10%volumen de solucin 500 mL
Partes por milln (ppm)
Se define como la cantidad de materia contenida en una parte sobre un
total de un milln de partes. Es la unidad empleada para valorar la presencia de
32
elementos en pequeas cantidades (traza) en una mezcla. Generalmente suele
referirse a porcentajes en masa en el caso de slidos y en volumen en el caso de
gases.
(2.5)
Una forma de entender fsicamente lo que representa ppm, es considerar
un cubo de un metro de arista dividido en 100 centmetros por arista para formar
cubos de un centmetro por lado. El volumen global del cubo es de 1 m3, y el
volumen de cada uno de los cubos pequeos es de 1 cm3. En el cubo grande cabe
un milln de cubos pequeos y cada uno representa 1 ppm.
Ejemplo 2.7 Se determin que una muestra de 2.5 gramos de aguas freticas
(se encuentran abajo del suelo) contena 5.4g de Zn2+. Calcule
la concentracin de Zn2+ en partes por milln.
Clculos basados en ecuaciones qumicas
Las ecuaciones qumicas constituyen un lenguaje preciso y verstil, sirven para
calcular las cantidades de sustancias que intervienen en las reacciones qumicas.
Los coeficientes de una ecuacin qumica balanceada se pueden interpretar, tanto
como los nmeros relativos de molculas comprendidas en la reaccin como los
nmeros relativos de moles.
-6
-3mg de soluto 5.410 mgppm= = =2.16 ppm
kg de solucin 0.0025 kg
5.4g=5.410 mg
miligramo de solutoppm=
kilogramo de solucin
33
Definicin de mol La masa de los tomos es muy pequea. Si se toma por ejemplo el tomo de
sodio, cuyo radio es de 1.9x10-8 cm, para completar una distancia de un
centmetro habra que colocar en fila ms de 52 millones de tomos de sodio. Esto
hace que sea imposible pesar los tomos de forma individual, pues la porcin ms
pequea que puede obtenerse en un laboratorio contiene un nmero muy grande
de tomos. Por esto, en cualquier situacin real hay que manejar cantidades
enormes de tomos, lo que hace necesario disponer de una unidad para
describirlas de forma adecuada.
Un mol se define como la cantidad de materia que tiene tantos objetos o
unidades elementales como el nmero de tomos contenidos en exactamente 12
gramos de carbono C12. Este nmero se conoce como nmero de Avogadro y
equivale a 6.0221x1023 molculas.
1 mol = 6.0221x1023 molculas
Ejemplo 2.8 El cianuro de hidrgeno, HCN, es un compuesto
extremadamente venenoso, 56 mg de HCN se considera como
una dosis txica. Cuntas molculas de cianuro de hidrgeno
hay en la dosis txica?
Para calcular el nmero de molculas es necesario conocer el nmero de
moles presentes en los 56 gramos. Para ello es necesario calcular la masa
molecular del HCN sumando las masas moleculares de los elementos que lo
constituyen (H: 1.0079 g/mol, C: 12.0110 g/mol y N: 14.007 g/mol). PMHCN =
27.0259 g/mol. El nmero de moles que se tienen en 56 mg de HCN es igual a:
34
-31mol(0.056 g)( )=2.072x10 mol27.0259 g
23 -3 21molculas
6.022X10 2.072x10 mol =1.248x10 molculas de HCNmol
El HCN es usado en tintes, explosivos, produccin de plsticos, etc. Puede
ser producido provocando la reaccin entre un cianuro y un cido fuerte, o
directamente de amoniaco y monxido de carbono. Las frutas que tienen una
semilla grande tienen pequeas cantidades de HCN (dentro de la semilla), como el
aguacate, el albaricoque y las almendras amargas (de las que se extrae el aceite
de almendra). Tambin se le puede encontrar en los gases producidos por
motores de vehculos, en el humo del tabaco y en el humo de la combustin de
plsticos que contienen nitrgeno. Una concentracin de 300 partes por milln en
el aire es suficiente para matar a un humano en cuestin de minutos. Su toxicidad
se debe al in cianuro CN-, que inhibe la respiracin celular. Por esta razn, el
cianuro de hidrgeno era muy usado en la Alemania nazi como mtodo de
ejecucin en masa.
Ejemplo 2.9 Cuntos moles de hidrxido de sodio, NaOH corresponden a
2.709 x 1024 molculas de hidrxido de sodio y cuntos moles de
sodio?
Los moles de hidrxido de sodio pueden ser determinados empleando el
nmero de Avogadro.
24
23
1mol de NaOH2.709x10 molculas de NaOH =4.4984 mol de NaOH
6.0221x10 molculas de NaOH
Luego, un mol de NaOH contiene un mol de Na, por lo que 4.4984 mol de NaOH
tendrn:
35
1 mol de Na4.4984 mol de NaOH =4.4984 mol de Na
1 mol NaOH
Ejemplo 2.10 Una muestra de dicromato de amonio, (NH4)2Cr2O7, contiene
1.81x1024 tomos de hidrgeno cuntos gramos de nitrgeno,
N, hay en ella?
Usando los coeficientes de contenido de cada elemento en la formacin del
dicromato de amonio y la masa molecular del nitrgeno podemos establecer la
siguiente relacin:
24 232 tomos de N 1mol de N 14.006 g de N
1.81x10 tomos de H8 tomos de H 6.022x10 tomos de N 1mol de N
=10.5242 g de N
Ejemplo 2.11
Se tiene una solucin al 12% m/m de NaOH cuya densidad
es de 1.1309 g/mL.
a) Cuntos iones OH- hay por mililitro de solucin?
b) Cuntos moles de iones de sodio hay por mililitro de
solucin?
Comenzaremos definiendo una base de clculo de un mililitro de solucin y
considerando que el NaOH se disocia en Na+ + OH-. La masa de la solucin
contenida en ese volumen puede ser determinada como el producto de la
densidad por el volumen:
Masa = (1.1309 g/mL)(1 mL) = 1.1309 g
De esa masa el 12% corresponde al NaOH
36
Masa de NaOH = (1.1309 g)(0.12) = 0.1357 g
Para determinar el nmero de moles de NaOH empleamos la masa
molecular del NaOH que es de 39.9959 g/mol. Finalmente, para determinar el
nmero de molculas empleamos el nmero de Avogadro de la siguiente manera.
a)
23
-21 -
mol de NaOH 6.0221x10 molcula de NaOH0.1357 g de NaOH
39.9959 g de NaOH mol de NaOH
1in OH=2.0432x10 iones de OH
1molcula de NaOH
b)
+-3 +mol de NaOH 1mol Na0.1357 g de NaOH =3.3928x10 mol de Na
39.9959 g de NaOH 1mol de NaOH
Ejemplo 2.12 En la siguiente reaccin qumica: H2SO4+ZnZnSO4+H2 Qu
volumen de hidrgeno se puede obtener a partir de 10 g de Zn,
si las condiciones del laboratorio son 20C y 0.9 atm de presin?
Para encontrar el volumen de hidrgeno, podemos pensar que a las
condiciones de temperatura y presin dadas, la ley de los gases ideales es
aplicable. Los coeficientes estequiomtricos de la reaccin nos muestran que por
cada mol de cinc que se consume se genera un mol de hidrgeno. La masa
molecular del Zn es de 65.37 g/mol. Las siguientes relaciones nos muestran los
clculos para encontrar el volumen de hidrgeno generado.
22
1mol de H1mol de Zn10 g de Zn =0.1529 mol de H
65.37 g de Zn 1mol de Zn
atm L0.1529 mol 0.08206 293.15 K
nRT K molV= = =4.0868 L
P 0.9 atm
37
Ejemplo 2.13 Una muestra de vitamina C (cido ascrbico) de 7.74 mg es
quemada para producir 11.6 mg de bixido de carbono y 3.16
mg de agua. Calcule la composicin en porcentaje de este
compuesto. Si el cido ascrbico contiene solamente carbono,
hidrgeno y oxgeno.
La reaccin qumica que representa la combustin del cido ascrbico es la
siguiente:
CxHyOz + O2 CO2 + H2O
7.74 mg 11.6 mg 3.16 mg Todo el C del CO2 proviene del cido ascrbico, entonces:
22
2 2
-3
-3
1mol de CO 1mol de C 12.011g de C0.0116 g de CO =
44.009 g de CO 1mol de CO 1mol de C
3.1658x10 g de C
1000 mg de C3.1658x10 g de C =3.1658 mg de C
1 g de C
Todo el H del agua proviene del cido ascrbico, entonces:
22
2 2
-4
-4
1mol de H O 2 mol de H 1g de H0.00316 g de H O =
18.0148 g de H O 1mol de H O 1mol de H
3.508x10 g de H
1000 mg de H3.508x10 g de H =0.3508 mg de H
1g de H
En la muestra de 7.74 mg de cido ascrbico hay 3.1658 mg de Carbono, 0.3508
mg de Hidrgeno y el resto es oxgeno (7.74 mg 3.1658 mg 0.3508 mg =
4.2234 mg).
La composicin porcentual es calculada como sigue: Para el C: (3.1658 mg)(100)/(7.74 mg) = 40.9018%
38
Para el H: (0.3508 mg)(100)/(7.74 mg) = 4.5322% Para el O: (4.2234 mg)(100)/(7.74 mg) = 54.5658%
Las frmulas qumicas de un compuesto, relacionan las proporciones
atmicas (molares) de los elementos que lo constituyen. La frmula
condensada o molecular es la que expresa la relacin real entre los tomos
de una molcula de un compuesto. Entonces, el H2O tiene dos tomos de
hidrgeno y un tomo de oxgeno. De la misma manera, 1.0 mol de H2O est
compuesta de 2.0 moles de hidrgeno y 1.0 mol de oxgeno. La frmula emprica
o mnima es la que expresa la relacin ms simple entre los tomos de un
compuesto. La frmula molecular es un mltiplo de la frmula mnima. Por lo
tanto, para determinar la frmula molecular de un compuesto es necesario
contar con su frmula mnima y su masa molecular.
Frmula molecular= n(frmula mnima) (2.6)
Ejemplo 2.14 El porcentaje en masa reportado para los componentes del cido
benzoico son: 68.8455% de C, 4.9520% de H y 26.2025% de O.
Cul es la frmula emprica mnima?
La frmula emprica para el cido benzoico tendr una estructura CxHyOz,
donde los subndices nos indicarn la relacin atmica entre los diferentes
elementos.
39
Tabla 2.5 Proceso para la obtencin de la frmula emprica de un compuesto.
Columna 1 Columna 2 Columna 3 Columna 4 Columna 5
Elemento % m/m % m/m
PA
resultado de la
columna 3
mnimo resultado
de la columna 3
Subndice=
(resultado de la
columna 4)(n)
C 68.8455
68.84555.7318
12.011g/mol
5.73183.4999
1.6377
3.4999 2 6.9998
H 4.9520
4.95204.9131
1.0079 g/mo
4.95203.0237
1.6377 3.0239 2 6.0478
O 26.2025
26.20251.6377
15.999 g/mo
1.63771
1.6377 1 2 2
Una primera expresin de la frmula emprica del cido benzoico sera:
C5.7318H4.9131O1.6377; sin embargo, es costumbre escribir las frmulas con
subndices enteros, lo cual se logra al realizar las operaciones matemticas que se
indican en cada columna de la tabla 2.5, donde finalmente en la columna 5, al
multiplicar por un factor n que genere subndices enteros, se obtiene la frmula
mnima: C7H6O2.
Reactivo limitante
Aquel reactivo que se ha consumido por completo en una reaccin qumica
se le conoce con el nombre de reactivo limitante pues determina o limita la
cantidad de producto formado.
Ejemplo 2.15 Qu masa de CO2 se producir al reaccionar 8.0 gramos de
CH4 con 48 gramos de O2 en la combustin del metano?
La reaccin balanceada es:
CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)
40
Se calcula el nmero de moles de cada reactivo:
Se calcula el reactivo limitante:
Lo anterior quiere decir que para consumir todo el oxigeno disponible se requiere
0.7500 mol de metano, lo cual no es posible bajo estas condiciones ya que solo se
dispone de 0.4986 mol, esto indica que el reactivo que limita la reaccin es el
metano y sobre l deben basarse los clculos.
Ejemplo
2.16
El xido de titanio (IV) es un pigmento blanco usado en plsticos
y pinturas. Al calentar el xido de titanio (IV) en una corriente de
aire, ste pierde oxgeno. Si despus de calentar 1.598 g de TiO2
la masa se reduce en 0.16 g Cul es la frmula del producto
final?
TiO2 TixOy + O2 Todo el titanio que se obtiene en el producto procede de TiO2:
22
2 2
1mol de TiO 1mol de Ti 47.9 g de Ti1.598 g de TiO =0.958 g de Ti
79.9 g de TiO 1mol de TiO 1mol de Ti
1.598 g 0.16 g
1mol de CHMoles de tomos de CH= 8 g de CH =0.4986mol de CH
16.0426 g de CH
1mol de OMoles de tomos de O= 48 g de O =1.5000mol de O
31.998 g de O
1mol de CH1.5000mol de O =0.7500mol de CH
2mol de O
44.009 g de COGramos de CO= 0.4986mol de CH =21.9428 g de CO
1mol de CO
41
Masa del nuevo compuesto = (1.5980.16) g = 1.438 g
Masa de oxgeno del nuevo compuesto =1.438-0.958= 0.48 g. Con esos valores
msicos y las masas moleculares se puede determinar el nmero de moles de
cada elemento.
Para el Ti:
1mol0.958 g =0.02 mol
47.9 g
Para el O:
1mol0.48 g =0.03 mol
16 g
La frmula del nuevo compuesto sera Ti0.02O0.03. Nuevamente, tenemos el caso
en que los subndices no son enteros. Si multiplicamos por 100 esos subndices
los convertimos en enteros, quedando la frmula del producto final como: Ti2O3
Porcentaje de pureza Muchas veces los reactivos de que se dispone, para usarse en una reaccin en
particular no son puros; la impureza puede ser humedad, materia inerte, u otra
sustancia. El porcentaje de pureza es el factor de conversin entre la masa de una
sustancia pura y la masa total de una muestra impura. El porcentaje de pureza de
una muestra de la sustancia A es:
masa de sustancia pura
% pureza= 100masa de muestra
(2.7)
Ejemplo 2.17 Determine la masa de calcio presente en 10.0 g de una
muestra impura que contiene 85% de Ca.
masa de sustancia pura
85 = 10010 g
masa de sustancia pura = 8.5 g
42
Rendimiento de las reacciones qumicas
Se cree equivocadamente que las reacciones progresan hasta que se
consumen totalmente los reactivos, o al menos el reactivo limitante. Muchas
reacciones no se efectan en forma completa; es decir, los reactivos no se
convierten completamente en productos. El trmino "rendimiento" indica la
cantidad de productos que se obtiene en una reaccin. A la cantidad de producto
realmente formado se le llama simplemente rendimiento o rendimiento de la
reaccin y se calcula mediante la siguiente relacin:
(2.8)
Siempre se cumplir que el rendimiento de la reaccin es menor o igual al
rendimiento terico, entre las posibles razones de este hecho se puede mencionar
que las reacciones sean reversibles, que haya reacciones laterales que no lleven
al producto deseado o bien que pudieran existir fugas en el equipo. La
recuperacin del 100% de la muestra es prcticamente imposible.
Ejemplo 2.18 La reaccin de 6.8 g de H2S con exceso de SO2, produce 8.2 g
de S. Cul es el rendimiento de la reaccin?
2H2S+SO23S+2H2O
Se usa la estequiometra para determinar la mxima cantidad de S que puede
obtenerse a partir de 6.8 g de H2S.
rendimiento de la reaccin
% de rendimiento = 100rendimiento terico de la reaccin
222 2
Rendimiento terico de S
1mol de H S 3 mol de S 32.064 g de S6.8 g de H S 9.5966 g de S
34.0798 g de H S 2 mol de H S 1mol de S
43
Se divide la cantidad real de S obtenida entre la mxima terica, y se multiplica
por 100.
Molaridad (M) Se define como el nmero de moles de soluto disueltos en cada litro de solucin.
w% m/m w % m/m V %m/m n wPMM= = = = = =
V V V PM 100 V PM 100 V PM 100 PM
(2.9)
Donde: w es la masa del soluto en gramos, PM es la masa molecular del soluto en
g/mol, V es el volumen de solucin en litros, es la densidad de la solucin en
g/L, %m/m es el porcentaje masa/masa.
Ejemplo 2.19
Cul es la molaridad de 180
mL de solucin en la cual
existen 20 g de NaCl?
20 gwn 58.4427 molPMM= = = =1.9012 MV V 0.18 L
8.2 g
%de rendimiento= 100 =85.4462%9.5966 g
44
Ejemplo 2.20
Calcular la molaridad de una
solucin al 37% en masa de
HCl cuya densidad es 1.190
g/mL.
Aplicando la frmula de molaridad y verificando las unidades:
% m/m M=
100 PM
(37%)(1190g/L)= =12.0630 M
100(36.5g/mol)
Formalidad (F)
La formalidad es otra manera de expresar concentraciones de soluciones.
Aparece en algunos textos y numricamente es equivalente a la molaridad. La
diferencia radica en la forma de expresar el numerador. Mientras que en la
molaridad se emplean moles de soluto, en la formalidad se aplica el concepto de
peso frmula gramo de soluto. De manera que la formalidad se calcula de la
siguiente manera:
(2.10)
Donde: w es la masa del soluto en gramos, pfg es el peso frmula gramo de soluto
en moles, pf es el peso frmula (equivalente a la masa molecular en g/mol), V es
el volumen de la solucin en litros, es la densidad de la solucin en g/L, % m/m
es el porcentaje masa/masa.
w
% m/m pfg wpfF= = = =
V V V pf 100 pf
45
Normalidad (N)
Otra manera de expresar concentraciones de soluciones es a travs del
concepto de normalidad. Su aplicacin es muy importante en los problemas que
involucran reacciones qumicas ya que toma en cuenta el nmero de intercambio
de cada compuesto que interviene en la reaccin. Las expresiones que pueden
emplearse para el clculo de la normalidad son:
(2.11)
Donde: N es la normalidad en eq.g/L, e es el nmero equivalente, w es la masa de
soluto en gramos, PM es la masa molecular en g/mol, V es el volumen de la
solucin en L, E es la masa equivalente en g/(eq.g), i es el nmero de intercambio
inico en eq.g/mol.
La masa equivalente (E) de un elemento se define como la cantidad en
gramos de una sustancia cualquiera, capaz de combinarse o desalojar de sus
combinaciones a 1.0079 g de hidrgeno u ocho partes en masa de oxgeno; por
ejemplo el HCl, con 1.0079 gramos de hidrgeno se combinan 35.453 g de de
cloro, entonces la masa equivalente es 35.453 g/(eq.g). La masa equivalente de
una sustancia depende de la reaccin en la que interviene.
El nmero equivalente de un elemento (equivalente qumico equivalente
gramo) es el nmero de gramos del mismo que implica una prdida o una
ganancia de un nmero de Avogadro de electrones, cuando el elemento entra en
una combinacin qumica.
A continuacin se presenta la forma de calcular las masas equivalentes
para diferentes sustancias.
ww ie w wEN= = = = =
PMV V VE V PMV
i
46
1) Masa equivalente para un cido.
Para determinar la masa equivalente gramo de un cido, se dividen los
gramos/mol del cido entre el nmero de tomos de hidrgeno ionizables que
contiene.
HCl
36.4609 g/mol gE = =36.4609
1eq.g/mol eq.g
2 4H SO
98.0758 g/mol gE = =49.0379
2 eq.g/mol eq.g
3 4H PO
97.9927 g/mol gE = =32.6642
3 eq.g/mol eq.g
4 2 7H P O
177.9706 g/mol gE = =44.4926
4 eq.g/mol eq.g
2) Masa equivalente para una base.
Para determinar la masa equivalente gramo de una base, se dividen los
gramos/mol de la base entre el nmero de grupos hidroxilo ionizables que
contiene.
NaOH
39.9939 g/mol gE = =39.9939
1eq.g/mol eq.g
2Ca(OH)
74.0938 g/mol gE = =37.0469
2 eq.g/mol eq.g
3Al(OH)
78.0017 g/mol gE = =26.0005
3 eq.g/mol eq.g
4Sn(OH)
186.7176 g/mol gE = =46.6794
4 eq.g/mol eq.g
3) Masa equivalente para una sal simple.
Para determinar la masa equivalente gramo de una sal, se dividen los gramos/mol
de la sal entre el nmero total de unidades de intercambio del catin.
3NaNO
84.992 g/mol gE = =84.992
1eq.g/mol eq.g
47
2 4K SO
174.264 g/mol gE = =87.132
2 eq.g/mol eq.g
3FeCl
162.206 g/mol gE = =54.0686
3 eq.g/mol eq.g
2 4 3Al (SO )
342.142 g/mol gE = =57.0236
6 eq.g/mol eq.g
Ejemplo 2.21 Se sabe que una base tiene una masa equivalente de 65 g/eq.g.
A qu volumen es necesario diluir 7.0 g de la base si se desea
obtener una solucin 0.2 N?
A partir de la ecuacin de normalidad podemos despejar el trmino de volumen y
sustituir los datos del problema de la siguiente manera:
we wEN= = =V V E V
w 7.0 gV= = =0.5384 L
E N g eq.g65 0.2
eq.g L
Ejemplo 2.22
Se disuelven 8.0 g de nitrato de
sodio en agua hasta llegar a 500 mL
de solucin. La densidad de esta
solucin es igual a 1.12 g/mL.
Determine la concentracin normal.
Se aplica las relaciones previamente descritas para la normalidad:
48
ww i 8.0 g 1eq.g/mole w wEN= = = = = = =0.1883 N
PM gV V E V PM VV
