U.3 VOLUMETRIA REDOX 1. 2. 3. 4. 5.
Volumetries Plantejament del problema Disseny experimental Realització de l'experiment Anàlisi de resultats i càlculs
1. VOLUMETRIES Una tècnica analítica que permet quantificar la presència d'un solut en una dissolució s'anomena volumetria . El nom procedeix del fet que experimentalment es mesura el volum de l'altra dissolució, de concentració coneguda, que es fa reaccionar amb la dissolució problema. La tècnica s'anomena també, per això, valoració , ja que a la fi es valora la concentració de la dissolució problema. Segons la reacció química que s'utilitza la volumetria pot ser àcid-base, precipitació, redox o complexació. Totes tenen en comú la mesura del volum de la dissolució coneguda i també l'ús d'una substància anomenada indicador que assenyala el punt final de la reacció quan hem de deixar d'afegir reactiu. L'essència analítica de les volumetries rau en els càlculs estequiomètrics que cal fer per a trobar la concentració de la dissolució problema. Per això la millor manera de fer els càlculs és a partir de l'equació ajustada de la reacció, d'on traurem els coeficients estequiomètrics dels reactius implicats (conegut i problema). La quantitat de substància en mol l'expressarem en funció del volum i la concentració, segons la coneguda expressió que defineix la concentració molar d'un solut A : [A] = nA / V ; nA = [A]· V A.1
Per a una reacció genèrica: a A (aq) + b B (aq) à c C (aq), escriviu l'expressió que permet calcular la concentració de la substància problema, B, en funció de la concentració de la substància coneguda A i els volums respectius de les dissolucions emprades.
En una volumetria el volum de la substància problema s'escull arbitràriament, en funció de la característiques de la reacció. Ara bé, el volum de la substància coneguda és una incògnita fins que acaba la reacció. A.2
Vist que desconeixem el volum de la substància coneguda, raoneu quin aparell volumètric serà el més adequat per a realitzar una volumetria.
A.3
Esbrineu què és un indicador, quin paper fa en una volumetria i quines substàncies es solen fer servir com a indicadors segons el tipus de reacció.
2. PLANTEJAMENT DEL PROBLEMA El problema pràctic que anem a proposar implica una reacció del tipus redox. Com a introducció direm que es tracta d'una reacció entre dues substàncies anomenades oxidant i reductor que modifiquen les seues propietats mútuament. En les classes teòriques es fa un estudi detallat d'aquestes reaccions. Ara només tractarem d'identificar que la nostra reacció és d'aquest 3.1
U.3 VOLUMETRIA REDOX
tipus i veurem que un dels reactius serveix com a indicador pel canvi dràstic de color que experimenta. Vegem primer quin és el problema a resoldre. A.4
Com podríem esbrinar la quantitat de ferro que conté una pastilla del medicament anomenat "ferogradumet"? Podem formular el nostre problema amb la pregunta:
Quant de ferro conté una "pastilla de ferro" ? El ferro que es troba en una pastilla de ferro es troba en forma del reactiu sulfat de ferro(II), és a dir, és en forma d'ions Fe2+. Per l'estat d'oxidació que té (la càrrega, en aquest cas) no és el màxim possible, per tant diem que es pot OXIDAR a un estat major, Fe3+. Per això necessitem una substància que siga OXIDANT. El ferro(II), per tant actuarà com a REDUCTOR i l'altra substància actuarà com a oxidant. En aquest cas, l'oxidant emprat és el reactiu anomenat permanganat de potassi, KMnO4, que té un color violeta molt intens que es difumina quan el permanganat reacciona i es redueix a manganès(II), de color rosa pàl·lid. Tot això s'ha de produir en un medi àcid, presència d'ions H+, per la qual cosa és imprescindible utilitzar àcid sulfúric com a dissolvent.
Valoració Si volíem mesurar la concentració de ferro en la sang caldria procedir sota condicions estrictament controlades als laboratoris mèdics. Per això, ací farem només la mesura en unes pastilles que contenen ferro. Farem una investigació de caràcter quantitatiu i tractarem de contestar tant acuradament com siga possible una pregunta que comença amb "Quina quantitat..." Una valoració és un mètode quantitatiu que podem utilitzar quan dues dissolucions reaccionen entre si. Una dissolució de concentració coneguda es situa en la bureta. La segona dissolució la col·loquem en un matràs cònic (erlenmeyer). La dissolució de la bureta es deixa caure sobre el matràs justament fins que s'ha afegit la quantitat adequada per a assegurar-nos que la reacció ha estat completa. Sovint s'empra un indicador que mostra quan la reacció ha acabat però això no és necessari si la reacció està acompanyada d'un canvi de color molt significatiu.
Com ocorre la nostra reacció? En aquesta investigació anem a esbrinar quant de ferro hi ha en una dissolució de pastilles de ferro, valorant la dissolució amb una dissolució de permanganat de potassi. El ferro de les pastilles de fet es presenta en forma de la sal sulfat de ferro(II) hidratat: FeSO4·7H2O. El nom suggereix que la sal conté els ions ferro(II): Fe2+, per tant aquesta és l'espècie química que reaccionarà amb els ions permanganat, de fórmula MnO4-, segons l'equació: 3.2
U.3 VOLUMETRIA REDOX
5 Fe2+ + MnO4- + 8 H+ verd violat pàl·lid intens
→ 5 Fe3+ + Mn2+ + 4 H2O marró rosa terrós pàl·lid
El procés pot semblar una mica complicat, però el fet a destacar és que el color intens del permanganat de potassi desapareix a mesura que reacciona amb els ions ferro(II). Aquest canvi permet decidir en quin moment cal deixar de vessar el permanganat perquè la reacció s'ha completat, ja que quan el ferro(II) s'ha esgotat, una gota extra de dissolució de permanganat de potassi fa que la mescla valorada adquiresca un to lleugerament porpra i si seguírem afegint permanganat ja es faria del tot violat perquè ja no queda ferro per reaccionar. 3. DISSENY EXPERIMENTAL
Què anem a fer? 1. Triturem 5 pastilles de ferro fins obtenir una pols ben fina, amb l'ajut d'un morter i un picamà. Com que sovint les pastilles estan tenyides de vermell, convé llevar el color vermell refregant-les un poc amb un paper humit. 2. Pesem amb precisió un got de precipitats de 100 mL. Hi transferim la màxima quantitat de pols obtinguda de les pastilles. Tornem a pesar el got i mesurem la massa de les pastilles que hi hem transferit. Si la nostra balança té un botó de "tara", no cal mesurar el pes de got, simplement quan posem el got, tarem a zero i en afegir la pols ja tenim directament el que aquesta pesarà. 3. Aboquem uns 25 mL de la dissolució 1 mol/L d'àcid sulfúric al got. Remenem ben remenat l'àcid i les pastilles amb una vareta de vidre fins que s'haja dissolt el màxim possible de pols. La part insoluble que puga haver-hi en les pastilles no afecta el resultat de l'experiment perquè no reacciona. 4. El contingut del got el transferim mitjançant un embut i el vessem sobre un matràs aforat de 250 mL. Renteu el got i la vareta de vidre dues vegades amb petites quantitats de la dissolució d'àcid sulfúric diluït i transferiu els líquids generats al matràs. Aquesta tècnica assegura que tota la pols del got siga transferida al matràs aforat. 5. Finalment, afegiu àcid sulfúric diluït al matràs aforat fins a l'arrasament (250 mL). Tapeu el recipient i invertiu-lo vàries vegades perquè la dissolució es barrege bé. 6. Mitjançant una pipeta proveïda d'una xeringa agafeu 25 mL de la dissolució del matràs aforat i els transferiu al matràs cònic per a la valoració. 7. Mitjançant un got de precipitats de 100 mL net i sec i un petit embut ompliu la bureta amb la dissolució de permanganat de potassi. Deixeu caure sobre el got un poc de dissolució mitjançant la clau de pas per assegurar-nos que el bec de la bureta queda ple de dissolució abans de començar. (Si hi apareixen bombolles d'aire, demaneu ajuda al professor). Manipuleu la clau de pas acuradament per evitar que se n'isca i es vesse tota la dissolució. (Si teniu dubtes sobre com emprar correctament la bureta, demaneu ajuda al professor. 8. Anoteu la lectura del volum que hi ha a la bureta abans de començar la valoració. (Si en omplir el bec hem tingut la precaució de deixar la primera lectura en zero, ja tenim aquest volum, però no és imprescindible). 9. Afegiu la dissolució de permanganat a poc a poc, en petits volums, sobre el matràs erlenmeyer, tot remenant el recipient després de cada addició. El color violat intens dels ions permanganat desapareixerà a mesura que vaja reaccionant amb els ions ferro(II). El punt final de la valoració ocorre quan després de la primera addició s'aconsegueix un color porpra encara dèbil a causa de l'excés de permanganat que ja no reacciona, si 3.3
U.3 VOLUMETRIA REDOX
addicionàvem més dissolució l'error serà cada vegada més gran. Quan suposem que podem estar a prop del punt final hem d'afegir el permanganat gota a gota a fi de minimitzar l'error en la lectura del volum. 10. Anoteu la lectura final de la bureta, en cas que la inicial no fóra zero. En qualsevol cas, cal saber quin volum s'ha gastat en la valoració. 11. La primera vegada que fem la valoració ignorem el resultat final i potser haurem fet una lectura amb massa imprecisió. El que se sol fer és repetir vàries vegades la valoració, ja que tenim prou quantitat de les dues dissolucions fins que obtinguem dos valors que no diferesquen més de 0,1 mL. En general, la valoració se sol repetir tres vegades i calcular la mitjana, tal com sabem que se sol fer com a mínim en qualsevol mesura. 4. REALITZACIÓ DE L'EXPERIMENT
Material necessari • "Pastilles de ferro" (es venen a la farmàcia com a "sulfat de ferro(II)" o amb el nom comercial de FEROGRADUMET) • Àcid sulfúric, 1 mol/L • Dissolució de permanganat de potassi, 0,01 mol/L • Matràs erlenmeyer de 250 mL • Matràs aforat de 250 mL • Bureta • 2 gots de precipitats de 100 mL • Pipeta de 25 mL • Xeringa per omplir la pipeta • 2 embuts petits (un amb filtre de paper) • Proveta de 10 mL • Flascó llavador i aigua destil·lada • Morter i picamà • Balança analítica (±0,001 g)
Normes de seguretat
l'àcid sulfúric diluït és irritant en contacte amb la pell i els ulls
Protecció necessària guants i ulleres
3.4
U.3 VOLUMETRIA REDOX
5. ANÀLISI DE RESULTATS I CÀLCULS
Quins càlculs fem amb els resultats? 1. Tal com hem dit abans, fem la mitjana dels tres volums mesurats en les valoracions (el de prova es descarta). 2. Mitjançant la gràfica de conversió de la figura 1 calculeu el valor mitjà de la massa de ferro que ha estat pipetejat cada vegada al matràs erlenmeyer.
3. Calculeu quant de ferro hi havia en els 250 mL de la dissolució del matràs aforat. 4. Calculeu, doncs, quant de ferro hi havia en cada pastilla de ferro. Volums (mL) Bureta inicial
Prova
Mesura 1
Mesura 2
Mesura 3
Valor mitjà
Bureta final Volum gastat 5. Una altra opció és fer els càlculs estequiomètrics a partir de l'equació de la reacció si sabem les concentracions i volums de dues dissolucions implicades. Ja que: n(MnO4-) = n(Fe2+)/5
(relació estequiomètrica treta de l'equació ajustada)
n(MnO4-) = [MnO4-]· Vperm = 0,010· Vgastat n(Fe2+) = [Fe2+]· Vferro = x· 0,025 L (x és la concentració molar en mol/L) x = 5· 0,010· Vgastat/0,025 = mol de ferro en 1 L de dissolució En la mostra original, que tenia 250 mL, els mols de ferro seran la quarta part. Passem de mols a grams i tindrem finalment els grams de Fe en el total de pastilles, que dividit per 5 ens donarà la quantitat de ferro en 1 pastilla. COINCIDEIX AMB EL QUE DIU EL FABRICANT? 3.5
U.3 VOLUMETRIA REDOX
Tractament de residus En acabar, la dissolució de permanganat cal recuperar-la per a d'altres experiments i tornar-la a l'ampolla original. El producte de la reacció cal recollir-lo en un recipient adient que us donarà el professor. NO S'HA DE LLANÇAR RES PEL FORAT DE LA PICA!!! La bureta s'ha de rentar amb detergent immediatament, perquè els residus de permanganat són molt oxidants i fan malbé el vidre de la bureta i les peces mòbils (clau).
B
3.6
