Nely Ríos Donato Alicia Blanco Aquino Ramón S. Villanueva García José A. Rivera Mayorga
QUÍMICA EXPERIMENTAL PARA INGENIEROS
Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur
QUÍMICA EXPERIMENTAL PARA INGENIEROS
Nely Ríos Donato Alicia Blanco Aquino Ramón S. Villanueva García José A. Rivera Mayorga Universidad de Guadalajara
Revisión técnica: M. C. Leticia Ángeles Malagón Vera
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Química experimental para ingenieros Nely Rios Donato, Alicia Blanco Aquino, Ramón S. Villanueva García y José A. Rivera Mayorga
Director Editorial para Latinoamérica: Ricardo H. Rodríguez
Editora de Adquisiciones para Latinoamérica: Claudia C. Garay Castro
Gerente de Manufactura paraLatinoamérica: Antonio Mateos Martínez
Gerente Editorial en Español paraLatinoamérica: Pilar Hernández Santamarina
Gerente de Proyectos Especiales: Luciana Rabuffetti
© D.R. 2017 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning® es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenada o utilizada en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial.
Coordinador de Manufactura: Rafael Pérez González
Editor: Omegar Martínez
Diseño de portada: Ediciones OVA
Composición tipográfica: Ediciones OVA
Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 18 17 16 15
Datos para catalogación bibliográfica: Rios Donato, Nely, et al. Química experimental para ingenieros ISBN: 978-607-526-280-2
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Contenido Prefacio A los estudiantes A los profesores Acerca de los autores Beneficios de las técnicas en semi-microescala Objetivo Organización Bibliografía base Obligaciones del alumno y ejemplo de informe experimental
vii viii ix x xii xiii xiv xv xvi
BLOQUE 1 Introducción a la fase experimental
1 2 4 6 7 8 9 9 9 10 11
UNIDAD 1.
SEGURIDAD EN EL LABORATORIO 1.1 Normas para el manejo de reactivos y disoluciones 1.2 Pictogramas de peligrosidad 1.2.1. Peligros físicos 1.2.2. Peligros a la salud 1.2.3. Peligro al medio ambiente
1.3 Almacenamiento de reactivos 1.4 Tratamiento de residuos 1.4.1. Código de peligrosidad de los residuos 1.4.2. Confinación y manejo de residuos en el laboratorio
1.5 Clasificación de los reactivos de acuerdo al grado de pureza 1.6 Reglas para prevenir la contaminación accidental de los reactivos y de las disoluciones UNIDAD 2. CONOCIMIENTO, MANEJO DE MATERIAL Y EQUIPO DE LABORATORIO 2.1 Mediciones de masa 2.1.1. Técnica para el manejo de la balanza
2.2 Mediciones de volumen 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4.
Clasificación del material volumétrico Errores en las mediciones de volumen Recomendaciones Técnicas para la realización de mediciones de volumen con diferentes instrumentos
v
12 13
20 20 21 22 23 23 23 23
vi QUÍMICA EXPERIMENTAL PARA INGENIEROS 2.3 Operaciones básicas 2.3.1 Proceso de filtración 2.3.2 Centrifugación 2.3.3 Decantación
2.4 2.5 2.6 2.7
Instrumentos y equipos de calentamiento Limpieza y etiquetado del material de laboratorio Exactitud y precisión en los instrumentos Cifras significativas
BLOQUE 2 Fase experimental UNIDAD 3.
QUÍMICA ANALÍTICA 3.1 Química Analítica Cualitativa 3.1.1 Métodos selectos de análisis cualitativo
EXPERIMENTACIÓN 1 EXPERIMENTACIÓN 2 EXPERIMENTACIÓN 3 EXPERIMENTACIÓN 4
Coloración a la llama Identificación de cationes por vía húmeda Identificación de aniones Identificación de cationes por medio de cromatografía de papel 3.2 Química Analítica Cuantitativa 2.1.1 Disoluciones 2.1.2 Análisis gravimétrico 2.1.3 Análisis volumétrico
EXPERIMENTACIÓN 5
EXPERIMENTACIÓN 6 EXPERIMENTACIÓN 7 EXPERIMENTACIÓN 8 EXPERIMENTACIÓN 9 EXPERIMENTACIÓN 10 EXPERIMENTACIÓN 11 EXPERIMENTACIÓN 12
Determinación por ciento masa de ácido acetilsalicílico (aas)de una tableta efervescente Composición en masa de una mezcla Molaridad y molalidad de una disolución Preparación de disoluciones para valoraciones de neutralización Titulaciones de neutralización Determinación de ácido ascórbico Obtención de una curva de valoración por medio de espectrofotometría visible Titulación potenciométrica ácido fuerte-base fuerte
26 26 28 28 28 31 32 32 35 36 37 38 43 51 58 67 73 73 74 74
75 81 86 92 97 103 108 112
Prefacio El mundo y todo lo que en él se encuentra es producto de una serie de interacciones químicas a un nivel tan pequeño que pasa desapercibido para la gran mayoría de las personas. Sin embargo, los científicos tienen la habilidad de ir más allá de lo obvio y cuestionar la verdadera esencia del mundo y adentrarse en las maravillas naturales, tales como: ¿por qué los metales se corroen?, ¿por qué cuando los combustibles se consumen liberan energía?, ¿cómo es que el grafito de los lápices y el diamante son el mismo elemento?; y muchas otras preguntas más igual de interesantes y cuyas respuestas, han permitido construir el mundo moderno en el que vivimos. Esto ha hecho posible un mundo lleno de comodidades insospechadas para nuestros antepasados, que si pudiesen vernos hoy estarían maravillados sin lugar a dudas por nuestro progreso tecnológico. Ahora bien, para poder investigar y contestar estas y otras importantes preguntas son necesarias ciertas herramientas y técnicas químicas que se han desarrollado a lo largo de la historia de la humanidad. Desde los primeros morteros elaborados con burdas rocas, pasando por los métodos de destilación y purificación desarrollados por los árabes, siguiendo con la creación de la Química Moderna por Antoine Lavoisier. Esto, junto con la invención de nuevas técnicas e instrumentos de medición que revolucionaron la Química y sentaron las bases de la Química Moderna, con la que podemos desentrañar los secretos de las más diversas sustancias trabajando a microescala, funciona utilizando apenas algunos miligramos y después de unos cuantos minutos de trabajo.
vii
A los estudiantes Esta obra se considera que puede ser útil para los estudiantes de las carreras de ingeniería que decidan acercarse a la química mediante el aprendizaje experimental a nivel semi-microescala, para que puedan aplicar los conocimientos que configuran una de las ciencias básicas más dinámicas y con mayor intervención en el mundo moderno. Así pues, no dejes pasar la oportunidad de apreciar y utilizar los conocimientos que este texto te ofrece, recuerda, para entender el mundo que nos rodea necesitamos saber qué buscar y cómo encontrarlo; este libro es la oportunidad que tienes para hacerlo. En resumen, conocerás, aprenderás y practicarás algunas de las habilidades fundamentales para un buen desempeño en el laboratorio de Química, tales como el uso de instrumentos y equipos, titulaciones volumétricas y potenciométricas, análisis gravimétricos, entre otros. Además, serás introducido(a) en algunas de las principales normas de seguridad relacionadas con el uso, almacenamiento y eliminación de reactivos químicos. Todo ello te llevará a formarte como un(a) profesional capaz de resolver los retos y problemas propios de tu carrera y contribuirá a mejorar el mundo a través de tus conocimientos y acciones. Ahora tienes en tus manos los conocimientos y mejores deseos de los autores; de aquí en adelante, es tu responsabilidad desarrollar tus habilidades así que recuerda, en palabras de Carl Sagan, “La ciencia es una forma de pensar más que un cuerpo de conocimiento”.
viii
A los profesores Los autores deseamos enfatizar que este texto está concebido desde el punto de vista del aprendizaje experimental, que tiene como motivación una duda, o la contrastación entre la idealización o la abstracción propia de la ciencia y la complejidad de la realidad. De esta manera nos desligamos del concepto tradicional de “práctica”, que está relacionado con el desarrollo de habilidades a través de la repetición o con un aprendizaje memorístico, ya que el aprendizaje experimental requiere que el estudiante sea capaz de plantearse preguntas acerca de objetos tangibles. Así también, los estudiantes estarán desarrollando una capacidad crítica y analítica del conocimiento establecido ya que sabrán que cuentan con el laboratorio para recabar información que sea capaz de eliminar prejuicios científicos o afirmaciones parciales de la enseñanza por autoridad. Recordemos entonces que el motor del aprendizaje es la duda.
ix
Acerca de los autores La Doctora Nely Ríos Donato, terminó sus estudios de licenciatura en Química en 1986; su vida laboral comenzó en la industria de los polímeros iniciando también con ella sus primeros pasos en la investigación. A partir de 1989 formó parte de la planta académica de la Universidad de Guadalajara donde al inicio se desempeñó como Técnico Académico del laboratorio de Microbiología Industrial, en la antigua Facultad de Ciencias en Química, durante un periodo aproximado de 14 años. Cursó la maestría en Ciencias en Química en el año 1998, donde para la obtención del grado académico su proyecto de tesis fue enfocado hacia un estudio sobre la contaminación del Lago de Chapala, Jalisco, México; trabajo que le permitió la publicación de varios artículos y de un libro de información y utilidad en el área del medio ambiente. Posteriormente, inició su doctorado en el año 2003 en el programa de Posgrado Institucional en Química de la Universidad de Guanajuato donde realizó el trabajo de síntesis de polielectrolitos derivados de la quitosana para su aplicación en el área ambiental, que le permitió obtener el grado de Doctora en Química con mención de Laureado, investigación que le ha generado la publicación en revistas de arbitraje internacional y ser invitada a diferentes universidades tanto del país como internacionales. Posteriormente como fruto y reconocimiento a la labor desempeñada en su universidad, recibió el nombramiento de profesor e investigador de tiempo completo en el Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingeniería en la Universidad de Guadalajara. En su desempeño como investigadora tiene en su curriculum el desarrollo de proyectos de investigación en la remediación ambiental, con fondos tanto de la universidad como externos. Actualmente imparte varias asignaturas en las carreras de la Licenciatura en Química e Ingeniería Química de la Universidad de Guadalajara, las que dentro de su curricula mantienen la filosofía del cuidado al medio ambiente. Alicia Blanco Aquino, es Licenciada en Ingeniería Química y Maestra en Ciencias de la Contaminación Ambiental por la Universidad de Guadalajara. Es profesora de tiempo completo, adscrita al Departamento Química del Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías de la UdeG. En el campo laboral del sector privado ha desarrollado su actividad profesional en la industria química participando en la investigación de formulaciones para resina poliéster y suelas de poliuretano, posteriormente trabajó como jefe de en control de calidad y en una planta de tratamiento microbiológico para aguas residuales. Es asesora técnica en INAMBIO (Ingeniería ambiental y biorremediación desde 1999. Ha recibido reconocimientos en el Sistema Estatal de Investigadores por COECYTJAL (2009) y al Mérito Docente de la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Química, A.C. (ANFEQUI) (2012). Pertenece el cuerpo
x
UNIDAD 1
Seguridad en el laboratorio xi
académico Geoquímica ambiental y Educación Química; participó como colaboradora en 4 proyectos de investigación CoecytJal-UdeG. Ha publicado en coautoría 6 libros de Química General y Experimental; así mismo cuenta con 13 publicaciones en memorias de congresos nacionales e internacionales. En este, su proyecto más reciente, enfocó sus esfuerzos en el desarrollo de un libro orientado a la química experimental de semi-microescala dirigido a los estudiantes de ingeniería. Ramón S. Villanueva García obtuvo el título de licenciado en Biología en la Universidad de Guadalajara en el año de 1990, es pasante de la maestría en Ingeniería del agua y Energía, en sus primeros años de labor académica se desempeñó como docente en el nivel medio superior del área biológica durante varios años. En 1994 ingresa como Técnico Académico en el Laboratorio de Química del Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingeniería. Tiene entre su producción manuales para laboratorio de microbiología y biología. Se ha enfocado un especial interés en implementar en el Laboratorio de Química el uso de las técnicas a semi-microescala y al tratamiento de los residuos generados por los usuarios de éste laboratorio. José A. Rivera Mayorga durante sus estudios de bachillerato participó en la XXXIV Olimpiada Internacional de Química en Gyeongsang Corea del Sur y la XII Olimpiada Iberoamericana de Química en Aveiro Portugal en donde obtuvo la medalla de bronce. Posteriormente ingresa a la Universidad de Guadalajara en 2006 donde cursa la carrera de Lic. Químico Farmacobiólogo, periodo durante el cual se hace acreedor a diversos apoyos enfocados a la investigación, los cuales permitieron su estancia en el Centro de Investigaciones Químicas de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos, así como en el Departamento de Química de la Universidad de Guadalajara. Obtiene una mención honorífica e ingresa en el mismo año al programa de Maestría en Ciencias en Química de la Universidad Nacional Autónoma de México, donde se especializa en el área de Química de Productos Naturales egresando en 2015 y obteniendo nuevamente mención honorífica. Desde entonces se ha dedicado a la docencia de la química en los niveles medio y superior en la Ciudad de México y Guadalajara, donde actualmente reside.
Beneficios de las técnicas en semi-microescala Ecológicos ▶ Mejoramiento de la calidad del aire en los laboratorios, debido a que las cantidades de disolventes volátiles son mínimas. ▶ Preservación del medio ambiente al reducir la generación de desechos químicos y por consiguiente, disminución de los costos de tratamiento. Higiene y salud ▶ Disminución de los riesgos a la salud por exposición a compuestos tóxicos, irritantes, alergénicos, mutagénicos y cancerígenos. ▶ Reducción del riesgo de accidentes. Económicos ▶ Disminución de los costos de operación de los laboratorios debido al ahorro de sustancias químicas, agua, energía, material convencional (Los equipos para semi-microescala ofrecen mayor resistencia mecánica). ▶ Ahorro de tiempo considerable, por lo que el análisis es más rápido, debido a que las operaciones de purificación u obtención de productos disminuyen en tiempo.
xii
Objetivo Fortalecer la habilidad en el cuidado y manejo de sustancias químicas, material y equipo de laboratorio. Estimular el desarrollo de un pensamiento crítico, analítico y la capacidad de síntesis y evaluación de datos obtenidos para conseguir un objetivo.
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Organización La primera parte del curso es una introducción a la fase experimental, que aborda los conceptos básicos de seguridad e higiene y riesgo ambiental, conocimiento y manejo de material, así como equipo de laboratorio. La segunda parte involucra la fase experimental de la química analítica con: análisis cualitativo, análisis cuantitativo y preparación de disoluciones, necesaria para un buen desempeño de trabajo en un laboratorio de Química.
xiv
Bibliografía base Fundamentos de Química Analítica, Douglas A. Skoog, West, Holler y Crouch. Novena Edición, Cengage Learning, México, 2015. Química, Whitten K. Davis R., Peek M. y Stanley G.,y Colaboradores (Ríos N., Avalos T., Blanco A., Palacios G.), Octava Edición especial, Cengage Learning, México, 2011. Química, Whitten K. Davis R., Peek M. y Stanley G., 10a Edición, Cengage Learning, México, 2015.
xv
Obligaciones del alumno 1. Consultar en la bibliografía base los capítulos sugeridos para contestar el cuestionario de la experimentación, informarse en las hojas de seguridad (MSDS) acerca de los datos de seguridad para el manejo de las sustancias que va a utilizar, leer con anticipación el proceso experimental. 2. Elaborar un informe después de cada sesión experimental de manera individual, que será entregado en tiempo y forma con la fecha señalada por el titular del curso con el siguiente formato: Personalizar el archivo de cada informe insertando: a) Pie de página, con su nombre, código, nombre de la asignatura, sección, fecha de elaboración y número de página. b) Encabezado, con el número de la experimentación correspondiente. c) Nombre de la experimentación (mayúsculas, centrado, tipo de letra: Arial, tamaño de letra 14 y en negritas). Seguir en Arial tamaño 12 (interlineado 1.15, márgenes normales. d) Objetivo(s) Se encuentran establecidos en la experimentación y no deben ser modificados o sustituidos por otros. e) Fundamentos Deberán ser al menos de una cuartilla, citando la fuente de donde fueron tomados de acuerdo con el sistema Harvard-APA (libros, artículos, handbooks, etc. Sólo se permite tener un 10% de páginas de internet del total de referencias; no está permitido referenciar en base a manuales de laboratorio). f) Proceso experimental Deberá ser redactado en tiempo pasado sin personalizar. g) Resultados y discusión Deberá ser redactado en tiempo pasado sin personalizar (no confundir con datos experimentales). h) Conclusiones Es un resumen de los resultados del análisis y/o de las observaciones obtenidas de acuerdo con el objetivo planteado. i) Referencias bibliográficas (de acuerdo al sistema Harvard-APA). NOTA: Todo el documento debe ir justificado (alinear el texto tanto en izquierda y derecha).
xvi
Ejemplo de un informe experimental Coloración a la llama Objetivo Obtener los espectros de emisión de diferentes elementos identificándolos por medio de su color y relacionarlos con la longitud de onda correspondiente.
Fundamentos Los espectros de emisión son líneas brillantes o bandas, que se imprimen en una película fotográfica por acción de la radiación que pasó a través de un prisma de vidrio refractor después de ser emitida por átomos excitados eléctrica o térmicamente. Todos los tipos de radiación electromagnética, o energía radiante, pueden describirse en términos de ondas (Whitten et al., 2015. Brown et al., 2014). La radiación electromagnética es una forma de energía que se compone de campos eléctricos y magnéticos que varían de manera repetitiva. La radiación electromagnética más obvia para nosotros es la luz visible. Sus longitudes de onda (O) van de más o menos 4.0 × 10 7 m (violeta) a 7.5 × 10 7m (rojo) (Whitten et al., 2015). Isaac Newton (1642-1727) fue el primero en registrar la separación de la luz solar en sus componentes al permitir el paso de luz a través de un prisma de vidrio. Dado que la luz solar (luz blanca) posee todas las longitudes de onda de la luz visible, ésta da el espectro continuo que se observa en un arcoíris (Brown et al., 2014.) Los sólidos incandescentes (“al rojo vivo” o “al blanco vivo”), los líquidos y los gases a alta presión generan espectros continuos. Sin embargo, cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de un gas en un tubo al vacío a presiones muy altas, la luz que emite el gas puede dispersarse con un prisma en líneas distintas. Cada línea espectral corresponde a una longitud de onda específica de luz y, por consiguiente, a una cantidad específica de energía absorbida o emitida. Cada elemento exhibe su propia serie característica de líneas en sus espectros de emisión o absorción. Estos espectros sirven como “huellas dactilares” que nos permiten identificar elementos presentes en una mezcla, incluso traza de ellos (Whitten et al., 2015. Brown et al., 2014).
Proceso experimental 1. Se colocaron cada una de las sustancias en una placa de porcelana rotulando cada cavidad con el respectivo elemento a excitar. 2. El mechero fue regulado hasta que se obtuvo una flama azul. xvii
xviii QUÍMICA EXPERIMENTAL PARA INGENIEROS 3. Se humedeció el asa de nicromo en HCl concentrado y se tomó una pequeña porción de la sal a analizar “colocándola” en la zona de reducción. 4. Se observó el color de la flama generado por el elemento en específico. 5. Una vez registrado el color del espectro de emisión de cada elemento se obtuvo un espectro de la muestra problema para identificar de qué elemento se trataba.
Resultados y discusión Se obtuvieron los espectros de los siguientes elementos; Li, Na, K, Ca, Ba, Sr, Cu y B, registrándose los resultados en la siguiente tabla así como su relación con la longitud de onda correspondiente al color. elemento
Color generado
Longitud de onda (nm)
Li
Rojo carmín
620-750
Na
Amarillo oro
570-590
K
violeta
380-450
Ca
Amarillo naranja
570-590
Ba
Verde esmeralda
495-570
Sr
rojo
620-750
Cu
azul
450-495
B
verde
495-570
Con esta tabla y, de acuerdo con el espectro obtenido verde esmeralda para la muestra, se identificó que esta contiene Ba.
Conclusiones Se identificaron los colores emitidos por los espectros de diferentes elementos, con los cuales se elaboró una tabla. Mediante esta tabla se identificó, gracias al color emitido por la muestra, que ésta contiene Ba.
Referencias bibliográficas [1] Química, Whitten K. Davis R., Peek M. y Stanley G., 10°, Cengage Learning, México, 2015. [2] Química. La ciencia central, Brown, T., LeMay, H., Bursten, B., Murphy, C. 11ª edición. México: Pearson Educación de México, 2014.
BLOQUE 1
INTRODUCCIร N A LA FASE EXPERIMENTAL Unidad 1. Seguridad en el laboratorio
2
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
4 6 9 9
Normas para el manejo de reactivos y disoluciones Pictogramas de peligrosidad Almacenamiento de reactivos Tratamiento de residuos Clasificaciรณn de los reactivos de acuerdo al grado de pureza 1.6 Reglas para prevenir la contaminaciรณn accidental de los reactivos y de las disoluciones
12 13
Unidad 2. Conocimiento, manejo de material y equipo de laboratorio
25
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
27 30 36 39 42 45 45
Mediciones de masa Mediciones de volumen Operaciones bรกsicas Instrumentos y equipos de calentamiento Limpieza y etiquetado del material de laboratorio Exactitud y precisiรณn en los instrumentos Cifras significativas
1
1 UNIDAD
Seguridad en el laboratorio Todo laboratorio debe disponer de un equipo de seguridad dentro de las normas oficiales, conservarlo en orden, en sitios visibles, de fácil acceso. Las normas de seguridad son una serie de indicaciones y recomendaciones de carácter preventivo y por lo tanto, reducen la posibilidad de que ocurra un accidente. Exigen la realización de acciones conjuntas con la finalidad de preservar el laboratorio como un lugar agradable, limpio, seguro y funcional. En la norma internacional *ISO 3864 se indican los colores de seguridad, que son: rojo, amarillo, verde y azul. En la tabla 2 se puede observar el significado de los colores así como las indicaciones de seguridad. Los llamados colores contrastantes se utilizan para mejorar la percepción del color de seguridad, estos colores deben ser seleccionados de acuerdo con la tabla 3. En conjunto con estos colores, también se consideran figuras geométricas que reafirman el código de seguridad (tabla 4).
Tabla 2. Colores de seguridad, su significado, indicaciones y precisiones Color de seguridad
Significado
Indicaciones y precisiones
Paro.
Alto y dispositivos de desconexión para emergencias.
Prohibición.
Señalamientos para prohibir acciones específicas.
Material, equipo y sistemas para combate de incendios.
Ubicación y localización de los mismos e identificación de tuberías que conducen fluidos para el combate de incendios.
Advertencia de peligro.
Atención, precaución, verificación e identificación de tuberías que conducen fluidos peligrosos.
Delimitación de áreas.
Límites de áreas restringidas o de usos específicos.
Advertencia de peligro por radiaciones ionizantes.
Señalamiento para indicar la presencia de material radiactivo.
VERDE
Condición segura.
Identificación de tuberías que conducen fluidos de bajo riesgo. Señalamientos para indicar salidas de emergencia, rutas de evacuación, zonas de seguridad y primeros auxilios, lugares de reunión, regaderas de emergencia, lavaojos, entre otros.
AZUL
Obligación.
Señalamientos para realizar acciones específicas.
ROJO
AMARILLO
* NACIONES UNIDAS COMITÉ DE EXPERTOS EN TRANSPORTE DE MERCANCÍAS PELIGROSAS Y EN EL SISTEMA GLOBALMENTE ARMONIZADO DE CLASIFICACIÓN Y ETIQUETADO DE PRODUCTOS QUÍMICOS. Subcomité de Expertos en el Sistema Globalmente Armonizado de Clasificación y Etiquetado de Productos Químicos. Segunda sesión, 12-14 de diciembre de 2001, tema 4 del programa. Parte 1: Principios de diseño para la señalización de seguridad en los lugares de trabajo y áreas públicas.”
2
Tabla 3. Selección de colores contrastantes Color de seguridad
Color contrastante
Rojo
Blanco
Amarillo
Negro *Magenta
Verde
Blanco
Azul
Blanco
*El magenta debe ser el color contrastante del amarillo de seguridad, únicamente en el caso de la señal utilizada para indicar la presencia de radiaciones ionizantes.
Tabla 4. Formas geométricas para señales de seguridad e higiene y su significado Significado
PROHIBICIÓN
Forma geométrica
Descripción de forma geométrica
Utilización
Prohibición de una acción susceptible de Círculo con banda circular provocar un riesgo. y banda diametral oblicua a 45º, con la horizontal, dispuesta de la parte superior izquierda a la inferior derecha. Círculo
Descripción de una acción obligatoria.
Triángulo equilátero. La base deberá ser paralela a la horizontal.
Advierte de un peligro.
Cuadrado o rectángulo. La relación de lados será como máximo 1:2.
Proporciona información para casos de emergencia.
OBLIGACIÓN
PRECAUCIÓN
INFORMACIÓN
3
4 INTRODUCCIÓN A LA FASE EXPERIMENTAL
1.1
Normas para el manejo de reactivos y disoluciones
La seguridad en el laboratorio no se limita únicamente a la protección personal o de la infraestructura, sino también a un manejo adecuado de los reactivos químicos encaminado a preservarlos, evitar su contaminación así como su desperdicio. Se denomina reactivo o reaccionante a cualquier sustancia que se consume en un proceso químico. La calidad de los productos obtenidos en un proceso químico depende, en gran medida, de la pureza de los reactivos empleados y de su manejo. Para evitar situaciones peligrosas, en el manejo de estos reactivos se deben seguir las indicaciones de las hojas de seguridad MSDS (material safety data sheet) en las cuales se encuentran las características físicas y químicas de los diferentes reactivos y las recomendaciones de seguridad inherentes a la sustancia. Otra forma de precaución es el establecido por la *National Fire Protection Association (NFPA) en donde se recomienda la utilización de un rombo o diamante dividido en cuatro secciones de diferente color y una numeración del 0 al 4, que indican el grado de toxicidad o reactividad de cada sustancia (figura 1), el área azul corresponde a riesgos de salud, el área roja indica la inflamabilidad, el área amarilla la reactividad y el espacio blanco riesgos especiales.
Inflamabilidad
Salud
Reactividad
Casos Especiales
Figura 1. Rombo o diamante de la NFPA.
*Organización creada en Estados Unidos, encargada de crear Códigos Estándar de más de 300 sustancias químicas.
Equipo de protección
Sustancias que son capaces de reaccionar violentamente, detonar o explotar por descomposición a temperatura ambiente y presión atmosférica.
Sustancias que son capaces de reaccionar violentamente, detonar o explotar por descomposición a temperatura ambiente y a la presión atmosférica.
Equipo de protección especializado
Líquidos y sólidos que pueden incendiarse bajo casi todas las condiciones ambientales de temperatura. Sustancias que producen atmosferas peligrosas con el aire a temperaturas ambientales. Sustancias con punto de inflamación menor a 22.8 °C y punto de ebullición igual o mayor de 37.8 °C. Sustancias que arden con rapidez. Sustancias que se dispersan rápidamente en el aire y pueden formar mezclas explosivas.
Sustancias que a temperatura ambiente y presión atmosférica se vaporizan rápido y completamente, se queman fácilmente incluyendo gases, líquidos o gas licuado cuyo punto de inflamación es menor que 22.8 °C y cuyo punto de ebullición es menor a 37.8 °C. Sustancias que arden espontáneamente cuando se exponen al aire.
Equipo de respiración
Sustancias que producen cambios de temperatura y presión elevadas. Químicos violentos a temperatura y presión elevadas. Sustancias que pueden reaccionar violentamente o que pueden formar mezclas explosivas con el agua. Sustancias que presentan exotermia a temperaturas menores de 150 °C cuando son probadas por el método de Calorimetría de Barrido diferencial.
Protección con guantes y lentes de seguridad
Sustancias que por sí mismas son normalmente estables pero pueden volverse inestables a temperaturas y presiones elevadas. Sustancias que cambian o se descomponen al ser descompuestas al aire, luz o humedad. Sustancias que presentan exotermia a temperaturas entre 150 y 300 °C cuando son probadas por el método de Calorimetría de Barrido diferencial.
Sustancias que deben precalentarse antes de que puedan incendiarse, que requieren calentamiento considerable bajo condiciones ambientales de temperatura antes de que ocurra la ignición y combustión. Sustancias que arden en aire cuando se exponen a temperaturas de 815.5°C por un periodo de 5 minutos o menos. Incluye a la mayoría de las sustancias combustibles.
Oral; DL50 rata mayor que 500 hasta 5000 mg/ kg Piel; DL50 conejo mayor que 1000 hasta 5000 mg/kg. Inhalación; CL50 mayor que 20 mg/L hasta 200 mg/L o mayor que 2000 hasta 10000 ppm.
Oral; DL50 rata mayor que 50 hasta 500 mg/ kg Piel; DL50 conejo mayor que 200 hasta 1000 mg/kg Inhalación; CL50 mayor que 2 mg/L hasta 20 mg/L o mayor que 200 hasta 2000 ppm.
Oral; DL50 rata mayor que 20 hasta 50 mg/kg Piel; DL50 conejo mayor que 20 hasta 200 mg/kg Inhalación; CL50 mayor que 0.2 mg/L o hasta 2 mg/L o mayor que 20 hasta 200 ppm.
Oral DL50 rata hasta 1 mg/kg Piel; DL50 conejo hasta 20 mg/kg Inhalación; CL50 0.2 mg/L o hasta 20 ppm.
Sustancias que deben calentarse moderadamente o exponerse a temperaturas relativamente altas antes de que se presente la combustión. No forman bajo condiciones normales atmósferas peligrosas con el aire, pero bajo calentamiento moderado pueden desprender vapores en cantidad suficiente para producir atmósferas peligrosas con el aire. Incluye líquidos con un punto de inflamación superior a 37.8 °C y no mayor que 93.4 °C. Sólidos que rápidamente desprenden vapores inflamables. Sustancias sólidas en forma de polvo grueso que rápidamente arde pero que generalmente no forman atmósferas explosivas con el aire. Sustancias sólidas en forma de filamento que pueden arder rápidamente y generar riesgo de flamazo.
Toxicidad:
Toxicidad:
Toxicidad:
Toxicidad:
1. Riesgo Ligero Sustancias que por exposición a ellas pueden causar irritaciones y sólo daños residuales menores aún si se recibe atención médica. Incluye aquellas que requieren el uso de respirador con mascarilla de gas tipo cartucho. Sustancias que bajo condiciones de incendio pueden desprender productos de combustión irritantes. Sustancia que pueden causar irritación en la piel sin destruir el tejido.
2. Riesgo moderado Sustancias a las que después de una exposición severa o continua pueden ocasionar una incapacidad temporal o daño residual a menos que se reciba atención médica rápida. Sustancias que desprenden productos de combustión altamente irritantes y/o tóxicos. Sustancias que bajo condiciones de fuego desprenden vapores tóxicos que no son percibidos por el organismo.
3. Riesgo serio Sustancias que pueden causar daños severos temporales o daños residuales aún en caso de recibir rápida atención médica. Sustancias que desprenden gases y productos de combustión altamente tóxicos. Sustancias corrosivas a tejidos vivos o tóxicos por adsorción en la piel.
4. Riesgo Severo
Sustancias que a exposiciones cortas pueden causar daños mayores aún en caso de atención médica rápida, incluyendo aquellas que son peligrosas. Sustancias capaces de penetrar el caucho o que bajo condiciones normales o de incendio desprenden gases que son peligrosos (tóxicos y corrosivos) por inhalación, contacto o absorción por la piel.
DL50 Dosis letal media (dosis letal para el 50% de un grupo homogéneo de animales. CL50 Concentración letal por inhalación al 50% de un grupo homogéneo de animales.
Área Blanca
Área amarilla
Área roja
Área Azul
Grado
Tabla 5. Normas que establecen los grados para cada tipo de riesgo 0 Riesgo mínimo
Sustancia que por sí misma son normalmente estables aún bajo condiciones de fuego, incluye sustancias que no reaccionan con agua. Sustancias que exhiben exotermia a temperaturas de 300 °C cuando son probadas por el método de Calorimetría de Barrido diferencial.
Sustancias que no arden en el aire cuando se expone a 815.5°C por un período de 5 minutos
Oral; DL50 rata mayor que 5000 Piel; DL50 conejo mayor que 5000 mg/kg. Inhalación; CL50 mayor que 200 mg/L o mayor que 10000 ppm.
Toxicidad:
Sustancias a las que a exposiciones cortas bajo fuego no presentan riesgos mayores.
UNIDAD 1 Seguridad en el laboratorio 5
6 INTRODUCCIÓN A LA FASE EXPERIMENTAL
1.2
Pictogramas de peligrosidad
Un pictograma de peligro es una gráfica que contiene un símbolo, un motivo o un color de fondo, así como un contorno con figura geométrica. Se utiliza para transmitir información específica sobre el peligro en cuestión. Estos peligros se clasifican en: peligros físicos, peligros para la salud humana y peligros para el medio ambiente. Una sustancia o mezcla clasificada como peligrosa y contenida en un envase debe llevar obligatoriamente y de forma fija una etiqueta en la que figuren una serie de elementos marcados de forma clara e indeleble, también debe incluir pictogramas de peligro correspondiente, indicaciones de peligro y los oportunos consejos de seguridad. No pueden contener menciones como «no tóxico», «no nocivo», «no contaminante», «ecológico», ni otras indicaciones que señalen que la sustancia o mezcla no es peligrosa. Su color y presentación deben ser tales que los pictogramas de peligro estén claramente resaltados de acuerdo al * Globally Harmonized System, GHS, de clasificación y etiquetado de las Naciones Unidas. Esta norma establece nuevos pictogramas de peligro (figura 2): tienen forma de cuadrado apoyado en un vértice, es decir, forma romboidal cuando se lee la etiqueta horizontalmente. Consisten en un símbolo negro sobre fondo blanco con un marco rojo.
Pictogramas de peligro
GHS01 Sustancias explosivas (EX)
GHS02 Sustancias inflamables (EX)
GHS06 Toxicidad aguda categoría 1, 2, 3 (TO)
GHS03 Sustancias comburentes (CB)
GHS07 Toxicidad aguda categoría 4 (peligro al inhalar) (DA)
GHS04 Sustancias bajo presión (GZ)
GHS08 Cancerígeno, mutágeno (MU)
GHS05 Sustancias corrosivas (CR)
GHS09 Dañino para el medio ambiente acuático (EN)
Figura 2. Pictogramas establecidos por la Globally Harmonized System.
* SISTEMA GLOBALMENTE ARMONIZADO DE CLASIFICACIÓN Y ETIQUETADO DE PRODUCTOS QUÍMICOS (SGA). Quinta edición revisada por las Naciones Unidas, Nueva York y Ginebra, 2013.
UNIDAD 1
Seguridad en el laboratorio 7
Pictogramas actuales
C-corrosivo
T-Tóxico
Xa-Nocivo Xi-Nocivo
Peligros para la salud
E-Explosivo F-Facilmente O-Comburente inflamable
Peligros físicos y quimicos
N-Peligro para el medio ambiente
Peligro para el medio ambiente
Pictogramas nuevos Figura 3. Comparación de los pictogramas sustituidos con los pictogramas nuevos.
Con esta nueva y única simbología se mejora la identificación y el conocimiento de la peligrosidad de la sustancia o mezcla del producto, independientemente del país de su producción o fabricación, para que se puedan conocer sus efectos antes de manejar, usar o almacenar dicho producto. Cada pictograma puede indicar distintos tipos de peligro. Los siete pictogramas que van a ser sustituidos, presentes hoy son de color negro y están impresos en cuadrados de color naranja (figura 3). Se pueden apreciar los cambios en las composiciones gráficas de los pictogramas de peligro de los productos químicos:
1.2.1. Peligros físicos Sustancias Inflamables Están simbolizados por medio de una llama. La llama indica que el producto puede inflamarse en contacto con fuentes de calor (llama, chispas, superficies calientes, etc.) o por efecto del calor o por fricción.
Sustancias Comburentes Se simbolizan por medio de la llama sobre un círculo, indicando que el producto puede provocar un incendio o una explosión en presencia de materiales combustibles, que son aquellos que favorecen la acción de arder o quemar. Es aconsejable que este tipo de productos se mantengan alejados de otros productos químicos, sobre todo de los inflamables.
8 INTRODUCCIÓN A LA FASE EXPERIMENTAL Sustancias explosivas La bomba explotando indica peligro de explosión en caso de calentamiento. El producto puede explotar en contacto con una llama, chispa, electricidad estática, calor, choques, fricción, etc.
Gases a presión La botella de gas corresponde a gases a presión en un recipiente. Algunos gases a presión pueden explotar en caso de calentamiento. Se trata de gases comprimidos, licuados o disueltos. Los gases licuados refrigerados pueden producir quemaduras o heridas relacionadas con el frío (quemaduras criogénicas).
1.2.2. Peligros a la salud Sustancias tóxicas La calavera sobre dos huesos cruzados indica que el producto puede producir efectos adversos para la salud, incluso en pequeñas dosis, puede provocar náuseas, vómitos, dolores de cabeza, pérdida del conocimiento e incluso la muerte. Ante la inhalación, ingestión o adsorción cutánea en pequeñas cantidades pueden provocar daños para la salud de magnitud considerable, eventualmente con consecuencias mortales. Sustancias cancerígenas Se consideran todas aquellas que pueden provocar cáncer y además, las siguientes: Productos mutagénos, que pueden modificar el ADN de las células y provocar daños a la persona expuesta o a su descendencia. Productos tóxicos para la reproducción, que puedan reproducir efectos nefastos en las funciones sexuales, perjudicar la fertilidad o provocar la muerte del feto o producir malformaciones. Productos que pueden modificar el funcionamiento del sistema nervioso o de ciertos órganos como el hígado, los pulmones, etc. Productos que pueden provocar síntomas de alergia, asma o dificultades respiratorias en caso de inhalación. Sustancias irritantes Las sustancias designadas con el signo de exclamación indican que pueden producir efectos adversos en dosis altas, pero también pueden producir irritación en ojos, garganta, nariz y piel o provocar alergias cutáneas, somnolencia y/o vértigo.
BLOQUE 2
FASE EXPERIMENTAL
UNIDAD 3 Química analítica
36
3.1 Química Analítica Cualitativa 3.2 Química Analítica Cuantitativa
37 73
35
3 UNIDAD
Química analítica la Química Analítica se ocupa de separar, identificar y determinar la composición relativa de cualquier muestra de materia. Por otro lado, se considera el “Análisis Químico” como la parte práctica de la “Química Analítica”, que aplica los métodos desarrollados por la misma para la resolución de problemas. El Análisis Químico de una muestra de materia puede abordarse desde dos puntos de vista: análisis cualitativo y análisis cuantitativo. El análisis cualitativo establece la identidad química de las especies en la muestra. El análisis cuantitativo determina en forma numérica la cantidad relativa de las especies que componen la muestra. La Química Analítica ha jugado un papel fundamental en el desarrollo de la ciencia. Asimismo, la naturaleza interdisciplinaria del análisis químico la convierte en una herramienta vital en laboratorios médicos, industriales, académicos y gubernamentales. Muestreo Muestreo significa obtener una pequeña cantidad de material cuya composición representa la totalidad del material que ha sido muestreado. La operación de muestreo en algunas ocasiones requiere de técnicas especiales dependiendo del estado de agregación en que se encuentre la muestra (sólido, líquido o gas), siendo también de particular interés el lugar de la toma y/o el recipiente en donde se transporte. En este curso se utilizarán métodos sencillos, por ejemplo, cuando se trate de muestras sólidas se recomienda pulverizar para asegurar la homogenidad, tener más exactitud de su masa y disolverlas con mayor rapidez. Cualquiera que sea el método no olvidar que una muestra analítica debe representar la composición cuantitativa del total del material de donde proviene. En la toma de muestra existen normas de muestreo publicadas en diversos organismos nacionales e internacionales. Las sustancias inorgánicas que más frecuente se presentan para su análisis son sólidas, estado que predomina en los productos naturales y en los que suministra la industria. Antes de proceder al análisis de cierta muestra, se efectúa su investigación física, es necesario prestar atención a: color, olor, dureza, densidad y en general, todas las características físicas que sean de interés en cada caso. En mezclas puede ser útil aislar por medios físicos algunos de los componentes (imantación, decantación, centrifugación etc.) y proceder su análisis por separado. Por ejemplo, en caso de observar en una muestra cristales azules se puede suponer la presencia de cobre, los cristales rosados, la presencia de sales de cobalto o manganeso. 36
Desde luego, no se puede concluir sobre la base de estas observaciones, sin embargo pueden ser de utilidad al confrontarlas con los análisis posteriores. La metodología analítica a aplicar para la resolución de un problema en general y de un sólido en particular comprende las etapas y sigue el orden esquematizado:
Preparación de muestra
Ensayos previos
Análisis
Disolución
Evaluación de resultados
La preparación de la muestra comprende una serie de operaciones como: toma de muestra, reducción del tamaño de muestra, reducción del tamaño de partícula y operaciones complementarias. La reducción del tamaño de partícula como: la trituración (morteros), la pulverización (molinos) (cuando es significativo el tamaño de partícula se lleva a cabo un tamizado con diferente tamaño de malla) permite una mejor disolución de la muestra.
3.1
Química Analítica Cualitativa
El análisis cualitativo identifica las sustancias presentes en una muestra que se desea analizar, tiene por objeto la identificación y combinación aproximada de los constituyentes de una muestra dada. En la mayoría de los casos, cuando la 37
38 FASE EXPERIMENTAL muestra se compone de varias sustancias, es necesario realizar la separación de los componentes mediante la aplicación de métodos de separación y purificación para posteriormente analizar cada uno de ellos. En la actualidad, la mayoría de los análisis cualitativos aplican métodos tales como la espectroscopía infrarroja (FTIR), la resonancia magnética nuclear (RMN) y la espectrometría de masas. Los métodos de Análisis Químico Cualitativo que se pueden operar sin equipos especiales comprenden dos métodos generales de trabajo: ▶ Vía seca: se realiza con muestras sólidas y con ayuda de un foco calorífico (llama del mechero), con ensayos sencillos, rápidos y seguros, que pueden ser decisivos para la identificación de componentes, entre ellos se encuentran: a) Coloración a la flama para metales alcalinos b) Fusiones coloreadas (perlas) con bórax o con sal de fósforo para muchos iones metálicos, la fusión de carbonato de sodio y nitrato de potasio para el reconocimiento de manganeso o de cromo mediante el color verde de MnO4− y amarillo de CrO42−. ▶ Vía húmeda: opera con la sustancia problema, disuelta generalmente en agua o en ácidos y emplea igualmente reactivos en disolución. Constituye la base del análisis cualitativo clásico actual la cual incluye fenómenos como: a) Precipitación: La aparición de una fase sólida en el seno de un líquido, bien por adición de un reactivo que forme un producto insoluble con alguno de los iones de la disolución, por cambio de disolvente o sus propiedades, o bien por eliminación hasta sobrepasar la saturación recibe el nombre de precipitación. La formación de compuestos insolubles (precipitados) coloreados o no coloreados, en forma de polvo fino, granular o gelatinoso, al mezclar disoluciones de las sustancias por medio de reacciones químicas, se llevan a cabo en un tubo de ensayo, en placa de porcelana o sobre papel filtro, según la técnica utilizada. En este tipo de reacciones influye el pH, la formación de complejos, procesos redox, la adición de disolventes orgánicos, y permite una amplia posibilidad de análisis de cationes y aniones. b) Coloración y decoloración: Fundada en la aparición o desaparición de un color, se llevan a cabo en un tubo de ensayo, en placa de porcelana o sobre papel filtro, y menos frecuentemente sobre fibras textiles. Se utilizan por ejemplo, proceso redox: reconocimiento de ion Mn2+, oxidándolo a ion MnO4− de color violeta. c) Desprendimiento de gases. d) Emisión de energía.
3.1.1 Métodos selectos de análisis cualitativo Coloración a la llama La prueba a la llama se usa para identificar en forma visual la presencia de un metal o una sal iónica en una muestra desconocida, basada en el color característico que la sal desarrolla en la flama de un mechero Bunsen (tabla 8). Para llevar a cabo la prueba se requiere de un pequeño arillo “limpio” de alambre de platino o de níquel-cromo (nicromo). El arillo puede limpiarse sumergiéndolo en ácido clorhídrico o nítrico y posteriormente lavándolo con agua destilada o mejor aún desionizada. Se prueba que el arillo está limpio al introducirlo a la flama del me-
UNIDAD 3 Química analítica
chero Bunsen, si se desarrolla color en la flama el arillo no está limpio y deberá limpiarse con el procedimiento antes descrito. Para comprender las operaciones implicadas en los ensayos de coloración de la llama, es necesario conocer la llama no luminosa de Bunsen (figura 18). Se compone de tres partes principales: (I)
Zona de reducción (cono interno azul) constituido en su mayor parte de gas no quemado. (II) Zona superior de reducción (punta luminosa) que es solamente visible cuando las aberturas para el aire están casi cerradas. (III) Zona superior de oxidación (capa externa) en la que se produce la combustión completa del gas. Tabla 8. Posición y coloración de acuerdo a la longitud de onda correspondiente. Región de espectro
Longitud de onda (nm)
Ultravioleta
350
visible
Violeta
420
Azul
470
Verde
530
Amarillo
580
Anaranjado
620
Rojo
700
Infrarrojo
1000
Método a la gota El creador del análisis por el método a la gota fue N. A. Tananáev quien a partir de 1920 llevó a cabo una gran cantidad de reacciones por dicho método, formuló por primera vez el principio del análisis fraccionado mediante el método a la gota y publicó el primer compendio en el que sintetizara sus trabajos en un sistema original.
Zona superior de oxidación
Zona superior de reducción Zona inferior de reducción
Figura 18. Llama del gas que proporciona el mechero de Bunsen con la entrada del gas abierta.
39
40 FASE EXPERIMENTAL En el análisis a la gota, las reacciones son efectuadas entre unas gotas de disoluciones reaccionantes, por lo común, las reacciones se efectúan en papel filtro; en éste se forma una mancha coloreada que permite identificar la presencia del ion identificado. Si el ion a identificar no da reacciones coloreadas, las reacciones suelen desarrollarse en una placa de porcelana. Cromatografía La cromatografía es una técnica que permite la separación de los componentes de una mezcla debido a la influencia de dos efectos contrapuestos. a) Retención. Efecto producido sobre los componentes de la mezcla por una fase estacionaria, que puede ser un sólido o un líquido anclado a un soporte sólido. b) Desplazamiento. Efecto ejercido sobre los componentes de la mezcla por una fase móvil, que puede ser un líquido o un gas. El fenómeno de migración de los componentes de una mezcla a lo largo de la fase estacionaria, impulsados por la fase móvil, recibe el nombre de elución. La mezcla a separar se deposita sobre la fase estacionaría, mientras que la móvil atraviesa el sistema desplazando a los componentes de la mezcla a distinta velocidad, dependiendo de la magnitud de sus interacciones relativas con ambas fases. Las dos fases se eligen de forma que los componentes de la muestra se distribuyan de modo distinto entre la fase móvil y la fase estacionaria. Aquellos componentes que son fuertemente retenidos por la fase estacionaria se mueven lentamente con el flujo de la fase móvil; por el contrario los componentes que se unen débilmente a la fase estacionaria, se mueven con rapidez. Como consecuencia de la distinta movilidad, los componentes de la muestra se separan en bandas o zonas discretas que pueden analizarse cualitativa y/o cuantitativamente. Dependiendo de la naturaleza de la fase estacionaria y de la fase móvil se pueden distinguir varios tipos de cromatografía: a) Cromatografía sólido-líquido. La fase estacionaria es un sólido y la móvil un líquido. b) Cromatografía líquido-líquido. La fase estacionaria es un líquido anclado a un soporte sólido. c) Cromatografía líquido-gas. La fase estacionaria es un líquido no volátil impregnado en un sólido y la fase móvil es un gas. d) Cromatografía sólido-gas. La fase estacionaria es un sólido y la móvil un gas. Según el tipo de interacción que se establece entre los componentes de la mezcla y la fase móvil y estacionaria podemos distinguir entre: a) Cromatografía de adsorción. La fase estacionaria es un sólido polar capaz de adsorber a los componentes de la mezcla mediante interacciones de tipo polar. b) Cromatografía de partición. La separación se basa en las diferencias de solubilidad de los componentes de la mezcla en las fases estacionaria y móvil, que son ambas líquidas. c) Cromatografía de intercambio iónico. La fase estacionaria es un sólido que lleva anclados grupos funcionales ionizables cuya carga se puede intercambiar por aquellos iones presentes en la fase móvil.
UNIDAD 3
Cromatografía plana Este tipo de cromatografía generalmente se utiliza para análisis cualitativo. La fase estacionaria se sitúa sobre una placa plana o sobre un papel. Las principales técnicas son: ▶ Cromatografía en papel ▶ Cromatografía en capa fina Cromatografía en papel Es la más sencilla de las técnicas, pero sólo nos dará resultados cualitativos. Está en desuso. El método se basa en un mecanismo de reparto, y consiste en depositar una pequeña cantidad de muestra en el extremo de una tira de papel de filtro, que se deja evaporar (figura 19). Luego se introduce la tira en un recipiente (tubo de ensayo, vaso de precipitado) que contenga el disolvente, de manera que éste fluya por la tira por capilaridad. Cuando el disolvente deja de ascender o ha llegado al extremo, se retira el papel y seca. Si el disolvente elegido fue adecuado y las sustancias tienen color propio, se verán las manchas de distinto color separadas. Cuando los componentes no tienen color propio, el papel se somete a procesos de revelado. Hay varios factores de los que depende una cromatografía eficaz: la elección del disolvente y la del papel de filtro. Identificación de aniones por vía húmeda Este tipo de ensayo se basa en las reacciones químicas que se producen entre una disolución en la que se debe identificar o reconocer la presencia de una sustancia o componente(s) para formar otros compuestos con características y propiedades conocidas. Las reacciones analíticas por vía húmeda pueden clasificarse como se indica a continuación: ▶ Reacciones ácido-base. Que implican una transferencia de protones. ▶ Reacciones de formación y estabilidad de complejos. En las que se produce una transferencia de iones o moléculas. ▶ Reacciones de precipitación, producto de solubilidad, factores que afectan la solubilidad. En las que además de haber un intercambio de iones o moléculas tiene lugar la aparición de una fase sólida. ▶ Reacciones de óxido-reducción. Que entrañan un intercambio de electrones.
Mancha de tinta
Figura 19. Esquema de una cromatografía de papel.
Química analítica 41
42 FASE EXPERIMENTAL Clasificación de aniones ▶ Existen pocos aniones fundamentales, la mayoría están como oxoaniones (NO3−, SO42−). ▶ No existen reactivos específicos para agruparlos en grupos. ▶ Los aniones son inestables al cambio de acidez. Bunsen y Fresenius hicieron una clasificación de aniones atendiendo a las solubilidades de sales de plata y de bario: a) Aniones que precipitan con bario y con una mezcla de bario y calcio en medio neutro y débilmente alcalino. b) Precipitado con bario soluble en ácido acético: AsO43−, AsO2−, BO2− CO32− c) Precipitado de bario insoluble en ácido acético: CrO42−, F−, IO3−, (SnO3)2− d) Aniones que precipitan con plata en medio de ácido nítrico diluido y frio, e) Aniones insolubles en acetato de amonio: CN−, SCN−, CI−, I−. f) Aniones que no precipitan ni con bario ni con plata: CH3COO−, NO3−, NO2−, CIO3−, CIO4−.
EXPERIMENTACIÓN 1 Coloración a la llama Fecha
Calificación Objetivo Obtener los espectros de emisión de diferentes elementos identificándolos por medio de su color y relacionarlos con la longitud de onda correspondiente. Fundamentos Un átomo es capaz de absorber diferentes tipos de energía, térmica y luminosa especialmente, que le conducen a una serie de estados excitados. Estos estados poseen unas energías determinadas y características de cada sustancia. Existe una tendencia a recuperar con rapidez el estado fundamental. La consecución de volver al equilibrio se puede realizar a través de choques moleculares (pérdida de energía en forma de calor) o a través de la emisión de radiación. Puesto que los estados excitados posibles son peculiares de cada especie, también lo serán las radiaciones emitidas en su desactivación. El espectro de emisión de cada elemento es único y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuesto desconocido. El análisis a la flama es uno de los primeros ensayos que se hacen sobre una sustancia. Los únicos elementos que no dan color a la llama son el berilio y el magnesio. Ya en 1659, Johann Glauber observó que el color de la llama indica qué metales están presentes. En esta experimentación se obtendrán los espectros de emisión quemando una pequeña porción del elemento correspondiente en una llama de alta energía. Posteriormente, de acuerdo con los espectros de emisión obtenidos, se identificará una muestra problema. Investigación previa Leer el capítulo 4 del libro de Química de Whitten y el capítulo 24 del libro Fundamentos de Química Analítica de Skoog y contestar el cuestionario. 1. ¿Qué es un espectro de emisión?
44 FASE EXPERIMENTAL 2. Describir que es el efecto fotoeléctrico.
3. ¿Para qué se utiliza el mechero bunsen?
4. ¿Qué es espectroscopía?
UNIDAD 3 Química analítica
45
Consultar las hojas de seguridad MSDS de las siguientes sustancias y completar la tabla de acuerdo con lo que se requiere. Sustancia
Fórmula química
Masa molar
Color
Punto de fusión
Punto de ebullición
Diamante NFPA
Manejo de los desechos
Cloruro de cobre (II)
Cloruro de potasio
Cloruro de calcio
46 FASE EXPERIMENTAL
Sustancia
Fórmula química
Masa molar
Color
Punto de fusión
Punto de ebullición
Diamante NFPA
Manejo de los desechos
Cloruro de litio
Cloruro de sodio
Cloruro de estroncio
La finalidad de esta obra es que los estudiantes de carreras de ingeniería que decidan acercarse a la química puedan hacerlo mediante el aprendizaje experimental a nivel semi-microescala. El objetivo de sus páginas es que puedan aplicar, de manera práctica, los conocimientos que configuran una de las ciencias básicas más dinámicas y con mayor intervención en el mundo moderno. Con explicaciones claras y concisas, los alumnos conocerán, aprenderán y practicarán algunas de las habilidades fundamentales para un buen desempeño en el laboratorio de química, tales como el uso de instrumentos y equipos, titulaciones volumétricas y potenciométricas, análisis gravimétricos, entre otros. Además, conocerán de primera mano algunas de las principales normas de seguridad relacionadas con el uso, almacenamiento y eliminación de reactivos químicos, todo ello con la finalidad de formar profesionales capaces de resolver los retos y problemas propios de su actividad profesional y, eventualmente, de contribuir a mejorar el mundo a través de sus conocimientos y acciones.
ISBN-13: 978-607-526-280-2 ISBN-10: 607-526-280-6
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