Análisis químicos - Editorial Síntesis · 13. anÁlisis cualitativo orgÁnico. anÁlisis...
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A nálisis químicos
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Análisisquímicos
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Análisisquímicos
Francesc Pujol Urban
Joan Sánchez Rodríguez
© Francesc Pujol UrbanJoan Sánchez Rodríguez
© EDITORIAL SÍNTESIS, S. A.Vallehermoso, 34. 28015 Madrid
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de Editorial Síntesis, S. A.
PRÓLOGO .......................................................................................................................................... 15
PARTE I
INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS ANALÍTICOS.
REACTIVOS Y REACCIONES
1. REACTIVOS QUÍMICOS ............................................................................................................ 19
Objetivos ................................................................................................................................... 19Mapa conceptual ..................................................................................................................... 20Glosario ...................................................................................................................................... 201.1. Definiciones .................................................................................................................... 21
1.1.1. Sustancias puras ...................................................................................................... 211.1.2. Reactivo químico .................................................................................................... 221.1.3. Producto químico ................................................................................................... 23
1.2. Especificaciones de calidad ...................................................................................... 231.2.1. Variabilidad de calidades y usos ........................................................................... 231.2.2. Aseguramiento básico de la calidad ...................................................................... 241.2.3. Etiquetaje ................................................................................................................. 281.2.4. Cumplimiento de regulaciones ................................................................................ 291.2.5. Acceso a la información .......................................................................................... 30
1.3. Calidades y usos ............................................................................................................ 311.3.1. Especies químicas primarias .................................................................................... 321.3.2. Productos para análisis ............................................................................................. 331.3.3. Productos purísimos ................................................................................................ 331.3.4. Productos de calidad técnica .................................................................................. 341.3.5. Productos auxiliares ................................................................................................. 341.3.6. Otras calidades ........................................................................................................ 34
ÍNDICE
SÍndice
1.4. El agua como reactivo analítico ............................................................................... 351.4.1. Normas de calidad del agua ................................................................................... 351.4.2. Impurezas ................................................................................................................. 371.4.3. Técnicas de purificación .......................................................................................... 38
Resumen .................................................................................................................................... 40Ejercicios propuestos ........................................................................................................... 40Actividades de autoevaluación ......................................................................................... 41
2. DISOLUCIONES ......................................................................................................................... 43
Objetivos ................................................................................................................................... 43Mapa conceptual ..................................................................................................................... 44Glosario ...................................................................................................................................... 442.1. Definiciones previas ........................................................................................................ 45
2.1.1. Sistemas químicos: homogéneos y heterogéneos .................................................. 452.1.2. Sistemas homogéneos: sustancias puras y disoluciones ......................................... 462.1.3. Disoluciones binarias ............................................................................................... 472.1.4. Concentración .......................................................................................................... 482.1.5. Solubilidad ............................................................................................................... 49
2.2. Clasificación de las disoluciones .............................................................................. 502.2.1. Según el estado físico ............................................................................................. 502.2.2. Según las dimensiones del soluto .......................................................................... 51
2.3. Formas de expresar la concentración .................................................................... 532.3.1. De forma cualitativa ................................................................................................. 532.3.2. De forma cuantitativa .............................................................................................. 54
2.4. Métodos de preparación de disoluciones ................................................................ 652.4.1. Descripción y utilización del material .................................................................... 652.4.2. Técnicas experimentales ......................................................................................... 662.4.3. Casos especiales ..................................................................................................... 68
Resumen .................................................................................................................................... 71Práctica n.º 1 ........................................................................................................................... 72Práctica n.º 2 ............................................................................................................................ 72Ejercicios propuestos ........................................................................................................... 73Actividades de autoevaluación ......................................................................................... 75
3. REACCIONES QUÍMICAS ............................................................................................................ 77
Objetivos ................................................................................................................................... 77Mapa conceptual ..................................................................................................................... 78Glosario ...................................................................................................................................... 783.1. Cambio químico ............................................................................................................ 793.2. Ecuación química ......................................................................................................... 80
3.2.1. Ley de Lavoisier ....................................................................................................... 803.2.2. Convenciones de representación .......................................................................... 80
3.3. Ajuste de ecuaciones químicas ................................................................................ 813.3.1. Objetivo .................................................................................................................. 813.3.2. Reglas ...................................................................................................................... 83
ANÁLISIS QUÍMICOS
ÍNDICE
6
3.4. Tipos de reacciones ..................................................................................................... 853.4.1. Según el tipo de transformación ............................................................................ 853.4.2. Según la variación del estado de oxidación .......................................................... 873.4.3. Según la velocidad a la que se desarrolla .............................................................. 883.4.4. Según la energía implicada en el proceso ............................................................. 883.4.5. Según el sentido de la reacción ............................................................................. 89
3.5. Velocidad de reacción ................................................................................................ 893.6. Equilibrio químico ........................................................................................................ 92Resumen .................................................................................................................................... 94Ejercicios propuestos ........................................................................................................... 95Actividades de autoevaluación ......................................................................................... 97
4. ESTEQUIOMETRÍA ...................................................................................................................... 99
Objetivos .................................................................................................................................. 99Mapa conceptual ................................................................................................................... 100Glosario ..................................................................................................................................... 1004.1. Definiciones .................................................................................................................... 1014.2. Resolución de problemas estequiométricos ........................................................ 102
4.2.1. Ley de los gases ideales .......................................................................................... 1044.2.2. Reactivo limitante .................................................................................................... 1064.2.3. Rendimiento ............................................................................................................ 1094.2.4. Calor de reacción .................................................................................................... 110
Resumen .................................................................................................................................... 112Práctica n.º 3 ........................................................................................................................... 112Ejercicios propuestos ........................................................................................................... 114Actividades de autoevaluación ......................................................................................... 115
5. ANÁLISIS CUALITATIVO INORGÁNICO ............................................................................... 117
Objetivos .................................................................................................................................. 117Mapa conceptual ................................................................................................................... 118Glosario ..................................................................................................................................... 1185.1. Definiciones .................................................................................................................... 1195.2. Ensayo analítico ............................................................................................................ 121
5.2.1. Ensayos por vía húmeda ............................................................................... 1215.2.2. Ensayos por vía seca ...................................................................................... 122
5.3. Ensayo analítico. Características ............................................................................... 1255.4. Ensayo analítico. Aplicación ..................................................................................... 129
5.4.1. Tratamiento de la muestra ............................................................................ 1295.4.2. Enmascaramiento ............................................................................................. 1305.4.3. Elección del reactivo ..................................................................................... 1315.4.4. Análisis de los resultados .............................................................................. 1325.4.4. Esquemas de separación e identificación ................................................ 133
Resumen ................................................................................................................................... 135Práctica n.º 4 ........................................................................................................................... 135
ANÁLISIS QUÍMICOS
ÍNDICE
7
Ejercicios propuestos ........................................................................................................... 137Actividades de autoevaluación ......................................................................................... 138
PARTE II
ANÁLISIS CLÁSICO. VOLUMETRÍAS Y GRAVIMETRÍAS
6. INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS CLÁSICO ............................................................................ 141
Objetivos .................................................................................................................................. 141Mapa conceptual ................................................................................................................... 142Glosario ..................................................................................................................................... 1426.1. Objetivo del análisis químico .................................................................................... 1436.2. Características de un método analítico ................................................................. 1446.3. Clasificación de los métodos analíticos ................................................................. 1456.4. Comparación entre los métodos analíticos clásicos e intrumentales ........... 1486.5. Aplicaciones de los métodos analíticos clásicos ................................................ 152Resumen .................................................................................................................................... 154Caso práctico 1 ....................................................................................................................... 155Actividades de autoevaluación ......................................................................................... 156
7. ANÁLISIS VOLUMÉTRICO ........................................................................................................ 159
Objetivos .................................................................................................................................. 159Mapa conceptual ................................................................................................................... 160Glosario ..................................................................................................................................... 1607.1. Definiciones .................................................................................................................... 161
7.1.1. Análisis volumétrico .............................................................................................. 1617.1.2. Valoración ............................................................................................................. 1637.1.3. Patrón primario ...................................................................................................... 1637.1.4. Disolución patrón .................................................................................................. 1647.1.5. Normalización ....................................................................................................... 1647.1.6. Factor de una disolución ...................................................................................... 1647.1.7. Título de una disolución ........................................................................................ 1657.1.8. Punto de equivalencia .......................................................................................... 1667.1.9. Punto final .............................................................................................................. 166
7.1.10. Indicador ............................................................................................................... 1667.1.11. Error de valoración ................................................................................................ 168
7.2. Clasificación de las volumetrías ................................................................................ 1687.2.1. Según las técnicas utilizadas ................................................................................... 1687.2.2. Según la reacción que tiene lugar ........................................................................... 169
7.3. Etapas del procedimiento experimental ............................................................... 169Resumen .................................................................................................................................... 171Ejercicios propuestos ........................................................................................................... 171Actividades de autoevaluación ......................................................................................... 172
ANÁLISIS QUÍMICOS
ÍNDICE
8
8. VOLUMETRÍAS DE NEUTRALIZACIÓN ................................................................................. 173
Objetivos .................................................................................................................................. 173Mapa conceptual ................................................................................................................... 174Glosario ..................................................................................................................................... 1748.1. Conceptos de ácido y base ...................................................................................... 1758.2. Ionización del agua ..................................................................................................... 1778.3. Concepto de pH ........................................................................................................... 1798.4. Fuerza relativa de ácidos y bases ............................................................................ 1828.5. Cálculo del pH en disoluciones de ácidos y bases ............................................ 185
8.5.1. Ácidos y bases fuertes ............................................................................................ 1858.5.2. Ácidos y bases débiles .......................................................................................... 187
8.6. Hidrólisis .......................................................................................................................... 1898.6.1. Sales que provienen de un ácido fuerte y de una base fuerte (AB) ...................... 1898.6.2. Sales que provienen de un ácido fuerte y de una base débil (Ab) ...................... 1898.6.3. Sales que provienen de un ácido débil y de una base fuerte (aB) ....................... 1918.6.4. Sales que provienen de un ácido débil y de una base débil (ab) ........................ 192
8.7. Disoluciones reguladoras ........................................................................................... 1938.7.1. Disolución reguladora ácida ................................................................................... 1948.7.2. Disolución reguladora básica .................................................................................. 195
8.8. Valoraciones ácido-base ............................................................................................ 1968.8.1. Patrones ................................................................................................................... 1988.8.2. Indicadores ácido-base .......................................................................................... 2008.8.3. Curvas de valoración ............................................................................................... 203
8.9. Aplicaciones analíticas ................................................................................................ 2078.9.1. Análisis de muestras y disoluciones ácidas y básicas ............................................ 2088.9.2. Análisis de mezclas de carbonato, hidrogenocarbonato e hidróxido .................. 2098.9.3. Método de Kjeldahl ................................................................................................ 210
Resumen .................................................................................................................................... 212Ejercicios propuestos ........................................................................................................... 213Práctica n.º 5 ........................................................................................................................... 214Práctica n.º 6 ........................................................................................................................... 216Actividades de autoevaluación ......................................................................................... 217
9. VOLUMETRÍAS DE PRECIPITACIÓN ...................................................................................... 219
Objetivos .................................................................................................................................. 219Mapa conceptual ................................................................................................................... 220Glosario ..................................................................................................................................... 2209.1. Equilibrios de solubilidad .......................................................................................... 221
9.1.1. Definiciones ............................................................................................................ 2219.1.2. Constante del producto de solubilidad ................................................................. 2229.1.3. Relación entre solubilidad y producto de solubilidad .......................................... 2249.1.4. Predicción de la aparición de un precipitado ....................................................... 2269.1.5. Disolución de precipitados .................................................................................... 2279.1.6. Efecto del ión común ............................................................................................. 2319.1.7. Separación de iones por precipitación .................................................................. 232
9.2. Valoraciones de precipitación .................................................................................. 234
ANÁLISIS QUÍMICOS
ÍNDICE
9
9.2.1. Curvas de valoración ............................................................................................... 2359.2.2. Detección del punto final ....................................................................................... 236
Resumen .................................................................................................................................... 241Ejercicios propuestos ........................................................................................................... 241Práctica n.º 7 ........................................................................................................................... 242Práctica n.º 8 ........................................................................................................................... 244Actividades de autoevaluación ......................................................................................... 246
10. VOLUMETRÍAS DE COMPLEJACIÓN ................................................................................... 247
Objetivos ..................................................................................................................................... 247Mapa conceptual ...................................................................................................................... 248Glosario ....................................................................................................................................... 24810.1. Equilibrios de complejación ...................................................................................... 249
10.1.1. Definiciones .......................................................................................................... 24910.1.2. Quelatos ................................................................................................................ 25210.1.3. Complejos metal-EDTA ......................................................................................... 253
10.2. Valoraciones de complejación ................................................................................. 25510.2.1. Reactivos patrón .................................................................................................... 25510.2.2. Curvas de valoración ............................................................................................. 25610.2.3. Indicadores de ión metálico ................................................................................. 257
10.3. Aplicaciones analíticas ................................................................................................ 25910.3.1. Valoraciones directas ............................................................................................ 25910.3.2. Valoraciones por retroceso ................................................................................... 26210.3.3. Valoraciones por desplazamiento ........................................................................ 26310.3.4. Valoraciones indirectas ......................................................................................... 26310.3.5. Valoraciones con enmascaramiento ..................................................................... 264
Resumen ...................................................................................................................................... 265Ejercicios propuestos .............................................................................................................. 266Práctica n.º 9 .............................................................................................................................. 266Práctica n.º 10 ........................................................................................................................... 268Actividades de autoevaluación ............................................................................................ 271
11. VOLUMETRÍAS DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN ................................................................. 273
Objetivos ..................................................................................................................................... 273Mapa conceptual ...................................................................................................................... 274Glosario ....................................................................................................................................... 27411.1. Definiciones .................................................................................................................... 27511.2. Ajuste de reacciones de oxidación-reducción ................................................... 279
11.2.1. Ajuste en medio ácido ......................................................................................... 28011.2.2. Ajuste en medio básico ........................................................................................ 281
11.3. Valoraciones de oxidación-reducción ................................................................... 28411.3.1. Agentes oxidantes y agentes reductores .............................................................. 28411.3.2. Patrones primarios ................................................................................................. 28611.3.3. Indicadores ........................................................................................................... 288
11.4. Aplicaciones analíticas ................................................................................................ 28911.4.1. Oxidimetrías .......................................................................................................... 290
ANÁLISIS QUÍMICOS
ÍNDICE
10
11.4.2. Reductimetrías ....................................................................................................... 295Resumen ...................................................................................................................................... 297Ejercicios propuestos .............................................................................................................. 298Práctica n.º 11 ........................................................................................................................... 299Práctica n.º 12 ........................................................................................................................... 300Práctica n.º 13 ........................................................................................................................... 302Actividades de autoevaluación ............................................................................................ 303
12. ANÁLISIS GRAVIMÉTRICO .................................................................................................... 305
Objetivos ..................................................................................................................................... 305Mapa conceptual ...................................................................................................................... 306Glosario ....................................................................................................................................... 30612.1. Definiciones .................................................................................................................... 30712.2. Cálculos gravimétricos ................................................................................................. 308
12.2.1. Método estequiométrico ...................................................................................... 30812.2.2. Método del factor gravimétrico ............................................................................ 309
12.3. Técnicas gravimétricas ................................................................................................. 31112.3.1. Gravimetría de volatilización ................................................................................ 31112.3.2. Gravimetría de precipitación ................................................................................ 31612.3.3. Gravimetría particulada ......................................................................................... 322
12.4. Aplicaciones analíticas ................................................................................................ 326Resumen ...................................................................................................................................... 327Ejercicios propuestos .............................................................................................................. 328Práctica n.º 14 ........................................................................................................................... 329Práctica n.º 15 ........................................................................................................................... 331Actividades de autoevaluación ............................................................................................ 332
PARTE III
ANÁLISIS ORGÁNICO
13. ANÁLISIS CUALITATIVO ORGÁNICO. ANÁLISIS ELEMENTAL .................................... 337
Objetivos ..................................................................................................................................... 337Mapa conceptual ...................................................................................................................... 338Glosario ....................................................................................................................................... 33813.1. Esquema general de un análisis orgánico ............................................................. 33913.2. Ensayos previos ............................................................................................................. 34113.3. Separación de mezclas ............................................................................................... 34413.4. Caracterización de una sustancia pura .................................................................. 345
13.4.1. Densidad ............................................................................................................... 34513.4.2. Temperaturas de transición ................................................................................... 34613.4.3. Índice de refracción .............................................................................................. 34913.4.4. Rotación óptica ..................................................................................................... 351
13.5. Análisis elemental ......................................................................................................... 351
ANÁLISIS QUÍMICOS
ÍNDICE
11
13.5.1. Análisis elemental cualitativo ................................................................................ 35113.5.2. Análisis elemental cuantitativo .............................................................................. 354
13.6. Ensayo de solubilidad ................................................................................................. 36013.7. Análisis funcional .......................................................................................................... 36213.8. Análisis espectroscópico ........................................................................................... 365Resumen ...................................................................................................................................... 367Ejercicios propuestos .............................................................................................................. 367Práctica n.º 16 ........................................................................................................................... 368Práctica n.º 17 ........................................................................................................................... 369Actividades de autoevaluación ............................................................................................ 372
14. APLICACIONES DEL ANÁLISIS CUANTITATIVO ORGÁNICO ....................................... 373
Objetivos ..................................................................................................................................... 373Mapa conceptual ...................................................................................................................... 374Glosario ....................................................................................................................................... 37414.1. Análisis orgánico cuantitativo ................................................................................... 37514.2. Análisis orgánico aplicado ......................................................................................... 375
14.2.1. Análisis de ácidos ................................................................................................. 37614.2.2. Índice de esterificación ........................................................................................ 37614.2.3. Índice de saponificación ...................................................................................... 37714.2.4. Índice de yodo ..................................................................................................... 37714.2.5. Índice de peróxidos ............................................................................................. 37814.2.6. Determinación del nitrógeno mediante el método de Kjeldahl .......................... 37914.2.7. Análisis de fármacos ............................................................................................. 38014.2.8. Análisis de aminas ................................................................................................. 38114.2.9. Determinación de la materia grasa extraíble ......................................................... 381
Resumen ...................................................................................................................................... 382Ejercicios propuestos .............................................................................................................. 382Práctica n.º 18 ........................................................................................................................... 383Práctica n.º 19 ........................................................................................................................... 385Práctica n.º 20 ........................................................................................................................... 386Práctica n.º 21 ........................................................................................................................... 387Actividades de autoevaluación ............................................................................................ 388
PARTE IV
TRATAMIENTO BÁSICO DE LOS DATOS ANALÍTICOS
15. EXPRESIÓN Y ACEPTACIÓN DE LOS RESULTADOS ANALÍTICOS ............................. 391
Objetivos ...................................................................................................................................... 391Mapa conceptual ....................................................................................................................... 392Glosario ........................................................................................................................................ 39215.1. Obtención de los resultados .................................................................................... 393
15.1.1. Medidas y unidades ............................................................................................. 394
ANÁLISIS QUÍMICOS
ÍNDICE
12
15.1.2. Cifras significativas ................................................................................................. 39815.1.3. Redondeo de resultados ...................................................................................... 400
15.2. Análisis de los resultados ............................................................................................ 40215.2.1. Definición y clasificación de los errores ............................................................... 40315.2.2. Exactitud, precisión y fiabilidad............................................................................ 40415.2.3. Parámetros estadísticos.......................................................................................... 405
15.3. Aceptación de los resultados ................................................................................... 40815.3.1. Valor anómalo ....................................................................................................... 40815.3.2. Criterios de aceptación.......................................................................................... 409
15.4. Presentación del resultado final .............................................................................. 41215.4.1. Intervalos de confianza e incertidumbre .............................................................. 41215.4.2. Cálculo de los intervalos ........................................................................................ 41315.4.3. Expresión final de los resultados ........................................................................... 415
Resumen ...................................................................................................................................... 417Ejercicios propuestos .............................................................................................................. 417Actividades de autoevaluación ............................................................................................ 419
16. GESTIÓN DE LA INFORMACIÓN ANALÍTICA ................................................................... 421
Objetivos ...................................................................................................................................... 421Mapa conceptual ....................................................................................................................... 422Glosario ........................................................................................................................................ 42216.1. Introducción .................................................................................................................. 42316.2. Fuentes de información .............................................................................................. 424
16.2.1. Clasificación de las fuentes ................................................................................... 42516.2.2. Documentación química ....................................................................................... 430
16.3. Aplicación de los protocolos ................................................................................... 43516.3.1. Las Buenas Prácticas de Laboratorio (BPL) ............................................................ 43516.3.2. Estructura básica de un Procedimiento Normalizado de Trabajo (PNT) .............. 437
16.4. Requerimientos de los datos obtenidos ............................................................... 43816.5. Elaboración del informe ............................................................................................. 440
16.5.1. El informe de trabajo ............................................................................................ 44016.5.2. Los certificados ..................................................................................................... 44116.5.3. Los informes analíticos .......................................................................................... 442
Resumen ...................................................................................................................................... 442Caso práctico 2 ......................................................................................................................... 443Caso práctico 3 ......................................................................................................................... 443Caso práctico 4 ......................................................................................................................... 444Actividades de autoevaluación ............................................................................................ 445
ANEXOS ............................................................................................................................................. 447
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................... 451
ANÁLISIS QUÍMICOS
ÍNDICE
13
1. Utilizar adecuadamente el vocabulario químico relacionado con las diso-luciones.
2. Definir los sistemas químicos multicomponentes de acuerdo con su gradode homogeneidad.
3. Clasificar las disoluciones según el estado físico de sus componentes y el ta-maño de las partículas de soluto.
4. Relacionar las propiedades de las disoluciones con la naturaleza del solutoo su concentración.
5. Describir el efecto que ejercen las variaciones de presión y temperatura enla solubilidad de las disoluciones.
6. Relacionar las diferentes unidades de concentración con su aplicaciónpráctica.
7. Calcular las concentraciones de las disoluciones utilizadas en el trabajo delaboratorio.
8. Resolver problemas cuantitativos relacionados con la preparación de diso-luciones.
9. Diseñar un esquema de preparación de disoluciones por dilución de unasolución concentrada.
10. Preparar a nivel de laboratorio soluciones habituales de trabajo.
Objetivos
2Disoluciones
PARTE I. INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS ANALÍTICOS. REACTIVOS Y REACCIONES
CAPÍTULO 2
44
Mapa conceptual del capítulo
SISTEMAS QUÍMICOS
HOMOGÉNEOS
Balance de masa. Expresión matemática, ampliamente utilizada en cálculos quími-cos, basada en la ley de conservación de la materia.
Efecto Tyndall. Fenómeno físico que pone de manifiesto la presencia de partículascoloidales en una disolución mediante la dispersión que provocan estas partículasal ser iluminadas.
Electrolisis. Técnica de separación de los elementos que forman un compuesto mediantela aplicación de electricidad. El paso de corriente tiene lugar sobre los electrodos intro-ducidos en la disolución provocando así las reacciones de oxidación-reducción de lasespecies electroactivas.
Glosario
Disoluciones
PreparaciónConcentración
HETEROGÉNEOS
Componentes Clasificación Solubilidad
Según estadofísico
Según dimensiones
soluto
Soluto
Disolvente
Cualitativa Cuantitativa
Soluto/disolvente
Soluto/disolución
MolalidadPorcentaje
g/L
ppm
Molaridad
Normalidad
Fracción molar
Separación por procesos físicos
Sustancias puras
2.1. Definiciones previas
En la aplicación de los métodos analíticos, las disoluciones constituyen la forma de presentaciónmás habitual, tanto de las muestras a analizar como de los reactivos químicos empleados. Parasituarlas correctamente, resulta de interés comentar la composición que presentan y su grado dehomogeneidad.
2.1.1. Sistemas químicos: homogéneos y heterogéneos
Los sistemas químicos no son más que porciones de materia que se separan o delimitan de unconjunto para favorecer su estudio experimental. Al observarlos, la primera información quepoden de manifiesto es el aspecto que presentan y así podremos diferenciar entre sistemas:
� Homogéneos: de apariencia y propiedades idénticas en los diferentes puntos del sistemaestudiado. La composición química se mantiene sea cual sea la porción elegida para elestudio. La figura 2.1 muestra las etiquetas de dos aguas minerales, con la descripción dela composición básica que presentan. Tanto la composición analítica del agua como suscaracterísticas organolépticas (aspecto, sabor, etc.) o fisicoquímicas (conductividad, pH...)se mantienen en cada muestra.
DISOLUCIONES
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IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). Es una organizaciónde referencia no gubernamental con autoridad reconocida en el desarrollo de normaspara la nomenclatura química.
Ley de Dalton. Para una mezcla de gases, la presión total de la mezcla es igual a lasuma de las presiones parciales que cada gas mostraría estando solo. La presión par-cial de cada gas puede calcularse sabiendo que es proporcional a la fracción molardel gas y a la presión total del sistema.
Ley de Henry. A una temperatura constante, la cantidad de gas que puede ser disueltaen un volumen de un líquido en particular es directamente proporcional a la presiónparcial de este gas en equilibrio con el líquido.
Ley de Raoult. La presión parcial de un componente de una disolución es igual alproducto de la presión de vapor del mismo componente puro por la fracción molarde este componente en la disolución.
Miscibilidad. Cualidad de algunos líquidos y sustancias de poderse mezclar en todaslas proporciones, formando una mezcla homogénea.
Precipitado. Es el sólido que se forma en el seno de una disolución como consecuenciade cambios en la solubilidad o de una reacción química. Habitualmente, ya que sueleposeer una densidad superior a la del medio, se deposita en el fondo del recipiente.
Tolerancia. Límite de variación admisible en una propiedad. En el caso del materialvolumétrico utilizado en el laboratorio, coincide con el valor máximo de error, cer-tificado por el fabricante de acuerdo a lo preestablecido por normas técnicas.
� Heterogéneos: de características variables en función de la porción elegida para su estudio.Los sistemas heterogéneos también son conocidos como mezclas y pueden ser descom-puestos en sistemas homogéneos más simples, aplicando las técnicas analíticas adecuadas.Por tratarse de procesos físicos, la aplicación de estas técnicas supone la separación pero nola modificación de la naturaleza de las sustancias presentes.
A nivel de laboratorio, teniendo en cuenta algunas propiedades relevantes de las muestras,resulta habitual aplicar las técnicas mostradas en el cuadro 2.1.
PARTE I. INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS ANALÍTICOS. REACTIVOS Y REACCIONES
CAPÍTULO 2
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Figura 2.1Etiquetas de botellas de agua mineral
CUADRO 2.1Técnicas de separación más habituales en el trabajo analítico
Técnica Propiedad empleada
Decantación
Precipitación
Destilación
Extracción
Sublimación
Cromatografía
Diferencias de densidad entre líquidos inmiscibles
Diferencias de solubilidad como consecuencia de la variación de las condi-ciones del medio (temperatura, concentración del disolvente, pH, etc.)
Diferencias entre los puntos de ebullición de los componentes
Diferencias de solubilidad entre dos fases inmiscibles (por ejemplo, una faseorgánica y una fase acuosa)
Transición directa desde el estado sólido al gaseoso sin pasar por el líquido
Diferencias de adsorción y absorción entre una fase móvil que incorpora lamuestra que se va a separar y una fase estacionaria.
2.1.2. Sistemas homogéneos: sustancias puras y disoluciones
Dependiendo del número de componentes presentes, los sistemas homogéneos se clasifican en:
a) Sustancias puras: si solo contienen un tipo de sustancia y por tanto una composición fijay determinada. Presentan propiedades características que permiten identificarlas de formaexclusiva.
En esta categoría se incluyen:
� Sustancias simples o elementos químicos, como el oxígeno gas (O2) o el hierro metálico(Fe), que no pueden ser descompuestos en sustancias más sencillas. El número de ele-mentos en el universo es relativamente reducido y aparecen ordenados en la conocidatabla periódica. A pesar de ello, las nuevas posibilidades técnicas permiten avanzar len-tamente en el conocimiento de nuevos elementos químicos.
� Sustancias compuestas o compuestos químicos como el agua pura (H2O). A diferenciade las mezclas, los compuestos químicos pueden ser descompuestos en sustancias mássimples e incluso en los elementos de los que están formados mediante procesos quí-micos. Un caso conocido es la obtención de hidrógeno gas y oxígeno gas mediante laelectrolisis del agua:
2 H2O � energía eléctrica � 2 H2 (g) � O2 (g)
b) Disoluciones: si presentan más de un componente. Estos son los sistemas químicos másutilizados en el área de la química analítica, por ejemplo el amoniaco disuelto en agua,pero también se incluyen materiales tan habituales como el aire que respiramos o el aguamineral que bebemos. Las disoluciones presentan dos categorías de propiedades:
� Constitutivas: que dependen de la naturaleza de las partículas disueltas. Son ejemplosconocidos la conductividad eléctrica, la viscosidad, la densidad, etc.
� Coligativas: que son función únicamente de su concentración y no de la composiciónquímica del soluto. Las propiedades coligativas más notables son el aumento del puntode ebullición, la disminución del punto de congelación, la disminución de la presiónde vapor y la presión osmótica de las disoluciones.
2.1.3. Disoluciones binarias
De entre todos las disoluciones destacan por su simplicidad y utilización las binarias, es decir,aquellas que contienen únicamente dos componentes. Deberá considerarse en este caso por unaparte la sustancia dispersada y por otra el medio de dispersión. Se denomina soluto a la fase dis-persa y disolvente a la fase dispersante. Algunas veces, por simplificación del lenguaje e influenciade los términos correspondientes en inglés, se usan indistintamente las palabras solución (pordisolución) y solvente (por disolvente).No siempre está claro qué componente de la disolución corresponde al soluto o al disolvente.
En estos casos, pueden utilizarse estos criterios:
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Dos sustancias tan distintas como la urea y la glucosa, que en igualconcentración en agua presentan valores de densidad y solubilidaddiferentes, modifican en cambio de forma idéntica los puntos deebullición y congelación de las disoluciones.
EJEMPLO
• Si las dos sustancias presentan diferente estado físico (por ejemplo, las disoluciones de aguasalada donde el NaCl es un sólido cristalino y el agua un líquido), se considerará comodisolvente a la sustancia que presenta el mismo estado físico que la disolución resultante.En el caso comentado, el agua constituye el disolvente y el cloruro de sodio el soluto.
• Cuando las dos sustancias presentan igual estado físico, el disolvente corresponde al queestá en mayor proporción en la disolución.
2.1.4. Concentración
La concentración es la relación entre la cantidad de soluto presente y la cantidad de disolucióno disolvente. La forma más habitual de mostrar la concentración es mediante la relación entre el soluto y
la disolución (s/D), es decir, entre una parte y el total. Sin embargo, para determinados estudiosde solubilidad o de propiedades de las disoluciones, resulta más conveniente estudiar la concen-tración como relación entre las partes que componen la disolución (s/d).
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El alcohol que utilizamos habitualmente para desinfectar las heridas corres-ponde a una disolución del 96 % de alcohol y un 4 % de agua. Por cuestioneslegales, debido a la posible utilización del alcohol para la preparación debebidas, el producto puede aparecer desnaturalizado, es decir, presentar laadición de algún producto que no lo haga posible (véase la figura 2.2).
Ya que tanto el alcohol puro (denominado absoluto) como el agua son lí-quidos en las condiciones ambientales habituales, deberíamos considerar alagua como soluto y al alcohol como fase dispersante. Si, en cambio, tuviéramosque diluir suficientemente el alcohol de forma que la mayor proporción fuera fi-nalmente de agua, debería considerarse entonces el agua como disolvente.
EJEMPLO
Figura 2.2Etiqueta de una botella de alcohol etílico comercial
Se puede esquematizar como:
2.1.5. Solubilidad
Es la cantidad máxima de soluto, generalmente expresada en gramos, que puede disolverse hastacompletar una determinada cantidad de disolución. Por ejemplo, el yeso (sulfato de calcio), ligera-mente soluble, presenta una solubilidad de 2,23 g/L (20 °C). A esta temperatura, una concentraciónde yeso superior provocará la aparición de un depósito insoluble en el fondo del recipiente. El valor de la solubilidad depende de tres factores: la naturaleza del soluto y disolvente, la
temperatura y la presión. La velocidad de disolución (cómo de rápido se efectúa este proceso)varía, en cambio, con la superficie de contacto (dimensiones de las partículas del soluto), el gradode agitación y la temperatura.A nivel de laboratorio, debido a la facilidad y mejor precisión de las medidas de masa frente
a las de volumen, las determinaciones experimentales de solubilidad, que aparecen recogidas entablas, suelen expresarse como la relación existente entre la cantidad de soluto y de disolvente.Por ejemplo, el Handbook of Chemistry and Physics, obra de referencia para los químicos, muestrapara el cloruro de sodio a 20 °C una solubilidad de 6,136 mol NaCl/kg H2O (que correspondea 35,86 g sal/100 g agua).Es preciso destacar el diferente efecto que ejercen la presión y la temperatura sobre el valor
de la solubilidad.
� Disoluciones de sólidos en líquidos
Normalmente, la presión ambiental no afecta pero sí lo hace, en cambio, la tempera-tura. Como regla general podemos establecer que al aumentar la temperatura aumentala solubilidad. Hay algunas excepciones a este comportamiento común y se conocen al-gunas sales que disminuyen su solubilidad con la temperatura. Este es el caso de deter-minados compuestos de neodimio, cerio y lantano. Puede resultar interesante consultarlos datos de solubilidad en http://srdata.nist.gov/solubility.Los gráficos siguientes (figura 2.3) muestran los comportamientos descritos.
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soluto (s)
disolvente (d) �
Disolución (D)
s � d � D � concentración
s/D
s/d
Figura 2.3Variación de la solubilidad en agua de determinados compuestos con la temperatura:
(a) cloruro de sodio, NaCl; (b) sulfato de neodimio (III), Nd2(SO4)3; (c) sacarosa, C12H22O11
� Disoluciones de gases en líquidos
De forma general, un aumento de la presión hace aumentar extraordinariamente lasolubilidad (ley de Henry) y un aumento de temperatura la hace disminuir.
2.2. Clasificación de las disoluciones
Se utilizan dos criterios independientes para clasificar los diferentes tipos de disoluciones, bienatendiendo al estado físico de los componentes o a las dimensiones del soluto.
2.2.1. Según el estado físico
Si bien la mayor parte de las disoluciones, y en particular las que se utilizan en el laboratoriode análisis, están preparadas a partir de solutos sólidos y disolventes líquidos, en la naturalezapueden encontrarse todo tipo de combinaciones posibles. El cuadro 2.2 muestra algunos delos ejemplos.
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a) ¿Por qué la proximidad de una central energética (térmica o nuclear)cerca de un lago, río o mar, hace disminuir las capturas de pescaexistentes hasta su puesta en funcionamiento?
b) ¿Por qué una botella de cava, aparentemente homogénea y llena delíquido antes de descorcharla, pierde gas y disminuye el volumen debebida cuando se abre para servir? ¿Pierde gas una bebida carbo-natada cuando se calienta?
PARA PENSAR
CUADRO 2.2Ejemplos de disoluciones atendiendo al estado físico de sus componentes
Disolvente
Sólido Líquido Gas
SólidoC en Fe (acero)
Azúcar en agua I2 (g) en aire
LíquidoHg en Au(amalgama)
Etilenglicol en agua (anticongelante)
Agua (vapor) en aire (niebla)
Gas H2 en Pd O2 en aguaO2 en N2(aire)
Solu
to
2.2.2. Según las dimensiones del soluto
Las dimensiones de las partículas del soluto en el medio dispersante hacen que el medio presenteun grado de homogeneidad diferente según sea la escala en que observemos la disolución. Ha-bitualmente se diferencian tres tipos generales de disoluciones: las dispersiones, los coloides ylas disoluciones verdaderas.
• Dispersiones
Son aquellas que podrían llegar en ocasiones a ser observables a simple vista, comoen el caso de las conocidas suspensiones. Mediante una adecuada filtración, seleccionandoel tamaño del poro, sería posible la separación de las partículas más grandes de soluto yla obtención de un filtrado limpio. Un ejemplo conocido sería el agua turbia de un río,que incorpora lodos y arenas dispersadas en el líquido. Las dimensiones de las partículasdel soluto suelen ser superiores a 10–5 cm (0,1 µm).
• Coloides
En este caso no es posible diferenciar las partículas presentes a simple vista, pero símediante el denominado efecto Tyndall. Las partículas son lo suficientemente pequeñascomo para no ser observables a simple vista pero sí presentan una dimensiónadecuada como para poder dispersar la luz. Según el estado físico de las fases implicadasen la disolución, aparecen muchas posibilidades que resultan familiares en productos deuso diario (observar el cuadro 2.3). Las partículas del soluto se sitúan, aproximadamente,entre 10–7 cm y 10–5 cm (es decir, entre 1 y 100 µm).
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a) Muchas aleaciones metálicas se utilizan con diversas finalidades técnicaso cotidianas. Seguro que te resultan familiares los términos acero, bronce,latón o alpaca. Localiza la composición de los materiales indicados. ¿Pre-sentan una composición única y determinada?
b) El yodo en condiciones habituales se comercializa en forma de cristalesoscuros. La experiencia muestra que al calentarlo pasa directamente a for-mar nubes de color lila que se dispersan en el aire. ¿Recuerdas a qué esdebido este proceso?
c) El gas hidrógeno (H2) se difunde fácilmente en la red cristalina del paladio.Se considera que a temperatura ambiente el Pd es capaz de absorber hasta900 veces su volumen en H2, generando un material homogéneo que po-dría presentar un interés tecnológico en el diseño de pilas de combustibley en el estudio de la denominada “fusión fría”, escenario teórico para laobtención de energía en condiciones ambientales. ¿Cuál es el estado actualde las investigaciones sobre este proceso?
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