UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSUniversidad del Perú, Decana de América

FACULTAD DE QUIMICA E INGENIERIA QUIMICADepartamento Académico De Química Analítica

Práctica de laboratorio N° 1"Determinacion espectrofotometrica del Manganeso en Acero”

Práctica de laboratorio N° 2"Determinacion espectrofotometrica del Nitratos en Aguas”

Curso : Laboratorio de Análisis Instrumental

Alumno : López Díaz Alan José

Código : 13070043

Profesor : Rosa Lengua

Horario : Jueves 1 a 5 P.M.

Lima, jueves 01 de octubre de 2015

OJETIVOS

Determinar el manganeso presente en aceros por espectrofotometría.

PRÁCTIC

A N° 1DETERMINACIÓN

DE MANGA

NESO EN ACERO

Comprender las ventajas de la presencia del manganeso en el acero,

Determinar las cantidades promedio de Mn en el acero común.

Obtener conocimientos sobre el modo de uso del instrumento (espectrofotómetro

GENESYS 20)

Validar la importancia del método de espectrofotómetro.

INTRODUCCIÓN

El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales. Sin embargo, formando aleaciones con carbono y otros elementos es el metal más utilizado actualmente, con gran diferencia sobre los demás metales. El elemento básico de aleación del hierro es

el carbono. Las aleaciones con contenido de carbono comprendido entre 0,10% y 1,76% tienen características muy bien definidas y se denominan aceros.Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros aleados pueden contener excepcionalmente hasta 2,5% de carbono. Los aceros, generalmente, son forjables, y es ésta una cualidad, entre otras, que los distingue. Si la proporción de carbono es superior a 1,76%, las aleaciones hierro-carbono se denominan fundiciones, siendo la máxima proporción de carbono aleado del 6,67% que es la de la cementita pura (carburo de hierro, CFe3). Las fundiciones, en general, no son forjables.El carbono produce alteraciones sobre la estructura del hierro cambiando éste de un metal simple a una aleación compleja, aumentando la dureza y resistencia mecánica y reduciendo la plasticidad. Junto con el carbono todos los aceros contienen cantidades variables de manganeso, silicio, azufre, fósforo y otras impurezas que proceden de las materias primas empleadas en la obtención del acero (mineral de hierro, carbón y calizas). Además, éstos y otros elementos se pueden añadir intencionadamente con objeto de alterar las propiedades del producto final.El fabricante de aceros no puede obtenerlos de buena calidad sin la ayuda del manganeso. Éste permite hacer lingotes de acero sanos debido a su efecto desoxidante y por impedir la formación perjudicial del sulfuro de hierro, con lo cual promueve la forjabilidad del acero. El manganeso contenido en aceros corrientes varía casi de 0,30% a 0,80%, pero en aceros especiales puede llegar hasta 25%. Se combina fácilmente con todo el azufre del acero, formando sulfuro de manganeso (MnS). De este modo se impide que el azufre se combine con el hierro. Si el azufre se deja combinar con el hierro y forma sulfuro de hierro, se producirá un acero que será frágil en caliente, resultando difícil de forjar e incluso de utilizar. Todo exceso de manganeso (por encima de la cantidad necesaria para neutralizar todo el azufre) se combina con el carbono que está presente, formando un carburo de manganeso (Mn3C). Este carburo se asocia con el Fe3C aumentando la dureza y resistencia mecánica y reduciendo la plasticidad del acero. El manganeso es un elemento aleado muy importante en muchos de los aceros especiales.En las acerías, la determinación de manganeso es pues obligatoria, y además suele ser necesario controlar el contenido de manganeso del acero durante el proceso de elaboración (productos intermedios). Evidentemente, en este caso se requiere una respuesta rápida de modo que el jefe de producción pueda modificar si fuera preciso el porcentaje del elemento en el acero que se va a obtener.

La técnica analítica que se emplea en las acerías para el control del manganeso y, simultáneamente, de 33 elementos más en menos de 4 minutos, es la espectroscopia de emisión de chispa. Alternativamente, se pueden emplear técnicas como la absorción atómica o la espectrometría de emisión de plasma. Otras alternativas, especialmente en aceros con contenidos de manganeso por debajo del 1%, incluyen la determinación volumétrica y espectrofotométrica UV-VIS.

FUNDAMENTO DEL MÉTODO

En el experimento se utilizara la técnica de espectrofotométrica de absorción

visible. La técnica se basa en la absorción de luz por parte de un cromóforo

(especie química capaz de absorber luz). La determinación cuantitativa del

manganeso se basa en la ley de Beer-Lambert la cual establece que la

absorbancia es proporcional a la concentración del cromóforo, se construirá una

curva de calibración con soluciones de concentración conocida del ion de

permanganato y se determinara los parámetros de pendiente e intercepto por

ajuste de mínimos cuadrados, la concentración de la muestra se determina en

base a la pendiente e intercepto obtenido por el método de mínimo cuadrado.

DESCRIPCION DE LA TECNICA EMPLEDA

El método más utilizado en la determinación espectrofotométrica de manganeso se

basa en la oxidación del ion manganeso (Mn+2) a permanganato (MnO-4). El ion de

permanganato absorbe la luz visible en la región de los 525nm lo que le imparte un

color violeta a la solución acuosa de este ion. El agente oxidante es el yodato de

potasio (KIO4) el cual oxida al Mn+2 mediante:

2Mn2+ + 5IO4- + 3H2O → 2MnO4

- + 5IO3- + 4H+

El análisis espectrofotométrico de manganeso en acero presenta una posible

interferencia de parte del hierro. Esto se debe a que el hierro en el acero se encuentra

en grandes cantidades y al disolver el acero en este pasa al ion férrico. La

interferencia del ion férrico se puede minimizar al añadir ácido fosfórico donde el ion

de fosfato forma un complejo incoloro con el ion hierro.

En este experimento se determinara la concentración de manganeso en acero por

espectrofotometría de absorción molecular visible. El experimento consiste

principalmente en cuatro partes. En la primera se prepara la solución valorada de

permanganato de potasio, en la segunda parte se preparan las soluciones de curva de

calibración y de adición de patrón, tercero la solución muestra y por último se

determina la absorbancia de todas las soluciones preparadas. Con estos datos se

prepara una curva de calibración de absorbancia como función de la concentración

conocida de manganeso y con la absorbancia de la solución del desconocido se podrá

determinar la concentración del Ion MnO-4. Las medidas Espectrofotométricas se

llevan a a cabo en un espectrofotómetro GENESYS 20.

Dilución de la muestra con la mezcla de ácidos (H3PO4, HNO3, H2O) (1:1:1):

Fe2+ + HNO3 → Fe3+ + NO2 + NO

MnO + HNO3 → Mn2+ + NO2 + NO

Al realizar la disolución de la muestra, la mezcla de ácidos H3PO4, HNO3, H2O: actúa

sobre los componentes dejándolos en estados iónicos, donde el ácido nítrico actúa

tanto en la muestra de acero como en el de manganeso y el ácido fosfórico va a

acomplejar al ión férrico dando un complejo incoloro cuya reacción es la siguiente:

2PO43- + Fe3+ → [Fe(PO4)2]3-

Adición de sal de Mohr:

La adición de sal de Mohr es para dar las mismas condiciones a la muestra patrón,

con el fin de igualar el contenido de hierro de los patrones con el hierro contenido en

la muestra de acero a determinar.

PROCEDIMIETO EXPERIMENTAL

a. Calibración del espectrofotómetro con CoCl2 en HCl 1%.

Con la solución de CoCl en HCl 1% se hacen medidas entre el rango de 480nm a

540nm, con las lecturas obtenidas se traza el gráfico el de absorbancia vs. λ. Usar

como blanco la solución de HCl al 1%. Los valores obtenidos y la forma de la curva se

comparan con el catálogo del fabricante.

b. Determinación del λ máximo del KMnO4.

Obtener la curva de absorción máxima con uno de

los patrones que se preparan. Usando el blanco

para ajustar a 0A. Efectuar en el rango de 480nm a

555nm de longitud de onda.

c. Determinación cuantitativa de manganeso en

acero.

Ver cálculos detallados

El acero de Hadfield combina alta dureza y ductilidad.

Este material fue inventado por Sir Robert Hadfield en 1882 de quien

heredo su nombre. Se trata de un acero austenítico al manganeso que

contiene cerca de 1,2% C y 12% Mn, El acero de Hadfield combina alta

dureza y ductilidad con una gran capacidad de endurecimiento por

deformación y buena resistencia al desgaste. Es considerado un material

de ingeniería.

REACCIONES IMPORTANTES

Tratamiento de la muestra de Acero para determinación de Mn:

Dilución de la muestra con los ácidos H3PO4 + HNO3 + Agua:

Acomplejamiento del ácido fosfórico hacia el ion férrico:

.

Oxidación del Mn con la adición de peryodato de potasio.

Reacciones en el equipo de espectrofotometría:

En el proceso de absorción de radiación electromagnética una especie, en un medio

transparente, capta selectivamente ciertas frecuencias de la radiación electromagnética.

El fotón absorbido hace pasar la especie M a un estado excitado M*:

M + h M*

Tras un corto periodo, se pierde la energía de excitación, generalmente en forma de calor,

y la especie vuelve a su estado fundamental:

M* M + Calor

Fe+2+HNO3→Fe+ 3+NO2+NOMnO+HNO3→Mn+2+NO2+NO

2 PO4−3+Fe+3→[Fe (PO 4 )2]−3

Complejo−incoloro

2 Mn+2+5 IO4−+3 H2O↔2 MnO4

−+5 IO3−+6H+

INSTRUMENTOS

Espectrofotómetro GENESYS 20:

El espectrofotómetro GENESYS 20 es un instrumento fácil de usar que ejecuta

mediciones de absorbancia, % de transmitancia y concentración dentro del rango de

longitud de 325 a 1100 manómetros. Sus características incluyen:

Rango longitud de onda 325 nm - 1100 nm

Ancho de banda espectral 8 nm

Precisión longitud de onda ± 2.0 nm

Sistema óptico Rejilla difracción 1200 líneas / nm

Capacidades estándar Mediciones de absorbancia, %transmitancia,

Concentración

Rango fotométrico 0-125 %T, -0.1-2.5 A, 0-1999C

Exactitud fotométrica 0.003 A desde 0.0 a 0.3 A, 1% de lectura de 0.301 a 2.5ª

Energía parásita radiante <0.1%T a 340 nm y 400 nm

Portaceldas Estándar 1 posición

Lámpara / Tiempo vida Tungsteno halógeno / 1000 horas aproximadamente

Conexión 220 V, 60 Hz

Dimensiones LxAxA (cm) 30 x 33 x 19

Peso 4.5 Kg

TABLAS Y CÁLCULOS Tablas de datos:

Tabla N° 1. Masa de las muestras

Titulo Patrón de MnSO4.H2O

0.1535g250mL

Masa de muestra 1 0.1327 gMasa de muestra 2 0.1080 g

Tabla N° 2. Calibración con Cobalto

ʎ (nm) %T Absorbancia

ʎ (nm) %T Absorbancia

400 92.7 0.0329 560 71.5 0.1457410 90.3 0.0443 570 81.0 0.0915420 87.3 0.0590 580 87.0 0.0605430 81.3 0.0899 590 89.8 0.0467440 72.1 0.1421 600 91.5 0.0386450 62.8 0.2020 610 92.0 0.0362460 53.7 0.2700 620 92.3 0.0348470 47.6 0.3224 630 93.1 0.0311480 43.6 0.3605 640 93.3 0.0301490 40.5 0.3925 650 93.4 0.0297500 36.5 0.4377 660 93.9 0.0273510 34.7 0.4597 670 94.6 0.0241520 35.6 0.4486 680 95.2 0.0213530 40.6 0.3915 690 96.1 0.0173540 49.3 0.3072 700 96.7 0.0146550 60.3 0.2197

Tabla N° 3. Determinación del patrón de Manganeso

ʎ (nm) %T Absorbancia

ʎ (nm) %T Absorbancia

400 95.1 0.0218 560 53.5 0.2716410 97.6 0.0106 570 58.4 0.2336420 98.7 0.0057 580 75.6 0.1215430 98.0 0.0088 590 85.8 0.0665440 96.2 0.0168 600 91.8 0.0372450 93.1 0.0311 610 91.9 0.0367460 88.4 0.0535 620 95.0 0.0223470 79.5 0.0996 630 94.8 0.0232480 72.1 0.1421 640 94.1 0.0264490 63.3 0.1986 650 97.9 0.0092500 54.0 0.2676 660 94.1 0.0264510 46.2 0.3354 670 97.2 0.0123520 40.6 0.3915 680 94.6 0.0241530 37.4 0.4271 690 94.7 0.0237540 40.5 0.3925 700 96.9 0.0137

550 39.1 0.4078

Tabla N° 4. Absorbancia de las muestras tomados a λmax=230 nm .

Cálculos:

Según la gráfica (1), la longitud de onda máxima del CoCl2 es 510, lo que nos

demuestra que el equipo esta calibrado.

Para trabajar se usó la absorbancia:

A=−logT

Ejemplo:

A1=−logT1

A1=−log 0.927=0.0329

Y se procede de la misma manera para los siguientes datos.

Según la gráfica (2) la longitud de onda máxima del Mn es 530.

Concentración de Manganeso (solución patrón: 0.1540g MnSO4.H2O / 250 mL)

Para Blanco (BK), V = 0 mL

[ Mn ]=0.1540 gMnSO4 . H 2O

250mLx0mL x

54.938 gMn168.94 gMnSO4 .H 2O

x1

0.1 L=0mg

MnL

Para CP1, V = 2 mL

[ Mn ]=0.1540 gMnSO4 . H 2O

250mLx2mLx

54.938 gMn168.94 gMnSO4 . H 2O

x1

0.1 L=4.0064 x 10−3gMn

L=4.0064 ppm

Para CP2, V = 5 mL

ʎ(nm) Concentración ppm

Absorbancia

Blanco (BK) 0 0.008

CP1 4.0064 0.166

CP2 10.0159 0.420

CP3 20.0319 0.830

Muestras Absorbancia

M1 (láminas de Acero) 0.257

M2 (Granallas) 0.369

[ Mn ]=0.1540 gMnSO4 . H 2O

250mLx5mLx

54.938 gMn168.94 gMnSO4 . H 2O

x1

0.1L=10.0159x 10−3 gMn

L=10.0159 ppm

Para CP3, V = 10 mL

[ Mn ]=0.1540 gMnSO4 . H 2O

250mLx10mLx

54.948 gMn168.94 gMnSO4 . H 2O

x1

0.1L=20.0319x 10−3 gMn

L=20.0319 ppm

Según la ecuación de la gráfica (3) a la absorbancia de las M1=0.257 y M2 =0.369

le corresponde una concentración:

y = 0.0415x + 0.001 A=(ab ) . c+0.001

Para la Muestra 1:

0.257=0.0415 xC1Mn+0.001 C1Mn=6.1687 ppm

Para la Muestra 2:

0.369=0.0415 xC2Mn+0.001 C2Mn=8.8675 ppm

Hallamos la ecuación de la curva de calibrado mediante mínimos cuadrados

Soluciones estándar para la curva de calibración

Con los datos de concentración y absorbancia se grafica la curva de calibración (ver

grafica N03) y aplicamos el ajuste por mínimos cuadrados.

A=m.cMn+b y=mx+b

Solución Concentración Absorbancia XY X2 Y2

22

2

ii

iiiii

xxp

yxxyxb

Solución Concentración Mn ppm

Absorbancia

Blanco (BK) 0 0.008

CP1 4.0064 0.166

CP2 10.0159 0.420

CP3 20.0319 0.830

m=p∑ xi y i−∑ x i∑ y i

p∑ x i2−(∑ x i)

2

Mn ppm = X A=yBlanco (BK) 0 0.00 0 0 0

CP1 4.0064 0.166 0.6651 16.0512 0.0276

CP2 10.0159 0.420 4.2067 100.3183 0.1764

CP3 20.0319 0.830 16.6265 401.2770 0.6889

∑ Suma total 34.0542 1.416 21.4983 517.6465 0.8929

m=4 x21.4983−34.0542x 1.416

4 x517.6465−(34.0542)2=0.04157 ppm−1

b=517.6465 x 1.416−34.0542 x21.4983

4 x517.6465−(34.0542)2=0.00097

y=0.04157 x+0.00097 A=(ab ) . c+0.00097

A=(0.04157 ppm−1 ). cMn+0.00097

Soluciones muestra

Ejemplo de cálculo de la concentración de Mn en la muestra 1:

M1=0.257 y M2 =0.369

La muestra 1 se preparó con 0.1327 g de acero llevados a un volumen de solución final

de 100 mL teniendo como absorbancia valor igual a 0.257, remplazando este valor en la

ecuación de la curva de calibración:

A=(0.04157 ppm−1 ). cMn+0.00097

0.257=(0.04157 ppm−1 ) . cMn+0.00097 cMn=6.1590 ppmHallamos la

masa:

W (Mn )=CMn xV=6.1590mgL

x0.1 L W (Mn )=0.6159mg Por

ultimo obtenemos el porcentaje de Mn en la muestra:

%Mn=W (Mn)Wmuestra

x100 %=0.6159 x10−3g0.1327 g

x100 %

%Mnmuestra1=0.4641%

Porcentajes de Mn en las muestras de Acero estudiadas:

Muestras Concentración Mn (ppm)

%Mn en la muestra de Acero

Muestra 1 (Láminas de Acero)

6.1590 0.4641

Muestra 2 (Granallas de Acero)

8.8533 0.8198

GRAFICOSGráfica (1). Calibración del instrumento

350 400 450 500 550 600 650 700 7500

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.50.4597

Absorbancia Vs λ (Longitud de onda)

λ (nm)

Abso

rban

cia

Gráfica (2). Determinación del máximo ʎ(nm) del manganeso

350 400 450 500 550 600 650 700 7500

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.450.4271

Absorbancia Vs. λ (Longitud de onda)

λ (nm)

Abso

rban

cia

Gráfica (3). Curva de calibración

0 5 10 15 20 250

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

f(x) = 0.0414669291256597 x + 0.000969225542239827R² = 0.999952707465004

Absorbancia Vs. Concentracionde MN en la solucion

Concentracion de Mn en ppm

Abso

rban

cia

DISCUSION EL METODO

El método empleado es un modelo muy sencillo para el análisis por

espectrofotometría. En este caso se usó un espectrofotómetro “GÉNESYS”, el cual

es de un solo haz . Los espectrofotómetros de haz doble, además de automatizar

el proceso de medición, también disminuye el error en las mediciones ya que el

hecho de sacar y poner repetidamente el blanco del espectrofotómetro de haz

simple puede generar errores de tipo instrumental, errores que posiblemente se

cometieron durante el desarrollo de la práctica.

DISCUSION DE RESULTADOS

Se halló la longitud de onda máximo del COCl2.6H2O en la calibración del

instrumento, la cual nos resulta 510 nm, lo cual nos dice que el instrumento si

esta calibrado.

Los errores que hemos podido cometer fueron: alguna solución mal preparada,

mal limpieza de la celda, equipo mal calibrado, etc.

La gráfica Absorbancia vs. Concentración nos da muy aproximadamente una

recta (cumple con la ley de Beer) ya que se preparó bien las soluciones para la

curva de calibración.

Se obtuvo para las láminas de acero (muestra 1) un porcentaje de Mn de

0.4641% y en las granallas de acero (muestra2) un porcentaje de Mn de

0.8198% estos valores están dentro de los valores conocidos para el acero

común.

CONCLUSIONES

Con este trabajo se demostro la facilidad del uso del espectrofotometro

Genesys -20 para determinaciones cuantitativas .

La utilización de este método es muy bueno ya que se puede determinar

partes por millón de muchas sustancias, o inclusos de cantidades menores, de

este modo la sensibilidad de este método es muy buena y el método muy

sencillo, mediante el cual luego de construir la curva de calibración, se

procede a medir de manera exacta la cantidad de analito en la muestra.

Se demuestra tambien que calibrando bien el equipo, se obtiene resultados

aceptables, en este caso obtuvimos resultados cerca de los parametros

industriales de concentracion de Mn en acero (0.3 – 0.8%).

Se aprendio ha usar el metodo de la curva de calibracion.

El fundamento de espectrometria de absorcion es la absorcion de radiacion por

un atomo o molecula. En este caso el ion del manganeso absorve y

observamos una relacion entre el cambio de concentracion y la transmitancia

obtenida.

Contenido y ventajas de Mn en Aceros

El manganeso contenido en aceros corrientes varía casi de 0,30% a 0,80%,

pero en aceros especiales puede llegar hasta 25%. Se combina fácilmente con

todo el azufre del acero, formando sulfuro de manganeso (MnS). De este modo

se impide que el azufre se combine con el hierro. Si el azufre se deja combinar

con el hierro y forma sulfuro de hierro, se producirá un acero que será frágil en

caliente, resultando difícil de forjar e incluso de utilizar. Todo exceso de

manganeso (por encima de la cantidad necesaria para neutralizar todo el

azufre) se combina con el carbono que está presente, formando un carburo de

manganeso (Mn3C). Este carburo se asocia con el Fe3C aumentando la dureza

y resistencia mecánica y reduciendo la plasticidad del acero. El manganeso es

un elemento aleado muy importante en muchos de los aceros especiales.

RECOMENDACIONES

Esperar que el equipo haga el barrido automático, luego de haberlo encendido.

Uno de los errores que se pueden cometer con facilidad es provocado por el hecho de sacar y poner repetidamente el blanco del espectrofotómetro de haz simple puede generar errores de tipo instrumental.

Las ventanas de las celdas de absorción se deben mantenerse limpias, pues

tanto las huellas como rastros muestras anteriores pueden ser causa de error

considerable en determinaciones cuantitativas.

La mayor parte las sustancias inorgánicas no absorben en el visible y se deben

por lo tanto producir un color por adición de un reactivo.

BIBLIOGRAFIALibros:

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Videos:

https://www.youtube.com/watch?v=UZR6ghjCqaE

https://www.youtube.com/watch?v=-5rVkm-4yQw