Determinación del Sodio por Fotometría de Llama

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Determinación del Sodio por Fotometría de Llama
1. Introducción
Pudimos ver los métodos espectrométricos aplicados a moléculas pero sin
embargo existen algunos elementos que se pueden determinar de forma atómica,
claro que estos elementos tienen características especiales, mas que todo cuando
estos son excitados para luego regresar a su estado fundamental, en este tipo de
determinaciones el espectro que forma el analito a estudiar es fundamental, ya
que por lo general no existente espectros iguales de elementos distintos.
Estos espectros pueden calcular ya sea por absorción atómica o emisión atómica,
claro que existen también la fluorescencia, pero en lo que respecta a esta practica
veremos la emisión atómica que se realiza en la determinación del sodio de una
muestra por fotometría de llama.
2. Objetivos
2.1.Objetivo General
El objetivo general de la práctica es:
 Realizar la determinación por fotometría de llama del sodio.
2.2.Objetivos Específicos
Los objetivos específicos de la siguiente práctica son:
 Conocer un fotómetro de llama.
 Conocer las diferencias entre emisión y absorción de radiaciones
electromagnéticas.
 Relacionar la intensidad de emisión con la concentración.
 Conocer el concepto de radiaciones monocromáticas.
3. Fundamento teórico
Introducción a la espectrometría óptica atómica
Hay tres grandes tipos de métodos espectrométricos para identificar los
elementos presentes en la materia y determinar sus concentraciones: (1) la
espectrometría óptica, (2) la espectrometría de masas y (3) la espectrometría de
rayos X. En la espectrometría óptica, los elementos presentes en una muestra se
convierten en átomos o iones elementales en estado gaseoso por medio de un
proceso denominado atomización. De esta manera se mide la absorción
ultravioleta/visible, la emisión o la fluorescencia de las especies atómicas en el
vapor. En la espectroscopia de masas atómica, las muestras también se atomizan,
sin embargo, en este caso, los átomos en estado gaseoso se convierten en iones
positivos (generalmente con una única carga) y se separan en función de su
relación masa-carga. Los datos cuantitativos se obtienen por el recuento de iones
separados. En la espectrometría de rayos X, no se necesita atomizar, ya que, para
la mayoría de los elementos, los espectros de rayos X son independientes de
cómo se encuentren dichos elementos combinados químicamente en una
muestra.
Espectros de emisión atómica
A temperatura ambiente, esencialmente todos los átomos de una muestra de
materia se encuentran en su estado fundamental. Por ejemplo, en estas
condiciones el único electrón más externo de un átomo de sodio ocupa el orbital
3s. La excitación de este electrón a orbitales de mayor energía se puede
conseguir por el calor de una llama, un plasma, una chispa o arco eléctrico. El
tiempo de vida de un átomo excitado es breve y, sin embargo, su regreso al
estado fundamental va acompañado de la emisión de un fotón de radiación. Las
transiciones habituales que siguen a la excitación de de los átomos de sodio se
nota en un espectro como los picos mas elevados del mismo, el sodio presenta 2
y están en las longitudes de onda de 5890 y 5896 Angstroms son las mas
intensas y son responsables del color amarillo que se observa cuando se
introducen sales de sodio en una llama.
Métodos de atomización
El mas utilizado es el de llama, aunque también existen por plasma, arco
eléctrico y chispa. En un atomizador de llama, la disolución de la muestra se
nebuliza mediante un flujo de gas oxidante, mezclando con el gas combustible y
se transporta a una llama donde se produce la atomización.
Fotometría de llama
Las llamas con coloraciones características que producen los compuestos de
sodio (amarillo), estroncio (rojo) y bario (verde) constituyen ensayos cualitativos
corrientes de estos elementos. El mecanismo de la excitación y emisión espectral
es el fundamento de la fotometría de llama. La correlación entre la energía
radiante emitida por un elemento y su concentración es la base del análisis.
La disolución de la muestra se atomiza, en condiciones cuidadosamente
controladas, en la llama, que a su vez, esta regulada por control de presión y del
flujo delos gases. Con frecuencia, el atomizador y el quemador constituyen una
unidad compacta. Se utilizan llamas de oxihidrogeno y oxiacetileno. La
intensidad de la emisión esta influenciada por diversos factores de la disolución,
como viscosidad, tensión superficial, tamaño de las gotas de la muestra,
presencia de disolventes orgánico.
La luz procedente de la llama se recoge en la rendija de entrada de un colimador,
cuya escala de longitudes de onda esta en disposición de aislar la línea de
emisión del elemento en ensayo. Se mide la intensidad de la línea mediante un
fotomultiplicador u otro tipo de fotoconvertidor y un circuito electrónico
asociado. Al medir la intensidad de una línea, la respuesta del instrumento
comprende la emisión espectral más la que corresponde al fondo. La corrección
del fondo se verifica midiendo primeramente la intensidad de la línea mas a
fondo, estudiando todo lo ancho de la línea para efectuar la lectura de su pico
(punto de intensidad máxima) y después estudiando lentamente la línea a partir
del pico, hacia un lado y determinando la lectura mínima (campo). La anchura de
la rendija del monocromador debe ser tan pequeña como sea posible,
conservando una adecuada sensibilidad. La relación señal a campo debe de ser lo
mayor posible.
Las fuentes comunes de error comprenden las interferencias debidas a la
proximidad o solapamiento de líneas de otros elementos, a la superposición de
una línea sobre una banda molecular de absorción, a la autoabsorción de la
energía radiante por átomos del mismo elemento en estado fundamental y a la
ionización de átomos del elemento que se analiza y al aumento o supresión de la
emisión por cationes y aniones, respectivamente.
4. Procedimiento Experimental
4.1.Materiales, Equipos y Reactivos
 Vaso de precipitado de 250mL.
 Matraz aforado de 50mL
 Matraz volumétrico de 500mL.
 Matraces volumétricos de 50mL.
 Vasos pequeños del fotómetro de llama.
 Fotómetro de llama.
 Cloruro de sodio.
 Agua destilada.
4.2.Procedimiento
Seleccione el filtro correspondiente al sodio de 589.3 nm.
Dejar pasar previamente aire a través del quemador atomizador y luego dejar
pasar el propano.
Encender la llama colocando los flujos de los gases en los valores recomendados
para el instrumento. Calibrar el equipo colocando a cero con agua destilada y el
100% de la escala del instrumento con la solución mas concentrada. Esto se
realiza con el botón de sensibilidad de acuerdo a las concentraciones a
determinar.
Obtener lecturas de la emisión para las soluciones patrones de sodio preparadas
(en nuestro caso de 10, 20, 50, 80 y 100ppm).
Realizar la lectura para la solución problema, si fuera necesario realizar
diluciones para poder utilizar la curva de calibración obtenida.
5. Datos, Cálculos y Resultados y Discusión
En esta experiencia se trabajo con el fotómetro de llama, además que se trabajo
con mezcla de propano y aire para producir la llama, primeramente se preparo
una solución de 50mL de una concentración de 100ppm, donde tuvimos que
calcular la cantidad de cloruro de sodio que debíamos de pesar para preparar la
solución de la siguiente manera:
Partiendo de esta solución preparada, preparamos las siguientes concentraciones
en de 25mL, que nos servirán para preparar la curva patrón, los cálculos lo
realizaremos con la ecuación de la dilución que es la siguiente, además
mostraremos en la tabla los volúmenes que se deben añadir a los matraces
volumétricos de 25mL
Donde C2 es la concentración que varía según lo deseamos.
Cppm Vol
mL
0 0
2.5 0.625
5 1.25
7.5 1.875
10 2.5
12.5 3.125
Aquí mostramos los mililitros de solución preparada de 100ppm de
concentración que debemos añadir, para obtener las concentraciones respectivas
en un volumen de 25mL.
Se procedió a dar lectura a la emisión del fotómetro cada vez que analizaba cada muestra.
C ppm Emisión
0 0
2.5 3
5 5.5
7.5 7
10 9
12.5 14.5
Cx 8.5
Ahora mostraremos la grafica de emisión vs concentración, para así luego
linealizar mediante regresión y luego determinar la concentración (Cx)
desconocida.
Linealizando la curva tenemos la siguiente ecuación
Con esta ecuación podremos calcular la concentración desconocida de Cx como
ya calculamos su emisión respectiva, por lo tanto
Esta es la concentración de Cx.
6. Observaciones, Conclusiones y Recomendación
Observaciones
Las observaciones son las siguientes:
 Para la preparación de la primera solución se tiene que tener una gran
precisión y exactitud al pesar la cantidad de cloruro de sodio, ya que como
vio es una cantidad muy pequeña.
 De igual forma al calcular los volúmenes para las distintas
concentraciones requeridas deberán realizarse con la mayor exactitud
posible.
 En lo que respecta al fotómetro de llama se debe utilizar el filtro
correspondiente de 589.3nm.
 Se debe de regular el flujo de la mezcla combustible oxidante, se tiene que
tener una llama adecuada eso para poder verificar la existencia de sodio,
con una coloración amarilla en la llama.
Conclusiones
Las conclusiones de la práctica son las siguientes:
 Pudimos conocer las principales características del fotómetro de llama que
nos sirvió para determinar las emisiones de distintas concentraciones de
sodio.
 La emisión difiere de la absorción más que todo en la forma como se
determina, en la absorción se utiliza necesaria mente un cátodo en la
fuente del material que se desea determinar, mientras que en la emisión no
existe una fuente y la muestra esta directamente en la llama.
 La intensidad de la emisión esta en función de la concentración del analito
que se desea determinar, normalmente es una relación lineal que se tiene
entre ambos.
 La radiación monocromática es una situación ideal de trabajo, en la
radiación electromagnética que consta de una sola longitud de onda; en la
práctica, una banda muy estrecha de longitudes de onda.
Recomendaciones
Las recomendaciones de son las siguientes:
 Se debe regular muy bien el flujo de la mezcla combustible oxidante,
como también se debe determinar de la mejor forma la mezcla que se va a
utilizar.
 Si bien se hizo el calculo para una concentración de 100ppm tal vez hubo
un problema, ya que cuando sometimos la solución a la llama no se pudo
divisar con claridad la coloración amarilla característica del sodio, por lo
que nos hace pensar que la concentración que se hallo es del 100ppm de
cloruro de sodio y no así de solamente sodio, es decir, que hubo menos
cantidad de sodio del que se pretendía.
 En esta practica el equipo contaba con sus respectivas cubetas donde se
colocan las muestras que se están midiendo sus emisiones, para que se
tenga una buena emisión siempre se debe ambientar con la solución los
recipientes, como también enjuagar bien con agua destilada.
7. Bibliografía
1. Química Analítica, Skoog/West/Holler/Crouch, Mc Graw Hill, Mexico
(2001).
2. Análisis Químico Cuantitativo, Fischer Robert B, Peters Dennis G,
Editorial Interamericana, México (1970).
3. Análisis Químico Cuantitativo, Ayres Gilbert, Editorial Harla S.A.
Latinoamérica (1975).
4. Laboratorio Química Analítica Cuantitativa, Hamel Fonseca Jaime, Texto
Guía de Laboratorio (2007) UMSS.
8. Cuestionario
Preguntas y Ejercicios Previos
1. Explique la excitación que sufren los átomos por calentamiento de una
llama.
En la espectrometría óptica, los elementos presentes en una muestra se
convierten en átomos o iones elementales en estado gaseoso por medio de un
proceso denominado atomización.
A temperatura ambiente, esencialmente todos los átomos de una muestra de
materia se encuentran en su estado fundamental. Por ejemplo, en estas
condiciones el único electrón más externo de un átomo de sodio ocupa el orbital
3s. La excitación de este electrón a orbitales de mayor energía se puede
conseguir por el calor de una llama. El tiempo de vida de un átomo excitado es
breve y, sin embargo, su regreso al estado fundamental va acompañado de la
emisión de un fotón de radiación
2. Indicar otras formas de excitación de las muestras.
Además de la llama se puede lograr la excitación de una muestra por medio de
un plasma, una chispa o arco eléctrico; cabe mencionar que el plasma tiene aun
mas subdivisiones de cómo se podría excitar una muestra.
3. Explique el proceso de filtraciones de las radiaciones en un fotómetro
de llama.
Los atomizadores de llama se emplean en espectroscopia de emisión, absorción y
fluorescencia atómica. El aerosol, formado por el flujo del gas oxidante, se
mezcla con el combustible y pasa a través de una serie de deflectores que
eliminan las gotitas de disolución que no sean muy finas. Como consecuencia de
la acción de estos deflectores, la mayor parte de la muestra se recoge en ele
fondo de la cámara de mezcla, donde se drena hacia un contenedor de desechos.
El aerosol, el oxidante y el combustible se queman pues un mechero provisto de
una ranura, que produce una llama de generalmente mide entre 5 y 10 cm de
longitud.
Los mecheros de flujo laminar proporcionan una llama relativamente estable y
larga. Estas propiedades tienden a aumentar la sensibilidad y la reproducibilidad.
4. Indicar los elementos posibles de determinar con un fotómetro de
llama.
La espectroscopia de emisión en átomos se basa en medir la intensidad de una
línea de emisión específica del elemento que se desea determinar. Cuanto mayor
sea la intensidad de ésta línea, mayor es su concentración.
En los instrumentos de EEA, la flama atomiza y excita los componentes de la
muestras.
Estos emiten radiación electromagnética de diferentes longitudes de onda que
son separadas en el monocromador y la línea de interés llega al detector, al
amplificador y finalmente al sistema de lectura.
Las relativamente bajas temperaturas de la flama, limitan la aplicación práctica
de la EEA en flama a los elementos más fáciles de excitar, o en bajos potenciales
de ionización, como son los elementos alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs) y los
alcalinotérreos (Ca, Mg, Sr, etc.).
Las muestras que se introducen en la llama pueden ser liquidas o gaseosa
5. Indicar las posibles interferencias en el análisis del sodio por
fotometría de llama.
Las fuentes comunes de error comprenden las interferencias debidas a la
proximidad o solapamiento de líneas de otros elementos, a la superposición de
una línea sobre una banda molecular de absorción, a la autoabsorción de la
energía radiante por átomos del mismo elemento en estado fundamental y a la
ionización de átomos del elemento que se analiza y al aumento o supresión de la
emisión por cationes y aniones, respectivamente.
Conclusiones
1. Explique el método de la fotometría de llama y su aplicación a los
análisis cuantitativos.
Las llamas con coloraciones características que producen los compuestos de
sodio (amarillo), estroncio (rojo) y bario (verde) constituyen ensayos cualitativos
corrientes de estos elementos. El mecanismo de la excitación y emisión espectral
es el fundamento de la fotometría de llama. La correlación entre la energía
radiante emitida por un elemento y su concentración es la base del análisis.
La disolución de la muestra se atomiza, en condiciones cuidadosamente
controladas, en la llama, que a su vez, esta regulada por control de presión y del
flujo delos gases. Con frecuencia, el atomizador y el quemador constituyen una
unidad compacta.Se utilizan llamas de oxihidrogeno y oxiacetileno. La
intensidad de la emisión esta influenciada por diversos factores de la disolución,
como viscosidad, tensión superficial, tamaño de las gotas de la muestra,
presencia de disolventes orgánico.
La luz procedente de la llama se recoge en la rendija de entrada de un colimador,
cuya escala de longitudes de onda esta en disposición de aislar la línea de
emisión del elemento en ensayo. Se mide la intensidad de la línea mediante un
fotomultiplicador u otro tipo de fotoconvertidor y un circuito electrónico
asociado. Al medir la intensidad de una línea, la respuesta del instrumento
comprende la emisión espectral más la que corresponde al fondo. La corrección
del fondo se verifica midiendo primeramente la intensidad de la línea mas a
fondo, estudiando todo lo ancho de la línea para efectuar la lectura de su pico
(punto de intensidad máxima) y después estudiando lentamente la línea a partir
del pico, hacia un lado y determinando la lectura mínima (campo). La anchura de
la rendija del monocromador debe ser tan pequeña como sea posible,
conservando una adecuada sensibilidad. La relación señal a campo debe de ser lo
mayor posible
2. Indique las limitaciones e interferencias de este método.
Las fuentes comunes de error comprenden las interferencias debidas a la
proximidad o solapamiento de líneas de otros elementos, a la superposición de
una línea sobre una banda molecular de absorción, a la autoabsorción de la
energía radiante por átomos del mismo elemento en estado fundamental y a la
ionización de átomos del elemento que se analiza y al aumento o supresión de la
emisión por cationes y aniones, respectivamente.
3. Explique porque no se puede utilizar este equipo para análisis de 
otros elementos que no están en los grupos alcalino, alcalino térreos.
No se puede utilizar debido a que en particular los elementos de los grupos
alcalinos y alcalinos térreos, tienen solamente sus orbitales s completos y los p
vacios, lo que les da esa facilidad de excitarse sin mayor problema y además de
ser bastante notorios la excitación que estos tienen, ya que tienen que ir del
orbital s al p donde produce una gran cantidad de energía reflejada en el espectro
de radiación electromagnética. Pero en cambio ya los elementos a partir del
grupo 3 ya tienen electrones en su orbital p y si excitaría un electrón de estos
elementos no seria tan relevante la excitación, o en muchos casos no se
produciría la excitación.