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.
C ppm 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
debemosañadir, 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 disolventesorgánico.
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