Titulacion EDTA

Rolando Oyola Martínez, Ph. D. Departamento de Química

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Determinación de dureza de agua mediante titulación con EDTA Introducción

La dureza de agua, cantidad total de calcio y magnesio en una muestra de agua, puede ser determinada mediante una titulación de complejación usando ácido tetracético de etilendiamina (EDTA, también conocido como Y) como agente titulante. Desde el punto de vista cuantitativo se puede expresar dureza mediante el valor de mg/L (ppm) de CaCO3 en la muestra. El intercambio iónico es otra manera de cuantificar iones de calcio y magnesio en una muestra, pero es un poco más complicado y requiere de mayor tiempo de preparación de equipo. El tiempo de análisis aumenta debido a que se tiene que preparar la columna de intercambio iónico. Además, para cada determinación o corrida de muestra se tiene que regenerar la columna. Sin embargo, a diferencia de intercambio iónico, una titulación de complejación requiere mucha menor cantidad de tiempo ya que solo se requiere preparar las soluciones. Además, el EDTA posee ventajas que lo hacen ideal para una titulación de complejación. Entre las ventajas se encuentran; (1) está disponible comercialmente, (2) de bajo costo, (3) alta pureza y (4) forma complejos de alta estabilidad con los iones más comunes. Una de las desventajas es que se tiene que controlar el pH de la solución mediante amortiguadores. EDTA es usado en muchas áreas de la química tales como procesos industriales, productos comerciales como detergentes, pastillas, productos de limpieza y como aditivo o preservativo en alimentos. En el laboratorio se llevará a cabo la reacción química definida por la ecuación (1):

2 4 2( ) ( ) ( )Ca ac Y ac CaY ac (1)

con una constante de equilibrio dada por la ecuación (2):

2

2 4

[ ]

[ ][ ]

CaYf Ca Y

K

(2)

El EDTA es un ácido poliprótico con seis posiciones que pueden donar un hidronio. Sin embargo, para efectos de valores de constantes de disociación ácida se tiene como base la forma neutral del EDTA, es decir al tener una carga positiva y una negativa. El uso de un amortiguador, donde el pH se mantiene constante, nos permite expresar la concentración de Y4- como función de los valores alfa (α), fracción de cierta especie a cierto pH. La forma Y4- es la que por definición se usa en el proceso de cuantificación del complejo con los cationes. El valor de α4 se puede expresar según la ecuación (3):

1 2 3 44 3 2

3 1 3 1 2 3 1 2 3 3 1 2 3 4[ ] [ ] [ ] [ ]a a a a

a a a a a a a a a a

K K K K

H O K H O K K H O K K K H O K K K K (3)

Este valor α4 representa la fracción de EDTA que se encuentra como Y4- a cierto pH. Por lo tanto, se puede establecer la ecuación (4):

44[ ] EDTAY C (4)

donde CEDTA es la concentración analítica de EDTA, es decir, la suma de todas sus posibles formas presentes en solución menos como complejo. Al sustituir la ecuación (4) en (2) y se establece que el pH se mantiene constante, se puede definir una constante de formación condicional (Kf’) para el equilibrio entre el ión de calcio y el Y4-. El valor de Kf’ se define como Kfα4 ya que la función α sólo depende de pH el cual es constante durante el experimento:

2

2

[ ]'4[ ] EDTA

CaYf fCa C

K K

(5)

La formación del complejo CaY2- es cuantitativa ya que la constante de equilibrio (Kf’) es de alta magnitud (>108). Es importante mencionar que la identidad del amortiguador puede afectar el equilibrio presentado mediante la ecuación (5). Por ejemplo, el ión de calcio puede formar complejos con NH3 por lo que un amortiguador que se compone de NH4:NH3 complica el sistema de ecuaciones de equilibrios químicos presentes en solución. En este caso en específico, la formación de complejos entre calcio y NH3 ayuda a que el primero no se precipite como su hidróxido, es decir el NH3 actúa como agente auxiliar. Bajo estas condiciones el NH3 tiene dos funciones principales; base conjugada en el amortiguador y de agente auxiliar. Por lo tanto, en este experimento se puede establecer una constante de condicional prima (Kf

’’). Otros cationes, tales como magnesio y hierro, pueden

formar complejo con Y4-. Sin embargo, el valor de Kf’ para el ión de magnesio es menor que la de calcio. Esta propiedad del complejo de magnesio y Y4- nos permite el uso del indicador metalocrómico eriocromo negro T. Este indicador (Ind) forma un complejo con el magnesio con mayor estabilidad (mayor Kf) que con calcio. Esto quiere decir que antes del punto final de la titulación la muestra posee un color rojo-vino debido a la presencia de Mg(Ind). Antes del punto final se tiene que el Y4- es el reactivo limitante al reaccionar con calcio preferiblemente sobre magnesio. Sin embargo, en el punto final de la titulación se debe observar un cambio en color de rojo-vino pasando por violeta a azul claro. El cambio en color se debe a que en el punto final, es decir al consumir todo el calcio y tener exceso de EDTA, el magnesio forma el complejo con EDTA al este desplazar el indicador dando lugar al color azul claro correspondiente al indicador libre (HInd2-) en solución. La reacción de punto final es la siguiente:

Titulación Complejométrica 2



3 2 2( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ac ac ac ac acMg Ind HY MgY HInd H (6)

El complejo Mg(Ind) es rojo-vino en solución, mientras que HInd2- es azul claro. Es importante hacer notar que el indicador Eriocromo Negro T es un ácido orgánico diprótico (Ka1 = 5 x 10-7 y Ka2 = 2.8 x 10-12) por lo que también es un indicador de pH ya que los colores de sus especies poseen distintos colores. Por ejemplo, H2Ind- es rojo, HInd2- es azul y Ind3- es anaranjado.

En este experimento usted determinará la concentración de carbonato de calcio en una muestra de agua por titulación complejométrica. La determinación de CaCO3, en ppm, es una medida relacionada a la dureza del agua ya que los iones de calcio y magnesio son los que se precipitan en mayor cantidad. Además, es común el que otros iones que contribuyen a la dureza del agua se encuentren en mucho menor concentración que calcio y magnesio. La manera más común de determinar la dureza del agua es mediante una titulación del agua con etilendiamina (EDTA).

Objetivo

Determinar la dureza del agua mediante la determinación de calcio en una muestra desconocida por titulación de complejación con EDTA.

Método

En este experimento se usará la técnica de titulación de complejación usando un ligando polidentado, EDTA, como agente titulante y el indicador metalocrómico negro de erio cromo T.

Reactivos y su preparación: 1) Solución de EDTA (Aproximadamente 0.01M) =

a) Seque a 80 °C por dos horas 1.5 gramos de la sal Na2H2Y•2H2O (PM 372.240). Coloque el sólido en el desecador.

b) Prepare 250.0 mL de una solución aproximadamente 0.01 M EDTA por pesada directa. Disuelva lentamente con agua deionizada. Cuidado: Lleve a volumen luego de que todo el sólido ha sido disuelto. El proceso de disolución puede tomar tiempo.

2) Solución de NH4Cl:NH3, solución amortiguadora = Posiblemente ya se encuentra preparada en el extractor.

3) Solución de MgCl2 0.01 M = Posiblemente ya se encuentra preparada en el extractor. Prepare 100.0 mL de solución con concentración de 0.01 M en MgCl2 por pesada directa.

4) Solución MgY2- 0.005 M = Prepare 10.0 mL de MgY2- mediante mezcla de 5.0 mL de la solución de EDTA preparada en la parte 1b con 5.0 mL de MgCl2 0.01 M preparada en la parte 1d.

5) Solución de la muestra desconocida = Si este experimento se lleva a cabo luego del experimento de intercambio iónico, entonces ya tiene la muestra preparada. La muestra desconocida será la misma que la de intercambio iónico. De no tener la muestra

preparada puede proceder de la siguiente forma. Tome la muestra desconocida que tendrá disponible y transfiérala cuantitativamente a un matraz volumétrico de 500 mL. Tiene que disolver la muestra a añadiendo lentamente y con agitación agua deionizada al matraz. Lleve a volumen con agua deionizada. Recuerde homogenizar la solución.

6) Solución del indicador metalocrómico erio-cromo negro T = Ya se encuentra preparada en el extractor.

Procedimiento 1) Muestra cualitativa de referencia para cambio de color

en la identificación de punto final. a) En un vaso limpio y seco de 50 mL mezclar los

siguientes reactivos: 50 mL de agua deionizada, 2 mL del amortiguador, 5 gotas del indicador, de 3 a 5 gotas de la solución 0.005 M MgY2-. Añada gota a gota el agente titulante a la mezcla hasta que observe la formación del color azul.

2) Determinación de CaCO3 a) Transfiera una alícuota de 25.00 mL de la

solución del desconocido a un matraz cónico de 150 o 250 mL.

b) Añada 2.0 mL de la solución amortiguadora de NH4Cl:NH3. Tiene que a añadir el amortiguador antes que el indicador.

c) Añada 10 gotas de la solución 0.005 M MgY2- y 5 gotas del indicador Erio-cromo negro T.

d) Titule la muestra con la solución de EDTA. Asegúrese de obtener un cambio en color de rojo-vino, pasando por violeta a azul claro para identificar el punto final. Esta parte es crítica. En la región del punto de final debe añadir lentamente el agente titulante y agitar la solución ya que la reacción es lenta.

e) Repita el procedimiento para las muestras restantes, si alguna. Al menos debe tener tres determinaciones del desconocido.

Datos Experimentales Tabla 1: Preparación solución EDTA

Peso Na2H2Y•2H2O (g) ± Volumen Matraz (mL) ±

Tabla 2: Titulación muestra con EDTA

Volumen Alícuota (mL) ±

Volumen EDTA (mL) Muestra Inicial Final ñadido 1 2 3 4 5

Cálculos 1) Determinación de la concentración de EDTA (0.01

M) (Datos experimentales en Tabla 1

Titulación Complejométrica 3



a) Calcule la concentración analítica de EDTA mediante Tabla 1.

2) Determinación de CaCO3 en la muestra (Datos experimentales en Tabla 2) a) Determine el valor de ppm de calcio para cada

muestra. Verifique que la unidad final de ppm es mg/L.

___

3

3

1000

. )

EDTAEDTAV M PM CaCOppmCaCO

Vol alícuota en mL

(7)

b) Calcule los parámetros estadísticos (promedio, desviación estándar, RSD (%), y LC (95%)) para ppm de CaCO3.

Conclusiones

Presente los resultados obtenidos junto con sus incertidumbres absolutas o relativas en base al objetivo del experimento. Identifique posibles fuentes de error y discuta como el error afecta el valor reportado en sus resultados. Identifique en qué dirección, mayor o menor relativo al valor esperado, el error descrito afecta sus resultados.

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