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Análisis de agua en el laboratorio

Análisis de cloruros

Introducción

El ion cloruro (Cl) es uno de los aniones principales en el agua natural. Los contenidos de cloruros de las aguas son variables y se deben principalmente a la naturaleza de los terrenos atravesados. Habitualmente, el contenido de ion de cloruro de las aguas naturales es inferior a 50 mg/L. Puede producir un sabor salado y es especialmente notable si el agua procede de plantas desaladoras.

Se determinan mediante volumetría de precipitación, en la que se mide el volumen de solución patrón necesario para precipitar completamente un compuesto del catión o anión analizado.


El método de Mohr es un ejemplo de volumetría de precipitación que se utiliza para determinar iones cloruro, entre otros. La valoración se hace con solución patrón de nitrato de plata (AgNO3). El indicador es el ion cromato CrO42−. Este ion hace que inicialmente la muestra tenga color amarillo para formar un precipitado rojo de cromato de plata (Ag2CrO4) en el punto final o punto de equivalencia. Las reacciones que ocurren en esta determinación son:

\[Cl^- + AgNO_3\ \longrightarrow\ AgCl\ \downarrow\ (\text{precipitado blanco}) + NO_3^-\]

\[2Ag^+ + K_2CrO_4\ \longrightarrow\ Ag_2CrO_4\ \downarrow\ (\text{precipitado rojo ladrillo}) + 2K^+\]

La muestra debe tener un pH neutro o cercano a la neutralidad. Este es el caso de casi todas las muestras de agua natural o de consumo.

Procedimiento experimental

1. Echamos 100 mL de agua del grifo (V1 de agua problema) en un matraz Erlenmeyer. Añadimos tres gotas de disolución de cromato potásico al 5 %. La muestra tomará color amarillo. 

muestra con cromato de potasio
García Vargas, A. et al. (2012). Cloruros totales en el agua de abastecimiento.. Muestra con cromato de potasio.

2. Valoramos la muestra con una disolución de nitrato de plata (AgNO3) de concentración 5 g/L. Al agregar el nitrato de plata, los iones Agy Cl forman AgCl, muy poco soluble en agua, por lo que se forma un precipitado de color blanco (aunque parece amarillo por el color de la disolución).

Valoración cloruros
García Vargas, A. et al. (2012). Cloruros totales en el agua de abastecimiento. Valoración cloruros.

3. Cuando hayan precipitado todos los iones Cl del agua problema, los iones Ag+ siguientes y los iones CrO42- añadidos inicialmente formarán un precipitado rojo de Ag2CrO4.

4. Un matiz rojizo persistente en la superficie de la muestra indica el final de la valoración. Anotamos el volumen gastado (V2) de AgNO3.

Cambio de color
Ávila-Hernández, José Guadalupe et al., Revista de Simulación y Laboratorio 2018.. Viraje en la valoración del ion cloruro.

5. Realizamos la valoración dos veces y calculamos el volumen V2 medio.

Cálculos

La estequiometría de la reacción entre el ion cloruro y el ion plata es 1:1, lo que significa que por cada mol de nitrato de plata añadido precipita un mol de cloruro.

1. La concentración de la disolución de nitrato de plata es 5 g/L. ¿Cuál es su molaridad?

El peso molecular del nitrato de plata es 169.87 g/mol, por tanto:

\[M_{AgNO_3} = 5\ \frac{g}{L}\cdot \frac{1\ mol}{169.87\ g} = 0.029\ \frac{mol}{L} = {\color{red}{0.029\ M}}\]

2. Determina la concentración molar de iones cloruro en la muestra.

La estequiometría de la reacción es 1:1, por lo tanto, puedes escribir:

\[V_1\cdot M_{Cl^-} = V_2\cdot M_{AgNO_3}\]

V1 es el volumen de la muestra de agua (100 mL) y Ves el volumen de disolución de AgNO3 gastado en la valoración.

3. Determina la concentración en mg/L de iones cloruro en la muestra.

Convierte la molaridad calculada en el paso anterior a mg/L sabiendo que el peso atómico del ion cloruro es 35.45 g/mol

Análisis de dureza del agua

Introducción

La dureza del agua se define como la suma de las concentraciones de calcio y magnesio, expresadas como CaCO3, en mg/L. El rango de dureza varía entre cero y cientos de mg/L, dependiendo de la fuente de agua y el tratamiento al que haya sido sometida.

Para determinar la cantidad de iones calcio y magnesio se utiliza la volumetría complexométrica (o quelatométrica). En ella se mide el volumen de solución patrón necesario para formar un complejo con un catión metálico del compuesto que se analiza. El más empleado de los compuestos que forman complejos es la sal disódica del AEDT (ácido etilendiaminotetraacético) por su facilidad de disolución en agua: la solución se prepara de forma directa.

El AEDT forma complejos estables con la mayoría de los cationes y entra siempre en relación molar 1:1 en la fórmula del complejo, independiente de la carga del catión, como se muestra en las siguientes reacciones:

\[Mg^{+} + Y^{4-}\ \to\ MgY^{2-}\]

\[Al^{3+} + Y^{4-}\ \to\ AlY^-\]

\[Ca^{2+} + Y^{4-}\ \to\ CaY^{2-}\]

Los iones formados en las reacciones anteriores son incoloros, de tal manera que para determinar el punto final se emplean indicadores llamados metalcrómicos. Estos tienen la propiedad de formar complejos con cationes como el Ca2+ y el Mg2+, de distinto color al que presenta el indicador libre.

Procedimiento

1. Llenamos la bureta de disolución de AEDT de concentración M2 = 0.01 mol/L.
2. Echamos V1 = 25.0 mL de agua problema (agua del grifo) en un Erlenmeyer y añadimos 5 mL de disolución tampón (NH4OH + NH4Cl) para mantener el pH en el intervalo 9–10.
3. Agregamos un poco de «Negro de Eriocromo T» (NET) y la disolución toma color rojo, debido que el indicador forma un complejo con los iones Mg2+.  La reacción del indicador con los iones Ca2+ y Mg2+ presentes en la muestra que se valora es del siguiente tipo:

\[M^{2+} + HIn^{2-}\ \to\ (M\cdot In)^- + H^+\]

siendo los reactivos de color azul y los productos rojos, de ahí el color de la disolución.

Color de la disolución problema
Wikimedia Commons - LHcheM. Adaptada de «Eriochrome Black T indicator». (CC BY-SA)

4. Agitamos la disolución y valoramos con AEDT, que forma complejo estable con los iones Ca2+. Cuando se agotan los iones Ca2+, el AEDT formará un complejo similar con los iones Mg2+ y deja libre el indicador, tomando la disolución color azul claro. Anotamos el volumen de AEDT consumido (V2). 
5. Calculamos la dureza total, considerando que cada mol de AEDT se combina un mol de Ca2+ (o Mg2+).

Cálculos

1. Concentración molar de iones Ca2+ e iones Mg2+ en la muestra.

Como la estequiometría de la reacción es 1:1, podemos calcular la concentración molar de iones calcio y magnesio a partir de la siguiente expresión:

\[V_1\cdot M_1 = V_2\cdot M_2\]

2. Cálculo de la concentración en mg/L.

En este análisis vamos a determinar la dureza del agua total, expresada en mg/L de CaCO3. Como el peso atómico del CaCO3 es 100.09 g/mol:

\[[CaCO_3] = M_1\cdot 100.09\]

Así obtenemos la concentración en g/L. Para expresarla en mg/L utilizaremos el factor de conversión 1 g = 1000 mg.

3. Calidad del agua según su dureza.

¿Cuál es la calidad del agua de tu localidad según su dureza? Clasifícala con la tabla:

Dureza Concentración CaCO3 (mg/L)
Suma calidad hasta 150
Calidad media hasta 300
Calidad aceptable hasta 500
Calidad mala más de 600

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