Determinación de la dureza en aguas mediante volumetría complejométrica
Objetivos
∘ Aplicar los principios básicos de las volumetrías complejométricas en la determinación de la dureza de una muestra de agua
∘ Reforzar los conceptos relacionados con soluciones buffer
∘ Preparar una solución EDTA 0,01 F
∘ Determinar la dureza total, la dureza debida al magnesio, la dureza debida al calcio, de la muestra de agua
∘ Aplicar el concepto estadístico de desviación estándar para evaluar la precisión de resultados obtenidos
Aspectos teóricos
Dureza. 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 varia entre 0 y cientos de mg/l, dependiendo de la fuente de agua y el tratamiento a que haya sido sometida.
Volumetrías complejométricas. En las volumetrías complejométricas se mide el volumen de solución tipo, necesario para formar un complejo con un catión metálico del compuesto que se analiza.
Muchos cationes metálicos reaccionan con especies dadoras de electrones llamadas ligandos, para formar compuestos de coordinación o complejos. El ligando debe tener por lo menos un par de electrones sin compartir.
Los complejos llamados quelatos, se producen por la coordinación de un catión y un ligando, en los que el catión (metálico) es parte de uno o varios anillos de cinco o seis miembros.
Los compuestos orgánicos más conocidos que forman quelatos utilizables en análisis cuantitativo son el ácido nitrilotriacético, el ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) y la sal disódica del EDTA; estos compuestos se conocen comercialmente con los nombres de Titriplex I, II, y III respectivamente; también se utilizan los nombres de Complexonas, Vercenos o Secuestrenos.
El más empleado de los anteriores compuestos es la sal disódica del EDTA, por la facilidad de disolución en agua; la solución se prepara por el método directo dado el carácter de reactivo tipo primario de la sal disódica.
El ácido etilendiaminotetraacético EDTA contiene cuatro hidrógenos ácidos; por esa razón se representa también como H4Y.
El EDTA 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:
Mg²⁺ + Y⁻⁴ ⟶ MgY⁻²
Al³⁺ + Y⁻⁴ ⟶ AlY⁻¹
Ca²⁺ + Y⁻⁴ ⟶ CaY-²
Ag⁺ + Y⁻⁴ ⟶ AgY⁻³
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. Estos indicadores son ácidos débiles que se representan como Hin.
Determinación de la dureza total. El colorante utilizado para determinar la dureza total del agua (debida al calcio y al magnesio), es el negro de eriocromo T. Este colorante es triprótico y existe inicialmente como anión divalente de color azul HIn⁻² a pH 10. A la muestra se le adiciona solución buffer de pH 10 + 0,1, para mantener la estabilidad de los complejos formados; no puede incrementarse el pH de este valor, por cuanto precipitan el CaCO₃ o el Mg(OH)₂, además porque el indicador cambia de color a pH elevado, obteniéndose In⁻³ de color naranja.
La reacción del indicador con los iones M²⁺ (Ca²⁺ + Mg²⁺) presentes en la solución que se valora es del siguiente tipo:
| M²⁺ + HIn⁻² | ⟶ | Metal * indicador ⁻¹ + H⁺ |
| Color azul | Color rojo |
Al adicionar EDTA a la solución que contiene la muestra con el indicador, el EDTA se combina primero con el Ca²⁺ y luego con el Mg²⁺, ya que el complejo EDTA-Ca²⁺, es más estable que el complejo EDTA- Mg²⁺, mediante las siguientes reacciones:
| EDTA + Ca²⁺ EDTA + Mg²⁺ | ⇌ ⇌ | EDTA. Ca²⁺ EDTA. Mg²⁺ | K = 1010,7 K = 108,7 |
Determinación de la dureza debida al calcio. El calcio y el magnesio son ambos acomplejados por el EDTA a pH 10; la determinación de la dureza debida únicamente al calcio se hace a pH elevado (12-13), en este rango de pH, el magnesio precipita como Mg(OH)₂ y no interviene en la reacción; además el indicador utilizado para esta determinación solo se combina con el calcio.
El indicador murexida se emplea para determinar la dureza debida al Ca²⁺, vira de rojo claro (cuando forma el complejo con el Ca²⁺) a violeta (cuando está libre).
Determinación de la dureza debida al magnesio. La diferencia entre la dureza total y la dureza cálcica (expresada ambas como mg/l de CaCO₃), da directamente la dureza magnésica.
Aspectos teóricos por consultar
∘ Escriba las fórmulas molecular y estructural del EDTA y la sal disódica del EDTA
∘ El ácido etilendiaminotetraacético EDTA se representa también como H₄Y. Escriba la fórmula molecular de Y⁻⁴
∘ Describa la preparación de 250 ml de EDTA 0,01 F a partir de Na₂H₂Y. 2·H₂O; la sal disódica tiene un exceso de humedad de 0,3 %
∘ Escriba el valor de las constantes K1, K2, K3, y K4 del EDTA; ¿qué información deduce con respecto al valor de esas constantes?
Materiales, reactivos y equipos
Materiales. 1 probeta de 100 ml, 1 pipeta de 1 ml, 2 erlenmeyer de 250 ml, 1 bureta de 25 ml, 1 vidrio reloj, 1 balón aforado de 250 ml, 1 frasco lavador, 1 agitador de vidrio, 1 embudo de vidrio, 1 balón aforado de 100 ml.
Reactivos. Indicador preparado de negro de eriocromo T, trietanolamina, solución de trietanolamina al 30 % (V/V), solución buffer de pH 10, NH₃ 6 N, titriplex III (mantenido en estufa durante 2 horas a 105 °C enfriado en un desecador), HCl 6 N, indicador preparado de murexida, solución de KOH al 20 % (P/V).
Preparación del indicador negro de eriocromo T. Coloque en un vaso de precipitados de 100 ml, 15 ml de trietanolamina y 5 ml de etanol; adicione 0,1 g de negro de eriocromo T sólido y disuelva; almacene en un recipiente.
Preparación de la solución buffer de pH 10. Coloque en un vaso de precipitados de 100 ml, 7 g de NH₄Cl y disuélvalos en 57 ml de amoniaco concentrado; complete a 100 ml con agua destilada, almacene en un recipiente.
Preparación del indicador murexida. Mezcle 0,1 g de murexida (purpurato de amonio) con 25 g de KCl. Almacene en un recipiente.
Equipos. Pehachímetro, balanza analítica.
Procedimiento
Preparación de la solución de EDTA 0,01 F. Pese en un vidrio reloj la cantidad necesaria de la sal disódica del EDTA para preparar 250 ml de la solución 0,01 F.
En un balón aforado de 250 ml, coloque 50 ml de agua destilada, transfiera el EDTA al balón con la ayuda de un embudo y de un frasco lavador, agite hasta que el EDTA se haya disuelto (el EDTA se disuelve lentamente); una vez disuelto complete a volumen con agua destilada.
Determinación de la dureza total de la muestra de agua. Mida 100 ml de la muestra en un balón aforado de 100 ml y colóquelos en un erlenmeyer de 250 ml, ajuste el pH entre 7 y 10 mediante la adición de NH₃ 6 N o HCl 6 N. Adicione 1 ml de la solución buffer de pH 10 y 2 gotas de indicador negro de eriocromo T; agite.
Adicione lentamente desde una bureta la solución de EDTA; continúe la titulación hasta que el color de la solución cambie de rojo a azul. Calcule la dureza del agua como el promedio de dos valoraciones que no difieran en más de 0,2 ml.
Determinación de la dureza cálcica de la muestra de agua. Mida 100 ml de la muestra de agua en un balón aforado de 100 ml y colóquelos en un erlenmeyer de 250 ml; agregue 2-3 gotas de la solución de trietanolamina al 30 % (V/V); agregue aproximadamente 4 ml de la solución de KOH al 20 % (P/V); agite y ajuste el pH de la solución entre 12 y 13 con la solución de KOH; adicione aproximadamente 0,1 g del indicador murexida. Titule con la solución de EDTA hasta que el color de la solución cambie de rojo a violeta. Calcule la dureza debida al calcio como el promedio de dos valoraciones que no difieran en más de 0,2 ml.
Preguntas y cálculos
∘ ¿Qué problemas ocasionan las incrustaciones de CaCO₃ y CaSO₄ en las aguas utilizadas en la industria petrolera?
∘ ¿Qué problemas ocasiona la dureza en las aguas potables?
∘ Complete la siguiente tabla y calcule la dureza total del agua (mg/l de CaCO₃), la dureza cálcica (mg/l de CaCO₃) y la dureza magnésica (mg/l de CaCO₃); adiciones los cálculos respectivos
Tabla de datos
| Información requerida | Ensayo 1 | Ensayo 2 |
|---|---|---|
| Volumen de la muestra de agua (ml) | ||
| Volumen de EDTA gastado en la dureza total (ml) | ||
| Formalidad de la solución de EDTA | ||
| Volumen de EDTA gastado en la dureza de Ca²⁺ | ||
| Dureza total (mg/l de CaCO₃) (promedio) | ||
| Dureza debida al Ca²⁺ (mg/l de CaCO₃) (promedio) | ||
| Dureza debida al Mg²⁺ (mg/l de CaCO₃) (promedio) | ||
∘ Tabule los datos de la dureza total mg/l de CaCO₃, dureza debida al Ca²⁺ (mg/l de CaCO₃), y la dureza debida al magnesio (mg/l de CaCO₃), obtenidos por cada uno de los grupos y analice la precisión de los datos mediante la desviación estándar
∘ ¿Cómo se clasifican las aguas en términos de dureza, expresadas como mg/l de CaCO₃? ¿A qué clase de agua de acuerdo con la dureza corresponde la muestra de agua analizada?
∘ Deduzca las siguientes fórmulas que se encuentran en el API RP-45 para calcular el calcio y el magnesio de muestras de agua, mediante el método complexiométrico. Expresadas como mg/l de Ca y mg/l de Mg respectivamente
| mg/l (Ca) = | A·M(EDTA)·40,01·1.000 |
| ml (muestra) |
| mg/l (Mg) = | (B - A)·M(EDTA)·24,3·1.000 |
| ml (muestra) |
Donde:
- A = ml EDTA requeridos usando el indicador para calcio.
- B = ml EDTA requeridos usando el indicador negro de eriocromo T.
- M = molaridad del EDTA
Halle el pH teórico de la solución buffer preparada para la práctica anexe los cálculos respectivos.
• Bibliografía consultada
- API. Recommended Practice for Analysis of Oil - Field Waters. 2ED. API RP - 45. Texas. 1.968. Pág 10-11.
- APHA, AWWA, WPCF. Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales. Ed. Díaz de Santos, S.A. Madrid 1.992. Pág. 2-57-2-62.
- Rodier, J. Análisis de las aguas. Ed. Omega. Barcelona. 1.981. Pág 231-233.
- Sierra J.H Análisis de aguas potables y aguas residuales. Universidad de Antioquia. Medellín. 1.983. Pág. 71-91.
• Bibliografía para consultar
- APHA, AWWA, WPCF. Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales. Ed. Díaz de Santos, S.A. Madrid
- Briceño, C.O. y Cáceres, Rodríguez. Lilia de. Química General. Curso Universitario. Pime Editores. 1.986.
- NALCO. Manual del agua. Su naturaleza, tratamiento y aplicaciones. Tomo III. Mc Graw-Hill. 1.989
- Rodier, J. Análisis de las aguas. Ed. Omega. Barcelona. 1.981
Autor: Carlos Bahamon. España.
Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).
Ejemplos de cálculos de dureza del agua