Gravimetría

La gravimetría es una técnica de química analítica que se divide en cualitativa (qué) y cuantitativa (cuánto). Los procesos de separación pueden llevarse a cabo de varias formas, entre ellas:

  • Precipitación
  • Volatilización
  • Extracción
  • Deposición electrolítica
  • Complejación
  • Adsorción

Gravimetría por Precipitación

En este método, el constituyente buscado se separa en forma de sustancia insoluble, es decir, como precipitado.

Idealmente, la forma de precipitación debería cumplir las siguientes exigencias:

  • 1) El precipitado debe ser tan insoluble que la cantidad del constituyente buscado que permanezca en solución debe ser inferior al peso más pequeño detectable con la balanza analítica (alrededor de 0,1 mg).
  • 2) Los otros constituyentes presentes en la solución no deben precipitar con el reactivo ni interferir en la precipitación del constituyente buscado.
  • 3) El precipitado no debe contaminarse con las sustancias solubles presentes en la solución. Normalmente, esta condición no se cumple totalmente, pero la contaminación puede reducirse al mínimo eligiendo las condiciones de precipitación más adecuadas.
  • 4) El precipitado debe ser fácilmente filtrable y lavable, quedando libre de impurezas solubles.

Clasificación de los Precipitados

Los precipitados se clasifican según el tamaño de sus partículas en:

  • Cristalinos
  • Caseosos
  • Gelatinosos
  • Coloidales
  • Granulares

Agentes Principales Inorgánicos y Orgánicos

Etapas en la Formación de un Precipitado

Para que un precipitado sea de interés analítico, debe cumplir algunos requisitos, como ser fácil de obtener y separar. Las etapas en la formación de un precipitado son dos:

Nucleación y Crecimiento de Partículas

1. Nucleación: Proceso en el cual se unen un número mínimo de átomos, iones o moléculas para formar una partícula sólida estable. Tras la nucleación, comienza el crecimiento de las partículas.

2. Crecimiento de partículas.

Para entender la formación de un precipitado, son clave los conceptos de solubilidad y sobresaturación:

  • Solubilidad: Cantidad máxima de una sustancia que puede disolverse en una determinada cantidad de solvente a temperatura y presión dadas, para formar una mezcla homogénea (solución saturada).
  • Sobresaturación: Condición en la cual una solución contiene más soluto disuelto del que puede estar en equilibrio con la fase sólida.
  • Reacción Química: Proceso en el que la reacción entre componentes resulta en una fase sólida insoluble y medible, de composición a veces desconocida.
  • Tamaño de las Partículas: Es muy variable. En un extremo están las suspensiones coloidales, con partículas finas (del orden de 10⁻⁷ a 10⁻⁴ cm) invisibles a simple vista, que no tienden a sedimentar ni se filtran fácilmente.
  • La dispersión temporal de partículas más grandes en la fase líquida se llama suspensión cristalina. Las partículas de una suspensión cristalina tienden a sedimentar espontáneamente y pueden filtrarse con facilidad.

Tipos de Precipitado: Coloidales y Cristalinos

Gravimetría Cuantitativa

La gravimetría cuantitativa consiste en separar y pesar un elemento o compuesto de composición química conocida. En un análisis gravimétrico, se suelen realizar las siguientes operaciones:

  • 1) Toma de muestra.
  • 2) Disolución de la muestra (agua, ácido o disgregación).
  • 3) Análisis cualitativo (previo).
  • 4) Desecación.
  • 5) Pesada inicial de la muestra.
  • 6) Dilución apropiada (si es necesario).
  • 7) Aplicación de la técnica gravimétrica.

Clasificación por Método de Separación

La gravimetría puede clasificarse según el método de separación:

  • Vaporización o Volatilización: Se elimina la parte volátil por calentamiento. Esta gravimetría se denomina indirecta.
  • Electrogravimetría: Se hace pasar corriente eléctrica por una solución y el catión a determinar se deposita en el cátodo (generalmente de platino), que se pesa antes y después de la electrólisis.
  • Por Precipitación: Requiere una reacción que produzca un producto lo más insoluble posible (precipitación cuantitativa). Se considera cuantitativa si la pérdida de sustancia no excede 0,1 mg.
Etapas de la Gravimetría por Precipitación
  • 1. Precipitación: Se realiza en un vaso de precipitación. El volumen de líquido no debe superar la mitad del vaso. Se puede ajustar el volumen a 100-200 ml con agua. El reactivo precipitante debe ser lo más puro posible para evitar interferencias. Su concentración debe ser diluida y se agrega generalmente sobre la solución caliente y agitando.
  • 2. Separación y Lavado del Precipitado: Se deja decantar y luego se separa el precipitado. El material de filtración dependerá de si el precipitado se va a desecar o calcinar.
  • 3. Tratamiento del Precipitado: Una vez obtenido, el precipitado se debe desecar o calcinar según la técnica elegida. La desecación se realiza en estufas entre 105 y 120ºC para eliminar la humedad, pudiendo llegar hasta 250ºC.
  • 4. Peso Constante y Pesada Final: Una vez calcinado o desecado, el precipitado debe enfriarse a temperatura ambiente antes de pesar. Para ello, se utiliza un desecador (recipiente cerrado con sustancia desecante como CaCl₂). Una vez frío, se pesa. Este proceso de enfriamiento y pesada se repite hasta obtener dos pesadas consecutivas iguales, lo que indica que se ha alcanzado el peso constante (pesada final).

Operaciones Generales en Gravimetría

  • Muestreo:
    • Preparación de la muestra
    • Pesado de la muestra
    • Solución de la muestra
  • Precipitación
  • Filtración:
    • Filtro de papel
    • Crisol Gooch
    • Filtros de vidrio con fondo poroso
    • Embudo Büchner
  • Lavado de precipitados
  • Secado y Calcinación de precipitados

Iones

Iones: Átomos con carga positiva o negativa debido a un número desigual de protones y electrones.

  • Cationes: Pierden electrones y adquieren carga positiva (+).
  • Aniones: Ganan electrones y adquieren carga negativa (-).

Propiedades de los Iones

  • Los iones son altamente reactivos, especialmente en fase gaseosa.
  • Generalmente, reaccionan con iones de carga opuesta para formar compuestos neutros.
  • Los iones con carga negativa (más electrones que protones) se llaman aniones. Los iones con carga positiva (pérdida de electrones) se llaman cationes.
    • CATIÓN: Iones positivos. Frecuentes e importantes en metales (ej: oro, plata). Átomos que han perdido electrones.
    • ANIÓN: Iones negativos. Átomos que han ganado electrones (ej: cloro, azufre).

Clasificación de los Iones

  • Monoatómicos: Compuestos por un solo átomo.
  • Poliatómicos: Compuestos por más de un átomo.

Potenciometría

La potenciometría es una de las técnicas electroanalíticas. Es importante comprender en qué consiste un método electroanalítico, ya que no presenta características unívocas y puede subdividirse en diferentes sistemas o procedimientos.

Los métodos electroanalíticos son procesos instrumentales empleados para diversos análisis, como por ejemplo: electrogravimetría, conductimetría, amperometría, voltametría.

Función Básica de la Potenciometría

Esta técnica determina la concentración de una especie electroactiva o de una disolución, empleando dos elementos fundamentales: un electrodo de referencia y un electrodo de trabajo.

Al sumergir dos electrodos (de referencia e indicador) en una disolución, se forma una celda electroquímica. La medida del potencial eléctrico de esta celda proporciona información sobre la concentración o el coeficiente de actividad de las sustancias en disolución.

Aplicaciones de la Medición de pH

La medición del pH es una aplicación frecuente:

  • Neutralización (ácido-base)
  • Precipitación (complejos)
  • Coagulación (compuestos químicos)
  • Desinfección (bacterias)
  • Control de la corrosión (acidez mineral)

La intensidad de la acidez o alcalinidad en una solución se indica por el pH (actividad del ión hidrógeno).

Calibración del Instrumento

¿El instrumento se calibra? (Potenciómetro, pHmetro, electrodo general). Sí, se calibra comparándolo con materiales de referencia.

¿Utiliza materiales de referencia? Sí. Soluciones estándar de pH (ej: 4, 7 y 10). La tolerancia es un valor alrededor de la concentración (ej: 4 ± 0.02 UpH a 25°C). La temperatura afecta el valor y la tolerancia.

¿También hay pendiente de la curva? Sí (pendiente ‘m’, expresada en mV). Esto da como resultado el Slope (pendiente del electrodo), que idealmente está entre 90-110%. Se usan de 2 a 5 puntos para la calibración, siendo 2 o 3 lo más común.

¿Quiénes pueden calibrar? Personal autorizado. La calibración implica comparar valores (ej: el valor de 4 UpH se relaciona con un valor de mV específico).

Equilibrio de Fases

Conceptos Fundamentales

  • Fase: Porción homogénea de un sistema. Las propiedades intensivas macroscópicas son idénticas en cualquier punto de la fase.
  • Sistema Homogéneo: Formado por una sola fase.
  • Sistema Heterogéneo: Formado por más de una fase.
  • Transición de Fase: Conversión de una fase en otra.

Regla de las Fases y Puntos Característicos

Regla de las Fases: Para caracterizar completamente un sistema termodinámico, es necesario conocer el valor de un número de variables intensivas independientes.

Punto de Ebullición Normal: Temperatura a la que la presión de vapor del líquido es igual a 1 bar (o 1 atm).

Punto de Fusión Normal: Temperatura a la que funde el sólido si la presión es de 1 bar.

Sublimación: Transición directo de sólido a gas.

Liofilización

Liofilización: Deshidratación a baja presión.

  • 1. Congelar el material (ej: café molido).
  • 2. Disminuir la presión.
  • 3. El agua sólida (hielo) sublima directamente a vapor de agua, que se elimina.

Ventajas:

  • Evita el secado por calentamiento (preserva compuestos sensibles como los del sabor).
  • Evita la descomposición (la ausencia de agua impide el crecimiento bacteriano).

Fluido Supercrítico: Estado de la materia más allá del punto crítico.