Determinacion De Hierro En Mena 1b445

Escuela Superior Politécnica del Litoral FCNM Laboratorio de Química Analítica

Ingeniería Química

Practica #: 3

Título: Determinación de hierro en mena.

Paralelo: 103

Profesor: Luis Antonio Vaca Salazar

Elaborado por: Sánchez Basurto Carlos Xavier

Título de la práctica: Determinación de hierro en mena. Objetivo General: Determinar la cantidad de hierro presente en una mena utilizando el método gravimétrico para identificar qué tipo de mineral está siendo sujeto a estudio. Objetivos específicos:  Emplear las técnicas apropiadas para preparar las disoluciones requeridas en la práctica.  Registrar el punto de equivalencia en las titulaciones con el permanganato de potasio a través del punto de viraje.  Determinar a qué mineral corresponde la muestra con el porcentaje obtenido del ensayo.

Marco Teórico: Una de las aplicaciones más importantes de las titulaciones con permanganato es la determinación de hierro en las diferentes menas. Los principales minerales o menas de hierro son los óxidos y los óxidos hidratados como la hematita 𝐹𝑒2 𝑂3 , la magnetita 𝐹𝑒3 𝑂4 , la goetita 𝐹𝑒2 𝑂3 . 𝐻2 𝑂 y la limonita 2𝐹𝑒2 𝑂3 . 3𝐻2 𝑂. Debido a que la mena siempre se presenta en estado sólido se requiere disolverla debido a que la mayoría de las muestras que contienen hierro son aleaciones metálicas u óxidos de hierro, que son insolubles en agua, se usa ácido nítrico, ácido clorhídrico o ácido sulfúrico. (Skoog, 1995) (Harris, 2005) El ácido clorhídrico es el mejor ácido para disolver estos minerales. Los óxidos hidratados se disuelven con rapidez, mientras que la magnetita y la hematita se disuelven más bien lentamente. Para la determinación de hierro se requiere que todo el hierro esté presente como hierro (II) y no como hierro (III), para ello se debe reducir el hierro. Para efectuar esta reducción se usan varios agentes reductores como: sulfuro de hidrógeno, dióxido de azufre, zinc metálico, cio, plomo, aluminio, cloruro de estaño(II).

Un método simple supone la adición de un exceso muy pequeño de cloruro de estaño (II) a la solución caliente de la muestra de hierro en ácido clorhídrico, seguida de la destrucción del exceso de estaño (II) con mercurio (II). El precipitado de cloruro de mercurio (I) es pequeño y no interfiere en la titulación. No obstante, si se adiciona un gran exceso de cloruro de estaño (II), el cloruro de mercurio (I) puede reducirse posteriormente a mercurio libre. El mercurio, que en estas condiciones se produce finamente dividido, ocasiona que el precipitado aparezca de color gris a negro. La tendencia a la reducción adicional del 𝐻𝑔2 𝐶𝑙2 , se disminuye si la solución se enfría y el 𝐻𝑔𝐶𝑙2 se adiciona con rapidez. (Christian, 2009) Existe una fuente potencial de error en la determinación de hierro con permanganato, el cual es la oxidación inducida del ion cloruro. Para eliminar este error se requiere el uso del reactivo de Zimmerman Reinhardt, este reactivo contiene sulfato manganoso, ácido fosfórico y ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico da la acidez necesaria para la titulación. El sulfato manganoso disminuye el potencial de oxidación del permanganato y actúa como catalizador positivo aumentando la velocidad de reducción del permanganato. La adición de ácido fosfórico, en un medio de ácido sulfúrico, hace más sensible el viraje del color en el punto final. El ion fosfato forma un complejo estable e incoloro de fosfato férrico. Por lo tanto, el viraje de color es de incoloro a rosado, y el permanganato sirve como indicador del punto final. La ausencia de ácido fosfórico el viraje sería de amarillo o amarillo verdoso a rosado. El color amarillo o amarillo verdoso es característico del 𝐹𝑒 3+ cuando se halla presente en concentraciones relativamente alta. (Christian, 2009) (Skoog, 1995)

Materiales:    

Bureta de 50 mL ± 0.08 mL. Embudo de vidrio. Soporte universal. Pisceta

       

Matraz Erlenmeyer 250 mL. Pipeta de 10 mL ± 0.2 mL. Agarradera doble para buretas. Probeta de 10 mL ± 0.02 mL. Vidrio reloj. Crisol de porcelana. Espátula. Varilla de agitación.

Reactivos:       

𝐻𝑔𝐶𝑙2 al 5% p/v. 𝑆𝑛𝐶𝑙2 0.25 M. 𝐾𝑀𝑛𝑂4 0.02 N Reactivo de Zimmerman. HCl ©. 𝐻2 𝑂 (𝑑). Muestra problema.

Equipos:  Plancha de calentamiento marca Cole-Parmer.  Balanza analítica con cuatro decimales de precisión marca ADAMS.  Sorbona.

Procedimiento:

 Pesar aproximadamente 0.05 g de la mena de hierro con cuatro decimales de precisión  Añadir 5 mL de HCl ©, y calentar ligeramente para descomponer la muestra. Una solución amarilla, es indicativa de presencia de 𝐹𝑒 3+ .  Se reduce la sal férrica a 𝐹𝑒 2+ añadiendo 1.5 mL de 𝑆𝑛𝐶𝑙2 0.25 M. Cubrir permanentemente el matraz con un vidrio de reloj pequeño para evitar pérdidas.  Calentar suavemente hasta que la muestra se haya descompuesto y la solución quede completamente calara. Si

existe sólido, este debe presentarse de color blanco, debido a la presencia de silicatos no descompuestos, los cuales no interfieren en el análisis. Si la solución se vuele muy amarilla, añadir 1 o 2 mL de 𝑆𝑛𝐶𝑙2 mas.  Eliminar el exceso de 𝑆𝑛𝐶𝑙2 con la rápida adición de 5 mL de cloruro mercúrico 𝐻𝑔𝐶𝑙2 al 5% p/v.  Enfriar a temperatura ambiente utilizando un baño de agua.  Añadir cuidadosamente 12.5 mL de reactivo de Zimmerman y 300 mL de agua destilada.  Titular inmediata y lentamente todo el contenido anterior con 𝐾𝑀𝑛𝑂4 0.02 N hasta el cambio de color a rosa pálido.  Calcular el % de hierro en la mena e identifique el tipo de mena. Reacciones involucradas: 1. Reacción de reducción de hierro usando 𝑆𝑛𝐶𝑙2 . 𝟐𝑭𝒆𝟑+ (𝒂𝒄) + 𝑺𝒏𝟐+ (𝒂𝒄) → 𝟐𝑭𝒆𝟐+ (𝒂𝒄) + 𝑺𝒏𝟒+ (𝒂𝒄) 2. Reacción para eliminar el exceso de estaño usando 𝐻𝑔𝐶𝑙2 . 𝑺𝒏𝟐+ (𝒂𝒄) + 𝟐𝑯𝒈𝑪𝒍𝟐(𝒂𝒄) → 𝑯𝒈𝟐 𝑪𝒍𝟐(𝒂𝒄) + 𝑺𝒏𝟒+ (𝒂𝒄) + 𝟐𝑪𝒍− (𝒂𝒄) 𝑺𝒏𝟐+ (𝒂𝒄) + 𝟐𝑯𝒈𝑪𝒍𝟐(𝒂𝒄) → 𝑯𝒈(𝒍) + 𝑺𝒏𝟒+ (𝒂𝒄) + 𝟐𝑪𝒍− (𝒂𝒄) 3. Reacción de al agregar reactivo de Zimmerman.

𝑴𝒏𝑶𝟒(𝒂𝒄) − + 𝟓𝑭𝒆𝟐+ (𝒂𝒄) + 𝟏𝟓𝑯𝑷𝑶𝟒 𝟐− + 𝟖𝑯𝟑 𝑶+ (𝒂𝒄) → 𝑴𝒏𝟐+ (𝒂𝒄) + 𝟓𝑭𝒆(𝑯𝑷𝑶𝟒 )𝟑 𝟑− + 𝟏𝟐𝑯𝟐 𝑶𝒍

4. Reacción de valoración con 𝐾𝑀𝑛𝑂4 .

𝑴𝒏𝑶𝟒(𝒂𝒄) − + 𝟓𝑭𝒆𝟐+ (𝒂𝒄) + 𝟖𝑯𝟑 𝑶+ (𝒂𝒄) → 𝑴𝒏𝟐+ (𝒂𝒄) + 𝟓𝑭𝒆𝟑+ (𝒂𝒄) + 𝟏𝟐𝑯𝟐 𝑶𝒍

Resultados:

Tabla 1: Datos de la práctica.

Descripción. Masa de mena con hierro. Cantidad de titulante consumido.

Unidades. 0.0499 g 6.1 mL.

Cálculos:  Para preparar 25 mL de cloruro de mercurio 5% p/v. 𝟐𝟓𝒎𝑳 𝒔𝒐𝒍 ×

𝟓𝒈 𝑯𝒈𝑪𝒍𝟐 = 𝟏. 𝟐𝟓 𝒈 𝑯𝒈𝑪𝒍𝟐 𝟏𝟎𝟎 𝒎𝑳 𝒔𝒐𝒍

 Para preparar 25mL de cloruro estañoso 0.25 M a partir de 𝑺𝒏𝑪𝒍𝟐 . 𝟐𝑯𝟐 𝑶(𝒔) 𝟐𝟓𝒎𝑳 𝒔𝒐𝒍 ×

𝟏𝒍 𝟎. 𝟎𝟐𝟓𝒏 𝑆𝑛𝐶𝑙2 𝑺𝒏𝑪𝒍𝟐 . 𝟐𝑯𝟐 𝑶(𝒔) 𝟐𝟐𝟓. 𝟓𝟗𝒈𝑺𝒏𝑪𝒍𝟐 . 𝑯𝟐 𝑶(𝒔) × × × 𝟏𝟎𝟎𝟎𝒎𝑳 𝟏𝑳 𝑺𝒏𝑪𝒍𝟐 . 𝟐𝑯𝟐 𝑶(𝒔) 𝑆𝑛𝐶𝑙2 = 𝟏. 𝟒𝟎𝟗𝒈 𝑺𝒏𝑪𝒍𝟐 . 𝑯𝟐 𝑶(𝒔)

 Para preparar 100 mL de solución 𝐾𝑀𝑛𝑂4 0.02 M. 𝟏𝟎𝟎𝒎𝑳 𝒔𝒐𝒍 ×

𝟏𝒍 𝟎. 𝟎𝟐𝒏 𝐾𝑀𝑛𝑂4 𝟏𝟓𝟖. 𝟎𝟑𝒈𝐾𝑀𝑛𝑂4 × × = 𝟎. 𝟑𝟏𝟔𝟏𝒈𝐾𝑀𝑛𝑂4 𝟏𝟎𝟎𝟎𝒎𝑳 𝟏𝑳 𝟏𝒏𝐾𝑀𝑛𝑂4

 Para preparar el reactivo de Zimmerman: disuelva 25 g de sulfato manganoso hidratado en 873.3 mL de agua destilada; a continuación, agregar 33.3 mL de ácido sulfúrico concentrado y 33.3 mL de ácido fosfórico concentrado, enfriar y aforar con agua destilada hasta obtener 250 mL de disolución.

Determinación de hierro en la mena:

𝟔. 𝟏 × 𝟏𝟎−𝟑 𝑳 ×

𝟎. 𝟎𝟐𝒏𝐾𝑀𝑛𝑂4 𝟏𝟓𝟖. 𝟎𝟑𝒈𝐾𝑀𝑛𝑂4 𝟏𝒆𝒒 − 𝒈𝐾𝑀𝑛𝑂4 × × = 𝟔. 𝟏 × 𝟏𝟎−𝟒 𝒆𝒒 − 𝒈𝐾𝑀𝑛𝑂4 𝟏𝑳 𝟏𝒏𝐾𝑀𝑛𝑂4 𝟑𝟏. 𝟔𝟏𝒈𝐾𝑀𝑛𝑂4

𝟏𝒆𝒒 − 𝒈𝑲𝑴𝒏𝑶𝟒 = 𝟏𝒆𝒒 − 𝒈 𝑭𝒆𝟑+

𝟔. 𝟏 × 𝟏𝟎−𝟒 𝒆𝒒 − 𝒈𝑭𝒆𝟑+ ×

×

𝟏𝟖. 𝟔𝟐𝒈 𝑭𝒆𝟑+ 𝟏𝒏 𝑭𝒆𝟑+ 𝟏𝒏𝑭𝒆𝟐 𝑶𝟑 × × 𝟑+ 𝟑+ 𝒆𝒒 − 𝒈𝑭𝒆 𝟓𝟓. 𝟖𝟒𝟓𝒈 𝑭𝒆 𝟐𝒏 𝑭𝒆𝟑+

𝟏𝟓𝟗. 𝟔𝟗𝒈𝑭𝒆𝟐 𝑶𝟑 = 𝟎. 𝟎𝟏𝟔𝟐𝟒𝒈𝑭𝒆𝟐 𝑶𝟑 𝒏𝑭𝒆𝟐 𝑶𝟑

Determinación de porcentaje en la mena: 𝟎. 𝟎𝟏𝟔𝟐𝟒𝒈𝑭𝒆𝟐 𝑶𝟑 × 𝟏𝟎𝟎 = 𝟑𝟐. 𝟓𝟒% 𝟎. 𝟎𝟒𝟗𝟗 𝒈 𝒎𝒆𝒏𝒂 Tabla 2: resultados de la práctica.

Descripción Cantidad de óxido de hierro en la mena. Porcentaje de óxido de hierro experimental.

Unidad 0.01624g 32.54%

Análisis de Resultados: Se obtuvo una masa experimental de 0.01624 g de óxido de hierro presente en la mena equivalente a un porcentaje de 32.54% valor muy a la magnetita (mineral, véase en anexos). La diferencia de porcentajes que existe entre estos 2 valores puede deberse a que, al tener oxígeno presente en la atmosfera, este pudo provocar que los iones 𝑭𝒆𝟐+ se oxiden a 𝑭𝒆𝟑+ . El exceso de 𝑯𝒈𝑪𝒍𝟐 a la solución también pudo alterar los datos debido a que se da la formación de mercurio que afectaría los datos en el proceso de titulación, ya que este también puede reaccionar con el 𝑲𝑴𝒏𝑶𝟒 alterando el volumen experimental. El error que se presentó también pudo haber ocurrido, ya que no se eliminaron todos los iones 𝐶𝑙 − que tenían que eliminarse, quedando así en el medio presencia de ellos, lo cual afecto al momento de titular. Observaciones:

 Al disolver la mena en 𝑯𝑪𝒍 concentrado, la solución adquirió un color amarillo, debido a la presencia de iones 𝑭𝒆𝟑+ , y se podía observar que al pasar el tiempo los minerales restantes iban poco a poco disolviéndose.  Al añadir el agente reductor 𝑺𝒏𝑪𝒍𝟐 a la solución comenzó a tornarse transparente casi verdoso, color característico del 𝑭𝒆𝟐+ que se obtiene al reducirse los iones 𝑭𝒆𝟑+ , pero luego regresaba a color amarillo, debido a una impureza, para lo cual se tuvo que agregar un poco más de 𝑺𝒏𝑪𝒍𝟐 .  Luego de enfriar la solución la coloración cambio de un verde amarillento a un color verde claro, no se regresó a amarillo por lo cual se procedió a agregar el 𝑯𝒈𝑪𝒍𝟐 .  Al momento de añadir el 𝑯𝒈𝑪𝒍𝟐 hubo formación de precipitado de 𝑯𝒈𝟐 𝑪𝒍𝟐 produciendo una capa de blanco sedoso a la muestra, lo cual era correcto que ocurra.  La coloración final que presentó la solución luego de titular con 𝑲𝑴𝒏𝑶𝟒 fue rosado, lo que permitió determinar que ese era el volumen necesario de 𝑲𝑴𝒏𝑶𝟒 que se necesitaba tomar, este color solamente persistió durante 30 segundos, luego la solución volvió al color que tenía inicialmente.

Recomendaciones:  Preparar todos los agentes reductores en la práctica, en especial el 𝑺𝒏𝑪𝒍𝟐 ya que este al tenerlo mucho tiempo en almacenamiento pierde el efecto, es decir se caduca.  Para evitar la formación de mercurio en estado líquido se debe agregar rápidamente los 5mL ml de 𝑯𝒈𝑪𝒍𝟐 .  Registrar correctamente el volumen de 𝑲𝑴𝒏𝑶𝟒 consumido en la titulación para evitar posibles errores en los cálculos experimentales, tomar en cuenta que la bureta no tiene 50 ml de volumen exacto ya que la punta no posee medición.  Si al momento de añadirle el 𝑯𝒈𝑪𝒍𝟐 a la solución no aparece precipitado, o al menos turbidez es señal de que no se añadió suficiente 𝑺𝒏𝑪𝒍𝟐 con lo cual probablemente no habremos reducido

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todo el 𝑭𝒆𝟑+ a 𝑭𝒆𝟐+ y si el precipitado aparece gris o negro lo que ha aparecido es mercurio metálico. Al momento de trabajar con el 𝐻𝐶𝑙 el cual es un ácido concentrado, realizarlo dentro de la sorbona ya que los gases que salen son tóxicos si se los llegase a inhalar. Verificar con exactitud los volúmenes finales e iniciales de la bureta. No dejar los frascos de reactivos destapados, ya que puede causar algún accidente. En caso de haber o de ácido con la piel, lavar con abundante agua la parte afectada. Verificar que el sistema de titulación este bien ubicado.

Conclusiones:  Se pudo determinar la presencia de hierro en la solución luego de llevar a cabo una titulación de tipo redox con el 𝑲𝑴𝒏𝑶𝟒 que cumplió el papel de agente oxidante.  El porcentaje de óxido de hierro presente en la mena, que fue de 32.54% indica que la muestra analizada se trataba de la magnetita (ver anexos).  Se logró reducir la mayor cantidad de errores positivos en la práctica haciendo uso del reactivo de Zimmerman, el cual ayudo a que la oxidación inducida del ion cloruro, no afectará al momento de realizar la titulación.  Esta técnica es aplicable a reacciones que no sean complejas, que no tengan reacciones en serie o en paralelo, que puedan representar una reacción química.  El punto de equivalencia es el punto de final de la titulación, este se puede conocer a través de los indicadores, los cuales permiten

que el analito presente cambios físicos dependiendo del tipo de reacción en la que estamos titulando.  Este método se lo utiliza para la determinación de hierros en acero o para la fabricación de estos mismos, así como en el campo laboral para la elaboración de hormigones

Bibliografía: 1. Gary D Christian. Química Analítica. Sexta edición. 2009. McGraw-Hill education. México. Capítulo10. PP 190, 191, 192.

2. Skoog Douglas. Química Analítica. 1995. McGraw-Hill education. Sexta edición. México. Capítulo 9. PP 248,250.

3. Daniel C. Harris. Análisis químico cuantitativo, McGraw-Hill education. Tercera edición. 2005. México. Capítulo 13, PP 354,355. Anexos: Tabla 3: tipos de menas de hierro.

Mena Magnetita Hematita Limonita Siderita

Porcentaje hierro. 72 70 60 48.2

de Porcentaje 𝑭𝒆𝟐 𝑶𝟑 68.97 100 89.86 -

de