5 Informe. Química Verde Cinética Cr-EDTA
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2015 Sede Interuniversitaria de Alajuela
1
Estudio Cinético de la Reacción de Cr(III) con EDTA
José Daniel Herrera González* Gabriela Monge Castro
*
*Escuela de Química, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Sede Interuniversitaria de Alajuela, Universidad Nacional de Costa Rica.
RESUMEN: Se describe el estudio cinético de la reacción entre el ion cromo (III) y el ácido
etilendiaminotetraacético con una evaluación café a verde. A partir de la sal disódica de EDTA y nitrato de
cromo (III) nonahidratado se prepararon las correspondientes disoluciones de EDTA y cromo (III) ajustando el
pH de la disolución de EDTA a 4,5. Seguidamente, se preparon disoluciones con un exceso de EDTA para
lograr que la velocidad de reacción sea únicamente dependiente de la concentración de Cr3+
y del pH. Para
obtener el orden de reacción se leyó periódicamente la absorbancia de dichas disoluciones las cuales se
graficaron. La cinética de reacción que mejor se ajustó entre la reacción de Cr3+
y el EDTA fue la de orden 2.
Palabras claves: química verde, cinética, velocidad de reacción, cromo, EDTA, absorbancia.
PRINCIPIOS DE QUÍMICA VERDE
(1) Prevención. Es mejor prevenir la formación de
residuos a tener que gastar energía y dinero en su
tratamiento una vez formados.
(2) Economía Atómica. Los métodos de síntesis deben
estar diseñados para maximizar la incorporación de
todos los reactantes (sin incluir solventes o catalíticos)
dentro del producto final.
(5) Disolventes y Auxiliares Seguros. Es mejor evitar
el uso de sustancias auxiliares como disolventes y en el
caso de que se empleen, deberán ser lo más inocuos
posibles.
(6) Eficiencia Energética. Los requerimientos
energéticos en un proceso químico se catalogan por su
impacto económico y al medio ambiente; por lo tanto,
se sugiere llevar a cabo los métodos de síntesis a
temperatura y presión ambiente.
(12) Evitar el Riesgo de Accidentes Químicos. Las
sustancias y la forma de una sustancia usada en un
proceso químico deberá ser elegida para reducir el
riesgo de accidentes químicos, incluyendo las
emanaciones, explosiones e incendios.
FUNDAMENTO TEÓRICO
La cinética química es el estudio de las velocidades de las
reacciones químicas y de las variables que la afectan
(concentración, temperatura, presión, entre otras), esta rama
introduce la variable tiempo, pues la cinética informa del
tiempo necesario para que se alcance el equilibrio en una
reacción. A partir del estudio de las velocidades de reacción,
se puede conocer el camino por el que transcurre la
reacción, el mecanismo de reacción (1).
La velocidad de una reacción química se define como el
cambio en la concentración de los reactivos con respecto al
tiempo o bien como la velocidad de decrecimiento de la
concentración de los reactivos y está asociada a dos
parámetros, la constante de velocidad y el orden de reacción
(2).
Se estudió la velocidad de reacción entre el ion cromo (III) y
el ácido etilendiaminotetraacético, un ligando hexadentado
que puede formar complejos con un metal que tenga una
estructura de coordinación octaédrica. La especie que se
forma es el anión complejo [Cr(EDTA).]. Se utilizó un
exceso de EDTA de modo que la velocidad de reacción
dependiera solamente de la concentración de Cr3+
y del pH
de la mezcla (concentración iones hidronio). Al combinar
ambas disoluciones no se observó evidencia de que
estuviese ocurriendo una reacción, sin embargo al cabo de
un tiempo el color verde inicial de la mezcla cambió a
púrpura intenso asociado a la formación del complejo
[Cr(EDTA).]. La intensidad del color púrpura se debe al
aumento en la concentración del complejo y a la
desaparición del ion cromo (III).
METODOLOGÍA
Las disoluciones acuosas iniciales se prepararon utilizando
EDTA disódico (3,7229 g, 10,00mmol) y nitrato de cromo
nonahidratado (0,1236 g, 0,35mmol) en concentraciones 0,1
mol/L y 0.012 mol/L respectivamente, y se ajustó el pH de la
disolución de EDTA a ~ 4,5 utilizando hidróxido de sodio 0,1
mol/L. Se agregaron a tubos Eppendorf 5 mL de la disolución
de EDTA y 2,00; 4,00 y 6,00 mL de la disolución de nitrato de
cromo a dichos tubos. Inmediatamente se leyó la absorbancia
de las disoluciones a intervalos de 10 min durante
aproximadamente una hora. Una vez finalizado este tiempo se
colocaron las disoluciones en un baño de agua a 100 °C por 10
min.
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Finalmente se leyó la absorbancia de las disoluciones por
última vez y se realizaron las respectivas gráficas para
determinar qué orden de reacción se ajustó más a la reacción
estudiada
EVALUACIÓN DEL ACERCAMIENTO VERDE
Etapa 1. Construcción del diagrama de flujo
b) Añadir 5 mL EDTA a cada
vaso de precipitados
conTenidos con
2 ml, 4 mL y 6 mL de Cr3+
c) Obtener un espectro de
absorción en ámbito 320-650
para cada mezcla cada 10 min,
durante 3 h.
d) Colocar cada disolución en
Un baño de agua 100°C
aproximadamente 10min,
enfriar a temperatura
ambiente, obtener las
absorbancias respectivas
5(5)
1(4)
12(7)
6(2)
1(5)
6(6)
Evaluación total del proceso
a.1) 30 mL
NaOH + H2O+EDTA
d.1) 25 mL
NaOH + [Cr-EDTA]-
+NaNO3+H2O+Cr(NO3)3
2(8)
6(8)
a) Ajustar el pH a la disolución
de EDTA con NaOH (pH�4,5)
6
Esquema 1. Estudio Cinético de la Reacción entre Cr3+
con EDTA
3(5)
1(2)
5
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Etapa 2. Evaluación al acercamiento verde
Tabla 1. Evaluación de los pasos para el experimento realizado.
RESULTADO DE LA EVALUACIÓN VERDE
Se determinó mediante la sumatoria de todas las
evaluaciones realizadas (39) la cual se divide entre el total
de eventos analizados (8), que el resultado de la práctica
“Estudio cinético de la reacción de cromo (III) con EDTA”
se considera como transición café a verde (5).
Paso Descripción
Paso a Se preparó la disolución de EDTA a partir de su sal disódica, la cual se le ajusto el pH a 4.5 para obtenerla
como H2Y2-
, se utilizó una sustancia auxiliar de una disolución amoniacal concentrada, la cual es
corrosiva, produce vapores irritantes que afectaban el sistema respiratorio, presentando un riesgo para la
salud, obedeciendo al principio 5, sin embargo se empleó una pequeña cantidad (gotas), capaz de
alcanzar un pH cercano a indicado anteriormente, por lo que se calificó como un ligero acercamiento verde
(5).
Asimismo, al ajustar el pH ocurrió un consumo de energía por parte del pH-metro. El cual consumió
0,167 Wh, inclinándose al principio 6, calificándolo con un buen acercamiento verde (8) debido a que el
consumo de Wh es pequeño comparado a otros equipos empleados.
Paso a.1 Como resultado del ajuste del pH de EDTA, se generó una mezcla de una disolución amoniacal (corrosiva,
inocua) y EDTA (nociva) la cual se desechó como un residuo, debido a que el volumen era considerable se
calificó con el principio 1 como café (4).
Paso b Al terminar el ajuste del pH, se procedió a añadir tres porciones de igual volumen de EDTA (5mL)a tres
vasos de precipitados, posteriormente se agregó a cada uno volúmenes distintos (2,4,6 mL) de una
disolución de nitrato de cromo (III), el cual es oxidante pero al estar en baja concentración, se califica bajo
el principio 3 calificándolo como transición café a verde (5). Además, estas disoluciones se consideran
nocivas e irritantes, incorporando un riesgo para la salud por lo que se califica con el principio 12, con un
acercamiento a verde (7), debido a que el volumen empleado es mínimo.
Paso c Al mezclar las disoluciones, se procedió a determinar las absorbancias (cada 10 min por 3 horas),
manejando el espectrofotómetro cumpliendo con el principio 6, calificándolo como medianamente café
(2), debido a que consumió aproximadamente 2364 Wh, siendo un gasto considerable.
Paso d Al finalizar las lecturas (después de las 3 horas), cada disolución se procedió a calentar durante unos 10
min máximo, empleando el calentador el cual produjo un consumo de 170 Wh aproximadamente, el cual
obedece al principio 6, por lo que se logra calificar con un acercamiento a verde (6).
Paso d.1 Este paso, es consecuencia de los lavados a las celdas que se realizaron durante la toma de las
absorbancias, esta mezcla contenía; hidróxido de amonio, [Cr-EDTA]- , trazas de Cr(NO3)3 y nitrato de
sodio respectivamente se considera un residuo por lo que cumple con el principio 1, ya que estos
productos son corrosivos, irritantes, comburentes individualmente por lo que se califica como muy café (2)
debido a que se encontraban diluidos.
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REFERENCIAS
[1] Velocidad de Reacción. Universidad Autónoma de
Madrid.http://www.uam.es/docencia/reyero00/docs/velocida
d_de_reaccion2.pdf (Accesado el 22 de octubre del 2015)
[2] Avery, H. E. Cinética Química Básica y Mecanismos de
Reacción. 2002, pp 29-30
[3] Piedra, G. Q.; Alfaro, J. R.; Mora, R. Manual de
Laboratorio de Inorgánica. Universidad Nacional: Costa
Rica, 2015; pp 78-79 , M.; Marina, L. Martínez, J; Sánchez,
L. B.; Hernández, O. M.; Razo, G. A.; Valdivia, A. O.;
Ruvalcaba, R. M. ¿Qué tan verde es un experimento?.
INVENTARIO DE DESECHOS Y REACTIVOS
Sustancia Fórmula
molecular
Clasificación Toxicidad/
Estabilidad
Observaciones y
precauciones
especiales
Etapa
donde fue
generada
Cantidad
consumida
/generada ONU UNA
DE
SE
CH
OS
Lavados
H2O+ NH4OH+
EDTA
8. Corrosivo
1. Bases inorgánicas
Corrosivo Irritante
Tóxico
Alejar de materiales incompatibles. Emplear equipos de protección personal: guantes
Paso a.1 30,00 mL
Lavados
NH4OH + Cr-
EDTA- + trazas de
Cr(NO3)3 + nitrato
de sodio
8. Corrosivo
1. Base inorgánica
Corrosivo Irritante
Utilizar equipo de protección persona: guantes.
Paso d.1 20,00 mL
ANEXO
Cuadro 1. Masa de las sales para le preparación de las disoluciones respectivas. por el método de diferencia en una balanza analítica electrónica.
Masa gramos Cr(NO3)3 . 9H2O 0,1236 EDTA-2Na 3,7229
Cálculo para la preparación de una disolución de Cr3+
0,012 mol/L a partir de nitrato de cromo (III)
nonahidratado
0,012 mol/L400,15 g
1 molx0,025L= 0,1200 g
Cálculo para la preparación de una disolución 0,1 mol/L
de EDTA a partir de la sal disódica de EDTA
0,01 mol/L 372,24g
1 molx0,1L= 3,7224 g
Cálculo de la energía consumida por el pH-metro
5 min
60 min= 0,083
Energía eléctrica = 2 W𝑥0,083h = 0,167 Wh
Cálculo de la potencia y energía eléctrica consumida
por parte del espectrofotómetro
Potencia Eléctrica (W) = 250Vx3,15 A = 788 W
Energía eléctrica = 788 W𝑥 3h = 2364Wh
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Cálculo de la energía eléctrica consumida por la
plantilla
10𝑚𝑖𝑛
60 𝑚𝑖𝑛= 0,167 h
Energía eléctrica = 1020 Wx 0,167 h = 170,34 Wh
Cálculo de la energía eléctrica total
Energía eléctrica total = 0,167 Wh + 2364 Wh +
170,34 Wh =2535 Wh