Determinación de cobre y zinc en latón:Dos métodos básicos

Paul-Louis Fabre y Olivier Reynes *

Aleaciones constituyen muchos objetos de nuestra vida cotidiana y se estudianpara el desarrollo de nuevos materiales y la mejora desus propiedades (1, 2). Debido a sus características particulares(es decir, la conductividad, mecánico o resistencias a la corrosión), aleaciones de encontraraplicaciones en muchos campos como la aeronáutica, la construcción, la electrónicadispositivos, y joyería. El latón es una aleación de cobre y zinc y esfamiliar para la mayoría de los estudiantes. Es un material apropiado para unaeducativo experimento de laboratorio debido a su (i) bajo costo,(ii) la composición simple, principalmente cobre y zinc (5-45% en masa)andminor elementos (<5%), y (iii) la facilidad de disolución en ácido nítricopara dar iones Cu2þ y Zn2þ. Sorprendentemente, algunos artículos pedagógicosse dedican al estudio de bronce (3-5), a pesar de que en 1927, Stoutpublicado un método para la determinación de cobre en latón (6).Se describen dos métodos básicos para determinar la cantidadde cobre y zinc en latón. Este experimento puede ser fácilmentellevado a cabo durante una típica sesión de laboratorio de 3 h en nivel superiorlaboratorio de grado y no requiere instrumentación avanzada.El interés pedagógico radica principalmente en la baseconceptos de química analítica en soluciones: los procesos oxidativosde acuerdo a los potenciales estándar; selectiva o sucesivaprecipitaciones de acuerdo con los productos de solubilidad, Kps; potenciométricatitulaciones que producen precipitados; y titulaciones complexométricascon la competencia entre agentes complejos para enmascararun elemento.Una pieza de latón se disuelve en ácido nítrico concentrado para darCu2þ y Zn2þ iones; los metales se oxidan por el oxidanteagentes (H + y NO3-). Los estudiantes tienen que escribir yjustificar las reacciones redox de acuerdo a los potenciales estándar(7). La solución resultante se diluye en un matraz aforadoy utilizado en los siguientes titulaciones como la solución de prueba. La primeramétodo se basa en la valoración ácido-base de la solución de ensayo porhidróxido de sodio. La titulación muestra el equivalente de trespuntos correspondientes a (i) la neutralización del exceso deácido nítrico de la reacción redox; (Ii) la complejación de Cu2þy la precipitación de Cu (OH) 2, el hidróxido menos insoluble,y (iii) la complejación de Zn2þ y la precipitación deZn (OH) 2. Los estudiantes de nuevo escriben y justifican las reacciones con elayuda de los productos de solubilidad. El uso de estas reacciones y lavolúmenes de equivalencia medidos, calculan Cu2þ y Zn2þconcentraciones y entonces la relación de cobre y zinc en la pieza de latón.El segundo método consiste en dos valoraciones complexométricas

por EDTA con y sin el uso de agentes complejantespara enmascarar la especie Cu2þ. En el primero de titulación, cobre yzinc juntos se titula mediante EDTA. En la segunda titulación,tiosulfato de sodio se añade a los iones complejos Cu2þ y luegose realiza la valoración de Zn2þ por EDTA. la titulaciónreacciones se escriben y se justifican por las constantes de formación de los complejos. La segunda titulación da [Zn2þ], Mientras que laprimera titulación da la suma de [Cu2þ] Y [Zn2þ]. Una vez más,las proporciones de cobre y zinc se calculan en la pieza de latón.

Procedimiento experimentalDisolución de latónPiezas de latón, ~770 mg, se hacen reaccionar en ~ 5 ml de concentradoácido nítrico (70%) en una campana. Después de la disolución completade latón, la solución de ácido resultante se diluye en un 100 mlmatraz aforado y se utiliza en los siguientes experimentos como la pruebasolución.Valoraciones ácido-baseLa solución de ensayo (25 ml) se titula mediante un hidróxido de sodiosolución, ~ 0,1 M. El pH se mide durante la adición deNaOH. La curva de pH como una función del volumen de NaOH esgraficada y muestra tres saltos. La valoración potenciométrica esrepitió dos veces.

Las titulaciones complejométricasValoraciones complejométricas se llevan a cabo en dos tamponadasoluciones preparadas por la adición de 10 ml de la solución de pruebaa un volumen igual de un tampón acético de modo que el pH es de entre5 y 6. Las soluciones tamponadas se valoran con ~0.1MEDTAsolución en presencia de naranja de xilenol como un indicador coloreado.Con la titulación de la primera solución tamponada, la equivalenciavolumen para la titulación de Cu2þ y Zn2þ se indica mediante elcambio de color de rojo a verde. Antes de la titulación de la segundasolución tamponada, se añade tiosulfato de sodio a la solución,que compleja selectivamente los iones Cu2þ. Cuando la titulación esllevado, el cambio de color de rojo a amarillo da lavolumen de equivalencia para la titulación Zn2þ. Cada titulación esrepitió dos veces.

peligrosEl hidróxido de sodio es cáustico y puede causar irritación de lalos ojos y la piel. El ácido nítrico es un oxidante fuerte y el contacto conotro material puede causar un incendio. Es un líquido corrosivo y puedecausar severas quemaduras en todo el tejido corporal. Disolución de latón en

ácido nítrico concentrado libera vapores tóxicos; la reaccióndebe llevarse a cabo en una campana. EDTA y tiosulfato de sodiopuede causar irritación en la piel, los ojos y las vías respiratorias. estudiantesdeben usar gafas de seguridad, batas de laboratorio y guantes al realizarestos experimentos.

Resultados y discusiónLa disolución de cobre en ácido nítrico concentrado para Cu2þy Zn2þ se observa: la solución se vuelve azul y rojo-marrónvapores escapen del recipiente. Los vapores de color rojo-marrón son relacionadosa los gases NOx evolución del NO / NO3- Par redox; lael color azul se atribuye a la formación de cationes Cu2þ.La determinación de las concentraciones Cu2þ y es Zn2þlogrado mediante titulación ácido-base a través de las precipitaciones sucesivasde los hidróxidos de Cu (OH) 2 y Zn (OH) 2. La titulación dela solución de ensayo por NaOH hidróxido de sodio está representado por unacurva, pH frente a volumen de NaOH, que da la evidencia de tresreacciones de neutralización por tres saltos de pH. El primer salto esrelacionada con el ácido restante nítrico (ácido fuerte) y el segundosalto se atribuye a la precipitación de hidróxido de cobreCu (OH) 2 cuya solubilidad producto (Ksp1 = 2? 10-20) es menorque el producto de solubilidad (Ksp2 = 3? 10-17) de hidróxido de zincZn (OH) 2. El precipitado azul es característica de la Cu (OH) 2formación. El tercer salto se atribuye a la precipitación deParece zinc Zn hidróxido (OH) 2 y un precipitado blanco. Tomaen cuenta los diferentes productos de solubilidad, Kps, el estudianteanálisis de la curva de neutralización y calcula el comienzopH de las precipitaciones. Los volúmenes de equivalencia para el segundoy tercero saltos de pH permiten el cálculo de las concentracionesde cationes de cobre y zinc. Entonces, la masa relativa de cobre yzinc en las piezas de latón analizados se obtiene considerando lavolumen inicial de la solución de ensayo y la masa de latón disuelto.El segundo método para el análisis de latón consiste en complexométricatitulaciones de EDTA, que es un complejante eficazagente de cationes metálicos (8). Xilenol naranja se usa como un colorindicador para la detección de punto de equivalencia (volumen). laEl análisis se lleva a cabo a través de dos titulaciones. En la primera valoración, laconcentración total de cationes Cu2þ y Zn2þ se determina comolas constantes de complejación de Cu-EDTA (log β1 = 18,8) yZn-EDTA (log β2 = 16,5) son similares (8) y los complejos sonformada simultáneamente. En la segunda valoración, la adición demáscaras de tiosulfato de sodio el catión cobre. De acuerdo con laconstantes de complejación, β10 = 1010,3 para el cobre y β20 = 102,3para el zinc (9), la complejación de Cu2þ es selectiva y es Cu2þ

enmascarado. Por lo tanto, la valoración de esta solución por EDTA se limita aCationes Zn2þ. Teniendo en cuenta las dos titulaciones, las concentracionesde cobre y zinc se determinan.Comparando los resultados de los dos métodos, parece que latitulaciones complexométricas dan los mejores resultados en comparación conEl análisis de rayos X de fluorescencia (ver la información de apoyo). laresultados de la titulación potenciométrica fueron significativamente diferentes delas obtenidas por análisis de rayos X complexométrica y fluorescencia.La diferencia observada entre complexométrica y potenciométricatitulaciones pueden ser explicados por las aproximaciones usadas en elecuación de balance de masa. Durante la adición de hidróxido de sodio, unacúprico básico complejo (10) y la soluble [Zn (OH) 2] 4- puede haberformado y no fueron considerados aquí.

conclusiónEste experimento de laboratorio educativo se lleva a cabo fácilmente enun período de 3 h, sin instrumentación avanzada. el experimentoutiliza un protocolo similar a los de estándar de laboratorio:preparación de la muestra, dilución, método, análisis y resultados. cadapaso debe ser rigurosamente realizado. Desde una perspectiva académicavista, este experimento ilustra los conceptos básicos de la soluciónla química. La disolución oxidativa de piezas de latón se refiere a lapotenciales estándar de los pares redox. el potenciométricatitulaciones producen precipitados que implican selectiva o sucesivaprecipitaciones de acuerdo con los productos de solubilidad Ksp. en vista delas constantes aparentes de acuerdo con Ringbom (11), laValoraciones complejométricas con la competencia entre complejanteagentes para enmascarar un elemento podría ser objeto de una mayorestudio.