Equilibrio químico en ligandos.
PROTOCOLO DISEÑADO PARA REALIZARSE EN LABORATORIO*
*SI NECESITA EL DOCUMENTO IMPRÍMALO EN PAPEL

OBJETIVO.

Objetivo didáctico.
  • Observar la formación de complejos molécula-catión.
  • Comparar la complejación de dos cationes metálicos diferentes.
Objetivo experimental.
  • Determinar el equilibrio químico en una reacción de moléculas orgánicas ligantes con cationes metálicos.
Tiempo requerido.
  • Aproximadamente cuatro horas.
Conocimientos necesarios.
  • Manejo del potenciómetro y del espectrofotómetro.
  • Uso de indicadores metalocrómicos.
  • Química de coordinación.

INTRODUCCION.

Las titulaciones complejométricas se basan en la formación de un complejo soluble mediante una reacción entre la especie titulada y el titulante, dando lugar a un complejo en el cual participa usalmente un catión metálico.

Un complejo metálico es el resultado de la coordinación de un ion metálico con una especie que tenga uno o más pares electrónicos disponibles para ser compartidos. A la especie donadora de electrones se le llama ligante, y al ion metálico del complejo se le denonima ion central. El ligante puede tener uno más grupos donadores de electrones en cada molécula, por lo cual se clasifican en uni-, bi-, ..., multidentados.

Al número máximo de ligandos unidentados que pueden coordinarse con un cierto ion se le llama número de coordinación de dicho ion.

La formación de un complejo metálico soluble es un proceso reversible. El equilibrio es dinámico, por lo que se rige por la ley de acción de masas. La reacción y la expresión de la constante de equilibrio están dadas por,

          Ks
L- + M+ \=====\ LM

         [LM]
  Ks = --------
       [L-][M+] 
 
donde,
L- = ligante libre al equilibrio;
M+ = catión metálico libre al equilibrio;
LM = complejo ligante-catión metálico al equilibrio;
Ks = constante de equilibrio.

A la constante de equilibrio correspondiente a la reacción que conduce a la formación del complejo se le llama constante de estabilidad.

El uso de constantes de estabilidad en lugar de constantes de disociación tiene la ventaja de que se manejan exponentes positivos.

En la gran mayoría de las titulaciones complejométricas se utiliza como titulante el ácido etilén-diamino-tetraacético o etilén-dinitrilo-tetraacético (EDTA), el cual forma quelatos de estequiometría ligante:metal de 1:1, estables y solubles en agua, con un gran número de iones metálicos polivalentes. La sal se disuelve directamente en agua; el ácido requiere la adición de hidróxido de sodio o alguna otra base para poder disolverse. Las soluciones titulantes así preparadas, tienen una estabilidad indefinida.

MATERIALES Y EQUIPOS.
(En la computadora, deslice el cursor sobre las imágenes de los Espectrofotómetros con el ratón)
Artículo Cantidad OK
Agitador magnético chico

1

 
Agitador magnético grande

1

 
Botella lavadora

1

 
Bureta de 25 ml

1

 
Celdas de vidrio

2

 
Electrodo combinado de pH

1

 
Embudo de talle largo

1

 
Espátula

1

 
Espectrofotómetro VISIBLE*

1

 
Gradilla

1

 
Matraces volumétricos de 25 ml

2

 
Matraces volumétricos de 50 ml

3

 
Matraces volumétricos de 100 ml

1

 
Parrilla magnética

1

 
Pinzas para bureta

1

 
Pipetas Pasteur con bulbo

3

 
Pipetas serológicas de 1 ml

3

 
Pipetas serológicas de 5 ml

3

 
Pipetas serológicas de 10 ml

3

 
Potenciómetro

1

 
Probeta graduada de 100 ml

1

 
Soporte universal

1

 
Tubos de ensaye de 10 ml

10

 
Vasos de precipitados de 30 ml

6

 
Vasos de precipitados de 50 ml

8

 
Vaso de precipitados de 100 ml

2

 

*Espectrofotómetro Spectronic 20

*Espectrofotómetro Spectronic 20D

REACTIVOS Y SUBSTANCIAS.
Artículo Cantidad OK
Ácido clorhídrico (HCl) 0.1 N

25 ml

 
Ácido clorhídrico (HCl) 0.01 N

25 ml

 
Ácido etilén-dinitrilo-tetraacético (EDTA) 5 mM a pH 7.4

100 ml

 
Agua destilada

500 ml

 
Bicarbonato de sodio (NaHCO3) 30 %

100 ml

 
Cloruro cúprico (CuCl2) 10 mM

50 ml

 
Cloruro férrico (FeCl3) 10 mM

50 ml

 
Hidróxido de sodio (NAOH) 0.1 N

25 ml

 
Hidróxido de sodio (NaOH) 0.01 N

25 ml

 
Solución estándar de pH 4

25 ml

 
Solución estándar de pH 7

25 ml

 
PROCEDIMIENTO.
  Protección OK
Anteojos o monogogles Anteojos de policarbonato o monogogles  
Guantes de nitrilo para solventes orgánicos Guantes de neopreno para ácidos  
Guantes térmicos para materiales calientes Guantes térmicos para materiales calientes  
Ropa de algodón Ropa de algodón  
Baño de ojos Baño de ojos disponible  
Regadera de seguridad Regadera de seguridad disponible  
Extinguidor tipo ABC Extinguidor de polvo químico o CO2 (Tipo ABC)  
Lave abundantemente con agua corriente Lave abundantemente después de usar los reactivos  
  Experimento OK

1

Colóquese ropa de algodón para protección (bata)  

2

Revise que las llaves de gas estén cerradas  

3

Revise que las llaves de agua estén cerradas  

4

Revise que las llaves de aire comprimido estén cerradas  

5

Revise que los contactos eléctricos estén libres  

6

Revise que los interruptores de luz del laboratorio estén encendidos  

7

Revise que los extractores de aire estén encendidos  

8

Revise que el ácido clorhídrico esté en la campana  

9

Revise que el hidróxido de sodio sobre la mesa  

10

Revise que el EDTA esté sobre la mesa  

11

Revise que el bicarbonato de sodio esté sobre la mesa  

12

Revise que la solución de pH 4 esté sobre la mesa  

13

Revise que la solución de pH 7 esté sobre la mesa  

14

Revise que el cloruro cúprico esté sobre la mesa  

15

Revise que el cloruro férrico esté sobre la mesa  

16

Colóquese los guantes de neopreno  

17

Lave el material con agua corriente y detergente  

18

Enjuague el material con agua destilada  

19

Seque el material con franela o con papel absorbente  

20

Seque los guantes con franela o con papel absorbente  

21

Arme el soporte universal  

22

Coloque la nuez en el soporte  

23

Coloque las pinzas para bureta en el soporte  

24

Coloque la bureta en las pinzas del soporte  

25

Colóquese anteojos de policarbonato o monogógles sin ventilación  
Método

1. Preparación de soluciones.

  • Se preparan 100 ml de bicarbonato de sodio al 30 % para neutralizar derrames.
  • Se preparan 25 ml NaOH 0.1 N y 25 ml de HCl 0.1 N y de éstas se hacen diluciones 0.01N para ajustar el pH de la solución de EDTA.
  • Se preparan 100 ml de una solución de EDTA 5 mM, ajustada a pH 7.4.
  • Se preparan 50 ml de solución 10 mM de cloruro del metal bajo estudio y se hacen diluciones 5 mM, 1 mM y 0.5 mM, de cada uno de los cationes para las curvas de calibración.

2. Experimento.

  • Se hace una curva de calibración de concentración del metal ([MCln] M) contra la absorbencia (Al), para cada catión metálico.
  • Se titula una alícuota de 10 ml de EDTA 5 mM con alícuotas de 1 ml de solución catiónica 10 mM con agitación constante. Entre cada añadido se toma una muestra de la solución del vaso de reacción y se lee Al.
Forma de desechar.
  • Neutralice los residuos ácidos con bicarbonato de sodio y deseche.
  • Neutralice los residuos alcalinos con bicarbonato de sodio y deseche.

Registro de resultados

  • Grafique las curvas de calibración de [MCln] M vs Al para cada catión metálico.
  • Registre en una tabla la titulación del EDTA, anotando el volumen añadido de MCln y la absorbencia medida.
  • Haga un análisis cinético de la unión ligante-metal, trazando gráficas, para obtener los parámetros fisicoquímicos de la reacción (constante de equilibrio, etc.).

DISCUSIÓN.

  • Compare los parámetros fisicoquímicos de la unión ligante-metal (Keq, unión máxima, etc.) entre los diferentes cationes estudiados.
  • Proponga las secuencias de selectividad de unión catiónica.
  • Explique cuáles son los factores fisicoquímicos que modula la unión del ligante con el metal.

REFERENCIAS.

  • Tinoco, I. et al. 1978. Physical Chemistry. Prentice Hall. Englewood Cliffs, N.J.
  • Schenk, G.H., Hahn, R.B. y Hartkopf, A.V. 1977. Quantitative Analytical Chemistry. Allyn & Bacon.
  • EDTA. In: Visualization and Problem Solving for General Chemistry. http://www.chem.purdue.edu/gchelp/. Purdue University website.

CCOMENTARIOS.

El EDTA es un agente quelante de cationes metálicos polivalentes; dos de los cationes metálicos que forman complejos con este quelante son el Cu2+ y el Fe3+. Estos dos cationes se pueden experimentar utilizando soluciones de los cloruros, CuCl2 y FeCl3. Las longitudes de onda de máxima absorbencia (lmáx) en la región visible del espectro electromagnético de las soluciones acuosas de dichas sales son, 400 nm para el FeCl3 y, 750 nm para el CuCl2.

© Raúl Alva*, México, 16/04/2004.