¿Qué es el análisis cuantitativo?

El análisis cuantitativo es uno de los procesos importantes en química. Se utiliza para determinar el porcentaje de masa, es decir, para determinar la masa de cada elemento presente. También se puede definir como un método utilizado para determinar el número de sustancias químicas en una muestra. El porcentaje en masa es importante para encontrar la fórmula molecular y enfática.

El porcentaje de elementos presentes en un compuesto orgánico se puede determinar mediante los siguientes métodos,

Carbono e Hidrógeno (método de Liebig)

Si quemamos un compuesto orgánico en presencia de un exceso de oxígeno y rust de cobre, el carbono y el hidrógeno del compuesto se oxidan a dirust de carbono y agua, respectivamente.

C _x H _y + (x + y)/4 O ₂ → x CO ₂ + (y/2) H ₂ O

En el proceso anterior, el agua y el dirust de carbono formados en la oxidación son absorbidos por soluciones de hidrrust de potasio y cloruro de calcio anhidro presentes en ambos tubos en forma de U. Este proceso da las cantidades de agua y dirust de carbono a partir de las cuales se calcula el porcentaje de carbono e hidrógeno.

Consideremos que la masa del compuesto orgánico es mg, la masa de agua y dirust de carbono producidos son m ₁ g y m ₂ g respectivamente.

Entonces, Porcentaje de carbono = (12 × m ₂ × 100) / (44 × m)

y Porcentaje de hidrógeno = (2 × m ₁ × 100) / (18 × m) 

Nitrógeno (método de Dumas y método de Kjeldahl)

El porcentaje de nitrógeno se puede obtener a través de dos métodos, a saber

1. Método Dumas
2. método de Kjeldahl

Método Dumas: El compuesto orgánico que contiene nitrógeno cuando se calienta con rust de cobre en dirust de carbono, da nitrógeno libre con carbono y agua.

C _x H _y N _z + (2x + y/2) CuO → xCO ₂ + y/2 H ₂ O +z/2 N ₂ + (2x + y/2)Cu

Si se forman rusts de nitrógeno, se reducen a nitrógeno pasando la mezcla gaseosa sobre una gasa de cobre caliente y se recoge en la parte superior del tubo. Todos estos gases (rusts de nitrógeno) producidos se llevan a una solución de KOH que los absorbe.

Similar al método anterior,

Sea, mg = masa del compuesto orgánico,

V ₁ mL = Volumen de nitrógeno recolectado,

T1K = Temperatura ambiente.

Entonces, Volumen de Nitrógeno en STP (temperatura y presión estándar) = (p ₁ V ₁ × 273) / (760 × T ₁ )

dónde,

• p ₁ = presión de nitrógeno,
• V ₁ = Volumen de nitrógeno.

Aquí, la presión es diferente de la presión atmosférica en el lugar donde se recolectó el nitrógeno. Entonces el valor de p ₁ se obtiene por relación,

p ₁ = Presión atmosférica – Tensión acuosa

V mL N ₂ en STP = (28 × V/ 22400) × g

Entonces, Porcentaje de Nitrógeno = (28 × V × 100) / (22400 × m)

Método de Kjeldahl: El compuesto que contiene nitrógeno se calienta con H ₂ SO ₄ concentrado (ácido sulfúrico) que da como resultado la conversión del compuesto de nitrógeno en sulfato de amonio. La mezcla ácida resultante después del calentamiento se vuelve a calentar con hidrrust de sodio y se libera amoníaco gaseoso. Este gas amoníaco liberado se absorbe en un exceso de solución estándar de ácido sulfúrico. La cantidad de amoníaco producido se determina estimando la cantidad de ácido sulfúrico consumido en la reacción y la cantidad de ácido sulfúrico consumido se determina por la cantidad de ácido sulfúrico que queda sin reaccionar (por titulación con solución alcalina estándar).

Compuesto + H ₂ SO ₄ → (NH ₄ ) ₂ SO ₄ → (en presencia de 2NaOH) 

2NH ₃ + H ₂ SO ₄ → (NH ₄ ) ₂ SO ₄

Dejar,

• mg = masa del compuesto orgánico
• V mL = Volumen de H2SO4 de molaridad M
• V1 mL = Volumen de NaOH de Molaridad M (para titulación)

V ₁ mL de NaOH de molaridad M = V ₁ /2 mL de H ₂ SO ₄ = V ₁ mL  

Volumen de H ₂ SO ₄ de molaridad M no utilizado = (V – V _1/2 ) mL

(V – V1/2) mL de H ₂ SO ₄ de molaridad M = 2(V -V ₁ /2) mL de solución de NH ₃ de molaridad M.

1000 ml de solución de NH _{3 1} M contienen 17 g de NH3 o 14 g de N

2(VV 1/2 ₎ mL de solución de NH ₃ de molaridad M = [(14 × M × 2(V – V _1/2 )/1000)] g N

Entonces, Porcentaje de N = [(14 × M × (V – V1/2))/1000] × (100/m)

N = 1,4 × M × 2 (V – V1/2) / m

Desventajas del método de Kjeldahl

1. No aplicable a los compuestos que contienen nitrógeno en los grupos nitro y azo,
2. No aplica para nitrógeno presente en forma de Piridina (Anillo).

halógenos

Método Carius: Cierta masa de un compuesto orgánico se calienta con ácido nítrico humeante en presencia de nitrato de plata contenido en un tubo de vidrio duro conocido como tubo Carius y el carbono y el hidrógeno presentes en el compuesto se oxidan en dirust de carbono y agua. El halógeno presente se mezcla con la plata correspondiente para formar su haluro (AgX) que luego se filtra, seca y mide.

Dejar,

• mg = masa del compuesto orgánico
• m ₁ g = masa de AgX (haluro de plata) formado

Aquí, 1 mol de AgX formado contiene 1 mol de X.

Masa de halógeno en m ₁ g de AgX = (masa atómica de X × m ₁ g) / masa molecular de AgX

Porcentaje de halógeno = (masa atómica de X × m ₁ × 100) / masa molecular de AgX × m

Azufre

Usamos de nuevo el tubo de Carius en el que tomamos una cierta masa de un compuesto orgánico y la calentamos con perrust de sodio de ácido nítrico fumante. El azufre presente en el compuesto se oxida a ácido sulfúrico. Luego necesitamos agregar un exceso de solución de cloruro de bario en agua para precipitar el producto como sulfato de bario. El precipitado se filtra, seca, limpia y mide.

Dejar,

• mg = masa del compuesto orgánico,
• m ₁ g = masa de sulfato de bario formada

1 mol de BaSO ₄ = 233 g de BaSO ₄ = 32 g de azufre

m ₁ g BaSO ₄ contiene 32 × m ₁ g / 233 Azufre

Porcentaje de azufre = 32 × m ₁ × 100 / 233 × m

Fósforo

Cierta masa de un compuesto orgánico se calienta con ácido nítrico fumante donde el fósforo presente en el compuesto se oxida en ácido fosfórico. Al agregar amoníaco y molibdato de amoníaco, se precipita como fosfomolibdato de amonio (NH ₄ ) ₃ PO ₄ .12MoO ₃ o, alternativamente, el ácido fosfórico se puede precipitar como MgNH ₄ PO ₄ agregando una mezcla de magnesia que al encenderse produce Mg ₂ P ₂ O ₇ . 

Dejar,

• mg = masa del compuesto orgánico,
• m ₁ g = masa de molibdato de fosfato de amonio

Masa molar de (NH ₄ ) ₃ PO ₄ .12MoO ₃ = 1877g

Porcentaje de fósforo = (31×m ₁ ×100/1877×m) %

Si en lugar de fósforo se tomó Mg ₂ P ₂ O ₇ entonces, 

Porcentaje de fósforo = (62×m ₁ ×100/222×m) % 

dónde,

• 222 u = masa molar de Mg ₂ P ₂ O ₇
• m = masa de compuesto orgánico tomado
• m ₁ = la masa de Mg ₂ P ₂ O ₇
• 62 = masa de dos átomos de fósforo presentes en el compuesto Mg ₂ P ₂ O ₇ .

Oxígeno

Cada compuesto orgánico contiene algún porcentaje de oxígeno en él. El porcentaje de oxígeno se puede calcular por la diferencia o el porcentaje total de elementos, incluido el oxígeno (100 %) y la suma de todos los demás elementos presentes en el compuesto.

Alternativamente, el oxígeno se puede emitir por reacción química de la siguiente manera,

Una cierta masa del compuesto orgánico se descompone por calentamiento en una corriente de nitrógeno gaseoso. La mezcla de productos gaseosos que contienen oxígeno se pasa sobre coque al rojo vivo cuando todo el oxígeno da como resultado monrust de carbono. Esta mezcla se pasa a través de pentrust de yodo tibio (I ₂ O ₅ ) cuando el monrust de carbono se oxida a dirust de carbono, lo que resulta en la producción de yodo.

Compuesto orgánico → (En presencia de calor) O ₂ + Otros gases

2C+ _O2 → _2CO2 

I ₂ O ₅ + 5CO → I2 + 5CO ₂ 

Aquí entendemos que cada mol de oxígeno liberado dará 2 moles de dirust de carbono.

Así, si se liberan 32 g de oxígeno, se obtienen 88 g de dirust de carbono.

Dejar,

• mg = masa de compuesto orgánico
• m ₁ g = masa de dirust de carbono liberado

m Se obtiene ₁ g de dirust de carbono a partir de (30×m/88×m)%

El porcentaje de oxígeno puede derivarse de la cantidad de yodo producido.

Problemas de muestra

Problema 1: En combustión completa, 0,456 g de un compuesto orgánico dieron 0,254 de dirust de carbono y 0,1658 de agua. Determine la composición porcentual de carbono e hidrógeno en el compuesto.

Solución:

Porcentaje de carbono = (12×0.254×100)/(44×0.456) 

∴ Porcentaje de carbono = 15,1914 %

y Porcentaje de Hidrógeno = (2×0.1658×100)/(18×0.456)

∴Porcentaje de Hidrógeno = 4.03 %

Problema 2: En el método dumas para la estimación de nitrógeno, 0,3 g de un compuesto orgánico dieron 50 mL de nitrógeno recogido a 300 K de temperatura y 715 mm de presión. Calcular la composición porcentual de nitrógeno en el compuesto. (La tensión del medio acuoso es = 15 mm)

Solución: 

Dado :

• Volumen de nitrógeno = 50mL
• Temperatura = 300 K
• Presión = 715 mm
• Presión real = 715 – 15 = 700 mm

Volumen de nitrógeno en STP = (273 × 700 × 50)/(300 × 760) = 41,9 ml,

22.400 mL de N ₂ en STP pesa 28 g 

41.9 mL de Nitrógeno pesa = (28×41.9)/22400 g 

∴Porcentaje de Nitrógeno = 17,46 %.

Problema 3: En el método Carius de estimación de halógeno, 0,20 g de un compuesto orgánico dieron 0,16 g de AgBr (bromuro de plata). Averigüe el porcentaje de bromo en el compuesto.

Solución:

Masa molar de AgBr = 108 + 80 =188 g mol ^-1 

188 g de AgBr contienen 80 g de bromo,

0,16 g AgBr contiene (80×0,16)/ 188 g bromo,

Porcentaje de bromo = (80×0,16×100)/( 188×0,20)

∴ Porcentaje de bromo = 34,04 % 

Problema 5: En la estimación de azufre, 0,210 g de un compuesto orgánico dieron 0,5101 g de sulfato de bario. ¿Cuál es el porcentaje de azufre en el compuesto?

Solución:

Masa molecular de BaSO ₄ = 137+32+64 = 233 g,

233 g de BaSO ₄ contienen 32 g de azufre,

0,5010 g BaSO ₄ contiene (32×0,5010)/233 g azufre,

Porcentaje de azufre = (32×0.5010×100)/(233×0.210) 

∴Porcentaje de azufre = 32,76 %

Problema 5: Durante la estimación del nitrógeno presente en un compuesto orgánico por el método de Kjeldahl, el amoníaco se desprendió de 0,8 g del compuesto en la estimación de nitrógeno de Kjeldahl, neutralizó 20 mL de 1M H ₂ SO ₄ . Averigüe el porcentaje de nitrógeno en el compuesto. 

Solución:

1M de 20 mL H ₂ SO ₄ = 1M de 40 mL,

NH ₃ 1000 mL de amoníaco 1M contiene 14 g de nitrógeno,

40 mL de amoniaco 1M contiene (14×40)/1000,

Porcentaje de nitrógeno = (14×40×100)/(1000×0.8),

∴Porcentaje de Nitrógeno = 70.0%  

Preguntas conceptuales

Pregunta 1: Explique qué sucede en el método de Liebig.

Responder:

El agua y el dirust de carbono formados en la oxidación son absorbidos por las soluciones de hidrrust de potasio y cloruro de calcio anhidro presentes en ambos tubos en forma de U. Este proceso da las cantidades de agua y dirust de carbono a partir de las cuales se calcula el porcentaje de carbono e hidrógeno.  

Pregunta 2: Enunciar y definir los métodos de análisis Cuantitativo del Nitrógeno.

Responder:

Hay 2 métodos para hacer el análisis cuantitativo de nitrógeno y son:

1. Método Dumas: el compuesto orgánico que contiene nitrógeno cuando se calienta con rust de cobre en dirust de carbono, da nitrógeno libre con carbono y agua.
2. Método de Kjeldahl: El compuesto que contiene nitrógeno se calienta con agua conc. H ₂ SO ₄ que da como resultado la conversión de nitrógeno en sulfato de amonio. A continuación, la mezcla se vuelve a calentar con hidrrust de sodio y se libera gas amoníaco. Este gas se absorbe en una solución estándar de ácido sulfúrico.