Guu00edas de Ejercicios QUIM320.pdf - Universidad...

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Unformatted text preview: Universidad Andrés Bello Facultad de Ciencias Exactas Departamento de Ciencias Químicas GUÍA DE EJERCICIOS PARA QUÍMICA ANALÍTICA QUÍMICA Y FARMACIA BIOQUÍMICA INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA LICENCIATURA EN QUÍMICA Recopilado y Revisado por: Luis Raúl de la Nuez Fonseca BIBLIOGRAFÍA: Skoog D. A., West D. M., Holler F. J., Crouch S. R., Fundamentos de Química Analítica. Harris D. C., Análisis Químico Cuantitativo. Day, R. A. Jr., Química Analítica Cuantitativa. Christian, G., Química Analítica. Burriel F., Conde F., Arribas S., Hernández J., Química Analítica Cualitativa. López J. A., Problemas Resueltos de Química Analítica. Apuntes de Clases de los Profesores del Ramo. Guía de Ejercicios para Química Analítica INDICE Guía Nº 1: Evaluación y expresión de datos analíticos………………………..3 Guía Nº 2: Volumetrías ácido-base (I). Equilibrios ácido-base……………...12 Guía Nº 3: Volumetrías ácido-base (II). Titulaciones de ácidos y bases. Curvas de titulación………………..……………………………………........21 Guía Nº 4: Volumetrías ácido-base (III). Titulaciones de ácidos y bases polifuncionales. Curvas de titulación……………..………….………………26 Guía Nº 5: Volumetrías de complejación…………………………………….32 Guía Nº 6: Volumetrías de precipitación…………………………………….40 Guía Nº 7: Métodos gravimétricos…………………………………………...45 Guía Nº 8: Valoraciones de óxido-reducción (I)……………………………..51 Guía Nº 9: Valoraciones de óxido-reducción (II)……………………………57 ANEXO: Preparación de soluciones y cálculos volumétricos……………....65 Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas 2 Guía de Ejercicios para Química Analítica Guía Nº 1: Evaluación y expresión de datos analíticos 1. Sugerir algunas causas de error aleatorio en la medición del ancho de una tabla de 3 m con una regla metálica de 1 m. 2. ¿Qué tipo de errores sistemáticos se pueden detectar al variar el tamaño de la muestra? 3. Con un método de análisis se obtienen valores de pesos para oro que están disminuidos en 0.4 mg. Calcular el porcentaje de error relativo debido a esta incertidumbre si el peso de oro en la muestra es de 900 y 150 mg. R = −0.04% y −0.3% 4. El método descrito en el problema anterior se emplea en el análisis de minerales que en el ensayo dan 1.2% de oro. ¿Qué peso mínimo de muestra deberá analizarse si el error relativo que resulta en una pérdida de 0.4 mg no es mayor que −0.2 y −0.8%? R = 17 g y 4 g 5. Para que un indicador químico cambie de color en una titulación se necesita un exceso de 0.04 mL de titulante. Calcular el porcentaje de error relativo si el volumen total de titulante es 50.00 y 25.00 mL. R = 0.08% y 0.16% 6. Durante un análisis para detectar Zn se encuentra que hay una pérdida de 0.4 mg del elemento. Calcular el porcentaje de error relativo debido a esta pérdida si el peso del Zn en la muestra es de 40 y 400 mg. R = −1.0% y −0.10% 7. Encontrar la media y la mediana de cada uno de los siguientes conjuntos de datos. Determinar la desviación de la media para cada uno de los datos del conjunto y encontrar la desviación media del conjunto: a) 0.0110; 0.0104; 0.0105 R = Media: 0.0106; Mediana: 0.0105; Desviación de la media: 0.0004, 0.0002, 0.0001; Desviación media: 0.0002 b) 188; 190; 194; 187 R = Media: 190; Mediana: 189; Desviación de la media: 2, 0, 4, 3; Desviación media: 2 c) 39.83; 39,61; 39.25; 39.68 R = Media: 39.59; Mediana: 39.64; Desviación de la media: 0.24, 0.02, 0.34, 0.09; Desviación media: 0.17 8. Considerar las siguientes series de mediciones repetidas: A B C 3.5 0.812 70.65 3.1 0.792 70.63 3.1 0.794 70.64 3.3 0.900 70.21 2.5 - Para cada serie calcular: Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas 3 Guía de Ejercicios para Química Analítica a) Media R = A: 3.1; B: 0.825; C: 70.53 b) Mediana R = A: 3.1; B: 0.803; C: 70.64 c) Dispersión o rango R = A: 1.0; B: 0.108; C: 0.44 d) Desviación estándar R = A: 0.4; B: 0.051; C: 0.22 e) Coeficiente de variación R = A: 12%; B: 6.2%; C: 0.31% 9. Los valores aceptados para la serie de datos del problema anterior son: Serie A: 3.0 Serie B: 0.830 Serie C: 70.05 Para cada serie calcular: a) Error absoluto R = A: 0.10; B: −0.005; C: 0.48 b) Error relativo en partes por mil R = A: 33; B: −6; C: 6.9 10. El análisis para ion potasio de varias preparaciones de alimentos vegetales dio los siguientes datos: Muestra Porcentaje medio de K+ Número de observaciones 1 5.12 5 7.09 3 3 3.98 4 4 4.73 4 5 5.96 5 2 Desviación de los resultados individuales respecto de la media 0.13, 0.09, 0.08, 0.06, 0.08 0.09, 0.08, 0.12 0.02, 0.17, 0.05, 0.12 0.12, 0.06, 0.05, 0.11 0.08, 0.06, 0.14, 0.10, 0.08 Evaluar la desviación estándar s para cada muestra. R (s) 1 = 0.10 R (s) 2 = 0.12 R (s) 3 = 0.12 R (s) 4 = 0.10 R (s) 5 = 0.11 Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas 4 Guía de Ejercicios para Química Analítica 11. A continuación se muestran tres conjuntos de mediciones repetidas: A B C 2.4 0.0902 69.65 2.1 0.0884 69.63 2.1 0.0886 69.64 2.3 0.1000 69.21 1.5 - Calcular la media y la desviación estándar de cada conjunto de datos. Para cada conjunto calcular los límites de confianza al 95%. ¿Qué significan estos límites de confianza? R (x) = A: 2.08; B: 0.0918; C: 69.53 R (s) = A: 0.35; B: 0.0055; C: 0.22 R (LC 95%) = A: 2.1 0.4; B: 0.092 0.009; C: 69.5 0.3 12. Calcular los límites de confianza al 95% para cada conjunto de datos del problema anterior. Si s → y tiene un valor de: Conjunto A. 0.20 Conjunto B: 0.0070 Conjunto C: 0.15 R = A: 2.08 0.18 o 2.1 0.2; B: 0.0918 0.0069 o 0.092 0.007; C: 69.53 0.15 o 69.5 0.2 13. El último resultado en cada conjunto de datos del problema 11 puede ser dudoso. Aplicar la prueba de Q (con un nivel de confianza de 95%) para determinar si existen o no bases estadísticas para rechazarlo. R = A: Aceptar; B: Rechazar; C: Rechazar 14. En un método de absorción atómica para determinar la cantidad de hierro presente en el aceite que se usa en motores de avión a reacción, se encontró que al agrupar 30 análisis por triplicado la desviación estándar s → = 2.4 g de Fe/mL. Calcular los límites de confianza al 80% y 95% para el resultado de 18.5 g de Fe/mL, si éste está basado en: a) un solo análisis. R = 80% LC = 18.5 3.1 y 95% LC = 18.5 4.7 b) el promedio de dos análisis. R = 80% LC = 18.5 2.2 y 95% LC = 18.5 3.3 c) el promedio de cuatro análisis. R = 80% LC = 18.5 1.5 y 95% LC = 18.5 2.4 15. Para el análisis descrito en el problema 14, ¿cuántas mediciones repetidas habría que hacer para disminuir a 1.5 g de Fe/mL los intervalos de confianza al 95% y 99%? R = (95%) N = 10 y (99%) N = 17 16. Suponiendo que se han obtenido los siguientes datos para el contenido en alcohol en una muestra de sangre: porcentaje de C2H5OH: 0.084, 0.089 y 0.079. Calcular los límites para la media al 95% suponiendo: a) que no se tiene un conocimiento de la precisión del método, y b) que, de acuerdo con la experiencia previa, se sabe que s → = 0.005% de C2H5OH. R (a) = 0.084 0.012% Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas 5 Guía de Ejercicios para Química Analítica R (b) = 0.084 0.006% 17. En un análisis volumétrico para calcio en muestras por triplicado del suero sanguíneo de un paciente que se sospecha padece de hiperparatiroidismo se obtuvieron los siguientes datos: meq de Ca/L = 3.15; 3.25 y 3.26. ¿Cuál es el límite de confianza al 95% para la media de los datos suponiendo que: a) no se dispone de información acerca de la precisión del análisis? R = 3.22 0.15 meq/L b) s → = 0.056 meq de Ca/L? R = 3.22 0.06 meq/L 18. Se sabe que un método común para la determinación de glucosa en suero tiene una desviación estándar de 0.40 mg/dL. Si s → = 0.40, ¿cuántas determinaciones repetidas debieran hacerse para que la media que se usará en el análisis de una muestra esté dentro de: a) 0.3 mg/dL de la verdadera media el 99% de las veces? R = N = 12 b) 0.3 mg/dL de la verdadera media el 95% de las veces? R=N=7 c) 0.2 mg/dL de la verdadera media el 90% de las veces? R = N = 11 19. Aplicar la prueba Q a los siguientes conjuntos de datos para determinar si el resultado dudoso debe ser retenido o descartado con un nivel de confianza de 95%. a) 41.27; 41.61; 41.84; 41.70 R = Se retiene el valor más alejado b) 7.295; 7.284; 7.388; 7.292 R = Se rechaza el valor más alejado 20. Aplicar la prueba Q a los siguientes conjuntos de datos para determinar si el resultado dudoso debe ser retenido o descartado con un nivel de confianza de 95%. a) 85.10; 84.62; 84.70 R = Se retiene el valor más alejado b) 85.10; 84.62; 84.65; 84.70 R = Se retiene el valor más alejado 21. En el análisis de una muestra de calcita se obtienen porcentajes de CaO de 55.95, 56.00, 56.04, 56.08 y 56.23. El último resultado parece dudoso; ¿debiera retenerse o descartarse para un 90% de confianza? R = Se retiene el valor dudoso Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas 6 Guía de Ejercicios para Química Analítica EXPRESIONES ESTADÍSTICAS UTILIZADAS EN ESTE CAPÍTULO La media, media aritmética o promedio ( x ): N x= x i i =1 N Desviación de la media di, o desviación: di = xi − x El error absoluto E: E = xi − xt El error relativo Er (porcentaje): Er = xi − xt x 100% xt La desviación estándar de la muestra, s: N s= (x − x) i =1 N 2 i = N −1 d i =1 2 i N −1 Una manera alternativa para expresar la desviación estándar de la muestra: s= N xi N 2 xi − i =1 N i =1 N −1 2 Coeficiente de variación (CV): CV = s x 100% x La dispersión o rango w: w = Xalto − Xbajo Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas 7 Guía de Ejercicios para Química Analítica Intervalo de confianza cuando no se conoce el valor de: El intervalo de confianza (IC): IC = t s / N El límite de confianza (LC): ts N LC para = x Intervalo de confianza cuando s es una buena aproximación de: El intervalo de confianza (IC): IC = z / N El límite de confianza (LC): LC para = x z N La prueba de Q: Qexp = xq − xn w = xq − xn xalto − xbajo Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas 8 Guía de Ejercicios para Química Analítica TABLA DE Z En la tabla se encuentran los valores de z para varios niveles de confianza. El nivel de confianza es la probabilidad expresada como porcentaje. ---------------------------------------------------------Nivel de Confianza (%) z ---------------------------------------------------------50 0.67 68 1.00 80 1.29 90 1.64 95 1.96 95.4 2.00 99 2.58 99.7 3.00 99.9 3.29 ---------------------------------------------------------- TABLA DE t En la siguiente tabla se proporciona valores de t para algunos grados de libertad. Valores de t para varios niveles de probabilidad ------------------------------------------------------------------------------Niveles de Probabilidad Grados de ------------------------------------------------------------------------------Libertad 80% 90% 95% 99% 99.9% ---------------------------------------------------------------------------------------------------------1 3.08 6.31 12.7 63.7 637 2 1.89 2.92 4.30 9.92 31.6 3 1.64 2.35 3.18 5.84 12.9 4 1.53 2.13 2.78 4.60 8.60 5 1.48 2.02 2.57 4.03 6.86 6 1.44 1.94 2.45 3.71 5.96 7 1.42 1.90 2.36 3.50 5.40 8 1.40 1.86 2.31 3.36 5.04 9 1.38 1.83 2.26 3.25 4.78 10 1.37 1.81 2.23 3.17 4.59 11 1.36 1.80 2.20 3.11 4.44 12 1.36 1.78 2.18 3.06 4.32 13 1.35 1.77 2.16 3.01 4.22 14 1.34 1.76 2.14 2.98 4.14 1.29 1.64 1.96 2.58 3.29 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas 9 Guía de Ejercicios para Química Analítica Se puede observar de la tabla que t → z cuando el número de grados de libertad se hace infinito. Valores críticos para el cociente de rechazo Q Qcrit (rechazo si Qexp > Qcrit) ------------------------------------------------------------------------------Número de Observaciones 90% de confianza 95% de confianza 99% de confianza ---------------------------------------------------------------------------------------------------------3 0.941 0.970 0.994 4 0.765 0.829 0.926 5 0.642 0.710 0.821 6 0.560 0.625 0.740 7 0.507 0.568 0.680 8 0.468 0.526 0.634 9 0.437 0.493 0.598 10 0.412 0.466 0.568 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas 10 Guía de Ejercicios para Química Analítica EXPRESIONES DE CONCENTRACIÓN Y CONTENIDO 1. UNIDADES FÍSICAS Porcentaje de peso en peso %(p/p) = peso de soluto ( g ) x 100 peso de solución ( g ) Porcentaje de volumen en volumen %(v/v) = Porcentaje de peso en volumen %(p/v) = Parte por millón (ppm) = volumen de soluto (mL) x 100 volumen de solución (mL) peso de soluto ( g ) x 100 volumen de solución (mL) mg de soluto g de soluto = kg de solución o mezcla g de solución o mezcla Relación que expresa las partes de soluto que se hallan contenidas en un millón de partes de disolución o mezcla. Si se trata de una disolución acuosa diluida donde d = 1: Parte por millón (ppm) = mg de soluto g de soluto = L de solución mL de solución La densidad de una sustancia o mezcla es el peso de la misma por unidad de volumen: Densidad (d) = peso de la sus tan cia ( g ) unidad de volumen (mL) Otras unidades de densidad: (g/L) o (g/m3) 2. UNIDADES QUÍMICAS Molaridad (M) = Normalidad (N) = Dilución: N º de moles de soluto g / M ( g / mol ) g / M ( g / mmol ) = = L de solución L mL N º de equivalentes de soluto g / peq ( g / eq) g / peq ( g / meq) = = L de solución L mL Cconcentrada x Vconcentrada = Cdiluida x Vdiluida Mezcla de soluciones: C1 x V1 + C2 x V2 = Cfinal x Vfinal Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas 11 Guía de Ejercicios para Química Analítica Guía Nº 2: Volumetrías ácido-base (I). Equilibrios ácido-base A. Tratamiento sistemático de equilibrios 1. Calcular la molaridad de un ácido nítrico, HNO3 (63.0 g/mol), del 40.0%, si su densidad es 1.250 g/mL. R = 7.94 M 2. Calcular la cantidad de agua que debe añadirse a 150 g de ácido nítrico del 63.0%, densidad 1.39 g/mL, para obtener una disolución 0.400 M. R = 3.66 L 3. Calcular la concentración molar en una solución al 70% en peso de ácido nítrico, HNO3 (63.0 g/mol); la densidad de la solución es 1.42 g/mL. R = 15.8 M 4. Calcular la molaridad y la normalidad de una solución de ácido sulfúrico, H2SO4 (98.0 g/mol) del 26% de riqueza y de densidad 1.19 g/mL. ¿Qué cantidad de agua habrá que añadir a 200 mL de dicho ácido para obtener una solución 2.00 N? R = 3.15 M; 6.30 N; 430 mL 5. Calcular el pH de las disoluciones siguientes usando tratamiento sistemático: a) HBr 1.0 x 10−8 M R = 6.98 b) H2SO4 1.0 x 10−8 M (considerar que: H2SO4 → 2H+ + SO42−) R = 6.96 6. a) Describa como prepararía 250 mL de una solución 0.10 M y 0.10 N de HCl (36.46 g/mol), si el ácido concentrado está a 37% en peso y tiene una densidad de 1.18 g/mL. b) De esta solución, se toma una alícuota de 0.20 mL y se lleva a un matraz aforado de 1 litro, para enrazar con agua. De esta nueva disolución de HCl se toma nuevamente 1.00 mL y se vuelve a enrazar con agua en un matraz aforado de 1 litro. Calcular el pH final. R = Disolver 2.09 mL de HCl concentrado en agua y diluir a 250 mL con agua; pH = 6.96 7. a) Describa la preparación de 100 mL de HCl 6.00 M a partir de HCl (36.46 g/mol) concentrado cuyo recipiente indica 1.18 g/mL y 37.0% (p/p). b) De esta solución, se toma una alícuota de 0.05 mL y se lleva a un matraz aforado de 1 litro, para enrazar con agua. De esta nueva disolución de HCl se toma nuevamente 0.05 mL y se vuelve a enrazar con agua en un matraz aforado de 1 litro. Calcular el pH final. R = Disolver 50.1 mL de HCl concentrado en agua y diluir a 100 mL con agua; pH = 6.97 8. Se tiene una disolución de NaOH (base fuerte) de concentración 0.0100 M. De esta solución, se toma una alícuota de 1.00 mL y se lleva a un matraz aforado de 1 litro, para enrazar con agua. De esta nueva disolución de NaOH se toma nuevamente 1.00 mL y se vuelve a enrazar con agua en un matraz aforado de 1 litro. a) Calcule el pH de la solución final. Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas 12 Guía de Ejercicios para Química Analítica R = 7.02 b) Calcule el pH si a 2 litros de la disolución final de base, se le agregan 1.00 mL de HCl 1.0 x 10−4 M. R = 6.91 9. Se tiene una disolución de HCl (ácido fuerte) de concentración 0.0100 M. De esta disolución, se toma una alícuota de 1.00 mL y se lleva a un matraz aforado de 1 litro, para enrazar con agua. De esta nueva disolución de HCl se toma nuevamente 1.00 mL y se vuelve a enrazar con agua en un matraz aforado de 1 litro. ¿Cuál será el pH de la última disolución? R = 6.98 10. Se tiene una disolución de H2SO4 de concentración 0.0100 M. De esta disolución, se toma una alícuota de 1.00 mL y se lleva a un matraz aforado de 1 litro, para enrazar con agua. De esta nueva disolución de H2SO4 se toma nuevamente 1.00 mL y se vuelve a enrazar con agua en un matraz aforado de 1 litro. ¿Cuál será el pH de la última solución? Considere que la disociación es: H2SO4 → 2H+ + SO42−. R = 6.96 11. Se tiene una disolución de HCl de concentración 0.0500 M. De esta disolución, se toma una alícuota de 1.00 mL y se lleva a un matraz aforado de 1 litro, para enrazar con agua. De esta nueva disolución de HCl se toma nuevamente 1.00 mL y se vuelve a enrazar con agua en un matraz aforado de 1 litro. ¿Cuál será el pH de la última disolución? R = 6.89 12. Se tiene una disolución de LiOH de concentración 0.0500 M. De esta solución, se toma una alícuota de 1.00 mL y se lleva a un matraz aforado de 1 litro, para enrazar con agua. De esta nueva disolución de LiOH se toma nuevamente 1.00 mL y se vuelve a enrazar con agua en un matraz aforado de 1 litro. a) Calcule el pH de la solución final. R = 7.11 b) Calcule el pH si a 2 litros de la disolución final de base, se le agregan 1.00 mL de HCl 2.0 x 10−4 M. R = 6.89 13. Un frasco de HNO3 (63.0 g/mol) comercial tiene en su etiqueta la siguiente información: 0.5 % (p/p) y densidad 0.250 g/mL. De esta solución, se toma una alícuota de 1.00 mL y se lleva a un matraz aforado de 1 litro, para enrazar con agua. De esta nueva disolución de HNO3 se toma nuevamente 1.00 mL y se vuelve a enrazar con agua en un matraz aforado de 1 litro. Calcule el pH de la solución final. R = 6.96 14. El hidróxido de calcio, Ca(OH)2, (74.1g/mol) es una base fuerte utilizada para preparar las conocidas lechadas de cal, que sirven como agentes precipitantes en algunos procesos industriales. En el rótulo de un frasco que contiene esta disolución se señala que su Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas 13 Guía de Ejercicios para Química Analítica concentración es de 0.552 % en masa y una densidad de 0.336 g/mL. De esta solución, se toma una alícuota de 1.00 mL y se lleva a un matraz aforado de 1 litro, para enrazar con agua. De esta nueva disolución se toma nuevamente 1.00 mL y se vuelve a enrazar con agua en un matraz aforado de 1 litro. Calcule el pH de la disolución final. R = 7.11 15. El hidróxido de magnesio, Mg(OH)2, (41.3 g/mol) es una base fuerte utilizada como antiácido. En el rótulo de un medicamento se dice que contiene esta disolución y señala que su concentración es de 1.3 % en masa y una densidad de 0.07 g/mL. De esta solución, se toma una alícuota de 1.00 mL y se lleva a un matraz aforado de 1 litro, para enrazar con agua. De esta nueva disolución se toma nuevamente 1.00 mL y se vuelve a enrazar con agua en un matraz aforado de 1 litro. Calcule el pH de la disolución final. R = 7.09 B. pH: Ácidos y Bases Fuertes y Débiles 16. Calcular el pH del jugo gástrico que contiene 0.020 moles por litro de HCl. R = 1.70 17. Calcular el pH de una disolución de hidróxido de sodio, NaOH 0.40 N. R = 13.60 18. A 37ºC, el pH de una muestra de sangre es de 7.40. Calcúlese: a) la concentración de H+, y b) la concentración de OH− de esta muestra de sangre. La Kw a 37ºC es 2.51 x 10−14. R = a) 3.98 x 10−8 M y b) 6.31 x 10−7 M 19. Calcular la concentración de protones en una disolución cuyo pH es igual a 6.80. R = 1.5...
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