Determinación De Dureza De Agua Mediante Titulación Con EDTA

Introducción

La dureza de agua, cantidad total de calcio y magnesio

en una muestra de agua, puede ser determinada mediante

una titulación de complejación usando ácido tetracético de

etilendiamina (EDTA, también conocido como Y) como

agente titulante. Desde el punto de vista cuantitativo se

puede expresar dureza mediante el valor de mg/L (ppm) de

CaCO3 en la muestra. El intercambio iónico es otra

manera de cuantificar iones de calcio y magnesio en una

muestra, pero es un poco más complicado y requiere de

mayor tiempo de preparación de equipo. El tiempo de

análisis aumenta debido a que se tiene que preparar la

columna de intercambio iónico. Además, para cada

determinación o corrida de muestra se tiene que regenerar

la columna. Sin embargo, a diferencia de intercambio

iónico, una titulación de complejación requiere mucha

menor cantidad de tiempo ya que solo se requiere preparar

las soluciones. Además, el EDTA posee ventajas que lo

hacen ideal para una titulación de complejación. Entre las

ventajas se encuentran; (1) está disponible

comercialmente, (2) de bajo costo, (3) alta pureza y (4)

forma complejos de alta estabilidad con los iones más

comunes. Una de las desventajas es que se tiene que

controlar el pH de la solución mediante amortiguadores.

EDTA es usado en muchas áreas de la química tales como

procesos industriales, productos comerciales como

detergentes, pastillas, productos de limpieza y como

aditivo o preservativo en alimentos.

En el laboratorio se llevará a cabo la reacción química

definida por la ecuación (1):

Ca2 (ac) Y 4 (ac)CaY 2 (ac) (1)

con una constante de equilibrio dada por la ecuación (2):

2

2 4

[ ]

[ ][ ]

CaY

f Ca Y K 

   (2)

El EDTA es un ácido poliprótico con seis posiciones

que pueden donar un hidronio. Sin embargo, para efectos

de valores de constantes de disociación ácida se tiene

como base la forma neutral del EDTA, es decir al tener

una carga positiva y una negativa. El uso de un

amortiguador, donde el pH se mantiene constante, nos

permite expresar la concentración de Y4- como función de

los valores alfa (α), fracción de cierta especie a cierto pH.

La forma Y4- es la que por definición se usa en el proceso

de cuantificación del complejo con los cationes. El valor

de α4 se puede expresar según la ecuación (3):

1 2 3 4

4 3 2

[ 3 ] 1[ 3 ] 1 2[ 3 ] 1 2 3[ 3 ] 1 2 3 4

a a a a

a a a a a a a a a a

K K K K

H O K H O K K H O K K K HO K K K K           (3)

Este valor α4 representa la fracción de EDTA que se

encuentra como Y4- a cierto pH. Por lo tanto, se puede

establecer la ecuación (4):

4

4 [ ] EDTA Y   C (4)

donde CEDTA es la concentración analítica de EDTA, es

decir, la suma de todas sus posibles formas presentes en

solución menos como complejo. Al sustituir la ecuación

(4) en (2) y se establece que el pH se mantiene constante,

se puede definir una constante de formación condicional

(Kf’) para el equilibrio entre el ión de calcio y el Y4-. El

valor de Kf’ se define como Kfα4 ya que la función α sólo

depende de pH el cual es constante durante el

experimento:

2

2

' [ ]

[ ] EDTA 4

CaY

f Ca C f K K 

   (5)

La formación del complejo CaY2- es cuantitativa ya que la

constante de equilibrio (Kf’) es de alta magnitud (>108). Es

importante mencionar que la identidad del amortiguador

puede afectar el equilibrio presentado mediante la

ecuación (5). Por ejemplo, el ión de calcio puede formar

complejos con NH3 por lo que un amortiguador que se

compone de NH4:NH3 complica el sistema de ecuaciones

de equilibrios químicos presentes en solución. En este caso

en específico, la formación de complejos entre calcio y

NH3 ayuda a que el primero no se precipite como su

hidróxido, es decir el NH3 actúa como agente auxiliar.

Bajo estas condiciones el NH3 tiene dos funciones

principales; base conjugada en el amortiguador y de agente

auxiliar. Por lo tanto, en este experimento se puede

establecer una constante de condicional prima (Kf

’’).

Otros cationes, tales como magnesio y hierro, pueden

formar complejo con Y4-. Sin embargo, el valor de Kf’

para el ión de magnesio es menor que la de calcio. Esta

propiedad del complejo de magnesio y Y4- nos permite el

uso del indicador metalocrómico eriocromo negro T. Este

indicador (Ind) forma un complejo con el magnesio con

mayor estabilidad (mayor Kf) que con calcio. Esto quiere

decir que antes del punto final de la titulación la muestra

posee un color rojo-vino debido a la presencia de Mg(Ind).

Antes del punto final se tiene que el Y4- es el reactivo

limitante al reaccionar con calcio preferiblemente sobre

magnesio. Sin embargo, en el punto final de la titulación

se debe observar un cambio en color de rojo-vino pasando

por violeta a azul claro. El cambio en color se debe a que

en el punto final, es decir al consumir todo el calcio y

tener exceso de EDTA, el magnesio forma el complejo con

EDTA al este desplazar el indicador dando lugar al color

azul claro correspondiente al indicador libre (HInd2-) en

solución. La reacción de punto final es la siguiente:

Titulación Complejométrica 2

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3 2 2

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )ac ac ac ac ac Mg Ind HY  MgY  HInd  H (6)

El complejo Mg(Ind) es rojo-vino en solución, mientras

que

...