Determinación de Hierro (II) por Permanganometría

La permanganometría es una de las técnicas más importantes dentro de las titulaciones de oxidación-reducción (redox). Se basa en el uso de una solución de permanganato de potasio ($KMn{O}_4$) como un potente agente oxidante. Una de las grandes ventajas de este método es que el ion permanganato ($Mn{O}_4^{-}$), de un intenso color púrpura, actúa como su propio indicador.

El objetivo de esta práctica es determinar la concentración de sulfato de hierro (II) ($FeS{O}_4$) en una muestra problema. Se aprovechará la capacidad del ion permanganato para oxidar cuantitativamente los iones hierro (II) ($F{e}^{2+}$) a hierro (III) ($F{e}^{3+}$) en un medio ácido.

Marco Teórico

Esta titulación se fundamenta en la reacción redox entre el ion permanganato y el ion hierro (II). En un medio fuertemente ácido, proporcionado por el ácido sulfúrico ($H_{2}S{O}_4$), el permanganato se reduce a ion manganeso (II) ($M{n}^{2+}$), que es prácticamente incoloro. Simultáneamente, el ion hierro (II) se oxida a ion hierro (III).

Las semirreacciones son:

  * Reducción: $Mn{O}_4^{-}+8H^{+}+5e^{-}⟶M{n}^{2+}+4H_{2}O$

  * Oxidación: $5F{e}^{2+}⟶5F{e}^{3+}+5e^{-}$

La reacción iónica neta balanceada es:

$$Mn{O}_4^{-}+5F{e}^{2+}+8H^{+}⟶M{n}^{2+}+5F{e}^{3+}+4H_{2}O$$

La estequiometría de la reacción es clave: 1 mol de ion permanganato reacciona con 5 moles de ion hierro (II).

El punto final de la titulación se detecta sin necesidad de un indicador externo. Mientras haya $F{e}^{2+}$ en la solución, el $Mn{O}_4^{-}$ púrpura que se añade se convierte instantáneamente en $M{n}^{2+}$ incoloro. La primera gota de $KMn{O}_4$ en exceso, después de que todo el $F{e}^{2+}$ ha reaccionado, no tendrá con qué reaccionar y teñirá la solución de un color rosa pálido persistente, señalando que se ha alcanzado el punto final.

Materiales y equipos

• 1 matraz aforado de 100 mL
• 1 pipeta volumétrica de 25 mL
• 1 matraz Erlenmeyer de 250 mL
• 1 bureta de 50 mL
• 1 soporte universal con pinza para bureta
• 1 probeta de 50 mL
• Piseta o frasco lavador con agua destilada

Reactivos

• Muestra problema de Sulfato de Hierro (II) ($FeS{O}_4$)
• Solución estandarizada de Permanganato de Potasio (~0.02 M $KMn{O}_4$)
• Solución diluida de Ácido Sulfúrico ($H_{2}S{O}_4$)
• Agua destilada

Procedimiento Experimental - Determinación de Hierro (II) por Permanganometría

1.  Preparación de la muestra: Aforar la muestra de $FeS{O}_4$ contenida en el matraz de 100 mL, añadiendo agua destilada hasta la marca. Tapar y homogeneizar invirtiendo el matraz varias veces. Esta será la muestra diluida.

2.  Toma de alícuota: Con la pipeta volumétrica, tomar una alícuota de 25 mL de la muestra diluida y transferirla a un matraz Erlenmeyer.

3.  Acidificación del medio: Añadir 10 mL de la solución de $H_{2}S{O}_4$ diluido al matraz Erlenmeyer. La solución debe permanecer incolora.

4.  Preparación de la bureta: Purgar y llenar la bureta con la solución estandarizada de $KMn{O}_4$. Asegurarse de que no queden burbujas de aire en la punta y enrasar el menisco en la marca de 0.00 mL.

5.  Titulación: Comenzar la titulación añadiendo la solución de $KMn{O}_4$ gota a gota desde la bureta, mientras se agita constantemente el matraz. Se observará que el color púrpura desaparece instantáneamente al entrar en contacto con la solución.

6.  Detección del punto final: Continuar la titulación hasta que la solución en el matraz adquiera una tonalidad rosa pálido que persista por al menos 30 segundos. Anotar el volumen final de $KMn{O}_4$ consumido.

Después del Experimento

Con los datos obtenidos, se puede determinar la concentración de la muestra original de $FeS{O}_4$.

1.  Moles de $KMn{O}_4$ consumidos:

    Se calculan los moles de $KMn{O}_4$ a partir de la molaridad de la solución estándar y el volumen gastado.

    $n_{KMn{O}_4}=M_{KMn{O}_4}\times V_{KMn{O}_4}$

      * $M_{KMn{O}_4}$ = Molaridad de la solución de $KMn{O}_4$ (mol/L).

      * $V_{KMn{O}_4}$ = Volumen de $KMn{O}_4$ consumido en la titulación (en Litros).

2.  Moles de $FeS{O}_4$ en la alícuota:

    Usando la estequiometría de la reacción (1 mol $KMn{O}_4$ : 5 mol $FeS{O}_4$):

    $$n_{FeS{O}_4}=n_{KMn{O}_4}\times 5$$

3.  Molaridad de la Muestra Diluida:

    Se calcula la molaridad de la solución de $FeS{O}_4$ que se tituló.

    $$M_{FeS{O}_4(diluida)}=n_{FeS{O}_4}/V_{al\acute{\text{i}}cuota}$$

      * $V_{al\acute{\text{i}}cuota}$ = Volumen de la muestra titulado (ej. 0.025 L).

4.  Molaridad de la Muestra Original:

    Se multiplica por el factor de dilución (FD) para encontrar la concentración de la muestra inicial.

    $$M_{original}=M_{FeS{O}_4(diluida)}\times FD$$

5.  Concentración en g/L:

    Finalmente, se convierte la molaridad de la muestra original a gramos por litro, utilizando el peso molecular del $FeS{O}_4$ ($P{M}_{FeS{O}_4}\approx 151.91g/mol$).

    $$C(g/L)=M_{original}\times 151.91$$

Preguntas Adicionales

1.  ¿Por qué es imprescindible realizar la titulación en un medio fuertemente ácido? ¿Qué ocurriría si el pH fuera neutro o básico?

2.  ¿Por qué se utiliza ácido sulfúrico ($H_{2}S{O}_4$) y no ácido clorhídrico ($HCl$) para acidificar el medio en esta práctica?

3.  Además del $F{e}^{2+}$, ¿qué otros iones podrían determinarse mediante una titulación con permanganato de potasio?

Recomendaciones de Seguridad

• Es obligatorio el uso de bata de laboratorio, gafas de seguridad y guantes.
• El Permanganato de Potasio ($KMn{O}_4$) es un oxidante fuerte. Evitar el contacto con la piel, ya que puede causar manchas marrones y quemaduras. No debe entrar en contacto con materiales combustibles.
• El Ácido Sulfúrico ($H_{2}S{O}_4$) es altamente corrosivo y puede causar quemaduras graves. Manipular con extremo cuidado, preferiblemente en una campana de extracción de gases.
• Desechar todos los residuos químicos en los contenedores designados por el laboratorio, nunca por el desagüe.

• Titulador de Karl Fischer
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• Masa molar de un vapor condensable