Gravimetría: definición, fundamento teórico y procedimiento

Escrito por Quimitube el 22 noviembre

¿A qué llamamos análisis gravimétrico?

Aunque en otras entradas de blog, y también en la teoría de segundo de bachillerato, hemos hablado de técnicas de análisis de laboratorio como las volumetrías (por ejemplo, volumetrías ácido-base y volumetrías redox) existen otros muchos métodos para analizar una muestra. Mientras que una volumetría se fundamenta en la medición del volumen de un reactivo valorante, otros métodos están basados en la medición de la masa; estos últimos se denominan métodos gravimétricos o, simplemente, gravimetrías. Ambos, volumetrías y gravimetrías, son métodos clásicos de análisis, lo cual significa que están basados en la aplicación de una reacción química. En concreto, para llevar a cabo una gravimetría lo más frecuente es que produzcamos en el laboratorio una reacción química de precipitación de un compuesto puro que contenga el analito que queremos determinar. Se trata de métodos cuantitativos (podemos determinar la concentración de analito, no solo su presencia) y su fiabilidad y precisión hace que, con frecuencia, se usen como métodos de referencia, por lo que se puede apreciar su gran importancia. ¿Qué significa que se usen como métodos de referencia? Pues que se utilizan para para contrastar la validez de otros métodos analíticos o para la preparación de materiales de referencia.

Balanza analítica llevada a cabo para realizar pesadas en el laboratorio

Por tanto, vemos que son métodos que nos ofrecen una gran seguridad, son muy precisos y exactos (los errores son muy bajos, generalmente inferiores al 1%). Y, sin embargo, no se suelen estudiar a nivel académico, al menos en bachillerato, sino que en estos niveles el currículum se centra en los métodos volumétricos. ¿Por qué? Porque las gravimetrías, a pesar de sus considerables virtudes, como la citada exactitud, son métodos muy largos y tediosos, poco apropiados, por ejemplo, para llevarlos a cabo en un laboratorio escolar.

¿Cómo se clasifican los métodos gravimétricos?

Los métodos gravimétricos se pueden clasificar según la técnica que se utiliza aislar el componente de interés. Así, tenemos cuatro grupos:

Métodos de precipitación química

Como hemos indicado previamente, la precipitación es el modo más corriente de proceder en gravimetría. Se llevan a cabo sobre la muestra en disolución, de la que se separa la especie a determinar por adición de un reactivo que provoca la formación de un precipitado insoluble que contendrá nuestro analito. Después, el precipitado se debe separar de la disolución (por filtración), lavar y secar o calcinar para pesar el residuo final.

Por ejemplo, se puede utilizar la gravimetría para determinar el níquel de una disolución, que precipita con el compuesto dimetilglioxima. El precipitado que se forma se filtra, se seca en estufa a unos 100ºC y se pesa posteriormente. Cálculos estequiométricos nos permiten determinar la concentración de níquel inicial. En el caso de la determinación gravimétrica, por ejemplo, de hierro o aluminio, el precipitado producido no se seca, sino que se calcina a temperaturas muy elevadas.

Métodos electrogravimétricos

Aunque lo hemos indicado aquí como un método a parte, en realidad se trata de un tipo concreto de métodos de precipitación, ya que también se produce un precipitado sólido, pero en lugar de hacerlo mediante la adición de un reactivo, se provoca la reacción química mediante el paso de una corriente eléctrica y el precipitado se deposita en la superficie de uno de los electrodos. Pesar el electrodo antes y después de la reacción nos dará el peso total de la sustancia depositada y mediante cálculos estequiométricos también podremos determinar la concentración. Son métodos de poca aplicación; se puede emplear para determinar algunos metales como el cobre o el plomo.

Métodos de volatilización

En ocasiones, cuando la especie que deseamos determinar pasa fácilmente a fase gaseosa o puede formar un compuesto volátil, en lugar de formar un sólido precipitado se volatiliza. Así, se podrá determinar la cantidad de especie presente por diferencia de pesos, es decir, el peso final, una vez volatilizada la parte deseada, menos el peso inicial de la muestra (método indirecto), o bien recogiendo la especie volatilizada y pesándola posteriormente (método directo). Por ejemplo, cuando deseamos determinar la cantidad de agua de una muestra de alimento, se pesa la muestra de alimento inicial y después de haberse desecado por completo.

Métodos de extracción

Los métodos de extracción solo se pueden usar para determinaciones muy concretas, por ejemplo la determinación del porcentaje de un componente en una aleación. Consisten en separar por disolución los componentes no deseados y pesar únicamente el residuo del componente de interés. Por tanto, se necesita un disolvente que disuelva los componentes no deseados de la muestra pero no el analito.

Puesto que generalmente cuando se hace referencia a una gravimetría es a un método de precipitación, por tener mayor cantidad de aplicaciones, en adelante nos centraremos en estos métodos.

¿Qué características debe cumplir el precipitado de una gravimetría?

Para que un analito se pueda determinar mediante una gravimetría, es necesario que el precipitado formado cumpla una serie de características. Por ejemplo:

Que sea muy insoluble, para que la parte que se pierda por lavado y filtración sea mínima, ya que esto es una fuente de error.

Que sea puro o fácilmente purificable.

Que la precipitación sea selectiva, es decir, que precipite únicamente el analito de interés y no otras especies.

Que se pueda filtrar con facilidad. Los precipitados con texturas gelatinosas y difíciles de filtrar harán que el método sea mucho más tedioso o que directamente no se pueda llevar a cabo.

Que el precipitado final formado, que debemos pesar, no sea higroscópico. Recordemos que un compuesto higroscópico es aquel que tiene gran tendencia a captar humedad ambiente, como el CaCl₂. Esto haría que tuviésemos un considerable error por exceso en la pesada.

Pasos básicos en el laboratorio para llevar a cabo una gravimetría

Hemos visto hasta ahora qué es una gravimetría, qué tipos de gravimetrías encontramos y qué requisitos teóricos tiene que tener un precipitado para poder llevarse a cabo el análisis. Ahora bien, cuando ya estamos en disposición de realizar la prueba, ¿cómo debemos proceder? Debemos llevar a cabo una serie de pasos en orden, que son:

1. Precipitación.

Se introduce un volumen conocido de la disolución a valorar en un Erlenmeyer y se va adicionando lentamente reactivo precipitante. Para que el proceso de precipitación sea adecuado, es importante trabajar con bajas concentraciones, tanto de disolución problema como de reactivo, y añadir el reactivo lentamente. Además, durante la adición se debe agitar la mezcla de reacción constantemente, para que la disolución sea homogénea y la precipitación también lo sea (evitando así sobresaturaciones locales). Asimismo, muchas veces se trabaja también a elevadas temperaturas (para que la precipitación sea más lenta y aumente la solubilidad) y con medios ligeramente ácidos. Una vez que se ha producido la precipitación, la disolución se enfría para favorecer la formación de cristales grandes y para evitar que se pierda analito por solubilidad.

Erlenmeyer con disolución. Fuente: Flickr, usuario Laser Burners, licencia CC

2. Digestión y purificación del precipitado.

Si un precipitado es impuro significa que incluye más especies que las que nosotros deseamos determinar, o bien que su estequiometría no es la esperada o no es constante. Lograr que el precipitado sea puro es esencial para reducir el error del análisis.

Con objeto de tener precipitados más puros y fácilmente filtrables, generalmente se mantiene el precipitado en contacto con la disolución madre a una temperatura más o menos elevada (80 – 90ºC), lo que facilita la desaparición de los cristales pequeños y el crecimiento de los grandes, con la consiguiente purificación del producto. Este procedimiento, conocido como digestión del precipitado, puede llegar a requerir de 12 a 24 horas.

La coprecipitación es el fenómeno por el cual sustancias normalmente solubles son arrastradas por un precipitado insoluble. Se reconocen cuatro tipos de coprecipitación: adsorción, inclusión isomórfica, inclusión no isomórfica y oclusión.

Para corregir la cantidad de impurezas coprecipitadas a menudo se recurre a una reprecipitación, pero también se pueden minimizar disminuyendo la velocidad de crecimiento del cristal, evitando que queden contaminantes atrapados (adición lenta del reactivo, manejar disoluciones diluidas y precipitar en caliente). Sin embargo la digestión suele ser más efectiva que tales medidas debido a las rápidas disoluciones y recristalización del retículo.

3. Filtración y lavado del precipitado

Normalmente, el precipitado formado se filtra mediante la técnica denominada “filtración a vacío” que utiliza un embudo büchner y un matraz kitasato conectado a una trompa o bomba de vacío. La succión hace que la filtración sea mucho más rápida que si se lleva a cabo por gravedad.

Equipo básico de filtración a vacío. Fuente: www.ub.edu/oblq

Procedimiento de filtración a vacío llevado a cabo en el laboratorio

4. Desecación o calcinación

Después de la filtración, el precipitado gravimétrico se calienta en una estufa de laboratorio hasta que su masa se vuelve constante. El calentamiento elimina el disolvente y cualquier especie volátil arrastrada con el precipitado. Algunos precipitados, en cambio, deben ser calcinados para formar un compuesto de composición conocida (y estequiometría definida) denominado forma pesable. La necesidad de la calcinación para eliminar totalmente la humedad del precipitado se pone de manifiesto, por ejemplo, en el caso de la sílice. Cuando se precipita sílice lo hace en forma hidratada como SiO₂·nH₂O, por lo que es necesario calcinarla alrededor de 1000ºC durante 15-20 minutos para que quede como SiO₂. Esta operación se lleva a cabo en un horno mufla.

5. Pesada

Tanto en las gravimetrías de desecación como en las de calcinación el procedimiento es similar. En primer lugar los crisoles normales o filtrantes que van a contener la muestra deben ser sometidos al mismo tratamiento térmico que deberán soportar cuando contengan la muestra en su estado final, tratamiento que debe prolongarse hasta obtener pesada constante. En cualquier caso se debe dejar enfriar el crisol en un desecador hasta que su temperatura se equilibre con la ambiental del cuarto de balanzas para evitar errores de pesada. Una vez tarado el crisol, éste ya está en condiciones de ser utilizado para la desecación o calcinación, tras lo cual será tratado de nuevo hasta peso constante.

Con frecuencia los productos finales son higroscópicos, debiendo protegerlos de la humedad atmosférica. Por ello, después de sacar el crisol de la estufa o de la mufla y una vez ya no está al rojo, se introduce en un desecador hasta que se enfríe y se equilibre térmicamente con el ambiente del cuarto de balanzas.

¿Cómo se realizan los cálculos estequiométricos en una gravimetría? El factor gravimétrico

Los resultados de una análisis gravimétrico suelen expresarse en porcentaje del analito en la muestra. Para ello, se suelen utilizar los llamados factores gravimétricos, que frecuentemente se encuentran tabulados en libros de análisis cuantitativo. El factor gravimétrico, F, es la relación entre el peso molecular de la forma en que se quiere expresar el resultado del problema y el peso molecular de la especie que realmente se pesa en la determinación final. Así, el calcio suele darse en los minerales en forma de CaO, mientras que puede haber sido pesado como CaCO₃.

El factor gravimétrico será F = M(CaO) / M(CaCO₃)

Y el resultado: X*F* (100/Y) = % CaO

Donde X es la cantidad pesada de CaCO₃ e Y representa el peso de muestra de partida. Cuanto menor sea el factor gravimétrico, más favorable será la determinación, pues se minimiza el error.

Algunas aplicaciones de las gravimetrías

Aunque en algunas entradas posteriores profundizaremos en los métodos gravimétricos concretos para llevar a cabo determinados análisis, en este último apartado indicaremos algunas aplicaciones de las gravimetrías utilizando precipitantes inorgánicos. Se trata de precipitantes sencillos como, por ejemplo: amoníaco, ácido clorhídrico, ácido nítrico, ácido oxálico, ácido sulfúrico… A continuación vemos una tabla en la que se indica qué analito se puede determinar de este modo, qué precipitante se utiliza, qué producto se forma y cuál es el producto que finalmente se pesa, que no siempre coinciden. Generalmente, se precipitan bien como óxidos (Al₂O₃) o bien como sales (AgCl).

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