La prueba de Winkler se utiliza para determinar la concentración de oxígeno disuelto en muestras de agua. El oxígeno disuelto (OD) se usa ampliamente en estudios de calidad del agua y en la operación de rutina de las instalaciones de recuperación de agua para analizar su nivel de saturación de oxígeno .
En la prueba, se agrega un exceso de sal de manganeso (II), iones de yoduro (I - ) e hidróxido (OH - ) a una muestra de agua, lo que provoca la formación de un precipitado blanco de Mn (OH) 2 . Este precipitado se oxida por el oxígeno que está presente en la muestra de agua en un marrón manganeso precipitado que contiene con manganeso en un estado más oxidado altamente (ya sea Mn (III) o Mn (IV)).
En el siguiente paso, se agrega un ácido fuerte (ya sea ácido clorhídrico o ácido sulfúrico ) para acidificar la solución. El precipitado marrón luego convierte el ión yoduro (I - ) en yodo . La cantidad de oxígeno disuelto es directamente proporcional a la titulación de yodo con una solución de tiosulfato . [1] Hoy en día, el método se utiliza eficazmente como su modificación colorimétrica, donde el manganeso trivalente producido al acidificar la suspensión marrón se hace reaccionar directamente con EDTA para dar un color rosa. [2] Como el manganeso es el único metal común que produce una reacción de color con EDTA, tiene el efecto adicional de enmascarar otros metales como complejos incoloros.
Historia
La prueba fue desarrollada originalmente por Ludwig Wilhelm Winkler, en la literatura posterior conocida como Lajos Winkler , mientras trabajaba en la Universidad de Budapest en su tesis doctoral en 1888. [3] La cantidad de oxígeno disuelto es una medida de la actividad biológica de las masas de agua. . El fitoplancton y las macroalgas presentes en el agua producen oxígeno en masa mediante la fotosíntesis . Las bacterias y los organismos eucariotas (zooplancton, peces) consumen este oxígeno a través de la respiración celular . El resultado de estos dos mecanismos determina la concentración de oxígeno disuelto, que a su vez indica la producción de biomasa. La diferencia entre la concentración física de oxígeno en el agua (o la concentración teórica si no hubiera organismos vivos) y la concentración real de oxígeno se denomina demanda bioquímica de oxígeno. La prueba de Winkler es a menudo controvertida ya que no es 100% precisa y los niveles de oxígeno pueden fluctuar de una prueba a otra a pesar de usar la misma muestra constante.
Procesos quimicos
En el primer paso, se agrega sulfato de manganeso (II) (al 48% del volumen total) a una muestra de agua ambiental. A continuación, se agrega yoduro de potasio (15% en hidróxido de potasio al 70%) para crear un precipitado de color marrón rosado. En la solución alcalina, el oxígeno disuelto oxidará los iones manganeso (II) al estado tetravalente .
- 2 Mn 2+ (ac) + O 2 (ac) + 2 H 2 O (l) → 2 MnO (OH) 2 (s)
El Mn se ha oxidado a 4+ y el MnO (OH) 2 aparece como un precipitado marrón. Existe cierta incertidumbre sobre si el manganeso oxidado es tetravalente o trivalente . Algunas fuentes afirman que el Mn (OH) 3 es el precipitado marrón, pero el MnO 2 hidratado también puede dar el color marrón.
- 4 Mn (OH) 2 (s) + O 2 (ac) + 2 H 2 O → 4 Mn (OH) 3 (s)
La segunda parte de la prueba de Winkler reduce (acidifica) la solución. El precipitado se disolverá nuevamente en solución cuando el H + reaccione con el O 2− y el OH - para formar agua.
- MnO (OH) 2 (s) + 4 H + (ac) → Mn 4+ (ac) + 3 H 2 O (l)
El ácido facilita la conversión por el precipitado marrón que contiene manganeso del ión yoduro en yodo elemental.
El Mn (SO 4 ) 2 formado por el ácido convierte los iones de yoduro en yodo , que a su vez se reduce a iones de manganeso (II) en un medio ácido.
- Mn (SO 4 ) 2 + 2 I - (aq) → Mn 2+ (aq) + I 2 (aq) + 2 SO 4 2− (aq)
Se utiliza tiosulfato, con un indicador de almidón, para valorar el yodo.
- 2 S 2 O 3 2− (aq) + I 2 → S 4 O 6 2− (aq) + 2 I - (aq)
Análisis
De las ecuaciones estequiométricas anteriores , podemos encontrar que:
- 1 mol de O 2 → 2 moles de MnO (OH) 2 → 2 mol de I 2 → 4 mol de S 2 O 3 2−
Por lo tanto, después de determinar la cantidad de moles de yodo producidos, podemos calcular la cantidad de moles de moléculas de oxígeno presentes en la muestra de agua original. El contenido de oxígeno generalmente se presenta en miligramos por litro (mg / L).
Limitaciones
El éxito de este método depende fundamentalmente de la forma en que se manipula la muestra. En todas las etapas, se deben tomar medidas para garantizar que no se introduzca ni se pierda oxígeno en la muestra. Además, la muestra de agua debe estar libre de solutos que oxidarán o reducirán el yodo.
Los métodos instrumentales para medir el oxígeno disuelto han reemplazado ampliamente el uso rutinario de la prueba de Winkler, aunque la prueba todavía se usa para verificar la calibración del instrumento.
DBO 5
Para determinar la demanda bioquímica de oxígeno de cinco días (DBO 5 ), se analizan varias diluciones de una muestra para el oxígeno disuelto antes y después de un período de incubación de cinco días a 20 ° C en la oscuridad. En algunos casos, las bacterias se utilizan para proporcionar una comunidad estandarizada para absorber oxígeno mientras consume la materia orgánica de la muestra; estas bacterias se conocen como "semillas". La diferencia de OD y el factor de dilución se utilizan para calcular la DBO 5 . El número resultante (generalmente informado en partes por millón o miligramos por litro) es útil para determinar la fuerza orgánica relativa de las aguas residuales u otras aguas contaminadas.
La prueba DBO 5 es un ejemplo de análisis que determina clases de materiales en una muestra.
Botella Winkler
Una botella de Winkler es un material de vidrio de laboratorio fabricado específicamente para realizar la prueba de Winkler. Estas botellas tienen tapas cónicas y un tapón ajustado para ayudar en la exclusión de burbujas de aire cuando la tapa está sellada. Esto es importante porque el oxígeno en el aire atrapado se incluiría en la medición y afectaría la precisión de la prueba. [4]
Referencias
- ^ Chiya Numako e Izumi Nakai (1995). "Estudios XAFS de algunas reacciones de precipitación y coloración utilizadas en química analítica". Physica B: Materia condensada . 208–209: 387–388. Código Bibliográfico : 1995PhyB..208..387N . doi : 10.1016 / 0921-4526 (94) 00706-2 .
- ^ AH de Carvalho, JG Calado y ML Moura, Rev. Port. Quim., 1963, 5, 15
- ^ Lajos Winkler (1888). "Die Bestimmung des in Wasser Gelösten Sauerstoffes" . Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft . 21 (2): 2843–2855. doi : 10.1002 / cber.188802102122 .
- ^ Whitney King, "Titulaciones de Winkler: medición de oxígeno disuelto" , Colby at Sea , 11 de febrero de 2011, recuperado y archivado el 11 de julio de 2012.
Otras lecturas
- Moran, Joseph M .; Morgan, Michael D. y Wiersma, James H. (1980). Introducción a las Ciencias Ambientales (2ª ed.). WH Freeman and Company, Nueva York, NY ISBN 0-7167-1020-X
- Métodos estándar para el análisis de agua y aguas residuales - 20a edición ISBN 0-87553-235-7 . También está disponible en CD-ROM y en línea mediante suscripción.
- "Procedimiento operativo estándar EAP0 23, versión 2.5. Recolección y análisis de oxígeno disuelto (método Winkler)" . Departamento de Ecología del Estado de Washington. Julio de 2017.
- YC Wong y CT Wong. New Way Chemistry para Hong Kong A-Level Volumen 4 , p. 248.ISBN 962-342-535-X
- Manganeso (III) reivindicado sistemáticamente [1] (NB: da una ecuación desequilibrada para la formación de MnO (OH) 2 ). Afirma que el manganeso (III) da manganeso (IV) de manera consistente. [2] [3] [4]