PRÁCTICA DE LABORATORIO: DETERMINACIÓN DE LA DUREZA TOTAL DEL AGUA MEDIANTE TITULACIÓN COMPLEXOMÉTRICA CON EDTA

 

 DETERMINACIÓN DE LA DUREZA TOTAL DEL AGUA MEDIANTE TITULACIÓN COMPLEXOMÉTRICA CON EDTA

1. Introducción

La dureza es una propiedad química del agua asociada principalmente con la presencia de iones calcio (Ca²⁺) y magnesio (Mg²⁺). Estos iones llegan a las aguas naturales por procesos como la disolución de minerales presentes en rocas y suelos, especialmente materiales carbonatados, y su concentración puede variar considerablemente según la geología de la zona, el tiempo de contacto agua-roca y determinadas actividades humanas.

La dureza influye en diversos usos del agua. Concentraciones elevadas de calcio y magnesio favorecen la formación de incrustaciones en tuberías, calentadores y equipos, además de aumentar el consumo de jabón. Desde el punto de vista ambiental, la dureza también es relevante porque puede modificar la especiación y la biodisponibilidad de ciertos metales.

Una de las técnicas más utilizadas para determinar la dureza total es la titulación complexométrica con ácido etilendiaminotetraacético (EDTA). El EDTA forma complejos estables con Ca²⁺ y Mg²⁺ en proporción molar 1:1. La valoración se realiza aproximadamente a pH 10 y puede emplearse negro de eriocromo T como indicador metalocrómico.

Figura 4.1 Estructura química del ácido etilendiaminotetraacético (EDTA, siglas en inglés)

Figura 4.2 Estructura química del indicador negro de eriocromo T.

En presencia de calcio y magnesio, el indicador presenta una coloración rojo vino. A medida que se adiciona EDTA, los iones metálicos son complejados preferentemente por el titulante. Cuando la cantidad de EDTA es suficiente para complejar los iones responsables de la dureza, el indicador queda libre y el sistema cambia a una coloración azul, señalando el punto final.

Figura 4.3 Complejos de los iones Ca²⁺ y Mg²⁺ con el indicador negro de eriocromo T.

Figura 4.4 Complejo químico del EDTA como iones metálicos.

En esta práctica se determinará la dureza total de diferentes muestras de agua y los resultados se expresarán como miligramos de carbonato de calcio por litro (mg/L como CaCO₃), unidad convencional que permite comparar aguas con diferente composición mineral.

2. Objetivos

Objetivo general

Determinar la dureza total de diferentes muestras de agua mediante titulación complexométrica con EDTA y relacionar los resultados con su composición mineral y calidad ambiental.

Objetivos específicos

·       Aplicar los principios de una titulación complexométrica para el análisis de muestras de agua.

·       Explicar la formación de complejos entre EDTA y los iones Ca²⁺ y Mg²⁺.

·       Reconocer el cambio de color del negro de eriocromo T en el punto final de la valoración.

·       Calcular la dureza total y expresarla en mg/L como CaCO₃.

·       Comparar la dureza de muestras de agua de diferente procedencia.

·       Relacionar los resultados con procesos naturales y posibles implicaciones en el uso del agua.

3. Fundamento teórico

3.1. Dureza del agua

La dureza total se define operacionalmente como la suma de las concentraciones de calcio y magnesio expresadas como equivalentes de CaCO₃. Aunque otros cationes polivalentes pueden contribuir, Ca²⁺ y Mg²⁺ suelen constituir la fracción predominante en aguas naturales.

La presencia de calcio en aguas que atraviesan materiales calcáreos puede explicarse, de manera simplificada, por la interacción del carbonato de calcio con dióxido de carbono y agua:

CaCO₃(s) + CO₂(ac) + H₂O(l) ⇌ Ca²⁺(ac) + 2HCO₃⁻(ac)

De forma análoga, minerales que contienen magnesio pueden liberar Mg²⁺ al agua durante procesos de disolución y meteorización.

3.2. Titulación complexométrica con EDTA

El EDTA es un agente quelante capaz de coordinarse con numerosos cationes metálicos. En una representación simplificada, Y⁴⁻ simboliza la forma del EDTA que participa en la formación del complejo. Las reacciones con calcio y magnesio pueden expresarse como:

Ca²⁺(ac) + Y⁴⁻(ac) ⇌ CaY²⁻(ac)

Mg²⁺(ac) + Y⁴⁻(ac) ⇌ MgY²⁻(ac)

En ambos casos la relación estequiométrica metal:EDTA es 1:1. Esta característica permite relacionar el volumen de EDTA consumido con la cantidad total de Ca²⁺ y Mg²⁺ presente en la alícuota analizada.

3.3. Función del pH

La valoración de dureza total se realiza a pH 10.0 ± 0.1. El control del pH favorece la formación de los complejos metal-EDTA y permite obtener un cambio de color definido con el indicador. Un pH excesivamente alto puede favorecer la precipitación de especies como CaCO₃ o Mg(OH)₂, por lo que debe evitarse.

Mg²⁺(ac) + 2 OH⁻(ac) ⇌ Mg(OH)₂(s)

3.4. Indicador negro de eriocromo T

El negro de eriocromo T forma un complejo coloreado con los iones metálicos responsables de la dureza. De manera simplificada, el equilibrio puede representarse como:

M²⁺ + HIn²⁻ ⇌ MIn⁻ + H⁺

donde M²⁺ representa principalmente Ca²⁺ o Mg²⁺. Durante la titulación, el EDTA desplaza al indicador porque forma un complejo más estable con el ion metálico:

MIn⁻ + Y⁴⁻ → MY²⁻ + In³⁻

El cambio de rojo vino a azul indica el punto final de la valoración.

3.5. Expresión de la dureza

La dureza se expresa convencionalmente como concentración equivalente de CaCO₃. Si el titulante de EDTA ha sido estandarizado y su concentración molar es conocida, puede calcularse mediante:

donde Vol EDTA es el volumen de titulante consumido en mL, M EDTA es su concentración molar, 100.09 g/mol es la masa molar del CaCO₃ y Vol muestra es el volumen de muestra valorado en mL.

4. Materiales y equipos

·       Bureta de 25 o 50 mL

·       Soporte universal y pinza para bureta

·       Pipeta volumétrica de 50 mL o probeta graduada

·       Matraces Erlenmeyer de 250 mL

·       Vasos de precipitados

·       Matraz aforado

·       Balanza analítica o de precisión

·       Espátula

·       Vidrio de reloj

·       Frasco lavador

·       pH-metro o papel indicador apropiado

·       Pipeta Pasteur o gotero

·       Guantes

·       Gafas de seguridad

Reactivos

·       EDTA disódico, solución titulante aproximadamente 0.01 M

·       Solución amortiguadora amoníaco/cloruro de amonio de pH 10

·       Negro de eriocromo T

·       Carbonato de calcio (CaCO₃), para preparación de patrón de control o estandarización

·       Ácido clorhídrico diluido, para disolver CaCO₃ en la preparación del patrón

·       Agua destilada

5. Muestras sugeridas

Se recomienda conservar los códigos utilizados en las prácticas anteriores para facilitar la comparación integral de resultados. Pueden analizarse:

1.     Agua potable de la red.

2.     Agua embotellada.

3.     Agua de pozo.

4.     Agua de lluvia.

5.     Agua de río, arroyo, laguna o canal.

6.     Otra fuente ambiental seleccionada por el grupo.

Importante: todas las muestras ambientales serán consideradas no aptas para consumo durante la práctica.

6. Procedimiento experimental

Parte A. Preparación de una solución patrón de CaCO₃ para control de la valoración

1.     Pese 0.1000 g de CaCO₃ y transfiéralos a un vaso de precipitados.

2.     Agregue lentamente pequeñas porciones de HCl diluido hasta completar la disolución del sólido. La reacción puede representarse como:

CaCO₃(s) + 2HCl(ac) → CaCl₂(ac) + CO₂(g) + H₂O(l)

3.     Transfiera cuantitativamente la disolución a un matraz aforado de 100 mL y complete con agua destilada. Esta solución contiene 1.00 mg de CaCO₃ equivalente por mL.

4.     Rotule la solución patrón y utilícela para comprobar la respuesta del procedimiento o para estandarizar el EDTA bajo supervisión docente.

Parte B. Preparación de la bureta

1.     Enjuague la bureta con agua destilada y posteriormente con una pequeña porción de la solución de EDTA.

2.     Llene la bureta con EDTA y elimine cualquier burbuja presente en la punta.

3.     Registre el volumen inicial con la lectura al nivel adecuado del menisco.

Parte C. Determinación de la dureza total

1.     Mida 50.0 mL de la muestra de agua y transfiéralos a un matraz Erlenmeyer de 250 mL.

2.     Agregue aproximadamente 1–2 mL de solución amortiguadora de pH 10 y mezcle.

3.     Verifique, cuando sea necesario, que el pH se encuentre próximo a 10.

4.     Agregue una pequeña cantidad de negro de eriocromo T. Si existen cantidades apreciables de Ca²⁺ y Mg²⁺, se observará una tonalidad rojo vino.

5.     Titule inmediatamente con la solución de EDTA mientras agita continuamente el matraz.

6.     Reduzca la velocidad de adición al aproximarse al punto final.

7.     Detenga la titulación cuando la coloración cambie de rojo vino a azul y permanezca estable.

8.     Registre el volumen final de la bureta y calcule el volumen de EDTA consumido.

9.     Repita la determinación con una segunda alícuota de la misma muestra.

10. Realice el procedimiento para las demás muestras de agua.

7. Registro de resultados

Muestra	V muestra (mL)	V EDTA 1 (mL)	V EDTA 2 (mL)	V EDTA promedio (mL)	Dureza (mg/L como CaCO₃)	Observaciones
A
B
C
D

 

8. Análisis e interpretación de resultados

1.     Calcule la dureza total de cada muestra y exprese el resultado en mg/L como CaCO₃.

2.     Ordene las muestras desde la menor hasta la mayor dureza.

3.     Compare los resultados con la procedencia de cada muestra y proponga una explicación para las diferencias observadas.

4.     Relacione la dureza obtenida con los resultados de conductividad y SDT determinados en la práctica anterior.

5.     Explique por qué dos muestras con conductividades semejantes pueden presentar diferente dureza.

6.     Identifique posibles consecuencias prácticas de utilizar un agua con elevada dureza en tuberías, calentadores o procesos de lavado.

7.     Explique por qué el resultado se expresa como CaCO₃ aunque la muestra contenga simultáneamente calcio y magnesio.

8.     Señale qué información adicional sería necesaria para conocer por separado las concentraciones de Ca²⁺ y Mg²⁺.

Nota: la dureza es un parámetro de caracterización química del agua. Un valor alto o bajo de dureza no permite, por sí solo, establecer que una muestra sea potable o que se encuentre contaminada.

9. Cuestionario poslaboratorio

1.     ¿Cuáles son los principales iones responsables de la dureza del agua?

2.     ¿Por qué el EDTA es adecuado para una valoración complexométrica de Ca²⁺ y Mg²⁺?

3.     Escriba las reacciones de formación de los complejos Ca-EDTA y Mg-EDTA.

4.     ¿Cuál es la función de la solución amortiguadora de pH 10?

5.     ¿Qué indica el cambio de rojo vino a azul durante la valoración?

6.     ¿Por qué debe evitarse un pH excesivamente alto durante la determinación?

7.     ¿Por qué la dureza se expresa convencionalmente en mg/L como CaCO₃?

8.     Una muestra presenta elevada conductividad pero baja dureza. ¿Cómo podría explicarse este resultado químicamente?

10. Seguridad y manejo de residuos

·       Utilizar bata, gafas de seguridad y guantes durante toda la práctica.

·       Manipular las soluciones ácidas y básicas evitando el contacto con piel y ojos.

·       Preparar y utilizar la solución amortiguadora de amoníaco en un área adecuadamente ventilada.

·       No pipetear con la boca.

·       Evitar derrames de EDTA e indicador y limpiar inmediatamente cualquier salpicadura.

·       Las soluciones valoradas y los excedentes deberán gestionarse de acuerdo con las normas institucionales de disposición de residuos químicos.

·       No devolver a los recipientes originales las porciones de reactivos utilizadas.

·       Limpiar la bureta y el material volumétrico al finalizar.

·       Considerar las muestras ambientales como no aptas para consumo y lavarse las manos al terminar.

11. Referencias bibliográficas

American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. (2023). Standard methods for the examination of water and wastewater (24th ed.). APHA Press.

U.S. Environmental Protection Agency. (1983). Methods for chemical analysis of water and wastes (EPA-600/4-79-020). U.S. Environmental Protection Agency.

U.S. Environmental Protection Agency. (2015). Field sampling guidance document #1220: Groundwater well sampling. U.S. Environmental Protection Agency.