AN-RS-048
2025-06
Especiación de fosfatos con espectroscopia Raman
Una alternativa más sencilla a los métodos de análisis químico húmedo
Resumen
Los fosfatos son parte integral de una amplia gama de procesos industriales, desde la agricultura y la producción de alimentos hasta el tratamiento del agua y los productos farmacéuticos. La capacidad de identificar y monitorear con precisión la transformación de diferentes especies de fosfato, como el ácido fosfórico (H₃PO₄), el fosfato dihidrógeno (H₂PO₄⁻), el fosfato hidrógeno (HPO₄²⁻) y el fosfato (PO₄³⁻), es esencial para optimizar estos procesos y garantizar el cumplimiento de las normas regulatorias. Cada especie de ion fosfato exhibe propiedades y comportamientos químicos únicos, que influyen en su reactividad, solubilidad, respuesta a la excitación y funciones en aplicaciones industriales.
Esta nota de aplicación demuestra la capacidad del instrumento Raman portátil MIRA XTR de Metrohm para especiar iones fosfato.
Introducción
La espectroscopia Raman permite la monitorización en tiempo real y sin contacto de sistemas químicos complejos. Raman ofrece a los usuarios una facilidad y precisión de muestreo excepcionales, especialmente en entornos hostiles como las pruebas de ácido fuerte. Su alta especificidad y sensibilidad a pequeños cambios estructurales en una molécula la convierten en una herramienta sensible ideal para la especiación. Esta aplicación describe el uso de Raman portátil para monitorear especies de fosfato a lo largo de una titulación ácido/base [1].
La transformación de especies de fosfato del ácido fosfórico a través de sus formas desprotonadas al ion fosfato simple se puede monitorear mediante espectroscopia Raman. El estado de protonación de H3PO4 afecta significativamente los procesos de fabricación industrial y aplicaciones como la aplicación de fertilizantes, el tratamiento de aguas residuales y el control de la corrosión [2].
H3PO4 ⇌ H2PO4- + H+ pKa1 = 2.14
H2PO4- ⇌ HPO42- + H+ pKa2 = 7.20
HPO42- ⇌ PO43- + H+ pKa3 = 12.37
Comprender y rastrear estos cambios optimiza el uso de fosfatos, previene reacciones secundarias no deseadas y mantiene la estabilidad del proceso.
Método
Se utilizó la espectroscopia Raman para monitorear las especies de fosfato directamente durante la titulación ácido/base del ácido fosfórico.
Preparación de muestras:Se preparó una solución experimental de ácido fosfórico al 2% (v/v) a partir de una solución madre de ácido fosfórico al 10% (Sigma-Aldrich) con agua desionizada. El titulante fue una solución de NaOH de 5 mol/L preparada diluyendo NaOH de 10 mol/L con agua desionizada.
| Equipo |
|---|
Valoración 907 Titrando Software tiamo 2.5 Agitador 801 800 dosis (20 mL) |
Raman MIRA XTR con accesorio XLWD Software MIRA Cal DS |
Reactivos Ácido fosfórico al 2% 5 mol/L de NaOH Agua desionizada |
Medida
Un titulador automático Titrando 907 (Figura 1) se utilizó para titular el ácido fosfórico al 2% contra soluciones estandarizadas de NaOH de 5 mol/L. En cada punto de ajuste, se midió el pH de la muestra y se recopiló el espectro Raman con MIRA XTR (Figura 1).
Los datos Raman se recopilaron de la superficie superior de la solución. Alternativamente, los datos Raman también pueden adquirirse directamente de la solución utilizando un accesorio de inmersión o a través de la pared de vidrio del recipiente de titulación.
| Parámetro | Configuración |
|---|---|
| Potencia del láser | 50 mW |
| Tiempo de integración | 30 segundos |
| Promedios | 3 |
| Trama | APAGADO |
Resultados
Los puntos medios primero, segundo y tercero del ácido fosfórico se encuentran aproximadamente a pH 2, pH 7 y pH 12, respectivamente (Figura 2a). Estos corresponden estrechamente a los pKa valores para cada paso de desprotonación del ácido fosfórico. De igual manera, el primer y segundo punto de equivalencia a pH 4 y pH 9 aproximadamente son seguidos por una desprotonación completa. (Figura 2a). Los espectros Raman en los diferentes puntos de equivalencia mostraron diferencias claras (Figura 2b–d).
La Figura 2b muestra los cambios que ocurren entre pH 1–5. El pico a 890 cm-1, asociado con el estiramiento simétrico vs(P(OH)3) de H3PO4, cambia a 876 cm-1, que corresponde al estiramiento simétrico vs(P(OH)2) de H2PO4-. El pico a 1078 cm-1, atribuido al estiramiento simétrico vs(PO2), aumenta gradualmente [1].
A medida que la titulación avanza de pH 5 a 9 (Figura 2c), los picos a 876 y 1078 cm-1 (asociado con H2PO4) disminuyen gradualmente y aparece un nuevo pico a 990 cm-1, atribuido al estiramiento simétrico vs(PO3) de HPO42-. Finalmente, a medida que el pH aumenta de 9 a 13 (Figura 2d), el pico de 990 cm-1 desaparece gradualmente y un nuevo pico en 937 centímetros-1 emerge, atribuido al modo de estiramiento simétrico ν1(PO4).
Estos resultados demuestran que la espectroscopia Raman puede rastrear eficazmente los cambios en los estados de protonación de fosfato durante las reacciones de titulación.
Conclusión
La espectroscopia Raman proporciona un análisis en tiempo real de las especies de analito presentes en la solución, lo que permite la identificación precisa de los iones fosfato a medida que cambian con los cambios de pH. Un pequeño sistema Raman portátil como MIRA XTR logra una confirmación rápida y directa de técnicas químicas húmedas como la titulación sin necesidad de reactivos ni preparación compleja de muestras. Además, permite la monitorización continua de sistemas dinámicos, proporcionando información detallada y precisa del proceso de especiación y reduciendo el potencial de error en las mediciones.
Referencias
- Lacayo, H. E.; Nelson, G. L.; Líneas, A. Metal. Reimaginando la medición del pH: utilización de la espectroscopia Raman para una mayor precisión en sistemas de ácido fosfórico. Anal. Química. 2020, 92 (8), 5882–5889. DOI:10.1021/acs.analchem.9b05708
- Determinación de ácido fosfórico con hidróxido de sodio. https://www.metrohm.com/es/aplicaciones/notas-de-aplicacion/aa-t-001-100/an-t-237.html (consultado el 03-02-2025).
Compartir la aplicación
Descargar PDF