Titulación de Winkler

La prueba de Winkler se utiliza para determinar la concentración de oxígeno disuelto en muestras de agua. El oxígeno disuelto (D.O.) se usa ampliamente en los 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 iones de sal de manganeso (II), yoduro (I⁻) e hidróxido (OH⁻) a una muestra de agua, lo que provoca una se forma un precipitado blanco de Mn(OH)₂. Este precipitado luego es oxidado por el oxígeno que está presente en la muestra de agua en un precipitado marrón que contiene manganeso con manganeso en un estado más altamente oxidado (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 ion yoduro (I⁻) en yodo. La cantidad de oxígeno disuelto es directamente proporcional a la titulación de yodo con una solución de tiosulfato. Hoy en día, el método se usa efectivamente como su modificación colorimétrica, donde el manganeso trivalente producido al acidificar la suspensión marrón reacciona directamente con ácido etilendiaminotetraacético para dar un color rosa. Como el manganeso es el único metal común que da una reacción de color con el ácido etilendiaminotetraacético, 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 denominado Lajos Winkler, mientras trabajaba en la Universidad de Budapest en su tesis doctoral en 1888. 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 a través de 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 a menudo es 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 químicos

En el primer paso, se agrega sulfato de manganeso (II) (al 48 % del volumen total) a una muestra de agua ambiental. Luego, 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 de manganeso (II) al estado tetravalente.

2 Mn²⁺aq) + O₂aq) + 2 H₂Ol) → 2 MnO(OH)₂s)

Mn se ha oxidado a 4+ y MnO(OH)₂ aparece como un precipitado marrón. Existe cierta incertidumbre acerca de si el manganeso oxidado es tetravalente o trivalente. Algunas fuentes afirman que el Mn(OH)₃ es el precipitado marrón, pero el MnO₂ hidratado también puede dar el color marrón.

4 Mn(OH)₂s) + O₂aq) + 2 H₂O → 4 Mn(OH)₃s)

La segunda parte de la prueba de Winkler reduce (acidifica) la solución. El precipitado se disolverá nuevamente en la solución a medida que el H⁺ reacciona con el O²⁻ y el OH⁻ para formar agua.

MnO(OH)₂s) + 4 H⁺aq) → Mn⁴⁺aq) + 3 H₂Ol)

El ácido facilita la conversión del precipitado marrón que contiene manganeso del ion yoduro en yodo elemental.

El Mn(SO₄)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(SO₄)₂ + 2 I⁻aq) → Mn²⁺aq) + I₂aq) + 2 SO^{2 - 2}
₄aq)

Se utiliza tiosulfato, con un indicador de almidón, para titular el yodo.

2 S
₂O^{2 - 2}
₃aq) + I₂ → S
₄O^{2 - 2}
₆aq) + 2 I⁻aq)

Análisis

De las ecuaciones estequiométricas anteriores, podemos encontrar que:

1 topo de O₂ → 2 topos de MnO(OH)₂ → 2 mole de I₂ → 4 topo de S
₂O^{2 - 2}
₃

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 se suele presentar en miligramos por litro (mg/L).

Limitaciones

El éxito de este método depende en gran medida 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 de la muestra. Además, la muestra de agua debe estar libre de cualquier soluto que oxide o reduzca el yodo.

Los métodos instrumentales para medir el oxígeno disuelto han suplantado ampliamente el uso rutinario de la prueba de Winkler, aunque la prueba todavía se usa para verificar la calibración del instrumento.

DBO5

Para determinar la demanda bioquímica de oxígeno (DBO₅) de cinco días, se analiza el oxígeno disuelto en varias diluciones de una muestra antes y después de un período de incubación de cinco días a 20 °C en la oscuridad. En algunos casos, las bacterias se usan para proporcionar una comunidad estandarizada para absorber oxígeno mientras consumen la materia orgánica en la muestra; estas bacterias se conocen como "semilla". La diferencia en DO y el factor de dilución se utilizan para calcular la DBO₅. 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 BOD₅ es un ejemplo de análisis que determina las clases de materiales en una muestra.

Botella Winkler

Una botella de Winkler es una pieza de vidrio de laboratorio hecha específicamente para realizar la prueba de Winkler. Estas botellas tienen tapas cónicas y un tapón ajustado para ayudar a excluir las burbujas de aire cuando se sella la tapa. Esto es importante porque el oxígeno en el aire atrapado se incluiría en la medición y afectaría la precisión de la prueba.