Laboratorio de Qumica Inorgnica Prctica N 7: Reacciones completas con el Cu

UNI 2013-IILaboratorio de Qumica Inorgnica Prctica N 7: Reacciones completas con el Cu

REACCIONES COMPLETAS CON EL COBRE

1. Objetivo General: Aprender que condiciones experimentales favorecen la culminacin de una reaccin qumica (leyes de Berthollet) preparando una serie de compuestos, en una secuencia qumica que comienza con una sustancia y termina con la misma.

Desarrollar la habilidad en el trabajo de laboratorio, que ser fcilmente comprobada calculando el porcentaje de recuperacin de la sustancia inicial utilizada.

2. Fundamento Terico: COBRE. Elemento qumico, de smbolo Cu, con nmero atmico 29; uno de los metales de transicin e importante metal no ferroso. Su utilidad se debe a la combinacin de sus propiedades qumicas, fsicas y mecnicas, as como a sus propiedades elctricas y su abundancia. El cobre fue uno de los primeros metales usados por los humanos.La mayor parte del cobre del mundo se obtiene de los sulfuros minerales como la calcocita, covelita, calcopirita, bornita y enargita. Los minerales oxidados son la cuprita, tenorita, malaquita, azurita, crisocola y brocantita. Un metal comparativamente pesado, el cobre slido puro, tiene una densidad de 8.96 g/cm3a 20C, mientras que el del tipo comercial vara con el mtodo de manufactura, oscilando entre 8.90 y 8.94. El punto de fusin del cobre es de 1083.0 (+/-) 0.1C (1981.4 +/- 0.2F). Su punto de ebullicin normal es de 2595C (4703F). El cobre no es magntico; o ms exactamente, es un poco paramagntico. Su conductividad trmica y elctrica son muy altas. Es uno de los metales que puede tenerse en estado ms puro, es moderadamente duro, es tenaz en extremo y resistente al desgaste. La fuerza del cobre est acompaada de una alta ductibilidad. Las propiedades mecnicas y elctricas de un metal dependen en gran medida de las condiciones fsicas, temperatura y tamao de grano del metal.Claude Louis Berthollet. (Talloires, Francia, 1748 - Arcueil, id., 1822) Qumico francs. Estudi medicina en Turn (1768) y posteriormente se traslad a Pars. Acadmico electo en 1780, sus investigaciones con el cido hidrocinico (prsico) y con el cianhdrico le condujeron a discrepar de Lavoisier en la cuestin de si la presencia de oxgeno es esencial en todos los cidos. Berthollet descubri la composicin del amonaco e introdujo el uso del cloro como agente blanqueador. En su obra sobre la teora de las afinidades qumicasEnsayo de esttica qumica(1803) propuso una ley de proporciones indefinidas para las combinaciones qumicas, opuesta a la de proporciones definidas de Proust. Aunque esta ley fue rechazada, la idea de Berthollet de que la masa influye en el curso de las reacciones qumicas fue posteriormente vindicada en la ley de accin de masas enunciada por Guldberg y Waage. Claude Louis Berthollet contribuy notablemente al desarrollo de la qumica industrial; se ocup en particular de los tintes, introdujo la utilizacin del cloro en el blanqueo de las fibras textiles y del papel, descubri los hipocloritos alcalinos y el clorato potsico, e investig acerca del amonaco, el hidrgeno sulfurado y el cido cianhdrico. La mayor aportacin de Berthollet a su ciencia predilecta est integrada por sus ideas sobre la afinidad, que desarroll enIndagaciones sobre las leyes de la afinidad(1801) y reuni luego en elEnsayo de esttica qumica. Modific las opiniones de Bergman acerca de la afinidad, introdujo el concepto de masa en las reacciones qumicas y puso en duda las relaciones constantes de los componentes en los compuestos. Las conclusiones errneas fueron atacadas por Joseph Louis Proust, quien logr demostrar que Berthollet haba experimentado con mezclas y no con verdaderos compuestos. La Societ d'Arcueil, fundada por l, public, entre 1807 y 1817, algunos de sus estudios sobre qumica.

3. Pictogramas:

ACIDO CLORHIDRICO (HCl): Riesgo principal: corrosivo. Riesgos: el acido clorhdrico es altamente corrosivo y causa serias quemaduras a la piel y los ojos y problemas respiratorios aguas y crnicas. Precauciones: evitar el contacto con la piel, los ojos y la ropa. Usos y/o aplicaciones: en acidificados (activacin) de pozos petroleros, producto intermedio qumico, reduccin de minerales, decapado o limpiado de metales.

ACIDO NTRICO (HNO3): R35/50: Provoca quemaduras graves. Muy toxico para los organismos acuticos. S26: En caso de contacto con los ojos, lvese inmediatamente con abundante agua y acdase al mdico. S36/37/39: Usar indumentaria adecuada para proteccin. Precauciones: evitar el contacto con la piel, los ojos y la ropa. Usos y/o aplicaciones: Se utiliza para fabricar explosivos como la nitroglicerina y trinitrotolueno (TNT), as como fertilizantes como el nitrato de amonio. Tiene usos adicionales en metalurgia y en refinado, ya que reacciona con la mayora de los metales y en la sntesis qumica.

ACIDO SULFRICO (H2SO4): R35: Provoca quemaduras graves. S26: En caso de contacto con los ojos, lvese inmediatamente con abundante agua y acdase al mdico. S30: No echar jams agua a este producto. Usos y/o Aplicaciones: En la fabricacin de abonos, explosivos, tintes, otros cidos, papel y cola, en la purificacin de petrleo, en la oxidacin de metales. Ingrediente de los detergentes para baos, limpiadores de caera, compuestos antioxidantes, y fluido de los acumuladores de automviles.

CARBONATO DE SODIO (Na2CO3): Ingestin: causa irritacin. Inhalacin: daina, deben evitarse especialmente exposiciones prolongadas. Piel: irritaciones y posibles quemaduras. Ojos: irritacin grave, posiblemente con heridas graves. Usos y/o Aplicaciones: Preparacin de sales de sodio, fabricacin de vidrio y jabn, blanqueo del hilo y del algodn, lavado de telas, detergente de uso general; en la industria fotogrfica y en qumica analtica.DIXIDO DE NITRGENO (NO2): Riesgo principal: Toxico. Riesgos: Gas (color amarillo - marrn) irritante en exposiciones prolongadas. Precauciones: Evite respiracin del gas. Evtese derrames y contactos con la piel, ojos y ropas del gas licuado. Utilcense medios adecuados de ventilacin o equipos personales. No manipularlo ni utilizar hasta no haber tomado los medios de seguridad adecuados.

HIDRXIDO DE SODIO (NaOH): S 35: Provoca quemaduras graves. S 26: En caso de contacto con los ojos, lvese inmediatamente con abundante agua y acdase al mdico S 45: En caso de accidente o malestar, acuda inmediatamente al mdico (si es posible mustrele la etiqueta). Usos y/o aplicaciones: usado en la industria (principalmente como una base qumica) en la fabricacin de papel, tejidos y detergentes. Adems es usado en la industria petrolera en la elaboracin de lodos de perforacin base agua.

SULFATO DE COBRE (CuSO4): R22/36/38: Nocivo por ingestin. Irrita los ojos y piel. R50/53: Muy toxico para los organismos acuticos. S22/60: No respirar el polvo. Elimnese el producto y su recipiente como residuos peligrosos. Usos y Aplicaciones: En el tratamiento de aguas es usado como alguicida, y tiene numerosas aplicaciones: fabricacin de concentrados alimenticios para animales, abonos, pesticidas, recubrimiento galvnico, industria del petrleo, caucho sinttico, industria del acero.

SULFATO DE ZINC (ZnSO4): R36/38: Irrita los ojos y la piel. R50/53: Muy toxico para los organismos acuticos, pueden provocar a largo plazo efectos negativos para el medio acutico. S22: No respirar el polvo. S60: Elimnese el producto y su recipiente como residuos peligros.

Cloruro Cprico (CuCl2):Ojos: Provoca irritacin en los ojos.Piel: Provoca irritacin cutnea.Puede ser nocivo si se absorbe por la piel.Ingestin: Puede causar irritacin del tracto digestivo.Txico en caso de ingestin.Inhalacin: Causa irritacin del tracto respiratorio.Puede ser nocivo si se inhala.

4. Parte Experimental.

Experimento N1

1) Cu(s) + HNO3(ac)

a) Observaciones.

Se agreg dentro de la campana 20 gotas de cido ntrico en un tubo de ensayo que contena 2 laminillas de cobre se calent esta solucin y se observ la presencia de un gas dentro del tubo de color rojo-naranja, continuamos con el calentamiento para eliminar ese gas (monxido de nitrgeno) hasta que no se not la presencia de este, en el tubo queda nitrato de cobre (II) acuoso.

b) Ecuaciones Qumicas.

3 Cu(s) +8 HNO3(ac) 3 Cu(NO3)2 (ac) + 2 NO(g) + 4 H2O

Tipo de Reaccin: Simple Desplazamiento.

c) Diagrama de Flujo. NO(g)

d) Conclusiones.

Al calentar el tubo con el gas de color rojo-naranja, se produce la reaccin (de combustin):2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)

Este producto ya no es tan peligroso por su facilidad de ser jalado por la campana. El reactivo limitante es el Cu

2) Cu(NO3)2(ac) + Na2CO3(ac) a) Observaciones.

Al agregar carbonato de calcio a la solucin observamos que se forman pequeas burbujas en la superficie. Luego de unas cuantas gotas notamos una gran columna de desprendimiento de CO2 (g). Se forma un pequeo precipitado y la solucin es de color turquesa.

b) Ecuaciones Qumicas.Cu(NO3)2(ac) + Na2CO3(ac) CuCO3(s) + 2NaNO3(ac)

Tipo de Reaccin: Doble desplazamiento.

c) Diagrama de Flujo.

d) Conclusiones.

Despus de la efervescencia, al notar que ya no hay desprendimiento de gas, nos indica que llegamos a realizar la carbonatacin completa. Obtenemos carbonato de cobre slido despus de la filtracin. El reactive limitante es el Cu(NO3)2

3) CuCO3(s) + HCl(ac) a) Observaciones. Al agregar el acido, el precipitado se disuelve completamente y se forma una solucin color verde fosforescente.

b) Ecuaciones Qumicas.CuCO3(s) + HCl(ac) CuCl2 + H20(l) + CO2(g)

Tipo de Reaccin: Doble desplazamiento.

c) Diagrama de Flujo.

d) Conclusiones. Al agregar el HCl 6M al papel filtro hace que desincruste las partculas del CuCO3 transformndolo en cloruro cprico (compuesto mas soluble) y liberando dixido de carbono (CO2) y agua. El reactivo limitante en esta reaccin es el CuCO3

4) CuCl2(ac) + NaOH(ac)

Cu(OH)2

a) Observaciones. Se agregaron 58 gotas de NaOH(ac) hasta que no notamos diferencia de colores, una solucin de color uniforme. Al calentar la solucin, se torna color marrn oscuro.

b) Ecuaciones Qumicas. CuCl2(ac) + 2NaOH(ac) Cu(OH)2(ac) + 2NaCl(s) (Reaccin de doble desplazamiento) Cu(OH)2 CuO + H2O (Reaccin de Descomposicin)c) Diagrama de Flujo.

d) Conclusiones. El reactivo limitante en esta reaccin es el CuCl2(ac) En esta parte de la experiencia podemos notar si nos falto las cantidades de HCl o NaOH, dependiendo del color de la solucin en calentamiento ( si es que no cambia de color en un tiempo considerable).

5) CuO(s) + H2SO4(ac) a) Observaciones.

Al agregar H2SO4 (ac) 6M la solucin cambia a color celeste. Se observa que todo el precipitado (CuO(s)) se disuelve. b) Ecuaciones Qumicas.

Cu(OH)2 CuO + H2O (Reaccin de Descomposicin)

CuO(s) + H2SO4(ac) CuSO4(ac) + H2O(l) (Reaccin de desplazamiento doble) c) Diagrama de Flujo.

d) Conclusiones.

El oxido de cobre se disuelve debido a que el acido sulfrico es muy fuerte. El cambio de color se debe a los iones cobre, el cual es su color caracterstico (azul cristalino). El reactivo limitante es el CuO.

6) CuSO4(ac) + Zn(s) a) Observaciones.

Al agregar la granalla de cinc la solucin empieza a burbujear alrededor de esta y la solucin de torna incolora, producto de que el cinc cede electrones al ion Cu2+, reducindolo a Cu. Obtenemos un precipitado color marrn, debido a que el cobre ha sido reducido formndose el cobre solido.

b) Ecuaciones Qumicas.CuSO4(ac) + Zn(s) Cu(s) + ZnSO4(ac)

Tipo de Reaccin: Desplazamiento o Simple sustitucin

c) Diagrama de Flujo.

d) Conclusiones.

Amedidaque lareaccinavanza,el zincse disuelve, el color azul debido al Cu2+ se desvanece y se deposita cobre metlico (material de color marrn). Como se puede apreciar, el ZnSO4 no tiene color (es incoloro porque los orbitales 3d estn completos). El reactivo limitante es el Zn (en forma de granallas).

Conclusiones Generales. Debido a las reacciones la cantidad del Cu inicial debe ser igual al final (desde la primera reaccin la cantidad en moles utilizados de Cu es la misma que al final por estequiometria) La cantidad inicial de cobre (las dos laminillas de cobre) = 0.0461gLa cantidad final de cobre (obtenida al final del proceso) = 0.0438gRendimiento de la reaccin:

5. Cuestionario.P3) Explica el mtodo de lixiviacin de un mineral cobre, seguido de la cristalizacin, hasta obtener el producto final el sulfato de cobre pentahidratado.La lixiviacin es un proceso por el cual se extrae uno o varios solutos de un slido, mediante la utilizacin de un disolvente lquido. Ambas fases entran en contacto ntimo y el soluto o los solutos pueden difundirse desde el slido a lafaselquida, lo que produce una separacin de los componentes originales del slido.La ms comn de sus producciones, es laprecipitacinde sulfato pentahidratado por sobre saturacin concido sulfrico, a partir de soluciones concentradas de cobre provenientes delixiviacinde minerales oxidados de cobre, tambin en medio sulfato, obedeciendo las siguientes reacciones qumicas.Precipitacin:Cu2+(ac)+ SO42-(ac) CuSO4(s)Hidratacin:CuSO4(s)+ 5 H2O(l) CuSO45H2O(s)Estas reacciones ocurren durante el proceso en el orden que se seala.

P4) Cuantas toneladas de concentrado de cobre al 65% se pueden obtener por el mtodo de flotacin a partir de una mena cuya ley es de 1.5% de cobre por tonelada de mineral a procesar?

La flotacin es un proceso fsico muy utilizado en la recuperacin de los minerales sulfurados de cobre debido a la hidrofobicidad natural que tienen.Los principios bsicos en que se fundamenta el proceso de la flotacin son los siguientes: La hidrofobicidad del mineral que permite la adherencia de las partculas slidas a las burbujas de aire. La formacin de una espuma estable sobre la superficie del agua que permite mantener las partculas sobre la superficie.En el problema:

Tomando como referencia 100 TN de mineral 100 TN 1,5 TN Cu X 65 TN CuDe ah obtenemos la cantidad de concentrado de cobre al 65%: X= 433,33 TN de concentrado de cobre.

6. Aportes.

OXIDO DE COBRE (I)2[Cu(CH3COO)2H2O]2(ac) + N2H4H2O(ac) 2Cu2O(ac) + N2(g) + 8CH3COOH(ac) + 3H2O(l) Introduccin. Segn los potenciales de oxidacin-reduccin, el oxgeno del aire oxidar fcilmente las disoluciones de Cu(I) a Cu(II). Adems el in Cu+dismuta en disolucin acuosa a Cu2+ y Cu0. Los compuestos de Cu(I) deben, por tanto, su estabilidad a su insolubilidad en agua, como es el caso de Cu2O, Cu2S y CuX (X = Cl, Br, I SCN). Todos los compuestos de Cu(I) son diamagnticos e incoloros, salvo que el anin aporte color o aparezcan bandas de transferencia de carga. El Cu2O se encuentra en la naturaleza como el mineral cuprita (PF = 1235C).Reactivos - Acetato de cobre (II) monohidratado [Cu(CH3COO)2H2O]2- Hidrato de hidracina N2H4H2O 10% Procedimiento. A una disolucin de 5 g de acetato de cobre (II) monohidratado en 60 cm3 de agua caliente, se aaden 4 cm3 de una disolucin de hidrato de hidracina al 10% (cuidado con aadir un exceso, pues el Cu2+ se reducira a Cu0). El color de la disolucin pasa a verde y se desprende N2. Al reposar se observa un precipitado muy fino de color naranja, que se filtra en un embudo Bchner con doble papel de filtro, y se lava sucesivamente con pequeos volmenes (5 cm3) de agua, alcohol y ter. Guardar en desecador. Una vez seco, se calcula el rendimiento. El Cu2O es insoluble en agua y soluble en disolucin de amonaco y en cido clorhdrico. Su color amarillo-naranja vara en intensidad segn el tamao de la partcula.Ensayos complementarios 1. Aadir a una pequea porcin del producto obtenido, en un tubo de ensayo, 2 cm3 de agua y, gota a gota, 2 cm3 de H2SO4 2M y calentar ligeramente. Separar por decantacin el precipitado y guardar la disolucin. 2. Tratar una punta de esptula del xido de Cu(I) con etilendiamina. Observe. 3. En base a los potenciales redox y el producto de solubilidad del Cu2O proponer reacciones razonables que justifiquen lo observado en los apartados 1-4.

7. Bibliografa.

Del aporte: http://www.uam.es/departamentos/ciencias/qinorg/Grado_Practicas_2_Q_Inorganica.pdf Eduardo R. Abril, Metalurgia tcnica y fundicin, Alsina, 1956, pg. 253. A. Leyensetter,G. Wrtemberger, Tecnologa de los oficios metalrgicos, Editorial Reverte, Espaa, 2006, pg. 92.