QUÍMICA UNIVERSITARIA

PRÁCTICA 1

ESTEQUIOMETRÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Responsable del Laboratorio: Q.F.B. Wilma Betzabe Rojas Salinas

OBJETIVO

Que el alumno comprenda la Ley de Lavoisier de la conservación de la materia, se familiarice con algunos procedimientos básicos de Laboratorio y entienda el concepto de porcentaje de rendimiento.

CONSIDERACIONES TEÓRICAS

La Estequiometría es el estudio cuantitativo de reactivos y productos en una reacción química. Una reacción química es el proceso por el cual una o más sustancias cambian para formar una o más sustancias nuevas. Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas. Por ejemplo, el hidrógeno gas (H2) puede reaccionar con oxígeno gas (O2) para dar agua (H20). La ecuación química para esta reacción se escribe:

El '+' se lee como “reacciona con” y la flecha significa “produce”. Las fórmulas químicas a la izquierda de la flecha representan las sustancias de inicio denominadas reactivos. A la derecha de la flecha están las formulas químicas de las sustancias producidas finales denominadas productos de la reacción. Los números al lado de las formulas son los coeficientes (el coeficiente 1 se omite):

¿Qué le ocurre a la materia cuando sufre reacción química?

Según la Ley de Lavoisier de la conservación de la materia, los átomos no se crean ni se destruyen, únicamente se transforman durante una reacción química. Por lo tanto, una ecuación química ha de tener el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha. Se dice entonces que la ecuación está balanceada.

Reactivo limitante

Si se desea obtener agua a partir de diez moles de gas Hidrógeno y siete moles de gas Oxígeno, como la Estequiometria dice que la reacción de dos moles de Hidrógeno con un mol de Oxígeno entrega dos moles de agua, una vez que haya reaccionado todo

el Hidrógeno sobrarán dos moles de Oxígeno y se habrán obtenido diez moles de agua. Esto es: cuando se consume uno de los reactivos entonces la reacción se detiene.

Al reactivo que se ha consumido en su totalidad en una reacción química se le denomina reactivo limitante, ya que limita la cantidad de producto formado. Así en el ejemplo anterior el Hidrógeno era el reactivo limitante, ya que con los siete moles de Oxígeno se podrían haber obtenido catorce moles de agua.

¿Cómo conocer cuál es el reactivo limitante de una reacción? Calculando los moles de producto que se obtienen con cada reactivo, suponiendo que el resto de reactivos están en cantidad suficiente y será aquel reactivo que entregue el menor número potencial de moles de producto. Al resto de reactivos presentes en mayor cantidad que la necesaria para reaccionar con la cantidad del reactivo limitante, se les denomina reactivos en exceso.

Rendimiento de una reacción

La cantidad de producto que se obtiene al reaccionar todo el reactivo limitante se denomina rendimiento teórico de la reacción. La cantidad de producto que se obtiene realmente en una reacción es el rendimiento real

Rendimiento real < Rendimiento teórico

Razones para explicar la diferencia entre el rendimiento real y el teórico:

    Las reacciones son reversibles cuando no proceden 100% de izquierda a derecha.

    Aun cuando una reacción se complete al 100%, resulta difícil recuperar todo el producto del medio de la reacción (como sacar toda la mermelada de un frasco).

    Los productos formados pueden seguir reaccionando entre sí o con los reactivos, para formar todavía otros productos. Estas reacciones adicionales reducen el rendimiento de la primera reacción.

El rendimiento porcentual o porcentaje del rendimiento describe la relación del rendimiento real y el rendimiento teórico:

Todas estas consideraciones teóricas ayudan a identificar cada una de las reacciones del experimento, así se puede saber qué ocurre con el metal de transición, si existen reactivos limitantes, ya que se necesitará obtener de nuevo la misma cantidad de metal que se otorgó al principio. La mayoría de las síntesis químicas involucran la separación y

purificación del producto deseado del resto de subproductos formados. Dentro de los métodos de separación se encuentran: filtración, sedimentación y decantación. Esta práctica está diseñada para evaluar cuantitativamente estas operaciones. Al mismo tiempo se pretende que adquiera un mayor entendimiento de dos de los tipos fundamentales de reacciones químicas; las reacciones de óxido-reducción y de metátesis.

El objetivo de este experimento es recuperar todo el cobre en su forma analíticamente pura. Además servirá para determinar sus habilidades en el laboratorio.

El porcentaje de rendimiento del cobre, puede ser expresado como la relación de la cantidad obtenida respecto de la esperada, multiplicada por 100:

% Rendimiento = (Peso del Cobre obtenido) (100)Peso del Cobre calculado

MATERIALES

3 vasos de precipitados de 250 ml 1 probeta de 50 ml 2 pipetas de 5 ml 1 cápsula de porcelana 1 tela de asbesto 1 anillo para soporte universal 1 soporte universal 1 mechero de Bunsen 1 encendedor 1 varilla de vidrio Balanza Analítica

REACTIVOS Alambre de cobre Zinc en polvo Ácido nítrico concentrado Agua destilada Hidróxido de Sodio 3M Ácido Sulfúrico 6M Etanol Metanol Acetona

PROCEDIMIENTO

1. Se pesa en balanza analítica 0.5 gramos de cobre en polvo con exactitud +/- 0.0001 gramo y se coloca en un vaso de precipitados de 250 mL.

NOTA: Si se utiliza alambre de cobre, este se debe pasar por fuego para eliminar el recubrimiento plástico que usualmente trae.

Observaciones. Para realizar cualquier actividad en el laboratorio, el alumno debe usar bata de algodón.

2. Bajo campana de extracción se agregan aproximadamente 5 mL de ácido nítrico concentrado al vaso de precipitados para cubrir al cobre.

Observaciones. Es importante tener cuidado con la reacción que sucede en el vaso, ya que se desprende NO2 que es un gas ámbar muy irritante, por lo que se debe evitar el contacto con ojos y nariz, por ello la recomendación de uso de la campana de extracción.

Fig. 1. Vaso de precipitados conteniendo el ácido nítrico.

3. Después de que la reacción ha sido completada, se agregan 100 mL de agua destilada. Describa la reacción en su cambio de color, en el desprendimiento de un gas y en su cambio de temperatura (exotérmica o endotérmica) en sus resultados.

Fig. 2. Agregación de agua a la reacción, se aprecia atenuación de color.

4. Se agregan 30 mL de solución NaOH 3 M en el vaso de precipitados. Describa la reacción habida.

Fig. 3. Agregado de NaOH a la reacción en el vaso de precipitados.

5. Se calienta cuidadosamente la solución mientras se agita con varilla de vidrio, hasta que llegue a ebullición.

Fig. 4. Ebullición de la sustancia con mechero de Bunsen.

6. Se deja sedimentar el CuO sólido negro y se decanta después el líquido sobrenadante.

Fig. 5. Cambio en la coloración de la sustancia por la formación de CuO.

7. Se agrega agitando constantemente 200 mL de agua destilada caliente. Se deja sedimentar el CuO negro. Se decanta nuevamente la solución.

Fig. 6. Decantación de la solución, dejando el CuO en el fondo del vaso.

8. Bajo campana de extracción seagrega a lo anterior 15 mL de solución H2SO4 6 M.

9. Una vez terminada la reacción anterior se agregan 2 gramos de Zinc en polvo y se agita hasta que el líquido sobrenadante quede claro (parte de la solución se sedimentará).

Observaciones: Es importante mantener agitada la solución, ya que de lo contrario se podría derramar.

Fig. 7. Formación de ZnSO4 y Cu.

10. Cuando el desprendimiento de gas sea lento se calienta la solución suavemente, sin que llegue a ebullición ni que se enfríe.

Fig. 8. Calentamiento de la mezcla, es importante cuidar que no llegue a ebullición.

11. Cuando el desprendimiento de gas ha cesado, se decanta la solución y se transfiere el precipitado a una cápsula de porcelana. Se lava el cobre precipitado con 5 mL de agua destilada, se deja precipitar, se decanta la solución y se repite el procedimiento.

Fig. 9. Cobre obtenido después de la decantación y el lavado.

12. Se lava el precipitado con 5 mL de metanol, se deja precipitar y se decanta el metanol. Finalmente se lava con 5 mL de acetona, se deja precipitar y se decanta. Se prepara un baño de vapor como se ilustra en la siguiente figura y se seca el producto en este baño por lo menos durante 5 min.

Fig. 10. Esquema del baño de vapor para secar el cobre

13. Se pesa un pedazo de papel y se transfiere a éste el cobre de la cápsula de porcelana. Se pesa el cobre en la balanza analítica.

14. Se compara el peso obtenido de cobre con el peso inicial y se calcula el porcentaje de rendimiento.

RESULTADO

Peso inicial del cobre_______

Peso final del cobre _______

% Rendimiento _________

Comentarios al rendimiento obtenido: __________________________________

CÁLCULOS

CUESTIONARIO

Paso 3 Describe la reacción Cu con HNO3 en su cambio de color, en el desprendimiento

de un gas y en su cambio de temperatura (exotérmica o endotérmica).

Paso 4 Describe la reacción Cu(NO3) 2 con NaOH.

Paso 5 Describe la deshidratación del Cu(OH) 2

Paso 7 ¿Qué se está eliminando con este lavado y decantado?

Paso 8 ¿Qué compuesto de cobre se ha formado? ¿qué gas se liberó?

Paso 9 Describe la reacción CuSO4 con Zn ¿qué compuesto está presente en la solución?

Paso 10 ¿Cuál es el gas formado en esta reacción? ¿cómo lo sabes?

Paso 11 ¿Qué se está eliminando por el lavado?

Paso 14 ¿Qué color tiene su muestra de cobre? ¿es uniforme en apariencia? Sugiere

probables fuentes de error en este experimento.

MÁS IMÁGENES

Fig. 11. Porción de cobre antes del experimento.

Fig. 12. Reacción de Cu con HNO3

Fig. 13. Obtención de óxido de cobre.

Fig. 14. Obtención del cobre.

Fig. 15. Vista del cobre obtenido al final del proceso.

CONCLUSIONES

OPINIÓN PERSONAL

REFERENCIAS