PROCESO SOLVAY

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Química Inorgánica
PREPARACIÓN DE CLORURO DE COBRE(I) (P10)
Objetivo
-
Estudio descriptivo del cobre y los haluros de metales de transición d
Conceptos básicos sobre compuestos inestables en el aire y su manejo en el
laboratorio
Realización de una síntesis de un compuesto inestable en el aire
Introducción
El cobre pertenece a la familia 11 junto con Ag y Au. Su configuración electrónica es
[Ar] 3d10 4s1. De acuerdo con ella sería clasificado como un elemento representativo,
por tener su capa s incompleta, pero en general se lo estudia como elemento de
transición d por tener propiedades típicas de estos elementos. En este caso se aplica la
definición más amplia de elemento de transición, incluyendo no solo el estado elemental
sino también los estados de oxidación más comunes ( Cu2+ ≡ [Ar] 3d9 ).
El cobre en la corteza terrestre se puede encontrar como cobre elemental o formando
parte de un gran número de minerales de cobre: calcopirita, CuFeS2, cuprita, Cu2O,
malaquita, CuCO3⋅Cu(OH)2, calcosina, Cu2S.
Es posible la obtención del metal llevando el material de partida a sulfuro de cobre (I) y
luego convirtiendo dicho sulfuro en óxido mediante “tostación” al aire (reacción 1), y
posterior conversión a metal (reacción 2):
reacción 1
reacción 2
2Cu2S + 3O2 → 2Cu2O + 2SO2
Cu2S + 2Cu2O → 6Cu + SO2
Debido a que esta forma de obtención trae problemas ambientales causados por la
producción de grandes cantidades de SO2 que acompaña a la tostación se ha buscado
otra forma menos contaminante, como los métodos hidrometalúrgicos1. En este proceso
los iones Cu2+, extraídos de menas de baja pureza por la acción de los ácidos o de las
bacterias, son reducidos por el hidrógeno mediante la reacción:
Cu2+ + H2 → Cu + 2H+
Para purificar el cobre se utiliza el método electrolítico. Se logra un metal de alto grado
de pureza, lo que hace posible el uso del mismo como un muy buen conductor de la
electricidad.
El cobre es un elemento esencial2 para los seres vivos y forma parte de una gran
cantidad de metaloenzimas que intervienen en reacciones metabólicas del tipo redox.
Los estados de oxidación más importantes son +I y +II.
Si se compara la primera energía de ionización del cobre (I1= 745 kJ/mol) con la suma
de la primera y segunda (I1+I2= 2703 kJ/mol) parece razonable pensar en el estado de
oxidación +1 como el más estable. Y así en la naturaleza los compuestos de cobre (I)
1
2
Obtención de un metal por reducción de disoluciones acuosas de sus iones.
Se llama así a aquel elemento cuya carencia provoca una enfermedad y su suministrado la revierte.
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son los más abundantes. En cambio en solución acuosa la especie más estable es el
Cu(II) por tener mayor entalpía de hidratación, desproporcionándose el Cu(I) según:
2Cu+(ac) → Cu2+(ac) + Cu(s)
Por lo tanto en solución acuosa los compuestos de cobre (I) en general se descomponen
para dar cobre y la sal cúprica correspondiente, pudiéndose obtener en solución acuosa
sólo aquellos compuestos de cobre (I) muy insolubles.
Haluros de los elementos del bloque d
Debido al número de elementos del bloque d y al hecho que ellos puedan actuar con
diferentes estados de oxidación, los haluros de dichos elementos son muy numerosos y
sus propiedades muy diversas.
El carácter del enlace M-X varía entre predominantemente iónico hasta covalente. Esta
diferencia se debe a la polarizabilidad del anión (mínima para el F-) y al poder
polarizante del catión (que disminuye con el radio y aumenta con el estado de oxidación
del metal).
Haluros MIX
Los haluros con el catión M+ son más iónicos que los haluros del mismo metal en
estado de oxidación mayor, de acuerdo con las reglas de Fajans. En cambio los haluros
MIX de los metales d son más covalentes que los del Grupo 1 porque no tienen
configuración de gas noble (cuarta regla de Fajans).
Los haluros MIX conocidos tienen estructuras tipo NaCl (AgF, AgCl, AgBr), blenda
(CuCl, CuBr, AgI) y en cadenas con enlaces X- M-X (AuCl); estas últimas demuestran
un aumento de la covalencia con respecto a los haluros del Grupo 1.
Los haluros MIX son sólidos a la temperatura ambiente. Por su mayor carácter covalente
con respecto a los correspondientes haluros de los metales alcalinos, son menos solubles
en agua que estos últimos. A su vez los haluros MIX son mucho menos solubles que los
dihaluros MIIX2.
Los haluros MIX se comportan como ácidos de Lewis (aceptores de electrones). Esto
explica el hecho de que los haluros MIX (poco solubles en agua) se puedan solubilizar
por formación de complejos tales como [CuIX2]-, [CuIX3]2-, [CuIX4]3-, [Ag(NH3)2]+,
[Ag(CN)2]-, etc.
En cuanto a la estabilidad térmica, los MIX tienden a dismutarse en el metal y el MIIX2
al ser calentados. También la luz descompone a estos haluros (excepto los fluoruros) en
sus elementos. La descomposición fotolítica del AgBr encuentra su aplicación en la
fotografía.
En esta práctica se obtendrá CuCl, algunas de sus propiedades se muestran en el
siguiente cuadro:
Propiedades del CuCl(s)
color: blanco
estructura: blenda de Zinc
PF 430°C
PEb. 1212°C
solubilidad: insoluble en agua, soluble en
HCl concentrado y NH3 concentrado
se oxida en presencia de agua por el
oxígeno del aire.2
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Procedimiento experimental
Obtención de cloruro cuproso
En este ejercicio práctico se utilizarán como sales de partida CuSO4, que aporta el ion
cobre, NaCl, que aporta los iones cloruro y como agente reductor se utiliza el Na2SO3
en medio ácido, siendo la ecuación de obtención:
→ 2CuCl + 2Na2SO4 + H2SO4
2CuSO4 + 2NaCl + Na2SO3 + H2O
El CuCl obtenido debe ser manipulado con mucha precaución para evitar la reoxidación
del Cu+, hecho que se manifiesta por el pasaje del sólido de un color blanco a un color
verdoso que se intensifica con el tiempo. Debido a la inestabilidad del CuCl es
conveniente unir la etapa de lavado con la de secado. Para ello se eligen líquidos de
lavado miscibles entre ellos y cada vez más volátiles.
Técnica:
1. En un vaso de bohemia de 125 mL disolver 3.7 g de CuSO4·5H2O pulverizado en 15
mL de agua. Si se produce un enturbiamiento1 agregar H2SO4 1:1 gota a gota hasta
aclarar.
2. Agregar 1,1 g de NaCl y luego, lentamente, adicionar (trabajando en campana) 1.9 g
de Na2SO3 disueltos en 13 mL de agua2.
3. Agitar bien, y verter precipitado y líquido sobre 250 mL de agua sulfurosa. Agitar
bien y dejar sedimentar. El agua sulfurosa se prepara mezclando 250 mL de agua
destilada, hervida y fría3, conteniendo 0,25 g de Na2SO3 y 0.5 mL de H2SO4 1:14.
4. Separar las aguas madres por decantación.
5. Lavar 2 ó 3 veces por decantación con agua sulfurosa, usando aproximadamente 5
mL cada vez y pasar rápidamente y agitando al Büchner.
6. En la filtración y lavados siguientes, se cuida que quede líquido sobrenadante
cubriendo totalmente el precipitado.
Realizar :
2 lavados con ácido acético glacial
( en este punto puede ser conveniente realizar una recristalización)
2 lavados con etanol absoluto
2 lavados con éter anhidro
7. Aspirar 5 minutos. Secar en estufa durante 15 minutos a 50 – 60 °C.
8. Pesar y calcular el rendimiento.
9. El producto obtenido debe guardarse en un frasco seco y bien tapado.
1
El enturbiamiento se puede deber a la hidrólisis del CuSO4 en agua :
Cu2+(ac) + 2H2O ' Cu(OH)2 + 2H+(ac)
2
Al agregar NaCl y Na2SO3 se observa al comienzo un color marrón debido a la formación de
Cu2SO3⋅ H2O.
3
El agua que se emplea es destilada, hervida y fría, para que no contenga oxígeno disuelto que facilitaría
la oxidación de Cu(I) a Cu(II).
4
Se agrega Na2SO3 en medio ácido, ya que su poder reductor es mayor en esas condiciones.
3
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Recristalización: El producto obtenido se disuelve en la mínima cantidad de HCl (conc.)
y luego se agrega agua hasta precipitación total. Se separan las aguas madres por
decantación y se continúa en el punto 6 de la técnica.
Gestión de residuos
Solución ácida de obtención
Diluir con abundante agua y descartar por la pileta
Lavado con etanol
Descartar en recipiente rotulado ETANOL PARA RECUPERAR
Lavado con ácido acético glacial
Descartar recipiente rotulado “RESIDUOS ÁCIDOS”
Lavados con eter
Descartar en recipiente rotulado RESIDUOS DE ETER
Producto obtenido
Descartar en recipiente rotulado CuCl OBTENIDO EN CLASE
Compuestos inestables en el aire
Cuando trabajamos con distintos compuestos en el laboratorio debemos tener en cuenta
que ellos se encuentran en contacto permanente con el aire, el cual contiene distintos
gases que pueden afectarlos (ver Tabla 1).
Composición del aire seco a nivel del mar
Gas
N2
O2
Ar
CO2
Ne
He
CH4
Kr
Xe,H2,etc
% en volumen
79,08
20,95
0,93
0,033
0,0018
0,000005
0,0002
0,0001
trazas
Tabla 1
Debemos recordar que el aire contiene además un porcentaje variable de vapor de agua,
lo que constituye la humedad de la atmósfera.1
Existen varios ejemplos de cómo afectan los componentes del aire a distintas sustancias:
• las soluciones de NaOH son afectadas por el CO2 del aire. Por lo tanto éstas
deben de ser preparadas con agua recientemente destilada y fría (libre de
CO2) y almacenadas en recipientes herméticos para evitar su carbonatación.
1
La humedad relativa es una medida de la cantidad de agua en el aire, con respecto al contenido máximo
posible de vapor de agua a esa temperatura.
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•
•
•
el sodio metálico reacciona en forma violenta con trazas de agua. Por ello se
lo almacena en recipientes cerrados, inmerso en un solvente orgánico (por ej.
benceno o tolueno).
el fósforo blanco se inflama espontáneamente en el aire, formando el óxido.
Para evitar esto se guarda bajo agua.
el gas N2 habitualmente es inerte en condiciones normales de temperatura.
Sin embargo, a altas temperaturas puede dejar de ser inerte. Por ejemplo, al
soldar un metal a muy alta temperatura se puede formar el nitruro del metal.
La formación del nitruro debilitaría mecánicamente al metal. Por ello en
estos casos, la soldadura se realiza en atmósfera de argón.
En el caso del CuCl, a pesar de ser un compuesto que es afectado por el aire, puede ser
preparado en el laboratorio trabajando con cuidado y manipulándolo rápidamente. Se
debe obtener al final un producto seco que debe ser correctamente almacenado.
Otros compuestos son más inestables y ellos deben ser manejados en atmósfera inerte.
Generalmente la atmósfera inerte es creada reemplazando el aire por nitrógeno seco.
Cuando el nitrógeno interfiere con la síntesis se utiliza gas argón. Para ello se puede
trabajar en una bolsa de guantes (Figura 1) conectada a un cilindro con nitrógeno, donde
se coloca todo el material a utilizar, se purga durante un tiempo, se cierra la bolsa y se
puede comenzar a manipular.
En caso de precisar una atmósfera inerte más controlada se debe utilizar una caja de
guantes a la cual se le hace previamente vacío, luego se llena con nitrógeno y si es
necesario se repite la operación vacío-nitrógeno hasta estar seguros de haber alcanzado
la atmósfera adecuada para la operación a realizar. El nitrógeno a usar debe ser de
suficiente pureza y generalmente debe ser secado antes de ser utilizado.
Figura 1
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ASIGNATURA: Química Inorgánica
FECHA
GRUPO
INFORME
PREPARACIÓN DE
I 10
CLORURO DE COBRE(I)
INTEGRANTES
DATOS Y CÁLCULOS
moles de CuSO4 iniciales
__________________________
moles de NaCl iniciales
__________________________
moles de Na2SO3 iniciales
__________________________
¿Los reactivos se encuentran en cantidades estequiométricas?
_____
Ecuación de obtención del CuCl:
____________________________________________________________________
masa de CuCl a obtener
__________________________g
masa de CuCl obtenida
__________________________g
rendimiento
_____________%
Observaciones _________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
6