Departamento de Química Orgánica y Química Inorgánica Prácticas de Química Inorgánica Grado en Farmacia Curso 2022/23 2 | Química Inorgánica Equipo individual 2 Vaso de precipitados de 500 ml 2 Vasos de precipitados de 250 ml 1 Vasos de precipitados de 100 ml 1 Vasos de precipitados de 50 ml 1 Gradilla para tubos de ensayo 11 Tubos de ensayo 1 Tubo de ensayo graduado 2 Tapones para tubo de ensayo 1 Matraz Erlenmeyer de 250 ml 1 Matraz Erlenmeyer de 100 ml 1 Varilla de vidrio maciza 1 Pinza de madera 1 Soporte 2 Pinzas metálicas con nuez 1 Aro con nuez 1 Pinza para buretas 1 Rejilla metálica 1 Mechero Bunsen 1 Cápsula de porcelana 1 Vidrio de reloj Embudo pesasustancias 1 Capacidad 10 ml 1 Frasco lavador de 500 ml 1 Pipeta Pasteur con tetina 1 Probeta de 50 ml 1 Matraz aforado de 100 ml 1 Pipeta graduada de 10 ml con émbolo 1 Pipeta graduada de 5ml con émbolo 1 Matraz kitasato de 250 ml 1 Embudo Büchner 1 Arandela cónica de goma 1 Embudo cónico Útiles a traer por el alumno/a (obligatoriamente) • Bata • Gafas de seguridad • Espátula • Trapo y bayeta de limpieza • Guantes • Cuaderno de laboratorio • Calculadora • Tijeras (recomendado) • Cerillas o mechero (recomendado) Índice Equipo individual _______________________________________ 2 Índice ________________________________________________ 3 Normas generales _______________________________________ 4 I. Introducción __________________________________________ 5 Material de laboratorio____________________ 6 Material de vidrio _______________________________________ 6 Material de porcelana, plástico, metal, etc. ___________________ 9 Aparataje_____________________________________________ 10 Técnicas de química experimental__________ 11 La seguridad en el laboratorio ____________________________ 11 El cuaderno de laboratorio _______________________________ 15 Medidas de volumen____________________________________ 17 Instrumentación básica __________________________________ 21 Técnicas de filtración ___________________________________ 23 Bibliografía ____________________________ 25 II. Síntesis Inorgánica ___________________________________ 27 1 Preparación de ácido bórico ____________ 28 2 Preparación de alumbre _______________ 31 3 Estados de oxidación del vanadio ________ 34 4 Preparación de tris(oxalato)ferrato(III) de potasio ______________________________ 38 4 | Química Inorgánica Normas generales antes • Antes de empezar la primera práctica, el alumno deberá haber leído estas normas, aprendido el nombre del material de laboratorio (pág. 6), leído el capítulo Técnicas de química experimental (pág. 11) y contestado a las cuestiones sobre seguridad allí formuladas. • Antes de empezar cada práctica, el alumno deberá haber leído el guión correspondiente, repasado los conceptos teóricos que en ella se estudian y contestado a las cuestiones previas planteadas. durante las sesiones • Al comienzo de cada práctica, el profesor encargado hará las indicaciones convenientes para el buen desarrollo de la misma y esquematizará, si fuera necesario, los conceptos más relevantes. • Las prácticas son individuales, salvo cuando se indique lo contrario. • Sea puntual y no se ausente nunca sin permiso del profesor. • Deberá elaborar un cuaderno de prácticas que el profesor podrá solicitar en cualquier momento para su evaluación. • Cada alumno es responsable de las consecuencias derivadas del incumplimiento de las normas de seguridad. • Cada alumno tendrá asignada una mesa y una taquilla con su equipo individual, de los que es responsable. En algunas prácticas se le entregará material complementario. • Trabaje siempre en su mesa, salvo si debe usar campana de gases. Manténgala limpia en todo momento. • No cambie los reactivos del sitio donde estén ubicados. • No devuelva nunca a los frascos de origen los sobrantes de los productos utilizados sin consultar al profesor. al acabar • Limpie perfectamente la mesa y todo el material. • Guarde el equipo individual en la taquilla y devuelva el material complementario a donde lo cogió. • Avise al profesor antes de abandonar el laboratorio. evaluación • Se evaluarán el cumplimiento de obligaciones (asistencia, puntualidad...), el trabajo experimental (resultados obtenidos, uso correcto del material, limpieza, cumplimiento de las normas de seguridad...), el cuaderno de prácticas (claridad y exactitud de las anotaciones y observaciones, corrección en la interpretación de resultados...) y las respuestas a las cuestiones. I. Introducción 6 | Química Inorgánica Material de laboratorio Es necesario que, antes de comenzar cualquier trabajo experimental, el alumno conozca perfectamente el material utilizado con asiduidad en el laboratorio, así como las operaciones en que son utilizados cada uno de los dispositivos de que se dispone. Cada uno de los materiales aquí mostrados tiene una función específica y su uso debe ser acorde con la tarea a realizar. La utilización inadecuada de este material dará lugar a errores en las experiencias realizadas. En este capítulo, se muestra el material de laboratorio más habitual en un laboratorio y que el alumno usará en este o en sucesivos laboratorios. Más adelante, en la página 17 y siguientes (“Técnicas de química experimental”), se describen las condiciones de utilización del material volumétrico, del material para filtración y de la instrumentación básica. Material de vidrio Material volumétrico Aforado Matraces aforados Pipetas aforadas Graduado Probetas Pipetas graduadas Buretas Material de laboratorio | 7 Matraces y vasos Vasos Matraces Vasos de precipitados Matraces redondos Matraces kitasato Cristalizadores Matraces Erlenmeyer Matraces con boca esmerilada Matraces redondos con 1, 2 y 3 bocas esmeriladas Matraces forma pera Embudos Embudos cónicos Embudos de adición Embudos de decantación 8 | Química Inorgánica Refrigerantes y material para destilación Adaptador para termómetro Refrigerantes Columnas Vigreux Cola de destilación o alargadera Cabeza de destilación Embudos para filtración Embudos Büchner (en porcelana) Embudos cilíndricos con placa filtrante de vidio Embudos cónicos con placa filtrante de vidio Otro material de vidrio Vidrios de reloj Pesasustancias Adaptador de esmerilados Desecadores Frascos Lavadores de gases Columnas de cromatografía Material de laboratorio | 9 Material de porcelana, plástico, metal, etc. Para calentamiento (en porcelana u otro material) Crisoles Cápsulas de porcelana Pinzas y soportes Pinzas de madera Pinzas de Hoffmann para tubo de goma Pinzas metálicas para crisol Rejilla Pinzas metálicas con nuez Pinzas para buretas Aros con nuez Soportes Otro material Espátulas Limas Mortero Escobillas para limpieza Frasco lavador Trompas de agua para vacío Termómetros 10 | Química Inorgánica Aparataje 5 6 5 7 4 6 7 4 8 3 8 3 9 2 9 2 1 1 10 11 Placas calefactoras y agitadoras Balanzas Mecheros Estufas Técnicas de química experimental | 11 Técnicas de química experimental La seguridad en el laboratorio El laboratorio de química no es realmente un lugar peligroso, pero requiere una razonable prudencia y unos conocimientos básicos por parte del experimentador para mantener su seguridad. Por ello, es obligatorio el conocimiento de las Normas de Seguridad en los Laboratorios de Prácticas que rigen en la Universidad de Alcalá. Al final de estas líneas se recogen unas cuestiones previas sobre Seguridad e Higiene en el Laboratorio que deberán ser contestadas para poder acceder al curso práctico. Los consejos más importantes para el curso práctico que va a realizar se resumen a continuación: 1. Lea atentamente el guión de cada práctica antes de realizarla. No olvide leer siempre la etiqueta de cualquier reactivo antes de usarlo. Compruebe que se trata realmente del reactivo indicado y observe los símbolos y frases de seguridad que señalan los riesgos más importantes derivados de su uso y las precauciones que hay que adoptar para su utilización. 2. Protéjase los ojos. Es obligatorio el uso permanente de gafas de seguridad en el laboratorio. En caso de daño en el ojo, lávelo inmediatamente con grandes cantidades de agua, y continúe así, por lo menos, durante 10 minutos. Acuda inmediatamente al médico. 3. Es obligatorio el uso de bata en el laboratorio. Es recomendable usar guantes, sobre todo cuando se utilizan disoluciones corrosivas como ácidos y bases fuertes. 4. Es muy aconsejable, si se tiene el pelo largo, llevarlo recogido, así como no llevar colgantes o accesorios que obstaculicen las operaciones en el laboratorio. 5. Entre al laboratorio con el material imprescindible. Deje fuera del laboratorio, utilizando las taquillas del departamento o en los lugares que se indique, abrigos, apuntes, etc., ya que pueden entorpecer el trabajo y causar accidentes. 6. Siga cuidadosamente todos los consejos y, en particular, tenga cuidado de no crear peligro a su vecino. Por ejemplo, cuando caliente un tubo de ensayo no apunte con la boca hacia nadie y agítelo constantemente. 7. La mayoría de accidentes que suceden en los laboratorios de prácticas son cortes y quemaduras. No fuerce nunca los tubos de vidrio; proteja las manos con un paño siempre que se trate de presionar un tubo de vidrio; nunca presione con las manos en la dirección de empuje, para evitar heridas profundas. Deje el vidrio caliente apartado encima de una plancha o similar hasta que haya tenido tiempo 12 | Química Inorgánica suficiente de enfriarse. No use nunca un equipo de vidrio que esté agrietado o roto. Deposite el vidrio roto en un contenedor para vidrio, no en una papelera. 8. Muchos de los productos con los que va a trabajar son venenosos en algún grado. Es obvio que no debe saborear nunca un producto. Trabaje en una campana de gases siempre que así esté indicado. Un posible peligro de envenenamiento, frecuentemente olvidado, es la contaminación a través de la piel. Lávese las manos a menudo y siempre inmediatamente después de exponerse a un reactivo peligroso y antes de dejar el laboratorio. No pipetee ningún reactivo con la boca. Si cualquier ácido o producto corrosivo entra en contacto con su piel, lávese inmediatamente con abundante agua y avise al profesor. Los productos inflamables no deben estar cerca de fuentes de calor, como estufas, hornillos, radiadores, etc. Rotule convenientemente cualquier envase en el que guarde una disolución o producto preparado. 9. Cierre siempre el mechero Bünsen cuando no lo utilice, mediante la llave incorporada en el mechero y la de salida de la mesa. No acerque ningún producto químico a la llama del mechero. Especialmente, aleje las botellas de reactivos de lugares donde les puede incidir el calor de la llama. Si se advierte olor a gas, cierre la llave y avise al profesor. 10. No deben transportarse innecesariamente los reactivos de un sitio a otro del laboratorio. Si tuviese que transportarlos, tenga cuidado con las botellas que deben ser siempre transportadas cogiéndolas por el fondo nunca por la boca. No desordene los reactivos. 11. Recuerde que el orden es muy importante para evitar accidentes. Trabaje sin prisas, pensando en cada momento lo que está haciendo y con el material y reactivos ordenados. Mantenga las mesas y campanas de gases siempre limpias. Recoja inmediatamente cualquier derrame que se produzca. Limpie siempre el material inmediatamente después de su uso. 12. No elimine residuos peligrosos por la pileta ni los deposite en la basura. Hágalo siempre en los recipientes preparados para ello. Si se debe verter un producto químico por el desagüe, dilúyalo previamente y viértalo haciendo circular abundante agua por el mismo. Nunca elimine los residuos sólidos por la pileta, viértalos en la basura para sólidos. 13 Avise al profesor de cualquier problema con las instalaciones del laboratorio (mobiliario deteriorado, tuberías o grifos de agua con escapes, desagües con fugas o atascados, enchufes o cables eléctricos rotos o pelados, etc.). 14. Recuerde que está expresamente prohibido: • Hacer experimentos no autorizados sin consultar primero a su profesor. • Fumar, comer o beber en el laboratorio. • La entrada en el laboratorio de prácticas de personas ajenas a éstas. Un comportamiento irresponsable podrá acarrear la inmediata expulsión del Técnicas de química experimental | 13 laboratorio como primera medida. 15. Avise inmediatamente de cualquier incidente a su profesor. Aprender a trabajar con orden y seguridad es un aspecto más de las prácticas, por lo que se tendrá en cuenta a la hora de valorar los resultados del aprendizaje. Símbolos de peligrosidad La manipulación de sustancias químicas peligrosas requiere especial atención. Empieza por el conocimiento de los distintos tipos de sustancias en función de su peligrosidad. Algunas de estas propiedades de las sustancias químicas peligrosas se indican en el etiquetado de los productos químicos mediante un símbolo o pictograma, de manera que se capte la atención de la persona que va a utilizar la sustancia (tabla 1, según reglamento CE 1272/2008). Además, y siempre que proceda, también aparecerán en la etiqueta las palabras de advertencia, las indicaciones de peligro y los consejos de prudencia. Actualmente, en el laboratorio se encontrarán reactivos químicos con etiquetas que presentan pictogramas correspondientes a la normativa anterior. Cuestiones previas 1. El uso de gafas de seguridad en el laboratorio ¿es aconsejable u obligado? 2. El uso de bata en el laboratorio ¿es aconsejable u obligado? 3. ¿Dónde se encuentra información inmediata de la peligrosidad de un reactivo? 4. ¿Qué cosas están expresamente prohibidas en el laboratorio? 5. Si un vaso de precipitados presenta una pequeña rotura, ¿se puede seguir usando? 6. ¿Por qué motivos puede ser un reactivo peligroso? 7. ¿Qué hacer si se forman humos en el laboratorio? 8. ¿Cuándo debe usarse una campana de gases? 9. ¿Qué es lo primero que hay que hacer en caso de accidente? 10. ¿Qué tienes que hacer si te salpica un reactivo a los ojos? 11. ¿Cómo hay que transportar las botellas de reactivos? 12. ¿Se puede pipetear agua destilada con la boca? 13. Un tóxico, ¿puede penetrar a través de la piel? 14. ¿Dónde se deposita el vidrio roto? 15. ¿Cómo puede apagarse un pequeño fuego en el laboratorio? 16. ¿Qué hay que hacer si se produce un fuego grande? 17. ¿Se puede usar un extintor si a alguien se le incendia la ropa? 18. Si alguien ha ingerido un ácido corrosivo, ¿se le debe provocar el vómito? 19. Dibuja los símbolos que representan una sustancia tóxica, una nociva, una corrosiva y una irritante. ¿Qué diferencia hay entre ellas? 14 | Química Inorgánica Tabla 1. Símbolos de peligrosidad más habituales. Clases y categorías de peligros Físicos 2.1. Explosivos (excepto división 1.5 y 1.6) 2.7. Sólidos inflamables 2.8. Sustancias y mezclas que reaccionan espontáneamente, tipos A y B 2.15. Peróxidos orgánicos, tipos A y B 2.2. Gases Inflamables 2.3. Aerosoles inflamables 2.6. Líquidos inflamables 2.8. Sustancias y mezclas que reaccionan espontáneamente tipos B, C, D E y F 2.9. Líquidos pirofóricos 2.10. Sólidos pirofóricos 2.11. Sustancias y mezclas que experimentan calentamiento espontáneo 2.12. Sustancias y mezclas que, en contacto con el agua, desprenden gases inflamables 2.15. Peróxidos orgánicos, tipos B, C, D, E y F 2.4. Gases comburentes 2.13. Líquidos comburentes 2.14. Sólidos comburentes 2.5. Gas a presión (se incluyen los gases comprimidos, licuados, disueltos y licuados refrigerados) 2.16. Corrosivos para metales, categoría 1 3.1. Toxicidad aguda, categorías 1, 2 y 3 Para la Salud 3.2. Corrosión o irritación cutánea, categorías 1A, 1B y 1C 3.3. Lesiones oculares graves o irritación ocular, categoría 1 3.1. Toxicidad aguda, categoría 4 3.2. Corrosión o irritación cutánea, categoría 2 3.3. Lesiones oculares graves o irritación ocular, categoría 2 3.4. Sensibilización cutánea, categoría 1 3.8. Toxicidad específica en determinados órganos tras una exposición única, categoría 3 Para el medioambiente 3.4. Sensibilización respiratoria, categoría 1 3.5. Mutagenicidad en células germinales 3.6. Carcinogenicidad 3.7. Toxicidad para la reproducción, categorías 1A, 1B y 2 3.8. Toxicidad específica en determinados órganos tras una exposición única, categorías 1 y 2 3.9. Toxicidad específica en determinados órganos tras exposiciones repetidas 3.10. Peligro por aspiración Toxicidad aguda Toxicidad crónica, categorías 1 y 2 Pictogramas Técnicas de química experimental | 15 El cuaderno de laboratorio De forma simultánea a la realización de las experiencias, se ha de confeccionar un cuaderno de laboratorio que contenga detallada y rigurosamente el trabajo realizado y las conclusiones obtenidas. Los investigadores consideran el cuaderno de laboratorio como una de sus más valiosas posesiones pues acredita de forma escrita la ejecución personal del trabajo experimental. Las siguientes recomendaciones ayudarán a confeccionar el cuaderno de laboratorio. Aspectos generales 1. Debe identificarse la persona que presenta el cuaderno. Se incluirá también la fecha de realización de la experiencia. Si se ha invertido más de un día, conviene indicar la fecha de comienzo y de terminación del trabajo. Óptimamente, las páginas del cuaderno de laboratorio de los investigadores deben ir numeradas para asegurar que no se ha destruido o eliminado parte de su contenido. 2. Es imprescindible tener un cuaderno de trabajo personal, independientemente de que el trabajo se realice en equipo. En este cuaderno deben anotarse todas las observaciones y resultados experimentales, a medida que éstos se vayan obteniendo. 3. No conviene dejar nada pendiente de anotar aunque la actividad se tenga que interrumpir; no es aconsejable confiar en la memoria. Las anotaciones se deben realizar directamente en un cuaderno, no en hojas sueltas. 4. Es especialmente importante que las anotaciones sean claras y ordenadas, aunque sean redactadas de forma concisa. Estructuración del cuaderno de laboratorio No es posible dar una norma general sobre qué anotar exactamente en el cuaderno, ya que esto depende, entre otros factores, del tipo de trabajo experimental o del nivel del curso práctico. La siguiente estructura básica podría servir como guía para la elaboración del cuaderno de laboratorio: (a) Introducción; (b) Sección experimental; (c) Resultados; (d) Interpretación de resultados; (e) Conclusiones. Sin embargo, no siempre será posible seguir estrictamente la estructura aquí señalada. Tómese la información siguiente como orientativa. a) Introducción. Aquí podrían anotarse: • Objetivos del trabajo: Una descripción breve (si es posible, en una frase) de lo que se pretende con la experiencia. • Información previa más relevante sobre la experiencia a realizar. Aquí puede apuntarse un resumen de las explicaciones dadas por el profesor (sobre todo, de aquellas advertencias relacionadas con la seguridad), de la bibliografía consultada, o las contestaciones a las cuestiones previas que se plantean en algunas de las prácticas. b) Sección experimental. El cuaderno en su redacción debe incluir un apartado en el que se describa brevemente, pero sin omitir los detalles importantes, todos los pasos 16 | Química Inorgánica seguidos en la realización de la experiencia, así como las observaciones efectuadas. Además debería incluirse la siguiente información: • Las reacciones químicas implicadas. • Las condiciones que puedan afectar al fenómeno estudiado y que se puedan conocer (temperatura, presión atmosférica, humedad, iluminación, etc.). • La cantidad usada de cada reactivo (masa o volumen), su equivalencia en moles y, en su caso, las densidades y concentraciones. Anote también todos los cálculos realizados. • Si se cree necesario, un diagrama de los instrumentos empleados y su montaje. Cuando se utilice una técnica nueva, conviene detenerse en su descripción. • Apunte todas las normas de seguridad adoptadas. c) Resultados. La forma de presentación de los resultados depende mucho del tipo de experiencia realizada. • Cuando realice medidas de alguna cantidad, los resultados se presentarán, siempre que sea posible, en una tabla y en una gráfica, lo que permitirá una rápida visión de los factores que afectan a los fenómenos estudiados. • Cuando sea posible, conviene repetir las experiencias para obtener más datos; en este caso se calculará el valor medio. • En una síntesis química, apunte siempre el color, rendimiento y otras características de los productos sintetizados. Conviene que, en la medida de lo posible, separe la descripción de los resultados de la interpretación de los mismos. Los primeros son el resultado de su observación y serán correctos en la medida en que haya cuidado la ejecución de su trabajo experimental. Las interpretaciones, en cambio, pueden ser erróneas, aunque se basen en resultados correctos. Imagine, por ejemplo, que observa la aparición de un precipitado amarillo que cree que es de cromato de bario. Suponga que anota en su cuaderno solamente su interpretación “precipita cromato de bario” y no el color del precipitado. Si posteriormente averigua que su precipitado no puede ser cromato de bario y no recuerda el color, no podrá reinterpretar su resultado. d) Interpretación de resultados. En este apartado puede también escribir las contestaciones a las cuestiones finales planteadas en el guión, ya que muchas de ellas se formulan para ayudarle en esta tarea. e) Conclusiones. Las conclusiones deben presentarse en lugar visible y serán claras y concisas. Conviene añadir un apartado en el que se reflejará la opinión personal: si se han aclarado conceptos, la facilidad o la dificultad en la realización del trabajo, las propuestas para mejorar las condiciones operatorias y obtener mejores resultados, etc. Técnicas de química experimental | 17 Medidas de volumen Los recipientes, y otros utensilios empleados en el laboratorio para la medida de volúmenes, pueden ser aforados o graduados. Los primeros miden una cantidad predeterminada de volumen, mientras que los segundos disponen de una escala que permite la medida de volúmenes variables. Muchos recipientes, tales como vasos de precipitados y matraces erlenmeyers, pueden estar provistos de una escala. Sin embargo, la medida de volumen que permiten es meramente orientativa y, aunque pueda ser suficiente para algunas aplicaciones, no deben ser considerados como instrumentos de medida de volumen. En este apartado se describen las características y condiciones de uso de probetas, buretas, pipetas y matraces aforados. Algunas instrucciones de uso son comunes a todo el material volumétrico, y se dan en primer lugar. Utilización correcta del material volumétrico Cuando se confina un líquido en todo material volumétrico, la superficie de aquél presenta una curvatura denominada menisco. Al aforar y al utilizar material volumétrico, las lecturas de volúmenes se suelen realizar dirigiendo la vista tangente al fondo del menisco por su parte inferior. Esta posición del menisco se puede determinar con mayor exactitud sosteniendo, detrás de la graduación o enrase, un trozo de papel. Para proceder a las lecturas del material volumétrico, el ojo del observador debe estar Enrase correcto Figura 1 Enrases incorrectos Figura 2 situado al mismo nivel que el menisco (figura 1), de otro modo se comete un error denominado error de paralaje. Si el ojo está por encima del nivel del líquido, se leerá un volumen menor que el real. Si el punto de observación es demasiado bajo, se cometerá un error en sentido contrario. El enrase debe hacerse con sumo cuidado procurando que sea la parte baja del menisco la que quede a ras de la señal de aforo (figura 2). 18 | Química Inorgánica Probetas Descripción. Se emplean para medir cantidades aproximadas de líquido Utilización. Se añade líquido hasta que el menisco coincide con un cierto nivel, el número de la correspondiente línea indica el volumen de líquido que contiene la probeta. Buretas Descripción. Las buretas se emplean para transferir con exactitud cantidades variables de disolución. Se emplean principalmente en las volumetrías, en las cuales se añade una disolución patrón a la disolución de la muestra hasta alcanzar el punto final. Una bureta convencional está dividida en incrementos de 0,1 mL en un intervalo de 0-25 mL o de 0-50 mL. También existen buretas con capacidad de 100 mL y micro o ultramicroburetas con capacidades que oscilan entre 2 mL y 0,1 mL respectivamente. Utilización. Para llenar la bureta con el líquido que se desea usar, hay que asegurarse de que la llave está cerrada. Introduzca de 5 a 10 mL de la disolución y someta, con cuidado, a un movimiento de rotación la bureta en posición casi horizontal para mojar las paredes completamente; abra la llave y deje escurrir el líquido por la punta. Repita esta operación dos veces más. A continuación, llene la bureta (llave cerrada) por encima del enrase del cero. Saque las burbujas de aire girando la llave rápidamente y dejando pasar pequeñas cantidades de disolución. Abra la llave totalmente y deje bajar el líquido de forma que llene la zona situada entre ella y la boca de salida de la bureta. Finalmente, enrase a cero y comience el transvase del líquido. Como ya se ha indicado, la bureta se emplea fundamentalmente al realizar una valoración. Para manejar la llave durante esta operación, al tiempo que se agita la disolución a valorar, debe seguirse el procedimiento indicado en la figura 3. Con la punta de la bureta introducido en el cuello del matraz de valoración, agregar la disolución de la bureta a incrementos de aproximadamente 1 mL. Agitar constantemente la muestra a valorar. Disminuir progresivamente el volumen de las adiciones conforme la valoración avanza, agregando gota a gota en las proximidades del punto final, asegurándose de que todo el reactivo que se adiciona entra en contacto con la muestra a valorar. Deje transcurrir 1 minuto entre la última adición y la lectura de la bureta. Figura 3 Pipetas Descripción. Las pipetas están ideadas para verter volúmenes determinados. Las pipetas graduadas están marcadas a distintos intervalos de volumen y se puede medir Técnicas de química experimental | 19 con ellas volúmenes aproximados (por ejemplo: 3,8 mL; 5,7 mL; etc). Las pipetas aforadas se emplean para mediciones exactas, porque han sido diseñadas para transportar un sólo volumen y están calibradas para dicho volumen (por ejemplo: 1, 2, 5, 10, 20 ó 25 mL). Para aplicaciones específicas existen otros tipos de pipetas. Concretamente, para medidas de volúmenes del orden de microlitros (µl), suelen usarse pipetas tipo jeringa denominadas generalmente micropipetas que pueden ser de volumen fijo o variable (por ejemplo: 200 µl, 350 µl, etc). Utilización. Las pipetas se llenan, por encima del enrase, usando una propipeta (o dispositivos similares, figura 4). A continuación, se comprueba que no hay burbujas de aire en el seno del líquido ni espumas en su superficie. Se debe secar el líquido adherido en la pared exterior y tocar con la punta de la pipeta la pared de un recipiente (no el recipiente colector) para dejar escurrir y detener el descenso del menisco cuando alcance la posición tangente al enrase. Coloque la pipeta en posición vertical tocando la pared del recipiente colector (figura 5) y deje escurrir libremente el líquido. Cuando haya terminado de caer, deje la punta en contacto con el recipiente unos 20 s y retire luego la pipeta cuidando que no quede ninguna gota adherida a la misma. Todas las pipetas volumétricas están calibradas para transferir líquidos, quedando un pequeño volumen de los mismos en la punta. Éste no deberá forzarse nunca para que salga (ni soplar). Figura 5 Es preferible que no introduzca la pipeta (ni otro utensilio similar) en una botella de reactivo pues puede impurificarlo. Trasvase la cantidad aproximadamente necesaria a un recipiente (por ejemplo, un vaso de precipitados) y tome de éste la disolución. 20 | Química Inorgánica Matraces aforados Descripción. Los matraces aforados se utilizan para contener los volúmenes que indican. La capacidad de un matraz aforado oscila entre 2 mL y 5 L. Estos matraces contienen el volumen indicado cuando están llenos hasta una línea que llevan grabada en el cuello, denominada enrase o aforo. Se utilizan para la preparación de disoluciones patrón y para la dilución de muestras a volúmenes conocidos, de los cuales se toman partes alícuotas con una pipeta. Utilización. La preparación directa de una disolución exige que se introduzca en el matraz aforado un peso de soluto conocido exactamente. Para minimizar la posibilidad de pérdidas durante el transvase, ponga un embudo en el cuello del matraz. Después de introducir la muestra en el matraz llénelo hasta más o menos la mitad, tape el matraz y haga girar el contenido hasta conseguir la disolución. Agregue más disolvente y de nuevo mezcle bien. Lleve el nivel del líquido hasta casi el enrase, deje un tiempo para que escurra y con un cuentagotas realice las adiciones finales. Tape el matraz e inviértalo repetidas veces para asegurar la homogeneidad de la disolución. Por último, pase la disolución a una botella seca y etiquétela. Marca de aforo Menisco Menisco Figura 6 Si el soluto se disuelve con dificultad, se prefiere disolverlo en un vaso de precipitados y transferirlo luego cuantitativamente al matraz, enjuagando varias veces el vaso y adicionando las aguas de lavado también al matraz. Si fuera preciso, en un vaso de precipitados es posible calentar para facilitar la disolución. Recuerde que no debe calentar nunca un matraz aforado ni ningún otro material volumétrico. Por la misma razón, si el proceso de disolución produce un cambio apreciable de temperatura (por ejemplo, el del ácido sulfúrico concentrado en agua), prepare la disolución en un vaso de precipitados y, esperando un rato, transfiérala al matraz. Técnicas de química experimental | 21 Cuidado y limpieza La limpieza del material volumétrico es esencial para su correcta utilización. Como norma general, es conveniente lavar el material con detergente diluido, agua y por último agua destilada (varias veces). Solamente las superficies de vidrio perfectamente limpias soportan una película de líquido totalmente uniforme. La aparición de rupturas en la película de líquido es una indicación de que su superficie no está limpia. Como regla general, hay que evitar calentar el material de vidrio aforado. Un enfriamiento rápido del mismo puede distorsionar el vidrio de un modo permanente y ser causa de variación de volumen provocando errores sistemáticos en el trabajo experimental. Al utilizar un instrumento de los señalados apunte en el cuaderno de laboratorio la capacidad, la precisión y la temperatura de calibrado que vienen grabados en ellos. Instrumentación básica 1. La balanza Para pesar cantidades aproximadas (por ejemplo, en la preparación de disoluciones cuya concentración no se necesita conocer con exactitud) suelen utilizarse granatarios, tipo de balanza que permite cargas relativamente grandes (hasta 1-2 kg) y dan estimaciones de hasta 0,1 g (a veces 0,01 g). Sin embargo, es frecuente que se necesiten pesadas con exactitudes inferiores al mg (por ejemplo, el peso de un precipitado en un método gravimétrico o el peso de un reactivo para preparar una disolución patrón) y entonces es necesario el uso de una balanza analítica. Dentro de las balanzas analíticas podemos distinguir distintos tipos, de acuerdo con la exactitud de las mismas: ordinarias (0,1 mg), semimicro (0,01 mg) y micro (0,001 mg). 1.1. Precauciones durante el empleo de una balanza analítica Una balanza analítica es un instrumento delicado que se debe manejar con gran cuidado. Siga las siguientes reglas generales para trabajar con una balanza analítica. • Centre la carga sobre el platillo tanto como sea posible. • Proteja la balanza de la corrosión. Los objetos que se coloquen directamente sobre el platillo deben limitarse a metales no reactivos, plásticos no reactivos y materiales vítreos. • Tenga cuidados especiales para pesar líquidos. La masa de un líquido se obtiene siempre por diferencia: los líquidos no corrosivos y no volátiles se pueden transferir a recipientes pesados previamente; la masa del recipiente se resta de la masa total. • Consulte con el profesor si la balanza requiere ser ajustada. • Conserve la balanza escrupulosamente limpia. Un pincel es útil para eliminar cualquier material o polvo que haya caído. • Antes de pesar un objeto que haya sido calentado deje que alcance la temperatura ambiente. Esta operación debe realizarse en desecador para evitar que el producto absorba la humedad ambiental. 22 | Química Inorgánica • Use pinzas con el fin de evitar que los objetos secos se humedezcan. 1.2. Instrucciones generales para la pesada • Si en la pantalla digital de la balanza no aparece ningún número oprima la tecla on/off. • Después de encendida, la balanza realiza automáticamente un control de sus funciones electrónicas. Este control termina cuando en la pantalla aparece 0.000 g • La determinación exacta del peso se puede obtener solamente teniendo definido el punto cero. Oprima la tecla tara para poner el indicador a cero. • Coloque ahora la muestra u objeto a pesar sobre el platillo de pesada. Lea el peso en la pantalla de la balanza tan pronto como la unidad de peso "g" aparezca estable en dicha pantalla. 2. Muflas y estufas El horno de mufla se emplea para calcinar muestras a altas temperaturas con el objeto de convertir los precipitados a una forma que pueda pesarse o para quemar los materiales de naturaleza orgánica antes de realizar un análisis inorgánico. Es necesario que exista un control de la temperatura, ya que pueden producirse pérdidas de metales a temperaturas superiores a 500°C. En los hornos de mufla se pueden alcanzar temperaturas de hasta 1200°C. Las estufas se emplean para secar muestras y/o material antes de utilizarlos. Estas estufas están bien ventiladas para que el calentamiento sea uniforme. La temperatura que suele emplearse es de aproximadamente 110°C, pero pueden alcanzar temperaturas de 200-300°C. 2.1. Instrucciones para el uso de las estufas en el laboratorio 1 No cambie la temperatura de la estufa sin consultar con el profesor. Algunos compuestos descomponen, funden o subliman a temperaturas no muy altas, y la temperatura de la estufa puede estar regulada de acuerdo a estas propiedades. 2 Introduzca los productos sobre un vidrio de reloj, nunca directamente sobre un papel. 3 Marque el vidrio de reloj con su nombre y taquilla escrito, por ejemplo, en un pequeño papel colocado sobre el vidrio. 4 Tome precauciones a la hora de sacar el vidrio para evitar quemaduras. Utilice pinzas largas si fuera necesario. Técnicas de química experimental | 23 Técnicas de filtración Un problema normal en el laboratorio es separar un líquido de un sólido. Como quiera que en la filtración se pretende el paso de un líquido a través de un material poroso que retenga las partículas sólidas, son factores importantes el material y tamaño del poro del filtro, así como la diferencia de presiones existente entre ambas caras del material filtrante. La filtración puede ser: a) A presión normal o por gravedad. b) A vacío. En cuanto a los materiales empleados, los más comunes son el papel y las placas de vidrio. Ambos se pueden obtener con distintos tamaños de poro, de acuerdo al grosor de las partículas que necesitemos retener. Los filtros de papel son prácticos y baratos, pero tienen como inconvenientes su fragilidad y que son atacados por muchos agentes químicos. En ocasiones, se utilizan otros materiales como la lana de vidrio, el algodón o la tierra de diatomeas. Filtración con papel En este curso se emplearán fundamentalmente filtros de papel. A continuación se resume la preparación y uso de los tipos de filtros de papel más usuales. Varilla de vidrio Embudo sujeto con una pinza (o un aro) Papel de filtro Vástago del embudo pegado a la pared del vaso Figura 7 Cortar por la línea discontinua Figura 8 Para filtrar a presión normal, se utiliza un embudo cónico y se opera tal como se muestra en la figura 7. El papel de filtro se escogerá de tal forma que su porosidad se halle en consonancia con el tamaño de la partícula del precipitado. Se colocará de la forma que se muestra en la figura 8. Una vez colocado en el interior del embudo, se humedecerá el papel con el líquido de lavado, con el fin de que la superficie externa del papel se adhiera perfectamente con la pared interna del embudo. También es corriente utilizar un papel plegado en pliegues en lugar de en forma cónica (Figura 9). El embudo con el papel de filtro se situará sobre un soporte, de forma que el vástago se halle en contacto con la pared del recipiente de recogida del líquido de filtrado, y a continuación se irá vertiendo el líquido hasta el embudo, deslizándolo por la varilla. Una vez que haya pasado todo el líquido, el sólido que pueda permanecer en el recipiente inicial se arrastra al filtro con la ayuda de la varilla y, finalmente, 24 | Química Inorgánica con pequeñas porciones de disolvente que al mismo tiempo actuará como líquido de lavado. Debe cuidarse mucho que en las adiciones de producto al filtro, la disolución no rebase nunca el borde del papel pues en ese caso pasaría líquido sin atravesar el papel de filtro y arrastraría, al filtrado, partículas de precipitado. Figura 9. Esquema para la preparación de un filtro de pliegues Para filtrar a vacío con un embudo Büchner, se cortará un círculo de papel de filtro de diámetro igual al del interior del embudo Büchner. El filtro debe cubrir por completo todos los orificios de la placa del Büchner, pero no debe subir por las paredes del embudo. Al colocarlo debe quedar completamente liso, sin arrugas y perfectamente adherido a la superficie del Büchner, para que no pueda pasar nada de sólido por sus bordes. Esto se consigue fácilmente humedeciendo el papel con el disolvente utilizado y succionando un poco. El embudo se adosa a un kitasato (figura 10) Figura 10 y la tubuladura lateral se conecta al aparato productor de vacío (generalmente una trompa de agua). Después, sin succión, o mejor, sólo con una ligera succión, para evitar evaporaciones innecesarias, se echa la mezcla (o parte de ella) dentro del embudo, de la forma descrita anteriormente para la filtración a presión normal. Entonces se aplica todo el vacío (o el máximo deseado). Se debe utilizar una varilla de vidrio o una espátula para que, ayudándose con ella, se pueda pasar lo más rápidamente posible toda la masa cristalina al embudo. Las restantes Técnicas de química experimental | 25 operaciones son similares a las descritas en la filtración a presión normal. Debe procurarse desconectar el kitasato del generador de vacío antes de cerrar éste, sobre todo cuando se trata de una trompa de agua, pues la diferencia de presiones, en caso contrario, hará que el agua pase al kitasato impurificando o en el mejor de los casos diluyendo el líquido filtrado. Bibliografía 1. Horta, S. Esteban, R. Navarro, P. Cornejo, C. Barthelemy, Técnicas Experimentales de Química, UNED, 3ª ed, 1991. 2. D.C. Harris, Análisis Químico Cuantitativo, Reverté, 2001. 3. Cotton, F. A.; Wilkinson, G.; Gaus, P. L.: “Basic Inorganic Chemistry” 3 Ed.. John Wiley & Sons. 1995. 4. Greenwood, N. N.; Earnshaw, A.: “Chemistry of the Elements” 2 Ed. Butterworth-Heinemann. 1997. 5. Gutiérrez Ríos, E.: “Química Inorgánica” 2 Ed.. Reverté. 1994. 6. Holleman, A. F.; Wiberg, E.: “Inorganic Chemistry” 1ª Ed. Academic Press. 2001. 7. Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G.: “Inorganic Chemistry”. Prentice Hall. 2001. 8. Petrucci, R.H.; Harwood, W.S.; Herring, F.G.: “Química General” 8ª Ed. Prentice Hall. 2003. 9. Shriver, D. F.; Atkins, P. W.; Langford, C.H.: “Química Inorgánica” 2ª Ed.. Reverté. 1998. II. Síntesis Inorgánica 28 | Química Inorgánica 1 Preparación de ácido bórico reactivos Bórax, Na2B4O7 (98%) HCl (disolución al 20%, r = 1,1 g/mL) Manitol objetivos Preparar un compuesto que constituye un ejemplo típico de combinaciones de boro y que tiene aplicaciones en el campo de la conservación de alimentos y en el farmacéutico. introducción En esta práctica se deberá relacionar la preparación de ácido bórico con el carácter no metálico del boro; diferenciar el comportamiento frente a ácidos y bases de B(OH)3 y Al(OH)3, etc. Repasar la química del ácido bórico y la estructura de los boratos. El boro es el elemento cabecera del grupo 13. Como todos los elementos cabecera del bloque p, el boro presenta un comportamiento diferenciado del resto de los elementos del grupo, que en este caso está acentuado por ser el único elemento del grupo que no es un metal. El único estado de oxidación estable del boro es III (el estado de oxidación I sólo se estabiliza en los elementos más pesados del grupo). La energía de ionización necesaria para formar el catión B3+ es tan elevada que no es compensada por las energías de red de sus compuestos iónicos en estado sólido, ni por la hidratación de los iones en disolución. Por ello, no existe una química catiónica de B3+. En otras palabras, el catión B3+ es tan pequeño y tiene tanta carga, su poder de polarización es tan elevado, que forma enlaces covalentes. La química del boro es, por tanto, una química típica de los elementos no metálicos: forma oxoácidos y oxoaniones. Comparando la química del boro con la del aluminio, se observa que el hidróxido de aluminio es anfótero mientras que el ácido bórico es únicamente ácido. Al3+ (ac) OHH + Al(OH)3(s) B(OH)3(ac) H OHH especies ácidas OH- + + Al(OH)4œ(ac) B(OH)4œ(ac) especies básicas 1. Preparación de ácido bórico | 29 El tetrahidroxoborato no es el único oxoanión de boro, ya que se conocen una gran variedad de poliboratos de acidez intermedia entre el ácido bórico y el tetrahidroxoborato. En esta práctica, utilizaremos la sal de sodio de un tetraborato para preparar el ácido bórico. El bórax es uno de los principales minerales del boro y su estequiometría es la indicada por la fórmula: Na2B4O7·10H2O; aunque estructuralmente se corresponde a la fórmula Na2B4O5(OH)4·8H2O, pues la estructura del anión es: H O B O O O B H O H B O O O B O H La obtención de ácido bórico a partir de bórax es un ejemplo de la complicada química acuosa de los derivados oxo e hidroxo de boro: B(OH)3 OH+ H B5O6(OH)4- OH+ H B3O3(OH)4- OH+ H B4O5(OH)42- OH+ H B(OH)4- En medio ácido el equilibrio anterior esta desplazado hacia el ácido bórico, de forma que éste puede ser obtenido a partir del bórax por acidulación de las disoluciones de éste. cuestiones previas 1.- Lea el procedimiento. Escriba y ajuste la reacción entre el bórax y el ácido clorhídrico. 2.- Aplicando el principio de Le Châtelier, ¿qué especie de boro se encuentra favorecida en medio ácido? ¿Por qué hay que asegurarse de que el medio final sea ácido? 3.- Calcule el número de moles adicionados de bórax y de HCl. ¿Qué reactivo está en exceso? ¿Por qué? 4.- ¿Qué cantidad de ácido bórico se obtendría si el rendimiento de la reacción fuera del 100%? 5.- Teniendo en cuenta que la solubilidad del ácido bórico en agua a 0 ºC es 2,66 g en 100 mL. ¿Cuántos gramos se deberían obtener teóricamente? procedimiento Preparación de ácido bórico Se colocan 6 g de bórax decahidratado, o la cantidad correspondiente del derivado anhidro, en un vaso de precipitados de 100 mL y se añaden 15 mL de agua destilada. Se calienta casi hasta ebullición y se añaden poco a poco 8 mL de ácido clorhídrico al 20% (r = 1,10 g/mL), comprobar que el pH final de la disolución es ácido. Se calienta a ebullición durante 5 minutos y la disolución resultante se enfría exteriormente con hielo. El 30 | Química Inorgánica precipitado cristalino obtenido se recoge en un embudo Büchner, se lava con agua a 0 °C y se seca por succión. pruebas analíticas: Preparar una disolución concentrada de ácido bórico y dividirla en dos partes; a una de ellas añadir manitol. Comparar el pH. cuestiones 1.- Indique los cálculos y operaciones realizadas para preparar 1 L de la disolución de ácido clorhídrico al 20% (r = 1,10 g/mL) a partir de una botella de ácido clorhídrico comercial (37%, r = 1,17 g/mL). 2.- ¿Por qué es necesario enfriar con hielo y lavar con agua a 0 °C? 3.- ¿Por qué no se puede secar por calentamiento? 4.- Pese el ácido bórico sintetizado y calcule el rendimiento. 5.- Justificar el resultado obtenido en la prueba analítica. 3. Preparación de alumbre | 31 2 Preparación de alumbre reactivos objetivos Papel de aluminio Ácido sulfúrico concentrado Hidróxido de sodio Amoniaco (disolución 2 M) Estudio del carácter anfótero del aluminio. Reciclar papel de aluminio mediante su transformación en un compuesto químico de interés como es el alumbre Al(NH4)(SO4)2·12H2O. introducción El aluminio es el metal más abundante de la corteza terrestre (8,1% en masa), justo por delante del hierro (5% en masa). Por su baja densidad, resistencia mecánica y frente a la corrosión, se usa en la construcción de aeroplanos y automóviles, así como en la fabricación de latas. El reciclado de latas de aluminio y de otros productos supone una contribución muy positiva a la hora de ahorrar energía y recursos naturales. La mayor parte del aluminio reciclado se funde y convierte en otros productos metálicos de aluminio o se usa en la producción de diferentes compuestos químicos, los más comunes son los alumbres, que se utilizan en la fabricación de papel, curtido de pieles y en productos alimenticios. Antiguamente se usaban para la momificación de cuerpos por su carácter desecante y ligeramente astringente. Los alumbres presentan como fórmula general AlM(SO4)2·12H2O, con M = catión monovalente. Por extensión, este nombre se emplea para nombrar genéricamente los sulfatos dobles de fórmula general 1+ 3+ M M (SO4)2·12H2O. Todos los alumbres cristalizan en forma de octaedros y cubos que pueden crecer hasta un tamaño considerable. De las doce moléculas de agua de cristalización, seis se encuentran débilmente 32 | Química Inorgánica unidas al catión monovalente y seis fuertemente unidas al catión trivalente: [M(H2O)6]+[M(H2O)6]3+(SO42-)2. Química acuosa del aluminio(III) Los cationes [M(H2O)6]3+ del grupo 13 son débilmente ácidos en disolución acuosa. [M(H2O)6]3+(ac) [M(H2O)5(OH)]2+(ac) + H+(ac) Ka = 1,12 x 10-5 (Al); 2,5 x 10-3 (Ga); 2 x 10-4 (In); 7 x 10-2 (Tl) Conforme aumenta el pH predominan las especies más básicas; [Al(H2O)6]3+(ac) OH+ H [Al(H2O)5(OH)]2+(ac) OH+ H [Al(H2O)4(OH)2]+(ac) OH+ H Al(OH)3(s) OH+ H [Al(OH)4]-(ac) Las especies catiónicas son las predominantes a pH ácidos, el hidróxido, que es anfótero, a pH neutros y el aluminato a pH básicos. Las estructuras reales de estos iones son más complejas que la fórmula abreviada utilizada. Oxidación del aluminio metal. El aluminio tiene un potencial normal de reducción suficientemente negativo Eº(Al3+/Al) = -1,64 V como para que se oxide incluso en medio básico. Sin embargo, el aluminio en agua no se disuelve ya que se forma una capa insoluble e impermeable de hidróxido de aluminio que protege al metal de posteriores ataques (pasivación). Al(s) ácido Medio [Al(H2O)6]3+(ac) Medio neutro Medio básico Al(OH)3](s) [Al(OH)4]-(ac) cuestiones previas 1.- Ajuste la reacción de aluminio en disolución básica. 2.- Calcule el número de moles adicionados de aluminio y de hidróxido de sodio. 3.- ¿Qué precipita cuando se neutraliza la disolución con ácido sulfúrico? ¿Qué se forma cuando se añade más ácido sulfúrico? ¿Por qué? 4.- ¿Qué es lo que puede precipitar cuando se añade amoniaco a la disolución de sulfato de aluminio? 5.- ¿Por qué no se disuelve directamente el aluminio en ácido sulfúrico en lugar de hacerlo en hidróxido de sodio? 3. Preparación de alumbre | 33 procedimiento Pese 0,5 g de papel de aluminio en un vaso de 250 mL, adicione 20 mL de agua y lentamente 12,5 mL de NaOH al 10% (r = 1,13 g/mL). Cuando cese la efervescencia, hierva la mezcla durante 5 minutos para completar A la reacción (mantenga el volumen adicionando pequeñas porciones de t agua destilada). Diluya con agua destilada hasta 75 mL y, si se ha formado e un residuo negro, filtre la disolución. Neutralice la disolución con ácido n sulfúrico 2 M, manteniendo la disolución caliente y en agitación. c Compruebei el proceso de neutralización midiendo el pH con papel indicador. ó n de aluminio que precipita se recoge por filtración en un El hidróxido embudo cónico y se lava con agua caliente (5 mL), para eliminar el sulfato de sodio. La disolución recogida a través del filtro se elimina. Sobre el sólido blanco recogido en el filtro se añaden 20 mL de ácido sulfúrico 2 M. La mezcla se remueve con una varilla y, entonces, se perfora el fondo del filtro, dejando que la disolución y el sólido caigan en un vaso de precipitados limpio. Si fuese necesario, arrastre el precipitado que quede adherido al filtro con 5 mL de ácido sulfúrico 2 M. Disuelva todo el hidróxido de aluminio por calentamiento y añada 10 mL de una disolución de amoníaco 2 M. Redisuelva cualquier pequeña cantidad de hidróxido de aluminio que se forme añadiendo unos mililitros de ácido sulfúrico 2 M. Concentre la disolución por evaporación hasta 50 mL y déjela enfriar lentamente hasta el día siguiente. Los cristales obtenidos se recogen por filtración y se secan. prueba analítica cuestiones Preparar 6 mL de una disolución concentrada de alumbre (solubilidad 15 g/ 100mL), medir el pH y adicionar unos mL de amoníaco 2 M. Dividir la disolución en dos partes; una se hierve y a la otra añadir unos mililitros de una disolución de hidróxido de sodio al 10%. 1 ¿Qué es un alumbre y qué estructura presenta? 2.- Comente todas las reacciones que tienen lugar, y justifique todos los pasos experimentales realizados a lo largo de la práctica. 3.- Pese los cristales obtenidos y calcule el rendimiento. 4.- Escriba y comente las reacciones correspondientes a las pruebas analíticas. 34 | Química Inorgánica 3 Estados de oxidación del vanadio reactivos material específico Metavanadato de amonio, NH4VO3 Hidróxido de sodio (0,1 M) Permanganato de potasio (0,02 M) H2SO4(1 M y 4 M) Sulfito de sodio, Na2SO3 Cinc en polvo Tapón de corcho perforado y papel indicador de pH. objetivos En esta práctica se ensaya el comportamiento de vanadio(V) frente a diversos reductores, debiéndose averiguar, por valoración, el estado de oxidación al que ha sido reducido el vanadio. Repase la química del vanadio antes de empezar la práctica. introducción El estado de oxidación superior para vanadio es 5+, en el cual se conocen cationes como vanadilo VO2+ (ión dióxidovanadio(1+), y aniones condensados [(VO3)n]n– presentes en sustancias como el metavanadato de amonio NH4VO3 (trióxidovanadato(V) de amonio) sólido. El tratamiento de vanadio(V) con reductores en disolución forma especies con estados de oxidación inferiores a 5+, que son generalmente coloreadas. Las de menor estado de oxidación se oxidan rápida y fácilmente en disolución, debiéndose operar de forma adecuada para evitar su oxidación por el oxígeno del aire. En la práctica se parte de metavanadato de amonio, el cual se disuelve en medio básico y se hace reaccionar con ácido sulfúrico para formar el catión amarillo VO2+. Este catión se reduce con sulfito de sodio y con cinc. En ambos casos se observa la formación de especies coloreadas, indicando que ha habido reacción. Los estados de oxidación a que se reduce el vanadio en cada caso se determinan por valoración con permanganato de potasio. Las pruebas finales en tubo de ensayo completan los conocimientos adquiridos sobre la química del vanadio. 3. Estados de oxidación del vanadio | 35 cuestiones previas 1.- Calcule la molaridad teórica de la disolución de vanadio(V). 2.- Estime el volumen de permanganato que espera consumir en la valoración de la disolución de vanadio(IV). 3.- Estime el volumen de permanganato de potasio que espera consumir en la valoración de una disolución Vn+, para n = 4, 3 y 2. 4.- Escriba la semirreacción de oxidación del sulfito de sodio. 5.- Escriba la semirreacción de oxidación del cinc. 6.- Busque en tablas los potenciales normales de reducción para ambos semisistemas. ¿Cuál es el mejor reductor? 7.- ¿Por qué tras la reducción con Na2SO3 hay que eliminar por ebullición el exceso de éste, antes de valorar? 8.- ¿Por qué hay que actuar con rapidez al decantar la disolución de Vn+ sobre la de KMnO4? procedimiento 1.- Preparación de una disolución de vanadio(V) Disuelva 1 g de metavanadato de amonio (NH4VO3) en aproximadamente 10 mL de hidróxido de sodio 0,1 M y 30 mL de agua. Agite la disolución o suspensión mientras se añaden lentamente 40 mL de ácido sulfúrico 1 M y entonces diluya hasta 125 mL con agua destilada y filtre. ¡La siguiente operación se deberá realizar en una campana de gases! 2.- Preparación y valoración de una disolución de vanadio(IV) Añada una punta de espátula de sulfito de sodio a 20 mL de la disolución anterior en un erlenmeyer y caliente a continuación hasta que no se desprenda dióxido de azufre (comprobarlo con un papel pH humedecido, figura 1). El ion metavanadato ha sido reducido por el sulfito a ion vanadilo(IV), de color azul. Papel de pH humedecido Vidrio de reloj A B Figura 1 Adicione 1 mL de H2SO4 4 M y valore la disolución de vanadio(IV) a una temperatura aproximada de 80°C con permanganato de potasio 36 | Química Inorgánica aproximadamente 0,02 M, hasta que aparezca un color rosa pálido permanente en la disolución. En este momento, el ion vanadilo presente en la disolución se ha convertido de nuevo en metavanadato. Anote el volumen de permanganato gastado (X mL). Recuerde que debe repetir las valoraciones al menos dos veces. 3.- Valoración de vanadio(n+) Coloque, en un erlenmeyer, 2X mL de la disolución de KMnO4 0,02 M preparada anteriormente y 3 mL de H2SO4 (4 M), siendo X el volumen de permanganato de potasio gastado en la valoración anterior. Caliente la disolución a una temperatura aproximada de 80°C. En otro erlenmeyer de 250 mL, coloque 20 mL de la disolución de metavanadato de amonio, y añada una punta de espátula de cinc en polvo. Tape el erlenmeyer de la forma que se indica en la figura 2 y agite con suavidad hasta que la disolución se ponga de color violeta; en este momento el ion metavanadato ha sido reducido a Vn+. Si en el transcurso de la reacción observa que el desprendimiento de hidrógeno se debilita sensiblemente, añada unas gotas más de ácido sulfúrico 4 M. Figura 2 Para evitar errores en la valoración del Vn+, debido a la oxidación de parte del Vn+ por el oxígeno del aire, se opera del modo siguiente: - Decante la disolución violeta (Vn+), para separar el exceso de cinc, sobre el erlenmeyer que contiene los 2X mL de permanganato, ligeramente caliente. Agite continuamente este erlenmeyer. Lave el cinc primero con unos 5 mL de ácido sulfúrico 4 M y luego con un poco de agua de un frasco lavador, añadiendo los líquidos de lavado sobre la disolución de permanganato. Todas estas manipulaciones se deben realizar con la mayor rapidez posible. - Una vez completada la transferencia de la disolución de Vn+ y de los líquidos de lavado, se continúa la valoración con el permanganato (usando la bureta) hasta que la disolución adquiera un color rosa pálido permanente. Anote el volumen total del permanganato gastado. 3. Estados de oxidación del vanadio | 37 pruebas analíticas: 1.- En un tubo de ensayo, se ponen unos 10 mL de disolución de metavanadato de amonio (amarilla), se añaden 2 mL de ácido sulfúrico 4 M, una punta de espátula de cinc y se agita suavemente tapando la boca del tubo de ensayo. Anote los cambios de color observados desde el amarillo hasta el violeta. 2.- A 2 mL de disolución amarilla de metavanadato de amonio (contenidos en un tubo de ensayo) se adiciona poco a poco 8 mL de la disolución violeta, decantándola. Anote los cambios de color que tienen lugar durante cada adición. 3.- Añada a 4 mL de disolución de metavanadato de amonio, 1 mL de ácido sulfúrico 4 M y unos cristales de sulfito de sodio. Caliente la disolución hasta eliminar el exceso de sulfito y adicione poco a poco a 2 mL de la disolución azul, 4 mL de la disolución violeta. Anote los cambios de color. cuestiones 1.- Indique el volumen de permanganato gastado en las oxidaciones VO2+ ¾® VO2+ y de Vn+ ¾® VO2+ 2.- Determine el valor de n en Vn+. 3.- Indique los cambios de color observados desde el amarillo al violeta, tras la reducción del metavanadato de amonio. 4.- Comente los cambios de color observados al mezclar las disoluciones del vanadio en distintos estados de oxidación: a) Disolución amarilla + disolución violeta. b) Disolución violeta + disolución azul. 5.- Escriba y comente las reacciones rédox en la química acuosa de vanadio. ¿Cuál es el estado de oxidación más reductor del vanadio en disolución acuosa? ¿Sería estable en condiciones aeróbicas? 6.- ¿Por qué se tapa el erlenmeyer durante la reducción del VO2+ con Zn? 7.- El KMnO4 usado en las valoraciones es aproximadamente 0,02 M. ¿Es imprescindible calcular su concentración exacta por valoración con Na2C2O4 para resolver el problema de la determinación de n en Vn+? Razone la respuesta. 38 | Química Inorgánica 4 Preparación de tris(oxalato)ferrato(III) de potasio reactivos Sulfato de amonio y hierro(II)-agua(1/6) Ácido oxálico, H2C2O4·2H2O Peróxido de hidrógeno (33% p/v) Permanganato de potasio (0,20 M) Permanganato de potasio (0,020 M) objetivos Sintetizar una sal de hierro(II) a partir de sal de Mohr. Y, a partir de ella, obtener el complejo de coordinación K3[Fe(C2O4)3]·3H2O. introducción En esta práctica se prepararán dos compuestos de hierro con oxalato. El oxalato actúa como un ligando bidentado quelato, ocupando dos posiciones de coordinación en el mismo metal. Ácido sulfúrico (2,0 M) Acetona Oxalato de potasio, K2C2O4 Etanol Cinc en polvo Se comienza preparando oxalato de hierro(II) por reacción de la sal de Mohr con ácido oxálico. Para formar el complejo tris(oxalato)ferrato(III) de potasio, se adiciona oxalato de potasio y ácido oxálico, y el hierro(II) se oxida a hierro(III) con peróxido de hidrógeno. Este complejo se obtiene hidratado con tres moléculas de agua. El contenido del complejo en hierro y oxalato se analiza con sendas valoraciones. cuestiones previas 1.- Lea el procedimiento. Escriba y ajuste las reacciones que conducen a la preparación de oxalato de hierro(II) y al tris(oxalato)ferrato(III) de potasio. 2.- Calcule el número de moles adicionados de la sal de Mohr y de ácido oxálico en la preparación del oxalato de hierro(II). 3.- Calcule la cantidad de oxalato de hierro(II) que esperaría obtener si el rendimiento de la reacción fuera del 100%? 4.- Calcule el número de moles adicionados de oxalato de potasio, agua oxigenada y ácido oxálico en la preparación del tris(oxalato)ferrato(III) de potasio. 5. Calcule la cantidad de tris(oxalato)ferrato(III) de potasio que esperaría obtener si el rendimiento de la reacción fuera del 100%? 6.- ¿Cuál es el papel del agua oxigenada en el proceso anterior? 4. Preparación de tris(oxalato)ferrato(III) de potasio | 39 procedimiento Preparación de FeC2O4·2H2O Sobre una disolución de 5,0 g de sulfato de hierro(II) y amonio-agua(1/6) (sal de Mohr), en 25 mL de H2O y 1 mL de ácido sulfúrico 2,0 M, añada con fuerte A agitación una disolución de ácido oxálico (2,5 g) en agua (30 t mL). e Caliente lentamente hasta ebullición y filtre en un Büchner el precipitado n amarillo de oxalato de hierro(II)-agua(1/2). Lave el precipitado con 5 mL c de agua caliente. Seque y pese el sólido obtenido. i ó de K3[Fe(C2O4)3]·3H2O Preparación n El oxalato de hierro(II) sintetizado se añade a una disolución de 3,0 g de oxalato de potasio en agua caliente (20 mL). Sobre la disolución resultante, que se mantiene aproximadamente a 40°C, se añade gota a gota, y con agitación, 5 mL de agua oxigenada al 6% en peso/volumen (cada 10 alumnos prepararán 100 mL de esta disolución a partir de H2O2 comercial, 33%). Finalizada la adición, se calienta la mezcla a ebullición y se adiciona 1,0 g de ácido oxálico en porciones. Si persiste el precipitado marrón de hidróxido de hierro(III) formado, disuélvalo añadiendo gota a gota más disolución de ácido oxálico, mientras se mantiene la disolución casi a ebullición. La disolución verde resultante se enfría a temperatura ambiente, se le añade 25 mL de etanol y se deja cristalizar en hielo. Filtre, seque y pese el sólido obtenido. análisis Análisis cuantitativo del tris(oxalato)ferrato(III) de potasio-agua(1/3) 1. Porcentaje de oxalato. Disuelva 1 g del complejo en ≈ 10 mL de ácido sulfúrico diluido (2 M), caliente hasta ebullición y valore con una disolución de permanganato de potasio 0,2 M, a una temperatura aproximada de 80 °C. 2. Porcentaje de hierro. Añada a la disolución anteriormente valorada cinc en polvo. Al cabo de 20 minutos, la disolución debe estar incolora. Filtre y lave el metal tres veces con ácido sulfúrico diluido (2 M). La disolución, así obtenida, se valora en caliente con permanganato de potasio 0,02 M. 40 | Química Inorgánica cuestiones 1.- Calcule el rendimiento obtenido en la preparación del oxalato de hierro(II). 2.- Calcule el rendimiento obtenido tris(oxalato)ferrato(III) de potasio. en la preparación del 3.- Escriba y ajuste las ecuaciones químicas que tienen lugar en las dos valoraciones anteriores. 4.- ¿Puede presentar algún tipo de isomería el complejo tris(oxalato)ferrato(III) de potasio? De ser así, ¿se podrían separar por solubilidad? 5.- ¿Por qué hay que adicionar cinc al complejo para valorar su contenido en hierro por permanganimetría? 6.- Comente el resultado de sus análisis y determine el porcentaje de hierro y oxalato del complejo. 41
