Transformaciones fisicoquímicas: Selectividad

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Guía
docente
Transformaciones fisicoquímicas: Selectividad
Tipo de actividad:
Práctica de experimentación
Curso:
7mo básico
Asignatura:
Ciencias Naturales
Objetivos del
currículum que aborda
la actividad:
ae 01
Comprender que toda la materia está constituida por un número reducido de
elementos que se combinan, dando origen a la multiplicidad de sustancias
conocidas.
ae 03
Caracterizar las transformaciones fisicoquímicas de la materia.
ae 04
Formular predicciones y explicaciones acerca del comportamiento de la materia al
ser sometida a cambios o transformaciones.
Unidad:
1
Palabras claves:
Soluto, solvente, hidrofobia, hidrofilia.
Materiales para la
actividad:
20 ml de Solución acuosa de I2
20 ml de Tetracloruro de carbono
5g de Sulfato de cobre
2 Tubos de ensayo
Una característica muy importante del estudio de las reacciones
químicas es la selectividad. Esta propiedad se refiere a que una
reacción definida ocurre, si no entre dos únicas sustancias, al menos
con un grupo reducido de ellas. Esta característica es central en
la rama conocida como química analítica, y su importancia radica
en que las reacciones selectivas permiten identificar sustancias
específicas en disoluciones desconocidas, pues al agregar un
reactivo selectivo para una sustancia a la disolución, se puede
saber si la sustancia se encuentra o no en ella.
Un ejemplo de reacción muy selectiva es la de amoniaco (NH3)
con el ion de cobre (Cu++). Al reaccionar ambas sustancias forman
un complejo de cobre y amoniaco que tiene un característico color
azul muy intenso. Supongamos que tenemos una muestra de
mineral proveniente una exploración de nuevas zonas donde se
podría eventualmente explotar una mina de cobre. Esta muestra
puede disolverse con ácido sulfúrico o ácido nítrico, liberando
prácticamente cualquier metal como ión a la disolución. Luego,
a la disolución resultante, se pueden agregar algunas gotas de
amoniaco. Si la disolución toma color azul se puede asegurar
que la muestra contiene cobre. Si por el contrario no toma color
La selectividad se
refiere a que una
reacción definida
ocurre, si no entre dos
únicas sustancias, al
menos con un grupo
reducido de ellas.
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azul, puede contener cualquier otro ión metálico, asegurándose
que no hay cobre presente. Esta reacción permite, de la misma
forma, identificar la presencia de amoniaco en muestras de aguas
residuales industriales.
Por otro lado tenemos el ejemplo de las reacciones de disolución.
Aquellas sustancias que son capaces de disolverse en solventes
polares (como el agua), pero no se disuelven en sustancias apolares
(como el aceite), y viceversa. La disolución entonces también es
selectiva solo que en grupos más amplios de sustancias.
Valiéndose del principio de selectividad, se han desarrollado
procesos que permiten hacer más eficientes ciertos procesos
productivos. Por ejemplo, en la etapa de lixiviación del proceso
productivo del cobre, se obtiene una disolución acuosa (el solvente
es agua) de muchos minerales diferentes. Mediante un proceso
conocido como extracción por solventes se logra separar a los
iones de cobre de los demás metales presentes en la disolución
y además mejorar su concentración, logrando así mejorar la
eficiencia de todo el sistema. Este proceso funciona con un reactivo
conocido como extractante, que solamente es soluble en medios
hidrófobos, es decir en solventes que no se mezclan con el agua,
como el keroseno o el benceno. Además, este extractante tiene una
reactividad selectiva a los iones de cobre. Estos últimos se unen al
extractante y pasan a formar parte de la disolución hidrófoba. Como
ambas disoluciones no se mezclan, se les permite decantar y luego
se separan por gravedad, de la misma forma que se separan el
agua y el aceite después de mezclarse. Finalmente, se recupera el
ión de cobre al hacer reaccionar al extractante con un medio ácido.
INICIO
Para esta clase es importante que los y las estudiantes
comprendan ya los conceptos de transformaciones fisicoquímicas,
particularmente de las reacciones de disolución. Para establecer
los conocimientos previos que posean los y las estudiantes, realice
las siguientes preguntas:
¿Qué entienden por transformación fisicoquímica?
¿Qué transformaciones fisicoquímicas conocen?
¿Cómo explicarían qué ocurre durante una reacción de
disolución?
¿Cómo definirían soluto y solvente?
Las reacciones de
disolución son aquellas
sustancias que son
capaces de disolverse
en solventes polares,
pero no en sustancias
apolares, y viceversa.
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Pida que voluntariamente compartan sus respuestas y propicie
un espacio de discusión respecto a estos temas. Al finalizar las
respuestas complete los conceptos en caso de ser necesario.
En términos del proceso productivo del cobre, es
necesario que los y las estudiantes comprendan
que el mineral de cobre se encuentra asociado a
otros minerales y que las reacciones para obtener
el cobre desde el mineral pueden arrastrar también
otros compuestos.
Para establecer cuáles son los conocimientos
previos de ellos y ellas en torno a este tema
pregunte:
El mineral que proviene de la cordillera
¿Tendrá solo mineral de cobre?
Respecto al proceso de lixiviación (bañar con
ácido sulfúrico el mineral y luego recuperar la
disolución obtenida) ¿Piensan que el ácido
sulfúrico solamente reacciona con el cobre?
¿Qué sucederá con los otros minerales y los
demás componentes del mineral?
Explique que el objetivo para esta clase es estudiar
algunas características de las reacciones químicas.
Anticipe que el trabajo que se realizará es de
carácter práctico y se trabajará con sustancia que
podrían dañar su organismo si son ingeridas o si
entran en contacto con la piel. Repase las medidas
de seguridad y pida calma en el trabajo.
Recomendaciones de seguridad en el laboratorio
Utiliza una bata y tenla siempre bien abrochada. No utilices bufandas, pañuelos largos u otros que dificulten tu movilidad.
No corras dentro del laboratorio.
Si tienes el cabello largo, recógetelo.
Ten siempre tus manos limpias y secas. Si
tienes alguna herida, tápala.
No pruebes ni ingieras los productos que utilices en los experimentos.
En caso de producirse un accidente, quemadura o lesión, comunícalo inmediatamente al
profesor.
Mantén el área de trabajo limpia y ordenada,
al acabar la práctica, limpia y ordena el material utilizado.
Fíjate en los signos de peligrosidad que
aparecen en los frascos de los productos
químicos.
Lávate las manos con jabón después de
tocar cualquier producto químico.
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DESARROLLO
Comience la actividad práctica explicando que en los procesos
industriales, muchas veces es importante preparar los reactivos
antes de hacerlos reaccionar. Esto es porque se puede mejorar la
eficiencia, es decir reducir el gasto de energía, tiempo y reactivos
necesarios si éstos son tratados de manera de lograr condiciones
ideales. Por ejemplo, luego del proceso de lixiviación de los
minerales oxidados de cobre, se obtiene una disolución acuosa
(una disolución cuyo solvente es agua) de cobre y otros metales en
muy bajas concentraciones. Para mejorar la eficiencia del próximo
proceso (electrorrefinación), es necesario generar una disolución
que tenga únicamente cobre y en una concentración relativamente
alta.
Pida entonces al curso que discutan en grupos y propongan un
método para solucionar esta disyuntiva:
¿Cómo harías para concentrar el cobre de la solución obtenida
de la etapa de lixiviación?
Luego de un tiempo adecuado de discusión al interior de cada grupo,
pida que compartan sus ideas respecto al tema. Luego indique que
es momento de comenzar la actividad práctica.
Esta actividad consta de tres momentos. Repase los materiales para
la sesión y las medidas de precaución, indicando que cualquiera de
los reactivos utilizados podría causar problemas a la salud. Pida
que tengan particular atención con el compuesto tetracloruro de
carbono CCl4, ya que este compuesto puede causar problemas al
inhalarlo y por contacto con la piel. De haber algún problema, es
necesario lavar la zona rápidamente con abundante agua y jabón.
En caso de ingesta, comuníquese inmediatamente con un centro
asistencial de salud.
Una vez identificados los materiales y reactivos a utilizar,
explique el procedimiento. Lo primero que deben hacer es
una observación de cada reactivo por separado: Solución
acuosa de yodo, tetracloruro de carbono y sulfato de cobre.
Luego de la observación inicial, se realizará la primera etapa:
reacción. Indique que mientras se realizan las reacciones
se debe tomar un registro de todas las observaciones del
procedimiento.
Es importante preparar
los reactivos antes de
hacerlos reaccionar, ya
que con ello se puede
mejorar la eficiencia.
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Primera parte:
Junta un poco de ambos reactivos en el mismo tubo de ensayo
con mucho cuidado. ¿Se mezclan ambos reactivos? ¿Cuál
queda arriba y cuál abajo?
Agita suavemente el tubo de ensayo hasta que ya no notes
cambios. ¿Qué cambios observas en cada uno de los
reactivos? ¿Cómo explicarías estos cambios?
Visite los grupos de trabajo mientras se realiza la experiencia
realizando preguntas que faciliten la observación de los fenómenos y
resolviendo dudas que puedan haber respecto al trabajo. El objetivo
de esta primera parte es que los y las estudiantes evidencien que el
yodo molecular se ha traspasado desde la fase acuosa (disolución
en agua, hidrófila) a la fase orgánica (disolución en tetracloruro de
carbono, hidrófoba). De esta observación se desprende que el yodo
molecular es más soluble en el medio hidrófobo que en el medio
hidrófilo.
Segunda Parte:
En otro tubo agrega una pequeña cantidad de sulfato de cobre
a la solución de yodo y mézclalos. Anota tus observaciones.
A continuación, agrega CCl4 (tetracloruro de carbono) al tubo
y mezcla. Describe la reacción. ¿Qué ocurre con el yodo y el
cobre en esta reacción?¿Cómo podemos comprobar en qué
fase se encuentra el cobre?
En esta segunda experiencia se espera que los y las estudiantes
observen cómo el yodo molecular viaja nuevamente al medio
orgánico (hidrófobo) pero el sulfato de cobre permanece en el
medio acuoso. De esta observación se desprende el concepto de
selectividad; el tetracloruro es selectivo al yodo y lo retira del medio
acuoso, pero no reacciona con el sulfato de cobre.
Luego de que todos los grupos terminen su trabajo, pase a la
etapa de reflexiones. Motive a los y las estudiantes a compartir sus
observaciones y reflexiones al interior de sus grupos para luego
escribirlas en la guía de trabajo.
Reflexión:
¿Cómo explicarías la diferencia entre comportamiento del yodo y
el cobre en estas reacciones?
El objetivo de esta
primera parte es
que los estudiantes
evidencien que el
yodo molecular se ha
traspasado desde la
fase acuosa a la fase
orgánica.
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Conclusiones:
Discute con tus compañeros y compañeras sobre la experiencia.
Escribe a continuación el fenómeno estudiado utilizando tus propias
palabras.
CIERRE
Para terminar la clase comente que las reacciones estudiadas se
basan en la solubilidad y afinidad de los solutos. Explique que los
solventes y solutos se pueden dividir en dos grandes grupos según
su afinidad: Hidrófilos son aquellos con afinidad por solventes
polares, como el agua y el amoniaco (Hidrófilos, del griego hidroagua y filos-gustar); e hidrófobas son aquellas que gustan de
solventes apolares, como el aceite y el tetracloruro de carbono
(Hidrófobas, del griego hidro-agua y fobos-disgustar).
Copie la siguiente tabla en la pizarra y pida que identifiquen
para cada sustancia si son hidrófobas, hidrófilas y cuáles son los
solventes y los solutos (respuestas en color):
Disolución
Afinidad
Solvente
Soluto/s
Tetracloruro de
carbono
Hidrófoba
Tetracloruro de
carbono CCl4
Sin soluto
Solución acuosa de Hidrófila
yodo
Agua
Yodo molecular I2
Solución orgánica
de yodo
Tetracloruro de
carbono CCl4
Yodo molecular I2
Solución acuosa de Hidrófila
yodo y sulfato de
cobre
Agua
Yodo molecular I2
y sulfato de cobre
CuSO4
Solución acuosa de Hidrófila
sulfato de cobre
Agua
Sulfato de cobre
CuSO4
Hidrófoba
Pida finalmente que compartan sus conclusiones y repase los
conceptos de afinidad y cómo se aplican a la experiencia estudiada.
Autor: Víctor Hugo Cisternas, Químico.
Evaluación
Solicite informe de laboratorio
grupal que contenga:
Introducción
Materiales
Hipótesis de trabajo
Experimentos
Reflexiones
Conclusiones
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Recordemos las transformaciones fisicoquímicas.
Escribe a continuación todo lo que sepas sobre las siguientes preguntas.
¿Qué entiendes por transformación fisicoquímica?
R:
¿Qué transformaciones fisicoquímicas conoces?
R:
¿Cómo explicarías qué ocurre durante una reacción de disolución?
R:
¿Cómo definirías soluto y solvente?
R:
Proceso productivo del cobre.
Escribe a continuación todo lo que sepas sobre las siguientes preguntas.
El mineral que proviene de la cordillera ¿Tendrá solo mineral de cobre?
R:
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Respecto al proceso de lixiviación (bañar con ácido sulfúrico el mineral y luego recuperar la disolución
obtenida): ¿Piensas que el ácido sulfúrico solamente reacciona con el cobre?
R:
¿Qué sucederá con los otros minerales? ¿Y los demás componentes del mineral?
R:
Hipótesis
¿Qué minerales de cobre conoces?
La solución de cobre obtenida debe ser concentrada antes de llevarla a refinación.
R:
¿Cómo harías para concentrar la solución obtenida de las etapas anteriores?
R:
Experimentación
Para el laboratorio de esta semana utilizaremos los siguientes materiales:
20ml
Solución acuosa de I2
20ml
Tetracloruro de carbono
5g
Sulfato de cobre
2
Tubos de ensayo
Precaución: El
Tetracloruro de carbono
CCl4 es muy tóxico,
sigue siempre las
medidas de seguridad.
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Observa atentamente los reactivos. Describe cada uno de estos a continuación:
Reactivo
Solución acuosa de I2
Observaciones
Tetracloruro de carbono
Sulfato de cobre
Primera parte:
Junta un poco de ambos reactivos líquidos en el mismo tubo de ensayo con mucho cuidado.
1.¿Se mezclan ambos reactivos? ¿Cuál queda arriba y cual abajo?
R:
Agita suavemente el tubo de ensayo hasta que ya no percibas cambios.
1. ¿Qué cambios observas en cada uno de los reactivos?
R:
2.¿Cómo explicarías estos cambios?
R:
Segunda parte:
En otro tubo agrega una pequeña cantidad de sulfato de cobre a la solución de yodo y mézclalos. Anota
tus observaciones. A continuación, agrega CCl4 al tubo y mezcla. Describe la reacción igual que en el
caso anterior.
1.¿Qué ocurre con el yodo y el cobre en esta reacción?
R:
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2.¿Cómo podemos comprobar en qué fase se encuentra el cobre? Diseña un procedimiento que te
permita saber en cuál fase se encuentra el cobre.
R:
Reflexión:
¿Cómo explicarías la diferencia de comportamiento en estas reacciones entre el yodo y el cobre?
R:
Escucha atentamente la explicación que dará el o la docente sobre los términos hidrofobia e hidrofilia.
Escribe a continuación, con tus propias palabras qué significan estos conceptos.
R:
Completa la siguiente tabla por medio de una discusión con el resto del curso:
Reactivo
Tetracloruro de
carbono
Solución acuosa de
yodo
Solución orgánica
de yodo
Solución acuosa de
yodo y sulfato de
cobre
Solución acuosa de
sulfato de cobre
Afinidad
Solvente
Soluto/s
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1.Discute con tus compañeros y compañeras sobre la experiencia. Escribe a continuación el
fenómeno estudiado, utilizando tus propias palabras.
R:
2.Define con tus propias palabras lo que entiendes por afinidad.
R:
Aplicaciones:
1.¿Cómo es posible separar solamente el cobre a partir del producto de la lixiviación?
R:
2.¿Por qué es importante concentrar la solución de cobre antes de refinarla?
R:
3. ¿En qué hecho de la vida cotidiana puedes evidenciar este fenómeno?
R:
4. Escribe a continuación toda información o reflexión que te parezca importante durante esta clase.
R:
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Para terminar:
Explica la etapa de Extracción con solvente, del proceso productivo del cobre.
R:
Completa con tus propias palabras los siguientes conceptos:
1. Afinidad:
2. Selectividad:
3. Soluto:
4. Solvente: