práctica 1 - Centro Universitario de los Lagos

Prácticas de Química Inorgánica
Practica 5
PREPARACIÓN DE MAGNETITA Y FERRITA DE ZINC
ANTECEDENTES
Las espinelas magnéticas del tipo AB2O4 pueden presentar estructuras idealizadas de
empaquetamiento cúbico compacto de los aniones con los cationes B ocupando 1/2 de
los sitios intersticiales octaédricos y los cationes A ¼ de los sitios intersticiales
tetraédricos [A]tet[B2]octO4 (espinelas normales). En las espinelas inversas, la mitad de
los cationes B ocupan sitios tetraédricos, dejando al resto de los cationes B y todos los
cationes A en sitios octaédricos [B]tet[A,B]octO4.
Las espinelas magnéticas conocidas como ferritas son comercialmente
importantes y tienen la fórmula MFe2O4, donde M es un catión divalente como el Fe 2+.
Todas son parcial o completamente inversas, probablemente porque el Fe 3+, que tiene
una configuración electrónica d5 de espín alto con una energía de estabilización del
campo cristalino igual a cero en un sitio octaédrico; de aquí que los cationes de Fe 2+
más grandes se van preferentemente a los sitios octaédricos y los cationes de Fe 3+ se
distribuyen tanto en los sitios tetraédricos como octaédricos.
Las ferritas pueden ser antiferromagnéticas o ferrimagnéticas. La ferrita de zinc,
ZnFe2O4, es inversa a temperaturas muy bajas y normal a la temperatura ambiental,
con un arreglo [Fe3+]tet[Zn2+, Fe3+]oct O4. Puesto que hay igual número de iones Fe3+ en
sitios tetraédricos y octaédricos con espines opuestos, el momento neto de los iones
Fe3+ es cero. Como el Zn2+ no tiene momento magnético, la ferrita de zinc tiene
momento global cero, pero es antiferromagnética porque los dos conjuntos de iones
Fe3+ tienen espines antiparalelos en capas alternas.
Además del momento magnético de una ferrita, otros parámetros afectan las
propiedades magnéticas. Estas incluyen la magnetización de saturación, Msat, la
constante magnetostrictiva λs, la permeabilidad P, y la constante anisotrópica
magnetocristalina, K1. La reducción de la anisotropía magnética incrementa la
permeabilidad, la cual es deseable en ferritas comerciales. Un efecto colateral
indeseable es el incremento en la conductividad eléctrica al aumentar el contenido de
Fe2+.
Una gran ventaja de los óxidos ferrimagnéticos, tales como la ferrita de zinc, es que
tienen una alta resistividad y corrientes de eddy casi nulas. En las ferritas, es necesario
asegurarse que todos los Fe estén en el estado de oxidación +3; de lo contrario la
transferencia redox Fe2+ = Fe3+ + e produce una alta conductividad. Por ejemplo, la
magnetita, Fe3O4, que contiene hierros con mezcla de valencia, Fe 2+Fe3+O4, tiene una
conductividad de 102 a 103 S cm-1 a temperatura ambiental. Esta alta conductividad
está asociada con la mezcla de valencia el hierro.
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Prácticas de Química Inorgánica
INVESTIGACION PREVIA
I.
II.
III.
Cálculos para preparar la solución de
 HCl 15%
 H2SO4 a 10%
 BaCl2.2H2O 0.25 M.
Investigar propiedades y toxicidad de los reactivos a utilizar.
Investigar cual es la pruba de sulfuros con BaCl2.
OBJETIVO
Preparar materiales magnéticos con estructuras tipo espinela, uno que tiene una
conductividad casi metálica y otro que no presenta magnetización de saturación.
MATERIAL
Cant.
3
Material
Matraces Erlenmeyer de 100ml
Cant.
1.5 g
3
1
Espátulas
Termómetro de 0-110oC
Reactivos
Sulfato
ferroso
heptahidratado, FeSO4.7H2O
0.539 g Hidróxido de potasio, KOH.
0.522 g Cloruro de bario, BaCl2
1
Barra magnética
2 ml
1
Balanza analítica
3
1
1
Vidrios de reloj
Embudo Büchner
Matraz Kitazato
0.158 g Sulfato de zinc, ZnSO4.7H2O
0.2 ml
Ácido sulfúrico, H2SO4
0.019 g Oxalato
de
amonio
monohidratado
NH4OCOCOONH4. H2O
1
1
1
Parrilla
Probeta de 100 ml
Vaso de 100 ml
0.03 g
Ácido clorhídrico al 15%, HCl.
Agua destilada
Nitrato de potasio, KNO3
Papel pH
Papel filtro
PROCEDIMIENTO
I.
Preparación de magnetita, Fe3O4.
En un matraz Erlenmeyer de 100 ml se disuelve 0.5 g. de FeSO4.7H2O en 10 ml
de H2O. En otro matraz Erlenmeyer de 100 mL se disuelven 0.0151 g. de KNO3 y 0.269
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Prácticas de Química Inorgánica
g. de KOH en 5 ml de H2O. Cada disolución se calienta a 75oC y después se mezclan
con agitación vigorosa. Se forma un precipitado delgado verde gelatinoso. Después de
agitar a 90 ó 100oC por 10 min., el precipitado se convierte en una sustancia negra
densa finamente dividida. Se enfría la mezcla a temperatura ambiente y se vuelve
ácida agregando HCl al 15%. El precipitado se filtra en un matraz Kitazato con papel
filtro de poro medio o fino y se lava con H2O hasta que el agua filtrada dé negativa la
prueba para sulfatos con BaCl2. El producto se seca en una estufa a 110oC durante 1
hr.
II.
Preparación de ferrita de zinc, ZnFe2O4
Se disuelven 0.079 g de sulfato de zinc, 0.5 g de sulfato ferroso heptahidratado y
0.2 ml de ácido sulfúrico en 2 ml de agua en un matraz Erlenmeyer de 100 ml. En otro
matraz se disuelven 0.019 g de oxalato de amonio en 15 mL de agua tibia. Se calientan
las dos disoluciones a alrededor de 75ºC y, mientras se agita vigorosamente, se añade
la solución de oxalato a la solución de sulfato metálico. Agite la mezcla mientras
conserva la temperatura entre 90 y 95ºC durante 5 minutos. El precipitado de oxalato
mixto amarillo se filtra en un embudo de Büchner y se lava con agua hasta que ya no
se pueda detectar el sulfato en el filtrado. El oxalato se seca durante 1 hrs. a 110ºC.
CUESTIONARIO
1. Proponga una reacción para la formación de la magnetita en medio ácido, y otra para
la ferrita de zinc. Calcule el rendimiento obtenido en la síntesis de magnetita y ferrita de
zinc. Muestre todos sus cálculos.
2. ¿Cuál es el momento magnético efectivo esperado? ¿Qué indica este valor acerca
del número de electrones desapareados?
3. ¿Cuál es el estado de oxidación del hierro en la magnetita?, ¿Qué es un óxido de
valencia mixta (mezcla de valencia)?
4. ¿Qué es un material ferrimagnético?
5. ¿Por qué el cloruro de bario para determinar la presencia de sulfatos en las aguas de
lavado y no otra sal, como por ejemplo KCl?
6. ¿Qué compuesto es el sólido amarillo que se forma en la preparación de ferrita de
zinc?
7. ¿Qué reacción ocurre durante el calentamiento a 600-800ºC del sólido amarillo?
BIBLIOGRAFIA
1. A. R. West, Basic Solid State Chemistry, 2nd ed., Wiley, 1999.
2. W. L. Jolly, The Synthesis and Characterization of Inorganic Compounds, 1991.
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Practica 6
PREPARACIÓN DE LA SAL DE MOHR
Antecedentes
La sal de Mohr es un sulfato de hierro y amonio. Primero se prepara FeSO4 por reacción
directa entre hierro metálico y ácido sulfúrico, posteriormente se tratara con (NH 4)2 CO3 dará la
sal de Mohr. Esta sal se obtiene hexahidratada Fe (NH4)2 (SO4)2. 6H2O. Su pureza se
determinará mediante análisis cuantitativo del hierro (II) que contiene.
Investigación previa
1. ¿Qué es la sal de Mohr?
2. ¿Cuáles son los principales usos de la sal de Mohr?
3. Investiga sobre la química acuosa del Fe (II) y la estabilidad relativa de los estados de
oxidación II y III en el hierro.
4. Indica las reacciones que se producen en la preparación de la sal de Mohr.
Objetivos
a) Preparar la sal de Mohr (sulfato de hierro (II) y amonio.
b) Analizar el contenido de hierro por valoración.
Material
1
1
1
1
Erlenmeyer de 125 mL
Bureta
embudo
Barra de agitación
3
1
Erlenmeyer de 250 mL
Papel filtro
Parrilla de agitación y calentamiento
Reactivos
50 mL
10 mL
------
Agua destilada
Ácido sulfúrico concentrado
Permanganato de potásico
0.020 M
hielo
12 g Carbonato de amonio
ácido sulfúrico 1M
5 g Virutas de hierro
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Prácticas de Química Inorgánica
Procedimiento
Mezcla en un matraz Erlenmeyer 50 mL de H2O y 10 mL de H2 SO4 (ácido sulfúrico)
concentrado. El H2 SO4 debe adicionarse al agua poco a poco, resbalando por las pareces y
agitando constantemente. Posteriormente enfriar en agua fría.
Divide la mezcla anterior en dos partes. Coloca la primer muestra en un matraz Erlenmeyer de
250 mL, adiciona 5 g de hierro metálico poco a poco y agita suavemente hasta que cese el
desprendimiento de hidrógeno (puedes calentar suavemente si fuera necesario). La otra
muestra colócala en otro matraz Erlenmeyer de 250 mL, caliéntala y añade lentamente 12 g
carbonato de amonio pulverizado. Posteriormente filtra ambas soluciones por separado, con
previa adición de ácido sulfúrico 1 M a través del papel filtro. Mézclalas inmediatamente y agita
hasta que se enfrié. Toma 25 mL de la mezcla en otro matraz Erlenmeyer de 250 mL y deja
cristalizar enfriando en hielo. Filtra sobre papel los cristales obtenidos y lava con agua fría
(cuida no perder la muestra). Pesa la sal de Mohr obtenida y calcula el rendimiento de la
reacción.
Valoración del hierro de la sal de Mohr
Toma 1 g se sal de Mohr, disuélvela en 10 mL de agua fría y añade 10 mL de ácido sulfúrico 1
M. Posteriormente calienta la muestra a fuego lento y valórala con permanganato potásico
0.020 M (gota a gota) hasta que viré a una coloración violeta persistente sin que desaparezca
al agitar. Tome la medida de los volúmenes gastados en la valoración.
Enseguida adiciona una gotas de disolución de hexacianoferrato (II) de potasio a la disolución
resultante de la valoración de la sal de Mohr con permanganato de potasio. Adiciona también
unas gotas de hexacianoferrato (II) de potasio, sobre otra sal de Mohr recién preparada.
Compara y comenta los resultados.
Reporte de la práctica
1.
2.
3.
4.
5.
¿Cuál sería el rendimiento en la síntesis de la sal de Mohr?
Calcula los moles adicionados de cada sustancia reaccionante.
Escribe la ecuación química del proceso de valoración y ajústela.
¿Cuál es el producto de la reducción del KMnO4?
¿Cuáles son los pesos equivalentes de KMnO4 y de la sal ferrosa con relación a sus
pesos moleculares?
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Practica 8
Malla molecular de Zeolita X
Antecedentes
En los sólidos cristalinos, los átomos tienen una alta densidad de empaquetamiento. En
el diamante, por ejemplo, los átomos de carbono forman una red tridimensional la cual
no permite acomodar a otro átomo o molécula. Sin embargo, en algunos otros sólidos
los átomos se enlazan entre sí formando arreglos con cavidades o túneles donde es
posible hospedar pequeñas moléculas. Estos sólidos microporosos tienen muchos usos
comerciales: por ejemplo, como desecantes para proteger objetos de la humedad,
como componentes de ciertos ablandadores de agua, en la industria de petróleo se
usan como catalizadores en la conversión de fragmentos pesados de aceite a gasolina.
En el presente experimento se estudiara la familia más importante de sólidos
microporosos, las mallas moleculares. Estos sólidos contienen túneles que pasan a
través del cristal: el diámetro típico de esos túneles es de 4 a 10 Å. Algunas moléculas
pequeñas pueden entrar en estos túneles, mientras que moléculas de mayor tamaño
que el diámetro de los túneles no pueden.
En consecuencia estos sólidos
microporosos son llamados mallas moleculares lo que enfatiza que sólo moléculas de
cierta medida pueden pasar a través del interior de éstos sólidos.
Las mallas moleculares más comunes son los aluminosilicatos, una familia de sólidos
que incluye minerales naturales y materiales sintetizados artificialmente. Estos
aluminosilicatos como su nombre lo indica contienen silicio, aluminio y oxígeno, aunque
también pueden contener otros elementos, especialmente metales alcalinos. Cada
átomo de silicio y aluminio están rodeados de cuatro átomos de oxígeno en un arreglo
tetraédrico. Los cuatro átomos de oxígeno de cada tetraedro forman un puente a otro
centro de Si o Al entonces los tetraedros están enlazados compartiendo los vértices.
Los tetraedros pueden arreglarse formando anillos, cadenas, películas o arreglos
tridimensionales:
OO- -O
O- -O
O- O
-O
Si
Si
O
Si
Si
O
O
Las zeolitas se prepara por el calentamiento de un mezcla de silica (SiO2), alúmina
(Al2O3) y un hidróxido en agua. En ocasiones también son usados como material de
partida el silicato de sodio (Na2SiO3) o el aluminato de sodio (NaAlO2). Diferentes
zeolitas se preparan variando la relación de los reactivos, cambiando el orden de
adición de los reactivos, empleando diferentes hidróxidos o cambiando la temperatura o
el pH de la solución.
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Prácticas de Química Inorgánica
La reacción que se usara para la síntesis de la Zeolita tipo X es:
(24-n)SiO2 + nNaAlO2
NanSi24-nAlnO48
Investigación previa
Investigue la toxicidad de los solventes y reactivos que se utilizan en la práctica.
Enliste las aplicaciones que en la actualidad tienen las Zeolitas
Describa las diferentes zeolitas, sus características y usos
Objetivo
Preparar una malla molecular de Zeolita tipo X y verificar el intercambio de iones que
sucede con este tipo de solido microporoso.
Material
Cantidad Material
2
Pipetas de 5 mL
2
2
2
2
1
1
1
1
Cantidad Material
2
crisol
Perilla
Espátulas
Vaso de pp de polipropileno
Probeta de 50 mL
Baño maría
termómetro
matraz bola 50 mL
embudo de decantación
papel filtro
Reactivos
Cantidad
2
1
1
1
1
1
1
1
1
Matraz erlenmeyer 50 mL
Embudo buchner
Papel filtro
Vaso de pp vidrio 250 mL
vidrio de reloj
parrilla de agitación
Lentes de seguridad
matraz kitazato
manguera
Sustancia
7g
Isopropoxido de alumnio
5g
Hidroxido de sodio
Agua desionizada
Silica gel
CoCl2.6H2O
3.0 g
0.1 g
Procedimiento
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La práctica toma al menos 2 sesiones de laboratorio. Todos los experimentos se
deberán realizar en vasos de polipropileno para prevenir el contacto de las soluciones
fuertemente básicas con el vidrio.
I.
Solución 1, Aluminato
En un vaso de precipitado de polipropileno poner 1 g (0.71 mmol) de isopropoxido de
aluminio, 0.3427 g (8.5675 mmol) de hidróxido de sodio y 9 mL de agua desionizada.
Poner un vidrio de reljo cubriendo el vaso para evitar las pérdidas de agua, y calentar la
mezcla a 70ºC en un baño maría, hasta que todos los sólidos estén disueltos y se
observe la formación de un gel claro (no caliente la mezcla a más de 80ºC). Mientras la
solución se calienta prepara la solución 2.
Una vez que los sólidos están disueltos, la solución 1 contiene aluminato de sodio, el
cual es generado por la reacción:
Al(OC3H7)3 + NaOH + 3H2O → NaAl(OH)4 + 3HOC3H7
El isopropanol que se forma durante la hidrólisis del isopropoxido de alumnio se evapora o
forma gotas sobre la superficie del vidrio de reloj. Por lo que no es necesario separar el
alcohol del gel.
II.
Solución 2, Silicato de sodio
En otro vaso de precipitado de polipropileno, poner 0.4281 g (6.4215 mmol) de silica
gel, 0.3423 g (8.55 mmol) de hidróxido de solido en lentejas y 6 mL de agua
desionizada. Agitar la mezcla hasta completa disolución. Esta solución provee la fuente
de silicatos, la cual es la que genera la estructura para el arreglo de la zeolita.
III.
Preparación de la zeolita-X, NanSi24-nAlnO36
Una vez la solución 1 se encuentre a temperatura ambiente entonces adicionar la
solución 2 en esta. Agregar 27 mL de agua y agitar el gel con una espátula hasta que la
mezcla sea homogénea. Inicialmente se observa una mezcla gelatinosa que
rápidamente formara una suspensión de solidos blancos. (No se requiere esperar a que
esto suceda, se puede proceder con el siguiente paso). Transferir la mezcla a un crisol
con vidrio de reloj y colocarlo en el horno a 90ºC.
Es preferible colocar en el horno todas las muestras que se realicen con la finalidad de
minimizar las fluctuaciones de temperatura. Se obtienen mejores resultados si se dejan
las muestras en el horno por 3 - 4 h, sin embargo a las 2 h se puede obtener una
zeolita X cristalina razonable.
Después de 2 – 4 h en el horno, las muestras se enfrían a temperatura ambiente, y la
mezcla se transfiere a un vaso de polipropileno. Adicionar 30 mL de agua desionizada,
mezclar y separar en un embudo de separación (No transferir la mezcla altamente
alcalina al grifo o embudo Buchner; se puede tener contaminación del embudo o del
papel filtro). Lavar los cristales blancos de la zeolita con varias porciones de agua
desionizada de 30 mL hasta que el pH sea neutro. Después dejar secar en el
desacador o en horno por 24 h.
Caracterizar por Infrarrojo en pastillas KBr de 400 a 4000 cm -1.
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IV.
Intercambio de cobalto usando zeolita X (NaX)
En un matraz erlenmeyer disolver 0.1 g de CoCl2.6H2O en 100 mL de agua
desionizada. Adicionar 1 g de NaX, calentar la solución a 55ºC y agitar hasta que el
color rosa de la solución desaparezca. (El tiempo puede variar dependiendo de la
temperatura pero normalmente toma menos de 1 h). Filtrar el precipitado rosa y lave
con dos porciones de 30 mL de agua desionizada y dejar secar al aire. Si es posible
calentar en el horno, una muestra de la zeolita intercambiada con cobalto y el polvo
cambiará de rosa a violeta.
Caracterizar por UV-visible las muestras de la zeolita intercambidad con cobalto antes y
después de calentar en horno.
CUESTIONARIO
1.
2.
3.
4.
¿Cuál es el porcentaje de rendimiento de NaX?
Cual es la interpretación de la caracterización realizada?
Describir cual es el papel del hidróxido de sodio durante la síntesis
Explicar ¿porque es tan importante la estructura única de las zeolitas en el proceso
de catálisis, como en la conversión de metanol a gasolina.
Bibliografía
1. R.J. Angelici, G.S. Girolami, T.B. Rauchfuss, Synthesis and Technique in
Inorganic Chemistry, University Science Books, Sausalito, CA., 1999, 37.
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