Informe: Relaciones de Masa en Procesos Químicos con Cobre

Informe de Relaciones de masa en los procesos químicos
Grupo 6
RELACIONES DE MASA EN LOS PROCESOS QUIMICOS
Sebastian Castillo Castillo ([email protected]), Carlos Daniel Pérez Chamorro
([email protected])
*Laboratorio de Química General, Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y de la Educación, Universidad del Cauca,
Popayán-Colombia.
RESUMEN: Esta práctica tuvó como objetivo comprobar que en los procesos químicos se aplica una de las leyes
fundamentales de las ciencias naturales, la ley de la conservación de la masa de Lomonósov y Lavoisier, la cual se
refiere a que toda reacción química ordinaria dentro de un sistema aislado en términos utópicos, siempre permanece
constante, es decir que no se produce ninguna alteración en esta magnitud física, por tal motivo la masa consumida
en los reactivos resultará ser igual que la masa de los productos obtenidos durante una experimentación, además en
la gran mayoría de reacciones se genera una eficiencia en cuanto al rendimiento de esa reacción para determinar si el
experimento fue exitoso o no. A raíz de lo anterior se inició el desarrollo de la actividad con una socialización del
instructor de laboratorio sobre la temática inicial, luego se realizaron las relaciones de masa y observación de nuevos
productos, los cuales se formaron debido a las reacciones que generó el elemento metálico (Cu) cobre, combinándolo
con otros compuestos como el ácido nítrico concentrado al 69% (HNO 3), agua destilada, bicarbonato de sodio
(NaHCO3), ácido sulfúrico concentrado al 97. 85% (H2SO4) Y Zinc metálico polvo grueso. Todo esto con el fin de
verificar que no se recuperó totalmente el cobre inicial debido a todas las perdidas dadas en la práctica experimental.
1. INTRODUCCIÓN:
La ley de la conservación de la masa elaborada por el
científico ruso Mijaíl Lomonósov y reafirmada por el
francés Antonie Lavoisier permitió dar un gran avance
a nivel de la química y de la ciencia como tal,
estableciendo un parámetro de suprema importancia el
cual dice que: la materia másica ni se crea ni se
destruye solo se transforma, a partir de esta expresión
se concluyó que en una reacción química la masa
involucrada, no tendrá alteración de ningún tipo,
conservándose en el sistema asilado. Sin embargo, un
posible tener este sistema en el universo es muy
complicado, puesto que todo lo que existe en el
cosmos esta conectado por incontables formas, por
ejemplo, la gravedad que ejercen los cuerpos sobre
otros, los planetas, las estrellas, meteoritos y demás
cosas presentes en el espacio exterior interactúan
entre ellos aplicando fuerzas gravitatorias, por tal
motivo la posibilidad de encontrar un sistema aislado
es casi nula, por eso generalmente se habla de
sistemas cerrados, en los cuales se conserva la
materia sin que haya cambios.
Para apoyar esta ley científica, se utilizo una ciencia
llamada estequiometria descubierta por Benjamín
Richter, la cual habla sobre la medición de las
relaciones cuantitativas de masa en una reacción o
proceso químico, considerándola, así como uno de los
pilares en el desarrollo de la química moderna. La
propuesta de Lavoisier fue de tal magnitud e
importancia que hasta la actualidad se sigue su
validez, aplicación y desarrollo. Comprobar y
comprender totalmente esta ley es de gran importancia
ya que sirve de soporte para la realización de un
análisis cuantitativo de la masa o el rendimiento de los
procesos químicos.
En la estequiometria es importante tener en cuenta los
siguientes conceptos para realizar un trabajo
adecuado.
REACTIVO LÍMITE: Un compuesto tiene proporciones
definidas de sus elementos, pero por errores de
cálculo, medición, peso, entre otros factores que
originan que un reactivo pueda limitar la cantidad de
producto formado, no importando la cantidad que haya
de los demás, este reactivo recibe el nombre de limite.
CRISTALIZACIÓN: Proceso donde una sustancia
adopta la forma de sólido cristalino partiendo del
mismo producto fundido de su disolución en un
disolvente apropiado y/o de una fase de vapor sin
pasar por el estado líquido. La cristalización de una
sustancia pura de un solo compuesto componente se
consigue al enfriarse por debajo de su punto de fusión.
RENDIMIENTO DE UNA REACCIÓN: Teóricamente
la reacción se realiza completamente, es decir, el
rendimiento de la reacción es de un 100%, el
denominados producto teórico, pero en realidad de los
procesos químicos el rendimiento es inferior al 100%,
producto real. Existen varias causas para esta
disminución en el rendimiento como son reacciones
incompletas, reacciones secundarias que llevan a otros
productos, entre otros. La formula para calcular el
rendimiento es de la siguiente manera: %rendimiento=
valor real/valor teórico *100%
Por los motivos anteriormente descritos en esta
práctica se trató de evidenciar y de entender que las
relaciones de masa del cobre, en una serie de
reacciones en las cuales se formaron nuevos
compuestos de cobre, partiendo del elemento metálico
y llegando a obtener cobre metálico, en el proceso del
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Práctica 6 – Relaciones de masa en los procesos químicos
Informe de Relaciones de masa en los procesos químicos
desarrollo de la practica se tuvo en cuenta la
estequiometria de las reacciones presentadas y los
cambios generados por la interacción de los
compuestos en distintos procesos como disolución,
calentamiento, decantamiento etc.
Todo esto con el fin de llegar a una idea de compresión
adecuada sobre la ley de la conservación de la masa,
la cual, generó un impacto positivo por todo el mundo,
permitiendo evolucionar a la química y a la ciencia
como tal.
2. METODOLOGÍA:
de nuevo cobre metálico, se separó el sólido del líquido
por decantación, se calentó el liquido hasta la
sequedad sobre la plancha de calentamiento a 325°C
para acelerar el proceso.
8, se dejó enfriar el vaso de precipitado y se lo llevo a
pesar una última vez con el producto seco.
3. CÁLCULOS
ANÁLISIS:
2, Se llevó el vaso de precipitados hacia la campana
de extracción y se agregó poco a poco 0,5 ml solución
de ácido nítrico al 69%, se mezclo suavemente hasta
que se obtuvo una disolución completa del Cu,
liberando un desprendimiento de gas que ceso al poco
tiempo. Se observo el color gaseoso de la sustancia.
RESULTADOS
Y
Tabla 1 peso de vaso de precipitados y cobre
En la práctica se efectuaron los siguientes procesos:
1, Se extrajo aproximadamente 0,1g de cobre, el cual
estaba contenido en un recipiente plástico, los 0,1 g
fueron pesados sobre un vidrio de reloj dentro de la
balanza analítica, esta masa fue depositada dentro de
un Beaker de 50 ml, limpio y seco.
Grupo 6
Beaker de 10ml
Cobre Metálico
PESO(g)
33.298
0.103
REACCION 1. REACCION COBRE Y ACIDO
NITRICO.
𝟑𝑪𝒖 + 𝟖𝑯𝑵𝑶𝟑 → 𝟑𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐 + 𝟒𝑯𝟐 𝑶 + 𝟐𝑵𝑶
3, Dentro de la campana de extracción y sobre una
plancha de calentamiento a 250°C, se calentó la
sustancia hasta que se obtuvo un producto seco, se
retiró el Beaker dejándolo enfriar, posteriormente se lo
llevo a pesar a la balanza analítica.
4, Acabando de finalizar el pesado del producto se
agregó 25 ml de agua destilada dentro del Beaker y se
lo volvió a llevar a la plancha de calentamiento a
250°C, se agitó con una varilla de vidrio hasta obtener
una disolución completa.
5, Se pesó con anterioridad 0,4 g de bicarbonato de
sodio sobre un vidrio de reloj en la balanza analítica,
esta sustancia se la llevo hacia la campana donde se
encontraba el vaso calentándose, inmediatamente se
fue agregando poco a poco con una espátula metálica,
al Beaker que contenía la solución del solido entre
cobre y ácido nítrico más el agua destilada, se agitó
con el barilla de vidrio hasta que se obtuvó un
precipitado, el cual se separó por decantación con
ayuda de un gotero y se lavó con agua destilada sobre
el mismo vaso de precipitados.
En esta reacción se observó el desprendimiento
gaseoso de dióxido de nitrógeno que es un gas café
amarillento sumamente toxico con un olor sofocante,
esto generó un cambio de coloración en la reacción,
debido a que el cobre tiende a ser de color rojizo y el
ácido nítrico es transparente, al combinarlos se produjo
como resultado uno del compuesto del cobre, el nitrato
de cobre Cu (NO3)2, el cual presentó un color verde
azulado, como se observó en la imagen.
REACCION 2.
REACCION COBRE Y ACIDO
NITRICO AL SECO.
𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐 + 𝟐𝑯𝟐 𝑶 + 𝟐𝑵𝑶𝟐
∆
𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐
→
6, Luego, al producto solido que se obtuvó en la
reacción anterior, después de que fue decantando, se
le adiciono 0,2ml de ácido sulfúrico hasta que se formó
una disolución completa, se calentó la solución
obtenida durante un lapso de tiempo.
7, A la última solución se le agrego 10ml de agua
destilada, se agitó nuevamente hasta disolución
completa, después se añadió 0,1g de zinc metálico en
polvo grueso, se volvió a mezclar hasta que se obtuvo
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Práctica 6 – Relaciones de masa en los procesos químicos
Informe de Relaciones de masa en los procesos químicos
REACCION 3. NITRATO DE COBRE
BICARBONATO DE SODIO Y AGUA.
CON
Grupo 6
REACCIÓN 5. SULFATO DE COBRE CON ZINC
METALICO EN POLVO OSCURO.
𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒 + 𝒁𝒏 → 𝑪𝒖 + 𝒁𝒏𝑺𝑶𝟒
𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐 + 𝑵𝒂𝑯𝑪𝑶𝟑 → 𝑪𝒖𝑪𝑶𝟑 + 𝑵𝒂𝑵𝑶𝟑 + 𝑯𝑵𝑶𝟑
REACCIÓN 4. CARBONATO DE COBRE CON
ÁCIDO SULFURÍCO.
𝑪𝒖𝑪𝑶𝟑 + 𝑯𝟐 𝑺𝑶𝟒 → 𝑪𝒖𝑺𝑶𝟒 + 𝑯𝟐 𝑪𝑶𝟑
La formación de nitrato de cobre puede manifestarse
de diferentes formas como nitrato de cobre trihidratado,
hexahidratado, emipentahidratado o anhidro, en este
caso fue anhidro ya que se calentó la sustancia en la
plancha de calentamiento, sin embargo, el compuesto
no se deshidrato completamente.
Se determinó y calculó el rendimiento de la reacción 1
entre el cobre más el ácido nítrico, descrito en la
siguiente ecuación química.
𝟑𝑪𝒖 + 𝟖𝑯𝑵𝑶𝟑 → 𝟑𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐 + 𝟒𝑯𝟐 𝑶 + 𝟐𝑵𝑶
Se necesitó realizar los cálculos estequiométricos
necesarios para obtener el porcentaje de rendimiento
de esta reacción, primero se calculó el valor teórico de
la masa de nitrato de cobre proveniente de la ecuación
química anterior.
𝟏𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝑪𝒖 𝟑 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐
𝟎, 𝟏𝟎𝟑𝒈 𝒅𝒆 𝑪𝒖 𝒙
𝒙
𝟔𝟑. 𝟓𝟒𝒈 𝒅𝒆 𝑪𝒖 𝟑𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔 𝒅𝒆 𝑪𝒖
= 𝟏, 𝟔𝟐 ∗ 𝟏𝟎−𝟑 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔 𝒅𝒆 𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐
𝟏, 𝟔𝟐 ∗ 𝟏𝟎−𝟑 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔 𝒅𝒆 𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐 𝒙
𝟏𝟖𝟕, 𝟓 𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐
𝟏𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝑪𝒖
= 𝟎, 𝟑𝟎𝟑𝒈 𝒅𝒆 𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐
El valor teórico de masa que se espera de la reacción
es de 0,303g de 𝐶𝑢(𝑁𝑂3 )2 .
3
Práctica 6 – Relaciones de masa en los procesos químicos
Informe de Relaciones de masa en los procesos químicos
Posteriormente para seguir con la operación
matemática se restó al peso del Beaker que contenía
nitrato de cobre (33,498g) menos el peso inicial del
Beaker sin el compuesto, (33,298g) con el fin de
obtener el peso del 𝐶𝑢(𝑁𝑂3 )2 experimental.
33,498g-33,298g= 0,200g de 𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐
El porcentaje de rendimiento se refiere al cálculo
estequiométrico para encontrar cuanto se produce de
una sustancia en una reacción química, se espera que
la cantidad que se produce de la sustancia siempre va
a ser menor que la cantidad de la sustancia que se
espera obtener, esto sucede ya que no todo lo que
reacciona se convierte totalmente en producto, es decir
no todo lo que reacciona lo hace en un 100%. Debido
a esto, en estequiometría se incluye el concepto de
porcentaje de rendimiento, el porcentaje de
rendimiento es una reacción química es la relación
entre el rendimiento real y el rendimiento teórico, es
decir, la relación entre los gramos que se producen
realmente en la reacción y los gramos que se
obtendrían si todo lo que reaccionara se transformara
en producto.
RENDIMIENTO DE LA REACCION:
Se utilizó la siguiente formula:
% 𝒓𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒓𝒆𝒂𝒄𝒄𝒊𝒐𝒏
𝒗𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒆𝒙𝒑𝒆𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒍
=
𝒙𝟏𝟎𝟎%
𝒗𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒕𝒆𝒐𝒓𝒊𝒄𝒐
% 𝒓𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 =
𝟎, 𝟐𝟎𝟎𝒈
𝒙𝟏𝟎𝟎% = 𝟔𝟔%
𝟎, 𝟑𝟎𝟑𝒈
Se observó que el rendimiento de esta reacción fue de
un 66% aproximadamente, en la categoría de
eficiencia de las reacciones de 51 a 80 la reacción se
cataloga como buena, quiere decir que en este caso se
realizó una práctica acorde a lo propuesto a pesar de
que no se llego a un rendimiento optimo (de 81 a 100).
RENDIMIENTO DE RECUPERACION DEL COBRE
Se hizo un procedimiento similar para la obtención de
recuperación de cobre, con los siguientes datos.
Peso final del Beaker con el compuesto ya añadido el
zinc y finalizando con la decantación. P= 33,520g
Peso inicial del Beaker limpio y seco. P= 33,298g
Se restó los pesos y se obtuvo el peso final de cobre
Pf= 33,520g-33,298g=0,222g de cobre.
Masa inicial de Cu: 0,103g de cobre
Se aplicó la siguiente formula:
%𝑪𝒖 =
Grupo 6
Aplicando la formula se obtiene.
%𝑪𝒖 =
𝟎, 𝟏𝟎𝟑
× 𝟏𝟎𝟎 = 𝟒𝟔, 𝟑𝟗%
𝟎, 𝟐𝟐𝟐
se recuperó aproximadamente el 46,39% del total del
cobre.
REACTIVO LIMITE EN CADA REACCION:
Reactivo limite entre el cobre y el ácido nítrico:
Utilizando de apoyo la reacción:
𝟑𝑪𝒖 + 𝟖𝑯𝑵𝑶𝟑 → 𝟑𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐 + 𝟒𝑯𝟐 𝑶 + 𝟐𝑵𝑶.
0,103𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑢 𝑥
1𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐶𝑢 8 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑁𝑂3 63𝑔 𝑑𝑒 𝐻𝑁𝑂3
𝑥
𝑥
63,54 𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑢 3 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐶𝑢 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐻𝑁𝑂3
= 0,272𝑔 𝑑𝑒 𝐻𝑁𝑂3
Se observó que para que 0,103 g de Cu reaccionen
completamente solo se necesitó 0,272 g de HNO3, por
lo tanto, no se gastaron 0,500 g de HNO3, el valor
sobrante fue 0,500g-0,272g= 0,228g.
Reactivo limite entre el nitrato de cobre y el bicarbonato
de sodio.
𝑪𝒖(𝑵𝑶𝟑 )𝟐 + 𝑵𝒂𝑯𝑪𝑶𝟑 → 𝑪𝒖𝑪𝑶𝟑 + 𝑵𝒂𝑵𝑶𝟑 + 𝑯𝑵𝑶𝟑
0,303𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑢(𝑁𝑂3 )2 𝑥
𝑥
1𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐶𝑢(𝑁𝑂3 )2
1𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3
𝑥
187,5𝑔 𝐶𝑢(𝑁𝑂3 )2
1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐶𝑢(𝑁𝑂3 )2
84 𝑔 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3
1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3
= 0,135 𝑔 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3
se observó exactamente lo mismo que con la reacción
anterior, para hacer reaccionar 0,303g del compuesto
del cobre que en este caso es el 𝐶𝑢(𝑁𝑂3 )2 , solo se
necesitan 0,135g de bicarbonato de sodio, por lo tanto,
no se gastaron los 0,400g de 𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3, de este
compuesto sobro 0,400g-0,135g= 0,265g.
A partir de los anteriores las operaciones
estequiométricas realizadas, se comprobó que el
reactivo limite en las reacciones fue el cobre y sus
compuestos, por lo que nos llevó a postular que, para
las otras dos reacciones siguientes el reactivo limitante
seguirá siendo los compuestos de cobre o el cobre
como tal.
ANALISIS: En la primera reacción se evidenció que,
al añadir ácido nítrico, al cobre interactuaron entre si
desprendiendo dióxido de nitrógeno en forma de gas,
el cual tenía un color café amarillento, siendo este
compuesto un
𝒈 𝒊𝒏𝒊𝒄𝒂𝒍𝒆𝒔 𝒅𝒆 𝑪𝒖
× 𝟏𝟎𝟎.
𝒈 𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍𝒆𝒔 𝒅𝒆 𝑪𝒖
4
Práctica 6 – Relaciones de masa en los procesos químicos