UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA QUÍMICA GENERAL MANUAL DE LABORATORIO BARANQUILLA 2000 INTRODUCCION El objetivo principal para el cual se emprendió la tarea de elaborar un Manual de Laboratorio, fue el de proporcionar al estudiante de Química General, un conocimiento básico que le permita iniciarse en el estudio de la asignatura en forma experimental. El Manual está concebido para el Laboratorio de Química General que corresponde a los semestres básicos del campo científico metodológico de los planes de estudio de Ingenierías, Licenciatura en Ciencias Naturales, Biología, Química y Farmacia, Física y Química. Están diseñadas para que el estudiante, pueda familiarizarse con los equipos y materiales de uso común en los laboratorios y reactivos, adquiera la habilidad y destreza en el manejo de los mismos, practique las técnicas de laboratorio, encarando su labor con un criterio analítico y no solo con la curiosidad de comprobar fenómenos. Para su manejo se sigue la siguiente metodología.: Presenta una información general de las normas de seguridad en los laboratorios. Instrucciones para la presentación del informe de Laboratorio. Instrucciones para el cuaderno de notas del Laboratorio. Cada práctica tiene un título, sus objetivos, una información básica de la teoría a tratar en la misma, el procedimiento que debe seguir, datos, cálculos, preguntas en algunas se dan recomendaciones. Al final del manual se han colocado una serie de dibujos del material de laboratorio que usaremos en las diferentes prácticas, así como tablas y anexos que complementan la información del mismo. 1.- NORMAS GENERALES DE SEGURIDAD PARA TRABAJAR EN EL LABORATORIO DE QUIMICA. El trabajo en el laboratorio es una actividad interesante no solo por lo que se puede aprender dentro de él, sino también por la oportunidad que tenemos de desarrollar en forma práctica nuestros conocimientos teóricos, pero para ello es necesario conocer algunos riesgos que se pueden presentar en el mismo y que por lo tanto debemos tener precauciones. Para ello existen algunas normas generales en las cuales debemos poner atención y ser responsables del trabajo que estamos realizando, estas son importantes y decisivas en el éxito del trabajo del mismo. La siguiente lista de precauciones y cuidados le advierte sobre peligros que son frecuentes en el Laboratorio: Debe conservar el lugar de trabajo limpio y seco. Leer con antelación a la práctica, la técnica a seguir y planear la realización de la misma. Anotar datos y resultados en un cuaderno de notas de cada práctica de Laboratorio. Leer las etiquetas con cuidado para usar el reactivo en forma correcta. Los reactivos sólidos se deben manejar con una espátula, los líquidos corrosivos o nocivos con pipetas adheridos a una bomba de succión. Lavar con antelación los materiales de vidrio a utilizar y al finalizar dejarlos limpios. El estudiante debe saber en dónde se halla el equipo de seguridad y de primeros auxilios. En caso de tener contacto de una sustancia corrosiva con la piel u ojos, debe lavarse la parte con suficiente agua, e informar al profesor o instructor de laboratorio. No saboree sustancias químicas; no huela directamente los vapores, para hacerlo ahueque la mano y llévese una pequeña muestra de vapor a la nariz. Al calentar una sustancia coloque la salida de los vapores hacia una parte donde no cause daño a usted o sus compañeros. No deje abiertas las llaves del gas sin que el mechero correspondiente esté encendido. No las debe forzar. No introduzca tubos o varillas de vidrio en tapones sin antes lubricarlos con agua o vaselina en el orificio de estos. No usar material de vidrio roto o sentido. Nunca utilice sustancias sin rótulo o desconocidas. Use siempre la bata de laboratorio en forma correcta. No utilice material de otro grupo de trabajo pídalo al profesor o ayudante del mismo. Si rompe algún material favor avisar al profesor o monitor, este debe ser repuesto en el laboratorio siguiente Está prohibido fumar o ingerir alimento dentro del laboratorio. No caliente probetas, pipetas, buretas, matraces aforados, ya que se rompen fácilmente. No cargue recipientes de reactivos para su mesa en especial los grandes; déjelos en el sitio que le asignó el profesor. No retorne los sobrantes de los reactivos a los frascos de origen ya que puede contaminarlos; para evitar tener residuos de reactivos, tomar pequeñas cantidades de las sustancias con las cuales trabaja. Al utilizar las espátulas mirar que estén secas y limpias. Tape los reactivos cuando los haya utilizado, ya que la humedad y gases del medio lo contaminan, o puede algún estudiante derramarlo. Arrojar los residuos sólidos a las canecas de la basura y mantenga limpio el sumidero de los vertederos de estos residuos. Coloque los recipientes de vidrio de tal manera que no se puedan romper, lo mismo para los recipientes en donde están los reactivos. 1.1. ANTIDOTOS DE VENENOS. ACIDO ACETICO: Eméticos, leche de magnesia, tiza, jabón, aceite. ARSENICO: Leche, huevo crudo, aceite dulce, agua de cal, harina y agua. MONOXIDO DE CARBONO: Colocar al paciente donde haya aire fresco, solicitar para aplicar Oxígeno con un motor para pulmones, aplicar respiración artificial por lo menos una hora hasta que llegue el equipo para suministrar Oxígeno. Inhalación de amoníaco o nitrato de Amilo. CLOROFORMO: Baño con agua fría en cabeza y pecho, respiración artificial. ETILENO: Lo mismo que para el monóxido de carbono. ACIDO HIDROCIANICO: Peróxido de hidrógeno, respiración artificial, respirar amoníaco, sulfato ferroso seguido por carbonato potásico, eméticos, abrigar bien. YODO: Eméticos, lavado de estómago, comidas almidonadas en abundancia, tiosulfato de sodio. ACETATO DE PLOMO: Eméticos, lavado de estómago, sodio, potasio o sulfato de magnesio, leche, albúmina. NITRATO DE PLATA: Sal y agua. ACIDO CLORHIDRICO: Magnesia, carbonatos alcalinos, albúmina, hielo. ACIDO NITRICO: Lo mismo que para el ácido clorhídrico. ACIDO FOSFORICO: Lo mismo que el anterior. HIDROXIDO DE SODIO O POTASIO: Vinagre, jugo de limón, jugo de naranja, aceite, leche. ACIDO SULFURICO: Lo mismo que para el ácido clorhídrico, además jabón o aceite. QUEMADURAS CON REACTIVOS QUIMICOS: Lavar tan pronto sea posible con grandes cantidades de agua. QUEMADURAS CON ACIDOS: Lavar con agua, procurar agua de cal más aceite de linaza crudo mezclado en proporciones iguales o con una mezcla de bicarbonato de soda y agua de jabón espumoso y aplicar libremente. QUEMADURAS CON ALCALIS: Lavar con grandes cantidades de agua, neutralizar con vinagre débil, jugo de cidra o limón. Para quemaduras fuertes en la vista, lavar con solución débil de vinagre o aceite de oliva o con soluciones saturadas de ácido bórico. QUEMADURAS CON BROMO: Colocar solución fuerte de tiosulfato de sodio hasta que todo el color del bromo desaparezca, luego lavar el tiosulfato de sodio con bastante agua. 1.2.-CUADERNO DE NOTAS. El Laboratorio de Química general es una actividad de aprendizaje de técnicas y a la vez forma al estudiante en el manejo de los materiales, reactivos y equipos que necesita para desarrollar las prácticas que se requieren para su aprendizaje. Por esto es necesario e importante que el estudiante haya leído y estudiado la práctica con anterioridad y si tiene dudas pueda investigar en la Biblioteca o con otros compañeros lo que no entienda con solo leer la técnica que se les entrega. Algunas investigaciones llevadas a cabo por científicos han perdido su credibilidad por no tener en sus manos unas hojas o un cuaderno de notas donde se pueda corroborar lo que se hizo en el Laboratorio, para ello es necesario que los estudiantes lleven un cuaderno en donde puedan consignar todos los datos hallados en la experiencia y luego puedan compararlos con los compañeros. Este medio permite al estudiante organizar su pensamiento ya que en el están consignados todos los datos de la experiencia, en el podrán mirar si la experiencia realizada les resultó como querían o no. Estos datos deben estar en orden de tal manera que otro estudiante pueda entender y utilizar estos para sus cálculos. Aquí mencionaremos algunas reglas que deben seguir para las anotaciones del Laboratorio. Utilice cuadernos de pasta dura. No arranque hojas, numérelas y escriba siempre con tinta. No borre nada, si se equivocó, tache con una cruz, y luego proceda a realizar los nuevos cálculos. De tal manera que se pueda leer lo anteriormente hecho. Haga anotaciones concisas y completas, en forma ordenada, clara y legible. No deje espacios en blanco. Antes de entrar al Laboratorio analice el trabajo a realizar. Llene la hoja de datos de cada experiencia y asegúrese que las cantidades están bien escritas. Haga los cálculos que le ayudarán a verificar la consistencia de sus datos. Trabaje con orden y limpieza. Si la libreta se le mancha accidentalmente, es algo normal en un Laboratorio. 1.3.- EL INFORME DE LABORATORIO. Cualquier investigador, está obligado a presentar un informe del tema investigado. Todo informe de laboratorio debe llevar las pautas de un escrito científico. Los pasos a seguir para presentar un informe de Laboratorio o un informe científico son los siguientes: El título. La información básica, es decir un resumen de la teoría en que está fundamentada la investigación a realizar. El método a seguir para realizar la experiencia o la investigación. Esto debe ser resumido. Datos y resultados. Este comprende dos partes: a.- Datos primarios. b.- Datos secundarios o resultados. Discutir o analizar los resultados. Dar recomendaciones y conclusiones de la experiencia . Bibliografía. CONTENIDO Página 1. Uso del Mechero y Trabajo en vidrio.......................................................... 1 2. Relaciones entre masa y volumen................................................................ 5 3. Transformaciones de la materia.................................................................. 11 4. Tipos de Reacción......................................................................................... 15 5. Porcentaje de Oxígeno en el Clorato de Potasio........................................ 18 6. Proporciones definidas y Múltiples............................................................. 21 7. Determinación de la Estequiometría de una Reacción Química.............. 24 8. Determinación de la fórmula de una sal hidratada.................................... 28 9. Ley de Charles............................................................................................... 31 10. Peso molecular de un líquido vaporizable.................................................. 35 11. Volumen molar de un gas.............................................................................. 39 12. Soluciones...................................................................................................... 43 13. Determinación de la curva de solubilidad,................................................... 46 14. Propiedades Coligativas................................................................................ 48 15. Calor de Reacción.......................................................................................... 51 16. Equilibrio Químico......................................................................................... 57 17. Neutralización................................................................................................. 60 18. Punto de equivalencia entre una base y un ácido...................................... 65 19. ¿Cuánta presión se necesita para formar las palomitas de maíz.............. 67 20. Identificación de un desconocido................................................................. 69 21. Actividad de laboratorio para distinguir entre dos sales usando métodologías sencillas............................................................................................... 71 22. Ley de Boyle................................................................................................... 72 1 EXPERIENCIA N° 1 USO DEL MECHERO Y TRABAJO EN VIDRIO 1.- OBJETIVOS. Conocer el mechero, la llama y las zonas de calentamiento. Demostrar habilidad con el manejo del vidrio en cuanto a corte y doblado de tubos de vidrio 2.- INFORMACION BASICA. La fuente primaria de calentamiento en el Laboratorio son los mecheros (Fig. 1) utilizando el gas natural como medio de combustión. De los mecheros utilizados en el Laboratorio, el que más se utiliza es el Bunsen, el cual consiste de un tubo para la entrada del gas (A), por un orificio pequeño a una cámara de mezclado con aire (B), la cual mediante un anillo (C), es posible abrir o cerrar, para regular el paso del aire de acuerdo a la necesidad. La cámara (B) se prolonga en un tubo separable (D), de 10 – 12 cm de longitud, del cual sale una llama cónica. Cuando la llama está bien regulada (Fig. 2b), es posible distinguir dos zonas; la externa que es la zona de Oxidación (O), de color Violeta pálido y la interna que es la zona de Reducción (R), de color azul pálido, el punto (P) es la parte más caliente de la llama. Los objetos que deseamos calentar se deben colocar en la parte de arriba de este punto. Para obtener una llama excelente deje penetrar el aire, ya que el gas es una mezcla de hidrocarburos que al quemarse se combinan con el oxígeno del aire, formando agua, monóxido y dióxido de carbono, desprendiendo energía calorífica. El monóxido de Carbono se forma cuando la combustión es parcial. CH4 (g) + O2 (g) ----------- C (s) + 2 H2O (g) 2 CH4 (g) + 3 O2 (g) ---------- 2 CO (g) + 4 H2O (g) CH4 (g) + 2 O2 (g) --------- CO2 (g) + 2 H2O (g) El vidrio es una sustancia dura, de brillo especial, frágil, insoluble y maleable a altas temperaturas, es un líquido superenfriable de gran viscosidad. La apariencia física del vidrio es la misma frío o caliente, por eso esté atento a la manipulación del mismo. 3.- MATERIALES Y REACTIVOS. Mecheros Bunsen. Tubo de vidrio. 50cm x2 mm Alfiler. Lima triangular. 4.- PROCEDIMIENTO Cartulina. Pinza para crisoles. Cerillas Fuente de gas. 2 Mecheros. Desarme el mechero y observe con cuidado sus partes. (ig. 1b) Arme nuevamente el mechero y una el tubo de goma a la tubería de distribución de gas. Cierre la cámara (B) con el anillo (C). Prenda un cerillo y abra la llave del gas y enciéndalo. Con el anillo (C) regule la entrada del aire y ajústelo hasta obtener una llama azulada. Si tenemos exceso de aire la llama será de color amarillo pues no hay combustión completa, dejando depósitos de carbón. Cuando el mechero está bien ajustado se observa una llama azul en la boca del mechero. Introduzca rápidamente por espacio de 2 ó 3 segundos una lámina de cartulina. En forma horizontal. Sobre la llama. En forma vertical sobre la llama. En forma vertical en el interior. En forma horizontal en el interior. Introduzca en la zona de reducción de la llama un tubo de vidrio y encienda el gas que sale por la parte superior. Levántelo lentamente y cuando cese la combustión marque esta posición en la fotografía de las láminas anteriores. Introduzca un cerillo fijado cerca de su cabeza con un alfiler con el mechero apagado y luego encienda el mechero sin encender el cerillo. Levante con la pinza el alfiler al cono superior. Mirar qué sucede? Por qué? Qué conclusiones puede sacar? Con la entrada de aire completamente cerrada sostenga con una pinza para crisoles un tubo de vidrio en la parte superior de la llama, hasta que además de humedad, se observe un deposito en el vidrio. ¿Qué se condensa en el vidrio? Explicar la luminosidad de la llama. Manejo de Vidrio. El calor torna maleable al vidrio y el secreto para trabajarlo está en el calentamiento del mismo en forma eficiente. Colocar el vidrio sobre la mesa de trabajo. Hacer una incisión fina con la lima triangular, alrededor del tubo. (Fig. 3ª) Coger el tubo con ambas manos presionar con los pulgares colocados debajo de la incisión. (Fig. 3b) Si con el jalado y una presión moderada no se parte el tubo, vuelva a repetir los pasos anteriores, mojando el tubo. Pulir los extremos de los tubos, si calienta demasiado este tiende a cerrarse, para evitar esto se introduce una punta de grafito para ensanchar la boca del tubo. Para doblar el vidrio se calienta uniformemente el tubo haciéndolo girar simultáneamente (Fig. 4ª) hasta que empiece a ablandarse. Se observa una llama de color amarillo debido al sodio que contiene el vidrio. Cuando el tubo se ablande (no dejar que se doble) retírese de la llama y hágase el codo deseado. El codo debe quedar uniformemente curvado sin ninguna zona 3 aplanada o retorcida. (Fig. 4b) No toque el vidrio caliente con los dedos. No coloque el vidrio directamente sobre la mesa. 4 5 5.- PREGUNTAS. . De los nombres de dos mecheros diferentes al utilizado en el Laboratorio e indique las diferencias. Dibuje el mechero utilizado y dé el nombre de sus partes. Cuál es la composición del gas natural usado? Escriba sus reacciones. Dibuje la llama y sus partes, indique las temperaturas de las diferentes zonas de la llama, de acuerdo con el mechero. Cuál es la composición del vidrio?. Doblar un tubo en ángulos de 90 grados, cada brazo debe tener 5 cm, otro en ángulo de 45 grados, y otro en ángulo de 135. Cerrar por un extremo uno de los tubos de 15 cm de longitud. El contacto con la llama del mechero el vidrio emite una llama de color amarillo debido al sodio que contiene. Dé una explicación de este hecho. ¿Qué se entiende por materiales de tipo refractario y no refractario? ¿Cuáles se pueden calentar directamente sobre la llama del mechero? 6 EXPERIENCIA N° 2 RELACIONES ENTRE MASA Y VOLUMEN. 1.- OBJETIVOS. Manejo de la Balanza y su uso en la determinación de la masa de las diferentes muestras a trabajar. Utilizar el material de vidrio para la medida de volúmenes. Utilizar estos datos para hallar la densidad de estas sustancias e identificarlas pro medio de ella. 2.- INFORMACION BASICA. ¿Qué observa usted al colocar un corcho en un vaso de precipitado con agua? ¿Cuál es la razón por la que el corcho flota en la superficie del agua? ¿Qué se observa al colocar un tornillo de hierro en el vaso de precipitado con agua? ¿Porqué algunos objetos flotan en el agua y otros no? La densidad de una sustancia está relacionada con el volumen y la masa de la sustancia entre más alta o menos alta es la densidad de un objeto este puede o no flotar en al agua. La masa de una sustancia puede ser medida, mas sin embargo la identidad de la misma no se puede determinar con ella, tampoco podemos identificar la sustancia midiendo su volumen, en ambos casos cuando varía el tamaño de la muestra variará el volumen o la masa de la sustancia. Sin embargo la densidad de la sustancia permanecerá constante ya que es independiente del tamaño y el modelo de la sustancia. La densidad es una propiedad característica de la materia; es una propiedad intensiva que depende de dos propiedades extensivas. La expresión matemática para la densidad se muestra en la ecuación siguiente: Densidad = masa/ volumen ó D = M/ V La densidad de un líquido, una solución o un sólido puede tener las unidades de gramos por centímetros cúbicos. g /cm3 o g / ml Para hallar la densidad de una sustancia en el Laboratorio es necesario hallar los siguientes datos: Medir la masa de la muestra. Medir su volumen. La masa de una sustancia se mide en una balanza (Fig. 1). Si es un líquido, el volumen se mide en una probeta. Para las sustancias sólidas, el volumen se halla midiendo el volumen del líquido desplazado por la muestra, si el sólido es regular podemos hallar su volumen matemáticamente. Estos datos se usan para hallar la densidad de la muestra problema. En esta experiencia usted determinará la densidad de una sustancia, midiendo su masa y su volumen varias veces para hallar un promedio de los mismos. Consultando una tabla de referencia usted usará la densidad calculada para determinar que sustancia es. 7 El profesor o instructor indicará e ilustrará el procedimiento a seguir en el manejo y utilización de la balanza. 3.- MATERIALES Y REACTIVOS. Vaso de precipitado. Probetas Balanzas Muestras de material. Papel milimetrado. Regla. 4.- PROCEDIMIENTO. Medida de la masa. Registre la identificación del número de la muestra de la sustancia asignada sobre la hoja de datos. Registrar las medidas de masa en la Tabla I de la hoja de datos. Medir la masa de la muestra con una aproximación de 0.01 g y anotarla en la hoja. Quite la muestra de la balanza. Coloque la balanza en cero. Repita el procedimiento 2 y 3 veces. Medida de volumen. Anote todas las medidas del volumen en la Tabla II de la hoja de datos. Coloque suficiente agua en la probeta de 100 ml para cubrir la muestra. Mida y anote el volumen de agua con una aproximación de 0.5 ml Introduzca cuidadosamente la muestra en la probeta. Mida y anote el volumen de la muestra más agua. Repita el procedimiento varias veces. 5.- CALCULOS. Promedie los datos de masa para cada muestra de la sustancia dada. Escriba el promedio de la masa en la Tabla I. Promedie los datos de volumen para cada muestra de sustancia dada, escriba el promedio en la Tabla II. Grafique en una hoja de papel milimetrado el promedio de la masa en gramos sobre la ordenada y el promedio del volumen sobre la abscisa. Calcular la pendiente de la curva, esta es una proporcionalidad constante o la densidad de la sustancia. Sobre la base de la densidad buscada sugerir la identidad de la muestra dada. 8 6.- PREGUNTAS. Dos muestras metálicas una de las cuales fue conocido para ser plomo denibelizado. La primera muestra tiene una masa de 7.60 g y desplazó 0.90 ml de agua. La segunda muestra tiene una masa de 8.40 g y desplaza un volumen de 0.74 ml de agua. Cuál de las muestras tiene plomo? Una muestra de forma esférica de masilla insoluble en agua pesó 10.51 g y cuando se colocó en agua desplazó 8.50 ml. Cuál es la densidad de la masilla? La masilla fue elongada por balanceo a una forma diferente a la esfera original. ¿Cuántos ml de agua serán desplazados colocando la masilla alargada en el agua? ¿Cuál sería la masa de un cubo de plomo de 1.0 cm de arista? La densidad del oro es 19.3 g/ml Cuál sería la masa de un cubo de oro de 1.0 cm de arista? ¿ Qué volumen de agua desplazaría?. ¿por qué no se deben pesar sustancias directamente sobre el platillo de la balanza? Cuando se pesan objetos calientes sobre el platillo de la balanza se obtiene una masa algo inferior a la que posee el objeto frío. Lo anterior ocurre debido a las corrientes de convección. ¿Qué se entiende por corrientes de convección? ¿En qué consiste el error de paralaje?. Los líquidos contenidos en recipientes de estrecha capilaridad muestran en su parte inferior un menisco ¿Cuál es la razón por la que el menisco del mercurio sea contrario al resto de otros líquidos? Explique. Elabore una lista de material de vidrio: a) volumétrico : graduado y aforado. b) no volumétrico: refractario y no refractario. Elabore una lista de material de porcelana: refractaria y no refractaria. Elabore una lista de materiales metálicos. 9 10 TABLA DE DATOS EXPERIENCIA :_________________________ FECHA: _______________ ALUMNOS: ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ DATOS DE MASAS: DETERMINACIÓN Masa (g) MUESTRA 1 2 3 Promedio 1 2 3 4 MEDIDA DE VOLUMENES: DETERMINACIÓN Volumen (ml) MUESTRA 1. 1 Agua + muestra Agua Muestra 2 3 Promedio 11 EXPERIENCIA Nº 3 TRANSFORMACIONES DE LA MATERIA 1.-OBJETIVOS. Ilustrar por medio de la observación de algunos fenómenos, las características de los cambios físicos y de los cambios químicos, que ocurren en la materia. Identificar el tipo de proceso que ocurre en cada una de las actividades determinando igualmente los cambios en las propiedades de cada uno de los ensayos. 2.- INFORMACION BASICA. Nuestra comprensión de la naturaleza y la composición de la materia, están íntimamente ligadas con la comprensión actual de la gran variedad de cambios que experimentamos o que vemos a nuestro alrededor, por ejemplo: La sal de cocina disuelta en agua, la ignición de la madera, el doblaje del cobre, la trituración del hielo, el hierro enmohecido, la dinamita en explosión, la quema de petróleo, etc. La ocurrencia de esta variedad de cambios o alteraciones en la naturaleza se denomina fenómenos. Los fenómenos suceden cuando en una sustancia se produce alguna alteración en sus propiedades. Por ejemplo: la mezcla no uniforme de azufre en polvo (sustancia que no es atraída por un imán), con limaduras de hierro (sustancia que es atraída por un imán), es un fenómeno, debido a que los estados de agregación originales propios de las dos sustancias se han alterado. Existen fenómenos físicos y químicos. Son fenómenos físicos o cambios físicos los que se llevan a cabo sin la formación de nuevas sustancias es decir, sin alterar la composición química, por ejemplo: la mezcla de azufre en polvo con limaduras de hierro; el paso del agua de la fase líquida a la fase gaseosa (cambio de fase). No se producen nuevas sustancias, pues cada una de ellas conserva su naturaleza. Son fenómenos químicos o cambios químicos los que se llevan a cabo con la formación de nuevas sustancias es decir, alterando la composición química. También se les llama procesos químicos o reacciones químicas, por ejemplo: el producto resultante de un fuerte calentamiento de la mezcla de limaduras de hierro y azufre en polvo; la dinamita en explosión. Se han producido nuevas sustancias, pues los productos obtenidos poseen propiedades diferentes a las sustancias originales o de partida. Los fenómenos químicos (cambios químicos, procesos químicos, transformaciones químicas o reacciones químicas), generalmente van acompañados por cambios visibles, como: Formación de coloración Cambio de coloración 12 Desprendimiento de un gas. Formación de precipitado Absorción de calor o luz (energía) Desprendimiento de calor o luz (energía) 3.- MATERIALES Y REACTIVOS. 1 Mechero 1 Espátula 1 Cuchara de combustión 4 Tubos de ensayo 1 Pinza para tubo de ensayo 1 Pinza metálica 1 Tubo capilar de vidrio 1 Pipeta de 10 ml 1 Triángulo de alambre de soporte 1 Tapa de crisol o una cápsula pequeña de porcelana. Varilla de agitación 1 Trípode o aro de hierro 1 Gradilla 1 Vaso de 50 ml Cinta de Magnesio Cinc en granallas Cobre en cristales Agua Ácido Clorhídrico (diluido) Estaño en cristales Cloruro de sodio Ácido oxálico Sulfato de cobre hidratado Solución 1,0M de carbonato de sodio Solución 1.0 M de cloruro de calcio Cerillas 4.- PROCEDIMIENTO 1. a.- Tome 8 cm de cinta de magnesio y sujétela con la pinza metálica por un extremo; caliente directamente con el mechero. Observe y registre lo ocurrido. b.- Realice el mismo procedimiento anterior, pero con un capilar de vidrio. Observe y registre lo ocurrido c.- Tome unos cristales de cobre o estaño con una espátula y colóquelos en una cuchara de combustión, limpia y seca. Caliente unos minutos; enfríe y agregue una gotas de agua; caliente de nuevo. ¿Qué ocurre?. Registre lo observado. d.- Repita el procedimiento anterior, pero utilizando cloruro de sodio o sal común. 2. a.- En un tubo de ensayo coloque el contenido de una espátula de sulfato de cobre hidratado y agregue agua hasta la mitad del tubo. El contenido del tubo de ensayo se agita con la varilla de agitación hasta disolución completa de la sal agregue una granalla de zinc. Observe lo que ocurre a la solución y a la granalla en el transcurso de la experiencia. b.- Tome una granalla de cinc con una espátula limpia y seca; introdúzcala en un tubo de ensayo; luego, con la pipeta, agregar 2 ml de ácido clorhídrico diluido. Registre las observaciones. 3. a.- Tome ácido oxálico en una espátula y deposítelo en un tubo de ensayo. Sujételo con una pinza para tubo de ensayo por su parte superior y, agitando 13 suavemente, caliente la parte inferior del tubo sobre la llama del mechero. Cuando el ácido oxálico empiece a fundirse disminuya el calor, hasta que todo el sólido se haya fundido. Observe las características del líquido. b.- Deje el líquido en el tubo de ensayo y permita que se enfríe en el ambiente. Observe el proceso de solidificación a medida que el líquido se va enfriando. Observe las características del sólido cuando la solidificación haya concluido. c.- En la tapa invertida de un crisol, o en una cápsula de porcelana, colocada encima de un triángulo de alambre sobre un trípode o anillo de hierro, coloque el contenido de dos espátulas de ácido oxálico. La tapa o cápsula se calienta con el mechero hasta que el sólido se haya fundido y se haya calentado aún más. Entonces, se pone en contacto la llama del mechero, o de una cerilla, directamente con la muestra fundida, para que ésta se encienda. Cuando esto suceda observe el proceso de combustión y sus características. Efectúese en campana de extracción. 4. a.- Agregue en un tubo de ensayo solución de carbonato de sodio 1.0M, aproximadamente la cuarta parte. A otro tubo de ensayo de tamaño idéntico al anterior agregue hasta la cuarta parte solución de cloruro de calcio 1,0M. Observe la apariencia de las soluciones. Vierta las soluciones en un vaso de 50 ml y agite un poco con la varilla de vidrio. Observe los resultados. Guarde esta mezcla para la parte siguiente. b.- Agregue hasta la mitad en un tubo de ensayo idéntico a los anteriores, ácido clorhídrico diluido o ácido muriático. Vierta la solución de este tubo sobre la mezcla contenida en el vaso de 50 ml de la sección a, agite un poco con la varilla de vidrio. Observe los resultados. 5. CUESTIONARIO. 1) Teniendo en cuenta cada una de las actividades realizadas y con base en las observaciones hechas, clasifique cada caso como un cambio físico o un cambio químico. En cada caso explique sus razonamientos. 2) ¿Qué propiedades cambian en cada caso? Establezca diferencias físicas, químicas o generales. 3) Diga si cada una de las transformaciones ocurridas en los procesos siguientes, implica un cambio físico o un cambio químico. Un huevo se hierve hasta quedar duro, luego se descascara. Un huevo cocido se rebana, se come y se digiere. Se inyecta gasolina en un carburador, se mezcla con aire, se convierte la mezcla en vapor, se quema, y los productos de la combustión se expanden en el cilindro. La fermentación de la leche para producir yogur, kumis. La pulverización de la leche y posterior mezcla con azúcar de caña. La aplicación de agua oxigenada en una herida de la piel. La respiración efectuada por los seres humanos. Una mezcla hidro alcohólica con expansión volumétrica. La acción de la orina sobre un clavo de hierro expuesto al aire. 14 La introducción de un anillo de oro en agua regia. Una solución de ácido sulfúrico en agua con concentración volumétrica. Un incendio forestal en los bosques colombianos. La dilatación de una varilla de cobre y posterior deformación. La acción de la luz solar sobre las plantas. Fermentación del jugo de uva para producir vino; destilación del vino para obtener brandy. Fermentación del jugo de caña diluido para obtener la mezcla de la cual se obtiene el aguardiente. Pasar de bailar salsa a bailar bolero. 4.- Complete la siguiente tabla de acuerdo al tipo de cambio ocurrido en los ensayos realizados. SUSTANCIAS Cinta de magnesio Capilar de vidrio Cinc y ácido Cobre o estaño Sal común Sulfato de cobre y cinc Calentamiento de ácido oxálico Contacto de ácido oxálico con la llama del mechero Mezcla de soluciones de carbonato de sodio y cloruro de calcio CAMBIO FISICO CAMBIO QUIMICO EXPERIENCIA Nº 4 TIPOS DE REACCION QUIMICA 1.- OBJETIVOS. CAMBIO NUCLEAR 15 Predecir como reaccionarán las sustancias en contacto en cada ensayo. Establecer a qué tipo de reacción corresponde cada ensayo. Identificar cuál de los tipos de reacciones empleadas se llevan a cabo por transferencia de electrones. Señalar la evidencias o manifestaciones que demuestran que en efecto ocurrió un cambio químico. 2.- INFORMACION BASICA. La REACCION QUIMICA se concibe como proceso en el cual dos o más sustancias o compuestos interaccionan para dar origen a otras con propiedades diferentes y características. El fenómeno puede darse por ruptura y formación de nuevos enlaces. Existen algunas manifestaciones que evidencien la realización del fenómeno, tales como el enfriamiento, la liberación de calor, la producción de gases, cambios de color, formación de precipitados, cambios en las propiedades organolépticas y otras más. Muchos autores concuerdan en clasificar las reacciones químicas en cuatro tipos sencillos a saber: Reacción de combinación, síntesis o adición. Reacciones de descomposición Reacciones de doble descomposición, intercambio o metástasis. Reacciones de desplazamiento o sustitución sencilla. Algunos autores incluyen las reacciones de Neutralización como un quinto tipo. La verdad es que cualquiera que sea la forma como transcurra la reacción, todos los tipos antes citados pueden agruparse en dos grandes categorías: Reacciones con transferencia de electrones Reacciones sin transferencia de electrones. Sugiérase al estudiante consultar cada clase de reacción antes del desarrollo de la práctica. 3.- MATERIALES Y REACTIVOS. Tubos de ensayo Cerillas Tubos de ensayo con tubuladura lateral Oxido de calcio Vasos de precipitado Fenolftaleina Espátula Tiras o granallas de zinc Pipetas de 5 ml Limaduras de hierro Balanza Carbonato de calcio Cuchara metálica Ácido clorhídrico Concentrado Mechero Ácido sulfúrico Solución 10% p/V Ácido nítrico 10%P/V Sulfato cúprico pentahidratado 10% P/V Pitillos Agua destilada 16 Manguera Tapón de caucho perforado Pinzas para tubos Tubos de vidrio en U. Sulfito de sodio Ácido clorhídrico solución 10% P/V Soportes universales. Gradilla Sodio metálico Cloruro de sodio Solución 1% P/V Nitrato de plata Solución 0.05N Permanganato de potasio Azufre pulverizado Ácido sulfúrico concentrado. Dicromato de potasio Oxido mercúrico 4.-PROCEDIMIENTO Tome con la espátula aproximadamente 2 g de óxido de calcio, viértalos en un tubo de ensayo que contiene 10 ml de agua destilada. Agite y observe cuidadosamente. Adicione 2 gotas de solución etanólica de fenolftaleina al 0,1% p/v. ¿Qué ocurrió? ¿Qué puedes inferir? Tome una cuchara metálica y deposite en ella unos 3 g de limadura de hierro y 2 g de azufre pulverizado. Mezcle y caliente durante cinco minutos aproximadamente. Observe y anote impresiones. Realice el experimento sustituyendo las limaduras de hierro por granallas o tiritas de zinc. Anote los cambios apreciados. Pese 2 gramos de carbonato de calcio. Viértalos en un tubo de ensayo pyrex. Colóquele un tapón de caucho perforado con un tubito de vidrio en U con un extremo más largo. Sujete el conjunto con la pinza, introduzca la rama larga del tubito en U en una solución de óxido de calcio en agua destilada (Fig. 1). Caliente por 5 minutos el tubo de ensayo que contiene el carbonato de calcio. ¿Qué cambios evidenció?. Finalizado el calentamiento, enfríe el tubo y adicione 5 ml de agua destilada. Agite y luego agregue 2 gotas de fenolftaleina. ¿Qué nexo encuentra entre esta última parte y el procedimiento 1? Tome dos granallas de zinc, viértalas en un tubo de ensayo. Agregue gota a gota 2 ml de ácido clorhídrico al 10%p/v. Acerque a la boca del tubo una cerilla encendida. ¿Qué ocurre?. ¿A qué se debe el comportamiento de la llama?. Realice el mismo ensayo sustituyendo el ácido clorhídrico por sulfúrico y posteriormente por nítrico al 10%p/v. ¿Qué diferencias encuentra? Vierta en un tubo de ensayo 5 ml de sulfato cúprico pentahidratado al 1%p/v. Agregue una laminita o 2 granallas de zinc. Mantenga en contacto las sustancias y realice observaciones con intervalos de 10 minutos durante una hora. Anote todas las observaciones del caso. Al final, saque con cuidado la laminita o las granallas y detalle la superficie de ella. Limpie con un papel el depósito que queda en la tira de zinc. ¿Qué apariencia presenta?, ¿Qué pudo ocurrir? Coloque 5 ml de agua destilada en un tubo de ensayo. Parta una pequeñísima cantidad de sodio metálico con la espátula. Deposite en el tubo de ensayo con mucho cuidado, toda vez que la reacción del sodio con el agua es bastante enérgica. Acerque una cerilla encendida a la boca del tubo de ensayo. Agregue una 2 gotas de fenolftaleina. Anote todas sus observaciones. Agregue 5 ml de cloruro de sodio al 1% p/v en un tubo de ensayo. Vierta a continuación 2 ml de nitrato de plata 0,05N ¿Qué fenómeno observa?. Detállelo. 17 Tome 1 g de carbonato de calcio y pase a un tubo de ensayo. Agregue 2 ml de agua destilada y agite. Anote sus observaciones. Luego agregue 5 ml de ácido clorhídrico concentrado. Anote las observaciones. Realice el mismo ensayo pero en un tubo de ensayo con tubuladura lateral a la que acoplarás una manguerita antes de la adición del ácido. Una vez vertido el ácido, colóquele un tapón de caucho al tubo de ensayo e introduce el extremo de la manguerita en una solución compuesta por 1 g de óxido de calcio en 10ml de agua destilada. ¿Qué ocurre?. Emite juicios acerca de los cambios operados. (Fig.2) En 10 ml de agua destilada disuelve unos cristales de permanganato de potasio. Acidula con 2 o 3 gotas de ácido sulfúrico concentrado. Adiciona unos cristales de sulfito de sodio. ¿Qué cambios se dan?. Realice el ensayo sustituyendo el permanganato por dicromato de potasio. Disuelva un gramo de óxido de calcio en 10 ml de agua destilada. Introduzca un pitillo hasta el fondo y sople suavemente por unos 5 minutos. ¿Con cuál de los procedimientos anteriores encuentra semejanza? Y ¿Por qué? 5.-PREGUNTAS. - - Clasifique cada uno de los fenómenos de acuerdo con los tipos de reacciones consultados. ¿En cuál de estos procedimientos ocurren reacciones por transferencia de electrones?. Identifique la(s) sustancia (s) que actúan como agentes reductores y como agentes oxidantes. Existe(n) reacciones que expliquen la serie de actividades de los metales? . ¿Cuáles?. ¿Qué metal es más activo? Escriba las reacciones y balancéelas. Anote en cada caso las evidencias que sustenten que el fenómeno sucedió. EXPERIENCIA N° 5 PORCENTAJE DE OXIGENO EN EL CLORATO DE POTASIO. 1.- OBJETIVOS. Se busca ilustrar una reacción de descomposición térmica de un compuesto y, con base en el estudio experimental de los pesos de reactivos y productos, determinar la composición porcentual de un elemento (el oxígeno) en el compuesto (KClO3) 18 2.- INFORMACION BASICA. En este experimento encontraremos el porcentaje del elemento O 2 en el compuesto KClO3 por su descomposición térmica. Hay muchas sustancias que deben ser calentadas para su descomposición liberando generalmente una sustancia gaseosa y produciendo simultáneamente un residuo sólido de otra sustancia. Por ejemplo, al calentar muchas sales hidratadas se libera agua como gas, quedando residuo de sal sólida anhidra. La diferencia entre el peso de la sal antes y después de calentarla, corresponde al agua de hidratación. Los carbonatos de varios metales se descomponen al calentarlos, liberando gas carbónico y quedando el óxido del metal, como residuo sólido. La diferencia en el peso, antes y después del calentamiento corresponde al gas carbónico liberado. En esta práctica el KClO3 se descompone en presencia del catalizador MnO2, en Oxígeno gaseoso y en KCl sólido, por acción del calor. Si no se utilizara un catalizador, para facilitar la reacción de descomposición, habría que calentar a temperaturas mucho más altas para que la reacción se llevara a cabo. Se ha comprobado experimentalmente que al bióxido de manganeso no le ocurre nada en absoluto durante el calentamiento y que se le recupera, igual en cantidad y calidad, después de la reacción. La pérdida de peso luego del calentamiento corresponde al oxígeno liberado. Al saber cuánto oxígeno hay en un determinado peso de KClO 3 s puede calcular el % en peso del elemento en el compuesto KclO3. 3.-MATERIALES Y REACTIVOS. 1 tubo de ensayo de 2.5 cm de diámetro 1 espátula 1 balanza digital o de platillo 1 pinza y su nuez 1 soporte 1 mechero 1 astilla pequeña de madera. Cerillas. Gradilla KClO3 puro y seco. MnO2 4. PROCEDIMIENTO. Pesar un tubo de ensayo con una precisión de mas o menos 0.01 g. Agregue al tubo unos 2 g de KClO3 y vuelva a pesar el tubo. Registre estos pesos en la hoja de datos. Agregue al tubo de 0.6 a 0.7 g de MnO2 y vuelva a pesar el conjunto. Anote el resultado. Mezcle bien el contenido del tubo y con la pinza sujete el tubo en posición inclinada. Caliente la parte inferior del tubo con llama pequeña. El clorato se funde y parece ebullir al escaparse las burbujas de oxígeno. Este se puede detectar acercando a la boca del tubo una astilla en combustión parcial. 19 Cuando haya disminuido el desprendimiento de oxígeno, caliente el tubo con una llama más elevada. El calor se debe aumentar lentamente ya que se podría perder algo de clorato como humo. Apague el mechero y deje enfriar el conjunto. Pese el conjunto ya frío y anote el peso en la hoja de datos. Agregue agua al residuo para su disolución. 5.- DATOS. Peso del tubo de ensayo limpio y seco. __________ Peso del tubo de ensayo más KClO3 __________ Peso del tubo de ensayo más KClO3 más MnO2 __________ Peso del tubo de ensayo más residuo __________ 6.- PREGUNTAS. De acuerdo a sus datos determine, explicando sus cálculos, el porcentaje en peso del oxígeno en el compuesto. Escriba una ecuación química que describa la naturaleza de la reacción de descomposición del KClO3. Calcule el porcentaje teórico de O2 en el compuesto y compárelo con el porcentaje experimental. Explique la diferencia. Se tiene el carbonato de un metal puro y seco. Al tomar una muestra de 2.15 g del carbonato y someterlo a un calentamiento fuerte, se obtuvo un residuo cuyo peso fue de 1.03 g. El carbonato del metal puede ser uno de los siguientes. CaCO3 MgCO3 Na2CO3 K2CO3 FeCO3 ¿Cómo se puede identificar el carbonato del metal con base en los dato dado? Explique sus resultados. Se requiere analizar una muestra de KClO3 para determinar su pureza. Se sabe que el KClO3 de la muestra está contaminada con cloruro de potasio y otras sales no volátiles. Se tomó 2.45 g de la muestra y después de un fuerte calentamiento el peso se redujo a 1,63 g. Calcule el porcentaje en peso de clorato de potasio puro en la muestra. 20 TABLA DE DATOS EXPERIENCIA : ________________________________ FECHA: _______________ ALUMNOS: ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ PESO TUBO DE ENSAYO LIMPIO Y SECO: ___________________ g. PESO TUBO CON KClO3: ___________________ g. PESO DE KClO3 : ___________________ g. PESO DEL TUBO + KClO3 + MnO2: ___________________ g. PESO DE MnO2 : ___________________ g. PESO DEL TUBO DESPUÉS DECALENTADO: ___________________ g. PESO DE OXÍGENO: ___________________ g. PESO DE KCl: ___________________ g. 21 EXPERIENCIA N° 6 PROPORCIONES DEFINIDAS Y MULTIPLES. 1.- OBJETIVOS. Comprobar en forma experimental los enunciados de la Ley de las proporciones Múltiples y definidas. 2.-INFORMACION BASICA. La Ley de las proporciones definidas dice que muestras diferentes de una misma sustancia contienen los mismos elementos en las mismas proporciones. Esta Ley no es universal, ya que en algunos compuestos esta no se cumple. Enunciada por J.L. Proust, definida por Jhon Dalton debido a la relación que tiene con la teoría atómica. La Ley de las proporciones múltiples fue enunciada por Dalton, y se refiere a la relación que existe entre los elementos que se combinan en más de una proporción para formar compuestos diferentes, el cual se obtiene variando las condiciones de la reacción. Esta dice: Cuando dos elementos reaccionan en más de una proporción para formar compuestos diferentes, los pesos de uno de los elementos que se combinan con una cantidad fija de otro, están en relación de números enteros pequeños. 3.- MATERIALES Y REACTIVOS. Tubos de ensayo. Pinzas para tubos de ensayo Balanza Gradilla de madera. Espátula. Clorato de potasio Perclorato de potasio. Cerillas. 4.- PROCEDIMIENTO. Para el Clorato de potasio. Pesar un tubo de ensayo limpio y seco. Adicionar entre 1 – 2 g de Clorato de Potasio, cuidando no se adhiera a las paredes del tubo. Caliente el tubo suave y uniformemente rotándolo en la llama, hasta cuando la sal se haya fundido (fig.1), luego caliente fuertemente hasta que todo el oxígeno se haya desprendido totalmente. Para saber esto es necesario colocar una astilla de madera encendida en la boca del tubo, si esta se aviva, nos indica que no ha terminado el proceso, lo contrario indica el final del mismo. Deje enfriar el tubo sobre la gradilla y péselo. Para el Perclorato de Potasio. Repetir los pasos para el Clorato de potasio Anote sus datos en la hoja de datos. 5.-CALCULOS. 22 Calcular la cantidad de oxígeno desprendido en la descomposición del Clorato y Perclorato de Potasio. Calcular la cantidad de cloruro de potasio producido en la descomposición del Clorato y Perclorato de Potasio. Calcular el porcentaje de oxígeno en ambos, de acuerdo a los datos experimentales, repórtelo a la hoja de datos. Calcular el número de moles de Cloruro de Potasio en la descomposición del clorato y perclorato de potasio. Compruebe con estos datos la Ley de las proporciones definidas y múltiples usando datos de otros grupos. 6.- PREGUNTAS. ¿Qué otras sustancias puede usted utilizar para la comprobación de estas leyes? Explique. ¿Qué errores se cometieron al realizar esta experiencia? Explique su respuesta. De ejemplos de compuestos donde no se cumpla la ley de las proporciones definidas. Proporciones definidas Proporciones múltiples Fig. 1.- Calentamiento del tubo de ensayo en ángulo de 45º. 23 TABLA DE DATOS EXPERIENCIA : ________________________________ FECHA: _______________ ALUMNOS: ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ KClO3 PESO DEL TUBO LIMPIO Y SECO _____________________ g. PESO DEL TUBO + KClO3 _____________________ g. PESO DEL KClO3 _____________________ g. PESO DEL TUBO DESPUÉS DE CALENTADO _____________________ g. PESO DEL O2 _____________________ g. PESO DEL KCl _____________________ g. KClO4: PESO DEL TUBO LIMPIO Y SECO _____________________ g. PESO DEL TUBO + KClO4 _____________________ g. PESO DEL KClO4 _____________________ g. PESO DEL TUBO DESPUÉS DE CALENTADO _____________________ g. PESO DEL O2 _____________________ g. PESO DEL KCl _____________________ g. 24 EXPERIENCIA N° 7 DETERMINACION DE LA ESTEQUIOMETRIA DE UNA REACCION QUIMICA 1.- OBJETIVOS. Ilustrar algunos principios del análisis gravimétrico y la utilidad práctica. Presentar a los estudiantes una técnica general a seguir en el análisis gravimétrico para recoger cuantitativamente un precipitado y pesarlo. 2.- INFORMACION BASICA. Cuando una reacción química que está en disolución produce un precipitado que es insoluble en agua, de su peso y las cantidades utilizadas de las disoluciones reactantes se puede, por razonamiento estequiométrico, sacar inferencias sobre la estequiometría de la reacción o sobre la concentración de una especie en una de las disoluciones. Se prepararán soluciones acuosas de sales solubles como son el Pb(NO 3)2 y el NaI (KI), de concentraciones 0.5M. Se mezclarán ciertos volúmenes de estas soluciones y se observará lo que pasa en la reacción, es decir la formación de un precipitado de sal insoluble de yoduro de plomo Luego a partir de los volúmenes relativos de las soluciones, de su molaridad y los pesos de los precipitados formados en cada caso, se puede con razonamiento estequimétrico, deducir cuál es la estequiometría de la reacción y la fórmula del yoduro de plomo producido. 3.- MATERIALES Y REACTIVOS. 2 Vasos de 50 ml 1 matraz aforado de 50 ml 2 Erlenmeyer de 100 ml 5 tubos de ensayo 13x100 mm 2 pipetas graduadas de 5 ml 1 embudo Papel filtro 1 balanza 1 mechero o estufa. 1 vidrio reloj 1 pinza o soporte para embudo. Estufa Nitrato de plomo Yoduro de sodio Agua destilada Tapones de caucho Cerillas. Trípode. 1 malla de asbesto. 4.- PROCEDIMIENTO. Preparar una solución 0.50 M de Yoduro de sodio y de Nitrato de plomo. En los matraces aforados. Marcar los cinco tubos de ensayo del 1 al 5. Con las pipetas graduadas de 5 ml, transfiera a cada tubo los volúmenes indicados en la tabla. 25 Tubo 1 2 3 4 5 ml 0.5 M NaI ml 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 0.5M Pb(NO3)2 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 Tomar papel de filtro previamente pesado y colocarlo en el embudo, proceder a filtrar la solución para recoger el precipitado en el mismo. Agite el tubo de ensayo y viértalo rápidamente en el embudo con el papel de filtro, coloque debajo de este el tubo correspondiente y recoja en el varios mililitros del filtrado, tape y agite nuevamente hasta que el tubo quede limpio. Al final agregue agua al embudo tratando de mojar todo el papel de filtro. Esto se hace para remover el nitrato de sodio del papel filtro húmedo del embudo. Abrir el papel filtro y colocarlo en el vidrio de reloj. Colocar el conjunto en una estufa a 100 grados centígrados o caliéntelo con el mechero, hasta sequedad completa del papel. Retire el papel con el precipitado y péselo. Anotar los datos en la hoja de datos. 5.- DATOS. Peso papel filtro seco Peso papel más precipitado (1) Peso del precipitado (1) Peso papal filtro (2) Peso papel más precipitado (2) Peso del precipitado (2) Peso papel filtro (3) Peso papel más precipitado Peso precipitado (3) Peso papel filtro (4) Peso papel más precipitado (4) Peso precipitado (4) Peso papel filtro (5) Peso papel más precipitado(5) Peso precipitado (5) ______________ ______________ ____________ ______________ ______________ ____________ ______________ ______________ ____________ ______________ ______________ ____________ ______________ ______________ ____________ 6.- PREGUNTAS. Calcular el número de moles de nitrato de plomo y yoduro de sodio utilizados en cada uno de los tubos. Haga una tabla. Hacer un gráfico colocando en el eje de la Y los gramos de yoduro de plomo y en el eje X mililitros de nitrato de plomo adicionados. De la gráfica deduzca en cual de estos tubos hay la cantidad justamente requerida de solución de nitrato de plomo que reacciona con todo el yoduro de sodio. Utilizando la tabla anterior determine la relación de moles de nitrato de 26 plomo a moles de yoduro de sodio. Con base en esta relación deduzca la estequiometría de la reacción y la fórmula del yoduro de plomo. De acuerdo a la respuesta al punto anterior ¿Cuál es la naturaleza del filtrado? Si a este se le evapora todo el agua ¿Queda algún residuo? ¿De qué? ¿Cuánto de él? Responda las mismas preguntas para el tubo por usted trabajado. Se requiere saber cuanta sal, NaCl, hay en una muestra de agua marina, para lo cual se trató 50 g del agua con un exceso de solución de nitrato de plata, AgNO3. El precipitado de AgCl formado se filtró, se lavó con agua destilada y luego se secó. Su peso fue de 1.23 g. Calcule el porcentaje (peso a peso) de NaCl presente en el agua marina. 27 TABLA DE DATOS EXPERIENCIA : ________________________________ FECHA: _______________ ALUMNOS: ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ Ensayo Volumen Número NaI (KI), (ml) Volumen Pb(NO3)2 ml 1 4.0 0.5 2 4.0 1.0 3 4.0 2.0 4 4.0 3.0 5 43.0 4.0 Moles Pb(NO3)2 Iniciales Finales Moles NaI (KI) Iniciales Finales Relación . moles NO3 -/moles I- Peso de PbI2 28 EXPERIENCIA N° 8 DETERMINACION DE LA FORMULA DE UNA SAL HIDRATADA 1.- OBJETIVOS. Determinar el porcentaje de agua en un hidrato conocido de una sal. Expulsar el agua de una sal hidratada por descomposición. 2.- INFORMACION BASICA. Muchas sustancias sólidas contienen en su interior moléculas de agua y son compuestos cristalinos secos.. Estas sustancias se les llama hidratos y cuando se trata de sales se les da el nombre de sales hidratadas. En general la cantidad de moles de agua por cada mol de sustancia anhidra es un número entero, como podemos verlo en la tabla siguiente: Tabla : Algunos hidratos Nombre Cloruro de Aluminio Hexahidratado Sulfato de Níquel Heptahidratado Ácido Oxálico Dihidratado Hidróxido de Bario Octahidratado Carbonato de Sodio Monohidratado Fórmula AlCl3. 6H2O NiSO4. 7H2O H2C2O4.2H2O Ba(OH)2.8H2O Na2CO3.H2O A muchos de estos hidratos se les puede remover el agua con un simple calentamiento. La sal o la sustancia sin el agua se dice que es anhidra. La reacción inversa de las sales anhidra, suele ocurrir fácilmente al colocarla en contacto con el agua o con materiales húmedos. La reacción siguiente es un ejemplo de deshidratación por el calor. ∆ Na2SO4.7 H2O (s)-------------------- Na2SO4 (s) + 7 H2O (g) 3. MATERIALES Y REACTIVOS. Balanzas Tubos de ensayo con tubuladura lateral Tubos de ensayo. Mechero. Beaker de 500 ml Tubos de condensación Nuez. Termómetro Cerillas Espátulas. Pinzas Tapones de caucho. Trípode Malla de asbesto Sulfato de cobre hidratado 29 4. PROCEDIMIENTO. Pese un tubo de ensayo vacío. Agregue una cantidad de sulfato cúprico hidratado al tubo y péselo. Monte el conjunto como lo ilustra la Fig. 1. Caliente el tubo con la sal, en forma suave al comienzo, hasta recoger unos 2 cm de altura de agua en el tubo inferior. Observe los posibles cambios de color de la sal al ser calentada. Retire el tubo de ensayo de la parte inferior y el tapón con el tubo de condensación. Caliente por 4 minutos fuertemente para retirar todo el agua de la sal. Deje enfriar a temperatura ambiente y péselo. Agregue el agua destilada al tubo con sal anhidra y observe los cambios de color y de temperatura. Realice el mismo proceso con sal de Epson. 5. DATOS. Peso del tubo de ensayo vacío Peso del tubo mas la sal hidratada Peso del tubo después de calentado Cambio de color al calentar la sal hidratada Cambio de color al agregar el agua de hidratación Cambio de temperatura al agregar el agua de hidratación de la sal anhidra. _________ _________ _________ _________ _________ _________ 6. PREGUNTAS. 1. Calcule el peso de la sal anhidra. El peso del agua expulsada. Calcular el número de moles de sulfato de cobre anhidro. Número de moles de agua. Fórmula del sulfato cúprico hidratado. Dé el nombre de la sal obtenida. Calcular el porcentaje de agua en el sulfato cúprico hidratado. 2. Con base en las observaciones ¿Cuál es el color del sulfato cúprico hidratado? ¿Cuál el de la sal anhidra? 3. Dar la reacción que ocurre al calentar fuertemente el sulfato cúprico pentahidratado. 4. Explique con base en una reacción, lo que ocurrió cuando usted le adicionó al sulfato cúprico anhidro el agua que retiró durante el calentamiento de la sal hidratada. 5 Con frecuencia al escribir ecuaciones en las reacciones química se omite el agua de hidratación ¿Está esto justificado? 6. a)Calcular a partir de la fórmula el porcentaje de agua en el fosfato sódico hidratado, Na3PO4 12 H2O. b) ¿Por qué se escribe la fórmula Na3PO4 12 H2O. y no Na3PO16H24? 30 . 7. Las instrucciones para preparar una solución que contiene iones Cu2+ indican que la solución se prepara de forma que contenga 10 g de iones cobre por litro. ¿Qué peso de sulfato de cobre anhidro es necesario para preparar un litro de esta solución?. ¿Qué peso de sulfato de cobre pentahidratado sería necesario?. 8.-El sulfato de sodio anhidro se utiliza como agente secante de solventes o soluciones orgánicas húmedas. Explique la naturaleza de su acción secadora. 31 EXPERIENCIA N° 9 LEY DE CHARLES 1.- OBJETIVOS Comprobar la ley de Charle. Haciendo medidas del cambio de volumen de un gas con cambios de temperatura a una presión determinada . Calcular y comparar las relaciones T1 / T2 y V1 / V2 2.- INFORMACION BASICA. El físico Francés Jacques Charles analizó los cambios en los volúmenes de algunos gases causados por los cambios de temperatura. El encontró que estos gases se expandían relativamente a la misma cantidad cuando se calentaban de 0 0C a 80 oC a presión constante. Joseph Gay – Lussac, mostró que muchos gases se podían sumar a la lista de Charles. Más importante aún, demostró que por cada grado Celsius de aumento, a presión constante, cada gas se expandía en 1/ 273 de su volumen a cero grado centígrado. Derivando la siguiente ecuación: V = Vo ( 1 + t) V = Vo ( 1 + ( V= 1 )t) 273 Vo( 273 t) 273 V = (Vo/ To) T donde : V = Vo= = To T = es el volumen de una cantidad dada de gas Volumen del gas a cero grado centígrados. Coeficiente de expansión = 273 t + 273 La ley de Charles establece que el volumen de una cantidad dada de gas varía de forma directa con la temperatura absoluta, suponiendo que la presión es constante. En esta experiencia se deducirá la expresión matemática que relacione el volumen de una pequeña cantidad de aire atrapado por un sello móvil de mercurio en un tubo a su temperatura centígrada y absoluta. También deducimos la relación entre las escalas de temperaturas centígradas y absolutas. 3.- MATERIALES Y REACTIVOS. 32 Tubos de 15 mm de longitud y 2.5 mm de diámetro cerrado en un extremo. Beaker de 400 ml Cápsula de porcelana Regla de 30 cm Mercurio Mechero Agua Pinza para crisoles Hielo Aro Sal Nuez Papel milimetrado Rejilla Cerillos. Termómetro 4.- PROCEDIMIENTO. Caliente el lado abierto del tubo sostenido por una pinza pasándolo varias veces por la llama del mechero . Invierta el tubo sobre la cápsula de porcelana con mercurio y deje que suba una columna de 5 mm a el . Retírelo lentamente y manipúlelo evitando romper o fraccionar la columna de mercurio. Llene el beaker con hielo picado. Adicione la sal y mezcle bien Introduzca con cuidado el tubo, con la boca hacia arriba y el termómetro en el beaker. Espere 5 minutos para asegurarse que el aire confinado en el tubo tiene la temperatura del baño. Lea la temperatura. Saque el tubo rápidamente y mida la altura de la columna Haga varias medidas de altura y de temperatura, variando estas en 5 y 10 grados.(5 hasta 35) Tome la altura y temperatura ambiente. Repita los pasos anteriores a 50 y 75 grados centígrados. Repítalo también en agua hirviendo. Léase el barómetro para conocer la presión atmosférica. 5.- CALCULOS. Calcular el volumen a cada una de las temperaturas tomadas. Repórtelo en la hoja de datos. Calcular el coeficiente de expansión cúbico del aire confinado. Compárelo con el tabulado. 6.- PREGUNTAS. Hacer un gráfico de volumen del gas vs. Temperatura. Extrapole la línea hasta que intercepte el eje horizontal de temperatura. Hallar la pendiente y el intercepto con la ordenada. Deducir la ecuación que relaciona el volumen y la temperatura centígrada, usando parámetros gráficos. Hallar la relación entre la escala centígrada y la temperatura absoluta, 33 definiéndola de tal manera que su volumen sea directamente proporcional a ella. Escriba la ecuación. En la gráfica halle la temperatura centígrada más baja que se pueda obtener. Calcular el valor de la relación T1 / T2 y V1 / V2 ¿Son iguales estos valores? Si no lo son calcular el porcentaje de desviación entre T 1 / T2 y V1 / V2. En este experimento se ha comparado la relación de dos temperaturas con la de dos volúmenes de la columna de aire dilatada y contraida : T1 / T2 = V1 / V2 ¿Podría realizarse la composición con las longitudes de las columnas de aire, esto es, T1 / T2 = V1 / V2 ¿ Explique. Conociendo la presión barométrica y la densidad del mercurio 13,6 g / ml. Calcúlese la altura de una columna de aceite (d = 0.8 g/ ml) que equivaldría a la columna de mercurio del barómetro. 34 TABLA DE DATOS EXPERIENCIA : ________________________________ FECHA: _______________ ALUMNOS: ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ Nº Temperatura en ºC Altura de la Volumen confinado columna de Hg cm en cm3 Coeficiente de expansión Calculado Tabulado porcentaje de error 35 EXPERIENCIA N° 10 PESO MOLECULAR DE UN LIQUIDO VAPORIZABLE 1.- OBJETIVO. Determinar la masa molecular de un compuesto líquido no identificado, midiendo la densidad de vapor, a una temperatura y presión dadas y utilizando la ecuación de estado. 2.- INFORMACIÓN BASICA Lo más simple y directo en la determinación de la densidad de vapor es el método usado por Dumas. En este método una cantidad del líquido o compuesto sólido es introducido en un matraz tarado, el cual tiene un orificio pequeño abierto a la atmósfera. El matraz es calentado a una temperatura conocida sobre el punto de ebullición del compuesto. La formación del vapor purga el aire presente en el matraz a través del orificio. Cuando la muestra se ha vaporizado completamente, el matraz está lleno del vapor del compuesto, el cual estará a una presión conocida (atmosférica). Se suspende el calentamiento y se enfría el matraz a la temperatura ambiente. El vapor se condensa y el aire dispuesto a llenar al matraz preverá el escape del vapor. Se pesa el matraz nuevamente y con la diferencia de los dos pesos se tendrá el peso del vapor requerido para llenar el matraz. La masa molecular del compuesto se puede calcular usando la ecuación de estado para gases ideales ya que el volumen del matraz puede hallarse fácilmente PV = n RT PV = (w/M) RT de donde M = d RT/P M = Masa molecular del compuesto. n = Número de moles del compuesto. T = Temperatura en grados kelvin. w = peso en gramos del compuesto d = Densidad del compuesto. P = Presión atmosférica V = Volumen en litros. 3.- MATERIALES Y REACTIVOS Balón de fondo plano Papel de aluminio Bandita de caucho Beaker de 1000 ml Termómetro Mechero Pinza metálica para balón. Nuez Malla de asbesto 4.- PROCEDIMIENTO Líquido vaporizable Pipeta de 5 ml. Alfiler Cerillas. Balanza Probetas de 500 ml Carborundos Barómetro 36 Haga una tapa de 6 cm de lado con el papel de aluminio para el balón. Ajuste esta al balón con la bandita de caucho Haga un agujero en la tapa con un alfiler Pese el balón con la tapa Destape el balón y agregue el líquido vaporizable. 4 ml Tápelo y agárrelo por el cuello con una pinza Sumérjalo en el Beaker de 1000 ml Llene el Beaker con agua lo mas alto posible. Adicione carborundos. Caliente hasta ebullición del agua. Mida la temperatura de ebullición cuidando no tocar las paredes del Beaker. Deje el balón en reposo por 4 minutos. Mida la presión atmosférica Retire el balón del baño y deje enfriar. Pese el balón con el residuo. Mida el volumen del matraz llenándolo de agua completamente y medirlo en una probeta. 5.- CALCULOS. Calcule la presión del vapor con la siguiente ecuación: Log Ps =4.81 (1 – Tb/T) Ps = presión del vapor del compuesto. Tb. =Temperatura de ebullición normal del compuesto T = Temperatura a la que se desea la presión del vapor. Calcule la masa correcta del vapor por la siguiente ecuación: m2 – m1 = mv – (MaV/ RT) Ps donde: m1 = masa del matraz solo m2 = masa del matraz más el vapor mv = masa del vapor de la muestra Ma = masa molecular del aire V = volumen del matraz en litros. T = Temperatura a la que fueron hechas las pesadas. Ps = presión del vapor del compuesto. R = Constante de los gases ideales Calcule la densidad del gas. d = mv/V donde mv es la masa correcta del vapor y V el volumen del matraz Calcule la masa molecular del compuesto. M =(RT/P) d Donde T es la temperatura del baño, P es la presión barométrica, d es la densidad 37 del compuesto. 6.- PREGUNTAS ¿Cuál es el objetivo del pequeño agujero en la tapa del matraz? ¿Si el balón está mojado por dentro, como afectaría esto a la medición del peso molecular del compuesto? Qué otros procedimientos existen para determinar peso molecular en general. Si el balón se pesa sin haberse enfriado a la temperatura ambiente. ¿ Cree usted que el peso obtenido es el ideal?. Por qué. Explíquelo. Una muestra de 1,211 g de un compuesto líquido puro, de punto de ebullición 90ºC, se convirtió en vapor a 97,0ºC. El volumen de vapor se midió a 701 mm de Hg y fue de 391,1 ml. Calcular su peso molecular. La temperatura T, a la que se desea la presión de vapor; a la que fueron hechas las pesadas; y finalmente la temperatura del baño, puede cambiar( pues la temperatura ambiente puede hacerlo) durante el experimento. Si la temperatura cambia en 2 ºC ¿Qué porcentaje de error ocasionaría esto en el volumen del líquido vaporizable?. TABLA DE DATOS EXPERIENCIA : ________________________________ FECHA: _______________ ALUMNOS: ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ TEMPERATURA DE EBULLICIÓN: ______________________ºc. VOLUMEN DEL BALÓN: ______________________ ml. PRESIÓN ATMOSFÉRICA: ______________________ at. PESO DEL BALÓN CON EL RESIDUO: ______________________ g. PESO DEL BALÓN LIMPIO Y SECO: ______________________ g. 38 39 EXPERIENCIA N° 11 VOLUMEN MOLAR DE UN GAS 1.- OBJETIVO. Determinar experimentalmente el volumen molar de un gas a condiciones de laboratorio y a condiciones normales. 2.- INFORMACION BASICA. La Ley de los gases ideales incorporan en una ecuación las relaciones contenidas en las leyes de Boyle, Charles y Avogadro. Sí la ecuación que liga el volumen, la masa, la temperatura y presión de un gas es: PV = nRT P V n R T = = = = = donde Presión en atm. Volumen en litros. Número de moles del gas Constante universal de los gases (0.082 at. L / oK mol) Temperatura en oK El volumen molar es aquel ocupado por un mol de gas ideal, el cual se calcula derivándolo de medidas realizadas con gases reales a muy bajas presiones; este volumen se considera igual a 22,4 L a condiciones normales. Vo = V/ n donde Vo = Volumen molar V = Volumen a condiciones normales. n = Número de moles. Para la mayoría de los gases los volúmenes molares no se desvían mas del 1% del volumen molar normal, a menos que tengan elevado peso molecular o que se les mida a temperaturas cercanas al punto de ebullición. 3.- MATERIALES Y REACTIVOS Bureta de gases de 50 ml Eudiómetro de 50 o 100 ml Tapones de caucho #00 Barómetro. Probeta de 250 ml o de 500 ml Nuez. Soporte Alambre. Magnesio HCl 6M Agua Papel de aluminio. Balanza Universal. Beaker de 500 ml Pinza 40 4.- PROCEDIMIENTO. Tomar de 4 a 5 cm de la cinta de magnesio, pesarla y colocarla en una trampa hecha con alambre. Colocar esta trampa con el magnesio en el tapón. Colocar 10 ml de HCl 6M en el eudiómetro. Agregar agua sin agitar al HCl del eudiómetro. Colocar el tapón en el eudiómetro. Llenar el Beaker con agua e invierta el eudiómetro en el para que el HCl reaccione con el Mg Espere a que todo el Mg reaccione, espere unos minutos, de tal manera que el gas que está en las paredes suba. Echo esto mida el volumen recogido. Llene una probeta con agua y coloque allí el eudiómetro, tapando el orificio de tal manera que el agua que está dentro no salga. Suba y baje este dentro de la bureta hasta que el nivel del agua en la probeta sea el mismo del eudiómetro mida el volumen. 5.- CALCULOS. Calcular el peso promedio de la muestra. Escriba la reacción entre el Mg y el HCl. Calcule el número de moles de hidrógeno formado. Calcule el volumen de hidrógeno formado. Determine el volumen molar del H2. a.- Condiciones normales b.- Condiciones ambientales Calcule el porcentaje de error. 6.- PREGUNTAS. ¿Para que se hacen coincidir los niveles de los líquidos en el eudiómetro y la probeta ?. Señale las posibles fuente de error en la experiencia. Calcular el volumen del hidrógeno seco a condiciones normales a partir del volumen del gas medido sobre agua a las condiciones del laboratorio. A partir del peso del hidrógeno medido y de su volumen a CN, calcular la densidad (g / L) del hidrógeno. ¿Cuál es el valor aceptado para volumen molar?. ¿Cuántas moléculas hay en este volumen de cualquier gas a condiciones normales o en un mol de cualquier gas?. ¿En honor a quién recibe el nombre este número? ¿Cuántas moles de átomos “aparentes” de magnesio se necesitaron para obtener este número de moléculas de hidrógeno?. ¿Poseen volumen molar los llamados gases nobles? si o no Explique. 41 42 TABLA DE DATOS EXPERIENCIA : ________________________________ FECHA: _______________ ALUMNOS: ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ PESO DE LA CINTA DE MAGNESIO ______________________ g. VOLUMEN INICIAL DEL H2 ______________________ g. VOLUMEN FINAL DEL H2 ______________________ g. 43 EXPERIENCIA N° 12 SOLUCIONES 1.- OBJETIVOS. Aprender a preparar soluciones ácidas, básicas y salinas en sus diferentes unidades a partir de reactivos químicamente puros.. Determinar por medio de un gráfico la concentración de una solución. 2.- INFORMACION BASICA. Una solución es una mezcla homogénea de composición variable. La homogeneidad hace referencia a que a nivel macroscopico solo es observable una sola fase, mientras que la variabilidad indica que la cantidad de sustancia disuelta es una misma cantidad de disolvente puede ser diferente. Los componentes de una solución binaria son: el soluto y el solvente ó disolvente. Se concibe como soluto: el componente que se disuelve o que se encuentra en menor proporción en la solución. Modernamente es el componente químicamente mas activo en la solución. El solvente: es el componente que disuelve o que se encuentra en mayor proporción en la solución. Actualmente es el componente químicamente menos activo en la solución. Estos últimos aspectos en relación con el soluto y el solvente tienen vigencia o cobran aplicabilidad cuando tenemos una solución en iguales proporciones. Por ejemplo: 50 gramos de agua en 50 gramos de etanol. La composición de una solución se expresa en términos de concentración es decir; la relación de cantidad de soluto contenida en una determinada cantidad de solución o solvente. Hay muchas formas de representar la concentración de un soluto en el solvente, estos son; la normalidad (N), la molalidad (m), la molaridad(M), %P/P, %P/V, la fracción molar, partes por millón (p.p.m.) o partes por billón (p.p.b.). Veamos como representamos cada una de ellas: (% en peso) P/P = (peso en g de soluto)/ Peso en g de solución) x 100 (% m/v) P/V x100 = (Peso en g de soluto / Volumen en ml de solución) Molaridad (M) = número de moles de soluto / litros de solución Normalidad (N) = número de equivalentes del soluto / litros de solución 44 Fracción molar (f) totales. = número de moles del soluto / número de moles (soluto + solvente) N = %. D. v. 10 / w equivalente Aquí prepararemos soluciones diluidas a partir de ácidos concentrados, al cuál se le conoce la densidad y su porcentaje de pureza, también se prepararán soluciones concentradas y diluidas de bases y sales. “La cantidad de soluto disuelto en una solución concentrada ha de ser igual a la cantidad de soluto presente en la solución diluida” V1.C1 = V2. C2 3.- MATERIALES Y REACTIVOS Matraces aforados de 100 y 50 ml Balanzas Espátulas Beaker de 50 ml Frascos para guardar las soluciones. Pipetas, Bombas de succión. Vidrio de reloj. Ácido sulfúrico Ácido clorhídrico Hidróxido de sodio Frasco lavador Carbonato de sodio Varilla de vidrio Agua destilada 4.- PROCEDIMIENTO. Buscar la normalidad o molaridad del ácido concentrado que le tocó según el grupo. Buscar el volumen de ácido concentrado que necesita para realizar una solución de concentración 0.1 N ó 0.1M y diluir hasta un volumen de 100 ml , preparar también una solución 0.2 N ó 0.2 M Calcular la cantidad de hidróxido de sodio necesaria para preparar 100 ml de una solución 0.1 N Calcular que volumen s e necesita de cada una de las soluciones 0.1 N y 0.2 N, para preparar una solución 0.17 N del mismo ácido. Calcular la cantidad de carbonato de sodio necesaria para preparar una solución 0.5 m, hasta un peso de 100 gramos de solución. Preparar 50 ml de solución al 1% P/V de carbonato de sodio en agua. Preparar 50 gramos de solución al 2% P/P de carbonato de sodio en agua. Con las soluciones realizadas buscar su densidad utilizando el picnómetro. Las soluciones de ácidos y bases se conservan par su posterior valoración. 5.- PREGUNTAS. Hacer un gráfico en papel milimetrado la densidad vs concentración, localizar en esta la densidad de la solución problema, cuyo valor encontrará donde corta la recta la línea y luego la concentración en el eje de las abscisas. 45 ¿Qué entiende por soluciones sólidas? de ejemplos. ¿Por qué se dice que el agua es un solvente universal por excelencia? ¿Cuál es la diferencia entre una solución diluida y una concentrada? Explique el proceso de solución de: a) Gases en líquidos. b) Un sólido iónico en líquido. c) Un sólido covalente en líquido. d) Un líquido en un líquido. Qué observaciones podrás anotar para cada uno de los sistemas siguientes: a) Éter en agua b) Alcohol etílico en agua. c) Tetracloruro de carbono en agua d) Disulfuro de carbono en agua. e) Glicerina en agua. ¿Qué se entiende por solución? Mencionar dos sustancias que tengan un calor de solución negativo y dos sustancias que tengan un calor de solución positivo. Qué interpretación puedes dar sobre los calores de solución positivos y negativos. Define delicuescencia. Podría un material de un hidrato conducir a delicuescencia? Identifique su respuesta dando algunos ejemplos de sólidos delicuescentes. Calcula la molalidad de una solución que se preparó disolviendo 15 gramos de sal de Epson Na2SO4.10H2O, en 320 gramos de agua destilada. Si un litro de solución de hidróxido de potasio 2N es tratado con ácido clorhídrico y luego se evapora, que peso de sal se obtiene?. Si 99,4 gramos de esta sal son contenidos en esta vía de un litro de solución de hidróxido de potasio, cuál es la normalidad de la base?. 46 EXPERIENCIA Nº 13 DETERMINACION DE LA CURVA DE SOLUBILIDAD. 1.- OBJETIVOS Determinar la solubilidad de las sustancias sólidas en un medio acuoso, en este sentido usaremos el agua como medio de dilución. 2.- INFORMACIÓN BASICA. Cuando hablamos de solubilidad, estamos diciendo que cantidad de sustancia es posible disolver en una cantidad determinada de solvente. Sabemos que solubilidad es la máxima cantidad de un soluto, contenido en una cantidad de solvente a una temperatura dada en el sistema. Ahora la solubilidad de una sustancia depende de muchos factores de los cuales tenemos aquí los principales: Naturaleza del solvente. Naturaleza del soluto La temperatura a la cual se hará la disolución La presión. Existen otros factores que también influyen en la solubilidad de una sustancia, como son los puentes de Hidrógeno y la polaridad de la sustancia. Es de gran importancia en la industria y el laboratorio ya que utilizamos esta para preparar, separar y purificar productos químicos. La solubilidad de una sustancia sólida a una T y P determinada en una cantidad de solvente es limitada. La solubilidad se puede expresar en g/100 g de solvente, para una solución saturada. No hay leyes físicas ni químicas que nos permita decir o determinar la solubilidad de una sustancia en particular. Mas utilizamos el término de que “lo semejante disuelve lo semejante”, y lo utilizamos para disolver una sustancia polar en otra, al igual que un líquido polar en uno no polar. 3.- MATERIALES Y REACTIVOS. Termómetros. Espátula Agitador. Balanza Tubos de ensayo Mechero Soporte Universal Pinza metálica Sulfato de Aluminio Sulfato de Potasio Nitrato de Potasio Clorato de Potasio Cloruro de amonio 4.- PROCEDIMIENTO Arme el equipo como está en la figura. Pese una cantidad de sal asignada y colóquela en el tubo de ensayo. 47 Agregue 10 ml de agua al tubo, agite hasta disolver la sal, si es necesario caliente suavemente. Introducir el Termómetro al tubo y tomar la T a la cual se formen los primeros cristales. Deje enfriar la solución, agite hasta que se disuelva nuevamente. Si es necesario caliente y anota la T a la cual aparecen los primeros cristales. Anote los datos de los demás compañeros 5- CÁLCULOS. Calcule la molalidad de la solución preparada por usted. 6- PREGUNTAS. 1- Con los datos obtenidos en el laboratorio por todo el grupo, construir una curva de solubilidad en papel milimetrado, de la siguiente forma: En la ordenada coloque los gramos de soluto seco por 100 g de disolvente. En la abscisa ubique la T. En grados centígrados. 2- En la curva de solubilidad por usted construida ubique las zonas donde se presentan los siguientes hechos: Evaporación de agua Enfriamiento sin cristalización Cristalización por enfriamiento. 3- ¿A qué se debe la aparición de las burbujas cuando calentamos el agua? 4- ¿Cuál de las sustancias siguientes es soluble en agua? ¿Y por qué? a.- Nitrato de potasio. b.- Clorato de potasio. c- Sulfato de aluminio. d - Cloruro de calcio. e - Sulfato de bario. f - Cromato de potasio. 5 - ¿Qué es temperatura de cristalización? 6 - ¿Qué fuentes de error encuentra usted en esta experiencia y cómo las reduciría? 48 EXPERIENCIA N° 14 PROPIEDADES COLIGATIVAS 1.- OBJETIVOS. Determinar el peso molecular de un soluto no volátil haciendo uso de una de las propiedades coligativas de las soluciones como lo es ELEVACION DEL PUNTO DE EBULLICION. 2.- INFORMACION BASICA. Estas propiedades son aquellas en que las soluciones dependen solamente del número de moléculas del soluto presente y no de la naturaleza de dicha molécula. Cuando ocurre la disolución, se alteran no solo las propiedades del soluto sino las del disolvente. 3.- ELEVACION DEL PUNTO DE EBULLICION. El punto de ebullición está definido como la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual ala presión atmosférica. La presencia de un soluto en una disolución aumenta el punto de ebullición, este efecto se produce porque el soluto disminuye la presión de vapor del disolvente, por lo tanto se hace necesario aumentar la temperatura para que la presión aumente y la solución bulla, es decir se eleve el punto de ebullición del disolvente. La diferencia entre estos dos puntos se conoce como elevación del punto de ebullición, el cual podemos expresar de la siguiente forma: Tb = T – To donde Tb = elevación del punto de ebullición T = Temperatura de la solución To = Temperatura del solvente puro. En soluciones diluidas la elevación del punto de ebullición es proporcional a la concentración del soluto. Esta relación se puede expresar de la siguiente manera: Tb = Kb. m = T – T donde Kb = Es la constante molal del punto de ebullición cuyo valor depende del disolvente utilizado. m = Molalidad de la solución. Para determinar la constante ebulloscopica se utiliza la expresión matemática siguiente: Kb = RT2 / 1000 Hv donde T R Hv = Temperatura absoluta de ebullición = Constante universal de los gases en calorías. = Calor latente de ebullición por gramo de sustancia. 49 Los valores de las constantes ebulloscópica para diferentes solventes se encuentran tabuladas, por lo tanto podemos hacer uso de las mismas. En esta experiencia determinaremos el peso molecular de un soluto no volátil, el cual forma soluciones diluidas. Para esto disolvemos una cantidad dada de este soluto en una cantidad determinada de agua, a la que se le ha determinado su punto de ebullición. 4.- MATERIALES Y REACTIVOS. Matraz Soporte universal Trípode Balón de fondo plano. Carborundo (pedazos de vidrio) Malla de asbesto Termómetro Etilenglicol Mechero Agua Probetas graduadas de 50 y 250 ml Tapón de caucho con dos orificios. Pinzas Nuez 5.- PROCEDIMIENTO. Montar el equipo como lo indica el dibujo. Medir 100 ml de agua y agréguelos al balón adicionando carborundos. Calentar con el mechero lentamente y determine el punto de ebullición del agua. Anótelo. Desmonte el equipo y déjelo enfriar. Adiciones nuevamente 100 ml de agua y 22.5 ml de Etilenglicol al balón. Caliente nuevamente el balón y lea la temperatura, atonal cuando esta permanezca invariable. Desarme el equipo y déjelo enfriar, no vote los reactivos. 6.- CALCULOS. Determine la molalidad de la solución. Calcule a partir de la fórmula y del valor del calor latente, la constante molar de ebullición del agua. Calcule el peso molecular del soluto a partir de los datos del punto de ebullición. Comparar el valor obtenido experimentalmente con el valor real y determine el % de error. 7.- PREGUNTAS. Explique las razones de la diferencia en el peso molecular obtenido experimentalmente y el real. ¿Cuál de las propiedades coligativas se usa mas para la determinación del peso molecular y por qué? ¿Además de servir para buscar el peso molecular, qué otros usos tienen estas propiedades? Demuestre que el valor de Tb = Kb. m ¿Para qué se agregan carborundos al balón? 50 Equipo para determinar las propiedades coligativas de las soluciones. 51 EXPERIENCIA N°15 CALOR DE REACCION CAMBIO DE ENTALPIA PARA ALGUNAS REACCIONES, Ley DE HESS 1.- OBJETIVOS. Ilustrar como se manifiestan los cambios químicos de entalpía en algunos procesos tanto físicos como químicos. Determinar experimentalmente los cambios de entalpía para tres reacciones y, con base en los valores obtenidos, demostrar las Ley de Hess. 2.- INFORMACION BASICA. En la mayoría de los procesos físicos y químicos de las sustancias hay intercambios energéticos entre ellas y los alrededores, los cuales se manifiestan en forma de calor liberado o absorbido. Los procesos donde ocurre liberación de calor, en donde el estado final tiene un contenido de energía menor que el inicial se dice que el proceso es exotérmico. H = Hf - Hi 0 H es negativo Por el contrario, si en el proceso ocurre una absorción de calor, el estado final tiene un contenido energético mayor que el inicial. En este caso el proceso es endotérmico H = Hf - Hi 0 H es positivo En esta práctica determinaremos los cambios de entalpía para tres reacciones exotérmicas, midiendo los cambios de temperatura que ocurren cuando se llevan a cabo las reacciones respectivas. Para efectuar las medidas y los cálculos respectivos se hace necesario ciertas aproximaciones. Asumimos que el calor de reacción solo se usa para incrementar la temperatura de la solución acuosa y por lo tanto, nada de este calor se pierde en calentar el calorímetro (esto no es del todo cierto ya que depende del material de que está hecho). Consideraremos también que el calor requerido para elevar la temperatura de un mililitro de solución es el mismo que el calor requerido para producir la misma elevación de temperatura en un gramo de agua. Esta es valida ya que estamos trabajando con soluciones acuosas diluidas. La unidad mas utilizada en química para medir la energía calórica en la caloría. Esta es el calor que hay que proporcionarle a un gramo de agua para hacer que aumente su temperatura en un grado centígrado. Así si conocemos el peso de una cantidad de agua (o solución diluida) y su temperatura inicial, podemos fácilmente determinar que cantidad de calor ganó o perdió el agua al aumentar su temperatura o disminuir en una cierta magnitud. Q = m Cp T 52 Donde Q m Cp T = = = = calor a presión constante. masa de agua capacidad calorífica del agua = 1 cal/g OC Temperatura final - Temperatura inicial Vamos a trabajar con HCl. Es un compuesto covalente polar que existe como gas a condiciones ambientales. Se disuelve rápidamente al ponerlo en contacto con el agua, pero en el proceso de disolución reacciona irreversiblemente con el agua, originando iones de hidronio H3O+ e iones Cl-, como se ve en la siguiente ecuación H2O HCl (g) + H2O (l) H3O+ (acuoso) + Cl- (acuoso) La solución acuosa de los iones originados en la reacción anterior es lo que se llama ácido clorhídrico. Hay reacciones en la que es difícil determinar en forma experimental los cambios de entalpía. Un ejemplo de ello es el calor de combustión del grafito para producir CO, es imposible medirlo ya que siempre se produce CO2 como un subproducto de la reacción, a pesar de usar cantidades estequiométricas requeridas para el grafito y el oxígeno para producir CO. C (grafito) + ½ O2 CO La aplicación de la Ley de Hess nos permite la determinación directa de los cambios de entalpía en aquellas reacciones en las cuales es difícil o imposible medirlos directamente. La Ley de Hess, nos dice que: el cambio de entalpía para cualquier reacción química es constante, independientemente de sí la reacción ocurre en una o en varias etapas. Así conocemos los cambios de entalpía para diversa etapas de la reacción, la suma algebraica nos da necesariamente la entalpía para la reacción final. También por resta algebraica se puede calcular la entalpía de una de las etapas del proceso si conocemos la entalpía total del mismo. C (grafito) + ½ O2 CO 1ª etapaH1 CO + ½ O2 CO2S 2ª etapa H2 CO + O2 CO2 Reacción final H3 Mencionamos anteriormente que era imposible determinar experimentalmente el cambio de entalpía para la combustión del grafito en la producción de CO. Pero es muy fácil medir los calores de la combustión completa al CO2 para el CO y para el grafito ( H2 y Ht respectivamente) , basta con asegurarse de que hay exceso de oxígeno para obtener el único producto de la reacción como es el bióxido de carbono. Así indirectamente podemos calcular el cambio de entalpía para la combustión incompleta del grafito a CO H1 = Ht - H2 La entalpía a presión y volumen constante es igual al calor molar. H = Q/ n donde n = moles de la sustancia. 3.- MATERIALES Y REACTIVOS. 53 Balanza digital o de platillo Calorímetro Probetas de 100 ml Termómetro de 0 – 100 oC o de 0 – 50 oC Vidrio reloj NaOH en lentejas Solución de NaOH 0.50 M Solución de HCl 0.50 M 4.- PROCEDIMIENTO Reacción 1. El hidróxido de sodio sólido se disuelve en agua para formar una solución acuosa de iones sodio e iones hidróxidos. H2O + NaOH (s) Na (acuoso) + OH- (acuoso) H 1 Use agua que tenga una temperatura esté uno o dos grados por debajo de la temperatura ambiente. Mida 100 ml con la probeta de dicha agua y agréguela al calorímetro. Pese unos 2 g de hidróxido de sodio por diferencia. (pesar rápidamente para que no se hidrate el hidróxido) Medir la temperatura del agua en el calorímetro, anótela, ahora agregue el hidróxido al vaso. Agite suavemente con el termómetro hasta disolución del soluto. Observe y anote la temperatura mayor alcanzada durante el proceso de disolución. Neutralice la solución y enjuague el vaso y el termómetro antes de seguir con el paso 2. Reacción 2. El hidróxido de sodio sólido reacciona con el ácido clorhídrico diluido para generar una solución acuosa de cloruro de sodio y agua. NaOH (s) + H3O+ (ac) + Cl- (ac) Na+ (ac) + Cl- (ac) + 2H2O H2 El procedimiento es el mismo que el de la reacción 1, a excepción de que en vez de 100 ml de agua se utilizan 100 ml de ácido clorhídrico 0.5 M. Deseche la solución y enjuague al vaso para la tercera reacción. Reacción 3. La solución acuosa de hidróxido reacciona con el ácido clorhídrico para generar una solución acuosa de cloruro de sodio y agua: Na+ (ac) + OH- (acuoso) + H3O+ (ac) + Cl- (ac) Na+ (ac) + Cl- (ac) + 2 H2O H3 Medir 50 ml de ácido 0.5 M y colóquelos en el calorímetro. Mida 50 ml de hidróxido y colóquelos en un vaso limpio. Mida la temperatura de estas dos soluciones que deben ser aproximadamente iguales. Use el mismo termómetro para las dos soluciones, limpiándolo con agua y 54 secarlo. Leer las temperaturas y anótelas en su hoja de datos. Vierta la solución del hidróxido al ácido y agite con el termómetro, mida la temperatura mas alta alcanzada durante la reacción y anótela en su hoja de calculo. 5.- DATOS. Reacción 1 Temperatura inicial __________ Temperatura final __________ Reacción 2 Temperatura inicial Temperatura final __________ __________ Reacción 3 Temperatura inicial Temperatura final __________ __________ 6.-PREGUNTAS. 1.-Calcular el calor liberado en la reacción en calorías. Calcular el (H1) cambio de entalpía para la reacción I, en Kcal/ mol de hidróxido disuelto. Q H2O = -Qx = mCp T Cp del agua = 1. cal/g.oC H = Q/N 2.-Calcular el calor liberado en la reacción en calorías. Calcular el cambio de entalpía H2 para la reacción 2, en Kcl./mol de hidróxido disuelto. 3.-Calcular el calor liberado en la reacción en calorías. Calcule el cambio de entalpía H3 para la reacción 3 en Kcal/mol de NaCl acuoso formado. 4.-Con base en las tres reacciones anteriores y sus respectivos cambios de entalpía, demuestre la aplicabilidad de la Ley de Hess, tal como se hizo para las tres reacciones de combustión en la sección de antecedentes. 5.-A partir de los respectivos cambios de entalpía a 25 oC para las siguientes reacciones de combustión calcule el cambio de entalpía para la formación de un mol de metanoCH4 gaseoso a 25oC, a partir de los elementos C sólido e H2 gaseoso. CH4 (g) + 2 O2 (g)--------------- CO2 (g) + 2 H2O (l) C (s) + O2 (g) 2 H2 (g) + O2 (g) --------------- CO2 (g) --------------- + 2 H2O (l) H1 = -212.8 Kcal. H2 = -94.1Kcal H3 = - 136.6 Kcal 55 Montaje para determinar el calor de reacción. 56 57 EXPERIENCIA N° 16 EQUILIBRIO QUIMICO. EL PRINCIPIO DE LE CHATELIER 1.- OBJETIVO Se estudiará el efecto de la concentración. el área de exposición, la temperatura y la presencia o ausencia de un catalizador, sobre la velocidad de las reacciones químicas. Establecer relaciones esenciales entra cada uno de estos parámetros y el tiempo en que transcurre la reacción, para obtener determinada cantidad de producto o un determinado efecto. 2.- INFORMACION BASICA. Muchas de las reacciones químicas son reversibles, y no es normal que los reaccionantes formen productos y que estos actúen simultáneamente como reaccionantes. En un sistema cerrado es posible llegar a un estado de equilibrio químico oponiendo reacciones. Este estado se consigue cuando las velocidades de reacción de productos y reaccionantes son iguales. Este se reconoce cuando las propiedades macroscópicas, como es el calor, la presión, o la solubilidad son constantes y cuando hay la energía disponible para producir un trabajo. 3.- MATRIALES Y REACTIVOS. Reactivos K2CrO4 0.1 M K2Cr2O7 0.1 M Sistema A NaOH HCl NH3 H2SO4 Materiales Tubos de ensayo Gradillas Pinzas para tubos de ensayo 1M 1M 2M 1M Sistema B KCNS 0.002 M Fe(NO3)3 0.2M NaHPO4 sólido. 4.- PROCEDIMIENTO. SISTEMA A Sistema de equilibrio del ion Cromato (CrO4)= (ac) ion Dicromato (Cr2O7)= (ac). Ponga en tubos de ensayo separados 5ml de cromato de potasio 0.1 M y soluciones de dicromato de potasio 0.1 M. Observe y anote el color de la solución en cada tubo. 58 Verter 0.5 ml de cada solución en tubos de ensayo separados, luego gota a gota añada NaOH 1 M a cada tubo, hasta que una de ellas cambie de color. Guarde esta para el paso 5. Utilizando soluciones frescas, repita el paso 2, sustituyendo el NaOH por el HCl. Conserve estas para el paso 4 Agregue NaOH 1 M a uno de los tubos del paso 3 hasta un cambio de color. Agregue HCl 1 M en gotas completas, a uno de los tubos reservado en el paso 2, hasta cambio de color. Repita todos los pasos, sustituyendo el NaOH por el NH3 2M y H2SO4 por el HCl. Anote las observaciones. SISTEMA B En ensayos anteriores se mezclaron soluciones de cloruro de hierro III y tiocianato de potasio, y dieron una solución roja. Esta coloración es debida al tiocianato de hierro III hidratado. Est reacción es similar solo que se sustituye el nitrato de hierro con la de cloruro de hierro III. Vierta dos mililitros de tiocianato de potasio 0.002M en cada tubo de ensayo (3) A dos de ellos añada lentamente tres o cuatro gotas de nitrato de hierro 0.2 M Al tercer tubo añada unos cristales de nitrato de potasio. Observe cualquier cambio. A uno de los tubos del paso 2 añada unos cristales de Na2HPO4 (s). Agite el tubo y observe. Luego añada unos cristales de KSCN (s) al tubo de ensayo. Repita el paso 4 con otro tubo, pero luego de observar algún cambio, añada unos cristales de nitrato de hierro en vez de KSCN (s) Añada estos datos en la tabla. 5.- DATOS Y OBSERVACIONES. Sistema A. Cromato = Dicromato De acuerdo con sus observaciones, complete la siguiente tabla. SOLUCIONES PASO I PASO II H2O (l) NaOH (ac) PASO III HCl (ac) PASO IV PASO V OH- (ac) H+ (ac) CrO4= Cr2O7= SOLUCIONES CrO4= Cr2O7= Sistema B H2O (l) NH3 (ac) H2SO4 (ac) Base (ac) Acido(ac) 59 Basándose en las observaciones, complete la tabla siguiente. Soluciones PASO I KSCN (ac) PASO II Fe(NO3)3 PASO IV PASO IV PASOV NA2HPO4(S) KSCN(s) Fe(NO3) T1 U2 PASOIII B3 O N° KNO3 (S) 6.- APENDICE. Balancee la reacción 2 CrO4 =(ac) Cr2O7 =(ac) añadiendo hidrógenos (ac) y agua (l) de acuerdo a la reacción, en donde se necesite. Balancee la reacción CrO4 = (ac) Cr2O7= (ac) añadiendo OH- (ac) y H2O (l) al miembro adecuado de la ecuación. ¿Qué conclusión puede sacar en relación con el equilibrio del ion cromato y de los iones de dicromato y su independencia sobre el hidrógeno y los iones hidróxilo? Fe(NO3)3 (ac) / KSCN (ac) KNO3 (ac) + (FeSCN) (NO3)2 (ac) Escriba la reacción iónica neta para la reacción molecular anterior. ¿Qué observó después de agregar unos cuantos cristales de Na 2HPO4 a la solución de color rojo en el sistema B? ¿Qué iones se reducen en la solución añadiendo Na2HPO4? ¿Cuándo se añadieron iones adicionales de SCN-, Qué observó? Cuando se añadieron cristales adicionales de Fe(NO3)3. ¿Qué observó? Enuncie el principio de Le Chatelier¿ Cómo se relaciona con esta investigación? Escriba los iones respectivos según sus observaciones. IONES REACCIONANTES K +(ac) SCN- Fe+3 NO3- IONES DEL PRODUCTO K + NO3- FeSCN- OTROS TUBO N° 1 2 3 K+(a) NO3- SCN EXPERIENCIA N° 17 60 NEUTRALIZACIÓN 1.-OBJETIVOS. Conocer los fundamentos de una reacción ácido base. Diferenciar un ácido de una base. 2.- INFORMACION BASICA. Se puede definir la Neutralización, como una reacción entre un ácido y una base (álcali) en la que desaparecen las propiedades de los reactivos y los productos de esta son una sal y agua. HCl puede ser neutralizado por el hidróxido de sodio formando cloruro de sodio y agua. HCl + NaOH NaCl + H2O En una reacción de Neutralización el punto de equivalencia, (punto en el que el número de equivalentes de líquido utilizado (bureta) es igual al número de equivalentes de la muestra (matraz) ), este se puede observar utilizando un indicador que cambie de color en este punto. Aquí se completa la reacción. Los indicadores más utilizados son el naranja de metilo, fenolftaleina y el azul de bromocresol, los cuales cambian de color de acuerdo a la concentración del ion hidrógeno de la solución o líquido al cual son adicionados. Son usados para probar la acidez o basicidad de las soluciones y para detectar el punto final de una titulación. Naranja de metilo (amarilla) fenolftaleina (incolora) La mayoría de los indicadores son considerados como ácidos débiles, en los cuales ya se al molécula no disociada o el anión, o ambos son coloreados. HMe rojo =========== H+ + Meincoloro amarillo Cuando añadimos ácido hay un desplazamiento en el equilibrio hacia la izquierda, haciendo que la concentración del Hme sea mayor que la concentración del ion Me y la solución se torna roja. Si es en un álcali el equilibrio será hacia la derecha y sucede lo contrario entonces el color de la solución es amarilla. Para ellos es posible determinar su constante de ionización, así: Hin (ac) ======== H+(ac) + In-(ac) Ka (Hin) = H+ In -/ HIn Lo valores de estas constantes pueden ser obtenidos con la medida del pH de una solución de molaridad conocida para cada indicador. En el cuadro siguiente podemos observar algunas de las constantes de ionización de los indicadores. Indicadores Fenolftaleina Ka a 25°c mol/l 7 x 10-10 pH en el punto final 9.1 61 Azul de bromotimol Litmus Naranja de metilo 1 x 10-7 3 x 10-7 2 x 10-4 7.0 6.5 3.7 El objetivo de toda titulación es determinar los volúmenes precisos de las soluciones que reaccionan. El punto final, es el punto en que la titulación es detenida, y debe coincidir con el punto de equivalencia para las dos soluciones reaccionantes. Para ello se debe tener un cambio agudo de color en este punto, por la adición de una gota, ya sea de ácido o de álcali Para el punto final, HIn = In - Por lo tanto en el punto final, Ka = H+ El pH en el punto final = - log H+ = - log Ka En la tabla anterior podemos ver el pH de los indicadores más utilizados. El cambio de color se debe, al cambio de una forma coloreada a otra en el punto final ambas formas estarán presentes en apreciables cantidades lo que no se puede decir es cuando estas dos formas están en igual concentración. Al ojo no es posible juzgar exactamente el punto final de una reacción de esta clase. El rango de pH, es el rango en el cual el indicador puede cambiar de color. Muchos indicadores parecidos a la fenolftaleína son solubles en agua, y por lo tanto son preparados para su uso en alcohol o en una mezcla de alcohol y agua. Nombre Intervalo de pH Violeta de metilo 0.0 – 1.6 Cristal violeta 0.0 – 1.8 Naranja de metilo 3.2 – 4.4 Rojo de metilo 4.8 – 6.0 Alizarina Rojo neutro etanol 5.6 – 7.2 6.8 – 8.0 Fenolftaleina 8.2 – 10.0 Timolftaleina etanol 9.4 – 10.6 Cambio de color Preparación amarillo – azul 0.01 – 0.05% en agua amarillo – azul 0.02% en agua rojo – amarillo 0.01% en agua rojo – amarillo 0.02% en 60 ml de etanol + 40 ml de agua amarillo rojo 0.1% en metanol rojo – ámbar 0.01 g en 50 ml de incoloro – rosa incoloro – azul + 50 ml de agua 0.05 g en 50 ml de etanol + 50 ml de agua. 0.04 g en 50 ml de + 50 ml de agua El punto final para los indicadores está en el centro de su rango de pH. Este se encuentra cuando un álcali es adicionado a un ácido o viceversa. En el punto de equivalencia el pH debe cambiar agudamente por lo que se debe usar un indicador. El cambio depende grandemente de la fortaleza del ácido o del álcali. 62 Buscar en los libros las gráficas de pH para una solución de amonio 0.1M y HCl 0.1M. De acuerdo con la fortaleza del ácido o la base así debemos buscar en la tabla el indicador necesario para la titulación de estas especies. 3.- MATERIALES Y REACTIVOS. Beaker de 50 ml Beaker de 100 ml Bureta de 25 ml Vidrio de reloj Varilla de agitación Balanza Gotero pH metro.(si lo hay) fenolftaleina Hidróxido de sodio Bicarbonato de sodio Leche de magnesia Vinagre Acido muriático Agua destilada 4.- PROCEDIMIENTO. En un vaso de 100 l, disuelva 1.0g de hidróxido de sodio en 50 ml de agua. Adicione de 3 a 4 gotas de fenolftaleina. Mida el pH de la solución. Retire el electrodo y adicione lentamente vinagre (bureta) hasta un cambio de color en la solución, mida el pH. Realice lo anterior pero utilizando una solución diluida de ácido clorhídrico. (ácido muriático) Mida el pH a las siguientes sustancias; vinagre de cocina, gaseosa, cerveza, leche de magnesia y una solución de bicarbonato de sodio. 5.- PREGUNTAS. ¿A qué se debe la coloración violeta de la solución? ¿Cuál es la coloración que presenta el vinagre cuando adicionamos unas gotas de fenolftaleina? ¿Qué coloración presenta una solución neutra después de adicionarle unas gotas de fenolftaleina? ¿Cómo o con qué neutralizaría usted: vinagre, gaseosa, cerveza?. ¿Cómo determinaría el punto de equivalencia? ¿Utilizando el pH, cómo haría usted una curva de Neutralización? EXPERIENCIA N° 18 PUNTO DE EQUIVALENCIA ENTRE UNA BASE Y UN ACIDO 1.- OBJETIVOS. 63 Observar los diferentes métodos para hallar el punto de equivalencia. Comparar los resultados utilizando varias medidas. 2.-INFORMACION BASICA. La titulación es una forma de análisis volumétrico, donde se mezclan dos soluciones: un volumen de una muestra de concentración desconocida con un volumen conocido del titulante (se añade desde la bureta), hasta que la reacción entre ellos alcance el punto de equivalencia. (Punto final) En estas se utilizan indicadores que marcan el punto final de la misma. Así que conociendo el volumen de los dos líquidos y la concentración de uno de ellos, podemos conocer la concentración del otro. Reacciones ácido – base. Cuando el ácido clorhídrico diluido es adicionado a una solución de sulfuro de sodio se produce sulfuro de hidrógeno. S –2 + 2 H + + 2Cl- ------------ H2S + 2 ClÁcido clorhídrico Aquí vemos que el ácido es un ácido fuerte ya que dona protones a los iones sulfuro para la formación de sulfuro de hidrógeno. En forma alternada podemos decir que el sulfuro es una base mas fuerte que el cloruro y que en la competencia por los protones del sulfuro gana convincentemente. Es decir hay competencia de electrones entre los agentes oxidantes y reductores. Cuando agregamos ácido clorhídrico diluido es adicionado a una solución de benzoato de sodio, se presenta un precipitado blanco de ácido benzoico C6H5COO- (ac) + 2 H + + 2 Cl- -------------- C6H5COOH (s) + Cl- (ac) ion benzoato ácido clorhídrico ácido benzoico C6H5COO- (ac) + H2SO3 ------------ C6H5COOH- (S) + HSO3-(Ac) ion benzoato ácido sulfuroso ácido benzoico Es así, que los dos ácidos son más fuertes que el benzoico. Sin embargo que el ácido acético cuando es adicionado a la solución del benzoato de sodio no hay ninguna reacción aparente. El ácido etanoico no protona los iones benzoato, porque el ácido etanoico es un ácido más débil que el benzoico. En la titulación potencio métrica se determina el pH de una muestra durante una titulación ácido – base. Los dos electrodos del pH- metro se sumergen en la muestra y se va registrando el pH con cada adición de la sustancia titulante. Así es posible conseguir la curva de pH (curva de titulación). Cerca del punto de equivalencia existen cambios muy marcados para pequeñas adiciones de titulante. Este tipo de 64 titulaciones es particularmente útil cuando la muestra es coloreada, haciendo difícil o imposible observar un cambio de color en el indicador pH Volumen del titulante ml. Disociación de ácidos y bases débiles. Ácidos: un ácido típico, HA, al disociarse en agua transfiere un protón de la molécula del ácido a la molécula de agua, dando una solución ácida. HA + H2O H30 + + A- La donación de un protón de la molécula de ácido a la molécula de agua produce un ion negativo que se llama anión (A-). Al escribir la ecuación de equilibrio para la reacción anterior se puede omitir el agua que es un valor constante, y podemos hacer una simplificación al escribir H+ en lugar de la concentración del agua, por lo tanto la ecuación de equilibrio quedaría así: Ka = H+ A- HA Ka esta es llamada constante de ionización del ácido HA y es una constante de equilibrio para la ecuación simplificada de un ácido o ecuación de ionización. HA H+ + AEsta constante nos permite entender con mayor precisión los términos de ácido fuerte y ácido débil el primero es el más disociado en solución y tendrá una constante de ionización bastante grande. Esta indica la fuerza del ácido, entre más grande sea la constante mayor será la fuerza del ácido. Un ácido débil tiene la tendencia a disociase en menor cantidad, y su constante será pequeña. Entre los ácidos fuertes más utilizados tenemos: HCl, HNO3, H2SO4. Estos también se les conoce como electrolitos fuertes. Bases: Los mismos principios se pueden aplicar a las soluciones de las bases. Es una sustancia capaz de aceptar un protón (según Bronsted), la concentración del ion H+ decrecerá en la solución y aumentará la concentración de hidroxilos (OH). Los hidróxidos iónicos de los metales, como LiOH, NaOH, Ba(OH)2, son compuestos que contienen iones hidróxidos en el estado sólido y al disolverse en el 65 agua, los iones quedan en solución. Como estos están completamente ionizados, se les denomina bases fuertes y constituyen un ejemplo de electrolitos fuertes. Encontramos además las bases débiles, formadas por moléculas neutras que al reaccionar con el agua dan iones OH- para dar soluciones ligeramente básica. NH3 + H2O NH4+ + OH- La ecuación de equilibrio para esta se designa por Kb y al considerar que la concentración del agua permanece constante en soluciones diluidas se puede escribir Kb = NH4+ OH- NH3 El valor pequeño de Kb nos indica que el equilibrio está desplazado hacia la izquierda y solamente una pequeña cantidad de amoníaco reacciona con el agua, por lo tanto, al amoníaco se le clasifica como una base débil. Cuando conocemos la constante Kb podemos calcular la posición de equilibrio. Los problemas con Kb se manejan de la misma forma que los que incluyen a Ka. Entre más grande sea el valor de Kb, mayor será la fuerza de la base. B + H2O BH+ + OHácido conjugado y la constante de equilibrio Kb será: Kb = BH4+ OH- B Disociación de ácidos polipróticos. Son compuestos que tienen dos o más hidrógenos ácidos y se disocian en una forma escalonada; por ejemplo, en el caso del ácido diprótico, H 2CO3, cada grado de ionización tiene su propia constante de equilibrio. Para diferenciar las distintas constantes se utilizan subíndices: H2CO3 H+ + HCO3HCO3- H+ + CO3-2 K1 == H+ HCO3- H2CO3 K2 = H+ CO3- 2 HCO3- La constante K1 de un ácido poliprótico es siempre mayor que K 2, de suerte que para calcular el valor de la concentración de hidrógenos basta considerar solamente K1; en otras palabras, el segundo paso en la disociación siempre produce muchos menos hidrógenos que el primero, es decir que K 1 K2 K3 .También se utiliza la primera constante para calcular la concentración del anión que se produce en la primera etapa. 66 3.- MATERIALES Y REACTIVOS. 2 vasos de precipitado de 250 ml 2 erlenmeyer de 250 ml 4 balones aforados de 250ml Pipeta graduada de 10 ml Bureta de 50 ml Varilla de agitación Vidrio de reloj Espátula Gotero Balanza de 0,01 g pH metro Conductivimetro Acido acético Hidróxido de sodio Solución de fenolftaleina Agua destilada 4. PROCEDIMIENTO Preparar soluciones de ácido acético 0.1M 0.1 M de hidróxido de sodio 0.2 M de ácido acético. Determinar el pH y la conductividad inicial de 50 ml de la solución 0.1M de hidróxido de sodio. Agregue 3 gotas de fenolftaleina Agregar desde una bureta, ácido acético 0.1 M a la solución anterior. Determine los pH y la conductividad cuando adicione; 5, 15, 25, 35, 45, 46, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55 y 56 de la solución ácida. Registre los cambios que ocurren. Repita el procedimiento anterior, pero esta vez utilizando ácido acético 0.2 M, haciendo medidas en los siguientes puntos; 5, 10, 15, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 y 35. Registre las observaciones. 5.-PREGUNTAS. Realizar un gráfico de pH (eje Y) contra volumen de ácido acético adicionado (eje X) para cada una de las soluciones. Realice el mismo proceso con los datos de conductividad contra volumen adicionado. De los gráficos anteriores, determine el volumen de Neutralización. ¿Qué volumen obtuvo con el indicador? .¿ Encontró diferencias? 67 EXPERIENCIA N° 19 ENTALPIA DE FORMACIÓN 1. OBJETIVOS Determinar la entalpía de formación del cloruro de amonio sólido, nitrato de amonio o del sulfato de amonio a partir de datos experimentales y literales. INFORMACION BASICA Cuando un cambio ocurre en un sistema químico, el calor es transferido. La cantidad de calor ganado o perdido en una reacción química puede ser calculada de datos experimentales. El calor liberado o absorbido como consecuencia de una reacción química es llamado. La “variación de entalpía” de la reacción y se le da el símbolo ∆H. Por ejemplo, cuando una mol de cloruro de potasio es disuelta en agua, 4.1 kcal de calor es absorbido por el agua y el cloruro de potasio. La entalpía de disolución del cloruro de potasio en agua, ∆H, es entonces de 4.1 kcal/mol. La entalpía de formación de una sustancia (∆H1) es la variación de la entalpía cuando un mol de una sustancia es formada a partir de sus elementos constituyentes en sus estados normales. Las condiciones del estado normal son 25ºC y una atmósfera depresión. La entalpía de cualquier elemento en su estado normal se la ha asignado arbitrariamente el valor de cero. La entalpía normal de formación se designa por ∆Hfº Generalmente los datos de laboratorios para calcular la entalpía de formación directamente no pueden obtenerse, o solo en un equipo complejo. Sin embargo, la entalpía de formación puede calcularse indirectamente usando la ley de la sumatoria de calor constante, algunas veces conocida como Ley de Hess. Esta establece que a presión constante, la variación de entalpía asociada con un proceso es la misma ya sea que la reacción ocurra en una o varias etapas. La variación de entalpía asociada con un proceso no depende de la forma en que se desarrolle la reacción, sino que depende únicamente del estado inicial y final del sistema. Por consiguiente, para un proceso dado las variaciones de entalpías positivas o negativas de las etapas individuales pueden ser sumadas para obtener la variación de entalpía neta del sistema. Por ejemplo: considere la formación hipotética de una sustancia AB como se muestra en el diagrama de la figura. Hay dos formas posibles de reacción para dar la sustancia AB. FORMA 1 : A + B ------- AB FORMA 2 : A + C -------- AC AC + B ------ AB + C A + B ------ AB ∆H2 ∆H1 ∆H2 ∆H3 + ∆H3 AC + C ∆ H2 ∆H3 + B A ∆H AB1 La entalpía de formación de AB por la Forma 1 es dada por ∆H1 , mientras que la entalpía 68 de formación por la Forma 2, es la suma de ∆H2 y ∆H3 . En ambos casos, la entalpía de formación de AB es la misma. La reacción para la formación del cloruro de amonio sólido a partir de sus elementos no puede ser llevada a cabo fácilmente en el laboratorio. Esta reacción puede ser representada por: ½ N2 (g) + 2 H2 (g) + ½ Cl2 (g) ----NH4Cl (s) ∆H1 (Ecuación 1) Donde ∆H1 es la variación de entalpía por mol de cloruro de amonio sólido formado. La formación del cloruro de amonio sólido puede ser considerada como que ocurre en un determinado número de etapas. Teniendo en cuenta cada una asociada a una variación de entalpía como se muestra en la Tabla 1. Esencialmente este procedimiento nos da: ∆H1 = ∆H4+ ∆H7 + ∆H8 + ∆H10 TABLA 1. Variación de la entalpía para la formación del cloruro de amonio sólido. ½ N2 (g) + 2 H2 (g) ----------- NH3 (g) NH3 (g) + H2= (l) ------------ NH3(ac) ½ N2 (g) + 3/ 2 H2 (g) + H2O (l) ----------- NH3(ac) ½ H2 (g) + ½ Cl2 (g) ------------- HCl (g) HCl (g) + H2O (l) ----------- HCl (ac) ½ H2 (g) + ½ Cl2 (g) + H2O (l) ------------- HCl (a NH3 (ac) + HCl ( ac) ------------ NH4Cl (ac) NH4Cl (s) + H2O (l) ------------ NH4Cl (ac) NH4Cl (ac) ------------------- NH4Cl (s) + H2O (l) ∆H2 ∆H3 ∆H4 ∆H5 ∆H6 ∆H5 ∆H8 ∆H8 ∆H8 (Ecua. 2) (Ecua. 3) (Ecua. 4) (Ecua, 5) (Ecua. 6) (Ecua. 7) (Ecua. 8) (Ecua.. 9) (Ecua. 10) Las variaciones de entalpía, ∆H2 , ∆H3 , ∆H5 , ∆H6 pueden ser obtenidas de la literatura . La suma de entalpía 1 y 3 dará el cambio de entalpía 4, mientras la suma del cambio de entalpía 8 y 9 pueden ser calculadas de los datos del laboratorio. Para obtener el cambio de entalpía 10 se invierte la ecuación 9 y se le cambia el signo al cambio de entalpía correspondiente. La aplicación de la Ley de Hess a este sistema para obtener la entalpía de formación del cloruro de amonio sólido ∆H1 , envuelve la suma de las ecuaciones 4,7,8 y 10. ½ N2 (g) + 3/ 2 H2 (g) + H2O (l) ----------- NH3(ac) ½ H2 (g) + ½ Cl2 (g) + H2O (l) ------------- HCl (ac) NH3 (ac) + HCl ( ac) ------------ NH4Cl (ac) NH4Cl (ac) ------------------- NH4Cl (s) + H2O (l) ∆H4 ∆H5 ∆H8 ∆H8 ½ N2 (g) + ∆H1 2 H2 (g) + ½ Cl2 (g) ----NH4Cl (s) (Ecua. 4) (Ecua. 7) (Ecua. 8) (Ecua. 10) (Ecuación 1) 2.1 Calculo de la constante del calorímetro. Cuando una reacción ocurre en un calorímetro, algo del calor transferido de la reacción es absorbido por el. Si una reacción para la cual se conoce la entalpía es realizada en un calorímetro, la diferencia entre la entalpía de la reacción calculada con el cambio de temperatura observado y la entalpía consultada con la literatura para la reacción dará el calor absorbido por el calorímetro. Si este calor es dividido por el cambio de temperatura observado, el número resultante de calorías absorbidas por el calorímetro por grado de temperatura cambia su referencia como la constante del calorímetro.. El número de calorías absorbidas por cambio de grado será esencialmente el mismo para 69 cualquier reacción pasada por un calorímetro, si el volumen de ka solución es aproximadamente igual al utilizado en la determinación de la constante del calorímetro. Además al experimentar usando un vaso de poliuretano como calorímetro no varía apreciablemente cuando la temperatura observada vería por 15ºC. La constante del calorímetro para uno en particular puede ser calculada por los datos experimentales, como se muestra en el siguiente ejemplo: NaOH (ac) + HCl (ac) ------------ NaCL (ac) + H2O (l) La reacción envuelta es representada por la reacción de 100.o ml de HCl 1.00M con 100.0 ml de NaOH 1.05M resultando un ∆T de +6.340 Si asumimos que la solución final contiene solamente cloruro de sodio como Na+ y Cl- y que las entalpías de disolución y de mezcla son despreciables, que puede ser probado experimentalmente, el calor transferido por la reacción es hallada por: Q1 = - (masa de la solución) (capacidad de calor de la solución) ∆T Q1 = -(100.0ml )(1.02 g/ml) ( 0.965 cal/ºCg)(6.340)ºC = 1,250 calorías. Donde 0.965 cal /gºC es la capacidad de calor de una solución de cloruro de sodio 0.5M. Para hallar la entalpía de reacción es este ejemplo, el calor liberado cuando una mol de agua es formada debe ser calculado. Debido a que el ácido clorhídrico es el reactivo limite, 0.1 mol de hidrógenos fue neutralizado, produciendo 0.1 mol de agua con un adicional de 0.05 mol de OH- en exceso. La entalpía para la producción de un mol de agua se halla por: Q1 ∆H = -----------------------------------------Número de moles de agua formada∆H = -1.250 cal / 0.100 mol de agua. ∆H = -12.500 cal / mol de agua. El valor establecido, obtenido de la literatura, para la reacción del ácido clorhídrico y la solución de hidróxido de sodio es – 13600 cal /mol. Por lo tanto la constante del calorímetro puede ser calculada así: -(∆H lit. - ∆Hexp.) K (del calorímetro) = ------------------------------- (moles de agua ) ∆T K = -(13.600 +12500) Cal /gºC ( 0.100 mol) 6.34ºC K = 17.4 cal/ºC TABLA DE REFERENCIA: Capacidades de calor y densidades de mezcla de reacción a 25ºC 70 Solución Concentración Cloruro de amonio 1.00M Nitrato de amonio 1.00 Sulfato de amonio 0.50 Cloruro de sodio 1.00 Agua - Capacidad de calor 0.939 cal/gºC 0.932 0.932 0.932 0.999 Densidad g/ml 1.013 1.029 1.035 1.037 0,997 2.2. Calculo de la entalpía de Neutralización. El cálculo de la entalpía de neutralización puede ser ilustrada a partir de los siguientes datos experimentales: 100 ml de HCl 0.9764 M reaccionan con 100 ml de NH3 0.9862M resultando un ∆T de 5.93ºC. La constante del calorímetro fue hallada del experimento anterior. De nuevo suponemos que la solución final contiene solamente cloruro de amonio como NH4+ y Cl- y que las entalpías de dilución y de mezcla son despreciables: Esa porción del calor liberado en la reacción que es absorbido por la mezcla de la rección para incrementar su temp. Es: Q1 = - (masa de la solución)(capacidad de calor de la solución ) ∆T Q1 = -(200 ml)( 1.01g/ml) ( 0.95 cqal/gºC)(5.93ºC) Q1 = -11.38 calorías. Esa porción de calor liberado en la reacción que es transferido al calorímetro para incrementar su temp. Es: Q2 = - (constante del calorímetro) ∆T Q2 = -(17,4 cal/ºC) (5.93ºC) = -103 calorías. El calor total liberado por la reacción de 100.0 ml de HCl 0.9764M Y 100.0 Ml de amoniaco 0.9862M es : Q3 = Q1 + Q2 = -1138 cal + 103 cal. = -1241 calorías. Para hallar la entalpía de neutralización, el calor liberado cuando una mol de agua se forma debe ser calculado como en el ejemplo anterior: Q3 es negativo debido a que la reacción es exotérmica. En este caso, el HCl es el reactivo limite (0.100 mlx0.9764M) = 0.09764 moles de agua formada. Esto significa también que 0.09784 moles de cloruro de amonio como NH4+ y Cl- han sido formadas en la solución. ∆H (neut,) = Q3 / ( número de moles de HCl) ∆H (neut) = -1.241 cal / (9,76x10-2) moles de HCl ∆H (neut) = -12.700 cal / mol La entalpía de neutralización para HCl – NH3 , -12.700 cal/mol ó 12.7 Kcal/mol, es menor que para HCl – NaOH. La razón para la diferencia en entalpía es que la solución de amoniaco es una base débil, mas no así la solución de NaOH, de tal manera que algo de 71 esta energía es requerida para formar un mol de OH13. Cálculo de la entalpía de disolución de una sal sólida. El cálculo de la entalpía de disolución a partir de datos experimentales puede ser ilustrado por el siguiente ejemplo. Escogemos una cantidad de cloruro de amonio sólido igual a la producida por la reacción entre el ácido clorhídrico y el amonio. Esta cantidad es: La masa de la mezcla de la reacción es = (Vol. Del agua) (densidad del agua) + masa del NH4Cl La masa de la mezcla de la reacción es = (200.0ml) (0.988g/ml) + 5.22 g La masa de la mezcla de la reacción = 205 g El calor transferido por la mezcla de la reacción es: Q1 = -(masa de la solución) (capacidad de calor de la solución ) ∆T Q1 = -(205g) (0.96 cal/ ºC g) (-1.54ºC9 = 303 cal. Donde 0.96 cal/g ºC es la capacidad de calor de una solución NH4Cl 0.5M . Note que de acuerdo al signo convencional adoptado, la ∆T negativa significa que Q1 es positivo, ya que el proceso es endotérmico. El calor transferido del calorímetro debido a que la temperatura disminuye, es: Q2 = -(constante del calorímetro) ∆T Q2 = -(17.4 cal/ºC) (-1.54ºC) = 26.8 cal. El calor transferido por la disolución de 5.22 g de cloruro de amonio en 100 ml de agua es hallado por: Q3 = Q1 + Q2 = 303 + 26.8 cal = 330 cal. Para hallar la entalpía de disolución, debemos calcular el calor transferido cuando una mol de cloruro de amonio es disuelta. Este es positivo ya que este proceso de disolución es endotérmico, La entalpía de disolución se halla por: ∆H (dis) = Q2 / moles de cloruro de amonio. = (330 cal)53.5g/mol) / 5.22g ∆H (dis) = 3380 cal /mol de cloruro de amonio Dos de los valores de entalpía de la tabla han sido evaluados. NH3 (ac) + HCl ( ac) ------------ NH4Cl (ac) NH4Cl (s) + H2O (l) ------------ NH4Cl (ac) ∆H8 = -12700 cal /mol ∆H8 = 3380 cal/mol Si esta última se invierte el signo de la entalpía también se cambia. Así si sumamos las ecuaciones 8 y 10, obtenemos la ecuación para la reacción hipotética. NH3 (ac) + HCl ( ac) ------------ NH4Cl (s) + H2O (l) ∆H8 = 16080 cal /mol 72 En esta experiencia se recolectará el cambio de temperatura con el tiempo para la reacción del amoniaco acuoso con el ácido clorhídrico, nítrico, sulfúrico. A partir de este cambio , la capacidad calórica y la masa de los reaccionantes, calculará la entalpía de neutralización para el sistema. Además recolectará datos de temperatura- tiempo para la disolución del cloruro de amonio, nitrato de amonio, sulfato de amonio. A partir del cambio de temperatura, la capacidad de calor y la masa de la solución resultante, calculará la entalpía de disolución. Entonces combinará estas entalpías experimentales de neutralización y de disolución con las entalpías de formación dadas en la literatura, para el sistema estudiado. Or aplicación de la Ley de Hess, calculará la entalpía de formación del cloruro de amonio sólido, nitrato de amonio o sulfato de amonio. 1. MATERIALES Y REACTIVOS Beaker de 100 ml Probeta de 100 ml Bureta de 50 ml Agitador de vidrio Termómetro Cronometro Vaso de poliuretano con tapa Tapón de caucho Soporte Nuez Pinza Ácido clorhídrico 2M Hidróxido de sodio 2.05M Ácido nítrico 2M Ácido sulfúrico 1M Hidróxido de amonio 2.05M Cloruro de amonio Nitrato de amonio Sulfato de amonio Papel milimetrado regla. 2. PROCEDIMIENTO 4.1 Constante del calorímetro - Medir 50 ml de HCl 2M a temperatura ambiente en una probeta limpia y seca - Viertalo en una taza de poliuretano limpia y seca - Mida 50 ml de NaOH 2.05M a temperatura ambiente y viertalos en un beaker de 100 ml limpio y seco. - Colocar un termómetro en un tapón de caucho - Suspéndalo y sopórtalo por aseguramiento del tapón con una pinza y nuez. - Introduce l bulbo en la solución de la taza de poliuretano, no permita que el termómetro toque las paredes de la taza. - Asegurese que el termómetro está bien colocado - Ajuste la temperatura de la solución de hidróxido por calentamiento o enfriamiento de tal manera que sea igual a la del ácido. - Par un periodo de 5 minutos, mida y registre los datos de tiempo y temperatura para las dos soluciones a intervalos de un minuto - Mientras se agita la solución de ácido, rápidamente vierta la solución de hidróxido al ácido, Esté seguro que la solución de hidróxido haya sido añadida a la solución de ácido. - Registre el tiempo de la mezcla y continúe registrando datos de T- tiempo por un periodo de 15 minutos. - Haga una segunda o una tercera medición si el tiempo se lo permite. - Calcule la constante del calorímetro como se describió en la literatura. 73 4.2 Entalpía de Neutralización. Para esta parte de la investigación, se le asignará un sistema químico. La reacción a estudiar será NH4OH con ácido clorhídrico. Las concentraciones de los ácidos usados serán: HCl 2.00M, HNO3 2.00M, ácido sulfúrico 1.00M. La concentración del hidróxido será de 2.05M. - Medir 50 ml de ácido asignado a temperatura ambiente en una probeta limpia y seca. Viértalos en un vaso de poliuretano limpio. Medir 50 ml de hidróxido de amonio 2.05M a temperatura ambiente y viértalos en un beaker de 100 ml limpio. Ajuste la temperatura del hidróxido de tal manera que sea igual a la del ácido. Por un periodo de 5 minutos registre datos de esta temperatura para las dos soluciones. Mientras agita la solución del ácido vierta rápidamente la del hidróxido. Registre el tiempo de mezcla y siga tomando los datos de tem. –tiempo por un periodo de 15 minutos a intervalos de un minuto. Estos deben ser graficados. Haga otra determinación si el tiempo lo permite. Calcule la energía de neutralización como s explicó en los párrafos anteriores, tomando un mol de amonio y un mol de ácido. 4.3. Energía de disolución La sustancia usada en esta parte será la sal formada de la reacción del amoniaco con el ácido asignado. Calcule la concentración de esta sal en gramos por 100 ml, esta será la masa usada en esta sección. - Colocar 100 ml de agua destilada en un vaso de poliuretano limpio y seco. - Por 5 minutos, registre medidas de tiempo- temperatura del agua destilada a intervalos de 30 segundos. - Mientras agita el agua, añada rápidamente la masa calculada de la sal de amonio. - Registre el tiempo de mezcla y siga tomando datos de T-tiempo por espacio de 15 minutos a intervalos de un minuto. - Debido a que el ∆T para este proceso está entre -1 y -4 ºC la selección de la escala para la ordenada debe tener un rango desde un grado por encima de la temperatura ambiente hasta 5 grados por debajo de esta. - Haga otras determinaciones si el tiempo lo permite. - Calcular la entalpía de disolución de la sal usada como fue descrito anteriormente. 3. CALCULOS. a. Calcular la constante del calorímetro. b. Hallar la entalpía de Neutralización de la reacción asignada. c. Halle ∆T del diagrama de datos temp. – tiempo. d. Calcular la entalpía de disolución de la reacción y sal asignadas. e. Halle ∆T del diagrama de datos temp.- tiempo. f. Calcular la entalpía de formación. Aplicando la Ley de Hess para las tres reacciones asignadas. La reacción para el cloruro de amonio es: ½ N2 (g) + 2 H2 (g) + ½ Cl2 (g) ----NH4Cl (s) ∆H1 (Ecuación 1) Estos cálculos pueden ser hechos pro: La suma de las entalpías de la reacción 4 + la entalpía de la reacción 7 + la entalpía de la reacción 8 + la entalpía de la reacción 10. 6. PREGUNTAS. 74 - Dado : ½ N2 (g) + 3/ 2 H2 (g) ----NH3 (g) ∆H = -11.04 Kcal/mol ½ N2 (g) + ½ Cl2 (g) ----HCl (g) ∆H = -22.063 Kcal/mol Hallar la entalpía para NH4Cl (s) == NH3 (g) + HCl (g) Si para la reacción 1 la ecuación es : NH4+ (g) + Cl- (g) === NH4Cl (ac) Hallar la entalpía para la reacción del cloruro de amonio sólido. HOJA DE DATOS. Nombres ____________________ ____________________ ____________________ ___________________ _ 1. Constante de equilibrio Tiempo Temp NaOH 0 1 2 3 4 5 6 Mezcla 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Temp. HCl 2. Entalpía de Neutralización Tiempo Tempera. NH3/H2O 0 1 2 3 4 5 6 Mezcla 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Fecha: ____________________ Temp. Mezcla Temp ácido Temp. Mezcla 75 3. Entalpía de disolución Tiempo Temp. Agua Temp. Mezcla 0 1 2 3 4 5 6 Mezcla 7 8 9 10 11 12 13 14 PRACTICAS OPCIONALES O PARA TRABAJO DE LOS ESTUDIANTES. 76 TRABAJO Nº 1 ¿CUÁNTA PRESION SE NECESITA PARA FORMAR LAS PALOMITAS DE MAIZ? 1.- INFORMACION BASICA A la presión que ejercen sobre los objetos las moléculas de los gases en la atmósfera se le llama presión atmosférica. Se necesita llenar con una cantidad mayor de aire el interior de un globo o bomba par que este se infle o expanda. Esto ocurre porque la presión interna aumenta sobre la externa, haciendo que el globo se expanda para que el gas ocupe un volumen mayor y así lleguen a equipararse las presiones. La diferencia entre la presión interna y la externa es la que hace que el globo se infle. Al soplar mas aire dentro del globo (aumentar el número de moles) a un volumen dado, V, se crea una presión interna, P, mayor que la externa (atmosférica). Para equiparar las presiones el globo expande (aumenta el V) de manera que la razón del nuevo valor de n al nuevo valor de V sea la misma P. Muchas explosiones ocurren al llevarse a cabo reacciones muy rápidas y exoenergéticas que liberan grandes cantidades de gases, como, por ejemplo el bombazo del Oklahoma. Al expandirse el gas y chocar estas moléculas con alta energía contra el edificio ocasionó su destrucción. Note en la ecuación siguiente la gran cantidad de moles de gases que se generaron en esa explosión a partir de reaccionantes sólidos y líquidos que ocupan poco volumen. 31 NH4NO3 (S) + C10H22(l) ----------- 31 N2 (g) + 73 H2O (g) + 10 CO2(g) + CALOR. hay diferentes tipos de maíz. Algunos se comen directo de la mazorca, otros se usan en granos para ensaladas y otros secos son los que se usan para los “pop corn”, estas se forman al crearse una presión interna que hace explotar el grano. Entre las diferentes clases de maíz para pop corn hay variaciones en la dureza de la cáscara y su contenido de agua. Diseñaremos un experimento para determinar la presión que aguanta la cáscara de un maíz antes de explotar y convertirse en pop corn. El contenido del maíz es principalmente almidón y éste se mantiene inalterado antes y después de explotar. Solo cambia su aspecto físico. Es algo así como el cambio que ocurre al abrir una sombrilla: la masa y el material sigue siendo el mismo, pero ocupa más volumen al abrirse. El gas que creará la presión interna en el maíz es agua. 2.- PROCEDIMIENTO. El experimento se llevará a cabo en grupos de tres estudiantes. Cada uno debe participar activamente en este proceso, para el diseño de una técnica para llevar a 77 cabo la experiencia. Para ello es necesario que busquen algunos datos necesarios para determinar la presión interna de la semilla antes de explotar. 1.-Usando la ecuación de estado PV = nRT, debemos conocer los valores de n, V, T, del agua al momento de explotar. ¿Qué experiencia llevarías a cabo o como lo harías para determinar cada una de estas variables? R = 8,205X10-2 atm.L/mol.K n (moles de agua dentro de la semilla) T(aproximada dentro de la semilla) La determinación de esta es difícil. En este experimento se presume que la temperatura es de 225 grados centígrados. V(aproximado dentro de las semillas) 2.- ¿Cuántas semillas debes usar para realizar el experimento? 3.- ¿Qué envase de laboratorio usarás para llevar a cabo el experimento? 4.-¿Qué precauciones especiales debes tomar para que los datos numéricos que obtengas sean los mas correctos posibles? a) al determinar el valor de n (moles de agua) b) al determinar el valor del V(volumen de las semillas) Discutir con el instructor la metodología que plantea el grupo. Lleva a cabo el experimento de acuerdo a lo planificado y aprobado por el profesor. 3.- PREGUNTAS. ¿Cómo afectarían los datos experimentales si no todas las semillas explotan? ¿Qué correcciones harías a tu experimento si esto pasase? ¿Afectaría el experimento si los pop corn se queman luego de explotar? ¿Cómo afectaría al resultado del valor de la presión? Una vez terminado el experimento y obtener los datos necesarios, calcular el valor promedio de la presión del pop corn al explotar. Prepárate para hacer una exposición de la misma. Evalúa los factores que pudieron afectar sus resultados. 78 TRABAJO Nº 2 IDENTIFICANDO UN DESCONOCIDO 1.- INFORMACION BASICA Se te entregará un sólido blanco que podría ser NaHCO 3, KHCO3 o CsHCO3. Tu Tarea es identificar este desconocido por una reacción química conocida. Al combinar los carbonatos con un exceso de ácido sulfúrico se forma bióxido de carbono como uno de sus productos. Completa y balancea la siguiente reacción química general considerando que M puede ser, Na, K o Cs. MHCO3 (ac) + H2SO4 (ac) 2.- PRECAUCIONES. El ácido sulfúrico es corrosivo, evita que el mismo toque tu piel. Si le cae en la piel remuévalo de la parte afectada con abundante agua. No importa que tan pequeña sea esta, debes exponer la piel al agua durante 15 minutos. 3.- DISEÑO EXPERIMENTAL. Diseña detalladamente un experimento basado en la reacción anterior, que permita determinar la identidad del desconocido. Detalla cuidadosamente como debe llevarse a cabo la experiencia, los datos cuantitativos que se deben obtener y cómo estos datos serán analizados. 4.- PREGUNTAS GUIAS ¿Cuántos gramos del bicarbonato serían apropiados utilizar? ¿A cuántos sitios decimales necesitas conocer la masa? ¿Cuántos ml de ácido 4M se requieren – como mínimo – para que todo el bicarbonato reaccione? ¿Cómo determinarías la masa del CO2 que se genera en esta reacción? Sugiere al menos dos maneras en que puedes determinar la masa del bióxido de carbono y escoge aquella que sea la mas adecuada para llevarse a cabo en este experimento. ¿Qué datos experimentales y qué cálculos necesitas hacer para identificar el desconocido? Describe el procedimiento experimental que seguirás en el laboratorio. 5.- PREGUNTAS DE SEGUIMIENTO. 79 ¿Será posible determinar la identidad del desconocido si la incertidumbre de la medidas hechas con la balanza fuese de 0.2 g? Si el desconocido fuese bicarbonato de calcio, ¿Qué masa de CO2 se hubiese producido si 2.00 g del desconocido hubiese reaccionado con exceso de ácido? ¿Cuál será la fórmula empírica de una sustancia que se compone de 20% de calcio y 80% de bromo? Si por error el instructor te hubiese entregado el carbonato en vez del bicarbonato del metal desconocido (M2CO3 en vez de MHCO3) ¿Cómo esto hubiese afectado tu resultado? Si el desconocido hubiese sido el Ba(HCO3)2 en vez de los posibles desconocidos en este experimento, ¿Cómo esto hubiese afectado tu resultado? 80 TRABAJO Nº 3 ACTIVIDAD DE LABORATORIO PARA DISTINGUIR ENTRE DOS SALES USANDO METODOLOGIAS SENCILLAS. 1.- PROBLEMA En un laboratorio un químico manipula unos recipientes con reactivos; luego de una distracción, observa que los envases no se encontraban rotulados. El químico sólo sabe que los recipientes contienen una de dos sales: sulfato de potasio (K2SO4) o cloruro de sodio (NaCl). Explique con argumentos, cómo puede usted basarse en observaciones y pruebas de laboratorio para determinar el contenido de los envases. Trabaje independientemente y describa su experimento, incluyendo metodología y bases teóricas. Algunas referencias, notas de clases e información para actividades de laboratorio, pueden ser usadas. El objetivo de esta práctica es realizar una actividad en el cual el estudiante genere su propia metodología para desarrollar un problema, utilizando el método científico. 2.- PROCEDIMIENTO Usted debe solucionar el problema realizando una guía de laboratorio, metodología, etc. para poder diferenciar las dos sales. Su informe debe presentarlo al profesor con anterioridad a la práctica. El contenido de este incluye los fundamentos teóricos en los cuales se basará para diferenciar las dos sales, los materiales y los reactivos, los procedimientos y las preguntas escritas y desarrolladas por usted mismo. Buena suerte. 81 TRABAJO Nº 4 LEY DE BOYLE 1.-OBJETIVOS. Hacer medidas del cambio de volumen de un gas, con cambios de presión a una temperatura determinada, para comprobar la Ley de Boyle. 2.-INFORMACION BASICA La ley de Boyle fue anunciada en 1660 por Robert Boyle, quien por un experimento sencillo halló que un volumen de aire confinado en un tubo de vidrio sobre el cual se podía ejercer presión, varía inversamente con el cambio de la misma, permaneciendo la temperatura constante. Luego trabajó con otros gases y observó el mismo comportamiento. Esto lo llevó a formular la ley que lleva su nombre la cual dice: “El volumen de una masa dada de un gas cualquiera a temperatura constante varía en razón inversa de la presión, o que el producto del volumen por la presión de una masa de gas es constante a una temperatura constante”. Matemáticamente la podemos expresar así: P = Kmt 1/V Donde: ó PV = Kmt P = presión total V = Volumen Kmt = Constante que depende de la masa y de la temperatura. En el desarrollo de esta práctica encerramos un volumen de aire en un aparato de Boyle y tomaremos las variaciones de presión y sus respectivos volúmenes a presiones menores y mayores que la presión atmosférica. La temperatura será la del ambiente y se mantendrá constante durante todo el experimento. (ver fig.) DESCRIPCION DEL EQUIPO: La masa de aire se confina en un tubo calibrado (A). Está conectado por una unión metálica al extremo de una manguera de caucho, que contiene suficiente mercurio. Por medio de la uniones metálicas (BB’) se conectan los tubos abierto y cerrado a través de abrazaderas anulares que se pueden mover verticalmente sobre los soportes metálicos (C) que permite mantener los tubos de vidrio en la posición deseada. Entre los soportes metálicos está una escala milimétrica (D). Por medio de ella y 82 un aditamento se obtienen las lecturas de los niveles de mercurio en ambos tubos. El aditamento de lectura consiste en n cursor que se desplaza a lo largo de la escala milimétrica, al que está unido un espejo (E) con una raya horizontal en el centro para eliminar el error de paralaje y un vernier (F). El aditamento se mantiene en cualquier posición por medio de un resorte de fricción. La abrazadera tubular está provista de un tornillo con ajustes, por medio del cual se ajustan los niveles de mercurio en los tubos, las lecturas se pueden tomar con aproximaciones de 0,1 mm. 3.-MATERIALES Y REACTIVOS. Aparato de Boyle, termómetro y barómetro. 4.-PROCEDIMIENTO. - - - Lea la presión atmosférica al comienzo y al final en el laboratorio. Lea la temperatura ambiente del laboratorio. Coloque el equipo en un sitio donde haya buena luz que permita la lectura clara de las escalas. Lleve a un mismo nivel el mercurio en ambos tubos. Cierre la válvula del tubo cerrado y pruebe si hay escapes, disminuyendo y elevando la presión lo más que permita el aparato. Deje que el equipo permanezca en estas condiciones unos minutos y observe si hay o no cambios en los niveles de mercurio; si no hay cambios proceda a la toma de lecturas. Con la presión en el tubo cerrado tan bajo como se pueda, haga la primera lectura, leyendo el volumen en el tubo cerrado y los niveles de mercurio en ambos tubos. Haga una serie de 10 lecturas para varios rangos de presión, desde, el más bajo hasta el más alto posible, variando el volumen de 0,5 ml Haga las variaciones lentamente para evitar cambios de temperatura, evite derramar el mercurio por el tubo abierto. Reporte los datos en la hoja de datos. 5.-CALCULOS. Calcule la diferencia de altura de la rama abierta y la cerrada para cada una de las lecturas. (P) Calcule la suma algebraica de la presión barométrica con las diferencias de altura en mm Hg para cada una de las lecturas. (B+P) Calcule la suma anterior en atmósferas. Calcule el volumen en cc, páselos a litros, para todas las lecturas. Calcule el inverso del volumen en litro para cada una de las lecturas. Calcule el producto PV en atmósfera. Litro Calcule el promedio del producto PV de acuerdo al número de lecturas tomadas. Reporte todos los datos en su hoja. 6.-PREGUNTAS Haga un gráfico de presión vs. Volumen (ordenada, abscisa). 83 Haga un gráfico de presión vs. Inverso de Volumen, comenzando la escala en cero. Haga un gráfico de presión adicional e inverso del volumen. Escoja el eje P cerca del centro de la página y asegúrese que P se extienda a más de 770 mm por debajo del eje, en la escala 1/V comience en cero. Determine la presión barométrica por extrapolación y compare su valor con la leída en el barómetro. Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Rama Rama Difere Presió Presió Volum Volum Invers Const abierta cerrad ncia n total n en en en o ante. , mm a mm Ra-Rc Mm Atm cc Litros 1/V en PV Hg Hg Hg litros Atm. Litro. 84 85 86 87
