Ley de la conservación de la masa. Karen Yamile Jamioy Jamioy (Cod.215140130), Abel de Jesús Rivera Córdoba (Cod.216140135) y Juan Camilo Telpiz Rodríguez (Cod.216140147). Laboratorio química fundamental I, Prof. Sonia Ximena Jojoa; Departamento de química, Facultad de ciencias exactas y naturales, Universidad de Nariño. 06 mayo de 2017
Resumen:
Se llevó a cabo un proceso para comprobar que la ley de la conservación de l a masa se cumple par todo todo caso, es decir que “la materia no se crea ni se destruye, solo solo de transforma” se realizó el ciclo del cobre, en el que se pudieron observar los diferentes compuestos que formar el cobre libre dentro del proceso, también se pudieron evidenciar cambios físicos y químicos, este elemento sufre transformaciones cambiando su aspecto, presentación y forma cuando es mezclado, así estas reacciones de los compuestos formados permiten realizar la recuperación del cobre al final de la práctica. Palabras claves: Conservación de la masa, reacciones químicas, reacciones redox,
transformaciones. Introducción: La ley de conservación de la masa es una de las leyes más fundamentales en todas las las ciencias naturales. naturales. Fue elaborada por Mijaíl Lomonósov en 1745 y por Antoine Lavoisier en 1785. Esta ley es fundamental para una adecuada comprensión de la química. Lavoisier manifestó que si tenemos en cuenta todas las sustancias que forman parte en una reacción química y todos los productos formados, nunca varía la masa. Esta es la ley de la conservación de la masa, que podemos enunciarla, pues, de la siguiente manera: "En toda reacción química la masa se conserva, esto es, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos"
Una reacción química es un proceso p roceso por el cual una o más sustancias, llamados reactivos, se transforman en otra u otras sustancias con propiedades diferentes, llamadas productos. En una reacción química, los enlaces entre los átomos que forman los reactivos se rompen. Entonces, los átomos se reorganizan de otro modo, formando nuevos enlaces y dando lugar
a una o más sustancias diferentes a las iniciales. A la representación simbólica de cada una de las reacciones se le denomina ecuación química. Los productos obtenidos a partir de ciertos tipos de reactivos dependen de las condiciones bajo las que se da la reacción química. Los productos pueden variar teniendo en cuenta las condiciones, determinadas cantidades permanecen constantes en cualquier reacción química. Estas cantidades constantes, las magnitudes conservadas, incluyen el número de cada tipo de átomo presente, la carga eléctrica y la masa total. Existen varios tipos de reacciones químicas una de ellas es el proceso de unión que se establece entre dos átomos de electronegatividad muy distintas, en el cual ocurre una transferencia de uno o más electrones, generalmente desde un elemento metálico hacia otro no metálico. En este tipo de enlace un átomo cede electrones, quedando con carga positiva, y el otro átomo acepta electrones, quedando con carga negativa. Las reacciones redox, o de oxidación reducción, son aquellas en que cambia el estado de oxidación de alguno de los átomos. La especie en la que aumenta el estado de oxidación ha sido oxidada, y es el reductor de la reacción, mientras que la especie en la que disminuye el estado de oxidación ha sido reducida (y es el oxidante de la reacción. Algunas reacciones van acompañadas de cambios visibles como desprendimiento de gases, formación de precipitados o cambios de color y en algún caso, de un cambio detectable de la temperatura de la disolución. En química, la estequiometria es fundamental ya que es el cálculo de las relaciones entre los reactivos y productos en el transcurso de una reacción química. Esta se encarga de estudiar cuantitativamente los reactivos y productos involucrados en las reacciones qu ímicas, que son procesos mediantes los cuales los reactivos cambian para formar uno o más reactivos diferentes. Para que las ecuaciones químicas, se encuentren balanceadas, deben cumplir la ley de conservación de la materia, que nos dice que la misma cantidad de átomos de cada elemento que se encuentra en los reactivos debe estar en los productos, para esto se utilizan los coeficientes estequiométricos que son los que indican la proporción en la que se encuentran. [1] Resultados: Ensayo 1: Las reacciones involucradas en el proceso de recuperación del cobre: Reactivos 1. Cu + 4HNO3 2. Cu(NO3)2 + 2 NaOH 3. Cu(OH)2 + calor 4. CuO + H2SO4 5. CuSO4 + Zn Tabla 1. Reacciones
Productos Cu(NO3)2+ 2NO2(g) + 2H2O 2 Na(NO3) + Cu(OH)2 CuO + H2O CuSO4 + H2O Cu + ZnSO4
Tipo de reacción Descomposición Doble sustitución Descomposición Doble sustitución Simple sustitución
que se llevaron a cabo a lo largo de la práctica del ciclo de cobre.
Análisis y discusión de resultados:
En esta práctica mediante el uso de distintas técnicas de separación, se observaron distintas reacciones en el ciclo del cobre, el cobre es un elemento químico representado con las letras
“Cu”, es un metal rojo, muy blando, dúctil, maleable y es el metal conductor de electricidad, forma parte de los metales de transición, presenta los siguientes estados de oxidación 1+ (cuproso), 2+ (cúprico), es también frecuente 3+ ocurre solo en compuestos inestables. Por medio del experimento se pudo formar varios compuestos, iniciando con cobre solido que dieron lugar a otras sustancias que son los siguientes: nitrato de cobre, hidróxido de cobre, oxido de cobre y sulfato de cobre. Todos los compuestos mencionados están compuestos por enlaces iónicos, los cuales se refieren a fuerzas electrostáticas que existen entre iones con cargas opuestas, donde los iones se forman por transferencia de uno o más electrones de un átomo a otro. Estos procesos consecutivos permitieron la transformación del metal a partir de mezclas, combinación entre otros factores que ayudaron a obtener la recuperación al final del cobre y así comprobar la ley de la conservación de la masa. [2] 1. Obtención de nitrato cúprico. En primer lugar, se colocaron 0,200 gramos de alambre de cobre en un vaso de precipitado, y se transformó en nitrato de cobre. Esto ocurrió tras agregar 1ml de ácido nítrico (14M) al vaso; se observó que el líquido se tornó azul verdoso, además hay un desprendimiento de un gas de color anaranjado que es dióxido de nitrógeno, finalmente el alambre se desintegra y se observa una solución acuosa. Lo dicho anteriormente se lo pude explicar con la siguiente reacción química:
Cu(s) + HNO3(ac) → Cu(NO3)(ac) + NO2(g) + H2O(l) La reacción anterior es una reacción de desplazamiento, para b alancearla se utiliza el método de ion – electrón, para esto se realiza el siguiente proceso: Semireaccion de oxidación: Cu0 → Cu2+ + 2eSemireaccion de reducción: (N5+O3- + 1e- + 2H+ → N3+O2- + H2O) * 2 Reacción iónica neta: Cu0 + 2NO3- + 1e- + 4H+ → 2Cu2+ + 2NO2-+ 2H2O Reacción global: Cu(s) + 4HNO3(ac) → Cu(NO3)2(ac) +2NO2(g) + 2H2O(l)
Cu(s) + 4HNO3(ac) → Cu(NO3)2(ac) +2NO2(g)+ 2H2O(l) ( R eacción1: Reacción de cobre más ácido nítrico) En la reacción 1, el cobre se oxida y libera dos electrones que son capturados por el ácido nítrico, por lo anterior el ácido nítrico se reduce, quedando finalmente un produ cto compuesto por nitrato de cobre, dióxido de nitrógeno y agua. Con la reacción de la ecuación 1, se procede a realizar los siguientes cálculos estequiometricos: 0,200 Cu∗
,
= , 00315 ( )
1 HNO3∗
*
L
= 0,014 HNO3
( )
Con los cálculos anteriores, se determina que el reactivo limitante es el cobre por lo tanto se pude encontrar el número de moles de los productos resultantes de la reacción:
O, 00315molCu ∗ , 00315 ∗
()
= 0,00315 Cu(NO3)2
= 0,0063mol NO2
2. Obtención de hidróxido cúprico. Para la obtención de hidróxido cúprico (Cu(OH)2(S)) a la solución anterior se le adiciona 2mL de hidróxido de sodio (NaOH(ac)). En esta reacción el nitrato cúprico que se encuentra disuelto en la solución reacciona con hidróxido de sodio, en donde todos los cationes y aniones se disocian como nos indica la siguiente reacción: Cu(NO3)2(ac) + 2NaOH(ac) → Cu(OH) 2(S) + 2NaNO3(ac) Cu2+(ac) + 2NO3-(ac) + 2Na+(ac) + 2OH-(ac) → Cu(OH) 2(S) + 2Na2+(ac) + 2NO3-(ac) Cu2+(ac) + 2OH-(ac)
)
→
Cu(OH) 2(S)
Para entender la formación de Cu(OH)2(S),debemos analizar las diferentes ecuaciones resultantes de la reacción. Esta reacción es una reacción de precipitación y de doble desplazamiento, los iones disueltos de hidróxido de sodio y nitrato cúprico, se intercambian y se unen al otro compuesto formando dos compuestos como lo indica la ecuación #. De acuerdo a las reglas de solubilidad de solidos iónicos, los nitratos son solubles, por esta razón NaNO3(ac) se encuentra disuelto en sus iones pero Para el caso de los hidróxidos, estos son insoluble, por esta razón el hidróxido de cobre precipita y se encuentra como un sólido insoluble de color azul.
3. Obtención de óxido de cúprico. Al calentar el hidróxido cúprico, se deshidrata y se oxidó formando óxido cúprico y agua, el óxido de cúprico se encuentra en estado sólido y cambio de color azul a color café en forma de sólido como precipitado y el agua. Se presenta un cambio químico de descomposición, se clasifica como descomposición simple, en este caso la descomposición de hidróxido de cobre que produce como resultado el oxido cúprico (color café), reacción exotérmica.
Cu2+(OH)-2 (s) + calor → Cu2+O2-(s)+ H1+2O2-(l) ( R eacción2: Hidróxido cúprico + calor)
No se considera una reacción redox porque no se evidencia perdida, ni ganancia de electrones en la reacción química que se produjo. 4. Obtención de sulfato cúprico. Al añadir ácido sulfúrico al óxido de cúprico, se obtiene el compuesto de sulfato de cobre de un color azul claro, este compuesto es una sal soluble en agua, se utiliza ácido sulfúrico y este hizo que se creara una reacción de doble desplazamiento entre un oxido metálico y un ácido para formar la sal correspondiente al sulfato de cobre, ya que hay un intercambio entre los cationes de los compuestos reactantes, es decir, el catión cúprico (Cu2+) se une al anión sulfato (SO4 2-) para dar como primer producto de la reacción el sulfato de cobre II o sulfato cúprico CuSO4 y al mismo tiempo el catión hidronio H+ se une a un anión O2- para dar como segundo producto el agua. Se formaron sales de sulfato de cobre con el color azul, el resultado se manifiesta primero con la desaparición del precipitado café de CuO y el segundo con la coloración azul que adquiere la solución debido a que existe una disolución completa por parte del precipitado.
Cu2+O2-(s)+ H1+SO42- (ac) → Cu2+SO42- (ac)+ H1+2O2-(l) ( R eacción3: Reacción de Óxido de cobre + ácido sulfúrico)
No se considera una reacción redox porque no se evidencia perdida, ni ganancia de electrones en la reacción química que se produjo. 5. Obtención de cobre metálico. En la etapa final para la obtencion de cobre metalico se coloco 3 granallas en la solucion anterior en las que se encuentra disuelto el sulfato de cobre, estos reaccionan y se obtiene el cobre metalicoy sulfato de zinc la ecuacion de esta reaccion es la siguiente : CuSO4 + Zn
→ Cu
+ ZnSO4
La reaccion anterior es una reaccion de desplazamiento de un metal y de oxidacion reduccion. El zin metalico desplaza al cobre el cual actua como agente oxidante, aceptando dos electrones, que son sedidos de el zinc que a su ves actua como agente reductor, esta reaccion se lleva a cabo por importantes propiedades como la serie de a ctivacion que esta dado por la facilidad de seder elctrones y que en el caso de el zinc que esta en estado libre permitira el desplazamiento del cobre para asi poder obtener cobre metalico, el cual se separa desechando el liquido el cual contiene sulfato de zinc y se lleva a la estufa para obptener el cobre a sequedad, que se encuentra en estado solido. las semireacciones que se llevan acabo en esta reaccion y las que nos permiten entender que ocurren son las siguientes son las siguientes: Oxidacion:
Zn0(ac)
→
Zn2+(ac)
+
2e-
Reduccion:
2e- + Cu2+(ac)
→
Ecuacion neta: Zn0(ac) + Cu2+(ac)
Cu0(ac) →
Cu0(ac) + Zn2+(ac)
Conclusiones:
Como se pudo observar que las reacciones químicas se produce cuando hay una modificación en la identidad química de las sustancias intervinientes; es por eso que no se puede identificar a las mismas sustancias antes y después de producirse la reacción química, teniendo en cuenta que los reactivos se consumen para dar lugar a los productos. Así podemos decir que los cambios químicos son aquellos que afectan las propiedades químicas de la materia. Ocurren por medio de reacciones químicas. Mediante el uso de distintas técnicas de separación, se puede observar distintas reacciones en este caso para la práctica se realizó el ciclo del cobre. Estos procesos consecutivos permitieron la transformación del metal, y su recuperación al final del experimento, para así comprobar la ley de la conservación de la masa y podemos concluir que si se cumple ya que iniciamos con 0,20 g de cobre y al final de todo el proceso recuperamos 0,19 lo que quiere decir que perdimos 0,01 de muestra, teniendo en cuenta la pérdida del precipitado al filtrar, , no evaporar por completo la disolución final, dejar residuos de los compuestos ya que al trasvasar a otro material de laboratorio se debió qu edar algo de muestra en alguno de estos. Se hizo relación de las propiedades de la estequiometria con los principios de nomenclatura, reconociendo y aplicando los principales métodos para formar compuestos químicos teniendo en cuenta la ley de la conservación de la masa. Mediante la observación, que fue fundamental en esta práctica de laboratorio, se pudo elaborar un informe cualitativo sobre la formación de compuestos químicos, ya que a medida que las reacciones químicas se producían se podían mirar a simple vista los cambios de color, precipitados, solubilidad, insolubilidad, con esto datos podíamos saber que las reacciones se producían de acuerdo a las condiciones, como lo fue la temperatura al someterla a calor, presencia de sustancias ácidas, agua, también presentaron cambios de estados de oxidación al reaccionar, teniendo en cuenta los tipos de reacciones redox. El cobre puede ser sometido a una serie de reacciones específicas y aun así se puedo ser recuperado casi en su totalidad. Cuestionario:
1.
Cuando
se
de
aluminio,
de
cromo
hace se
que
reaccionar 250 forma
se
cromo
g
y
de
trióxido
óxido
de
de
aluminio.
dicromo ¿Cuál
con es
100 la
masa
obtiene?
Masas atómicas relativas: O = 15.999; Al = 26.981; Cr = 51,996 Ecuación química ajustada: Cr 2O3 + 2 Al → 2 Cr + Al2O3 Calcula las masas molares: M (Cr 2O3) = 151.881 g; M (2Al) = 53.962 g Las cantidades de sustancia iniciales son:
250 g Cr2O3 ∗
1 mol Cr2O3 151,881 g Cr2O3
100 g Al ∗
2 mol de Al 2(26,981 g )Al
= 1,65 mol Cr2O3
= 3.71 mol Al
Se calcula el reactivo limitante:
1,65 mol Cr2O3 ∗ 3,71 mol Al ∗
2 mol Cr 1 mol Cr2O3
2 mol Cr 2 mol Al
Reactivo limite Cr 2O3
= 3,3 mol Cr
Reactivo exceso Al
= 3,71mol Cr
Para calcular la masa de Cr a partir de la masa del reactivo limitante, el C r 2O3.
250 g Cr2O3 ∗
1 mol Cr2O3 151,881 g Cr2O3
∗
2 mol Cr 1 mol Cr2O3
∗
51,996 Cr 1 mol Cr2
= 171 g Cr
La masa de cromo que se obtiene es de 171 g. 2.
El butano,
de
carbono
di oxígeno,
y
C4H10, agua. ¿qué
Se masa
se
combina
hace de
con
el
reaccionar 23 CO2
se
oxígeno para
formar dióxido
g
con
de butano
desprenderá?
Escribe la ecuación química ajustada: 2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O Calcula las masas molares de: M (C4H10) = 58,123 g; M (O2) = 31,998 g Las cantidades de sustancia iniciales son:
96
g
g
de
23 g C4H10 ∗
2 mol C4H10 = 0,40 mol C4H10 2(58,123 g)C4H10
96 g O2 ∗
13 mol O2 13(31,998 g )O2
= 3,00 mol O2
Se calcula el reactivo limitante:
0,40 mol C4H10 ∗
8 mol CO2 2 mol C4H10
= 1,6 mol CO2
Reactivo limite C4H10
Reactivo exceso O2
3,00 mol O2 ∗
8 mol CO2 13 mol O2
= 3,3 mol O2
Para calcular la masa de CO2 a partir de la masa del reactivo limitante, el C 4H10:
23 g C4H10 ∗
2 mol C4H10 2(58,123 g)C4H10
∗
8 mol CO2 2 mol C4H10
∗
44,009 2 1 mol CO2
= 70 2
La masa de CO2 que se desptrendera es de 70 . Referencias:
[1]Chang, R. (2010). Química (Décima ed.). McGrawHill. [2]Cuestiones Redox (n.d.). In Educación Social UNED. Retrieved February 19, 2013, from http://webs.ono.com/tomas_mata/cuestiones_problemas_redox.pdf
