Informe N°1 Análisis Químico

Facultad de Ingeniería Geológica, Minera y Metalúrgica

INTRODUCCIÓN En la primera práctica desarrollada el alumno trabajó y reconoció, a través de las llamadas “Marchas Analíticas”, de los 5 grupos de cationes (I, II, III, IV y V); se familiarizó con ellos e inició el camino que lo llevará a través de los próximos laboratorios a trabajar y consolidar todas las definiciones que asimilará durante sus clases teóricas. Es así que este primer laboratorio de Análisis Químico: “SEPARACIÓN DE CATIONES POR GRUPOS” se ha convertido en el punto de partida de futuros trabajos en relación a los grupos de cationes, su identificación, aspectos físicos y químicos resaltantes y particulares; y es la base para el desarrollo del fututo profesional. En la práctica se estudió las reacciones características que se producen al añadir determinados reactivos sobre la muestra brindada por el docente, que contiene a los cationes del grupo I, II, III, IV y V , así se desarrolló hasta llegar a la meta planteada: lograr separar los 5 grupos de cationes y observar la característica primordial de cada uno.

OBJETIVOS

Separar e identificar los cationes del primer, segundo, tercero, cuarto y quinto grupo de una muestra brindada en el laboratorio. Reconocer el reactivo precipitante para cada uno de los grupos de cationes. Comprenderla clasificación, basada en las distintas solubilidades de los cloruros, sulfuros, hidróxidos y carbonatos, que distingue por grupo a los cationes a través de los precipitados (y sus colores) ya mencionados. Reconocer el medio en el cual el análisis se tornará favorable, ya sea éste básico o ácido. Familiarizarnos con las bases prácticas de la aplicacióndel análisis químico en la industria.

1° Informe de Laboratorio

Separación de Cationes por Grupos


FUNDAMENTO TEÓRICO

Los cationes se dividen en cinco grupos, mediante el uso sistemático de los “reactivos de grupo” se puede decidir sobre la presencia o ausencia de grupos de cationes y además separar estos grupos para estudiarlos con mayor profundidad. Se definen algunas nociones necesarias para nuestros ensayos en el presente laboratorio. Catión: Un catión es un ion (sea átomo o molécula) con carga eléctrica positiva,

esto es, con defecto de electrones. Los cationes se describen con un estado de oxidación positivo. Las sales típicamente están formadas por cationes y aniones (aunque el enlace nunca es puramente iónico, siempre hay una contribución covalente). covalente) . Solubilidad y Kps:Es importante distinguir entre solubilidad y producto de

solubilidad (Kps). La solubilidad de una sustancia cambia al variar las concentraciones de los solutos.En cambio el Kps es la constante de equilibrio para el equilibrio entre el sólido iónico y su solución saturada, tiene un valor único para un soluto determinado a una temperatura dada. El hecho de que los iones de diferentes elementos metálicos varíen ampliamente en la solubilidad de sus sales, en su comportamiento ácido-base, y en su tendencia a formar complejos; además de de presentar distintas respuestas al reaccionar con ciertos reactivos (ya identificados) nos da la llave para elaborar una clasificación de estos cationes. Los cinco grupos de cationes y las características de éstos son las siguientes: Características generales del grupo I: A este grupo pertenecen Ag+,    y

Pb+2, (así como algunos otros cationes), que en presencia del ión cloruro en un medio ácido forman cloruros blancos poco solubles. Características generales del grupo II: A este grupo pertenecen Bi +3,

Cu+2, Cd+2, Sn+2, As+3, Sb+3, Sn+4, etc. Estos cationes al estar en la presencia del ión S =, en un medio ácido, precipitan en forma de sulfuros (llamados “sulfuros ácidos”). Características generales del grupo III: El tercer grupo analítico de

cationes lo componen los iones Al+3, Cr+3, Fe+3, Ni+2, Co+2, Mn+2, Zn+2 y algunos otros cationes de elementos menos difundidos. El proceso de identificación de este grupo es similar al anterior, salvo la diferencia de que las reacciones deben realizarse en un medio básico; lo que traerá como resultado la precipitación de estos iones en los llamados “sulfuros alcalinos”. 1° Informe de Laboratorio



Características generales del grupo IV: El cuarto grupo analítico de

cationes comprende los iones Ca +2, Sr+2, Ba+2. En un medio alcalino, en presencia del ión carbonato (  ), estos cationes precipitan en forma de carbonatos blancos. Características generales del grupo V: Conformado por todos aquellos

cationes que no poseen un reactivo de grupo, sino más bien un reactivo específico para cada uno de ellos. En este grupo encontramos Mg +2, Na+, K+, Li+, NH4+, etc. Los reactivos de grupo que se usan para la clasificación de los cationes más comunes son el ácido clorhídrico, el sulfato de hidrógeno (que en este caso ha sido reemplazado por el sulfuro de sodio), el sulfuro de amonio y el carbonato de amonio; para los grupos I, II, III y IV respectivamente.

Grupo I

Iones

Precipitado

Característica del grupo

Ag+, Pb+2, Hg2+2

AgCl, PbCl2, Hg2Cl2

Hg+2, Pb+2, Bi+3, Cu+2, Cd+2, Sn+2, As+3, Sb+3, Sn+4 Al+3, Cr+3, Fe+3

HgS, PbS, Bi2S3, CuS, CdS, SnS, As2S3, Sb2S3, SnS2 Al(OH)3, Cr(OH)3, Fe(OH)3

Cloruros insolubles en HCl diluido. Sulfuros insolubles en HCl diluido.

IIIB

Ni+2, Cu+2, Mn+2, Zn+2

NiS, CuS, MnS, ZnS

IV

Ba+2, Sr+2, Ca+2

BaCO3, SrCO3, CaCO3

V

Mg+2, Na+, K+, Li+, NH4+

Sin precipitado del grupo

II

IIIA


Hidróxidos precipitables por NH4OH en presencia de NH4Cl Sulfuros precipitables por (NH4)2S en presencia de NH4Cl Carbonatos precipitables por (NH4)2CO3 en presencia de NH4Cl Iones que no presentan un reactive de grupo.



MATERIALES INSUMOS:



8 tubos de ensayos.



1 bagueta.



1 embudo de vidrio.



Papel de filtro.



Papel de tornasol.



1 vaso de precipitados (250 ml).



1 pinza.

REACTIVOS:

    

ÁcidoClorhídrico ( HCl ) 6N Hidróxido de Amonio ( NH 4OH ) 15N Sulfuro de Sodio ( Na2S ) 5N Cloruro de Amonio ( NH 4Cl ) 5N Carbonato de Amonio ( (NH 4)2CO3 ) 5N

Además se tiene la muestra problema, que contiene muestras de cationes del grupo I al V, entregada por el docente:




PROCEDIMIENTOyRESULTADOS 1)Se recibe una muestra de solución que contiene cationes del grupo I al V.

2)Se agrega a la solución HCl 6N gota a gota. Después de

alrededor de 18 gotas y agitar debidamente con la bagueta se observa la formación de un precipitado blanquecino (cloruro), esto indica la presencia de cationes del Grupo I. Resultado:

Para comprobar que la precipitación es total, procedemos a agregarle 1 gota más de HCl lo cual certifica que el catión ha precipitado por completo. Posibles reacciones ocurridas (cationes del Grupo I): HgCl ↓ (Ag+, Pb+2,   )

+

HCl



AgCl ↓

PbCl ↓




Se filtra con la ayuda del embudo y del papel de filtro, quedando en éste el precipitado y en un nuevo tubo la solución restante (con posiblemente cloruros insolubles).

3)A la solución filtrada se agregan gotas de NH 4OH con el fin

de corregir la acidez, mientras que con un trozo de papel tornasol sumergido en el tubo de ensayo se regula la cantidad, o sea hasta que dicho papel se torne de rojo a lila. Agregamos 1 gota de ácido clorhídrico (HCl), hasta obtener el viraje lila rosado; lo cual indica un medio ácido corregido. Ahora se agregan gotas de Na2S, alrededor de 30 gotas, agitando apropiadamente, hasta que se observa la formación de un precipitado de color negro (sulfuro ácido) lo que nos revela la presencia de cationes del Grupo II.




Resultado:

Para comprobar que la precipitación es total, procedemos a agregarle 1 gota más de Na2S lo cual certifica que el catión ha precipitado por completo. Posibles reacciones ocurridas (cationes del Grupo II): HgS ↓ (Hg+2, Pb+2, Sn+2)

+

Na2S



PbS ↓

SnS ↓ Se filtra con la ayuda del embudo y del papel de filtro, quedando en éste el precipitado y en un nuevo tubo se obtiene una nueva solución (con posiblemente aún cloruros insolubles).




4)Se agrega a la solución filtrada unas gotas (3 a 4) de

NH4Cl 5N (no se observan cambios significativos), luego se alcaliniza la solución con NH 4OH 15N; es en este momento en el que entra en acción el NH 4Cl 5N, que junto a una parte del NH4OH 15Nforman una solución buffer la cual mantendrá a la solución total alcalina y no muy alcalina (Esto se comprueba con la ayuda de un trozo de papel de tornasol que en medio alcalino se tornará azul). Se añade posteriormente gotas de Na 2S hasta observar la formación de un precipitado blanquecino (un tanto opaco) que indica la presencia de cationes del Grupo III.

Resultado:

Para comprobar que la precipitación es total, procedemos a agregarle 1 gota más de Na2S lo cual certifica que el catión ha precipitado por completo. Posibles reacciones ocurridas (cationes del Grupo III): 1° Informe de Laboratorio



MnS ↓ (Mn+2, Zn+2, Ni+2)

+

Na2S



ZnS ↓

NiS ↓ Se filtra con la ayuda del embudo y del papel de filtro, quedando en éste el precipitado y en un nuevo tubo se obtiene una nueva solucióntransparente (con posiblemente aún cloruros insolubles).

5)Se hiervela solución restante en baño maría (por un tiempo aproximado de 3

minutos) con el objetivo de eliminar el sulfuro de sodio (Na 2S). Luego dejar enfriar. Al final se añaden 4 gotas de (NH 4)2CO3 y se espera.

Resultado:

Se observa que lentamente se forma un precipitado de color gris claro (carbonato) que evidencia la presencia de cationes del Grupo IV. Para comprobar que la precipitación es total, procedemos a agregarle 1 gota más de (NH4)2CO3 lo cual certifica que el catión ha precipitado por completo. Posibles reacciones ocurridas (cationes del Grupo III): 1° Informe de Laboratorio



BaCO3 ↓ (Ba+2, Sr+2, Ca+2) +

(NH4)2CO3



SrCO3 ↓

CaCO3 ↓

Se filtra con la ayuda del embudo y del papel de filtro, quedando en éste el último precipitado y el resto de la solución en un tubo de ensayo limpio.

6)La solución remanente es cristalina, parecida al agua, dicha solución debe

contener cationes del Grupo V.




CUESTIONARIO

1.-El Aparato de Kipp se utiliza para preparar el H 2 S( g) , sulfuro de hidrógeno. a)Dibuje el Aparato de Kipp y explique brevemente su funcionamiento.

El aparato de Kipp, también denominado generador de Kipp, es un instrumento usado para la preparación de pequeños volúmenes de gases. Su nombre viene de su inventor, Petrus JacobusKipp. Sus usos más comunes son la preparación de ácido sulfhídrico mediante la reacción de ácido sulfúrico con sulfuro ferroso, preparación de dióxido de carbono mediante la reacción de ácido clorhídrico con carbonato de calcio, y de hidrógeno mediante la reacción de ácido clorhídrico con un metal apropiado. El aparato consiste en tres cilindros apilados. El material sólido (por ejemplo, sulfuro ferroso) se coloca en el cilindro del medio y el ácido en el superior. Un tubo se extiende del cilindro superior al inferior. El cilindro central tiene un tubo con una válvula utilizada para la extracción del gas obtenido. Cuando ésta está cerrada, la presión del gas en el cilindro central aumenta, empujando el ácido de vuelta al cilindro superior hasta que deja de estar en contacto con el material sólido, y la reacción cesa. Los aparatos de Kipp suelen estar hechos de vidrio o polietileno.




b)Se cargó el Kipp con 34,6 g de pirita (FeS 2 ) y se hizo reaccionar totalmente con un exceso de HCl (ac) concentrado. La reacción transcurre a 34 °C y a una presión de 822 torr. Calcule el volumen, en pulgadas cúbicas (in³) del H 2S ( g) liberado. FeS 2(s) + 2HCl (ac) →

FeCl 2(ac) +

S (s) + H 2 S( g)

Solución:

FeS2(s) + 2HCl(ac) → FeCl2(ac) + S(s) + H2S(g) 1 mol

1 mol ̅       

 

  

Por lo tanto también habrán 0.289 moles de FeCl 2(ac). Hallamos el volumen: PV = RTn (822)V = (62.364)x(307)x(0.289) V = 6.731 L ˂˃ 410.750 in³

2.- En la práctica se habló mucho de lograr la precipitación total o completa.

a) ¿Por qué es muy importante lograr eso? ¿Cómo nos damos cuenta de haber logrado aquello? RPTA:

Sí esmuy importante la precipitación completa o total para cada uno de los grupos de cationes en la muestra, porque se busca la separación total de estos iones durante el análisis con el finde eliminar la acción interferente del catión de un grupo en las operaciones posteriores con el catión del siguiente grupo. Si en caso sucediera esto podemos darnos cuenta que se ha cometido un error al verificar los colores de los precipitados obtenidos en cada separación ya que esto hará que los compuestos no precipiten en la forma correcta y cationes del grupo anterior también formen compuestos que pueden dar un color diferente al precipitado. Podemos estar seguros que se ha efectuada una precipitación total, si después de la formación del precipitado agregamos una gota más de reactivo y observamos que ya no se forma precipitado ni hay turbidez en la solución, sólo así verificamos que ya no hay reacción y la precipitación estará completa.




b) Indique los colores de los sulfuros del 2do y 3er Grupo de cationes (ver libro). RPTA:

Atendiendo a nuestras experiencias en el laboratorio y acorde a la teoría, podemos afirmar: Grupo II : Sulfuros, precipitado de color negro. Grupo III : Sulfuros, precipitado de color blanco.

3) Se sospecha que la muestra recibida contiene los cationes amonio y magnesio,   y

Mg 2+ , Además de los cationes de los otros grupos. ¿Cómo verificamos la presencia de estos 2 cationes? (ver libro). RPTA: Identificación de NH4+:

El análisis debe empezarse porque la identificación del amonio, cuya presencia impide la identificación de K + y de Na+; por el contrario el k + y el Na+ no impiden la identificación de NH 4+. Para identificar NH 4+ 1 ml de solución ensayada se tratan en una cámara de gases con 2 o 4 gotas de una solución de NaOH 2N hasta que se tenga unareacción fuertemente alcalina y luego se calientan suavemente con precaución en baño María, si existe amonio, se desprenderá amoniaco que se identifica: 

Porsuolor



Porque azulea un papel indicador de pH húmedo, expuesto a o vapores que salen del tubo (La coloración azul del papel de tornasol indica la presencia de amonio).



Porque ennegrece un papel impregnado en nitrato mercurioso.



Porque da humos blancos al aproximar a la boca del tubo una varilla que lleva pendiente una gota de HCl concentrado



Porque enrojece una gota del reactivo NESSLER.




Identificación de Mg2+:

Esta identificación puede efectuarse por el método fraccionado. Para desarrollar dicha reacción se añade 2 o 3 gotas de solución de HCl 2N hasta que se produzca una reacción ácida, luego 1 o 2 gotas de solución de Na 2HPO4, y gota a gota, una solución de NH4OH. La adición de NH 4OH se produce agitando la solución hasta que se observe reacción alcalina o se perciba claramente el olor del amoniaco de no formarse el precipitado de inmediato la solución se deja reposar un tiempo, un precipitado cristalino blanco de MgNH 4PO4 indica la presencia de Mg 2+. Es mejor precipitar primero el Mg 2+ como fosfato y utilizar los reactivos orgánicos como mera identificación el precipitado. El Mg2+ también reacciona con el hidróxido de sodio formando precipitado blanco Mg(OH)2 insoluble en exceso de reactivo.

4) Calcule: a)Se dispone en el laboratorio de la sal BaCl 2.2H 2O(s) , cloruro de bario dihidratado, y se desea preparar ½ litro de su disolución 0.0150N. Indique cómo procedería. Solución:

Se sabe que el parámetro (θ) de la sal es igual a 2 (carga total del catión de la sal) ̅ ) es 244 g/mol. y que su masa molar ( Calculamos la masa de soluto que usaremos con la fórmula:    

 ̅    

 



 



   

En el laboratorio dispondremos entonces de una masa de 61 g de BaCl 2 .2H 2 O( s) a la cual le agregaremos la cantidad de solvente (H 2O) necesaria hasta llegar a los 500 mL de solución requeridos.




b) A HCl(ac) 0.25N se le ha agregado un volumen igual de NaOH (ac) 0.18N. Calculeel pOH de la solución resultante. Si se le agrega un pedacito de papel de tornasol ¿qué sucede? Solución:

Supondremos 1 L de solución para cada uno (además sus normalidades son iguales a sus molaridades): HCl(ac)+ NaOH(ac) → … 0.25 M

0.18 M 0.25 mol

0.18 mol

Se aprecia que existe un exceso de HCl (ac) por lo que la también habrá un exceso de iones H+(ac) igual a 0.25 – 0.18 = 0.07 mol (0.07 M). Ahora calculamos el pH de la solución: pH = -log(0.07) = 1.15 Por lo tanto el pOH será…

pOH = 14 – pH = 14 – 1.15 = 12.85 La solución es de carácter ácido por lo que el papel de tornasol se tornará de color rojo.

5) Se determinó experimentalmente la solubilidad del sulfato de calcio (CaSO 4 ) siendo su

valor 1.92 g/L. Calcule: a)El Kps de los iones  y Ca2+. Solución:

Trabajaremos en un litro de solución, por lo que gracias al dato de la solubilidad sabemos ̅ ) es 136 g/mol. que habrá 1.92 g de soluto. Además sabemos que su masa molar (  Hallamos el número de moles (n): 

      ̅  

Como trabajamos en un litro su molaridad (M) será igual a  M. Planteamos la ecuación: CaSO4

→

M

Ca+2

+

 M


  M Separación de Cationes por Grupos


Hallamos Kps: Kps(CaSO4) = [Ca+2] [ ] Kps(CaSO4) = ( ) ( ) = 1.988x

b)La masa en gramos de los iones  y Ca2+ contenidos en 150 mL de solución. Solución:

En 150 mL de solución tendremos (1.92)(150) = 288 g de soluto. Planteamos la ecuación: CaSO4

→

Ca+2

 

+

En una mol:

136

40

96

Del problema:

288

a

b

Por regla de tres obtenemos que a = 84.71 g y b = 203.29 g Por lo tanto en 150 ml se solución tendremos 84.71 g de Ca +2 y 203.29 g de  .




OBSERVACIONESyRECOMENDACIONES Limpiar muy bien los tubos de ensayo (y el resto de instrumentos) antes de realizar la práctica para que de esa forma las impurezas que contienen en su interior no afecte o altere las reacciones que se producirán en el laboratorio. El Na2S tiene un olor desagradable, al igual que el NH4OH, se recomienda tener cuidado al manipularlos (no se hizo uso de H 2S por ser muy tóxico). Para la identificación analítica de los iones en la mezcla se debe proceder sistemáticamente para evitar el precipitado prematuro de iones de un grupo no deseado lo cual no haría más que entorpecer el análisis. En pocas palabras: se debe respetar el orden en las marchas analíticas. Crear un medio adecuado para la precipitación total (corregir pH) de modo que la sustancia formada (cloruros, carbonatos, sulfuros) sea insoluble en este medio. El exceso de un reactivo para la obtención de precipitado debe ser moderado, por eso se hace uso de goteros para cada reactivo y de esa manera, cuando se añada el reactivo gota a gota, se pueda observar hasta cuando deja de precipitar. Por ejemplo: se debe tener cuidado al momento de agregar el HCl a la solución dada, pues un exceso de éste podría favorecer la formación de iones complejos de Ag o Pb, los cuales son solubles y no permitirá su precipitación. Al desarrollar el experimento, después de añadir el reactivo de debe dejar reposar alrededor de 5 minutos. Se recomienda colocar el papel filtro en forma de un cono, ya que así previo mojado de las paredes del embudo éste se acople a la forma deseada lo cual generará un buen filtrado. Cuando se agrega el reactivo para precipitar determinado grupo de iones se utiliza la bagueta de vidrio a fin de conseguir una precipitación completa (se hace descender el contenido del tubo de ensayo a través de la bagueta hasta llegar al embudo). Se debe dejar un espacio entre el embudo y el tubo de ensayo (a donde da a parar el resto de la solución filtrada) para que así no se generé un obstáculo pro acumulación de aire. Después de cada filtrada se debe de agregar por lo menos una gota del reactivo del grupo anterior para cerciorarse de haber obtenido la precipitación completa de los cationes del grupo anterior.




CONCLUSIONES El análisis cualitativo es un método para identificar una sustancia desconocida pasando muestras de la misma por una serie de análisis químicos. La marcha analítica se basa en reacciones químicas conocidas, de forma que cada producto químico añadido analiza una sustancia particular (o grupo de ellas). En general los cationes de un mismo grupo tienen propiedades similares, por lo cual pueden ser separados identificados y clasificados a través de éstas. La clasificación se basa en que un catión reacciona con estos reactivos mediante la formación de precipitados o no. Entonces concluimos que la clasificación de los cationes se basa en las diferencias de las solubilidades de sus cloruros, sulfuros y carbonatos. Los cationes han sido separados bajo la forma de precipitados (los 4 primeros grupos, los cationes del grupo V los obtenemos como una solución cristalina). Los cloruros de los cationes del primer grupo al ser insolubles frente al ácido clorhídrico, precipitan en forma de sólidos blanquecinos; mientras que los demás cloruros permanecerán en la solución por ser solubles. Por consiguiente a través de esta reacción se ha separado los cloruros del primer grupo del resto de los cloruros de los demás grupos. La solución restante se encuentra en medio ácido. Para neutralizarla, le agregamos NH4OH. Agregamos HCl tantos mililitros como solución neutra haya. Luego agregamos gota a gota Na 2S. Los sulfuros de los cationes del segundo grupo son insolubles frente al ácido clorhídrico, es por eso que precipitan en forma de sólidos oscuros que al principio son marrones y luego se oscurecen hasta llegar a negro. A la solución restante, le agregamos gotas de NH 4Cl, luego la alcalinizamos con NH4OH y por último le agregamos Na 2S. Como los sulfuros de los cationes del tercer grupo son insolubles frente al NH 4Cl con el NH4OH, estos precipitarán en forma de sólidos oscuros. Se hierve la solución restante para expulsar el sulfuro de sodio (ya que no utilizamos sulfuro de hidrógeno por ser muy tóxico). Una vez que enfría añadimos gotas de carbonato de amonio, dejamos reposar y podremos observar una lenta formación de precipitado blanquecino de carbonatos de los cationes del cuarto grupo ya que son insolubles frente al cloruro de amonio y al hidróxido de amonio.




En la solución restante quedan los cationes del quinto grupo que durante todo el experimento permanecieron en solución ya que son solubles frente a todos los reactivos que se han empleado. Un exceso de reactivo añadido en el tubo de ensayo no impide la identificación de los iones que han quedado en una solución; pero antes de seguir con el siguiente grupo de cationes, el pH del medio debe ser corregido. Resumiendo (y con ayuda de la bibliografía empleada): La coloración obtenida del cloruro formado por el catión del grupo I fue de color blanquecino (PbCl 2). La coloración obtenida del sulfuro formado por el catión del grupo II fue de color negruzco (CuS). La coloración obtenida del sulfuro formado por el catión del grupo III fue de color marrón gelatinoso (ZnS). La coloración obtenida del carbonato formado por el catión del grupo IV fue de color blanquecino (CaSO 4). Los cationes del 2 do y 3er grupo se obtienen con el mismo agente reaccionante (en nuestra experiencia: Na 2S), pero en diferentes medios (ácido y básico respectivamente). La solución cristalina que contiene a los cationes del Grupo V es básica (papel de tornasol: azul). No todos los reactivos responden a nuestras exigencias en el laboratorio.




BIBLIOGRAFÍA

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Análisis Cualitativo. Ray U.Bumblay

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Química. 10ma Edición. Reymond Chang.

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Química Analítica Cualitativa. 5ta Edición. Arthur I. Vogel.

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Química Analítica Cualitativa. Fernando Burriel.

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Química Ciencia Central. Brow-LeMay.

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Semimicroanálisis Químico Cualitativo. V. N. Alexeiev.



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