Química II Trabajo Práctico de Laboratorio
Propiedades Periódicas Integrantes: Cáceres Gómez, Conrado Carlos Alfredo Cholele, Josefina Camila Galián, Silvia Guadalupe Urtado, Maximiliano
Facultad de Ingeniería (UNJu) - Laboratorios de Química II - 2016 Objetivos del Laboratorio:
Verificar la periodicidad de las propiedades. Comprobar la influencia de las propiedades periódicas en la reactividad de algunos haluros metálicos.
Desarrollo Experimental:
PARTE A: Descomposición electrolítica de haluros de metales alcalinos. Utilizamos los siguientes haluros de metales alcalinos, todos en concentración 1M: Cloruro de Litio (LiCl) Bromuro de Sodio (NaBr) Yoduro de Potasio (KI)
Para someterlos a electrólisis, armamos una serie de tres cubas electrolíticas con tubos en U, conectadas entre sí y a la fuente de fem mediante electrodos de grafito previamente raspados y lavados con agua destilada para eliminar posibles impurezas.
En los cátodos, electrodos negativos, agregamos dos gotas de fenolftaleína, el cual es un indicador que permanece incoloro en soluciones ácidas pero frente a bases adquiere un color rosado. Accionamos la llave de la fuente de fem y dejamos circular la corriente durante unos 15 minutos, mientras observamos y registramos los cambios que se produjeron en los ánodos y cátodos de cada cuba. La cuba en la que se comenzaron a notar, casi instantáneamente, los primeros cambios fue la de KI, en la que se observó la aparición de burbujas acompañadas por un color fucsia en el cátodo, y de un color amarillo en el ánodo que se fue haciendo cada vez más intenso con el transcurso del tiempo, hasta llegar a un color ámbar. Luego de unos pocos minutos, se vio que en la cuba de NaBr comenzaron a ocurrir cambios similares, con aparición de un color amarillo más leve en el ánodo, y aparición de burbujas más el color fucsia, en el cátodo. La cuba de LiCl fue la que tardó más tiempo en evidenciar cambios, en donde hubo presencia de burbujas tanto en el cátodo como en el ánodo, y la coloración fucsia en el cátodo. En este caso, en el ánodo se pudo apreciar el olor característico de la lavandina.
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Facultad de Ingeniería (UNJu) - Laboratorios de Química II - 2016 PARTE B: Obtención de Cloro y de Yodo. Para la obtención de Cloro trabajamos bajo la campana de gases ya que éste es tóxico. En un tubo de ensayo, añadimos 0,4 g de NaCl, una punta de espátula de MnO 2 y agitamos suavemente para lograr una mezcla homogénea de estos sólidos. Agregamos 1 mL de ácido sulfúrico 9M, tapamos el tubo de ensayo con un tapón atravesado por un tubo de seguridad, asegurándonos de que éste llega hasta el fondo del tubo, y lo sujetamos en el soporte universal. En otro tubo de ensayo colocamos agua destilada hasta la mitad su volumen y armamos el siguiente dispositivo:
Calentamos suavemente el primer tubo de ensayo con la llama de un mechero para inducir la reacción, que no se produce espontáneamente. Recién entonces observamos que en el segundo tubo de ensayo comienza a burbujear un gas incoloro: el cloro. Acercándonos brevemente al segundo tubo, pudimos apreciar el olor típico de la lavandina. En ese mismo tubo, introdujimos un pequeño trozo de hilo de algodón amarillo, el cual se fue decolorando poco a poco, lo que nos demuestra el poder oxidante del cloro, que reacciona con los pigmentos del hilo. Para la obtención de Yodo también trabajamos bajo la campana de gases. Utilizamos un vaso de precipitado, en el cual añadimos 0,6 g de KI, una punta de espátula de MnO 2 y agitamos suavemente hasta lograr una mezcla homogénea. Agregamos suavemente 1 mL de ácido sulfúrico 9M y tapamos el vaso de precipitado rápidamente con un vidrio de reloj. Observamos la aparición de un gas con tonalidad entre violácea y parda, que se vio muy favorecida por el calentamiento que suministramos brevemente con un mechero. Luego, suspendimos el calentamiento y colocamos unos trocitos de hielo sobre el vidrio de reloj. Se vio que el gas violáceo sublimó y se fue depositando en las paredes del vaso de precipitado y en el vidrio de reloj, formando una fina película de color parda.
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Facultad de Ingeniería (UNJu) - Laboratorios de Química II - 2016 Cuestionario: 1) De la PARTE A: a) Indique las observaciones realizadas durante la electrólisis.
El orden en el que comenzaron a producirse cambios en las cubas fue el siguiente: KI – NaBr – LiCl Cuba de KI: En el cátodo se observó la aparición de burbujas, las cuales se deben a la presencia de H2 gaseoso (ya que se redujo el H 2O), y la aparición del color fucsia dado por la fenolftaleína en soluciones básicas, lo que nos indica presencia de oxhidrilos. En el ánodo, se observó la aparición de un color amarillo que se fue haciendo cada vez más intenso hasta llegar a un color ámbar. Esto se debe a la oxidación de los iones yoduro I- que pasan a formar I2, el cual se disuelve en el agua, y ocurre una reacción secundaria en la que se forma el ión triyoduro I3-, que es el responsable del color ámbar. Cuba de NaBr: En el cátodo se produce la reducción del agua, de modo que también burbujea H2 gaseoso y la fenolftaleína indica la presencia de oxhidrilos con el color fucsia. En el ánodo se vislumbra un color amarillo suave por la presencia de bromo líquido que aparece como producto de la oxidación de los iones bromuro Br- que pasan a formar Br2. Cuba de LiCl: Al igual que en las otras cubas, en el cátodo se produjo la reducción del agua, por lo que hubo burbujeo de H 2 gaseoso y color fucsia. En este caso, también se observó presencia de burbujas en el ánodo, debido a que los iones cloruro Cl- se oxidaron dando como producto Cl2, el cual es gaseoso. El olor a lavandina que se puede apreciar aquí se debe a una reacción secundaria en la que el Cl 2 reacciona con el H2O dando como uno de los productos ácido hipocloroso. b) Escriba las ecuaciones anódicas y catódicas que interpreten los fenómenos producidos.
Cuba de KI: Reacción en el Cátodo (Reducción): 2 () 2 − →
() 2 −()
Reacción en el Ánodo (Oxidación): 2 − () →
() 2 −
Reacción anódica secundaria: () − () →
− ()
Cuba de NaBr: Reacción en el Cátodo (Reducción): 2 () 2 − →
() 2 −()
Reacción en el Ánodo (Oxidación): 2 − () →
() 2 −
Cuba de LiCl: Reacción en el Cátodo (Reducción): 2 () 2 − →
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() 2 −()
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Facultad de Ingeniería (UNJu) - Laboratorios de Química II - 2016 Reacción en el Ánodo (Oxidación): 2 − () →
() 2 −
Reacción anódica secundaria: () () →
() ()
c) Complete el siguiente cuadro con las especies químicas producidas en el cátodo y en el ánodo de cada una de las tres cubas.
Cuba
Ánodo
Cátodo
KI
I2(ac) – I3-(ac)
K+(ac) – H2(g) – OH-(ac)
NaBr
Br2(l)
Na+(ac) – H2(g) – OH-(ac)
LiCl
Cl2(g) – HCl(ac) – HClO (ac)
Li+(ac) – H2(g) – OH-(ac)
d) Justifique las diferencias observadas en los ánodos de las cubas, según alguna propiedad periódica.
Hay dos diferencias principales que se dan entre las diferentes cubas: el tiempo de aparición de los cambios y el estado de agregación de los productos. La diferencia en el tiempo de aparición de los cambios, puede explicarse a partir del potencial iónico, que es una medida del campo eléctrico generado por el ion. Al diluirse en agua, los haluros de metales alcalinos se disocian en sus iones constituyentes. Entre los cationes, los tres quedan con igual carga +1 (K +, Na +, Li+), pero difieren en su radio iónico. Con la tabla periódica verificamos que el radio del Li + es menor que el del Na +, y éste a su vez tiene un radio menor que el del K +. Como el potencial iónico es inversamente proporcional al radio iónico, podemos asegurar que el potencial iónico crece en el siguiente orden: ф+(K+) < ф+(Na+) < ф+(Li+)
Entre los aniones, también quedan con igual carga -1 (I-, Br-, Cl-), pero también difieren en su radio iónico. En este caso, el radio iónico del Cl - es menor que el del Br -, y éste es menor que el del I -. Por lo tanto el potencial iónico crece en el siguiente orden: ф-(I-) < ф-(Br-) < ф-(Cl-)
Vemos que el LiCl es el compuesto formado por iones de mayor potencial iónico, por eso están fuertemente atraídos y es más difícil la disociación, y es la causa de que sea el último en evidenciar cambios en la cuba electrolítica. El NaBr está formado por iones de potencial iónico intermedio y por eso es el segundo en evidenciar cambios. El KI está formado por iones de menor potencial iónico, es decir que están más débilmente atraídos entre ellos y es más fácil su disociación, y es por eso que es el primero en evidenciar los cambios en la celda electrolítica. La segunda diferencia en los ánodos es el estado de agregación de los productos, ya que el Cl2 es gaseoso (se observa en forma de burbujas), el Br 2 es líquido (coloración amarillenta) y el I 2 es sólido, aunque se disuelve en el agua. Esto se explica por el tamaño de las moléculas. El radio atómico crece en el siguiente orden:
r(Cl) < r(Br) < r(I)
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Facultad de Ingeniería (UNJu) - Laboratorios de Química II - 2016 Por lo tanto, la molécula de I2 es la de mayor tamaño, esto la hace más deformable y más capaz de formar dipolos transitorios para unirse entre sí y formar un sólido. La molécula de Br2 es de tamaño intermedio, por lo que no es tan deformable y los enlaces intermoleculares no serán tan fuertes como en el caso anterior, por eso aparece como un líquido. En el caso del Cl 2, la molécula es más pequeña, es muy poco deformable y el enlace intermolecular es débil, por eso aparece en estado gaseoso. e) ¿Cuáles serían los productos de la reacción de las soluciones catódicas con cloruro férrico? Escriba la ecuación correspondiente.
Si en las soluciones catódicas de las cubas agregamos FeCl 3, confirmaríamos la presencia de oxhidrilos ya que éstos reaccionarían dando un precipitado correspondiente al Fe(OH)3. 3 − → f)
3 − () ()
¿Qué observaría si al producto del ánodo de la cuba de KI le agregara CCl 4? ¿Y al agregar almidón?
Si en la solución anódica de la cuba de KI agregamos CCl4, observaríamos la formación de dos fases, debido a que el CCl 4 es inmiscible en agua. La primera fase será de un color claro dado por I2 disuelto en el agua y la segunda de un color rosado dado por el I 2 disuelto en el CCl4. El I2 irá pasando de la fase acuosa a la fase oleosa ya que es más soluble en el CCl 4 que en el agua. El almidón es un indicador, y en presencia de I 2 manifestaría un color violáceo. 2) De la PARTE B: a) Complete el siguiente cuadro:
Método de obtención Reacción de obtención ¿Reacción endo/exotérmica? Estado de agregación Color Olor Reacción A: Reacción B:
Cloro Óxido-Reducción A Endotérmica Gaseoso Incoloro A lavandina
2 2 → 2 2 →
Yodo Óxido-Reducción B Exotérmica Sólido Violáceo A antiséptico
2 2
b) Según el concepto de la Tabla Periódica, sugiera cómo resultarían los mismos datos para el bromo.
Método de obtención: Óxido-Reducción Reacción de obtención: 2 2 → Reacción Endotérmica. Estado de agregación: Líquido Color: Rojo Pardo Olor: No registrado
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Facultad de Ingeniería (UNJu) - Laboratorios de Química II - 2016 c) Durante la obtención de yodo, una vez mezclados los reactivos, Ud. tapa el sistema con un vidrio de reloj que puede o no contener cubitos de hielo y luego realiza un suave calentamiento breve, ¿para qué?
Se realiza el calentamiento breve para acelerar la cinemática de la reacción, que ya de por sí se producía pero de manera lenta, y los cubitos de hielo colaboran con la sublimación del yodo. d) Compare la facilidad de obtención de cloro y de yodo. ¿Son coherentes los resultados experimentales con la ubicación de los elementos en la Tabla Periódica? Justifique según una propiedad diferente a la utilizada para responder la pregunta 1.
La aparición del I 2 se da de forma más rápida. Esto es de esperarse sabiendo que el I tiene mayor radio iónico, y esto hace que el electrón periférico sea más fácil de remover y la reacción se produce con más rapidez. En el caso del Cl2, el radio iónico del Cl- es menor y esto provoca que el electrón periférico se vea sometido a una mayor carga nuclear efectiva y sea más difícil su liberación. Por eso, para que se produzca la reacción tuvimos que calentar el sistema con la llama de un mechero. e) ¿Se decoloró el hilo de algodón coloreado por contacto con el agua de cloro? Justifique según el poder oxidante del cloro.
El hilo de algodón sí se decoloró en contacto con el agua de cloro a causa del buen poder oxidante que posee el cloro. Este poder oxidante se debe a que el cloro tiene una gran capacidad de reducirse (capacidad de incorporar un electrón para formar un anión) debido a su pequeño tamaño y gran afinidad electrónica. Se produce una transferencia de electrones, provocando la descomposición de los pigmentos colorantes. 3) Propiedades oxidantes de los halógenos:
a) Consulte una Tabla de Potenciales Estándar y complete el siguiente cuadro: Reacción 2 NaBr (ac) + Cl 2 (g) → 2 NaCl (ac) + Br 2 (l) 2 KI (ac) + Cl2 (g) → 2 KCl (ac) + I2 (ac) LiCl (ac) + Br2 (l) → No se produce
2 KI (ac) + Br2 (l) → 2 KBr (ac) + I2 (ac)
Potencial Estándar (E°) E1: 1,36v (Cl2 + 2e- → 2 Cl-) E2: -1,06v (2 Br- → Br2 + 2e-) ΔE: 0,30v E1: 1,36v (Cl2 + 2e- → 2 Cl-) E2: -0,53v (2 I- → I2 + 2e-) ΔE: 0,83v E1: 1,06v (Br2 + 2e- → 2 Br-) E2: -1,36v (2 Cl- → Cl2 + 2e-) ΔE: -0,30v E1: 1,06v (Br2 + 2e- → 2 Br-) E2: -0,53v (2 I- → I2 + 2e-) ΔE: 0,53v
¿Reacción Espontánea? SÍ
SÍ
NO
SÍ
b) Ordene los halógenos según poder oxidante creciente:
I < Br < Cl
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Facultad de Ingeniería (UNJu) - Laboratorios de Química II - 2016 c) Justifique su ordenamiento con una propiedad periódica.
Podemos explicar este hecho con el radio atómico, ya que cuanto menor sea el radio atómico, mayor será la atracción que los electrones externos reciben por parte del núcleo del átomo, lo cual se traduce en una mayor afinidad electrónica. Los átomos más pequeños son más afines a incorporar electrones externos, oxidando a otras especies. d) Prediga los resultados que obtendría si hiciera reaccionar LiCl y NaBr con agua de yodo (solución anódica de la cuba de KI).
LiCl + I2 → No reacciona. NaBr + I2 → No reacciona. No reaccionan porque el Cl y el Br tienen mayor afinidad electrónica y mayor electronegatividad. Tienen más tendencia a atraer electrones externos que el yodo, y por eso las reacciones no se producen. 4) Entre los metales alcalinos y halógenos ensayados y de acuerdo con la ubicación de estos elementos en la Tabla Periódica…
a) ¿Qué halógeno es químicamente más activo? Explique por qué.
De los halógenos ensayados químicamente, el más activo es el cloro por ser más electronegativo, es decir que tiene la capacidad de atraer a los electrones de enlace con mayor intensidad. b) ¿Qué metal alcalino es químicamente más activo? Explique por qué.
De los metales alcalinos ensayados, el más activo es el potasio por su mayor carácter metálico. Al ser el de mayor radio atómico, tiene mayor tendencia a perder un electrón de su capa más externa. 5) Según el potencial iónico… a) ¿Por qué todos los elementos alcalinos forman bases fuertes?
Todos los metales alcalinos forman bases fuertes por las características de los cationes que forman. A mayor radio iónico y a menor carga iónica (los iones de metales alcalinos tienen una carga de +1) se obtiene un menor potencial iónico, lo que implica un menor campo eléctrico generado por el catión, por lo que para los hidróxidos de estos elementos alcalinos es fácil disociarse en iones liberando oxhidrilos OH -, aumentando la fuerza básica de la solución. b) ¿Por qué todos los halógenos (salvo el flúor) forman ácidos binarios fuertes?
Los halógenos, excepto el flúor, forman ácidos binarios fuertes debido a las características de los aniones que forman. Son aniones que tienen carga de sólo -1, por lo que son de potencial iónico débil, o sea que el campo eléctrico generado por el anión es débil y esto facilita la disociación en iones, liberando H + y aumentando la fuerza ácida de la solución. 6) a) Calcule la densidad de carga (en C/mm3 ) de los cationes y aniones de los halogenuros de los metales alcalinos con los que trabajó. +
( ) =
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1,6. 10− 4 (6,8. 10− ) 3
= , /
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Facultad de Ingeniería (UNJu) - Laboratorios de Química II - 2016 (
+)
=
( + ) =
−
( ) =
−
( ) =
(
−)
=
1,6. 10− 4 (9,7. 10− ) 3 1,6. 10−
4 (1,33. 10− ) 3 1,6. 10− 4 (1,81. 10− ) 3 1,6. 10− 4 (1,96. 10− ) 3 1,6. 10− 4 (2,2. 10−) 3
= , /
= , /
= , /
= , /
= , /
b) Forme con tales iones diferentes compuestos iónicos y ordénelos según % de carácter iónico creciente. Justifique con una propiedad.
KI (92 %) KBr (65 %) KCl (70 %)
NaI (91 %) NaBr (59 %) NaCl (70 %)
LiI (43 %) LiBr (45 %) LiCl (63 %)
Orden creciente de % de Carácter Iónico: LiI < LiBr < NaBr < LiCl < KBr < NaCl < KCl < NaI < KI Para los cationes, una mayor densidad de carga implica un mayor poder polarizante, y para los aniones, una menor densidad de carga (valor absoluto) implica mayor polarizabilidad. Si se dan estos casos, el catión atraerá los electrones de enlace con gran intensidad, desplazándolos hacia sí hasta casi compartirlos, favoreciendo el % de carácter covalente en el compuesto y disminuyendo el % de carácter iónico. Es por eso que, por ejemplo, el yoduro de litio (catión más polarizante y anión más polarizable) es el compuesto con menor porcentaje de carácter iónico. c) Prediga alguna propiedad derivada del tipo de enlace.
Una propiedad derivada del tipo de enlace es la conductividad eléctrica. Mientras mayor sea el % de carácter iónico, el compuesto conduce mejor la corriente fundido o en solución acuosa, ya que tendría mayor facilidad para disociarse en iones. Por el contrario, a menor % de carácter iónico, mayor será el % de carácter covalente y se dificulta la disociación en iones, por lo que el compuesto no conduce la corriente ni fundido ni disuelto en agua (a excepción de los ácidos binarios en solución).
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