UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA, MINERA Y METALÚRGICA ESCUELA PROFESIONAL DE METALURGIA
CURSO
Análisis Químico (ME-212)
TEMA
Análisis del grupo grupo II de cationes cationes
DOCENTES
Ing. María Flor Suárez Sánchez Ing. José Arenas Ñiquin
INTEGRANTES
20175524C - Díaz Inga Jonathan Luis 20134029H - León Colqui Yelwins Anthony
FECHA
24/10/2017
CICLO
2017-II
INFORME DE LABORATORIO N° 03
CURSO
Análisis del grupo II de cationes
Análisis Químico
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1. OBJETIVOS
El objeto de esta práctica es observar e identificar las reacciones características de algunos de los cationes pertenecientes al grupo II, para su posterior separación e identificación. Conocer el comportamiento de los reactivos generales de los cationes del Grupo II. Conocer el comportamiento de los reactivos particulares para cada catión perteneciente, y en que medio se dan a cabo las reacciones, de los cationes de este Grupo II. Identificar cada uno de los iones pertenecientes al Grupo II. Conocer las diferentes características (color, olor, textura, etc.) en sus respectivos precipitados. Familiarizarnos la base práctica del análisis químico aplicado a nivel industrial.
2. MARCO TEÓRICO Así como el primer grupo de cationes se caracterizó por la insolubilidad de sus cloruros, el II grupo tiene como reactivo precipitante el H2S en un medio moderadamente ácido (pH = 3). En este grupo vuelve a aparecer el Pb2+, debido a que en el primer grupo precipita solamente una cantidad menos aun miligramo por mililitro de solución y en el caso del ion mercurioso del primer grupo se oxida a mercúrico y no precipita como cloruro, sino que los hace hasta el segundo como sulfuro. Para verificar la precipitación del grupo II es necesario tener en cuenta algunos factores como son: a. b. c. d. e.
La acidez (concentración de iones hidrógeno) La ionización de H2S Las constantes del producto de solubilidad de los sulfuros del II y III grupos. El efecto del ion común en el equilibrio del H2S La formación de sales básicas.
Según fue indicado en informes anteriores, todos los cationes de los GRUPOS I y II se hace precipitar con hidrógeno sulfurado en un medio acido ≈ 5. En este fenómeno se manifiesta la similitud de los cationes de estos grupos. Sin embargo, existe determinada diferencia de propiedades entre los sulfuros de dichos cationes, así como también en el comportamiento de los propios cationes frente a otros reactivos. Por ejemplo + + + precipitan con ácido clorhídrico en forma de cloruro poco solubles. Dichos cationes en el desarrollo sistemático del análisis se separan desde un principio en forma de cloruros y es por eso pueden ser determinados como componentes de un grupo especial, GRUPO ANALÍTICO I de cationes. Por otra parte, los elementos restantes, que precipitan con hidrogeno sulfurado en un medio ácido, debido a su posición en la tabla periódica, forman sulfuros que poseen distintas propiedades. Se les puede clasificar en dos subgrupos:
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A. Subgrupo de cobre(+ + + + + + ) Los sulfuros de los cationes de dicho subgrupo, gracias a que en sus elementos prevalece el carácter básico no se disuelven en álcalis. B. Subgrupo de arsénico:( + + + + +4 ) Los sulfuros de los iones de dicho subgrupo se disuelven en álcalis y en todos los reactivos antes mencionados. Algo aislado se encuentra el catión +, cuyo sulfuro no se disuelve en álcalis, (4 ), fenómeno que encuentra su explicación en el carácter más básico de + en comparación a +4. El sulfuro de puede disolverse tan solo en amonio poli sulfurado por cuanto en este caso tiene lugar la oxidación de +a +4 con un oxidante que viene al caso. Los iones de plomo, debido a una solubilidad relativamente grande de en agua, quedan parcialmente en la solución junto con los cationes del GRUPO II. Como ya se indicó el sulfuro de mercurio se disuelve parcialmente en el sulfuro de sodio formando una tiosal. El sulfuro de cobre se disuelve en poli-sulfuro de amonio formando también una tiosal. El catión muy inestable de + tiene una importancia secundaria así que no lo tomamos en cuenta. El catión +que forma el cloruro poco soluble , pertenece al GRUPO I, el catión + ocupa una posición intermedia entre el subgrupo de cobre y el subgrupo de arsénico en el GRUPO II. Este puede estar incluido tanto en uno como en otro subgrupo, según sea el método de clasificación de estos subgrupos. Para la mayoría de los cationes del GRUPO II es muy característica la capacidad de formar complejos con el amoniaco, los cianuros y con otras sustancias; los únicos que no forman complejos de amoniaco son el + +.En particular y muy detalladamente analizaremos la capacidad de los iones del subgrupo de arsénico de formar tiosales solubles en agua. Según fue referido, los sulfuros de los iones de este subgrupo tienen valores pequeños de los productos de solubilidad, no se disuelven en ácidos diluidos (que no poseen propiedades de oxidar) y precipitan con sulfuro de hidrogeno en un medio ácido (con un ≈ 5)
A diferencia de los sulfuros de los cationes del subgrupo de cobre, estos sulfuros son capaces de disolverse al ser tratados con , , [4 ] formando las llamadas tiosales, por ejemplo ↓ → ( )
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3. PROCESO EXPERIMENTAL 3.1. MATERIALES Y EQUIPOS DE LABORATORIO 8 tubos de ensayo Gradilla Piseta con agua destilada Bagueta Embudo de vidrio Papel filtro Papel tornasol Reactivos: (NH4OH, Na2S, HCl, (NH4)2Sx, HNO3, H2SO4, CH3COOH, K4Fe(CN)6)
3.2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PASO 01 Corregimos la acidez de la solución inicial que contiene todos los cationes del grupo II, agregando gota a gota NH4OH 15N hasta neutralizar la solución, luego añadimos HCl 6N en relación de 1 gota/ml de solución, para ello usamos papel tornasol como indicador. 1. Se agregó 5 gotas de NH4OH 15 N y se observó que se volvió de color azul formando un precipitado. 2. El papel de tornasol se volvió de color lila, por lo que se concluye que la solución es básica. 3. Al agregar 4 gotas de HCl la solución volvió a su estado inicial. 4. El papel de tornasol se volvió de color rojo, por lo que se concluye que la solución es ácida.
PASO 02 Luego agregamos Na2S gota a gota hasta completar la precipitación, filtramos y desechamos la solución pasante.
Se agrega 3 gotas de Na2S 5N.
Se formó un ppt marrón y se pasó por el papel filtro.
Volvemos a agregar Na2S hasta verificar que no se forma nuevo ppt color marrón.
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El precipitado de color marrón oscuro está formado por los sulfuros de los cationes del sub-grupo IIA (HgS, PbS, Bi2S3, CuS, CdS) y los del sub-grupo IIB (As2S3, Sb2S3, Sb2S3, SnS, SnS2). PASO 03 Continuamos agregando Na2S y se evidencia la precipitación del arsénico.
Se verifica la formación de arsénico.
Se vuelve a pasar la solución por el papel filtro para recuperar el precipitado.
Continuamos agregando Na2S y se evidencia la precipitación del antimonio.
Se verifica la formación del antimonio,
Se vuelve a pasar la solución por el papel filtro para recuperar el precipitado.
Se verificó que no se forma nuevo precipitado luego de continuar agregando Na2S. Por lo que se han precipitado todos los cationes del grupo IIB. PASO 04 Transfiera el precipitado obtenido a un vaso con ayuda de unos ml. de solución amarilla de poli sulfuro de amonio (NH4)2SX (hacer esta operación en la zona de extracción de gases o en un lugar ventilado) posteriormente lleve el contenido del vaso a un tubo, la por unos segundos someta este contenido a baño maría por unos segundos (con agitación permanente).
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Se añade (NH4)2Sx al precipitado obtenido del filtro.
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La solución obtenida se coloca en 2 tubos y se lleva a baño maría.
PASO 05 Lavamos el precipitado con una solución de ácido nítrico (HNO3) para luego deshidratarla. Se observa que al lavarlo con HNO3 el papel filtro se vuelve de color anaranjado, queda una solución negra en la probeta formando un precipitado, la cual se calienta y emana un olor fétido, formando HgS y S.
Se añaden unas 3-6 gotas de HNO3 al precipitado obtenido.
La solución obtenida se lleva a la estufa y se forma HgS y S gaseoso.
Formación del HgS.
PASO 06 La solución filtrada puede contener: Pb(NO3)2, Bi(NO3)3, Cu(NO3)2, Cd(NO3)2, a esta solución le agregamos unas gotas de H2SO4 9N y calentamos la solución hasta observar el desprendimiento de abundantes humos blancos, luego enfriamos, diluimos ligeramente la solución y filtramos.
Se añaden unas 4 gotas de H2SO4 al precipitado obtenido.
Calentamos la solución hasta que se liberan abundantes humos blancos.
El precipitado obtenido corresponde al PbSO4
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PASO 07 Reconocemos el PbS2, alcalinizamos la solución con NH 4OH 15N y observamos la formación de un precipitado de color blanco el cual es una sal básica de bismuto de composición que depende de la concentración y temperatura de la solución. Filtramos. Nota: en este paso se usó NH 4OH 15N para alcalinizar de paso la solución ya que en medio ácido no hubiera habido precipitación
(4 ) 64 → 2() ↓↓ 3(4 )(4 )
PASO 08 La solución filtrada debe presentar una tonalidad azul debido a la presencia del catión Cu que se encuentra como Cu(NH3)4SO4; añadimos gotas de KCN hasta decolorar la solución, luego agregamos gotas de Na2S hasta observar la formación de un precipitado.
Se tiene una solución con tonalidad azul que evidencia la presencia de Cu.
Se agrega el KCN para decolorar la solución, luego se añade el Na2S.
El precipitado de color amarillo corresponde a CdS.
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PASO 09 Trabajamos con la solución de tiosales del subgrupo de As. Diluimos la solución y agregamos gotas de 6N hasta lograr aproximadamente un pH ≤ 5. Calentamos y filtramos. (Desechamos la solución pasante). El precipitado obtenido puede contener (proveniente del )
2(4) 4 ( ) → (↓↓) 3(4) 2(4 ) 4 ( ) → (↓↓) 3(4 ) (4 ) ( ) → (↓↓) (4 )
PASO 10 Traspasar el precipitado con ayuda de unos ml. de 12 a un vaso. Calentamos ligeramente. Filtrar. El precipitado contiene . La solución contiene []− y [ ]−, se diluye la solución (que tiene exceso de HCl) hasta que la concentración de contenido se aproxime a 2.4N.
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PASO 11 Calentamos la solución y luego añadimos gotas de Na2S hasta observar la formación de un precipitado, filtramos.
4. CONCLUSIONES
Se debe tener en cuenta que los cationes del grupo II en forma de sulfuros en un medio común un grupo puede ser soluble y el otro insoluble. En comparación con los cationes del grupo I este grupo requiere de una precipitación selectiva para su reconocimiento particular. Todos los sulfuros de subgrupo del Arsénico se disuelven en sulfuro de amonio, con excepción del SnS, que para disolverse necesita del polisulfuro de amonio.
Los cationes de este grupo forman sulfuros insolubles en ácidos diluidos.
5. CUESTIONARIO I.
Elabore un esquema del análisis del grupo II de cationes ¿Qué reactivos usamos para la separación de los diferentes cationes? ¿Cuáles son los inconvenientes encontrados?
Reactivos: (NH4OH, Na2S, HCl, (NH4)2Sx, HNO3, H2SO4, CH3COOH, K4Fe(CN)6). Los inconvenientes encontrados son que los reactivos son muy peligrosos y se debe tener mucho cuidado en la manipulación de los mismos.
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SOLUCI N DILUIDA DE CATIONES II GRUPO Neutralizar la solución con NH 4OH Agregar HCl, una gota/ml de solución Precipitación total con Na 2S de subgrupos II-A y IIB Añadir (NH4)2SX, llevar a baño maría. Se forman:
Precipitado: Agregar HNO 3 Hervir. Se obtiene: Precipitado:
Color
Solución: Pb(NO3)2, Bi(NO3)2, Cu(NO3)2, Cd(NO3)2
negro de HgS y S 0
Solución: Conteniendo Tiosales Diluir solución y acidificar con HCl 6N, calentar, filtrar Precipitado: As2S5, Sb2S5, Sb2S3, SnS2 y S0
Añadir H2SO4. Calentar: observar humos blancos
Añadir HCl 12N al precipitado, calentar, filtrar Enfriar. Diluir solución. Filtrar Precipitado:
Color
Alcalinizar la solución con NH4OH. Se obtiene:
Precipitado: blanco de BiOH3
Color
Precipitado: As2S5
Solución: Bi2(SO4)3, CuSO4, CdSO4
blanco de PbSO4
Solución:
Diluir solución hasta la concentración HCl 2.4N
Calentar. Añadir Na2S, observar precipitado. Filtrar
Solución: Color azul de Cu(NH3)4SO4
Solución:SbCl3 y SnCl 4,
Alcalinizar la solución con NH4OH. Se obtiene:
Diluir solución hasta la
Solución: Color azul de Cu(NH3)4SO4
concentración HCl 1.2N
Añadir: Na2S Precipitado: SnS2
Precipitado:Sb2S5,
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II. ¿Por qué debemos corregir la acidez de la solución inicial? ¿De qué otra forma se puede corregir la acidez y qué otros reactivos pueden usar? Porque el Na2S vuelve alcalina la solución inicial. Se puede corregir utilizando HCl. III. Analice y explique porqué el ácido nítrico nos sirve para identificar al catión mercurio en el primer subgrupo IIA. Lo que obtenemos es un precipitado negro de sulfuro de mercurio que es insoluble en ácido nítrico compuesto de °. ∆→ ↓↓ ()
La solución pasante puede contener: Pb(NO 3)2, Bi(NO3)3, Cu(NO3)2, Cd(NO3)2, esta solución debe ser recibida en un vaso. → ( ) → ( ) → ( ) → ( )
IV. ¿Por qué es necesario calentar la solución conteniendo cationes del subgrupo IIA después de agregar H2SO4 9N y esperar a que se desprendan humos blancos? Porque los cationes del grupo IIA al reaccionar con el H2SO4 liberaran HNO3 gaseoso, que como sabemos es sumamente tóxico y nocivo si llega a ser inhalador por personas. Los humos blancos es el HNO3 que es liberado y absorbido por la campana extractora. Pb(NO3)2
+ H2SO4
Pb SO4 + 2 HNO3(g)
Cu(NO3)2
+ H2SO4
Cu SO4 + 2 HNO3(g)
Cd(NO3)2
+ H2SO4
Cd SO4 + 2 HNO3(g)
2Bi(NO3)3
+ 3H2SO4
Bi 2( SO4 )3 + 6 HNO3(g)
V. ¿Para qué alcalinizamos los sulfatos solubles del grupo IIA? ¿Qué catión identificamos bajo qué forma? ¿Cuáles son las reacciones producidas? Es necesario alcalinizar los sulfatos solubros del grupo IIA ya que en un medio ácido no existe precipitación. Se observa la formación de un precipitado de color blanco el
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cual es una sal básica de bismuto de composición que depende de la concentración y temperatura de la solución. Reacciones del CuSO4 Bi2 (SO4)3 CdSO4 con NH4OH Cu SO4
+ 4NH4OH
Bi 2(SO4) (ac)
+ 6NH4OH
Cd SO4
+ 4NH4OH
Cu(NH3)4 SO4 + 4H2O
2Bi(OH)3 + 3(NH4)2SO4
Cd(NH3)4 SO4 + 4H2O
Reacciones del Cu(NH3)4 SO4 Cd(NH3)4 SO4 2Cu(NH3)4 SO4 + 10KCN + 8H2O
con KCN
2K3Cu(CN)4 + 2K2SO4 + (CN) 2 + 8NH4OH
Cd(NH3)4 SO4 + 4KCN + 4H2O
K2Cd(CN)4 + K2SO4 + 4NH4OH
Reacción del K2Cd(CN)4 con Na2S K2Cd(CN)4 + Na 2 S
CdS + 2KCN + 2NaCN
VI. ¿El cobre porqué en su identificación de tonalidad azul se encuentra diluido? ¿Por qué no precipita? ¿Qué está formando en solución? ¿Cómo podemos precipitarlo, qué reactivos usamos? Porque el cobre se encuentra formando parte del complejo Cu(NH3)4SO4, y como sabemos al formar un complejo su estabilidad aumenta. Para precipitarlo utilizamos KCN hasta decolorar la solución, luego agregamos gotas de Na2S hasta observar la formación de un precipitado. VII. La solución que contiene las tiosales del subgrupo IIB ¿Por qué es acidificada con HCL 6N y luego calentada ligeramente? ¿Qué efecto produce este accionar? ¿Hay reacciones químicas? ¿Cuáles? La solución que contiene las tiosales, esta solución es acidificada con HCl 6N para formar el precipitado que contiene As2S3, Sb2S3, SnS2. Una vez que precipitan las tiosales se procede a tratar con HCl 12N en esos momentos precipitara As2S5, luego diluir poco a poco hasta precipitar, con ayuda del Na2S, el antimonio en forma de Sb2S3. Reacciones del (NH4)2 SnS3 (NH4)3 AsS4 NH4)3 SbS4 con HCl 2(NH4)3 AsS4(ac) + 6HCl(ac) 2(NH4)3SbS4(ac)) + 6HCl(ac) (NH4)2SnS3(ac) + 2HCl(ac)
3H2S(ac) + As2S5(S) + 6NH4Cl(ac) 3H2S(ac) + Sb2S5(S) + 6NH4Cl(ac) H2S(ac) + SnS2(S) + 2NH4Cl(ac)
Reacciones del Sb2S5 SnS2 con HCl (12N)
Sb2S3(S) SnS2(S)
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+ +
6HCl(ac) 4HCl(ac)
2SbCl3(ac) SnCl4(ac)
+ +
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3H2S 2H2S
VIII. Se va a titular 80 ml de una solución de amoniaco NH3 (K b=1.8x10-5) 0.2 M con ácido clorhídrico 0.2 M, se desea conocer: a) El volumen del ácido consumido b) El ph en el punto de equivalencia c) El indicador apropiado a utilizar IX. Calcule el ph de la solución que se obtiene al mezclar 100 ml de HNO 3 0.6 M, 100 ml de H2SO4 y 300 ml de NaOH 0.5 N.
X. ¿Cuáles son las normas de seguridad que debe seguir cuando en el laboratorio trabajamos con cianuros? Entre las medidas estas son las necesarias a observar a) Deben colocarse señales de advertencia en que se alerte a los posibles visitantes de la presencia de cianuro. b) La práctica debe ser en espacio abierto y ventilado c) Prohibido fumar, comer, beber d) Prohibida la presencia de llamas abiertas. e) Debe también señalarse en forma específica que deben usarse los equipos de protección personal específicos para el cianuro, protectores visuales, guantes, en casos que lo requiera mascarillas. f) Evitar la inhalación de los compuestos cianurados en polvo y de sus gases de descomposición. Los lugares en donde se manipulen deben estar acondicionados. Si a pesar de todo puede persistir su presencia, se deberá utilizar protección respiratoria provista del adecuado filtro. g) Cuando se vayan a manipular estos productos, utilizar siempre la protección ocular recomendada, así como guantes. h) Por medidas de seguridad, como bloqueos en las válvulas y almacenamiento cercado bajo llave de sólidos, i) El almacenamiento de cianuro sólido y líquido debe estar separado por bermas u otro método adecuado para prevenir el mezclado del cianuro con materiales incompatibles como ácidos, oxidantes fuertes y explosivos. j) Debe evitarse el contacto con agua de pH bajo y neutro. k) Debe disponerse fácilmente de capacidad para contención de derrames y materiales de limpieza adecuados para el tipo y la cantidad de cianuro a trabajar. l) No permitir contacto del cianuro con piel m) No permitir contacto del cianuro con ropa
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n) No guardar ni consumir alimentos o bebidas, ni fumar en los lugares donde se utilicen compuestos cianurados. o) Evitar el contacto con la piel y la impregnación de la ropa con estos productos o sus disoluciones y mantener bien cerrados los envases que los contienen. p) Evitar el contacto con dióxido de carbono, oxidantes fuertes y ácidos, ya que con éstos últimos se genera cianuro de hidrógeno (CNH) altamente tóxico. 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS I.
‘’Semi-microanálisis Químico Cualitativo’’ V.N. Alexeiev, Capítulo VI pag.487 -495
II.
‘’Química Analítica Cualitativa’’ Arthur I. Vogel, Capítulo III pag.238 -252
III.
‘’Analisis Cualitativo’’ Ray U. Brumblay, Capítulo IV pag.71 -99
