UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO ESCUELA NACIONAL COLEGIO DE CIENCIAS Y HUMANIDADES PLANTEL ORIENTE (034) CICLO BACHILLERATO ÁREA DE CIENCIAS EXPERIMENTALES ASIGNATURA: QUÍMICA III (1507) REPORTE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL NÚMERO 03 ) S O “OBTENCIÓN DE SULFATO DE AM ONIO (NH ” 4 4 2 2 4 4
Integrantes del equipo MARIN NAJERA TANIA M RQUEZ P REZ LUIS TAPIA CARLOS GIOVANNY GRUPO: 531 EDIFICIO: SILADIN
LABORATORIO: CREA
PROFESOR: ISAÍAS ÁLVAREZ HERNÁNDEZ QUINTO SEMESTRE CLAVE DEL SEMESTRE: 2013-1 FECHA DE REALIZACIÓN: 31/AGOSTO/2012 FECHA DE ENTREGA: 14/SEPTIEMBRE/2012 CICLO ESCOLAR: 2012-2013
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Página Introducción…………………………………………………………………… 3-4 Objetivo………………………………………………………………………... 5 Hipótesis………………………………………………………………………. . 5 Marco Teórico………………………………………………………………… 6-8 Material y Sustancias………………………………………………………… 9 Metodología…………………………………………………………………… 10 Esquemas……………………………………………………………………... 11 Cálculos químicos……………………………………………………………. 12-16 Observaciones………………………………………………………………... 17 Conclusiones…………………………………………………………………... 18 Cuestionario……………………………………………………………………. 19-20 Referencias…………………………………………………………………….. 21 Anexos…………………………… Anexos………………………………………………………… ……………………………………………... ………………... 21 Apartado
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Amigo lector el presente reporte experimental tiene como finalidad conocer y valorar la importancia de la Industria Química de los fertilizantes, por la obtención de un fertilizante obtenido a nivel laboratorio escolar, pues es un producto de gran impacto industrial, debido a que satisface de forma indirecta una de las necesidades primordiales de la población humana: la alimentación. También a gran escala tiene impacto socioeconómico en la economía del país (PIB), es por eso que aquí hacemos un apartado y argumentamos sobre la importancia de que México produzca fertilizantes como un ingreso económico que favorezca el desarrollo de la economía social. A continuación redactaremos en forma breve y clara el contenido de nuestro reporte, si observan detalladamente el índice que se encuentra a la página anterior se darán cuenta que el reporte está dividido en trece apartados esto con la intención de que el lector identifique las partes de un reporte experimental además de que la lectura que realice se le haga más amena y comprensible. En las siguientes páginas se encuentran redactados los objetivos que pretendemos cumplir al finalizar la práctica, los objetivos fueron determinados en la clase por el grupo, además se encuentran anexados los objetivos personales del equipo que tienen como principal meta reconocer las reacciones que se llevan a cabo en la elaboración de un fertilizante en este caso el Sulfato de Amonio (NH4)2SO4. Es de suma importancia la elaboración de un juicio de probabilidad de lo que pasara al finalizar la práctica, a este juicio de probabilidad lo denominamos hipótesis, esta deberá de ser verdadera o en su caso falsa y lo comprobaremos cuando términos la práctica. Después encontramos el marco teórico como un sustento de la información desarrollada, los materiales y sustancias que son indispensables que se lleva a cabo exitosamente la práctica, así como la metodología empleada. Es importante mencionar que en reporte se integran los cálculos químicos, con lo que podemos afirmar que nuestro reporte es de carácter cualitativo y cuantitativo, los cálculos fueron realizados en el laboratorio CREA con la ayuda de nuestro profesor. Las últimas partes del informe constan de las conclusiones, las referencias donde pueden consultar más información además de los anexos como una forma de apoyo.
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Ahora bien, la práctica es muy valiosa puesto que se lograron afirmar conceptos básicos como mezcla, ácidos, bases, reacción de neutralización, entre otras. No obstante y al parecer lo más importante para el equipo fue el ahora conocer que una reacción química están en indeterminada relación con una serie de cálculos, este es sin dunda el conocimiento adquirido más significativo como producto de la realización de nuestro experimento el conocer cuánticamente el comportamiento de los reactivos y productos de una reacción química esto como ya mencionamos anteriormente se verá más adelante. Lo que queremos de conocer al finalizar la práctica es lógicamente visualizar el producto obtenido que es el Sulfato de Amonio, ¿Cómo es?, determinar su color su forma su textura y de la misma manera identificar la cadena productiva que se lleva a cabo para la obtención de dicho fertilizante. Como parte de nuestra introducción contestaremos a nuestro criterio la siguiente pregunta: ¿Qué importancia tiene la industria de los fertilizantes en México? Es de suma importancia, tenemos que considerar que México es un país que produce a gran escala las materias primas necesarias para la elaboración de fertilizantes. Esta elaboración de fertilizantes ya sean fosfatados, nitrogenados, etc., tienen su importancia en el desarrollo de la vegetación que aporta a la nación los alimentos que a su vez nos proporcionan los nutrientes esenciales para realizar nuestras actividades día con día y ayudar al desarrollo de nuestro país, esto aclaro lo respondemos en términos microeconómicos que ayudan al desarrollo de una población sea cual sea. Si trasladamos la pregunta a términos de beneficio de la economía nacional podemos decir sencillamente que la importancia de producir fertilizantes a gran escala por medio de la industria radica en el impacto de la economía del país es decir, en el producto interno bruto (PIB), lo explicamos a partir de una analogía singular si producimos a gran escala y por el libre comercio, podemos exportar nuestro producto a diferentes sedes internacionales y con ello obtener un ingreso o fuente de riqueza esto a futuro generaría el desarrollo de la industria química de fertilizantes en México y por ende la acumulación originaria de un capital de origen extranjero. Esperamos que al termino de que tu amigo lector leas con asombro nuestro reporte adquieras nuevos conocimientos, aclares dudas o simplemente que a partir de tu curiosidad crees cultura básica de este tema.
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Obtener a nivel laboratorio un fertilizante químico de uso cotidiano. Conocer el tipo de reacción que se efectúa entre un ácido y una base. Valorar los materiales y sus usos dentro de la actividad experimental además de manejarlos con precaución. Utilizar el fertilizante obtenido de una forma positiva.
Mesa del laboratorio CREA
Si el Sulfato de Amonio se obtiene a partir de la reacción química entre Hidróxido de Amonio y Acido Sulfúrico, y teniendo en cuenta que los reactivos están en estado de agregación liquida, entonces el Sulfato de Amonio lo obtendremos en el mismo estado de agregación a sus reactivos.
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Si bien de lo que hablaremos en esta ocasión es de la obtención de una sal (NH 4)2SO4 es preciso que mencionemos algunos temas necesarios y además elementales para la buena comprensión de este experimento. Por ejemplo, podríamos preguntarnos ¿cuáles son los elementos que intervienen en la obtención del Sulfato de Amonio (y no solo las sustancias sino también las condiciones)? ¿Qué importancia tiene este compuesto en nuestra vida cotidiana aunque no nos demos cuenta? ¿Cuáles son los usos en la industria? ¿Por qué es el fertilizante más producido en nuestro país? A continuación presentamos información básica del compuesto químico que se pretende obtener: Nombre Químico: Sulfato de Amonio Otros Nombres: Sulfato de Amoniaco, Sal de Azufre y Amonio Fórmula Química: (NH4)2SO4 Peso Molecular (g/mol): 132.14 Presentación Física: Cristales sólidos finos de color blanco, beige o grisáceo. Tamaño de partícula: 0.50 a 0.85 mm Solubilidad en agua, a 20° C (100 g/100 ml): 76 gr/100 ml de agua a 25° C pH en solución al 10%: 4.0 – 6.0 Unidades Densidad Aparente (Kg/m3): 960 – 1,040 Kg/m3 Índice de Salinidad: 69 Humedad Relativa Crítica (a 30° C): 79% Acidez equivalente a Carbonato de Calcio: 110 partes de Carbonato de Calcio por 100 partes de SAM. Ahora después de conocer algunas propiedades de nuestra sal procedemos a explicar la cadena productiva para la obtención del fertilizante. Obtención de Sulfato de Amonio a nivel industrial: Obtenemos el Hidrogeno a partir de a reacción de metano y agua:
Para producir amonio hacemos reaccionar nitrógeno diatónico con hidrogeno:
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Esta es una forma de obtener sulfito:
Cabe mencionar que el gas SO 2 es fundamental para obtener Ácido sulfúrico
Obtengamos a continuación el anión Sulfato
La forma más sencilla de obtener acido sulfúrico es la siguiente:
Finalmente hacemos reaccionar 2 moles de amonio con 1 mol de acido sulfúrico para producir el fertilizante Sulfato de amonio:
El sulfato de amonio se obtiene por interacción del amoníaco con el ácido sulfúrico. Para la producción de nitrato de amonio (salitre amoniacal) no se necesita ninguna materia prima complementaria además de lo que producen las fábricas de productos nitrogenados. El sulfato de amonio presenta buenas propiedades físicas, pero contiene poco nitrógeno. Hablando a modo de fertilizante el Sulfato de Amonio es el de mayor producción en nuestro país, tan solo en el 2005 fue de 1, 120,000.00 TM Producción Nacional Sulfato de Amonio 2004
Planta Univex (Salamanca) Planta Agrogen (Querétaro) Planta Fertirrey (Torreón) Planta Fegusa (Guadalajara) Planta Fesur (Minatitlán)
300,000 TM 300,000 TM 220,000 TM 140,000 TM 160,000 TM
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Precios promedios nacionales (Urea 46%, DAP, KCL y Sulfato de Amonio) (2011)
Fuente: Sistema de Información de Precios de los Insumos y Factores Asociados a la Producción, 2011. Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural – Corporación Colombia Internacional. Cálculos CCI
TEORIA DE ARRENIUS
Arrhenius definió los ácidos como electrolitos que contienen hidrógeno y que, disueltos en agua, producen una concentración de iones hidrógeno o protones, H +, mayor que la existente en el agua pura. Del mismo modo, Arrhenius definió una base como una sustancia que disuelta en agua producía un exceso de iones hidróxido, OH - (también llamados aniones hidroxilo). La teoría de Arrhenius ha sido objeto de críticas. La primera es que el concepto de ácido se limita a especies químicas que contienen hidrógeno y el de base a las especies que contienen iones hidróxido. La segunda crítica es que la teoría solo se refiere a disoluciones acuosas, cuando en realidad se conocen muchas reacciones ácido-base que tienen lugar en ausencia de agua.
H2SO4 { HAc Base de Arrhenius: NaOH Ácidos de Arrhenius:
→
→
HSO4AcNa+
+ H+ + H+ + OH-
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Material
Soporte universal Tela de asbesto Pinza de mariposa Bureta volumétrica Matraz ERLENMEYER 200 ml. 2 vasos de precipitados de 250 ml. Probeta graduada 100 ml. Anillo metálico Agitador Pipeta de 5 ml. Balanza digital Encendedor Bata 2 mecheros de BUNSEN Espátula Jeringa graduada de 5ml. Detergente para lavar fibra, escobillones.
Sustancias
Ácido Sulfúrico (H2SO4) Fenolftaleína Agua destilada (H 2O) Hidróxido de Amonio NH4OH
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Hacer una mezcla de 1.56 ml de Acido Sulfurico (H 2 SO4 ) + 48.4 ml de H 2O (primero el agua se mide en la p robeta graduada y luego se deposita en el vaso de precipitados, después con ayuda de la pipeta mide 1.56 ml de Ácido Sulfurico posteiormente vertelos en el vaso de precipitados notese la formación de una solución acuosa.
Medir 10 mililitros de la disolución acuosa de la mezcla anterior y depositarla en el matraz ERLENMEYER,posteriormente agregar 3 gotas de Fenolftaleina.
Medir 10 ml de Hidroxido de Amonio (NH 4OH) con ayuda de la pipeta y depositara en la bureta.
Después vaciar el hidróxido de amonio en el matraz que contiene la disolución anteriormente mencionada y observar la reacción.
Luego, al comprobar que no ocurre ninguna reacción, volver a adicionar 1.8 de hidróxido de amonio.
Despues de que la reaccion se efectua(notese la presencia de la reacción a partir del cambio de color en la solución del vaso de precipitados reacción de neutralización), sometala a un cambio de temperatura en el mechero e bunsen, esperar a que s e vapore todo el liquido y finalmente obtendra un solido blanquesino este es el fertilizante obtenido.
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Tres compuestos indispensables para el desarrollo de la practica el hidróxido de amonio, el acido sulfúrico y la fenolftaleína
Producto obtenido fertilizante
Mezcla de agua con ácido sulfúrico
Calentamiento de ácido sulfúrico e hidróxido de amonio
Como producto final y apoyando la alimentación el fertilizante fue agregado a una planta de chiles de árbol.
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Cálculo del peso molecular promedio (P.M.) H2SO4
98 Peso molecular promedio de H2SO4
NH4OH
35 Peso molecular promedio de HH4OH
H2O
18 Peso molecular promedio de H2O
(NH4)2SO4
132 Peso molecular promedio de (NH4)2SO4
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Cálculo de pesos equivalentes H2SO4 (Ácido)
P.E H2SO4
P.E H2SO4= NH4OH (Base)
(NH4)2SO4 (Sulfato)
H2O
Ecuación de la reacción
Se cumple la ley de la conservación de la materia
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Porcentaje en peso y densidad del ácido y de la base
Base 30 % masa y densidad
Ácido 86 % masa y densidad
Para el ácido
Para la base
Cálculo de la normalidad del ácido y de la base
[] [ ] N1 del ácido
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Para el experimento que se realizo fue necesario preparar una solución 1N de ácido sulfúrico.
PROBLEMA
¿Cuántos ml de H2SO4 se deben medir para preparar una solución de VT (50ml) de ácido a una concentración de 1N? DATOS
FÓRMULA
V1= x N1=
V2= 0.05 L
SUSTITUCIÓN
Del cálculo anterior se tomaron 10 ml de ácido 1N ya preparados
¿Cuántos ml de NH4OH se requieren? Datos
FÓRMULA
V1= 0.01 L N1=
V2= x
SUSTITUCIÓN
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El equivalente químico es una constante entre reactivos y productos
Datos V= 1.3 ml de NH 4OH que se supone que fue gastado
N=
() Cálculo de rendimiento de reacción
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Cuando mezclamos H 2SO4 con el agua H 2O el matraz se pone caliente.
Solución acidulada (disociación acuosa). Teoría de Arrhenius.
También observamos que al agregarle a la mezcla de Ácido Sulfúrico (H 2SO4) y agua químicamente pura (H2O), unas gotas de fenolftaleína no pasa a simple vista absolutamente nada, sin embargo ocurrió un fenómeno totalmente diferente cuando agregamos Hidróxido de amonio al ácido, es decir, la fenolftaleína logra pintar las bases las tiñe a un color rosa, fenómeno que reitero no pasa si la fenolftaleína se agrega a un ácido. No podemos dejar de mencionar que ocupamos solamente el 11.8 ml de Hidróxido de Amonio de los 15 ml que yacían en la bureta volumétrica y de acuerdo a nuestros calculo teóricos solamente teníamos que ocupar 1.30 ml de NH 4OH es un dato digno de analizar pues notoriamente excedimos la cantidad que requeríamos para la obtención de nuestro fertilizante. Lo mas impresionante a consideración del equipo es la forma en cómo se obtuvo el Sulfato de Amonio teníamos dos líquidos que cambiaban su temperatura debido al sometimiento de calor aportado por un mechero de bunsen, a continuación comenzó a evaporarse toda el agua y comenzaron a surgir pequeñísimas partículas de un tipo de cristal sólido cristalino blanquecino y grisáceo además la cantidad de fertilizante obtenido fue mínima alcanzamos apenas el 0.1 g de Fertilizante y que de acuerdo a nuestros cálculos teóricos tendríamos que obtener como producto final 0.66 g de Sulfato de Amonio Notamos que, al menos en nuestro caso, al evaporarse las sustancias se reducía la cantidad a comparación de lo que al principio había. Lo que nos llevo a preguntarnos cuanto hablando en cantidad de sustancias y cuanto presupuesto gastaría la industria para hacer toneladas de fertilizante.
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La fenolftaleína es capaz de teñir las bases a color rosa debido: primero a que la fenolftaleína es un ácido débil que pierde cationes de hidrogeno en solución. La molécula de fenolftaleína es incolora, en cambio el anión derivado de la fenolftaleína es de color rosa, cuando se añade a una base la fenolftaleína, los iones de equilibrio se desplazan hacia la derecha, lo que conduce a mas ionización como los iones hidrógenos (H+1) se eliminan, en otras palabras con un lenguaje más sencillo decimos que cuando se agrega a una base fenolftaleína, siendo esta inicialmente incolora pierde iones (H +1) formándose el anión y haciendo que tome coloración roja. Por otra parte ocupamos 11.8 ml de Hidróxido de Amonio para efectuar la reacción química y teóricamente nos marcaba que gastaríamos 1.33 ml de Hidróxido de Amonio esto puede deberse a las concentraciones a las que se encontraban los reactivos esta fue la mejor propuesta planteada por el equipo al intentar dar una explicación lógica al enigma. Ahora bien nuestro fertilizante químico es el producto de una reacción de neutralización entre un acido y una base en este caso hicimos reaccionar Ácido Sulfúrico con Hidróxido de Amonio, obtuvimos en el lado de los productos al Sulfato de Amonio y Agua en vapor por lo que comprobamos una teoría que nos dice que una reacción de neutralización entre un ácido y una base forzosamente produce una sal más agua. Otra ley que logramos comprobar fue la ley de la conservación de la materia puesto en que la misma reacción obtuvimos el mismo peso molecular promedio en los reactivos y en los productos esto se observa claramente en el apartado de este informe experimental que son los cálculos químicos. Para el caso de nuestra hipótesis esta resulto ser falsa puesto que afirmábamos antes de hacer la práctica que el Sulfato de Amonio lo obtendríamos en estado de agregación liquida por ser sus reactivos líquidos lo que no es correcto puesto que obtuvimos finísimos sólidos cristalinos de color blanco, cuantitativamente fue 0.1 g del fertilizante de 0.66 g que teóricamente teníamos que obtener esto debido a que no dejamos que el proceso de calentamiento se llevara a cabo mas tiempo. Finalmente decimos que nuestra sal cuaternaria es un ingreso económico muy importante en la economía del país en la alimentación y su producción en toneladas favorece el producto interno bruto de la nación, el equipo utilizo el fertilizante para agregarlo a un planta de chiles de árbol, esperamos resultados.
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1. Elabora un cuadro sinóptico sobre la clasificación de los fertilizantes en orgánicos e inorgánicos.
Orgánicos
Fertilizantes Inorgánicos
Excremento Residuos de comida Composta Basura
Fosfatados Nitrogenados Potásicos Amoniacales
2. ¿A qué categoría de reacción pertenece la obtención de Sulfato de Amonio que se efectuó durante la actividad experimental? Dar la ecuación química balanceada. R= Reacción de neutralización donde obtuvimos como productos el sulfato de Amonio que es una sal cuaternaria mas el agua.
Nota: el 2 que aparece en la fórmula del Sulfato de Amonio es un subíndice, no lo tomen como coeficiente.
3. ¿El fertilizante obtenido en el laboratorio corresponde a una mezcla o a un compuesto? R= Es un compuesto, aunque no lo podemos comprobar el equipo se encargo de limpiar todas las impurezas que habían en los materiales que usamos en el desarrollo de la práctica limpiándolos con agua destilada pues al ser químicamente pura no contiene minerales o mismas impurezas que hayan afectado para el producto que en nuestro caso fue la sal cuaternaria.
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4. Dar la fórmula química y el nombre de un fertilizante fosfatado, potásico y nitrogenado. Fertilizante Nitrogenado: Nitrato de Sodio Fosfatado: Superfosfato triple Potásico: Cloruro de Potasio
Fórmula química NaNO3 Ca(H2PO4)2 KCL
5. ¿Cuál es la fórmula química y el nombre IUPAC del fertilizante intermediario para obtener Sulfato de Amonio a nivel industrial? R= Hidróxido de Amonio de fórmula química NH 4OH
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http://www.isquisa.com/site/files/productos/Sulfato_de_Amonio.pdf (14 de septiembre
2012 a las 3:00 a.m) http://fresno.cnice.mecd.es/fgutie6/quimica2/ArchivosHTML/Teo_4_princ.htm
(Revisadas a las 12:44 am el 9/09/2012) Alcántara B. Química Inorgánica Moderna, Unidad 9, paginas 5 62-569. Editorial ECLASA,
MEXICO. Año 1972
Sistema de Información de Precios de los Insumos y Factores Asociados a la Producción, 2011. Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural – Corporación Colombia Internacional. Cálculos CCI
Siguientes juegos de copias: Fertilizantes químicos: productos estratégicos Obtención de Sulfato de Amonio
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