Práctica #5. Acidez de los cationes metálicos
Arganis Ramirez Carlos Andrés
ANTECEDENTES. Svante Arrhenius definió a los ácidos como sustancias que se ionizan en agua para formar iones H+ y las bases como sustancias que se ionizan en agua para formar iones OH-. Las definiciones de Arrhenius son limitadas en el sentido de que solo se aplican a las disoluciones acuosas por lo cual en 1932 Johannes Brönsted definió un ácido como un donador de protones y una base como un aceptor de protones. Los átomos de elementos metálicos en general poseen un radio atómico grande en relación a su carga nuclear efectiva por lo cual tienen tendencia a perder uno o más electrones de su capa de valencia, es decir forman cationes con un menor radio iónico. Un aumento en la relación carga radio significa una disminución de la estabilidad. En general los cationes metálicos poseen una relación carga/radio elevada por lo que rápidamente interactúan con otros iones, átomos o moléculas para adquirir una mayor estabilidad electrónica y debido a que en el proceso se aceptan o donan electrones, se les confiere propiedades acidas o básicas dependiendo del medio en que reaccionen. La fuerza de un ácido puede ser definida como la tendencia a ceder un protón y la fuerza básica como la tendencia a aceptarlo. Una reacción ácido-base ocurre debido a que los ácidos no son iguales de fuertes. En Química se diferencia lo ácido de lo básico utilizando la escala llamada pH y definida como la Inversa de logaritmo decimal de la concentración de protones (o hidrogeniones). pH=-log [H+] Y como la concentración de protones va de 10-1 a 10-14 entonces la escala de pH va de 1 a 14, siendo 7 la neutralidad (agua pura, por ejemplo); de 6,9 hasta 1 ácido (ácido muriático o clorhídrico, ácido cítrico, vinagre, etc.) y de 7,1 a 14 básico (hidróxido de sodio o soda cáustica, hidróxidos, etc.)
El potencial de ionización es la energía que es necesaria que se suministra a un átomo para arrancarle un electrón de su capa de valencia, convirtiendo el átomo en un ion positivo o catión. Nos ceñiremos al primer potencial de ionización, energía necesaria para extraer un único electrón del átomo, aunque en muchos elementos se puede hablar de segundo potencial de ionización, energía necesaria para arrancar un segundo electrón al átomo que ya ha perdido uno, o de tercer, cuarto, etc.
Dos factores influirán sobre el potencial de ionización. Por una parte será tanto mayor cuanto más atraído esté el electrón que se pierde por el núcleo atómico. Por otro lado, como los átomos tienden a tener ocho electrones en su capa de valencia, acercarse a este ideal disminuirá el potencial de ionización, y alejarse de él lo aumentará. En un grupo, al bajar en la tabla periódica, aumenta el número de electrones del elemento y el número de capas electrónicas. Puesto que hay más capas electrónicas, los electrones están cada vez más lejos del núcleo atómico, que los atrae, por tanto, con menos fuerza y más apantallados por los electrones de las capas internas, que los repelen hacia el exterior del átomo. Estos tres factores se conjugan para que al bajar en el grupo, como el electrón estará menos retenido, el potencial de ionización disminuya. En un periodo el número de capas permanece constante, ya que en un periodo se completa la capa de valencia, no aumenta el número de capas. Al empezar, la capa de valencia tiene un único electrón, mientras que la capa inmediatamente anterior tiene ocho, si el átomo pierde ese electrón externo, se quedaría con una última capa con ocho electrones, una capa de valencia completa, de forma que pierde con mucha facilidad ese electrón y el potencial de ionización es muy pequeño. En los metales de transición, va aumentando la carga nuclear, sin aumentar la distancia entre la capa de valencia y el núcleo, así que los electrones de valencia están más atraídos y va aumentando el potencial de ionización. Al finalizar el período, los electrones de la capa de valencia aumentan en número, a la vez que aumenta su separación del núcleo, así que el primer elemento tendrá un potencial bajo, pero al aumentar el número de electrones se acerca a ocho y cada vez será más difícil arrancar un electrón, aumentando el potencial de ionización hasta alcanzar el máximo en los gases nobles, que tienen completa con ocho electrones la capa de valencia. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS Se tomaron 4 tubos de ensaye limpios y a cada tubo se le colocó con agua e indicador, se agregó 2 mL de disolución de uno de los siguientes cationes: Li+, Mg2+, La3+, Zr4+ y se comparó el color de cada disolución con el patrón visual y se anotó el pH correspondiente:
Catión Li2+
pH disolución 8
Mg2+
6
La3+
4
Zr4+
3
Se repite el experimento anterior utilizando ahora los cationes siguientes: K+, Zn2+, Al3+ y Sn4+. Catión
pH de su disolución
K+
6
Zn2+
6
Al3+
4
Sn4+
1
(Preguntas para responder) 1) Elabora una hipótesis acerca de cuál crees que es el factor responsable de las variaciones observadas en la acidez: La acidez varia debido a la carga y al tamaño del catión. 2) Considerando que un ion metálico (M) en disolución acuosa está en la forma escribe los productos de la reacción de hidrólisis
Posteriormente se determinó el pH de precipitación de los hidróxidos de estos cationes iniciando las pruebas con los cationes que mostraron mayor fuerza ácida. Para cada ion se colocó 2 mL de la disolución del catión en un tubo de ensaye y se añadió, gota a gota, un pequeño volumen de disolución de Na0H 1M agitando después de cada adición hasta que el precipitado que se formó ya no se disolvió, una vez que se observó un precipitado abundante, se añadió una gota de indicador universal y se tomó el pH de precipitación del catión. Catión Li+ K+ Mg2+ Zn2+ La3+ Al3+ Zr4+ Sn
pH 9 9 9 7 9 5 4 1
(Reactivos a resolver) Completa el siguiente enunciado: “ Los cationes de mayor (mayor o menor) fuerza ácida, precipitan a valores de pH más bajos (altos o bajos).”
Posteriormente a cada tubo se agregó 2 mL de disolución de uno de los siguientes cationes: Li+,Na+, K+, Ag+ y posteriormente se añadió, gota a gota, Na0H 1M, hasta 1mL. De estos iones el único que precipitó fue: Ag+ (Reactivos a responder) 1) Consulta la tabla periódica y elabora una hipótesis acerca de cuál piensas que es la propiedad que lo hace tan distinto: La relación entre la carga y el radio del catión influye mucho pero lo que realmente se determinó es que el catión es muy electronegativo 2) ¿Cómo es la acidez de este ion en comparación con los otros cationes monovalentes? Mayor Se colocó en cuatro tubos de ensaye 2 mL de disolución de Mg2+, Zn2+, Pb2+,Hg2+ respectivamente y se determinó el pH de precipitación de estos cationes empleando gota a gota una solución de Na0H 1M). Catión Mg2+ Zn2+ Pb2+ Hg2+
pH 9 7 6 4
Azul Verde Amarillo Naranja
(Reactivos a responder) 1) Revisa la tabla periódica y relaciona la propiedad propuesta en el inciso 3b con el pH de precipitación y, en consecuencia, con la fuerza ácida de estos cationes: Los metales del grupo I y II (metales alcalinos y alcalinoterreos), siempre son los que presentan menos fuerza ácida, esto debido a su gran radio iónico y a que son muy electropositivos, en los cationes de los otros grupos se vuelve a tomar en cuenta la relación que hay entre la carga y el radio iónico, además de la electronegatividad, en este caso la electronegatividad juega un factor muy importante para identificar la fuerza ácida del catión ya que el catión Hg2+ es el más electronegativo. 2)
Por lo tanto, ¿en qué orden precipitarán los iones Fe3+, Al3+, Bi3+ y La3+ en función del pH?: Bi3+ > Fe3 +> Al3+> La3+
Se repite el procedimiento usando los iones de Fe3+, Al3+, Bi3+ y La3+ Catión pH Color La3+ Azul 9 Al3+ Azul 9 Fe3+ Naranja 6 Bi 3+ 2 Rojo
(Reactivos a responder) 1) En conclusión: ¿Cuáles son las propiedades de un ion metálico que influyen en su fuerza ácida y cómo varía ésta en función de dichas propiedades? Las propiedades que influyen en la fuerza ácida de un catión son: radio iónico, carga y electronegatividad. Regularmente entre más cargado sea el catión más ácido es, también influye la relación entre la carga y el tamaño del catión, y como último criterio seria la electronegatividad que se utiliza para saber en un par de cationes cual es más ácido. 2) Divide a todos los cationes en cinco categorías según su carácter ácido, usando como criterio el pH de precipitación; luego ubícalos en cada categoría según su carga y posición en la tabla periódica. Categoría (pH de precipitación)
Ejemplos observados durante la práctica
Tipo de cationes (carga y bloque de la tabla periódica)
Cationes muy débilmente ácidos (12
LiCl, MgCl2 , Zn(N03)2 , KCl
K1+, Li1+ (s), Mg2+(s), Zn2+(d
Cationes débilmente ácidos (8
AlCl3 , La(N03)2
Al3+ (p), La3+(f)
Cationes moderadamente ácidos (3
ZrCl4
Zr4+ (d)
Cationes muy ácidos (pH<3)
SnCl4
Sn4+(p
Cationes no ácidos (pH>14)
3) Usando como primer criterio la carga y como segundo la electronegatividad, ordena a los siguientes cationes en orden de fuerza ácida creciente : Cr3+, Al3+, Li+, Tl+, Ce4+, Ti4+,Mn2+, K+, Ca2+, Y3+ y Fe2+. Ti >Ce >Cr> Al >Y> Fe >Mn >Ca >Tl> Li >K BIBLI0GRAFÍA -Rayner-Canham Geoff, Química Inorgánica descriptiva, 2da Edición, Pearson Education, México 2000. -Brown L. Thedore, Química: La ciencia central, 9na Edición, Pearson Education, México 2004.
Wthitten, K. D. Gailey, QUIMICA GENERAL. Tercera edición. Nueva Editorial Interamericana. Chang Raymond. QUIMICA. Sexta edición. Editorial Mc Graw Hill. Mexico (1999)
