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Grado en Farmacia
Química General, Inorgánica y
Orgánica
Prácticas de Laboratorio
Curso 2015-16
© Facultad de Farmacia UAH, Edición 2015
Unidades Docentes de Química Analítica, Química Inorgánica y Química Orgánica
Química General, Inorgánica y Orgánica
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ÍNDICE
Índice 2 Normas Generales 3 I. INTRODUCCIÓN 4 Material de Laboratorio 5 A. Material de vidrio 5 B. Material de porcelana, plástico, metal, etc. 8 C. Aparatos e instrumentos 9 Técnicas de química experimental 10 A. La seguridad en el laboratorio 10 B. El cuaderno de laboratorio 14 C. Medidas de volumen 17 D. Instrumentación básica 21 E. Técnicas de filtración 23 Bibliografía 25 II. OPERACIONES BÁSICAS 26 1. Material básico. Expresión y tratamiento de datos experimentales
27
2. Destilación 37 3. Cristalización 44 4. Extracción y agentes desecantes 51 5. Preparación de disoluciones. Unidades de concentración. 64 III. REACCIONES ÁCIDO-BASE Y REDOX 70 6. Equilibrios ácido-base: pH e hidrólisis de sales 71 7. Comportamiento redox de elementos de los grupos principales: metales del grupo I
77
8. Comportamiento redox de metales de transición: obtención de cobre por cementación
80
9. Preparación y valoración de una disolución de peróxido de hidrógeno
82
Tabla Periódica 85 Anexo I. Tolerancias del material volumétrico 86 Anexo II. Constantes de equilibrio ácido-base 87
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NORMAS GENERALES
Antes 1. Antes de empezar cada práctica, el alumno deberá haber leído el guion
correspondiente y repasado los conceptos teóricos que en ella se estudian.
Durante las sesiones
2. Al comienzo de cada práctica, el profesor encargado hará las indica-
ciones convenientes para el buen desarrollo de la misma y esquematizará,
si fuera necesario, los conceptos más relevantes.
3. Las prácticas se realizarán en parejas, salvo cuando se indique lo
contrario.
4. Sea puntual y no se ausente nunca sin permiso del profesor.
5. Deberá elaborar un “Cuaderno de laboratorio” que el profesor podrá
solicitar en cualquier momento para su evaluación.
6. Cada alumno es responsable de las consecuencias derivadas del
incumplimiento de las normas de seguridad.
7. Cada pareja de alumnos (o alumno si la práctica se realiza
individualmente) tendrá asignada una mesa y una taquilla con su equipo
individual, de los que es responsable. En algunas prácticas se le entregará
material complementario.
8. Trabaje siempre en su mesa, salvo si debe usar campana de gases.
Manténgala limpia en todo momento.
9. No cambie los reactivos del sitio donde estén ubicados.
10. No devolverá nunca a los frascos de origen los sobrantes de los
productos utilizados sin consultar al profesor.
Al acabar
Limpie perfectamente la mesa y todo el material. Guarde el equipo individual en la taquilla y devuelva el material complementario al lugar de donde lo cogió. Avise al profesor antes de abandonar el laboratorio.
Evaluación
Se evaluará el cumplimiento de obligaciones (asistencia, puntualidad...),
el trabajo experimental (resultados obtenidos, uso correcto del material,
limpieza, cumplimiento de las normas de seguridad...), el cuaderno de
laboratorio (claridad y exactitud de las anotaciones y observaciones,
corrección en la interpretación de resultados...) y las respuestas a las
cuestiones.
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I. INTRODUCCIÓN
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MATERIAL DE LABORATORIO
Tutorial 1
Tutorial 2
Es necesario que, antes de comenzar cualquier trabajo experimental, el
alumno conozca perfectamente el material utilizado con asiduidad en el
laboratorio, así como las operaciones en que es utilizado cada uno de los
dispositivos de que se dispone. Cada uno de los materiales aquí
mostrados tiene una función específica y su uso debe ser acorde con la
tarea a realizar. La utilización inadecuada de este material dará lugar a
errores en las experiencias realizadas.
En este capítulo, se muestra el material de laboratorio más habitual en un
laboratorio y que el alumno usará en este o en sucesivos laboratorios.
Más adelante, en la página 11 y siguientes (“técnicas de química
experimental”), se describen las condiciones de utilización del material
volumétrico, del material para filtración y de la instrumentación básica.
A. MATERIAL DE VIDRIO
MATERIAL VOLUMÉTRICO
Aforado
Graduado
Pipetas aforadas Matraces aforados
Pipetas graduadas
Probetas
Bureta
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MATRACES Y VASOS
Matraces con boca esmerilada
EMBUDOS
Vaso de precipitado Matraces de fondo redondo
Matraz Kitasato
Cristalizador Matraz Erlenmeyer
Matraces de fondo redondo con 1, 2 y 3 bocas esmeriladas Matraz de forma de pera
Embudo cónico
Embudo de adición
Embudo de decantación
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REFRIGERANTES Y MATERIAL DE DESTILACIÓN
EMBUDOS PARA FILTRACIÓN
OTRO MATERIAL DE VIDRIO
EMBUDOS PARA FILTRACIÓN
Embudo Büchner
(en porcelana) Embudo cilíndrico con placa filtrante
de vidrio
Embudo cónico con placa filtrante
de vidrio
OTRO MATERIAL DE VIDRIO
Pesasustancias
Vidrio de reloj
Desecador Adaptador de esmerilados
Frasco lavador de gases Columna de
cromatografía
Columna Vigreux
Alargadera
Termómetro
Adaptador para termómetro Cabeza de
destilación
Refrigerante recto
Refrigerante de bolas
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B. MATERIAL DE PORCELANA, PLÁSTICO, METAL, ETC.
PARA CALENTAMIENTO (en porcelana u otro material)
PINZAS Y SOPORTES
OTRO MATERIAL
Crisol Cápsulas de porcelana
Pinzas Hoffmann para tubo de
goma
Pinzas de madera
Pinzas metálicas para crisol
Rejilla
Pinzas metálicas con nuez Pinzas para bureta
Aros con nuez
Soportes
Espátulas Lima Frasco lavador
Termómetro
Trompa de agua para vacío
Morteros (de ágata, vidrio y porcelana)
Escobillas para limpieza
Cuentagotas
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C. APARATOS E INSTRUMENTOS
Aparatos
Instrumentos
Placas calefactoras y
agitadoras
Mechero Estufa
Rotavapor
Granatario pH-metro
Balanza
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TÉCNICAS DE QUÍMICA EXPERIMENTAL
A. LA SEGURIDAD EN EL LABORATORIO
p i n c h e s o b r e
l a f i g u r a p a r a s e g u i r e l v í n c u l o
El laboratorio de química no es realmente un lugar peligroso, pero requiere una razonable prudencia y unos conocimientos básicos por parte del experimentador para mantener su seguridad. Por ello, es obligatorio el conocimiento de las Normas de Seguridad en los Laboratorios de Prácticas que rigen en la Universidad de Alcalá. Al final de estas líneas se recogen unas cuestiones previas sobre Seguridad e Higiene en el Laboratorio que deberán ser contestadas en el cuaderno de laboratorio el primer día de las prácticas.
Los consejos más importantes para el curso práctico que va a realizar se resumen a continuación:
1. Lea atentamente el guion de cada práctica antes de realizarla. No olvide leer siempre la etiqueta de cualquier reactivo antes de usarlo. Compruebe que se trata realmente del reactivo indicado y observe los símbolos y frases de seguridad que señalan los riesgos más importantes derivados de su uso y las precauciones que hay que adoptar para su utilización.
2. Protéjase los ojos. Es obligatorio el uso permanente de gafas de seguridad en el laboratorio. Así mismo, no es aconsejable el uso de lentes de contacto. En caso de daño en el ojo, lávelo inmediatamente con grandes cantidades de agua, y continúe así, por lo menos, durante 10 minutos. Acuda inmediatamente al médico.
3. Es obligatorio el uso de bata de manga larga en el laboratorio. Llévela abrochada en todo momento. Así mismo, es recomendable usar guantes, sobre todo cuando se utilizan disoluciones corrosivas como ácidos y bases fuertes.
4. Es muy aconsejable, si se tiene el pelo largo, llevarlo recogido, así como no llevar colgantes o accesorios que obstaculicen las operaciones en el laboratorio. Tampoco es recomendable el uso de pantalones cortos, de zapatos abiertos o llevar las deportivas desabrochadas.
5. Entre al laboratorio con el material imprescindible. Deje fuera del laboratorio, en los lugares que se indique, abrigos, apuntes, etc., ya que pueden entorpecer el trabajo y causar accidentes.
6. Siga cuidadosamente todos los consejos, y, en particular, tenga cuidado de no crear peligro a su vecino. Por ejemplo, cuando caliente un tubo de ensayo no apunte con la boca hacia nadie y agítelo constantemente.
7. La mayoría de accidentes que suceden en los laboratorios de prácticas son cortes y quemaduras. No fuerce nunca los tubos de vidrio; proteja las manos con un paño siempre que se trate de presionar un tubo de vidrio; nunca presione con las manos en la
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dirección de empuje, para evitar heridas profundas. Deje el vidrio caliente apartado encima de una plancha o similar hasta que haya tenido tiempo suficiente de enfriarse. No use nunca un equipo de vidrio que esté agrietado o roto. Deposite el vidrio roto en un contenedor para vidrio, no en una papelera.
8. Muchos de los productos con los que va a trabajar son venenosos en algún grado. Es obvio que no debe nunca saborear un producto. Trabaje en una campana de gases siempre que así esté indicado. Un posible peligro de envenenamiento, frecuentemente olvidado, es la contaminación a través de la piel. Lávese las manos a menudo y siempre inmediatamente después de exponerse a un reactivo peligroso y antes de dejar el laboratorio. No pipetee ningún reactivo con la boca. Si cualquier ácido o producto corrosivo entra en contacto con su piel, lávese inmediatamente con abundante agua y avise al profesor. Los productos inflamables no deben estar cerca de fuentes de calor, como estufas, hornillos, radiadores, etc. Rotule convenientemente cualquier envase en el que guarde una disolución o producto preparado.
9. No deben transportarse innecesariamente los reactivos de un sitio a otro del laboratorio. Si tuviese que transportarlos, tenga cuidado con las botellas que deben ser siempre transportadas cogiéndolas por el fondo nunca por la boca. No desordene los reactivos.
10. Recuerde que el orden es muy importante para evitar accidentes. Trabaje sin prisas, pensando en cada momento lo que está haciendo y con el material y reactivos ordenados. Mantenga las mesas y campanas de gases siempre limpias. Recoja inmediatamente cualquier derrame que se produzca. Limpie siempre el material inmediatamente después de su uso.
11. No elimine residuos peligrosos por la pila ni los deposite en la basura. Hágalo siempre en los recipientes preparados para ello. Si se debe verter un producto químico por el desagüe, dilúyalo previamente y viértalo haciendo circular abundante agua por el mismo. Nunca elimine los residuos sólidos por la pileta, viértalos en la basura para sólidos.
12 Avise al profesor de cualquier problema con las instalaciones del laboratorio (mobiliario deteriorado, tuberías o grifos de agua con escapes, desagües con fugas o atascados, enchufes o cables eléctricos rotos o pelados, etc.).
13. Recuerde que está expresamente prohibido:
• Hacer experimentos no autorizados sin consultar primero a su profesor.
• Comer o beber en el laboratorio.
• La entrada en el laboratorio de prácticas de personas ajenas a éstas.
Un comportamiento irresponsable podrá acarrear la
inmediata expulsión del laboratorio como primera medida.
14. Avise inmediatamente de cualquier incidente a su profesor.
Aprender a trabajar con orden y seguridad es un aspecto más de las prácticas, por lo que se tendrá en cuenta a la hora de valorar los resultados del aprendizaje.
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SÍMBOLOS DE PELIGROSIDAD
La manipulación de sustancias químicas peligrosas requiere especial atención. Empieza por el conocimiento de los distintos tipos de sustancias en función de su peligrosidad. Algunas de estas propiedades de las sustancias químicas peligrosas se indican en el etiquetado de los productos químicos mediante un símbolo o pictograma, de manera que se capte la atención de la persona que va a utilizar la sustancia (tabla 1, según reglamento CE 1272/2008). Además, y siempre que proceda, también aparecerán en la etiqueta las palabras de advertencia, las indicaciones de peligro y los consejos de prudencia.
Actualmente, en el laboratorio se encontrarán reactivos químicos con etiquetas que presentan pictogramas correspondientes a la normativa anterior. Puedes consultar su equivalencia en los documentos que encontrarás dentro de tu taquilla en el laboratorio y en el enlace que se ha incluido en la página 10 de este guion de prácticas.
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Clases y categorías de peligros Pictogramas
Físi
cos
2.1. Explosivos (excepto división 1.5 y 1.6) 2.7. Sólidos inflamables 2.8. Sustancias y mezclas que reaccionan espontáneamente, tipos A y B 2.15. Peróxidos orgánicos, tipos A y B
2.2. Gases Inflamables 2.3. Aerosoles inflamables 2.6. Líquidos inflamables 2.8. Sustancias y mezclas que reaccionan espontáneamente tipos B, C, D E y F 2.9. Líquidos pirofóricos 2.10. Sólidos pirofóricos 2.11. Sustancias y mezclas que experimentan calentamiento espontáneo 2.12. Sustancias y mezclas que, en contacto con el agua, desprenden gases inflamables 2.15. Peróxidos orgánicos, tipos B, C, D, E y F
2.4. Gases comburentes 2.13. Líquidos comburentes 2.14. Sólidos comburentes
2.5. Gas a presión (se incluyen los gases comprimidos, licuados, disueltos y licuados refrigerados)
2.16. Corrosivos para metales, categoría 1
Par
a la
Sal
ud
3.1. Toxicidad aguda, categorías 1, 2 y 3
3.2. Corrosión o irritación cutánea, categorías 1A, 1B y 1C 3.3. Lesiones oculares graves o irritación ocular, categoría 1
3.1. Toxicidad aguda, categoría 4 3.2. Corrosión o irritación cutánea, categoría 2 3.3. Lesiones oculares graves o irritación ocular, categoría 2 3.4. Sensibilización cutánea, categoría 1 3.8. Toxicidad específica en determinados órganos tras una exposición única, categoría 3
3.4. Sensibilización respiratoria, categoría 1 3.5. Mutagenicidad en células germinales 3.6. Carcinogenicidad 3.7. Toxicidad para la reproducción, categorías 1A, 1B y 2 3.8. Toxicidad específica en determinados órganos tras una exposición única, categorías 1 y 2 3.9. Toxicidad específica en determinados órganos tras exposiciones repetidas 3.10. Peligro por aspiración
Par
a e
l
me
dio
amb
ien
te
Toxicidad aguda Toxicidad crónica, categorías 1 y 2
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Cuestiones previas Responda en el cuaderno de laboratorio
1. El uso de gafas de seguridad en el laboratorio, ¿es
aconsejable u obligado?
2. El uso de bata en el laboratorio, ¿es aconsejable u obligado?
3. ¿Dónde puede encontrar información inmediata sobre la
peligrosidad de un reactivo?
4. ¿De qué tejido será preferentemente la bata?
5. ¿Qué cosas están expresamente prohibidas en el
Laboratorio?
6. ¿Qué haría con un reactivo que ha perdido la etiqueta?
7. Si un vaso de precipitados presenta una pequeña rotura, ¿se
puede seguir usando?
8. ¿Por qué motivos puede ser un reactivo peligroso?
9. ¿Qué se puede hacer si se forman humos en el laboratorio?
10. ¿Cuándo debe usarse una campana de gases?
11. ¿Qué es lo primero que hay que hacer en caso de accidente?
12. ¿Qué tiene que hacer si le salpica un reactivo al ojo?
13. ¿Cómo hay que transportar las botellas de reactivos?
14. ¿Se puede pipetear agua destilada con la boca?
15. Un tóxico, ¿puede penetrar a través de la piel?
16. ¿Dónde se deposita el vidrio roto?
17. ¿Cómo puede apagarse un pequeño fuego en el laboratorio?
18. ¿Qué hay que hacer si se produce un fuego grande?
19. ¿Se puede usar un extintor si a alguien se le incendia la ropa?
20. Si alguien ha ingerido un ácido corrosivo, ¿se le debe
provocar el vómito?
21. Dibuje los símbolos que representan una sustancia explosiva,
una comburente y una inflamable. ¿Qué diferencia hay entre
ellas?
22. Dibuje los símbolos que representan una sustancia tóxica,
una nociva, una corrosiva y una irritante. ¿Qué diferencia hay
entre ellas?
B. EL CUADERNO DE LABORATORIO
De forma simultánea a la realización de las experiencias, la persona que
las lleva a cabo debe confeccionar un cuaderno de laboratorio que
contenga el trabajo realizado y las conclusiones obtenidas. Los
investigadores consideran el cuaderno de laboratorio como una de sus
más valiosas posesiones pues acredita de forma escrita la ejecución
personal del trabajo experimental. Las siguientes recomendaciones le
ayudarán a confeccionar su cuaderno de laboratorio.
No
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ASPECTOS GENERALES
1. 1. Debe identificarse la persona que presenta el cuaderno. Se incluirá
también la fecha de realización de la experiencia. Si se ha invertido
más de un día, conviene indicar la fecha de comienzo y de
terminación del trabajo. Las páginas del cuaderno de laboratorio de
los investigadores deben ir numeradas para asegurar que no se ha
destruido o eliminado parte de su contenido.
2. Es imprescindible tener un cuaderno de trabajo personal,
independientemente de que el trabajo se realice en equipo. En este
cuaderno deben anotarse todas las observaciones y resultados
experimentales, a medida que éstos se van obteniendo.
3. Nunca se utiliza lapicero para realizar anotaciones en el cuaderno ni
tampoco typex (u otro sistema similar) para hacer correcciones en el
mismo. Si te has equivocado, tacha de forma clara y visible los
resultados incorrectos e incluye una aclaración que indique la causa
de la enmienda.
4. No conviene dejar nada pendiente de anotar aunque la actividad se
tenga que interrumpir; no es aconsejable confiar en la memoria. Las
anotaciones se deben realizar directamente en un cuaderno, no en
hojas sueltas.
5. Es especialmente importante que las anotaciones sean claras y
ordenadas, aunque sean redactadas de forma concisa.
ESTRUCTURACIÓN DEL CUADERNO DE LABORATORIO
No es posible dar una norma general sobre qué anotar exactamente en el
cuaderno, ya que esto depende, entre otros factores, del tipo de trabajo
experimental o del nivel del curso práctico. La siguiente estructura
básica podría servir como guía para la elaboración del cuaderno de
laboratorio: (a) Introducción; (b) Sección experimental; (c) Resultados;
(d) Interpretación de resultados; (e) Conclusiones. Sin embargo, no
siempre será posible seguir estrictamente la estructura aquí señalada.
Tómese la información siguiente como orientativa.
a) Introducción. Aquí podrían anotarse:
• Objetivos del trabajo: Una descripción breve (si es posible, en una
frase) de lo que se pretende con la experiencia.
• Información previa más relevante sobre la experiencia a realizar.
Aquí puede apuntarse un resumen de las explicaciones dadas por
el profesor (sobre todo, de aquellas advertencias relacionadas con
la seguridad), de la bibliografía consultada, o las contestaciones a
las cuestiones previas que se plantean en algunas de las prácticas.
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b) Sección experimental. El cuaderno en su redacción debe incluir un
apartado en el que se describa brevemente, pero sin omitir los detalles
importantes, todos los pasos seguidos en la realización del experimento,
así como las observaciones efectuadas. Además debería incluirse la
siguiente información:
• Las reacciones químicas implicadas.
• Las condiciones que puedan afectar al fenómeno estudiado y que
se puedan conocer (temperatura, presión atmosférica, humedad,
iluminación, etc.).
• La cantidad usada de cada reactivo (masa o volumen), su
equivalencia en moles y, en su caso, las densidades y
concentraciones. Anote también todos los cálculos realizados.
• Si se cree necesario, un diagrama de los instrumentos empleados y
su montaje. Cuando se utilice una técnica nueva, conviene
detenerse en su descripción.
• Apunte todas las normas de seguridad adoptadas.
c) Resultados. La forma de presentación de los resultados depende
mucho del tipo de experimento realizado.
• Cuando realice medidas de alguna cantidad, los resultados se
presentarán, siempre que sea posible, en una tabla y en una
gráfica, lo que permitirá una rápida visión de los factores que
afectan a los fenómenos estudiados.
• Cuando sea posible, conviene repetir las experiencias para obtener
más datos; en este caso se calculará el valor medio y la desviación
estándar.
• En una síntesis química, apunte siempre el color, rendimiento y
otras características de los productos sintetizados.
Conviene que, en la medida de lo posible, separe la descripción de los
resultados de la interpretación de los mismos. Los primeros son el
resultado de su observación y serán correctos en la medida en que haya
cuidado la ejecución de su trabajo experimental. Las interpretaciones, en
cambio, pueden ser erróneas, aunque se basen en resultados correctos.
Imagine, por ejemplo, que observa la aparición de un precipitado
amarillo que cree que es de cromato de bario. Suponga que anota en su
cuaderno solamente su interpretación “precipita cromato de bario” y no
el color del precipitado. Si posteriormente averigua que su precipitado
no puede ser cromato de bario y no recuerda el color, no podrá
reinterpretar su resultado.
d) Interpretación de resultados. En este apartado puede también
escribir las contestaciones a las cuestiones finales planteadas en el guión,
ya que muchas de ellas se formulan para ayudarle en esta tarea.
Química General, Inorgánica y Orgánica
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e) Conclusiones. Las conclusiones deben presentarse en lugar visible y
serán claras y concisas.
Conviene añadir un apartado en el que se reflejará la opinión personal: si
se han aclarado conceptos, la facilidad o la dificultad en la realización del
trabajo, las propuestas para mejorar las condiciones operatorias y
obtener mejores resultados, etc.
C. MEDIDAS DE VOLUMEN
Tutorial
Figura 1. Error de paralaje.
A: Correcto B: Muy alto C: Muy bajo
Figura 2. Formas de
enrase.
Los recipientes, y otros utensilios empleados en el laboratorio para la
medida de volúmenes, pueden ser aforados o graduados. Los primeros
miden una cantidad predeterminada de volumen, mientras que los
segundos disponen de una escala que permite la medida de volúmenes
variables. Muchos recipientes, tales como vasos de precipitados y
matraces Erlenmeyers, pueden estar provistos de una escala. Sin
embargo, la medida de volumen que permiten es meramente orientativa
y, aunque pueda ser suficiente para algunas aplicaciones, no deben ser
considerados como instrumentos de medida de volumen.
En este apartado se describen las características y condiciones de uso de
probetas, buretas, pipetas y matraces aforados. Algunas instrucciones de
uso son comunes a todo el material volumétrico, y se dan en primer
lugar.
UTILIZACIÓN CORRECTA DEL MATERIAL VOLUMÉTRICO
Cuando se confina un líquido en todo material volumétrico, la superficie
de aquél presenta una curvatura denominada menisco. Para proceder a
las lecturas del material volumétrico, el ojo del observador debe estar
situado al mismo nivel que el menisco (figura 1), de otro modo se comete
un error denominado error de paralaje. Si el ojo está por encima del nivel
del líquido, se leerá un volumen menor que el real. Si el punto de
observación es demasiado bajo, se cometerá un error en sentido
contrario.
Al aforar y al utilizar material volumétrico, las lecturas de volúmenes se
suelen realizar dirigiendo la vista tangente al fondo del menisco por su
parte inferior. Esta posición del menisco se puede determinar con mayor
exactitud sosteniendo, detrás de la graduación o enrase, un trozo de
papel. El enrase debe hacerse con sumo cuidado procurando que sea la
parte baja del menisco la que quede a ras de la señal de aforo (figura 2).
Enrase correcto
Enrases incorrectos
Co
rre
cto
Inco
rre
cto
Inco
rre
cto
Química General, Inorgánica y Orgánica
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1 Válido para las personas diestras. Para los zurdos la disposición sería la contraria.
Figura 3. Valoración
(video).
PROBETAS
Descripción. Se emplean para medir cantidades aproximadas de líquido.
Utilización. Se añade líquido hasta que el menisco coincide con la línea
que indica el volumen de líquido que se quiere medir.
BURETAS
Descripción. Las buretas se emplean para incorporar con exactitud y
sucesivamente cantidades variables de una disolución a otra. Se emplean
principalmente en las volumetrías, en las cuales una disolución patrón
contenida en la bureta se añade a la disolución de la muestra hasta
alcanzar el punto final. Una bureta convencional está dividida en
incrementos de 0,1 mL en un intervalo de 0-25 mL o de 0-50 mL.
También existen buretas con capacidad de 100 mL y micro o
ultramicroburetas con capacidades que oscilan entre 2 mL y 0,1 mL
respectivamente.
Utilización. Para llenar la bureta con el líquido que se desea usar, hay
que asegurarse de que la llave está cerrada. Introduzca de 5 a 10 mL de
la disolución y someta, con cuidado, a un movimiento de rotación la
bureta en posición casi horizontal para mojar las paredes
completamente; abra la llave y deje escurrir el líquido por la punta.
Repita esta operación dos veces más. A continuación, llene la bureta
(llave cerrada) por encima del enrase del cero. Saque las burbujas de aire
girando la llave rápidamente y dejando pasar pequeñas cantidades de
disolución. Abra la llave totalmente y deje bajar el líquido de forma que
llene la zona situada entre ella y la boca de salida de la bureta.
Finalmente, enrase a cero y comience el transvase del líquido.
Cuando se realiza una volumetría o valoración, se debe adoptar la
posición de las manos indicada en la figura 3; mientras con una de las
manos se agita el matraz Erlenmeyer con la otra se regula la llave1.
Con la punta de la bureta introducido en el cuello del matraz de
valoración, agregue la disolución de la bureta a incrementos de
aproximadamente 1 mL. Agite constantemente la muestra a valorar.
Disminuya progresivamente el volumen de las adiciones conforme la
valoración avanza, agregando gota a gota en las proximidades del punto
final, asegurándose de que todo el reactivo que se adiciona entra en
contacto con la muestra a valorar. Deje transcurrir 1 minuto entre la
última adición y la lectura de la bureta.
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Uso de pipeta
Pipeta
aforada
Micropipeta
Nunca pipetee con
la boca
Figura 4. Propipeta
(video).
PIPETAS
Descripción. Las pipetas están ideadas para verter volúmenes
determinados. Las pipetas graduadas están marcadas a distintos
intervalos de volumen y se puede medir con ellas volúmenes
aproximados (por ejemplo: 3,8 mL; 5,7 mL, etc.). Las pipetas aforadas se
emplean para mediciones exactas, porque han sido diseñadas para
transportar un único volumen y están calibradas para dicho volumen
(por ejemplo: 1,00; 2,00; 5,00; 10,00; 20,00 o 25,00 mL).
Para aplicaciones específicas existen otros tipos de pipetas.
Concretamente, para medidas de volúmenes del orden de microlitros
(μL), suelen usarse pipetas tipo jeringa denominadas generalmente
micropipetas que pueden ser de volumen fijo o variable (por ejemplo:
200 μL, 350 μL, etc.).
Utilización. • Limpieza. Si la pipeta no está perfectamente limpia, lávela con una
solución jabonosa y enjuáguela varias veces con agua del grifo, y después
con agua destilada. Si la pipeta está bien limpia debe dejar una película
continua al fluir, es decir, no deben quedar gotas de agua adheridas a las
paredes interiores de la pipeta.
• Enjuagado. Introduzca el extremo de la pipeta por debajo de la
superficie del líquido y, con ayuda de una propipeta (o similar, figura
4), succione una pequeña cantidad de reactivo. Incline con cuidado la
pipeta y rótela para que el líquido moje por completo las paredes
interiores de la pipeta. Tome un vaso de precipitados y vierta en él los
productos de desecho de los enjuagues realizados.
• Llenado. Vuelva a introducir la pipeta en el vaso donde se encuentra el
ácido concentrado (o disolución a pipetear) y llénela hasta por encima
de la marca de calibrado. Compruebe que no hay burbujas de aire en el
seno del líquido ni espumas en su superficie. Saque el extremo de la
pipeta y límpielo con papel de filtro.
• Enrasado. Sitúe la pipeta sobre el vaso de precipitados que utiliza para
los desechos. Mantenga el vaso en posición ligeramente inclinada y,
manteniendo la pipeta en posición vertical apoyada sobre la pared
interior del vaso, deje caer el volumen de líquido en exceso.
• Trasvase. Coloque la pipeta en posición vertical tocando la pared del
recipiente colector (véase uso de la pipeta, enlace de video en página
anterior) y deje escurrir libremente el líquido. Durante el vertido
mantenga el extremo de la pipeta apoyado sobre la pared del recipiente y
por encima del nivel del líquido. El recipiente debe mantenerse
ligeramente inclinado. Espere unos segundos hasta que el líquido haya
Química General, Inorgánica y Orgánica
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Preparación de disolución (interactivo)
escurrido bien, antes de sacar la pipeta, cuidando que no quede ninguna
gota adherida a la misma. Si el matraz aforado o el recipiente de vertido
tuvieran un diámetro de cuello inferior al de la pipeta utilizada, ayúdese
de un embudo.
Todas las pipetas volumétricas están calibradas para transferir líquidos,
quedando un pequeño volumen de los mismos en la punta. Éste no
deberá forzarse nunca para que salga (ni soplar).
Es preferible que no introduzca la pipeta (ni otro utensilio similar) en
una botella de reactivo pues puede impurificarlo. Trasvase la cantidad
aproximadamente necesaria a un recipiente (por ejemplo, un vaso de
precipitados) y tome de éste la disolución. No devuelva nunca el
reactivo sobrante a las botellas de reactivo.
MATRACES AFORADOS
Descripción. Los matraces aforados se utilizan para contener los
volúmenes que indican. La capacidad de un matraz aforado oscila entre 2
mL y 5 L. Estos matraces contienen el volumen indicado cuando están
llenos hasta una línea que llevan grabada en el cuello y denominada
enrase o aforo. Se utilizan para la preparación de disoluciones patrón y
para la dilución de muestras a volúmenes conocidos, de los cuales se
toman partes alícuotas con una pipeta.
Utilización. La preparación directa de una disolución exige que se
introduzca en el matraz aforado un peso de soluto conocido
exactamente. Para minimizar la posibilidad de pérdidas durante el
transvase coloque el vástago del pesasustancias en la boca del matraz y
ayudándose con un cuentagotas con agua destilada arrastre todo el
sólido al interior del matraz. Después de introducir la muestra en el
matraz llénelo hasta más o menos la mitad, tape el matraz y haga girar el
contenido hasta conseguir la disolución. Agregue más disolvente y de
nuevo mezcle bien. Lleve el nivel del líquido hasta casi el enrase, deje un
tiempo para que escurra y con un cuentagotas realice las adiciones
finales. Tape el matraz e inviértalo repetidas veces para asegurar la
homogeneidad de la disolución.
Si el soluto se disuelve con dificultad, se prefiere disolverlo en un vaso
de precipitados y transferirlo luego cuantitativamente al matraz,
enjuagando varias veces el vaso y adicionando las aguas de lavado
también al matraz. Si fuera preciso, en un vaso de precipitados es
posible calentar para facilitar la disolución. Recuerde que no debe
calentar nunca un matraz aforado ni ningún otro material
volumétrico. Por la misma razón, si el proceso de disolución produce un
cambio apreciable de temperatura (por ejemplo, el del ácido sulfúrico
concentrado en agua), prepare la disolución en un vaso de precipitados
y, esperando un rato, transfiérala al matraz.
Química General, Inorgánica y Orgánica
21
CUIDADO Y LIMPIEZA
La limpieza del material volumétrico es esencial para su correcta
utilización. Como norma general, es conveniente lavar el material con
detergente diluido, agua y por último agua destilada (varias veces).
Solamente las superficies de vidrio perfectamente limpias soportan una
película de líquido totalmente uniforme. La aparición de rupturas en la
película de líquido es una indicación de que su superficie no está limpia.
Como regla general, hay que evitar calentar el material de vidrio aforado.
Un enfriamiento rápido del mismo puede distorsionar el vidrio de un
modo permanente y ser causa de variación de volumen provocando
errores sistemáticos en el trabajo experimental.
Al utilizar un instrumento de los señalados apunte en el cuaderno de
laboratorio la capacidad, la precisión y la temperatura de calibrado que
vienen grabados en ellos. Cuando no conste la precisión en el material
aforado consulte en la tabla del anexo I.
D. INSTRUMENTACIÓN BÁSICA
Sigue el vínculo
(figura) para ver su uso
LA BALANZA
Para pesar cantidades aproximadas (por ejemplo, en la preparación de
disoluciones cuya concentración no se necesita conocer con exactitud) o
grandes suelen utilizarse granatarios, que permiten cargas relativamente
grandes (hasta 1-2 Kg) y dan estimaciones de hasta 0,1 g (a veces 0,01 g).
Sin embargo, es frecuente que se necesiten pesadas con exactitudes
inferiores al mg (por ejemplo, el peso de un precipitado en un método
gravimétrico o el peso de un reactivo para preparar una disolución
patrón) y entonces es necesario el uso de una balanza analítica. Dentro
de las balanzas analíticas podemos distinguir distintos tipos, de acuerdo
con la exactitud de las mismas: ordinarias (0,1 mg), semimicro (0,01 mg)
y micro (0,001 mg).
Precauciones durante el empleo de una balanza analítica
Una balanza analítica es un instrumento delicado que se debe manejar
con gran cuidado. Siga las siguientes reglas generales para trabajar con
una balanza analítica.
• Centre la carga sobre el platillo tanto como sea posible.
• Proteja la balanza de la corrosión. Los objetos que se coloquen
directamente sobre el platillo deben limitarse a metales no
reactivos, plásticos no reactivos y materiales vítreos.
• Tenga especial cuidado cuando pese líquidos. La masa de un líquido
se obtiene siempre por diferencia: los líquidos no corrosivos y no
volátiles se pueden transferir a recipientes pesados previamente; la
Química General, Inorgánica y Orgánica
22
Mufla
Estufa
masa del recipiente se resta de la masa total.
• Consulte con el profesor si la balanza requiere ser ajustada.
• Conserve la balanza escrupulosamente limpia. Un pincel es útil para
eliminar cualquier material o polvo que haya caído.
• Antes de pesar un objeto que haya sido calentado deje que alcance
la temperatura ambiente. Esta operación debe realizarse en
desecador para evitar que el producto absorba la humedad
ambiental.
• Use pinzas con el fin de evitar que los objetos secos se humedezcan.
• Evite frotar los pesasustancias porque las cargas estáticas afectan a
las balanzas electrónicas.
MUFLAS Y ESTUFAS
El horno de mufla se emplea para calcinar muestras a altas
temperaturas con el objeto de convertir los precipitados a una forma que
pueda pesarse o para quemar los materiales de naturaleza orgánica
antes de realizar un análisis inorgánico. Es necesario que exista un
control de la temperatura, ya que pueden producirse pérdidas de
metales a temperaturas superiores a 500 °C. En los hornos de mufla se
pueden alcanzar temperaturas de hasta 1200 °C.
Las estufas se emplean para secar muestras y/o material antes de
utilizarlos. Estas estufas están bien ventiladas para que el calentamiento
sea uniforme. La temperatura que suele emplearse es de
aproximadamente 110 °C, pero pueden alcanzar temperaturas de 200-
300 °C.
Instrucciones para el uso de las estufas en el laboratorio 1. No cambie la temperatura de la estufa sin consultar con el profesor.
Algunos compuestos descomponen, funden o subliman a
temperaturas no muy altas, y la temperatura de la estufa puede
estar regulada de acuerdo a estas propiedades.
2. Introduzca los productos sobre un vidrio de reloj, nunca
directamente sobre un papel.
3. Marque el vidrio de reloj con su nombre y taquilla escrito, por
ejemplo, mediante un rotulador permanente o en un pequeño papel
colocado sobre el vidrio.
4 Tome precauciones a la hora de sacar el vidrio para evitar
quemaduras. Utilice pinzas largas si fuera necesario.
MEDIDORES DE pH (pH-METROS)
El pH es una de las magnitudes más medidas en un laboratorio de
Química ya que es responsable en muchas ocasiones de la viabilidad de
Química General, Inorgánica y Orgánica
23
2 ¡Ojo! Si lo que nos interesa es el líquido, en contacto con el sólido, no podremos mojar el papel, ya que entonces modificaríamos la concentración del soluto en esta fase líquida.
pH-metro
un proceso químico, reacciones enzimáticas, de síntesis, formación de
complejos metálicos o una cinética química. Por esto, es necesario
disponer de instrumentos que permitan medir un pH con exactitud y
precisión, lo que se consigue utilizando medidores de pH, generalmente
denominados pH-metros. Estos equipos están constituidos por dos
electrodos, un electrodo de vidrio, selectivo a los protones y un electrodo
de referencia (generalmente, se utiliza un electrodo combinado que
incluye los dos). El pH se determina por comparación de la muestra
desconocida con uno o más patrones de pH conocido, disoluciones
reguladoras (tampones o buffers) utilizadas en el proceso de calibración
del instrumento. En general, se recomienda usar al menos dos patrones,
uno de pH mayor y otro de pH menor que el de la muestra. Hay que
resaltar que la fiabilidad de los valores medidos depende de las
disoluciones reguladoras patrón utilizadas para la calibración.
E. TÉCNICAS DE FILTRACIÓN
Video
Figura 5. Filtración.
La filtración permite separar un líquido de un sólido mediante un
material que retiene las partículas sólidas. El filtro puede realizarse con
distintos materiales. Los filtros más comunes son el papel y las placas de
vidrio. En ambos casos, se puede escoger entre distintos tamaños de
poro, de acuerdo al grosor de las partículas que necesitemos retener. Los
filtros de papel son prácticos y baratos, pero se rompen fácilmente y son
atacados por muchos agentes químicos. Otros materiales habituales son
la lana de vidrio, el algodón o la tierra de diatomeas. Además del material
y del tamaño de poro del filtro, otro aspecto fundamental de la filtración
es la diferencia de presión que se establece entre ambas caras del filtro,
pudiéndose ser a (a) presión normal (por gravedad), o (b) a vacío. A
continuación se resume la preparación y uso de los distintos tipos de
filtros de papel más usuales.
FILTRACIÓN EN PAPEL
Para filtrar a presión normal, se utiliza un embudo cónico y se opera tal
como se muestra en la figura 5. El papel de filtro se escogerá de tal
forma que su porosidad se halle en consonancia con el tamaño de la
partícula del precipitado. Se colocará de la forma que se muestra en la
figura 6. Una vez colocado en el interior del embudo, se humedecerá el
papel con el líquido de lavado2, con el fin de que la superficie externa del
papel se adhiera perfectamente con la pared interna del embudo.
También es corriente utilizar un papel plegado en pliegues en lugar de
en forma cónica (figura 7).
Química General, Inorgánica y Orgánica
24
Figura 6.
Filtro.
Filtración en Büchner
Figura 7. Filtro de pliegues.
El embudo con el papel de filtro se situará sobre un soporte, de forma
que el vástago se halle en contacto con la pared del recipiente de
recogida del líquido de filtrado, y a continuación se irá vertiendo el
líquido hasta el embudo, deslizándolo por la varilla. Una vez que haya
pasado todo el líquido, el sólido que pueda permanecer en el recipiente
inicial se arrastra al filtro con la ayuda de la varilla y, posteriormente,
con pequeñas porciones de disolvente, que al mismo tiempo actuará
como líquido de lavado. Debe cuidarse mucho las adiciones de producto
al filtro para que la disolución no rebase nunca el borde del papel, ya que
en ese caso pasaría líquido sin atravesar el papel de filtro y arrastraría,
al líquido filtrado, partículas de precipitado.
Para filtrar a vacío con Büchner, se cortará un círculo de papel de filtro
de diámetro igual al del interior del embudo Büchner. El filtro debe
cubrir por completo todos los orificios de la placa del Büchner, pero
no debe subir por las paredes del embudo. Al colocarlo debe quedar
completamente liso, sin arrugas y perfectamente adherido a la superficie
del Büchner, para que no pueda pasar nada de sólido por sus bordes.
Esto se consigue fácilmente humedeciendo el papel con el disolvente
utilizado y succionando un poco. El embudo se adosa a un kitasato y la
tubuladura lateral se conecta al aparato productor de vacío (una trompa
de agua o una bomba de vacío). Después, sin succión, o mejor, sólo con
una ligera succión, para evitar evaporaciones innecesarias, se echa la
Química General, Inorgánica y Orgánica
25
BIBLIOGRAFÍA
Para la confección de estos guiones de prácticas se ha utilizado principalmente la siguiente bibliografía:
1. A. Horta, S. Esteban, R. Navarro, P. Cornejo, C. Barthelemy,
Técnicas Experimentales de Química, UNED, 3ª ed, 1991.
2. D. C. Harris, Análisis Químico Cuantitativo, Reverté, 3ª ed., 2006.
3. J. Guiteras, R. Rubio, G. Forondona, Curso Experimental en
Quimica Analitica, Síntesis, 1ª ed., 2003.
4. M. A. Martínez Grau, Técnicas Experimentales en Síntesis Orgánica,
Síntesis, 1ª ed., 1998.
5. R. Q. Brewster, C. A. Vanderwerf, W. E. McEwen, Curso Práctico de
Química Orgánica, Alhambra, 2ª ed., 1982.
mezcla (o parte de ella) dentro del embudo, de la forma descrita
anteriormente para la filtración a presión normal. Entonces se aplica
todo el vacío (o el máximo deseado). Se debe utilizar una varilla de vidrio
o una espátula para que, ayudándose con ella, se pueda pasar lo más
rápidamente posible toda la masa cristalina al embudo. Las restantes
operaciones son similares a las descritas en la filtración a presión
normal. Debe procurarse desconectar el kitasato del generador de vacío
antes de cerrar éste, sobre todo cuando se trata de una trompa de agua,
pues la diferencia de presiones, en caso contrario, hará que el agua pase
al kitasato impurificando o en el mejor de los casos diluyendo el líquido
filtrado.
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26
II. OPERACIONES BÁSICAS
Química General, Inorgánica y Orgánica
27
1. MATERIAL BÁSICO DE LABORATORIO, RECONOCIMIENTO, MANEJO Y CALIBRACIÓN. INTRODUCCIÓN A LA EXPRESIÓN Y TRATAMIENTO DE LOS
DATOS EXPERIMENTALES
Objetivos Familiarizar al alumno con el conocimiento y manejo del material básico de
un laboratorio químico y enseñarle a expresar las medidas obtenidas en él.
Calibrar el material volumétrico.
Introducción En un laboratorio químico se realizan numerosas medidas por lo que es
necesario conocer el material que debe utilizarse, escoger entre distintos
instrumentos (según el grado de precisión que queramos conseguir), así
como saber expresar el resultado de estas mediciones.
Fundamento La información referente al material de laboratorio se encuentra reflejada
en la introducción del guión por lo que es requisito imprescindible haberlo
estudiado antes de la realización de la práctica.
Las medidas suponen la cuantificación de una magnitud3 observable y se
realizan por comparación con una unidad conocida. Por ejemplo, para
realizar una medida de longitud podemos utilizar una regla o un metro que
nos permitirán, comparando, saber cuántos centímetros o metros (unidad)
tiene en realidad la distancia que deseamos cuantificar.
Para cuantificar utilizaremos instrumentos (como una balanza); su
resultado, por comparación con pesas de referencia, nos dará el valor de la
magnitud y lo expresaremos con sus unidades correspondientes. Por
ejemplo, en la figura siguiente podemos apreciar que hemos colocado un
objeto, cuya masa desconocemos en uno de los platillos de una balanza. En
el otro platillo iremos colocando pesas de referencia hasta que los dos
platillos se encuentren a la misma altura
y eso nos dará la masa del objeto. Como
apreciamos en este ejemplo, el resultado
de la medición de la masa del objeto es
de 445 (en unidades de gramos). 445
sería el valor de la magnitud y gramos
sus unidades.
Figura 8. Medición de una masa.
1. SISTEMA DE UNIDADES
El sistema que utilizamos es el Sistema Internacional de Unidades (SI) y
fue adoptado por la 11ª Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM)
en 1960. Es un sistema coherente de unidades construido a partir de
siete unidades básicas SI, una para cada una de las siete magnitudes
básicas dimensionalmente independientes. Las siete unidades básicas
son el metro, el kilogramo, el segundo, el amperio, el kelvin, el mol y la
3 Magnitud: Propiedad física que se puede medir y expresar mediante una unidad, por ejemplo, una longitud, una masa, un tiempo o una temperatura.
Química General, Inorgánica y Orgánica
28
candela para las magnitudes longitud, masa, tiempo, intensidad de
corriente eléctrica, temperatura termodinámica, cantidad de sustancia e
intensidad luminosa, respectivamente (véase tabla 1). Las unidades
derivadas SI se expresan como productos de potencias de las unidades
básicas.
Tabla 1
Magnitud física Nombre de la unidad SI
Símbolo de la unidad SI
longitud metro m
masa kilogramo kg
tiempo segundo s
intensidad de corriente eléctrica amperio A
temperatura termodinámica kelvin K
cantidad de sustancia mol mol
intensidad luminosa candela cd
2. USO DE LOS NÚMEROS: NOTACIÓN CIENTÍFICA, CIFRAS SIGNIFICATIVAS Y REDONDEO
En el laboratorio se miden y calculan numerosas propiedades físicas y
químicas cuya magnitud se expresa a través de los números. Por
consiguiente, es importante utilizar estos números de forma correcta,
haciendo un especial hincapié en la notación científica y en las cifras
significativas.
Notación científica
Se utiliza la notación exponencial o científica con números muy grandes
o muy pequeños, que además de ser difíciles de manejar, no se pueden
introducir en las calculadoras. En este tipo de notación, se retienen las
cifras de un número en un factor entre 1 y 10 y la situación de la coma
decimal la indica una potencia de diez. Se distinguen dos casos:
A. Para números mayores que la unidad, se desplaza la coma decimal
hacia la izquierda, hasta que se alcanza un número comprendido
entre 1 y 10 y la potencia de diez es igual al número de dígitos que se
ha desplazado la coma decimal.
B. Números inferiores a la unidad, se desplaza la coma decimal a la
derecha hasta que se alcanza un número comprendido entre 1 y 10.
La potencia de diez es igual al número de dígitos que se ha
desplazado la coma decimal y el exponente se pone con signo
negativo.
Química General, Inorgánica y Orgánica
29
Ejemplos:
Notación no científica Notación científica
2.000.000.000 2 x 109
0,0000000004 4 x 10-10
4.300.000 4,3 x 106
0,00034 3,4 x 10-4
Cifras significativas
Los números obtenidos en las mediciones no son exactos, están sujetos
a un error, o dicho de otra forma, en todas las mediciones hay alguna
incertidumbre. Así, las cifras significativas4 son los dígitos que la persona
que hace la medida considera correctos o
más concretamente los dígitos que son
ciertos más el primero incierto. En la figura 9
se muestra cómo en el primer caso la
medición es de 2,55 mientras que con la
segunda regla mediríamos 2,5 para la misma
distancia.
Figura 9. Medición de una longitud .
Para saber cuántas cifras significativas hay en un número procedente de
una medida, se pueden aplicar las siguientes reglas:
A. Los ceros a la izquierda no son significativos. Por lo tanto, el número
103 tiene tres cifras significativas, y el 0,000000103 también. Esto se
debe a que los ceros a la izquierda no le añaden precisión a la
medición, sino que solamente sirven para establecer la posición del
punto decimal. Generalmente es mejor hacer esto utilizando la
notación científica; así, los números mencionados se convertirían en
1,03 x 102 y 1,03 x 10–7. De esta forma, para contar las cifras
significativas se parte del primer dígito distinto de cero y se cuentan
todos los dígitos a partir de éste.
B. Los ceros a la derecha sí son significativos. Esto es muy importante:
los ceros a la derecha deben escribirse solamente si son una parte
verdadera de la medición. Por lo tanto, no es lo mismo decir que algo
pesa 1 kg que decir que pesa 1,00 kg. La primera magnitud implica
que la medición se realizó con una balanza graduada en kilogramos.
La segunda medición fue realizada en una balanza graduada en
centésimas de kilogramo. La segunda medición es cien veces más
precisa que la primera; la primera tiene una cifra significativa y la
segunda tiene tres cifras significativas. Por ello es extremadamente
4 Cifras significativas:. Véanse los videos siguientes http://youtu.be/eMl2z3ezlrQ http://youtu.be/iorZdz4dsBU http://youtu.be/xHgPtFUbAeU
Química General, Inorgánica y Orgánica
30
importante no olvidar escribir los ceros a la derecha cuando se sabe
que son significativos. Por ejemplo, en una balanza analítica que tiene
precisión de diezmilésimas de gramo, si la balanza marca 0,5700 g es
necesario registrar el número con los dos ceros a la derecha, y nunca
como 0,57 g. Sin embargo, a veces hay que tener cuidado con los
ceros a la derecha. Para eso está la siguiente regla.
C. Los ceros a la derecha no son significativos cuando su función es
únicamente la de especificar la posición del punto decimal. Por
ejemplo, si se dice que el Sol está a una distancia de 150.000.000.000
m, ¿cuántas cifras significativas hay? Ciertamente no son doce,
porque esto implicaría que se conoce la distancia con una precisión
del orden de 1 m. Además de que es una precisión imposible en la
práctica, sería demasiada coincidencia que tal magnitud física tuviera
tantos ceros. Pero podría ser que el primer cero, o tal vez incluso el
segundo, fueran significativos. Así como está escrito el número, no
hay manera de saberlo. La única manera de evitar esta ambigüedad
es utilizando la notación científica. Si se dice que el Sol está a 1,50 x
1011 m, podemos saber sin duda alguna que sólo el primer cero es
significativo y por lo tanto hay tres cifras significativas.
D. Los números que son enteros por naturaleza se consideran como si
tuvieran una cantidad infinita de cifras significativas. Dicho de otra
manera, los enteros por naturaleza se pueden conocer con exactitud
perfecta. Por ejemplo, en Electroquímica hay una ecuación que dice:
∆G = -nFE. Sin entrar en más detalles, basta con saber que n es el
número de electrones intercambiados en una reacción redox. Por
ejemplo, si tenemos la reacción Cu2+ + Zn ⇄ Cu + Zn2+. Aquí se
intercambian dos electrones y no hay ninguna incertidumbre al
respecto. Por ello, para determinar el número de cifras significativas
en el resultado final, no se toma en cuenta la precisión de n. Podemos
verlo como si n fuera igual a
2,000000000000000000000000000000000000…
E. Los factores de conversión generalmente son exactos. O sea que, al
igual que los números enteros, puede considerarse como si tuvieran
un número infinito de cifras significativas. Aunque hay algunos casos
de conversiones que no son exactas porque están determinadas
empíricamente, otras son exactas. Por ejemplo, una pulgada es
exactamente igual a 2,54 cm por definición, y una caloría son 4,184 J.
Además, todas las conversiones dentro de un mismo sistema son
exactas (1 km son exactamente 1000 m, y un pie son exactamente 12
pulgadas).
La aplicación de estas reglas permite distinguir entre los decimales
(número de dígitos tras la coma) y las cifras significativas. La Tabla 2
ilustra esta distinción.
Química General, Inorgánica y Orgánica
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Tabla 2
Número Decimales (*) Cifras significativas (*)
346 346 346
34,6 34,6 34,6
3,46 3,46 3,46
0,346 0,346 0,346
0,0346 0,0346 0,0346
0,03460 0,03460 0,03460
346,0 346,0 346,0
346,00 346,00 346,00
(*) marcadas en negrita
Operaciones matemáticas y cifras significativas
Ya se ha visto que no deben incluirse más dígitos detrás del último
dígito incierto. La duda que surge ahora es cómo aplicar este criterio
cuando se realizan operaciones matemáticas, es decir, ¿en qué cifra se
debe cortar? Para ello se deben distinguir dos aspectos, uno de índole
general como son las reglas del redondeo y otro más particular, la
distinción entre operaciones matemáticas que impliquen sumas o restas,
multiplicaciones o divisiones y por último, el uso de logaritmos.
Reglas del redondeo
A. Cuando la cifra siguiente a la última que se conserva es inferior a 5, la
última que se retiene no sufre modificación. Ejemplo: el redondeo de
5,4323 a cuatro cifras significativas es: 5,432.
B. Cuando la cifra siguiente a la última que se conserva es superior a 5,
se incrementa la cifra que se conserva en una unidad. Ejemplo: el
redondeo de 5,4327 a cuatro cifras significativas es: 5,433.
C. Cuando la cifra siguiente a la última que hay que considerar es 5
(seguida de ceros), la última cifra que se conserva se aumenta en una
unidad si es impar y no se modifica si es par. Ejemplo: 1,245 se
convierte en 1,24 con tres cifras y 1,235 se convierte en 1,24 con tres
cifras.
D. Cuando la cifra siguiente a la última que hay que considerar es 5
(seguida de algún dígito distinto de cero), la última cifra que se
conserva se aumenta en una unidad. Ejemplo: el redondeo de
2,3450001 a tres cifras significativas es: 2,35.
Es importante resaltar que las reglas de redondeo se aplican al
resultado final y no en las operaciones intermedias.
Operaciones matemáticas
A. Sumas y restas. En sumas y restas se mantendrán tantas cifras
decimales como existan en el sumando o sustraendo que menos
Química General, Inorgánica y Orgánica
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cifras tenga a la derecha de la coma. Si se utiliza notación
exponencial, todos los números se convierten a la misma potencia
de 10 y los términos numéricos se suman o se restan.
Ejemplos:
3,24 + 2,10 + 1,2 + 3,75 + 4,0 = 14,29 CORRECTO: 14,3
1,632 105 + 4,107 103 + 0,984 106 1,632 105
+ 0,04107 105
+ 9,84 105
_________________
11,51307 105
CORRECTO: 11,51 105
B. Multiplicaciones y divisiones. El factor que contenga el menor número
de cifras significativas, determina el número final de las mismas.
En la multiplicación, los términos numéricos se multiplican de la
forma habitual, mientras que los exponentes se suman
algebraicamente y el producto se escribe con un dígito distinto de
cero a la izquierda de la coma de los decimales.
En una división, el término numérico del numerador se divide por el
término numérico del denominador, mientras que los exponentes se
restan algebraicamente y el cociente se escribe con un dígito distinto
de cero a la izquierda de la coma de los decimales.
Ejemplos:
2,51 2,30 = 5,773 CORRECTO: 5,77
45,36 ÷ 3,2 = 14,175 CORRECTO: 14
(4,7 107) (1,6 102) = 7,52 109 CORRECTO: 7,5 109
(8,3 104) (9,3 10–9) = 77,19 10–5 CORRECTO: 77 10-5 = 7,7 10-4
(8,4 107) ÷ (2,0 103) = 4,2 104 CORRECTO: 4,2 104
(3,81 109) ÷ (8,412 10–3) = 0,452924393 1012 CORRECTO:4,53 1011
C. Logaritmos. El logaritmo de un número es la potencia a la que se
debe elevar la base para obtener ese número. En Química, se usan
dos tipos de logaritmos: 1) logaritmos decimales (abreviados log),
cuya base es 10, y 2) logaritmos naturales o neperianos (abreviados
ln), cuya base es el número e = 2,71828. Las propiedades de los
logaritmos son las mismas cualesquiera que sea la base. Cuando se
obtiene el logaritmo de un número, el dígito a la izquierda de la
coma decimal se llama característica, y el número a la derecha de la
coma decimal se denomina mantisa. La característica sólo localiza
Química General, Inorgánica y Orgánica
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la coma decimal del número, de modo que no se incluye cuando se
computan las cifras significativas.
La norma para conocer las cifras significativas en el caso de un
logaritmo es simple, la mantisa tiene tantas cifras significativas como el
número de cuyo logaritmo se halló.
Ejemplo: log 720 = 2,857.
3. EXPRESIÓN DE LOS RESULTADOS: CALIDAD
Cualquier proceso de medida lleva aparejado un error, hecho éste que nos
lleva a hablar de exactitud y precisión. La exactitud indica la proximidad de
una medida a su valor verdadero o aceptado como verdadero, mientras que
la precisión muestra la concordancia entre varios resultados medidos y
obtenidos de la misma manera o en idénticas condiciones experimentales.
Un resultado de calidad debe llevar aparejado ambos parámetros y siempre
que expresemos un resultado, la magnitud (con las cifras significativas
adecuadas) deberá ir acompañada de una estimación de su incertidumbre:
𝑿 ± 𝑼 𝒖𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆𝒔 (por ejemplo, 1,2 ± 0,2 m)
En la mayoría de los casos no se realiza una única medición en el
laboratorio, sino una serie de ellas, por lo que lo más apropiado para
expresar un resultado será utilizar la media aritmética (�̅�) de los
diferentes valores (xi), acompañados de la desviación estándar de los
mismos (s), como estimación de su incertidumbre
�̅� = ∑ 𝑥𝑖
𝑁𝑖=1
𝑁
𝑠 = √∑ (𝑥𝑖 − �̅�)2𝑁
𝑖=1
𝑁 − 1
en donde N es el número de mediciones.
Ejemplo: Medimos la masa de un objeto, por triplicado, en una balanza analítica y obtenemos los siguientes valores (g):
12,3242; 12,3237; 12,3251
La media y la desviación estándar calculadas (habitúese a utilizar la calculadora para ello) son:
Media: 12,3243333 g
Desviación estándar: 0,00070946 g
Al obtenerse la media como la suma de los tres valores y dividiendo por 3, el resultado tendrá seis cifras significativas: 12,3243. En cuanto a la desviación estándar, el primer dígito distinto de cero (7) nos indica dónde está el error en la magnitud es decir el último número que se puede dar a la masa media, por tanto, el resultado se expresará como:
m = 12,3243 ± 0,0007 g
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4. CALIBRACIÓN
Cuando utilizamos una pipeta como la que aparece en la figura 10 asumimos que trasvasamos 25,00 mL, puesto que su tolerancia es ±0,03
mL. Pero esto, a menudo, no es cierto debido al deterioro que sufre el material de vidrio durante su uso por el contacto con disoluciones agresivas y a su expansión o contracción por efecto de la temperatura5. Ello hace que sea necesaria su calibración frecuente si queremos hacer un trabajo riguroso.
Figura 10. Pipeta aforada
La calibración (según la norma DIN EN ISO 4787) ha de realizarse a 20 ºC
pero en la mayoría de los laboratorios la temperatura es distinta. Por ello,
lo que hacemos es determinar la masa de agua destilada que contiene o es
trasvasada utilizando una balanza para transformarla posteriormente
utilizando el Factor Z (el volumen de un gramo de agua corregido a 20 ºC
teniendo en cuenta el efecto de empuje del aire y el de dilatación del vidrio
borosilicato) en el volumen a 20 ºC. En esta práctica se va realizar la
calibración de una pipeta aforada o una pipeta graduada midiendo la masa
de agua trasvasada a un recipiente (con una balanza analítica o granatario,
según disponibilidad), utilizando la densidad del agua para convertir la
masa en volumen.
𝑉20 = (𝑊2 − 𝑊1) × 𝑍
donde W2 es la masa del recipiente de pesada con el agua destilada a la
temperatura del laboratorio y W1 la masa del recipiente de laboratorio
vacío.
Para ello será necesario medir la temperatura del agua destilada del
laboratorio y consultar el valor del factor Z a distintas temperaturas en la
tabla 3.
Estas medidas, además, nos permitirán comparar ambos instrumentos,
pipeta aforada y graduada, en cuanto a precisión y exactitud.
Tabla 3. Factor Z para distintas temperaturas (presión atmosférica de 980 a 1000 hPa y para material de vidrio AR-GLAS)
Temperatura de control (ºC)
Factor Z Temperatura de control (ºC)
Factor Z
15 1,00208 23 1,00341
16 1,00221 24 1,00362
17 1,00235 25 1,00384
18 1,00250 26 1,00408
19 1,00266 27 1,00432
20 1,00283 28 1,00457
21 1,00301 29 1,00483
22 1,00318 30 1,00510
5 Esta es la razón por la que el material aforado no debe ser secado en estufa a alta temperatura antes de su uso.
Química General, Inorgánica y Orgánica
35
Material 1 pipeta aforada (o graduada) de 10 mL
Balanza analítica o granatario (según disponibilidad)
2 vasos de precipitado de 250 mL
Frasco lavador de agua destilada
3 botes de vidrio (con tapón, limpios y secos)
Cuentagotas y tetinas
Termómetro
Soporte y pinza
Reactivos Agua destilada
Procedimiento La práctica comienza en el aula de informática que se le haya indicado, a
las nueve de la mañana. Deberá disponer como material especial para
este día de auriculares y de su nombre de usuario y su contraseña (de
“Mi Portal” o del “Aula Virtual”). En el comienzo de esta sesión visionará
sendos videos sobre el funcionamiento del material de laboratorio e
incluirá unos resúmenes en su cuaderno del laboratorio.
Posteriormente, el profesor le introducirá en el tratamiento de los datos
del laboratorio y en la preparación de disoluciones, para pasar
posteriormente al laboratorio correspondiente.
Ya en el laboratorio de prácticas comenzará la etapa de identificación y
uso del material de laboratorio.
Para finalizar la sesión realizará el calibrado de una pipeta como
ejemplo representativo de material volumétrico lo que le dará ocasión
de aprender a realizar tareas como la pesada o la medición de
volúmenes.
Calibración de una pipeta (aforada o graduada)
Para calibrar la pipeta, bien se trate de la pipeta aforada o de la pipeta
graduada, siga los pasos que se indican a continuación:
1) Introduzca un poco de agua destilada en un vaso de precipitados y
déjela al menos 10 minutos. Introduzca el termómetro y mida la
temperatura. Anote la temperatura en la tabla cuyo formato se
proporciona a continuación en el cuaderno de laboratorio.
2) Tare la balanza analítica o el granatario (según la disponibilidad y
las indicaciones de su profesor, siempre la misma).
3) Tome con papel o con guantes (para no tocar la superficie con las
manos) uno de los botes con tapa y determine su masa en la balanza
Química General, Inorgánica y Orgánica
36
analítica o granatario. Anote esta masa, W1, en el cuaderno de
laboratorio.
4) Deposite el bote sobre una superficie limpia y seca, en su lugar de
trabajo.
5) Coloque la pipeta aforada o graduada (según las indicaciones del
profesor) en la pinza colocada en el soporte y con la ayuda de una
propipeta, pipetee agua destilada hasta sobrepasar la línea de
enrase, limpie la superficie de la punta con papel de celulosa. A
continuación, enrase correctamente.
6) Abra el bote, apoye la punta de la pipeta en la superficie interior del
vaso (con un ángulo de unos 45 º, aproximadamente) y vierta el
contenido de la pipeta. Cuando haya dejado de fluir el líquido, retire
el bote y tápelo.
7) Pese el bote (en la misma balanza o granatario que hubiese utilizado
para pesarlo vacío) y anote este valor, W2.
8) Repita el procedimiento, desde el paso 1), dos veces más.
9) Anote el tipo de pipeta: aforada o graduada y calidad: A o B.
10) Rellene la siguiente tabla en su cuaderno de laboratorio:
Temperatura (ºC):
Pipeta:
Tipo: ; Calidad: ; Error:
Pesada en:
Ensayo W1 W2 Z (mL/g) Volumen V20 (mL)
1
2
3
Volumen medio:
Desviación estándar:
11) Si compara sus datos de volumen medio y desviación estándar
con los de otra taquilla que haya trabajado con la misma balanza o
granatario pero con distinta pipeta ¿qué podría decir en cuanto a
exactitud y precisión?
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37
2. DESTILACIÓN
Objetivos Introducir al alumno en los fundamentos y aplicaciones de la técnica más
habitual para la purificación de compuestos líquidos. Desarrollar la
destreza necesaria para el montaje de equipos sencillos de frecuente
utilización en los laboratorios de química.
Introducción La destilación constituye el método más frecuente e importante para la
purificación de líquidos. Se utiliza siempre en la separación de un líquido
de sus impurezas no volátiles y, cuando ello es posible, en la separación de
dos o más líquidos.
Fundamento En la destilación, un líquido L1 se calienta hasta hacerlo pasar a estado
gaseoso G y a continuación los vapores condensan en una superficie fría
pasando de nuevo al estado líquido L2 que se recoge aparte.
LÍQUIDOS PUROS
Cuando un líquido puro se introduce en un recipiente cerrado, parte del
mismo se evapora hasta que el vapor alcanza una determinada presión, que
depende sólo de la temperatura. Esta presión, que es la ejercida por el
vapor en equilibrio con el líquido, es la tensión de vapor del líquido a
dicha temperatura y aumenta con ella. El líquido comienza a hervir a la
temperatura en la que la tensión de vapor iguala a la presión total a la que
se encuentra sometido dicho líquido. La temperatura a la que esto ocurre
en condiciones normales (760 mm Hg = 1 atm) recibe el nombre de punto
de ebullición normal del líquido en cuestión, y es una constante
característica para cada líquido.
MEZCLAS DE LÍQUIDOS
La presión de vapor total de una mezcla de líquidos (PT) es igual a la suma
de las presiones parciales (Pi) de cada uno de los componentes de la mezcla
(Ley de Dalton):
PT = Pi
Cuando se calienta una disolución o una mezcla de dos o más líquidos, el
punto de ebullición normal es entonces la temperatura a la cual la tensión
de vapor total de la mezcla es igual a la presión atmosférica en
condiciones normales.
Líquido L1
Evaporación
Vapor G Líquido L2
Condensación
Química General, Inorgánica y Orgánica
38
En función de que la mezcla sea de líquidos miscibles o inmiscibles, la
contribución de la presión parcial de cada componente Pi a la PT de la
mezcla será diferente.
MEZCLAS DE LÍQUIDOS MISCIBLES
En las disoluciones ideales, las únicas que vamos a considerar, se cumple la
ley de Raoult, que se expresa en los siguientes términos: “A una
temperatura y una presión dadas, la presión de vapor parcial de cada
componente en la mezcla (Pi ) es igual a su presión de vapor en estado puro
(Poi ) multiplicada por su fracción molar (Xi ) en la solución".
Pi = Pºi Xi Xi = ni / nT
PT = Pi = Pºi Xi
De la ley de Raoult se pueden deducir las siguientes conclusiones:
1. El punto de ebullición de una mezcla depende de los puntos de
ebullición de sus componentes y de sus proporciones relativas.
2. En una mezcla cualquiera de dos líquidos, el punto de ebullición está
comprendido entre los puntos de ebullición de los componentes
puros.
3. El vapor producido será siempre más rico en el componente de punto
de ebullición más bajo.
Siempre que se tenga una mezcla de dos o más componentes que se
diferencien suficientemente en sus puntos de ebullición, los componentes
se podrán separar por destilación. Existen varios tipos de destilación:
sencilla, fraccionada, a vacío y en arrastre de vapor. En esta práctica vamos
a utilizar los dos primeros.
DESTILACIÓN SENCILLA
Para la destilación sencilla se utiliza el equipo representado en la figura 1.
Consta de un matraz de fondo redondo al que se acopla una cabeza de
destilación. Sobre ella se coloca el termómetro insertado en un
adaptador. El refrigerante, por el que circula agua en sentido ascendente,
se adapta a la tubuladura lateral de la cabeza de destilación. El extremo
inferior del refrigerante se une a una alargadera que conduce el destilado
al recipiente que se utilice como colector. El matraz descansa sobre una
placa calefactora. Todo el equipo se sujeta con pinzas y nueces a dos
soportes. En las uniones cabeza de destilación-refrigerante y refrigerante-
alargadera se pueden colocar unos clips de plástico.
Química General, Inorgánica y Orgánica
39
El líquido que se quiere destilar se pone en el matraz (que no debe llenarse
mucho más de la mitad de su capacidad) y se calienta con la placa
calefactora. Cuando se alcanza la temperatura de ebullición del líquido
comienza la producción apreciable de vapor, condensándose parte del
mismo en el termómetro y en las paredes del matraz. La mayor parte del
vapor pasa a través de la tubuladura lateral de la cabeza de destilación al
refrigerante donde se condensa debido a la corriente de agua fría que
asciende por la camisa de este. El destilado (vapor condensado) escurre al
matraz colector a través de la alargadera.
Soporte
Pinza
Nuez
Term—metro
Cabeza dedestilaci—n
Refrigerante
Matraz
Placacalefactora
Alargadera
Recipiente colector
Adaptadorterm—metro
Cabeza dedestilaci—n
Term—metro
Figura 1. Destilación sencilla.
Durante la destilación el extremo superior del bulbo termométrico debe quedar a la altura de la horizontal que pasa por la parte inferior de la tubuladura lateral de la cabeza de destilación (figura 1), de tal forma que todo el bulbo sea bañado por el vapor que asciende. La destilación debe hacerse con lentitud pero sin interrupciones, manteniendo para ello la calefacción adecuada.
Casi todos los líquidos tienden a sobrecalentarse (alcanzar una temperatura algo superior al punto de ebullición). Se encuentran entonces en un estado metaestable que se interrumpe periódicamente al formarse súbitamente una gran burbuja de vapor en el seno del líquido. Se dice entonces que este hierve a saltos. Para evitar esto, antes de iniciar la destilación se añaden al líquido uno o dos trocitos de porcelana porosa, cuyos pequeños poros constituyen un lugar adecuado para la formación de
PRECAUCIÓN
Antes de adicionar trozos de porcelana, el líquido debe enfriarse por debajo de su
punto de ebullición; la adición de un trocito de
material poroso a un líquido sobrecalentado provoca una
ebullición repentina que puede ser violenta (peligro de incendio y quemaduras).
Química General, Inorgánica y Orgánica
40
núcleos de burbujas, hirviendo así el líquido normalmente al alcanzarse la temperatura de ebullición. Si el líquido se abandona cierto tiempo a una temperatura inferior a su punto de ebullición, entonces los poros de la porcelana se llenan de líquido y ésta pierde su efectividad. En dicho caso es necesaria la adición (después de enfriar el contenido del matraz por debajo de su punto de ebullición) de un nuevo trocito.
Mediante la destilación sencilla que se acaba de describir se pueden separar mezclas de dos componentes que hiervan con una diferencia de puntos de ebullición de al menos 60-80 °C. Mezclas de sustancias cuyos puntos de ebullición difieren de 30-60 °C se pueden separar por destilaciones sencillas repetidas, recogiendo durante la primera destilación fracciones enriquecidas en uno de los componentes, las cuales se vuelven a destilar. Sin embargo, estas mezclas se separan mucho mejor por destilación fraccionada.
DESTILACIÓN FRACCIONADA
Es una técnica que permite la realización de una serie de destilaciones
sencillas en una sola operación continua. La destilación fraccionada se
emplea para separar mezclas de líquidos cuyos puntos de ebullición
difieran en menos de 70 °C. El equipo que se utiliza en este caso se
representa en la figura 2, es igual al empleado en la destilación sencilla
salvo en una diferencia: la inserción de una columna de fraccionamiento
entre el matraz y la cabeza de destilación.
Figura 2. Destilación fraccionada.
Una columna sencilla como la representada en la figura 3, puede rellenarse
con cualquier tipo de sustancia inerte que posea gran superficie, por
ejemplo anillos o hélices de vidrio, alambre, trocitos de arcilla, fragmentos
Columna de rellenosencilla
ColumnaVigreux
Figura 3
Figura 3.
Química General, Inorgánica y Orgánica
41
de porcelana, etc. Las columnas más utilizadas son las de tipo Vigreux que
poseen una serie de hendiduras para aumentar su superficie (figura 3).
Utilidad de una columna de fraccionamiento en la separación de una
mezcla de dos líquidos miscibles: cuando los vapores, enriquecidos en el
componente más volátil de la mezcla, ascienden por la columna, se
condensan y caen pero al encontrarse con vapores calientes ascendentes,
se produce un intercambio de calor que provoca su re-evaporación
continuando su ascenso por la columna donde más arriba condensaran de
nuevo. Estos ciclos de evaporación-condensación se repiten numerosas
veces a lo largo de la columna. Cada uno de ellos equivale a una destilación
sencilla a pequeña escala y esto provoca que los vapores se vayan haciendo
mucho más ricos en el componente más volátil de forma que se acabe por
producir vapor puro del componente de la mezcla que posea un menor
punto de ebullición. Este vapor alcanzará la cabeza de destilación y llegará
al refrigerante donde condensará y así recogeremos el componente más
volátil en el colector. El matraz de destilación, mientras tanto, se va
enriqueciendo progresivamente en el componente de mayor punto de
ebullición (menos volátil).
Material 1 Placa calefactora Plato poroso
1 Matraz esmerilado fondo redondo (100 mL)
1 Matraz esmerilado fondo redondo (200 mL)
1 Refrigerante recto 1 Cabeza de destilación
1 Termómetro 1 Adaptador para termómetro
1 Alargadera 3 Matraces Erlenmeyer (50 mL)
1 Columna Vigreux 1 Probeta de 50 mL
1 Tubo de ensayo graduado 3 Soportes
3 Pinzas 3 Nueces
3 Clips de plástico 1 Aro
1 Trípode Grasa para esmerilados
Plato poroso 2 Gomas de refrigerante
Reactivos Acetona Agua
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42
Procedimiento SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA ACETONA-AGUA EN SUS DOS
COMPONENTES
A. FRACCIONAMIENTO POR DESTILACIÓN SENCILLA
Monte el aparato de destilación sencilla según se indica en la figura 1,
utilizando un matraz de fondo redondo de 100 mL. Ponga en el matraz
30 mL de acetona, 30 mL de agua y dos o tres trocitos de plato poroso.
Ponga un poco de grasa6 en todas las juntas esmeriladas. Cerciórese
de que todas las uniones están perfectamente cerradas (así
evitaremos que los vapores puedan incendiarse).
Haga circular una corriente suave de agua del grifo por el refrigerante,
uniendo la entrada de este (ver figura 1) al grifo mediante una goma. El
agua, que sale del refrigerante por su parte superior, se conducirá a un
desagüe mediante otra goma. Etiquete y numere tres matraces
Erlenmeyer pequeños para recoger las fracciones siguientes:
I 56-65 °C II 65-90 °C III Residuo
Caliente el matraz de forma que el destilado se recoja de una manera
continua a una velocidad aproximada de una gota por segundo. Cambie
los matraces colectores con rapidez a los intervalos de temperatura
indicados. Cuando la temperatura alcance 90 °C interrumpa la
destilación y enfríe el matraz de destilación dejando que, el condensado
del cuello gotee en él. Pase este residuo al matraz III.
Mida con una probeta graduada los volúmenes de destilado obtenido en
cada fracción. Anote estos volúmenes. La fracción I está formada
principalmente por acetona y el residuo por agua. La fracción II es una
mezcla de acetona y agua.
B. FRACCIONAMIENTO CON UNA COLUMNA VIGREUX
Monte el aparato de la figura 2 con un matraz de fondo redondo de 250
mL. Ponga en el matraz 60 mL de acetona, 60 mL de agua y dos o tres
trocitos de porcelana porosa. Ponga un poco de grasa3 en todas las
juntas esmeriladas. La destilación se llevará acabo como en la sección
A. Anote los resultados en el cuadro del informe y saque sus propias
conclusiones referentes a cuál de las dos destilaciones, sencilla o
fraccionada, ha sido más eficaz.
Resultados Rellene la tabla 1.
6 Una vez finalizada la práctica, desmontado el aparato de destilación y ANTES DE FREGAR, se quita la grasa de todas las uniones esmeriladas que componen el equipo utilizado con un papel absorbente.
PRECAUCIÓN
La acetona es inflamable. No la acerque a llamas u
otras fuentes de calor.
PRECAUCIÓN
No olvide engrasar todas las juntas
esmeriladas. Antes de empezar a destilar,
cerciórese de que todas las uniones están
perfectamente cerradas y circulando el agua de refrigeración para evitar
que se escapen vapores que puedan
incendiarse.
Química General, Inorgánica y Orgánica
43
Tabla 1. Volúmenes recogidos en cada fracción
Destilación 56-65 ºC 65-90 ºC 90-100 ºC
Sencilla
Fraccionada
Observaciones
Cuestiones
1. Compare los resultados de los dos tipos de destilación. ¿Cuál es
más eficaz?
2. Un líquido orgánico comienza a descomponerse a 80 °C. Su tensión
de vapor a esa temperatura es de 36 mm de Hg. ¿Cómo podría
destilarse?
3. Cite dos razones que justifiquen que el agua fría circule en un
refrigerante en sentido ascendente.
4. ¿Qué finalidad tiene el plato poroso en una destilación?
5. ¿Se podría separar por destilación sencilla una mezcla de dos
líquidos de puntos de ebullición 77 °C y 111 °C ? ¿Y por destilación
fraccionada? ¿Qué líquido se recogería en primer lugar?
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44
3. CRISTALIZACIÓN
Objetivos Introducir al alumno en la técnica más habitual para la purificación
de compuestos sólidos, reforzando los conocimientos teóricos
adquiridos previamente acerca de fuerzas intermoleculares, cambios
de estado y solubilidad.
Introducción La cristalización se mantiene hoy día como el procedimiento más
adecuado para la purificación de compuestos sólidos que contengan una
cantidad moderada de impurezas. Se basa en el hecho de que la mayoría
de los sólidos son más solubles en un disolvente en caliente que en frío.
Fundamento El sólido que se va a purificar se disuelve en el disolvente caliente,
generalmente a ebullición, la mezcla caliente se filtra para eliminar
todas las impurezas insolubles, y entonces la solución se deja enfriar
para que se produzca la cristalización. El caso ideal consistiría en que
toda la sustancia deseada se separara en forma cristalina y todas las
impurezas solubles quedaran disueltas en las aguas madres. Finalmente,
los cristales se separan por filtración y se dejan secar. Si con una
cristalización sencilla no se llega a una sustancia pura, el proceso puede
repetirse empleando el mismo u otro disolvente.
1. ELECCIÓN DEL DISOLVENTE
El disolvente ideal para cristalizar es el que cumpla los siguientes requisitos:
a) Disolver el sólido a purificar en caliente (a la temperatura de
ebullición del disolvente) pero no en frío (a temperatura ambiente
o a 0 °C). ESTE ES EL REQUISITO FUNDAMENTAL.
b) Disolver muy mal o muy bien las impurezas, para que se puedan
eliminar al filtrar en caliente o quedar disueltas en las aguas
madres, respectivamente.
c) No reaccionar con el compuesto a recristalizar.
d) Presentar un punto de ebullición inferior al punto de fusión del
sólido.
e) Ser relativamente volátil con el fin de que los cristales obtenidos
puedan secarse con facilidad.
f) No ser tóxico ni inflamable.
g) Ser barato.
La realidad es que no existe ningún disolvente que cumpla todas estas
características y aunque todas son importantes es imprescindible que al
menos se cumplan las cuatro primeras. La mejor forma de encontrar un
Química General, Inorgánica y Orgánica
45
Figura 1.
disolvente adecuado para la recristalización de una sustancia
determinada es hacer pruebas de solubilidad con distintos disolventes.
A la hora de decidir con qué disolventes probar, la primera regla a
considerar es “Semejante disuelve a semejante” pues generalmente un
disolvente disolverá mejor aquellos compuestos que presenten una
estructura química similar a la suya.
2. CRISTALIZACIÓN
Los pasos a seguir para purificar por recristalización un sólido que
contenga, en pequeña proporción, impurezas solubles e insolubles en el
disolvente a utilizar son: a) Disolución en caliente del sólido a
recristalizar, b) Filtración en caliente de las impurezas insolubles, c)
Enfriamiento y cristalización, d) Filtración de los cristales y e) Lavado y
secado de los cristales .
A) DISOLUCIÓN EN CALIENTE DEL SÓLIDO A RECRISTALIZAR
Como regla general, el objetivo es disolver el soluto en la mínima
cantidad de disolvente a su temperatura de ebullición. Se recomienda el
siguiente procedimiento (figura 1): el compuesto a recristalizar,
finamente pulverizado, se coloca en un matraz de fondo redondo del
tamaño adecuado al que se acopla un refrigerante de reflujo por el que
circula agua en sentido ascendente. Se echa un trocito de plato poroso y
se cubre el sólido con un volumen del disolvente elegido que se juzgue
todavía insuficiente para disolverlo totalmente.
Sobre un baño de agua (o directamente sobre la placa calefactora si el
disolvente tiene un punto de ebullición mayor que el del agua) se
calienta la mezcla hasta ebullición, agitando (si fuera necesario) con un
movimiento de giro. A la solución hirviente se añade, a través del
refrigerante, más disolvente en pequeñas porciones. Entre cada dos
adiciones se debe dejar el tiempo suficiente para que el soluto pueda
disolverse. Se continúa la adición de disolvente hasta que todo el soluto
se ha disuelto a la temperatura de ebullición.
B) FILTRACIÓN EN CALIENTE DE LAS IMPUREZAS INSOLUBLES
La solución caliente se debe filtrar por gravedad en un matraz
Erlenmeyer utilizando un embudo cónico y un filtro de pliegues
(figura 2). El proceso se debe llevar a cabo procurando que no cristalice
nada de soluto ni en el papel de filtro ni en el embudo donde únicamente
deben quedar las impurezas insolubles.
Para evitar que el sólido cristalice de la disolución saturada en el filtro
se deben tomar precauciones:
• Preparar todo el material para la filtración antes de preparar la
Figura 1
Figura 2.
Química General, Inorgánica y Orgánica
46
disolución.
• Filtrar rápidamente, adicionando pequeños volúmenes de
disolución repetidas veces mientras se mantiene caliente el resto.
• Utilizar, si es posible, un embudo de vástago corto y calentarlo
previamente en una estufa.
Si el sólido comienza a cristalizar en el filtro o en el embudo, añadir una
pequeña cantidad de disolvente a ebullición.
C) ENFRIAMIENTO Y CRISTALIZACIÓN
Durante el enfriamiento de la disolución caliente se pretende que
cristalice la máxima cantidad de la sustancia deseada con un mínimo de
impurezas. El proceso se realiza en un matraz Erlenmeyer, cubierto
con un vidrio de reloj para evitar evaporación. Generalmente, es
preferible que los cristales tengan un tamaño medio, porque los cristales
grandes pueden incluir gran cantidad de disolvente, el cual lleva
impurezas disueltas, y los cristales pequeños presentan una gran
superficie sobre la que éstas quedan adsorbidas.
El tamaño de los cristales se puede controlar por la velocidad de
cristalización; una cristalización rápida favorece la formación de
cristales pequeños y una cristalización lenta origina cristales grandes.
Generalmente lo mejor es dejar que el enfriamiento de la disolución sea
lento o al menos moderado. Si la cristalización es demasiado lenta, se
puede favorecer: a) Enfriando en un baño de hielo, b) Rascando con una
varilla de vidrio la superficie interior del matraz Erlenmeyer para que se
formen pequeñísimos fragmentos de vidrio que actúen como núcleos de
cristalización y c) Añadiendo, durante el enfriamiento y de vez en
cuando, un pequeño cristal del producto puro (sembrado) que actúe
como núcleo de cristalización.
D) FILTRACIÓN DE LOS CRISTALES
En este paso se pretende separar los cristales formados, quitándoles la
mayor cantidad posible de aguas madres, con una evaporación mínima.
Generalmente esto se consigue empleando un embudo Büchner unido
a un kitasato, que a su vez se conecta a la trompa de vacío (figura 3).
Los kitasatos deberán sujetarse mediante unas pinzas a un soporte. El
Büchner debe ser de tamaño adecuado, eligiéndose el más pequeño que
permita la recogida con holgura de toda la masa cristalina sin que ésta
llegue a rebosar el borde superior del embudo.
Una vez preparado el embudo Büchner, se adiciona la mezcla dentro del
embudo y se aplica vacío. Se debe utilizar una varilla de vidrio o una
espátula para que, ayudándose con ella, se pueda pasar lo más
rápidamente posible toda la masa cristalina al embudo. Si algunos
Figura 3.
Química General, Inorgánica y Orgánica
47
cristales quedan adheridos a las paredes del matraz Erlenmeyer, se
pueden arrastrar con pequeñas cantidades del filtrado frío.
Tan pronto como la masa sólida se hace suficientemente rígida, se
presiona, con cuidado pero con firmeza, con una espátula, con un corcho
o con un tapón de frasco invertido (recubiertos con papel de aluminio).
Cuando cesa el paso de líquido a través del filtro se interrumpe la
succión. En este momento, si el filtrado tiene valor, se deberá transferir
a otro recipiente.
E) LAVADO Y SECADO DE LOS CRISTALES
Se procederá al lavado de los cristales para eliminar todo el
disolvente que llevan adherido (que, desde luego, contendrá
impurezas solubles). Sin succión, se cubrirán los cristales con una
pequeña cantidad de disolvente puro y frío. En este momento
conviene agitar la mezcla cuidadosamente, para no romper el papel de
filtro, con una espátula o varilla de vidrio roma para asegurar que todos
los cristales se humedecen con el disolvente. Entonces se aplica de nuevo
la succión y los cristales se presionan como antes. Este proceso se puede
repetir varias veces. Se debe procurar que los cristales queden libres
de la mayor parte del disolvente antes de interrumpir
definitivamente la succión.
Con frecuencia, por concentración de las aguas madres (filtrado) se
puede obtener una nueva cantidad de cristales. Sin embargo, éstos son
casi siempre algo menos puros que los cristales obtenidos en primer
lugar.
Como paso final de la recristalización, los cristales obtenidos deben
quedar libres del disolvente adherido mediante un secado. El Büchner
se invierte sobre un papel de filtro de superficie lisa doblado en tres o
cuatro capas y los cristales se pasan a éste con ayuda de una espátula
limpia. Sobre los cristales se colocan otras hojas de papel de filtro y la
mayor parte del disolvente se elimina presionando fuertemente.
Entonces se pasan los cristales a un vidrio de reloj limpio o una cápsula
plana y se cubren con una hoja de papel de filtro para evitar que caigan
partículas de polvo. En estas condiciones se pueden dejar secar al aire a
la temperatura ambiente o se pueden introducir en un desecador de
vacío sobre un desecante que sea eficaz para eliminar el disolvente
usado.
3. PUNTO DE FUSIÓN
El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que el
sólido se transforma en líquido, y generalmente se mide a la presión
de una atmósfera. En una sustancia pura el cambio de estado es muy
Química General, Inorgánica y Orgánica
48
rápido y la temperatura es característica. Por eso, el punto de fusión es
un dato utilizado en la identificación de un sólido. Además, debido a que
el punto de fusión se altera sensiblemente por la presencia de
impurezas, esta constante constituye un valioso criterio de pureza. En
general, un sólido puro funde en un intervalo muy pequeño de
temperatura y con un límite superior muy próximo al punto de fusión
verdadero.
Material 1 Matraz esmerilado fondo redondo ( 100 mL)
1 Refrigerante de reflujo 1 Embudo cónico
1 Matraz Erlenmeyer (100 mL) 1 Kitasato
1 Embudo Büchner 1 Cono de goma
9 Tubos de ensayo 1 Thiele
1 Capilar de puntos de fusión Papel de filtro
1 Gradilla 1 Soporte
2 Pinzas 2 Nueces
1 Aro Grasa para esmerilados
2 Gomas de refrigerante 1 Placa calefactora
Reactivos Ácido cítrico (finamente pulverizado) Agua
Ácido benzoico (finamente pulverizado) Etanol
Naftaleno (finamente pulverizado) Tolueno
Acetanilida impura
Procedimiento
1. ELECCIÓN DE UN DISOLVENTE PARA UNA RECRISTALIZACIÓN
Se ensayará la solubilidad de ácido cítrico (ácido 2-hidroxi-1,2,3-
propanotricarboxílico), ácido benzoico y naftaleno en agua, etanol y tolueno.
Se observará y anotará la solubilidad de cada compuesto en cada disolvente,
tanto en frío como en caliente, y se elegirá el mejor disolvente para cada
compuesto.
Química General, Inorgánica y Orgánica
49
Los ensayos de solubilidad se pueden realizar de la siguiente forma: en un tubo
de ensayo pequeño (10 75 mm) se echa con ayuda de una espátula una
cantidad de sólido que pese aproximadamente 0,1 g y que esté finamente
pulverizado. Sobre éste, se añade disolvente, gota a gota y agitando
continuamente. Después de añadir aproximadamente 1 mL de disolvente, se
observa la mezcla con detenimiento.
Si se disuelve todo el sólido en el disolvente en frío, éste no sirve para su
recristalización. Si no se ha disuelto todo el sólido, la mezcla se calienta
suavemente, agitando hasta que hierva el disolvente. Si todo el sólido se
disuelve, se puede anotar que es muy soluble en caliente. Si no se disuelve, se
añade más disolvente en porciones de 0,5 mL hasta que todo el sólido se
disuelva a la temperatura de ebullición o hasta que se haya alcanzado un
volumen total de 3 mL de disolvente. Si todavía queda sólido sin disolver a la
temperatura de ebullición, se puede anotar que el compuesto es poco soluble en
ese disolvente y se deberá ensayar otro disolvente para su recristalización.
2. RECRISTALIZACIÓN DE ACETANILIDA
En un matraz de fondo redondo de 100 mL se ponen 2 g de acetanilida impura y
se disuelve a ebullición en la mínima cantidad del disolvente elegido para su
recristalización (el producto puede tener impurezas sólidas insolubles). La
disolución caliente se filtra en un matraz Erlenmeyer de 100 mL a través de un
embudo de vástago corto provisto de un filtro de pliegues. El filtro y el matraz
Erlenmeyer se pueden calentar previamente en la estufa. Se continúa el proceso
tal y como se indicó anteriormente. Una vez seco el producto, se pesa.
3. DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE FUSIÓN DE LA ACETANILIDA
La determinación de puntos de fusión se lleva a cabo en un instrumento para
medidas de punto de fusión (figura 4). Para determinar el punto de fusión de
un sólido se introduce una pequeña muestra en un tubo capilar (ver figura 5) y a
continuación se coloca en el instrumento, se calienta lentamente y se observa la
temperatura a la que la fusión comienza y a la que se completa. El intervalo de
fusión para una muestra pura suele estar comprendido entre 1-2 °C . La muestra
sólida deberá estar seca y finamente dividida. El sólido sólo deberá ocupar en el
capilar una altura aproximada de medio centímetro. Los capilares para punto de
fusión deben ser de paredes finas, de 1 ó 2 mm de diámetro y cerrados por un
extremo. En caso contrario, la determinación de puntos de fusión va
acompañada de considerable error. En el caso de un producto conocido, la
calefacción será rápida al principio hasta llegar a unos 10 °C por debajo del
punto de fusión y después, lenta, de modo que la velocidad de calentamiento sea
inferior a 2 °C /min.
PRECAUCIÓN
El tolueno y el etanol son inflamables. No los acerque a llamas u otras fuentes de
calor. Utilice el tolueno en una
vitrina de gases.
Figura 4. Instrumentos
para medidas de punto de fusión.
Química General, Inorgánica y Orgánica
50
EXTREMO ABIERTODEL CAPILAR
MUESTRAVARILLA DEVIDRIO HUECA
EXTREMO DEL CAPILAR CON LA MUESTRA
VIDRIO DERELOJ
CAPILAR
Figura 5. Llenado de un tubo capilar para medida de punto de fusión.
Resultados Rellene las tablas 1 y 2.
Tabla 1. Pruebas de solubilidad*
Disolvente Compuesto
Ácido cítrico Ácido benzoico Naftaleno Acetanilida
Agua F
C
Etanol F
C
Tolueno F
C
Disolvente de
recristalización
*F = en frío; C = en caliente.
Tabla 2. Recristalización de acetanilida
Masa obtenida (g) Color Punto de fusión (°C)
Observaciones
Química General, Inorgánica y Orgánica
51
Cuestiones
1. Los sólidos suelen ser más solubles en ¿frío o caliente?
2. Si “semejante disuelve a semejante”, para disolver un compuesto iónico escogerías mejor un disolvente ¿polar como el agua o apolar como el benceno?
3. Explique brevemente cada una de las etapas de una purificación por cristalización.
4. En el proceso se efectúan dos filtraciones. ¿En qué se diferencian? ¿Qué tipo de impurezas se eliminan en cada una de ellas? ¿En qué tipo de filtro se realiza cada una? ¿Por qué?
5. ¿Por qué es conveniente lavar el sólido cristalizado con disolvente puro después de la segunda filtración? ¿Con qué disolvente se lava? ¿Es necesario que este disolvente para lavar se encuentre a ebullición?
4. EXTRACCIÓN Y AGENTES DESECANTES
Objetivos Adquirir destrezas en la técnica de extracción líquido-líquido como
método de separación de compuestos orgánicos. Aplicar los
conocimientos acerca del coeficiente de reparto. Comprobar la mayor
eficacia de una extracción múltiple con pequeños volúmenes de
disolvente sobre una extracción única con la misma cantidad de
disolvente.
Que el alumno tome conciencia de la importancia que tienen los
procesos de secado de los productos orgánicos y que aprenda cuales son
los agentes desecantes más habituales y cómo se utilizan.
Introducción La extracción es la técnica que se emplea para separar un producto
orgánico de una mezcla de reacción o para aislarlo de sus fuentes
naturales. Puede definirse como: la separación de un componente de
una mezcla por medio de un disolvente.
Habitualmente, la extracción se utiliza para separar compuestos
orgánicos de las soluciones o suspensiones acuosas en las que se
encuentran. El procedimiento consiste en agitarlas con un disolvente
orgánico inmiscible con el agua y dejar separar ambas capas. Los
distintos solutos presentes se distribuyen entre las fases acuosa y
orgánica, de acuerdo con sus solubilidades relativas. De este modo, las
sales inorgánicas, prácticamente insolubles en los disolventes orgánicos
más comunes, permanecerán en la fase acuosa, mientras que los
compuestos orgánicos que no formen puentes de hidrógeno, insolubles
en agua, se encontrarán en la fase orgánica.
Pequeñas cantidades de humedad inhiben la cristalización de muchos
sólidos. Además, muchos líquidos, cuando destilan en presencia de agua,
Química General, Inorgánica y Orgánica
52
K D =CO
CA
=SO
SA
reaccionan con ésta (se hidrolizan) o destilan con el agua (se arrastran)
a temperaturas bastantes distantes de sus puntos de ebullición. Por
estas razones, el paso final, antes de la recristalización de un sólido o de
la destilación de un líquido, es la eliminación del agua que lleva consigo
mediante algún proceso de secado. En general, como mejor se seca una
sustancia orgánica es en disolución (generalmente en el disolvente de
extracción).
Fundamento
1. COEFICIENTE DE REPARTO
Ciertos compuestos orgánicos, como los alcoholes, aldehídos, cetonas,
ácidos, ésteres, aminas, etc., capaces de asociarse con el agua a través de
puentes de hidrógeno, son parcialmente solubles en este disolvente y en
los orgánicos; en estos casos pueden ser necesarias varias extracciones
sucesivas para eliminar la sustancia orgánica de la fase acuosa. Cuando
se agita una solución acuosa de una sustancia con un disolvente
orgánico en el que la sustancia es al menos algo soluble, el compuesto se
disuelve parcialmente en cada disolvente. La relación de las
concentraciones en ambos (CO y CA), proporcionales a las solubilidades
respectivas, SO y SA, cuando se alcanza el estado de equilibrio a una
temperatura determinada, se llama coeficiente de distribución o de
reparto, KD.
C y S se expresan en g de soluto por unidad de volumen de disolvente
EJEMPLO:
A 15 ºC la solubilidad del ácido subérico [ HOOC-(CH2)6-COOH ] es 0.56 g por 100
mL de éter dietílico y 0.14 g por 100 mL de agua. Esto significa que cuando el ácido
subérico se distribuye entre el éter y el agua a 15 ºC, la concentración del mismo en la
fase etérea es 0.56 / 0.14 = 4 veces mayor que en la fase acuosa, y por lo tanto KD = 4.
Si una solución de 40.0 mg de ácido subérico en 50 mL de agua se extrae con 50 mL
de éter, la cantidad (X) de ácido que pasa a la capa etérea puede calcularse del modo
siguiente:
X = 32 mg de ác. Subérico en la fase orgánica (etérea)
Quedan 8 mg en la fase acuosa
De estos datos se puede deducir que el ácido subérico se puede separar fácilmente de
cualquier impureza insoluble en éter por extracciones sucesivas con éter de su
solución acuosa.
X / 50 mL
= 4
(40 mg – X) / 50 mL
Química General, Inorgánica y Orgánica
53
En general, para un volumen determinado de líquido extractivo, la
eficacia de la extracción aumenta con el número de las mismas. En la
práctica, no obstante, deben tenerse en cuenta también el tiempo y el
trabajo requeridos por las repetidas extracciones y los inconvenientes
que presenta la manipulación de muy pequeñas cantidades de
disolvente.
Como norma práctica puede indicarse que para compuestos mucho
más solubles en el disolvente extractivo que en el agua, debe
utilizarse en cada extracción un volumen de aquél igual a la tercera
parte de ésta.
Disolventes orgánicos muy utilizados son: el tolueno (C6H5-CH3), el
éter de petróleo (mezcla de alcanos de baja magnitud molecular), el
cloruro de metileno (CH2Cl2), el cloroformo (CHCl3), el tetracloruro
de carbono (CCl4), el acetato de etilo (CH3-COOC2H5) y el alcohol n-
butílico (CH3CH2CH2CH2OH). La elección del disolvente se realiza en
cada caso teniendo en cuenta la solubilidad en el mismo de la sustancia
a extraer y la facilidad con que puede separarse ésta del disolvente.
El éter dietílico es el más utilizado por la gran solubilidad en el mismo
de la mayor parte de los compuestos orgánicos y por su bajo punto de
ebullición (35 °C). Sin embargo, su gran volatilidad y su fácil
inflamabilidad exigen manejarlo con las precauciones debidas.
2. EXTRACCIÓN CON ÁCIDOS Y ÁLCALIS
Con frecuencia se consiguen separaciones muy netas de compuestos
orgánicos, utilizando soluciones ácidas o alcalinas capaces de convertir
dichas sustancias en sales, solubles en agua e insolubles en éter. Una
solución de hidróxido de sodio al 5-10 % convierte, por ejemplo, los
ácidos carboxílicos, R-COOH, en sus sales sódicas, R-COO-Na+. Los
compuestos fenólicos experimentan una transformación semejante con
el mismo reactivo. Por esta causa puede utilizarse una solución de
hidróxido de sodio para extraer un ácido carboxílico o un compuesto
fenólico de su solución en un disolvente orgánico o, recíprocamente,
liberar estos tipos de compuestos de sus impurezas orgánicas por
extracción de sus soluciones alcalinas con un disolvente adecuado.
EJEMPLO:
A 15 ºC la solubilidad del ácido subérico [ HOOC-(CH2)6-COOH ] es 0.56 g por 100
mL de éter dietílico y 0.14 g por 100 mL de agua. Esto significa que cuando el ácido
subérico se distribuye entre el éter y el agua a 15 ºC, la concentración del mismo en la
fase etérea es 0.56 / 0.14 = 4 veces mayor que en la fase acuosa, y por lo tanto KD = 4.
Si una solución de 40.0 mg de ácido subérico en 50 mL de agua se extrae con 50 mL
de éter, la cantidad (X) de ácido que pasa a la capa etérea puede calcularse del modo
siguiente:
X = 32 mg de ác. Subérico en la fase orgánica (etérea)
Quedan 8 mg en la fase acuosa
De estos datos se puede deducir que el ácido subérico se puede separar fácilmente de
cualquier impureza insoluble en éter por extracciones sucesivas con éter de su
solución acuosa.
X / 50 mL
= 4
(40 mg – X) / 50 mL
Química General, Inorgánica y Orgánica
54
R N
R''
R'
R C
OH
O
R C
O- Na
+
O
OH
R
O- Na
+
R
R C
OH
O
OH
R
R NH+
Cl-
R''
R'
R N
R''
R'
+ NaHCO3 + CO2 + H2O
+ NaOH
Soluble en éter Fase acuosa Soluble en agua
+ H2O
HCl
Insoluble en agua
+ NaCl
+ HCl
Insoluble en agua
+ NaCl
HCl
Soluble en éter Fase acuosa Soluble en agua Insoluble en agua
NaOH+ NaCl + H2O
Las soluciones acuosas de bicarbonato de sodio convierten también los
ácidos carboxílicos en sus respectivas sales sódicas, pero no son lo
suficientemente básicas para formar sales con los compuestos fenólicos.
Esta es la base de un elegante método de separación de ácidos
carboxílicos y fenoles: el ácido se extrae en primer lugar de su solución
en un disolvente orgánico con una solución de bicarbonato de sodio y,
posteriormente, el fenol con solución de sosa.
El ácido clorhídrico diluido se emplea con frecuencia para la extracción
de sustancias básicas de sus mezclas con otras neutras o ácidas, o bien
para eliminar impurezas básicas. El ácido diluido convierte la base, p.ej.,
amoniaco o una amina orgánica (R3N), en el correspondiente
hidrocloruro (R3NH+Cl-), soluble en agua. Por otra parte, las impurezas
orgánicas que acompañan a una amina pueden eliminarse por
extracción de las mismas con un disolvente orgánico de una solución
ácida de aquella.
Las sales sódicas de los ácidos carboxílicos y de los fenoles son
fácilmente convertibles en los compuestos de partida por
tratamiento con ácido clorhídrico. Los hidrocloruros de las aminas
se transforman de nuevo en éstas por adición de una solución de
hidróxido de sodio:
Química General, Inorgánica y Orgánica
55
Los pasos a seguir para extraer de una mezcla de compuestos
orgánicos un ácido carboxílico, un fenol o una amina insolubles en
agua se muestran en los siguientes esquemas:
R-COOH en una mezcla disuelta en un disolvente orgánico
EXTRACCIÓN con NaHCO3 (disolución saturada)
Mezcla orgánica sin R-COOH R-COO- Na+ (en fase acuosa)
+ HCl diluido (hasta pH ácido)
R-COOH (insoluble en fase acuosa)
Si R-COOH es sólido precipita en la fase acuosa: 1) Filtrar 2) Lavar con H2O hasta pH neutro
Si R-COOH es líquido: 1) Extraer con disolvente orgánico 2) Secar fase orgánica 3) Eliminar disolvente
R-COOH extraído
Ar-OH en una mezcla disuelta en un disolvente orgánico
EXTRACCIÓN con NaOH (disolución al 10%)
Mezcla orgánica sin Ar-OH Ar-O- Na+ (en fase acuosa)
+ HCl diluido (hasta pH ácido)
Ar-OH (insoluble en fase acuosa)
Si Ar-OH es sólido precipita en la fase acuosa: 1) Filtrar 2) Lavar con H2O hasta pH neutro
Si Ar-OH es líquido: 1) Extraer con disolvente orgánico 2) Secar fase orgánica 3) Eliminar disolvente
Ar-OH extraído
Química General, Inorgánica y Orgánica
56
3. AGENTES DESECANTES
El proceso de secado se puede realizar por medios mecánicos o por
medios químicos. Los desecantes químicos se utilizan más que los
procedimientos de secado mecánicos. Un buen desecante químico debe
reunir las siguientes condiciones:
No reaccionar con la sustancia a secar.
Tener una gran eficacia o poder desecante, esto es, eliminar el agua
completamente o casi completamente.
Tener una gran capacidad de desecación, es decir, eliminar una gran
cantidad de agua por unidad de peso de desecante.
Secar rápidamente.
Ser fácilmente separable de la sustancia una vez seca.
Los agentes desecantes son sólidos inorgánicos anhidros. Se clasifican
en tres grupos según el mecanismo que siguen para eliminar el agua:
Desecantes no reversibles: Sustancias que reaccionan
químicamente con el agua en un proceso no reversible dando lugar
a un nuevo compuesto. No se emplean en secados preliminares ni
con disoluciones orgánicas. Son muy reactivos y deben manejarse
con precaución. Aunque son muy eficaces no deben utilizarse si la
proporción de agua es muy elevada pues reaccionan con ella
violentamente. Algunos requieren procedimientos especiales para
su eliminación. Son adecuados para secar disolventes mientras se
R-NH2 en una mezcla disuelta en un disolvente orgánico
EXTRACCIÓN con HCl (disolución al 10%)
Mezcla orgánica sin R-NH2R-NH3
+ Cl- (en fase acuosa)
+ NaOH diluido (hasta pH básico)
R-NH2 (insoluble en fase acuosa)
Si R-NH2 es sólida precipita en la fase acuosa:
1) Filtrar 2) Lavar con H2O hasta pH neutro
Si R-NH2 es líquida:
1) Extraer con disolvente orgánico 2) Secar fase orgánica 3) Eliminar disolvente
R-NH2 extraída
Química General, Inorgánica y Orgánica
57
refluyen o destilan. En este grupo se encuentran: Anhídrido
fosfórico (P2O5), Sodio metálico (Na) e Hidruro de calcio (CaH2).
Desecantes que forman hidratos: Actúan combinándose con el
agua de forma reversible formando hidratos. Se utilizan en secados
preliminares. No se emplean cuando hay que refluir o destilar pues
la calefacción revierte el equilibrio:
XM + n H2O XMnH2O
y una gran parte del agua de hidratación pasaría con el destilado. Se
separan de la sustancia seca por filtración o decantación.
Frecuentemente, la agitación, que ayuda a alcanzar el equilibrio,
acelera la velocidad de secado. En este grupo se encuentran:
Cloruro de calcio anhidro (CaCl2), sales anhidras neutras
(Na2SO4, MgSO4, CaSO4 y K2CO3) y los hidróxidos de sodio y
potasio anhidros.
Desecantes que actúan por adsorción: Sustancias que eliminan el
agua de forma reversible por adsorción en su superficie o en sus
poros. No son aptas para refluir o destilar sobre ellas. En este grupo
se encuentran: Gel de sílice con indicador (SiO2 con CoCl2),
Alúmina (Al2O3) neutra o básica, y tamices moleculares.
Material Embudo de decantación 250 mL Gradilla y tubos de ensayo
Kitasato Büchner
Erlenmeyer 50 (o 100) mL Embudo cónico
Vaso de precipitados 100 mL Vidrio de reloj
Capilares para puntos de fusión Papel de filtro
Soporte, aro, pinzas y nueces Papel indicador
Grasa para esmerilados
Reactivos Violeta cristal (disolución acuosa) Ácido benzoico
Cloruro de metileno (Diclorometano) para-diclorobenceno
Éter dietílico (dietileter) NaOH ac. (10%)
HCl ac. MgSO4
Química General, Inorgánica y Orgánica
58
Procedimiento
1. ASPECTOS PRÁCTICOS DE LA EXTRACCIÓN.
A) INSTRUMENTAL
El aparato utilizado en las extracciones es el embudo de decantación,
separación o extracción, que se muestra en la figura 1. El tapón y la
llave, deben estar bien ajustados (cuando son de vidrio se lubrican
con una grasa adecuada antes de cada uso).
También se utiliza en la extracción el siguiente material:
Un aro metálico con unos trozos de tubo de goma para evitar en lo
posible la rotura del embudo de decantación cuando se coloque sobre él.
Un soporte donde se sujeta el aro.
Un embudo cónico para incorporar las disoluciones al embudo de
decantación.
Un vaso de precipitados de gran tamaño que siempre se colocará
debajo del embudo de decantación por si este se rompiese o la llave
perdiese.
Matraces Erlenmeyer de tamaño adecuado para recoger las fases
orgánicas y la acuosa.
Figura 1.
Química General, Inorgánica y Orgánica
59
Figura 2.
B) PROCEDIMIENTO
Para llevar a cabo la extracción una vez que tenemos colocadas las
dos fases (acuosa y orgánica) en el embudo de decantación, hay que
conseguir que ambas se mezclen íntimamente para que se produzca el
reparto de nuestros productos entre ellas. Una forma adecuada de
lograrlo, es agitar el embudo con la mezcla. En esta agitación se
genera una sobrepresión en el interior del embudo que hay que ir
eliminando pues de no hacerlo el tapón puede saltar bruscamente y
derramarse parte del contenido del embudo.
La forma de operar adecuadamente es la siguiente (figura 2):
El embudo de decantación debe manejarse con ambas manos (a);
con una se sujeta el tapón y con la otra se manipula la llave (b,c).
Se agita suavemente, se invierte el embudo y se abre la llave para
eliminar la presión de su interior.
Se agita con suavidad durante uno o dos segundos y se abre de
nuevo la llave. Se repite esta operación hasta que deja de aumentar
perceptiblemente la presión en el interior.
Se aseguran tapón y llave y se agita enérgicamente durante uno o
dos minutos. Se pone de nuevo en contacto con la atmósfera a
través de la llave, se vuelve a cerrar ésta y se coloca, ya en posición
normal, sobre el aro.
Se destapa y se deja en reposo hasta que sea nítida la separación
entre las dos capas de líquido.
Después de separadas ambas fases, se saca la inferior por la llave y la
superior por la boca; así se previenen posibles contaminaciones. El
número de extracciones necesarias en cada caso particular depende del
coeficiente de reparto y de los volúmenes relativos de agua y de
disolvente.
La posición relativa de las capas acuosa y orgánica depende de sus
densidades. En caso de duda puede determinarse su identidad
ensayando la solubilidad de cada una de ellas en agua. Es una medida
prudente, en especial cuando se trata de reacciones nuevas, conservar
todos los extractos y líquidos residuales hasta comprobar que se obtiene
el producto final con el rendimiento esperado; sólo entonces debe
procederse a la limpieza.
Cuando haya que realizar una extracción múltiple, se repite el proceso
tantas veces como sea necesario y finalmente se juntan todas las fases
orgánicas para eliminar los restos de agua con un agente desecante en el
proceso de secado.
Química General, Inorgánica y Orgánica
60
Figura 3.
C) EMULSIONES
El problema más frecuente en los procesos de extracción es la formación
de emulsiones entre las dos fases inmiscibles que hace que estas se
separen con mucha dificultad. Una emulsión es una suspensión
coloidal de un líquido en el seno de otro. Las emulsiones se suelen
formar en los siguientes casos:
Cuando las densidades de las dos fases son similares.
Cuando el compuesto que se extrae contiene en su estructura
grupos hidrófilos e hidrófobos.
Cuando se usan disoluciones acuosas básicas.
Para romper una emulsión suelen ser de utilidad los siguientes
procedimientos:
Destapar el embudo, dejarlo en reposo sobre el aro y de vez en
cuando girarlo suavemente alrededor de su posición vertical.
Agitar la capa emulsionada con una varilla de vidrio.
Saturar la capa acuosa con cloruro de sodio (sal común).
El método de saturación con sal, tiene una doble ventaja: hace disminuir
la solubilidad en agua de la mayor parte de los solutos y de los
disolventes orgánicos. Su nombre es efecto salino.
2. SECADO DE DISOLUCIONES ORGÁNICAS
Al finalizar un proceso de extracción o de lavado, la fase orgánica
siempre contiene restos de agua, debido fundamentalmente a que los
disolventes orgánicos y el agua no son totalmente inmiscibles. De entre
los agentes desecantes anteriormente mencionados, los más
utilizados en el secado de disoluciones que contienen compuestos
orgánicos son el sulfato de magnesio y el sulfato de sodio eficaces,
baratos e inertes frente a cualquier grupo funcional por su carácter
neutro.
La presencia de agua en una disolución orgánica se pone de manifiesto
por la aparición de una turbidez que va desapareciendo a medida que el
agua va siendo eliminada por el agente desecante. Cuando en la
disolución orgánica hay agua en abundancia, el agente desecante queda
apelmazado en el fondo del matraz Erlenmeyer. Si esto se observa, es
conveniente añadir más agente desecante. Los pasos a seguir para secar
una disolución orgánica con un desecante reversible como los dos
anteriormente mencionados son (Figura 4):
Química General, Inorgánica y Orgánica
61
Poner en un matraz Erlenmeyer seco la disolución orgánica que se
desee secar.
Añadir agente desecante (cantidad proporcional a volumen de
disolución, ≈ cubrir el fondo del matraz Erlenmeyer).
Agitar el matraz Erlenmeyer, taparlo y dejarlo en reposo.
Agitar de vez en cuando y una vez que la disolución haya perdido su
turbidez eliminar el agente desecante por filtración: en filtro de
pliegues con embudo cónico o con una placa filtrante y un kitasato a
vacío.
3. EXPERIENCIAS
3.1 PROCEDIMIENTO
a) Extracción simple
Se toman 15 mL de una solución de violeta cristal en agua y se
introducen en un embudo de decantación de 250 mL limpio, seco,
lubricado (si es necesario) y colocado sobre un aro, y se agregan 15 mL
de cloruro de metileno. Se tapa el embudo, se invierte y se abre la llave
del mismo para prevenir cualquier sobrepresión. Se cierra la llave, se
agita suavemente durante unos instantes y se vuelve a abrir aquélla.
Figura 4
Química General, Inorgánica y Orgánica
62
El proceso se repite cuantas veces sean necesarias hasta que al abrir la
llave no se aprecie sobrepresión en el interior. Se cierra la llave una vez
más, se agita enérgicamente durante un minuto y, por último, se coloca
el embudo de nuevo en su soporte; se destapa y se espera hasta que
ambas capas se separen. (Esto puede requerir algunos minutos).
Se recoge la fase cloruro de metileno “Fase Orgánica” (inferior) en un
tubo de ensayo y la superior “Fase Acuosa” en un segundo tubo; ambos
se tapan y se guardan para su observación posterior.
b) Extracción múltiple
Otros 15 mL de la solución de violeta cristal se extraen con tres
porciones de cloruro de metileno de 5 mL cada una; se recoge cada
extracto orgánico en un tubo de ensayo y la solución acuosa remanente
en un cuarto tubo.
3.2. EXTRACCIÓN CON SOLUCIÓN DE HIDRÓXIDO SÓDICO
Se disuelven 0,4 g de ácido benzoico (C6H5-COOH) y 0,4 g de p-
diclorobenceno (C6H4Cl2) en 20 mL de éter (asegurándose de que no hay
llamas en las proximidades). La disolución obtenida se extrae con 10 mL
de una disolución de hidróxido de sodio al 10%, recientemente
preparada. Se recoge la fase acuosa (inferior) en un vaso de precipitados
y la fase etérea en un pequeño matraz Erlenmeyer.
Se agrega a la solución etérea sulfato magnésico se tapa el matraz
Erlenmeyer y se agita la mezcla, de cuando en cuando, hasta que
desaparece la turbidez inicial. Se filtra la disolución etérea con un filtro
de pliegues y un embudo cónico a un matraz Erlenmeyer seco. En una
campana extractora se va depositando poco a poco (a medida que se va
evaporando el disolvente) esta disolución sobre un vidrio de reloj
previamente tarado. Una vez evaporado todo el disolvente se pesa el
residuo, se determina su punto de fusión.
A la disolución acuosa alcalina se le añade ácido clorhídrico hasta pH
ácido. Precipita un compuesto blanco que se filtra a vacío (Büchner,
kitasato, ...), se seca, se pesa, se determina su punto de fusión.
Resultados 1. Comparar la intensidad del color de las disoluciones orgánicas y
acuosas recogidas en la extracción sencilla y la múltiple del violeta
cristal. Justificar el resultado.
2. En la extracción con hidróxido de sodio ¿Qué compuesto se aísla de
la disolución orgánica? ¿Qué compuesto se aísla de la disolución
acuosa? Justificar razonadamente las respuestas escribiendo el
Véase la parte de la
práctica que se refiere a agentes desecantes.
Repase la página 39 para ver cómo se hace un
punto de fusión.
Química General, Inorgánica y Orgánica
63
esquema de esta separación así como los equilibrios que se hayan
producido en el transcurso de la misma.
Cuestiones
1. Los sólidos suelen ser más solubles en ¿frío o caliente? La
solubilidad del yodo en agua es 0,029 g/100 mL y en cloruro de
metileno es de 2,91 g/100 mL. Calcular la constante de reparto.
2. Teniendo en cuenta la solubilidad del yodo en agua, calcular los
gramos de yodo presentes en 15 mL de disolución.
3. a) Calcular la cantidad de yodo extraída, de los 15 mL de la
disolución anterior, en cada una de tres extracciones consecutivas
con 5mL de cloruro de metileno.
b) Determinar el tanto por ciento de yodo total extraído.
c) Calcular el volumen de cloruro de metileno que se hubiera
necesitado para extraer la misma cantidad de yodo en una sola
operación.
4. ¿Por qué se debe destapar siempre un embudo de decantación
cuando se está sacando, a través de la llave, el líquido que contiene?
¿Qué desventajas presentaría un disolvente cuya densidad fuese muy
semejante a la del agua?
Química General, Inorgánica y Orgánica
64
5. PREPARACIÓN DE DISOLUCIONES. UNIDADES DE CONCENTRACIÓN.
Objetivos Adquirir la habilidad necesaria para expresar las concentraciones de disoluciones en distintas unidades, así como para calcular las cantidades o volúmenes necesarios para preparar disoluciones de una concentración determinada; aprender a preparar disoluciones de una concentración definida experimentalmente.
Introducción La mayor parte de las reacciones químicas se llevan a cabo en disolución siendo imprescindible conocer la cantidad de soluto que contiene una cierta cantidad de disolvente. En esta práctica se prepararán diferentes tipos de disoluciones, utilizando reactivos sólidos o líquidos. Además, se prepararán otras por dilución de las anteriores.
Fundamento A la hora de preparar una disolución de concentración conocida, tendremos que determinar la cantidad de soluto (expresada en gramos, moles, etc.) que debe contener una cierta cantidad de disolvente (expresada en volumen, masa, etc.) de forma que, dependiendo de las unidades en que expresemos la cantidad de soluto y de disolvente o disolución, nos encontraremos con diferentes unidades de concentración. La tabla 1 recoge las expresiones de concentración más comunes. Las expresiones en porcentajes (m/m o v/v) o en ppm son adimensionales, por lo que el soluto y disolución se deben expresar en las mismas unidades.
El porcentaje en masa por volumen, a pesar de su nombre, no es rigurosamente hablando un porcentaje, ya que no es adimensional. Sin embargo, habitualmente no se especifican las unidades, por lo que deben incluirse en su definición:
𝒈 (%) = 𝒈 𝒅𝒆 𝒔𝒐𝒍𝒖𝒕𝑜
𝟏𝟎𝟎 𝒎𝑳 𝒅𝒆 𝒅𝒊𝒔𝒐𝒍𝒖𝒄𝒊ó𝒏 𝒎𝒈 (%) =
𝒎𝒈 𝒅𝒆 𝒔𝒐𝒍𝒖𝒕𝒐
𝟏𝟎𝟎 𝒎𝑳 𝒅𝒆 𝒅𝒊𝒔𝒐𝒍𝒖𝒄𝒊ó𝒏
Cuando la masa de disolución se expresa en gramos, la expresión en partes por millón (ppm) se puede escribir como:
𝒑𝒑𝒎 = 𝝁𝒈 𝒅𝒆 𝒔𝒐𝒍𝒖𝒕𝒐
𝒈 𝒅𝒆 𝒅𝒊𝒔𝒐𝒍𝒖𝒄𝒊ó𝒏
Expresión que, para disoluciones en las que la densidad pueda ser considerada la unidad, se puede expresar en volumen de disolución como:
𝒑𝒑𝒎 = 𝝁𝒈 𝒅𝒆 𝒔𝒐𝒍𝒖𝒕𝒐
𝒎𝑳 𝒅𝒆 𝒅𝒊𝒔𝒐𝒍𝒖𝒄𝒊ó𝒏
Química General, Inorgánica y Orgánica
65
Tabla 1. Expresión de las concentraciones de un soluto en disolución.
Nombre Soluto Disolvente o
disolución Ecuación
Unidad más común
Porcentaje en masa Masa Masa de
disolución % 𝑚
𝑚⁄ = 𝑚𝑠
𝑚 × 100 Adimensional
Porcentaje en volumen
Volumen Volumen de disolución
% 𝑣𝑣⁄ =
𝑉𝑠
𝑉 × 100 Adimensional
Partes por millón Masa Masa de
disolución 𝑝𝑝𝑚 =
𝑚𝑠
𝑚 × 106 Adimensional
Fracción molar Cantidad
de sustancia
Cantidad de sustancia total
𝑋𝑠 = 𝑛𝑠
∑ 𝑛𝑖
Adimensional
Porcentaje en masa/volumen
Masa Volumen de disolución
Véase el texto
Concentración másica
Masa Volumen de disolución
𝐶 = 𝑚𝑠
𝑉 g/L
Concentración molar o molaridad
Cantidad de
sustancia
Volumen de disolución
𝑐 = 𝑛𝑠
𝑉 mol/L
Concentración molal o molalidad
Cantidad de
sustancia
Masa de disolvente
𝑚 = 𝑛𝑠
𝑚𝑑
mol/kg
ms: masa de soluto; m: masa de disolución; V s: volumen de soluto; V: volumen de disolución; ns:
cantidad de soluto en moles; ∑ni: cantidad de sustancia total (en moles) de la disolución; md: masa
de disolvente (en kg).
Como ya se indicó en la práctica 1 los resultados se expresarán con las cifras significativas adecuadas (por ejemplo, la concentración de la disolución preparada), una estimación de su incertidumbre (el error que lleva asociada esa medición, normalmente como desviación estándar) y las unidades (por ejemplo, mol/L), de la forma siguiente:
𝑿 ± 𝑼 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 (por ejemplo, 1,2 ± 0,2 mol/L)
Material
1 pipeta graduada de 10 mL Granatario
1 pipeta aforada de 10,00 mL Balanza analítica
3 matraces aforados de 100,0 mL 2 pesasustancias
2 vasos de precipitados de 100 mL
Reactivos
Hidróxido de sodio Ácido clorhídrico
Carbonato de sodio
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Procedimiento
A. PREPARACIÓN DE DISOLUCIONES DE SÓLIDOS EN AGUA7
1. Cálculos. Calcule la masa de sólido que debe pesar para preparar el volumen deseado de la disolución de molaridad requerida utilizando los datos de riqueza y masas relativas que aparecerán en el recipiente del reactivo. Cada alumno preparará las siguientes disoluciones.
100,0 mL de disolución acuosa de NaOH 0,05 mol/L 100,0 mL de disolución acuosa de Na2CO3 0,1 mol/L
2. Pesada. Pese a continuación el sólido, de acuerdo con las siguientes instrucciones:
Los reactivos sólidos nunca deben ponerse directamente sobre el platillo de la balanza o granatario, ya que se pueden contaminar y pueden deteriorar el plato de la balanza por corrosión.
Conozca, antes de pesar, las características concretas del instrumento que va a utilizar. Decida, según las circunstancias, si utilizará la balanza analítica o el granatario.
Coloque un pesasustancias limpio y seco (pueden utilizarse también, según las circunstancias, un vidrio de reloj, un vaso de precipitados, una cápsula de porcelana, etc.), en el platillo de la balanza o del granatario. Realice la tara (siga las instrucciones que se encontrarán al lado de cada uno de los instrumentos).
Agregue al pesasustancias (o al recipiente utilizado) el sólido que quiere pesar. Habitualmente no es preciso que coincida exactamente con la calculada en al apartado 1; bastará con recalcular la molaridad de la disolución (paso 6) a partir de la masa realmente pesada. No añada materia “extraña” al recipiente ya pesado, evitando por ejemplo, posarlo sobre una superficie sucia o mojada. Este hecho dará lugar a errores.
Anote la lectura.
No retorne nunca el posible exceso de producto al bote original de reactivo, ya que podría impurificarlo.
3. Transferencia del sólido. Las disoluciones se preparan en matraces aforados de volumen igual al de la disolución que se desea preparar. Si el sólido es suficientemente soluble introduzca el vástago del pesasustancias en el interior de la boca del matraz aforado y transfiera el sólido directamente ayudándose con agua destilada y un cuentagotas. Si el sólido no es muy soluble, es conveniente disolverlo previamente en un vaso de precipitados, ya que en un matraz aforado no se podrá agitar con una varilla ni calentar.
7 Todas las disoluciones preparadas se guardarán en frascos debidamente etiquetados para su utilización a lo largo de las prácticas o para ser entregadas al profesor cuando éste lo requiera.
Balanza analítica:
uso en página 21
Granatario
Matraz aforado:
uso en página 20
Video
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67
En éste último caso, con la ayuda de una espátula o varilla de vidrio trasvase el sólido pesado al vaso de precipitados. Utilice ahora un frasco lavador con agua destilada para acabar de arrastrar todo el sólido y para lavar varias veces el pesasustancias, la varilla o espátula y asegurar, así, la transferencia completa del soluto al matraz.
4. Disolución del soluto. Si ha transferido el sólido directamente al matraz aforado, añada agua destilada, sin llegar al cuello del mismo, y agite suavemente el matraz hasta que se disuelva el sólido transferido.
Si ha transferido el sólido a un vaso de precipitados, añada un volumen de agua bastante inferior al volumen del matraz aforado. Agite con una varilla y, si fuera necesario, caliente hasta disolver todo el soluto. Deje enfriar y, si todo el soluto está disuelto, vierta la disolución al matraz con la ayuda de un embudo (si no es posible su trasvase directo) y la varilla de vidrio. Lave varias veces el vaso, el embudo y la varilla con pequeñas porciones de agua para asegurarse de que transfiere todo el soluto al matraz.
5. Enrase de la disolución. Enrase el volumen de la disolución, procediendo del modo siguiente:
Siga añadiendo agua destilada, agitando y homogeneizando hasta que la disolución quede algo por debajo de la marca de enrase del matraz aforado.
Deje reposar la disolución a fin de comprobar su homogeneidad y para que adquiera la temperatura ambiente (el material volumétrico suele aforarse a 20 °C).
Añada la última porción con un cuentagotas hasta que la tangente a la curvatura del menisco coincida con la línea de enrase grabada en el matraz.
Tape el matraz y mezcle bien la disolución agitando e invirtiendo varias veces el matraz.
6. Cálculo de la concentración. Recalcule la concentración de la disolución a partir de la masa de soluto realmente pesada y utilizando los datos tomados del recipiente del reactivo.
7. Transferencia de la disolución a otro recipiente . Transfiera la disolución preparada a un frasco limpio y seco. Si por cualquier motivo el frasco al que tiene que trasvasar la disolución no estuviera seco, evite diluir la disolución que ha preparado, enjuagándolo antes con dos pequeñas porciones de la disolución preparada, y desechando estas porciones. Tape el frasco y rotúlelo claramente con una etiqueta en la que conste la disolución de que se trata, su concentración8 y la fecha de preparación.
8 Si la sustancia que está pesando es un patrón primario para ser utilizado en una valoración, la concentración ha de expresarse con las cifras significativas adecuadas.
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B. PREPARACIÓN DE DISOLUCIONES DE LÍQUIDOS EN AGUA
Cuando el soluto es líquido, o se encuentra ya disuelto, es habitual medir el volumen en lugar de pesar la cantidad necesaria. En esta práctica va a preparar disoluciones de ácido clorhídrico. La primera se preparará a partir de una disolución comercial más concentrada, cuya densidad y riqueza se conoce. La segunda se preparará por dilución de la primera, cuya molaridad se conoce.
a) Preparación de una disolución a partir del reactivo comercial líquido
1. Cálculos. A partir de los datos de riqueza y densidad del ácido comercial, especificados en su etiqueta, calcule el volumen del producto comercial que debe disolver para preparar la disolución diluida deseada. Cada alumno preparará:
100,0 mL de disolución 0,5 mol/L de ácido clorhídrico, partiendo de un ácido clorhídrico comercial.
2. Medida del volumen del soluto. Trasvase un volumen de ácido comercial algo superior al calculado desde su recipiente a un vaso de precipitados limpio y seco, ayudándose para ello de una varilla de vidrio. La varilla “conduce” al líquido, evitando que éste resbale por la pared de la botella.
Mida el volumen necesario del ácido comercial con una pipeta. Si no puede medir exactamente el volumen calculado, puede tomar otro similar y recalcular la concentración con el realmente utilizado.
3. Transferencia del soluto. Introduzca una pequeña porción de agua destilada en el matraz aforado. A continuación, vierta sobre ella el contenido de la pipeta, adicione más agua destilada y agite. Asegúrese de que la disolución está a temperatura ambiente antes de enrasar el matraz aforado (basta con tocar con la mano las paredes del recipiente).
4. Enrase, cálculo de la concentración y transferencia de la disolución a otro recipiente. Siga las instrucciones dadas anteriormente para sólidos (apartados 5-7).
b) Preparación de una disolución de ácido por dilución
La forma de preparar la disolución deseada es similar a la expuesta anteriormente. La lógica le indica que deberá tomar un volumen determinado de la disolución concentrada y completar el volumen en un matraz aforado para obtener la disolución diluida.
1. A partir de la concentración aproximada de la disolución concentrada, calcule el volumen de la misma que debe tomar para preparar el volumen deseado de disolución diluida:
Pipetas: uso en página 19
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100,0 mL de disolución 0,05 mol/L de ácido clorhídrico a partir de disolución 0,5 mol/L preparada anteriormente. Le facilitará los cálculos pensar que la cantidad de sustancia que ha tomado (en moles o gramos) en un volumen de la disolución concentrada son los mismos que tendrá en la disolución que desea preparar y cuya concentración vendrá determinada por el volumen final de dicha disolución.
2. Para preparar experimentalmente la disolución, siga las instrucciones del apartado a (2-4).
Resultados Calcule la concentración de la disolución de carbonato de sodio, con las cifras significativas adecuadas, utilizando las formas de expresar la composición de las disoluciones de la Tabla 1. Utilice, si es necesario, un valor de densidad de 1,031 g para la disolución.
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III. REACCIONES ÁCIDO-BASE Y REDOX
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6. EQUILIBRIOS ÁCIDO-BASE: pH E HIDRÓLISIS DE SALES
Objetivos Estudiar el comportamiento de distintos ácidos y bases en disolución
acuosa mediante la medida del pH de la disolución. Entender las causas
por las cuales las disoluciones de sales pueden ser, no sólo neutras, sino
ácidas o básicas.
Introducción Uno de los éxitos fundamentales de la química ha sido racionalizar la
enorme diversidad de reacciones químicas en un conjunto
relativamente pequeño de modelos de comportamiento químico. El
ácido-base es uno de estos modelos fundamentales. En esta práctica
estudiaremos algunos aspectos esenciales de los equilibrios entre ácidos
y bases en disolución acuosa, así como el comportamiento de los
distintos tipos de sales.
A. EL pH
En el agua pura, la concentración de cationes hidrógeno es igual a la de
aniones hidróxido. La disolución de un ácido o una base en agua
modifica dicha igualdad. El pH, una magnitud originalmente
desarrollada por Sørenson en 1909 para medir la acidez de las cervezas
Carlsberg, ha demostrado ser de gran utilidad para el estudio de toda
clase de equilibrios ácido-base en agua. En esta práctica utilizaremos
varias formas de medir el pH.
Fundamento
1. CONCEPTO DE ÁCIDO Y DE BASE
La definición más útil de ácido y base en disolución acuosa es la establecida por Brønsted y Lowry, independientemente, en 1923.
Ácido: Sustancia capaz de ceder protones.
Base: Sustancia capaz de aceptar protones.
Los protones no pueden existir libres en disolución, únicamente pueden ser transferidos desde el ácido a una base:
𝑯𝑨 + 𝑩 ⇄ 𝑨− + 𝑯𝑩+
Á𝑐𝑖𝑑𝑜1 + 𝐵𝑎𝑠𝑒2 𝐵𝑎𝑠𝑒1 + Á𝑐𝑖𝑑𝑜2
A los sistemas Ácido1/Base1 y Ácido2/Base2 se les denomina pares ácido-base conjugados. Una reacción ácido-base es, por tanto, un proceso de transferencia de protones entre dos pares conjugados. Así, una especie HA se comporta como ácido de Brønsted frente al agua cuando reacciona con ésta, transfiriéndole iones hidrógeno,
𝑯𝑨(𝒂𝒄) + 𝑯𝟐𝑶(𝒂𝒄) ⇄ 𝑯𝟑𝑶+(𝒂𝒄) + 𝑨−(𝒂𝒄)
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72
ecuación que en ocasiones se abrevia como:
𝑯𝑨(𝒂𝒄) ⇄ 𝑯+(𝒂𝒄) + 𝑨−(𝒂𝒄)
Una especie B se comporta como base frente al agua cuando acepta iones hidrógeno de ella, liberándose iones hidróxido:
𝑩(𝒂𝒄) + 𝑯𝟐𝑶(𝒍) ⇄ 𝑩𝑯+(𝒂𝒄) + 𝑶𝑯−(𝒂𝒄)
2. CONCEPTO DE pH
Una de las propiedades más importantes de una disolución acuosa es su concentración en iones hidrógeno. Los iones hidrógeno no se encuentran libres en disolución acuosa, sino hidratados. Se pueden representar simplemente como H+(ac), pero también es habitual representarlos como H3O+(ac), para remarcar su hidratación.
La concentración del ion H+ en agua se expresa mediante el pH de la disolución, que se define de la siguiente manera9:
En disoluciones acuosas se cumple siempre la siguiente relación:
[𝑯+] [𝑶𝑯−] = 𝑲𝒘 = 𝟏 × 𝟏𝟎−𝟏𝟒 𝒂 𝟐𝟓 °𝑪
Kw recibe el nombre de producto iónico del agua. En agua destilada10 o en disoluciones neutras [H+] = [OH-] y, por tanto, según la ecuación anterior su pH será igual a 7. Las disoluciones en las que la concentración de iones hidrógeno es superior a la de iones hidróxido se llaman disoluciones ácidas y tendrán un pH menor de 7; aquellas en las que la concentración de iones hidrógeno sea menor que la de iones hidróxido se llaman disoluciones básicas y tendrán un pH mayor de 7.
3. CONSTANTES ÁCIDA Y BÁSICA
Cuando la ionización de un ácido HA alcanza el equilibrio químico,
𝑯𝑨(𝒂𝒄) ⇄ 𝑯+(𝒂𝒄) + 𝑨−(𝒂𝒄)
la relación entre la concentración de productos y reactivos es constante. Esta constante de equilibrio, que es característica del ácido, se denomina constante de ionización ácida o constante de acidez, Ka:
𝑲𝒂 = [𝑯+] [𝑨−]
[𝑯𝑨]
La [H+] y, por tanto el pH, depende del valor de la constante ácida, Ka, y de la relación de concentraciones del par ácido-base conjugado:
9 Esta definición es solo aproximada. Una definición rigurosa del pH debería hacerse en términos de actividades. 10 El agua destilada en contacto con el aire no tiene pH = 7 debido a la presencia de CO2 disuelto, que le confiere un débil carácter ácido.
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73
[𝑯+] = 𝑲𝒂 [𝑯𝑨]
[𝑨−]
Si se define el pKa como
𝒑𝑲𝒂 = − 𝐥𝐨𝐠 𝑲𝒂
El pH puede relacionarse con el pKa tomando logaritmos y cambiando signos en la expresión anterior:
𝒑𝑯 = 𝒑𝑲𝒂 + 𝐥𝐨𝐠[𝑨−]
[𝑯𝑨]
Para una base B, la constante característica del equilibrio Kb se denomina constante de disociación básica:
𝑩(𝒂𝒄) + 𝑯𝟐𝑶(𝒍) ⇄ 𝑩𝑯+(𝒂𝒄) + 𝑶𝑯−(𝒂𝒄) 𝑲𝒃 = [𝑩𝑯+] [𝑶𝑯−]
[𝑩]
y se define el pKb como:
𝒑𝑲𝒃 = − 𝐥𝐨𝐠 𝑲𝒃
4. FUERZA ÁCIDA Y BÁSICA
Según la teoría de Brønsted-Lowry, la fuerza de un ácido se mide por su mayor o menor tendencia a donar un protón, mientras que la de una base se mide por su tendencia a aceptar un protón.
Ácidos y bases fuertes. Reciben el nombre de ácidos y bases fuertes aquellos que en disolución acuosa experimentan una ionización completa a cualquier concentración. Como ejemplos típicos se pueden citar el ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio:
𝑯𝑪𝒍(𝒂𝒄) + 𝑯𝟐𝑶(𝒍) → 𝑯𝟑𝑶+(𝒂𝒄) + 𝑪𝒍−(𝒂𝒄) 𝑲𝒂 ≫ 𝟏
Ácidos y bases débiles. Reciben el nombre de ácidos y bases débiles aquellos que en disolución acuosa experimentan una ionización incompleta. Ejemplos de ácidos débiles son el ácido acético o el ácido fluorhídrico. El amoníaco es un ejemplo de base débil en agua.
𝑯𝑭(𝒂𝒄) + 𝑯𝟐𝑶(𝒍) ⇄ 𝑯𝟑𝑶+(𝒂𝒄) + 𝑭−(𝒂𝒄)
𝑵𝑯𝟑(𝒂𝒄) + 𝑯𝟐𝑶(𝒍) ⇄ 𝑵𝑯𝟒+(𝒂𝒄) + 𝑶𝑯−(𝒂𝒄)
5. MEDIDA DEL pH
El pH-metro es un instrumento que consta de dos electrodos que se sumergen en la disolución en estudio. Es muy frecuente que ambos electrodos se diseñen comercialmente en uno único denominado electrodo combinado para la medida de pH. El potencial de uno de ellos, electrodo indicador, depende del valor de pH del medio, mientras que el
pinche sobre la figura para
seguir el vínculo
Ionización de ácidos:
fuertes y débiles
Ionización de bases: fuertes
y débiles
Electrodo combinado para la medida de pH
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74
potencial del otro, electrodo de referencia, es fijo. El potencial entre los dos electrodos está relacionado, por lo tanto, con el pH. El pH-metro está diseñado de forma que la lectura en la escala representa directamente el pH de la disolución, para lo cual es necesario hacer un calibrado previo con una sustancia de pH conocido (en general, dos tampones de pH perfectamente conocido).
Material Gradilla 5 Tubos de ensayo
Cuentagotas 1 Varilla de vidrio
pH-metro calibrado
Reactivos Disoluciones de ácidos y bases numeradas11 (muestras A, B, C y D)
Agua destilada Papel indicador de pH
Procedimiento
1. DETERMINACIÓN DEL pH DE DISOLUCIONES DE ÁCIDOS Y BASES
En esta experiencia se medirá el pH de una distintas disoluciones de
ácidos y bases mediante dos métodos distintos:
a) papel indicador de pH
b) un pH-metro
1. Mida el pH (con papel indicador de pH) de las disoluciones
conocidas de ácidos y de bases (A, B, C, D), así como del agua destilada.
Anote el valor obtenido e identifique, justificadamente en su cuaderno,
las disoluciones de ácidos y de bases.
2. Mida el pH de estas disoluciones, excepto el agua destilada, en el pH-
metro. Para ello, ponga la cantidad suficiente de disolución en un vaso
de precipitados de 50 mL o de 25 mL, de manera que el electrodo
combinado esté perfectamente sumergido en la disolución. Para realizar
las medidas de pH consulte el protocolo que se adjunta al pH-metro
(utilice siempre el mismo pH-metro).
Anote en su cuaderno las conclusiones acerca de la conveniencia de
utilizar uno y otro sistema de medida.
11 Estas disoluciones pueden ser de alguno de los siguientes ácidos o bases HCl, CH3COOH, NaOH, NH3
pH-metro
Lea sus instrucciones
de uso
Química General, Inorgánica y Orgánica
75
B. HIDRÓLISIS DE SALES
Introducción La hidrólisis es la reacción de una sustancia con agua. Entre las
sustancias que pueden sufrir esta reacción se encuentran numerosas
sales, que al ser disueltas en agua generan iones hidrógeno (pH
ácido) o hidróxido (pH básico).
Fundamento Cuando una sal AB se disuelve en agua, se disocia en sus iones:
𝑨𝑩(𝒔) → 𝑨+(𝒂𝒄) + 𝑩−(𝒂𝒄)
Tanto el catión como el anión pueden sufrir hidrólisis. El anión B- puede
reaccionar con el agua generando su ácido conjugado y aniones hidróxido
(pH básico):
𝑩−(𝒂𝒄) + 𝑯𝟐𝑶(𝒍) ⇄ 𝑯𝑩(𝒂𝒄) + 𝑶𝑯−(𝒂𝒄)
El catión A+ puede reaccionar con agua y generar cationes hidrógeno (pH
ácido)
𝑨+(𝒂𝒄) + 𝑯𝟐𝑶(𝒍) ⇄ 𝑨𝑶𝑯(𝒂𝒄) + 𝑯+(𝒂𝒄)
No todos los iones se hidrolizan con la misma extensión, dependiendo el
grado de hidrólisis, de la fortaleza del ácido o base conjugados del ion.
Así, los iones procedentes de ácidos o bases fuertes no sufren hidrólisis.
Por ejemplo, el ácido clorhídrico es fuerte lo que significa que se
encuentra totalmente disociado a cualquier pH:
𝑯𝑪𝒍(𝒂𝒄) + 𝑯𝟐𝑶(𝒍) → 𝑯𝟑𝑶+(𝒂𝒄) + 𝑪𝒍−(𝒂𝒄)
Por tanto, el anión cloruro, su base conjugada, no reacciona con agua:
𝑪𝒍−(𝒂𝒄) + 𝑯𝟐𝑶(𝒍) ↛ 𝑯𝑪𝒍(𝒂𝒄) + 𝑶𝑯−(𝒂𝒄)
Las disoluciones de una sal en la que sólo se hidroliza el anión son
básicas. Si sólo se hidroliza el catión, son ácidas. Si se hidrolizan
ambos iones, el medio generado dependerá de la fuerza relativa del
ácido y la base implicados.
Material
pH-metro calibrado previamente Papel indicador de pH
Vasos de precipitados de 50 mL12
Agua destilada
4 Disoluciones de sales desconocidas13 (Muestras E, F, G y H)
12 Podrían ser también de 25 mL
pinche sobre la figura para
seguir el vínculo: véase
la hidrólisis de NaCl
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76
Procedimiento
Determinación del carácter ácido, básico o neutro de distintas disoluciones de sales.
1. Introduzca la cantidad suficiente de cada una de las disoluciones de ácidos, bases y sales en un tubo de ensayo y mida su pH utilizando el papel indicador. Además, mida el pH del agua destilada.
2. A continuación, introduzca la cantidad suficiente de cada una de las disoluciones de ácidos y bases en un vaso de precipitados y mida el pH de cada una de ellas siguiendo el protocolo de funcionamiento del pH-metro.
3. Anote el pH de todas las disoluciones por ambos métodos. Haga una tabla resumen en su cuaderno.
Resultados
1. pH de disoluciones de ácidos y de bases (A, B, C y D). Utilizando los valores de pH, medidos con el papel indicador, y la tabla de constantes de disociación de ácidos que se encuentra en el anexo II, justifique los valores de pH medidos.
2. pH de disoluciones de sales (E, F, G y H). Utilizando los valores de pH, medidos con el papel indicador, los resultados obtenidos en el apartado anterior y la tabla de constantes de disociación de ácidos que se encuentra en el anexo II, indique a qué sal corresponde cada una de las disoluciones. Para facilitar la discusión de este apartado, le resultará muy útil plantear, para cada una de las sales cuyas disoluciones tiene que identificar (NH4Cl, CH3COONa o CH3COONH4 o Na2CO3), la reacción de disociación de la sal y la hidrólisis (si se produce) de sus iones constituyentes.
13 Estas disoluciones puede ser de NH4Cl, CH3COONa o CH3COONH4 o Na2CO3.
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7. COMPORTAMIENTO REDOX DE ELEMENTOS DE LOS
GRUPOS PRINCIPALES: METALES DEL GRUPO 1
Objetivos Estudiar la reacción de sodio con agua y ver si es posible calcular la
pureza de una muestra de sodio metálico.
Introducción El sodio metal disponible comercialmente está contaminado con
impurezas que provienen de la reacción del metal con el oxígeno y la
humedad ambiental, e incluso del propio proceso de producción del
metal (proceso Downs). Para ver si es posible calcular la pureza y
analizar la naturaleza de estas impurezas, estudiaremos la reacción
del sodio con agua y valoraremos la disolución obtenida con HCl.
Su profesor le hará demostraciones de la reacción con agua y
oxígeno de otros metales.
Reactivos
Sodio metal Hidróxido de sodio
Fenolftaleína Ácido clorhídrico concentrado
Sólo el profesor: Li, K y Mg
Procedimiento Corte y pese entre 0,1 y 0,3 g de sodio y manténgalo sumergido en
tolueno hasta su uso.
Tome un vaso de precipitados de 250 mL y añada aproximadamente
80 mL de agua destilada (no añada en ningún caso más de 100 mL) y
eche el sodio pesado en pequeñas porciones, cortadas con la
espátula sobre el vidrio de reloj, al vaso con el agua.
Observe y anote el fenómeno que se produce. Detecte si hay
desprendimiento gaseoso.
Una vez que el sodio ha dejado de reaccionar con agua, compruebe el
pH de la disolución utilizando papel indicador. Anote el pH.
PELIGRO
Debido al peligro en la manipulación de Na
metálico, esta operación será realizada por el
profesor. Debe realizarse en
vitrina y con mucho cuidado, porque el Na
puede arder o explotar.
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78
Tabla 3. Potenciales normales de electrodo a 25°C (Semirreacción de reducción) Agente oxidante Agente reductor (especie oxidada) (especie reducida) E°, V
F2 + 2e– → 2F– +2,87 Más Oxidantes
S2O82– + 2e– → 2SO4
2– +2,05
H2O2 + 2H+ + 2– → 2H2O + 1,776
Au+ + e– → Au +1,69
Pb4+ + 2e– → Pb2+ +1,67
MnO4– + 8H+ + 5e– → Mn2+ + 4H2O +1,51
Cl2 + 2e– → 2Cl– +1,36
Cr2O72– + 14H+ + 6e– → 2Cr3+ + 7H2O +1,33
O2 + 4H+ + 4e– →2H2O +1,23 (+0,81 a pH = 7)
Br2 + 2e– → 2Br– +1,09
2NO3– + 4H+ + 2e– →N2O4(g) + 2 H2O +0,803 (concentrado)
Ag+ + e– → Ag +0,80
Fe3+ + e– → Fe2+ +0,77
O2 + 2H+ + 2e– → H2O2 +0,682
I2 + 2e– → 2I– +0,54
O2 + 2H2O + 4e– →4OH– +0,40 (+0,81 a pH = 7)
Cu2+ + 2e– → Cu +0,34
AgCl + e– → Ag + Cl– +0,22
2H+ + 2e– → H2 0
Fe3+ + 3e– → Fe –0,04
O2 + H2O + 2e– → HO2– + OH– –0,08
Pb2+ + 2e– → Pb –0,13
Sn2+ + 2e– → Sn –0,14
Ni2+ + 2e– → Ni –0,25
Fe2+ + 2e– → Fe –0,44 2CO2 + 2e- → C2O42- –0.49
Cr3+ + 3e– → Cr –0,74
Zn2+ + 2e– → Zn –0,76
2H2O + 2e– → H2 + 2OH– –0,83 (–0,42 a pH = 7)
Cr2+ + 2e– → Cr –0,91
Mn2+ + 2e– → Mn –1,18
Al3+ + 3e– → Al –1,66
Mg2+ + 2e– → Mg –2,36
Na+ + e– → Na –2,71
Ca2+ + 2e– → Ca –2,87
K+ + e– → K –2,93
Li+ + e– → Li –3,05 (Más Reductores)
SE REDUCEN
Por definición- 0,42 a pH = 7
SE OXIDAN
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79
Valoración. Añada la disolución obtenida, en frío, a un matraz aforado
de 100,0 mL y enrase correctamente. Prepare una disolución de HCl de
concentración aproximada 0,1 mol/L (esta disolución habrá de ser
valorada con una disolución de NaOH 0,1 mol/L). Valore la disolución
obtenida en el apartado anterior con la disolución de HCl preparada
(indicador fenolftaleína).
Mida el volumen de reactivo valorante gastado. Repita la valoración
hasta que la diferencia entre los volúmenes de reactivo valorante
utilizado sea menor de 0,5 mL.
Cuestiones 1. Escriba la reacción que tiene lugar entre el sodio y el agua.
Justifique químicamente esta reacción indicando de qué tipo es.
2. Justifique el valor del pH obtenido en esa reacción.
3. Contraste el valor de los potenciales de reducción de litio, sodio y
potasio, con la distinta reactividad observada de estos metales en
agua.
4. Explique el fundamento de la valoración.
5. Indique la pureza del sodio empleado en la práctica utilizando los
resultados obtenidos.
Cada dos alumnos, uno prepara la disolución de
HCl y el otro la de NaOH.
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80
8. COMPORTAMIENTO REDOX DE METALES DE
TRANSICIÓN: OBTENCIÓN DE COBRE POR CEMENTACIÓN
Objetivos Ilustrar la obtención de metales por reducción de sus compuestos y
repasar las reacciones redox.
Introducción A partir de sulfato de cobre se puede obtener cobre por
cementación, provocando la reducción del cobre(II) con hierro metal
en medio ácido. En lugar de hierro puro se utilizan clavos, que en el
caso de ser de acero pondrán de manifiesto la composición del acero
por la presencia de un sólido sobrenadante negro, debido al carbono
liberado en el proceso de solubilización del hierro durante su
oxidación a hierro(II). La purificación del cobre lleva varios procesos
muy interesantes: la eliminación del carbón se hace por decantación,
lo que introduce un nuevo método de separación; la purificación de
sustancias por métodos químicos se ilustra fácilmente al final del
experimento, pues el hierro en exceso puede ser eliminado por
ataque selectivo con ácido sulfúrico, lo que recuerda el carácter
noble y seminoble de algunos metales y sirve para utilizar los datos
de la serie electroquímica.
Reactivos
Grapas de hierro Sulfato de cobre(II)-agua(1/5)
Permanganato de potasio Ácido sulfúrico concentrado
Procedimiento Pese 1 g de grapas de hierro y póngalos en el interior de un vaso de
precipitados de 250 mL.
Prepare 100 mL de una disolución 0,1 mol/L de sulfato de cobre(II)-
agua (1/5). Vierta la disolución sobre el hierro del vaso de
precipitados. Adicione con cuidado 3 mL de ácido sulfúrico
concentrado. Coloque un agitador magnético en el interior de la
disolución y enchufe la placa agitadora, regule la rotación hasta que
la agitación sea moderada y homogénea. Mantenga la agitación
durante 1 hora.
Pare la agitación, retire con la ayuda de una espátula el hierro que
no ha reaccionado. Péselo cuando se encuentre bien seco. Determine
el porcentaje de hierro que ha reaccionado.
Filtre la disolución con un filtro de pliegues y recoja el filtrado en un
vaso de precipitados (o en un Erlenmeyer) limpio. Una vez seco el
precipitado se debe pesar con una precisión de dos cifras decimales.
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81
Valoración. Para comprobar la composición del filtrado se
procederá a su valoración con permanganato de potasio. Prepare
100,0 mL de una disolución 0,02 mol/L de permanganato de potasio.
Rellene la bureta y enrase.
Coloque 10,0 mL del filtrado en un Erlenmeyer de 100 mL. Añada el
permanganato cuidadosamente hasta que la disolución adquiera de
forma persistente una cierta tonalidad rosada. Mida el volumen de
reactivo valorante gastado. Repita la valoración hasta que la
diferencia entre los volúmenes de reactivo valorante utilizado sea
menor de 0,5 mL.
Cuestiones 1. Escriba la reacción entre el hierro y el sulfato de cobre. Calcule los
moles que se han añadido de cada uno de los reactivos y determine
cuál es el factor limitante de la reacción.
2. ¿Qué misión cumple el ácido sulfúrico? Determine el porcentaje de
hierro que ha reaccionado.
3. ¿Qué contiene el precipitado? ¿Cuál es su rendimiento? ¿Qué
compuesto se encuentra disuelto en el filtrado?
4. ¿Qué reacción tiene lugar en el proceso de valoración? ¿Qué
concentración tiene el filtrado? Calcule la cantidad de hierro
presente en la disolución y comente si esta cifra es coherente con el
hierro utilizado originariamente.
Química General, Inorgánica y Orgánica
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9. PREPARACIÓN Y VALORACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN DE
PERÓXIDO DE HIDRÓGENO
Objetivos Determinar la concentración de una disolución de peróxido de
hidrógeno (agua oxigenada) y conocer las propiedades redox de esta
sustancia de amplia utilización farmacéutica.
Introducción Las disoluciones de peróxido de hidrógeno (agua oxigenada)
diluidas al 3% peso/volumen (3g de H2O2 por 100 mL disolución,
agua oxigenada oficinal) se emplean como antiséptico en numerosas
preparaciones farmacéuticas (dentífricos, lociones sanitarias, etc.) .
Con frecuencia, la concentración en peróxido de hidrógeno se
expresa en volúmenes de oxígeno. Una disolución de X volúmenes es
la que desprende X volúmenes de oxígeno, medidos en condiciones
normales, por cada volumen de disolución cuando el peróxido de
hidrógeno que ésta contiene descompone según el proceso:
H2O2 → H2O + ½ O2 (1)
En esta práctica se preparará una disolución de agua oxigenada
oficinal a partir del agua oxigenada comercial, que es del 33% p/v.
La concentración exacta de la disolución preparada se determinará
mediante valoración con una disolución de permanganato de
potasio. En disolución ácida, MnO4- (violeta) oxida el H2O2 a O2,
reduciéndose a Mn2+(incoloro). Así, cuando una disolución de KMnO4
se añade gota a gota sobre una disolución ácida de H2O2, cada gota se
decolora mientras quede H2O2. La siguiente gota de KMnO4 añadida
en exceso permanece coloreada. Si conocemos la concentración del
KMnO4 adicionado y el volumen necesario para que la reacción sea
completa, se podrá calcular el número de moles que se han oxidado.
Si se conoce el volumen original de H2O2, se puede calcular su
concentración en porcentaje de peso/volumen.
H2O2 (puro) H2O2 (dis. 33% p/v) H2O2 (dis. 3% p/v)
Densidades
(25 °C)
1,44 g/mL 1,1 g/mL 1,03 g/mL
Las disoluciones de H2O2 se descomponen lentamente según la
reacción (1). Su contaminación con metales, polvo u otras sustancias
acelera su descomposición, que en el caso de disoluciones
concentradas puede ser violenta con generación rápida de grandes
cantidades de oxígeno y altas presiones. Con el objeto de reducir el
proceso de descomposición, estas disoluciones deben mantenerse
protegidas de la luz (en recipientes opacos) y en lugar frío.
PELIGRO
Las disoluciones concentradas de H2O2 son oxidantes fuertes
pudiendo causar heridas en la piel y membranas
mucosas, por lo que debe evitarse su
contacto. USE GUANTES Y GAFAS
DE SEGURIDAD PARA
SU MANIPULACIÓN
PELIGRO
Las botellas que contienen disoluciones concentradas de agua
oxigenada pueden adquirir presión por su descomposición, por lo que deben ser abiertas con cuidado para evitar
proyecciones.
Química General, Inorgánica y Orgánica
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Reactivos
Agua oxigenada comercial Permanganato de potasio
Ácido sulfúrico comercial
Procedimiento
1. PREPARACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN DE AGUA OXIGENADA
OFICINAL
Cada dos personas prepararán en un matraz aforado 100,0 mL de una
disolución de agua oxigenada oficinal (3% p/v) a partir de la disolución
comercial (33% p/v). Compruebe la concentración de la disolución
comercial en la etiqueta del envase. Homogenice con la disolución un
vaso de precipitados para transferir a dicho vaso la disolución.
2. PREPARACIÓN DE LA DISOLUCIÓN DE PERMANGANATO DE
POTASIO
Prepare en un matraz aforado, 100 mL de una disolución 0, 10 mol/L de
permanganato de potasio a partir del reactivo sólido. Homogenice con la
disolución un vaso de precipitados para transferir a dicho vaso la
disolución.
3. VALORACIÓN DEL AGUA OXIGENADA OFICINAL
Monte la bureta en un pie soporte. Utilizando un vaso de precipitados y
un embudo, limpios y secos, se llenará la bureta con la disolución de
KMnO4 (0,10 mol/L) cuidando que la llave de la bureta se encuentre
cerrada. Llene un poco por encima del cero para dejar caer
posteriormente la disolución sobrante de forma que se rellene también
el espacio existente entre la llave y la salida de la bureta.
A un Erlenmeyer de 250 mL, añada 10,0 mL de la disolución de H2O2
oficinal y, a continuación, adicione 50 mL de agua destilada y 3 mL de
ácido sulfúrico concentrado. Agite para mezclar la disolución.
Valore la disolución de H2O2 por adición, en primer lugar, de unos pocos
mL de la disolución de KMnO4 sobre el Erlenmeyer. Agite y continúe
adicionando KMnO4 hasta que el color persista. Después añada el KMnO4
gota a gota, agitando después de cada adición, hasta que una gota
produzca un color rosáceo que persista durante 1 minuto. El cambio de
color se puede observar fácilmente si se coloca un trozo de papel de
color blanco debajo del Erlenmeyer. Anote el volumen de KMnO4
consumido intentando extrapolar la segunda cifra decimal entre
divisiones.
Repita la valoración con otra muestra. A partir del volumen de
permanganato de potasio consumido, calcule el porcentaje en
peso/volumen de H2O2 de la muestra.
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Cuestiones
1. El peróxido de hidrógeno se puede reducir pero también oxidar.
Escriba las semirreacciones para ambos procesos. Busque en tablas el
valor del potencial de reducción para ambos procesos. De acuerdo con
los valores de potencial anteriores, el agua oxigenada, ¿es mejor
oxidante o reductor?
2. ¿Cuál es la molaridad del agua oxigenada comercial? ¿Y la de la
oficinal?
3. ¿Cuánta agua oxigenada comercial hay que tomar para preparar 100,0
mL de la disolución de agua oxigenada oficinal?
4. ¿De cuántos volúmenes es el agua oxigenada comercial? ¿Y la oficinal?
5. ¿Qué cantidad de permanganato de potasio hay que pesar para
preparar 100,0 mL de una disolución 0,10 mol/L de permanganato de
potasio?
6. Escriba la ecuación de la reacción redox entre el permanganato de
potasio y el peróxido de hidrógeno en medio ácido. Calcule el potencial
normal del proceso, buscando en tablas los potenciales de reducción
necesarios.
7. ¿Qué volumen de permanganato de potasio 0,10 mol/L espera
consumir, si la disolución de agua oxigenada preparada fuera
exactamente del 3% p/v?
8. Suponga que durante la valoración parte del H2O2 reacciona consigo
mismo para desproporcionar. ¿Cómo afectaría esto al porcentaje en
peso de H2O2 de la muestra?
9. Un estudiante que no tenga buena disposición para distinguir los
colores no puede percibir el cambio de color en la valoración hasta que
éste es muy intenso. ¿Cómo se va a ver afectado el porcentaje en peso
(calculado) de H2O2 de la muestra?
10. ¿Observa algo incorrecto en la siguiente ecuación?
6 H3O+ + 2 MnO4- + 11 H2O2 → 2 Mn2+ + 8 O2 + 20 H2O
11. En una disolución neutra, el permanganato reacciona con H2O2 para
dar MnO2(s). Escriba una ecuación ajustada para esta reacción. Calcule
el número de moles de KMnO4 que se requerirían para reaccionar con la
cantidad de H2O2 de su muestra si la reacción se llevara a cabo en esa
disolución neutra.
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ANEXO I. TOLERANCIA DEL MATERIAL VOLUMÉTRICO.
D I N: Deutsches Institut für Normung (Instituto Alemán de Normalización).
I S O: International Organization for Standardization (Organización Internacional para la Normalización)
D I S: Draft International Standard (Familia de estándares internacionales).
* Para Clase B la tolerancia suele estar multiplicada por el factor 2.
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ANEXO II. CONSTANTES DE EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE. CONSTANTES DE DISOCIACIÓN DE ÁCIDOS A 25 °C.
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ANEXO II. CONSTANTES DE EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE. CONSTANTES DE DISOCIACIÓN DE ÁCIDOS A 25 °C.
(CONTINUACIÓN)