UNIVERSIDAD DE COSTA RICAFACULTAD DE CIENCIASESCUELA DE QUIMICA

LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL I

QU-0101

I SEMESTRE 2013

ESTUDIANTE: ALIZ VILLALOBOS

CARNÉ: B37552

ASISTENTE: PAULA BRENES GRUPO: 17

HIDRÓGENO Y AMONIACO

INFORME DE LABORATORIO

INTRODUCCIÓN

El hidrógeno fue identificado por primera vez por Henry Cavendish, quien lo denominó como “aire inflamable”, es el átomo más pequeño de todos los elementos de la tabla periódica, y es el elemento más abundante del universo (aproximadamente 80%). Su número atómico es 1, y forma parte de un gran número de compuestos, dada su alta reactividad, como le agua, ácidos, hidrocarburos, además de carbohidratos y proteínas. 1. A temperatura ambiente y presión normal, es un gas incoloro, inodoro, y no tóxico, más ligero que el aire y el helio. En el planeta, raras veces se encuentra en forma libre, mayormente está combinado con oxígeno en forma de agua (H2O), por lo que las verdaderas “minas” de H2 son los océanos.1

El hidrógeno puede ser producido a partir de una amplia gama de recursos, como carbón, aceite, gas natural, biomasa y agua, es decir, es sumamente flexible, y de ahí su importancia. En las prácticas de laboratorio se puede obtener hidrógeno por reacciones de desplazamiento del hidrógeno, según la serie de actividad de los metales, pero solamente en cantidades muy reducidas. Algunos metales son capaces de desplazar el hidrógeno del agua, como los alcalinos y alcalino térreos, otros de los ácidos, y otros del vapor de agua3; si se quisiera obtener mayores cantidades de hidrógeno, a escala industrial, se debe de usar el método descubierto por Robert Boyle, el cual consiste en hacer reaccionar algunos metales con ácidos como el H2SO4 para desprender hidrógeno gaseoso.2

Por otra parte, el amoniaco es un compuesto gaseoso, con olor penetrante, incoloro y más liviano que el aire. En el laboratorio se puede producir amoniaco, en pequeñas cantidades, al hacer reaccionar una mezcla de una sal de amonio, por ejemplo NH4Cl o (NH4)2SO4, con una base, como CaOH2 o NaOH3.

A nivel industrial mediante el proceso de Haber, el cual consiste en combinar N2 y H2 en un tanque a alta presión en presencia de un catalizador (Fe por lo general), la reacción se favorece a bajas temperaturas y altas presiones, haciendo que los gases reaccionen.4

El objetivo del experimento es preparar una cantidad de hidrógeno para examinar su comportamiento, además de observar sus propiedades, principalmente la densidad y la capacidad explosiva. Además de estudiar la obtención de amoniaco a partir de diferentes sustancias y estudiar las propiedades del gas amoniaco.

SECCIÓN EXPERIMENTAL

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El experimento se realizó con base en el Manual de Laboratorio de Química General I de M. Ev. Patricia Guzmán.3

Para la recolección del hidrógeno se llenó un tubo con ácido clorhídrico y se colocó en un beaker de 150 mL el cuál contenía ácido clorhídrico hasta dos tercios de su capacidad. Se formó una bolita de lana de hierro y se colocó en el beaker, se recogió el hidrógeno en el tubo por desplazamiento del ácido y el tubo lleno de hidrógeno se colocó boca abajo sobre un cuadro de vidrio plano, se repitió tres veces. Para probar la densidad y el poder explosivo del hidrógeno se aproximaron dos tubos con hidrógeno a la llama del quemador bunsen, colocados de manera que la boca de ambos coincida, luego se aproximaron a la llama del quemador Bunsen. También se colocó un tubo con hidrógeno boca arriba y se cubrió con otro lleno de aire y se hizo que la boca de ambos coincidiera. Se aproximaron a la llama del quemador Bunsen hasta que se notara como se quema el hidrogeno.

Por otra parte para el experimento del amoniaco, se mezcló en un vidrio reloj un gramo de gelatina en polvo y un gramo de cal soda, se traspasó la mezcla a un tubo de ensayo pequeño y se calentó suavemente, se sostuvo un papel tornasol rojo humedecido sobre la boca del tubo, seguidamente se aproximó a la boca del tubo un agitador de vidrio humedecido en disolución de ácido clorhídrico concentrado. Para la sales de amonio se colocaron 0,50 g de sulfato de amonio sólido en un tubo de ensayo y se humedeció la sal con disolución de hidróxido de sodio. Para la preparación de las botellas con gas amonio, se mezcló en una cápsula 5,00 g de sulfato de amonio y 4,00 g de cal apagada, se colocó esta mezcla en un tubo de “pyrex”, provisto de un tapón de hule con un hueco y un tubo de entrega doblado en forma de L, la botella se colocó sobre un cartón perforado apoyado sobre un anillo, se calentó suavemente la mezcla seca y se recogió y llenó un balón de 1000 mL. Para comprobar si el balón estaba lleno de gas se aproximó un agitador humedecido con ácido clorhídrico y se observaron los humos blancos desprendidos. Se cubrieron los balones con cuadros de vidrio y se colocaron boca abajo sobre la mesa. Se tapó el balón con amoniaco con un tapón de hule seco y se guardó para ser usado para la comprobación de la solubilidad del amoniaco. Seguidamente se colocó un 1,00 mL de ácido clorhídrico concentrado en un beaker de 250,00 mL, se agitó para que el gas del ácido se desprendiera y se aproximó la boca del beaker a la boca del balón lleno de amoniaco.

Para comprobar la solubilidad del amoniaco se preparó una disolución débilmente ácida y se le añadieron tres gotas de ácido clorhídrico diluido a cerca de 400,00 mL de agua, se le agregaron 15 gotas de azul de bromotimol y 10 gotas de fenolftaleína, se preparó un tubo de vidrio con un tapón de hule que a su vez tuviera un algodón mojado con abundante agua , se colocó el tubo con el tapón dentro del beaker y se removió rápidamente el tapón del balón lleno de amoniaco que fue guardado anteriormente, se invirtió rápidamente sobre el tapón con el algodón y se provoco un cierre hermético.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Recolección del gas hidrogeno

2HCL + Fe → FeCl2 + H2 (g) (*)

En la reacción (*) el hidrogeno es muy soluble en la disolución acida ya que como se ha estudiado anteriormente los ácidos están compuestos por hidrogeno por lo que hay un principio químico que dice "igual disuelve a igual" por lo tanto es una verdad que las sustancias polares son solubles en otras sustancias polares pero no se disuelven con las no

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polares. Este gas tiene una densidad de 0.071 g/l a 0ºC y 1 atm. Su densidad relativa, comparada con la del aire, es de 0.0695, es por esta razón por la cual se debe colocar en un tubo boca abajo sobre un vidrio plano, porque de lo contrario al ser su densidad menor que la del aire, el hidrogeno se escaparía y no se podría recolectar.5

Densidad y poder explosivo del hidrógeno.

Se toman dos de los tubos con hidrógeno recolectados anteriormente, y se juntan de manera que las bocas de ambos tubos coincidan, y se acercan a la llama del quemador Bunsen, este al acercarse produjo un sonido muy leve, casi imperceptible, esto se debe a una combustión incompleta del hidrógeno, por poca presencia de oxígeno.

Luego se toma un tercer tubo de ensayo con hidrógeno y se une con otro lleno de aire, se juntan igual que los anteriores, unidos por la boca de los tubos y se acercan a la llama, este produce un sonido similar al “plop”, a diferencia del caso anterior, esto se debe a que si se da la combustión completa del hidrógeno, ya que se encuentra presente el oxígeno del aire, el cual se había distribuido a lo largo de los tubos de ensayo, a más oxígeno se da una combustión más completa.

La ecuación de la combustión del hidrógeno es es la reacción (I), donde el producto final es vapor de agua.

2H2 + O2 → 2H2O (I)

Amoniaco de las sales de amonio

Se tomaron 0,50 g de sulfato de amonio y se colocaron en un tubo de ensayo, este se humedeció con una disolución de NaOH, en donde, al mezclarse se formó una sustancia blanca, enfriándose el tubo de ensayo, ya que es una reacción endotérmica. Se da la reacción (*) donde se libera amoniaco gaseoso, y se produce Na2SO4 y agua.

(NH4)2SO4 + 2NaOH → 2NH3↑ + Na2SO4 + 2H2O (*)

Sí se puede usar KOH en lugar de NaOH, ya que es una base fuerte y da el mismo efecto, e igual se liberaría amoniaco, que es lo que se desea. Se daría la reacción (**), y también se podrían utilizar bases fuertes, como Ca(OH)2 en lugar de NaOH, produciendo siempre el mismo efecto, como por ejemplo en la reacción (***).

(NH4)2SO4 + 2KOH → 2NH3↑ + K2SO4 + 2H2O (**)

(NH4)2SO4 + Ca(OH)2 → 2NH3↑ + CaSO4 + 2H2O (***)

Preparación de las botellas de gas NH3

Para producir el amoniaco es necesario hacer la siguiente reacción:

(NH3)2SO4 + Ca(OH)2→ NH3 ↑ + CaCl2 + H2O(*)

Esta mezcla es calentada suavemente para poder recolectar el gas amonio en el balón. El agua se evapora y el cloruro de calcio qued en el tubo como residuo.

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Seguidamente se da la siguiente reacción:

HCl+NH3 →NH4Cl(*)

Se ha producido la síntesis de cloruro de amonio a partir, de vapores de acido clorhídrico y de amoniaco. El cloruro de amonio es un sólido iónico de color blanco que está formado por una red gigante de iones y es muy poco corrosivo a diferencia de los gases incoloros acido clorhídrico y amoniaco a partir de los que se ha formado. Como la nueva sustancia es sólida a temperatura ambiente forma en primer lugar una suspensión en el aire interno del tubo que es la que aparece en forma de nubes anulares. Finalmente el cloruro amónico precipitará en las paredes del tubo formando una capa blanca en el mismo. Esta reacción se tarda en ver ya que los gases tardan un poco en encontrarse.6

Solubilidad del amoníaco: La fuente de amoníaco

Primero se preparan un par de disoluciones levemente ácidas de HCl diluido en agua en un beaker, y se le agregan los indicadores, en el caso del primer beaker, se le colocan 10 gotas de fenolftaleína y 15 de azul de bromotinol, y al segundo se le agregan 8 gotas de fenolftaleína, 4 de azul de bromotinol y 10 de rojo metilo.

A la hora de colocar el balón sobre el tubo con el tapón que estaba dentro del beaker, la disolución comenzó a subir hacia el balón con amoniaco, esto sucede porque el amoniaco desplaza al aire creando vacío y por las diferencias de presión, la disolución sube, para igualar las presiones. Cuando la disolución llega arriba se disuelve con el amoniaco, ya que este es un gas sumamente soluble, y cambia de color, ya que los indicadores cambian de color dependiendo si están en contacto con ácidos o bases, la disolución es un ácido, y a entrar en contacto con el NH3, que es una base, se neutralizan y cambian de color, en este caso se volvieron ambas disoluciones moradas al mezclarse con el NH3, ya que era una mezcla de fenolftaleína, que se torna rosa fuerte al ponerse en contacto con una base, azul de bromotinol que se torna azul con las bases, y el rojo metilo el cual es rojo en ácidos, pero amarillo en bases; por lo que la combinación de esos colores dieron como resultado morado, en el primer beaker fue un morado más intenso, en el segundo fue morado más tenue, esto ocurrió por las proporciones utilizadas con los indicadores.

CUESTIONARIO

1) ¿Qué es la serie de actividad de los metales?

2) ¿Qué elementos desplazan al hidrógeno del vapor de agua?

3) ¿Cuáles hidruros producen hidrógeno al ponerlos en agua? Ejemplos

4) ¿Es el hidrógeno libre muy abundante? ¿Por qué?

5) ¿Cómo se prepara industrialmente el hidrógeno? (mencione solo un método)

6) ¿Qué importancia tiene este método ante la crisis del petróleo?

BIBLIOGRAFÍA

1- Díaz, R. (et al.). Cambio climático, un desafío a nuestro alcance. Editorial Universidad de Salamanca. Primera Edición: Salamanca, España, 2009, p. 84-86.

2- Beltrán, J. Química Curso Modelo Fase: 1 Curso Básico. Editorial Reverté S.A. Edición en español: Barcelona, España. 1971, p. 92.

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3- Guzmán, P. Manual de Laboratorio de Química General I QU-0101. Editorial Universidad de Costa Rica: San José, Costa Rica, pp 51-58.

4- Brown, T. L; LeMay, H. E; Bursten, B.E; et. al. Química La Ciencia Central. Editorial Pearson Educación: México D.F, 2009. p. 578.

5- Sharpe , A , Química inorgánica , Editorial Reverté S.A. Edición en español: Barcelona, España . 1996 , p.241

6- Witthen , K. Davis , R. Química , octava edición . Editorial Cengage learning : México D.F , 2008 . p.433.

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