Practica No 7 Estequiometria de una reacción química

Resumen

Como en la práctica anteriormente vista, esta práctica estará dedicada a los cálculos estequiometricos que se llevan a cabo en reacciones químicas sucesivas, además de métodos gravimétricos utilizados experimentalmente para obtener los productos de las reacciones. Inicialmente se harán los cálculos correspondientes para preparar dos soluciones una de Sr(NO3)2 0.0499M y otra de Na2SO4 0.05M y estas dos soluciones se utilizaran como reactivos, y partiendo de los resultados de las masas utilizadas se determinaran la cantidad de productos obtenidos así como cuál fue el reactivo limitante y el exceso, midiendo distintos volúmenes de las soluciones dejándolas precipitar y filtrando obtendremos determinados resultados que se colocaran en una tabla de datos.

Sr(NO3)2 + Na2SO4 SrSO4 + 2NaNO3

Introducción

Leyes ponderales

Ley de la conservación de la masa. Lavoisier, 1787.

La suma de las masas de los productos reaccionantes es igual a la suma de las masas de los productos de la reacción. Es decir, la masa se conserva, lo que nos permite afirmar que si, por ejemplo, 1 g de hidrógeno reacciona con 8 g de oxígeno, para formar agua, la masa de agua formada es de 9 g.

Ley de las proporciones definidas o constantes. Proust, 1799.

Cuando dos o más elementos, se unen para formar una sustancia determinada, lo hacen siempre en proporciones fijas y determinadas. Por ejemplo, el hidrógeno y el oxígeno cuando se unen para formar agua, siempre reaccionan en la proporción de 1 g de hidrógeno con 8 g de oxígeno (o 2 g de hidrógeno con 16 de oxígeno; o 0,5 g de hidrógeno con 4 de oxígeno). Esta proporción no depende de la forma en que tenga lugar la reacción.

Métodos gravimétricos de separación.

Los métodos gravimétricos son métodos cuantitativos que se basan en la determinación de la masa de un compuesto puro con el que el analíto está relacionado químicamente.

Por precipitación: El analíto se separa de la disolución de la muestra como un precipitado, y se convierte en un compuesto de composición conocida que se pueda pesar.

Por volatilización: El analíto se separa de otros componentes de una muestra y se convierte en un gas de composición química conocida. El peso de este gas se usa como una medida de la concentración del analíto.

Electro gravimetría: El analíto se separa al depositarse en un electrodo mediante una corriente eléctrica. La masa de este producto proporciona una medida de la concentración del analíto.

Análisis gravimétrico por precipitación.

La determinación cuantitativa de una sustancia por precipitación generalmente involucra los siguientes pasos:

Secado: preparación de la muestra y determinación de la masa de la misma.

Extracción del analíto y preparación de la dilución necesaria.

Precipitación: Se da precipitando la sustancia con un reactivo y separándolo para poder determinar el peso contenido en la muestra.

Digestión: Es una operación que se realiza cuando la mayor parte de la muestra o toda no logra disolverse para formar una solución, entonces se emplean condiciones más vigorosas que consiste en disolver el sólido con un ácido, una base, un agente oxidante.

Filtración: La filtración por gravedad se realiza vaciando la mezcla sobre un embudo que contiene un papel de filtro. El líquido pasa a través del papel y el sólido es retenido. El embudo generalmente se soporta sobre un aro de hierro o sobre un trípode.

Decantación: Es una técnica de separación que aprovecha la diferencia de densidades. Generalmente el sólido es más denso que el líquido por lo cual se deposita en el fondo del recipiente, mientras la parte superior del líquido queda prácticamente sin partículas del sólido y se puede retirar con facilidad. Consiste en pasar a través del filtro tanto líquido sea posible, manteniendo el sólido precipitado prácticamente sin perturbar el vaso donde se formó.

Lavado: Proceso en el cual se añade una cantidad pequeña del líquido de lavado adecuado al precipitado, la mayor parte del cual debe quedar en el vaso después de que el líquido en que se formó se ha vertido sobre el filtro.

Cromatografía: Otra técnica muy utilizada para separar mezclas líquidas y gaseosas es la cromatografía. Existen varios tipos: cromatografía de papel, de capa delgada, de columna, de gases y líquida. En la cromatografía de papel la fase fija es papel de filtro y la móvil es un líquido que se desplaza o recorre el papel impulsado por el fenómeno de capilaridad.

Precipitado.

Sustancia formada cuando un sólido se deposita en el fondo de un recipiente debido a que ha tenido lugar una reacción química o que se ha superado la saturación de la disolución.

Formación de precipitados.El primer paso de una reacción de precipitación es la formación de núcleos por colisión entre reactivos (rodeados por moléculas de solvente). Esta etapa, llamada etapa de nucleación, es muy rápida, y los núcleos formados contienen unos pocos iones (o moléculas). El núcleo crece por colisión con cada reactivo y se forma un cristal. La etapa de crecimiento es más lenta que la de nucleación. A medida que crece. El cristal permanece “suspendido” en el líquido, y el sistema heterogéneo es un coloide. Cuando el sólido formado adquiere un cierto tamaño, precipita. 

Cuando la concentración de reactivos es alta y el sistema se encuentra muy alejado del equilibrio de solubilidad, la velocidad de reacción es alta y predomina la formación de muchos núcleos que crecen poco. Por el contrario, cuando la concentración de reactivos es baja y el sistema está cerca al equilibrio de solubilidad se forma pocos núcleos que crecen lentamente, obteniéndose cristales grandes.Propiedades de los precipitados.Lo ideal sería que un agente precipitante gravimétrico reaccionara de modo específico o, al menos, de forma selectiva con el analíto. Los reactivos específicos, que reaccionan sólo con una especie química, son poco comunes. Los reactivos selectivos son más frecuentes y reaccionan sólo con un número limitado de especies. Además de ser específico y selectivo, el reactivo precipitante ideal debería reaccionar con el analíto para formar un producto que: 1. Se pueda filtrar y lavar fácilmente para quedar libres de contaminantes.

2. Tenga una solubilidad lo suficientemente baja para que no haya pérdidas importantes durante la filtración y el lavado.

3. No reaccione con los componentes atmosféricos.

4. Tenga una composición conocida después de secarlo o, si fuera necesario, de calcinarlo.

Pureza de un precipitado.

El problema más difícil al que se enfrenta el analista en gravimetría es el obtener un precipitado con elevado grado de pureza. Éste puede contaminarse durante su formación o luego de terminada la precipitación, por los siguientes procesos:

Coprecipitación.

Es el proceso mediante el cual una sustancia, que en condiciones normales es soluble, es acarreada junto al precipitado deseado. Puede ocurrir por formación de cristales mezclados, permitiendo que la impureza penetre en la red cristalina del precipitado, a lo que se llama oclusión; o por adsorción de iones que son arrastrados con el precipitado durante el proceso de coagulación. En la co-precipitación por oclusión, las sustancias contaminantes pueden ser iones extraños o el mismo disolvente; mientras que en la adsorción las impurezas son solamente iones retenidos en la superficie del precipitado.

Métodos de minimización de la co-precipitación.

Adición de dos reactivos: Se puede utilizar para controlar la concentración de la impureza y la carga eléctrica de las partículas elementales de las partículas elementales del precipitado. En el caso de los óxidos hidratados, la carga se puede controlar utilizando el pH adecuado.

Lavado: Empleado con precipitados gelatinosos y coagulados, se debe adicionar al agua de lavado un electrólito para evitar la peptización.

Digestión: es útil para los precipitados cristalinos, algo benéfica para los precipitados coagulados, pero no se emplea para precipitados gelatinosos.

Re precipitación: Se utiliza cuando se puede disolver el precipitado con facilidad, principalmente en el caso de óxidos hidratados y sales cristalinas de ácidos débiles.

Separación: se realiza antes de formar el precipitado, separando la impureza o cambiando su naturaleza química por medio de alguna reacción.

Precipitación homogénea: la velocidad de formación del precipitante en la solución que contiene el constituyente a precipitar se controla cinéticamente, evitando regiones locales de alta concentración, de manera de mantener la sobresaturación siempre pequeña.

Tipos de precipitados.

Cristalinos.

Se filtran y se purifican con mayor facilidad que los precipitados coloidales.

Algunas veces puede adsorber impurezas cuando sus partículas son pequeñas.

Cuando las partículas crecen, la impureza puede quedar encerrada en el cristal. A este tipo de contaminación se llama oclusión, que es el proceso mediante el cual una impureza queda encerrada dentro del cristal debido a que éste creció a su alrededor.

Sedimenta con facilidad.

Coloidales.

Las partículas coloidales individuales son tan pequeñas que no pueden ser retenidas en filtros comunes.

El movimiento browniano evita que se sedimentes por influencia de la gravedad.

Es posible coagular o aglomerar las partículas de la mayoría de los coloides para obtener una masa amorfa, fácil de filtrar, y que sí sedimente.

Las suspensiones coloidales son estables debido a que todas las partículas presentes tienen una carga positiva o negativa.

Los coloidales se precipitan mejor en disoluciones calientes, con agitación y que contengan suficientes electrolitos para asegurar la coagulación. La filtrabilidad de un coloide coagulado a menudo mejora si se deja reposar durante una hora o más en contacto con la disolución caliente en el cual se formó, este proceso es conocido como digestión.

Lavado.

Los precipitados se deben lavar con disoluciones que no los disuelvan (generalmente las disoluciones de lavado contiene un ión común al precipitado).

El lavado eficaz de un precipitado se consigue añadiendo al precipitado (aún en el vaso) pequeños volúmenes del líquido de lavado adecuado. La mezcla se agita bien, se deja sedimentar el precipitado y se vierte sobre el filtro el líquido que sobrenada; se repite varias veces esta operación hasta que la solución del precipitado tenga un pH de 7. Con ayuda del gendarme, finalmente se transfiere totalmente el precipitado al filtro; la superficie interior del vaso se somete a la acción de un chorro de agua del frasco lavador (o de otro líquido de lavado específico) para que todas las partículas sólidas pasen al embudo. El líquido de lavado debe cumplir con los iguientes requisitos.

El disolvente debe tener un coeficiente de temperatura amplio respecto a la solubilidad de la sustancia.

Las impurezas deben ser o insolubles en caliente o solubles en frío.

La volatilidad del disolvente debe ser moderada.

El disolvente debe ser químicamente inerte respecto a la sustancia.

No contiene ninguna sustancia que interfiera en las determinaciones a efectuar con el filtrado.

Digestión.

Es dejar en reposo durante unas horas en el líquido donde se produjeron las oclusiones, de preferencia en caliente, abajo del punto de ebullición; durante ese lapso se completa la precipitación, aumenta el tamaño de los cristales oflóculos y

disminuye la oclusión, es decir, se obtienen precipitados más fácilmente filtrables y más puros.

Agua madre.

Es la disolución en la que se forma un precipitado. Solución obtenida después de haber separado mediante filtración los cristales formados en el proceso de cristalización.

Cristalización.

La operación de cristalización es aquella por media de la cual se separa un componente de una solución liquida transfiriéndolo a la fase sólida en forma de cristales que precipitan. Es una operación necesaria para todo producto químico que se presenta comercialmente en forma de polvos o cristales, ya sea el azúcar o sacarosa, la sal común o cloruro de sodio.

La cristalización es importante como proceso industrial por los diferentes materiales que son y pueden ser comercializados en forma de cristales. Su empleo tan difundido se debe probablemente a la gran pureza y la forma atractiva del producto químico sólido, que se puede obtener a partir de soluciones relativamente impuras en un solo paso de procesamiento. En términos de los requerimientos de energía, la cristalización requiere mucho menos para la separación que lo que requiere la destilación y otros métodos de purificación utilizados comúnmente. Además se puede realizar a temperaturas relativamente bajas y a una escala que varía desde unos cuantos gramos hasta miles de toneladas diarias. La cristalización se puede realizar a partir de un vapor, una fusión o una solución. La mayor parte de las aplicaciones industriales de la operación incluyen la cristalización a partir de soluciones. Sin embargo, la solidificación cristalina de los metales es básicamente un proceso de cristalización y se ha desarrollado gran cantidad de teoría en relación con la cristalización de los metales.

La cristalización consiste en la formación de partículas sólidas en el seno de una fase homogénea.

Las partículas se pueden formar en una fase gaseosa como en el caso de la nueve, mediante solidificación a partir de un líquido como en la congelación de agua para formar hielo o en la manufactura de monocristales, o bien por cristalización de soluciones líquidas.

Se puede decir que la cristalización es un arte, dando a entender que la realidad técnica es sobrepasada en ocasiones por todos los factores empíricos que están involucrados en la operación.

Estos sistemas geométricos son constantes para los cristales del mismo compuesto químico, independientemente de su tamaño. Los cristales son la forma

más pura de la materia, su bien sucede que precipitan simultáneamente cristales de varias sustancias formando soluciones sólidas de varios colores como son los minerales como el mármol veteado, el jade, onix, turquesas, etc., en los cuales cada color es de cristales de una sal diferente. Sin embargo cuando cristaliza solamente un solo compuesto químico, los cristales son 100% puros.

Además de su forma geométrica, los cristales son caracterizados por su densidad, su índice de refracción, color y dureza.

Rendimiento porcentualEn química, el rendimiento, también referido como rendimiento químico y rendimiento de reacción, es la cantidad de producto obtenido en una reacción química. El rendimiento absoluto puede ser dado como la masa en gramos o en moles.

El rendimiento fraccional o rendimiento relativo o rendimiento porcentual, que sirve para medir la efectividad de un procedimiento de síntesis, es calculado al dividir la cantidad de producto obtenido en moles por el rendimiento teórico en moles.

Rendimiento teórico.

El rendimiento teórico de una reacción es la cantidad de producto que se predice mediante la ecuación balanceada cuando ha reaccionado todo el reactivo limitante. El rendimiento teórico es el rendimiento máximo que se puede obtener. En la práctica la cantidad de producto que se obtiene, llamado rendimiento real, es siempre inferior al rendimiento teórico.

Rendimiento real.

Cantidad de producto puro que se obtiene en realidad de una reacción dada.

Estequiometria

Se denomina ESTEQUIOMETRIA al conjunto decálculos aplicados a las formulas y ecuaciones químicas balanceadas.

Objetivo: A través de reacciones sucesivas y cálculos estequimetricos, demostrar la ley de la conservación de las masas, igualmente determinar experimentalmente el reactivo limitante en una reacción química.

Hipótesis: En toda reacción química la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos, y un reactivo limitante es la sustancia que limita de manera estequiometria la cantidad de producto que puede formarse en una reacción química, ya que la máxima cantidad de producto depende de la cantidad original de este reactivo.

Diseño experimental

Variables dependientes:

- Productos obtenidos en cada reacción- Cantidad de productos obtenidos- Reactivo limitante- Moles en exceso

Variables independientes

- Reactivos a utilizar- Concentración de las soluciones a utilizar- Cantidad de reactivos a utilizar- Volumen de las soluciones que se usaran- Tiempo que se dejara el filtrado en el desecador

Materiales:

- 2 matraz aforados de 1lt- 2 buretas- 2 vasos de precipitado de 500ml- 2 embudos- 2 soportes universales- Papel glis- Pape filtro- 7 frascos de gerber- PIzeta con H2O- Aro de metal

Equipo:

- Desecador- Balanza analítica

Reactivos:

- Sr(NO3)2- Na2SO4

Soluciones

- Sr(NO3)2 0.0499 M- Na2SO4 0.05 M

Procedimiento experimental:

- Se prepararan dos matraz aforados de un litro, llenando hasta la mitad con agua destilada.

- Se añadirán a cada matraz las cantidades previamente calculadas estequimetricamente de Sr(NO3)2, Na2SO4 , para preparar soluciones 0.0499 y 0.05 Molar respectivamente, para ello utilizaremos una espátula y una balanza analítica para pesar ambos solidos y asi s va a aforar.

- Posteriormente ya preparadas ambas soluciones, se montaran dos soportes universales con unas pinzas de presión sosteniendo las buretas.

- Ambas buretas se llenaran por separado con las soluciones que preparamos, y se verterán después en diferentes volúmenes a cada frasco de gerber, de modo que cada frasco de gerber tenga determinada cantidad de ambas soluciones.

- Se dejaran guardados los frascos de gerber un dia para que puedan precipitar bien.

- Se pesaran 7 papeles filtro en una balanza analítica, se les pondrá un número del 1 al 7 y se tomara nota de su masa.

- Posteriormente se montara un soporte universal con un aro metálico en el, y se colocara un embudo.

- Se doblara de manera adecuada el papel filtro y se colocara en el embudo empezando por el numero correspondiente de papel.

- Ls soluciones en los frascos de gerber deben enumerarse a la par con los papees filtro.

- Se decantara el agua madre de cada frasco y se filtrara en su respectivo papel, se recomienda enjuagar el solido del frasco con 3ml de agua destilada.

- Se repetirá lo anterior con cada frasco de gerber.- Después de haber filtrado cada solución de los frascos y obtenido el solido,

se colocaran bien doblados los papeles filtro con cuidado de no perder solido y se colocaran en una capsula de porcelana.

- Posteriormente se preparara un equipo desecador, y se colocaran ahí por un dia nuestros filtrados.

- Ya habiéndose secado bien, cada uno de nuestros filtrados se pesaran en una balanza analítica restando la masa de su correspondiente papel filtro.

- Se tomara nota de cada masa en una tabla.- El sólido obtenido de cada filtrado se colocara en un recipiente.

Análisis Resultados

En base a los resultados obtenidos en nuestro experimento a comparación con los teóricos con el análisis del rendimiento porcentual, es notorio que hubo pérdida probablemente en alguno de los pasos en el experimento al filtrar nuestro precipitado o pesarlo.

Análisis de resultados teóricos

- Reaccion

Sr(NO3)2 + Na2SO4 SrSO4 + NaNO3

Pesos moleculares

Sr(NO3)2 = 211.5734 g

Na2SO4 = 142.0036 g

SrSO4 = 183.644 g

NaNO3 = 84.9665 g

Calculo de las soluciones molares

*0.00499 M Sr(NO3)2

(1LT)(0.0499M) = 0.0499 moles

0.0499 moles = m/ 211.5734g/mol m = (0.0499)(211.57) = 10.56 g

*0.05 M Na2SO4

(1LT)(0.05M) = 0.05 moles

0.05 moles = m/142.0036g/mol m =( 0.05)(142.0036) = 7.10 g

Calculo de masas teóricas de los reactivos por mililitro que reaccionan

Cálculos de masas teóricas Sr(NO3)2

1- 1000ml 10.56g20ml 0.2112g

2- 1000ml 10.56g24ml 0.2534g

3- 1000ml 10.56g28ml 0.2956g

4- 1000ml 10.56g32ml 0.3379

5- 1000ml 10.56g36ml 0.38016g

6- 1000ml 10.56g40m 0.4224g

7- 1000ml 10.56g44ml 0.4646g

Calculo de masas teóricas Na2SO4

1- 1000ml 7.10g60ml 0.426g

2- 1000ml 7.10g56ml 0.3976g

3- 1000ml 7.10g52ml 0.3692

4- 1000ml 7.10g48ml 0.3408g

5- 1000ml 7.10g44ml 0.3124g

6- 1000ml 7.10g40ml 0.284g

7- 1000ml 7.10g36ml 0.2556g

Calculo del reactivo limitante y moles en exceso

El reactivo limitante es el Sr(NO3)2 en cada solución por mililitros y el exceso es el Na2SO4

Moles en exceso

1- 0.002999 – 0.0009982 = 0.00202- 0.002799 – 0.001207 = 0.00153- 0.002599 – 0.001397 = 0.00124- 0.002399 – 0.001597 = 0.00085- 0.002199 – 0.001799 =.0.00046- 0.001999 – 0.001999 =0.07- 0.001799 – 0.002195 = -0.000396 Aquí el reactivo limitante es el Na2SO4

Sr(NO3)2

1- 20mln = 0.2112g/211.57g.mol = 0.0009982

2- 24mln = 0.2534g/211.57g.mol = 0.001207

3- 28mln = 0.2956g/211.57g.mol = 0.001397

4- 32mln = 0.3379g/211.57g.mol = 0.001597

5- 36mln = 0.3801g/211.57g.mol = 0.001799

6- 40mln = 0.4224g/211.57g.mol = 0.001996

7- 44mln = 0.4646g/211.57g.mol = 0.00215

Na2SO4

1- 60mln = 0.426g/142.036g.mol = 0.002999

2- 56mln = 0.3976g/142.036g.mol = 0.002799

3- 52mln = 0.3692g/142.036g.mol = 0.002599

4- 48ml n = 0.0.3408g/142.036g.mol = 0.002399

5- 44mln = 0.3124g/142.036g.mol = 0.002199

6- 40mln = 0.284g/142.036g.mol = 0.001999

7- 36mln = 0.2556g/142.036g.mol = 0.001799

En los moles en exceso analizamos que en el numero 6 no hay reactivo limitante y en el 7 se invierten el reactivo limitante y el exceso.

Calculo experimental del precipitado de SrSO4 obtenido

1- 211.57g Sr(NO3)2 183.644g SrSO40.2112g 0.1833g

2- 211.57g Sr(NO3)2 183.644g SrSO40.2534g 0.2199g

3- 211.57g Sr(NO3)2 183.644g SrSO40.2956g 0.2556g

4- 211.57g Sr(NO3)2 183.644g SrSO40.3377g 0.2932

5- 211.57g Sr(NO3)2 183.644g SrSO40.3801g 0.3299g

6- 211.57g Sr(NO3)2 183.644g SrSO40.4224g 0.3666g

7- 211.57g Sr(NO3)2 183.644g SrSO40.4646g 0.4032g

Calculo de dilución por relación de volúmenes

ml Sr(NO3)2 ml Na2SO4 Relación de volumen20 60 20/60 = 1:324 56 24/56 = 1:2.328 52 28/52 = 1:1.832 48 32/48 = 1:1.536 44 36/44 = 1:1.240 40 40/40 = 1:144 36 44/46 = 1:0.8

ConclusiónEn este trabajo hemos aprendido puntos importantes como la estequiometria la cual resulta muy util en la clasificacion de una reaccion quimica, es muy importante haber tomado conocimientos sobre el mol ya que nos indica o expresa la cantidad de materia que puede poseer cada objeto.

Aunque no fue posible demostrar de manera experimental la ley de conservación de la masa el objetivo de calcular el rendimiento porcentual si, lo que justifica por qué no se puedo comprobar dicha ley, además de la perdida de reactivo limitante en cada uno de los procedimientos antes descritos. La obtención del precipitado de SrSO4 fue satisfactoria

BibliografiaKenneth W, Larry Peck, George G, Stanley. Quimica 8ª ed. Editorial Cengage Learning. Mexico 2008: 378-392Laider J. Cinetica de reacciones 1ª ed. Editorial Alhambra. Madrid 1972: 25-31