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Estudio de la estequiometría en una síntesis química

(Obtención del CuSO4 · 5H2O)


 
 

 

Por: Angélica María Castillo Carrasco

30 de enero de 2003

RESUMEN

Se propuso verificar experimentalmente la ley de la conservación de la masa, mediante un proceso químico  en el cual se sintetizó  CuSO4 · 5H2O .El producto registró un peso mucho mayor al que se esperaba (pesó 14.9880 g, un número bastante excesivo, ya que hipotéticamente es de aproximadamente  4g).

INTRODUCCIÓN                                                                                                                           

El Sulfato de Cobre ( CuSO4), es una sustancia que se prepara por la acción de ácido sulfúrico y oxígeno sobre cobre metálico. El ácido (diluido) se deja gotear sobre virutas de cobre en presencia de aire, el pentahidrato azul CuSO4 · 5H2O  cristaliza de una solución acuosa.

El problema consistió en sintetizar el sulfato de cobre a través de una serie de reacciones con la siguiente expresión:

1.       Cu* (s) + HNO3 (ac)     C(ac) + D(g) ↑+  E(ac)

2.       C (ac) + NaHCO3 (ac)     F(s) + G(g) ↑+ H(ac)   

3.       E (ac) + H2SO4 (ac)     I(ac)   + J(ac)  +  K(ac)

a)       I (ac) -   agua     L (ac)  

b)       L (ac) +   disolvente     CuSO4-5H2O(s)

 El objetivo fue Verificar la ley de la conservación de la masa

La hipótesis  plantea que a partir de un gramo de cobre metálico se sintetizarán cuatro de CuSO ·  5H2O.

PRESENTACIÓN TEÓRICA

           El sulfato de cobre ( CuSO4) se prepara por la acción de ácido sulfúrico y oxígeno sobre cobre metálico. El ácido (diluido) se deja gotear sobre virutas de cobre en presencia de aire, el pentahidrato CuSO4 · 5H2O  cristaliza de una solución acuosa. La sal anhidra se prepara calentando los cristales azules. El sulfato de cobre se usa en baterías (celdas de Daniell); en la refinación de cobre, en estampados de telas de algodón y en galvanoplastía. Algunas veces se agrega a los lagos para matar organismos como algas, y la mezcla de Bordeaux, sulfato de cobre mezclado con hidróxido de calcio se utiliza como fungicida. El sulfato de cobre se utiliza también para preparar la solución de Fehling. El sulfato de cobre anhidro se utiliza como prueba para determinar humedad en queroseno y sustancias similares. En presencia de humedad el polvo blanco cambia a azul.

El sulfato de cobre cristaliza en agua y forma cristales triclínicos azules; se conoce al CuSO4 · 5H2O, con los nombres de vitriolo azul o piedra azul. Este sulfato de cobre se utiliza como reductor de fotografía.

Las operaciones para la síntesis del sulfato de cobre penta hidratado del proyecto experimental comprenden: a) La oxidación del cobre (Cu(NO3)2, b) precipitación del cobre (CuCO3), c) digestión del precipitado d) filtración, e) lavado del precipitado f) conversión del carbonato cúprico en sulfato de cobre II  g) conversión del sulfato de cobre II  a penta hidratado h) pesada del precipitado.

           Precipitación.- Las precipitaciones se efectúan comúnmente  agregando lentamente los reactivos, mientras se agita la solución debidamente diluida. Cuando el precipitado haya sedimentado, debe agregarse unas gotas más del reactivo para verificar que no se produzca más precipitado. Los precipitados no deben ser filtrados inmediatamente después de formarlos, ya que requieren una digestión para que la precipitación termine y para que todas las partículas sean de un tamaño tal que se puedan separar por filtración.

            ¿Qué es un precipitado? Es el resultado de una reacción química, que da lugar a la liberación de un metal insoluble en agua, como en el caso del oro, o bien la formación de un compuesto insoluble que contiene el elemento que se valora.

          Lavado de precipitados.-  Muchos precipitados se forman en presencia de uno o más compuestos solubles, que con frecuencia no son volátiles a la temperatura a la que el precipitado se seca o calcina; es necesario lavar el precipitado para eliminar esas sustancias tanto como fuere posible. Para eliminar las sustancias solubles debe emplearse el menor volumen de líquido de lavado. El líquido de lavado ideal cumple con las siguientes condiciones:

1) No tiene ninguna acción disolvente sobre el precipitado, pero disuelve fácilmente las sustancias extrañas;

2)  No peptiza el precipitado.

3)  No forma ningún producto volátil o insoluble con el precipitado;

4)  Es fácilmente volátil a la temperatura a que se calienta el precipitado;

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

            ¿Qué tanto influye el ion común en la no-formación de un precipitado?. El efecto del ion común es muy aplicado en el lavado de un precipitado cuya insolubilidad se acerca a límites poco satisfactorios; en estos casos ayuda adicionar al líquido del lavado una sustancia que siendo muy soluble, tenga un ion común con el precipitado.

            La temperatura  influye mucho sobre la solubilidad de la mayoría de los precipitados, aún en presencia de un ion común; sólo algunos precipitados pueden ser separados en caliente debido a su gran insolubilidad, pero la mayor parte de ellos requieren temperatura ambiente normal para ser filtrados.

            Oclusión de un precipitado. Es decir la contaminación del precipitado con sustancias provenientes de los reactivos, que quedan englobados mecánicamente y que son difícilmente eliminables por lavado.

            Digestión de un precipitado. 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.

Filtración.- Mediante esta operación se separa el precipitado de la solución madre y tiene por objeto obtener el precipitado  libre de la solución. Un medio filtrante empleado es el papel de filtro, el cual debe dejar pocas cenizas. 

DISEÑO EXPERIMENTAL

MATERIAL: SUSTANCIAS y REACTIVOS:
Soporte Universal Alambre de cobre
Anillo de fierro Bicarbonato de Sodio  (NaHCO3)
Matraz Kitasato de 1 l Ácido Nítrico ( HNO3 )
Matraz Erlenmayer de 1 l Agua destilada
Embudo tallo corto Ácido sulfúrico (H2SO4 (ac) )
Embudo Buckner Alcohol Etílico
Tubos de vidrio Hielo
Vasos de precipitados de 400, 250 y 150 ml

 

Mangueras

 

Parrilla de calentamiento  

Agitador

 

Bomba de vacío

 
Gendarme  
Tapones  
Vidrio de reloj  
Papel de poro fino  

METODOLOGÍA:

Conversión del cobre en una solución de Nitrato cúprico. Se pesó en una balanza semianalítica 1 gramo de alambres de cobre; se enrolló  y se puso  en una cápsula de porcelana. Se preparó una solución de 5 ml de ácido nítrico concentrado en 8 ml de agua destilada. Se llevó la cápsula de porcelana a la campana de extracción; se le añadió el ácido nítrico diluido y se dejó reposar la mezcla unos minutos. La solución de nitrato cúprico se obtuvo al disolver todo el cobre.

Conversión del Nitrato cúprico en Carbonato cúprico. Para esto se hirvió 50 ml de agua en un vaso de precipitados de 400 ml. se agregó bicarbonato de sodio hasta formar una solución saturada. Posteriormente se añadió la solución de nitrato cúprico de manera lenta y agitando constantemente. Terminada la adición se agitó de nuevo vigorosamente para acabar con la efervescencia. Se añadió más agua y se disolvió todo lo que se pudo del residuo. Se continuó con la agitación hasta que ya no hubo efervescencia y se introdujo este vaso de precipitados en otro con capacidad de 400 ml. al cual se habían agregado 50 ml. de agua y se calentó en este baño maría, después se dejó enfriar  y reposar. Teniendo la mezcla fría, se filtró usando un embudo de filtración rápida al que se le introdujo un papel filtro doblado y cortado. Se lavó el precipitado con agua destilada, así como también el precipitado residual del vaso de precipitados. Después de dejar escurrir todo el líquido, se  pasó el precipitado con todo y papel filtro a un vidrio de reloj. Éste último se dejó en la gaveta hasta la siguiente sesión de laboratorio.

            Conversión del carbonato cúprico en Sulfato de cobre II Penta hidratado. Se colocó el carbonato cúprico obtenido en un vaso de precipitados de 150 ml. Se le añadió lentamente una solución (previamente preparada) de 3 ml de ácido sulfúrico concentrado en 15 ml de agua. Al mezclarse, se produjo una efervescencia y se continuó la adición lentamente y agitando constantemente (la reacción termina cuando la solución es clara y de color oscuro). A la solución que se formó, se le añadió 60 ml de etanol agitando vigorosamente. Posteriormente, se dejó reposar y enfriar la mezcla. Mientras tanto, se montó un dispositivo destinado para la filtración, el cual consistió de un embudo Buckner sobre un matraz kitasato, seguido de una “trampa” consistente en un matraz erlenmayer introducido en un recipiente con hielo. Dispositivo que fue conectado a la bomba de vacío y con el cual se filtró la solución a través del embudo Buckner.

 RESULTADOS EXPERIMENTALES

Se obtuvo como producto final una pasta azul verdosa la cual no era esperada, debido a una mezcla de carbonato de cobre (verde) y de sulfato de cobre penta hidratado de color azul intenso. El producto registró un peso mucho mayor al calculado (pesó 14.9880 g, un número bastante excesivo, ya que hipotéticamente es de aproximadamente de 4g).

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

La metodología no fue seguida correctamente, ya que un descuido hizo que se le agregara el ácido y el etanol cuando la reacción aún NO TERMINABA. Esto hizo que  el producto obtenido fuera otro y no el esperado, con lo cual queda claro que los errores como éste pueden ser arreglados prestando atención a la metodología. Cabe mencionar que la reacción que se produjo entre el ácido y alcohol dio como resultado éster  y agua, contaminando de esta manera el sistema con otro reactivo

CONCLUSIONES

Podemos decir que la hipótesis planteada no se cumplió debido  a los factores ya mencionados. 

BIBLIOGRAFÍA

  • REDMORE, Fred H. “Fundamentos de Química”. Ed. Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A. 198, Pág. 438-450, pp. 713.

  • AYRES, Gilbert H. “Análisis químico cuantitativo”,  2ª, edición. Editorial Harla. 1970. Pág. 586-592. pp. 740.

  • UMLAND, Jean B. y Bellama, John M. “Química general” 3ª. Ed., Editorial Thomson Learning. 2000.Pág. 694-720, pp. 1016.

 

 

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