Reacciones de precipitación


Objetivos específicos


Determinar experimentalmente, mediante una reacción de precipitación, la cantidad (%) de algún ion presente en una muestra líquida.


Consideraciones teóricas


Cuando los componentes A y B de un compuesto son especies químicas lo suficientemente estables como para existir en forma independiente, la molécula se puede representar como AB. Al proceso de separación de las especies A y B del compuesto AB y, en particular cuando esta separación ocurre en una solución acuosa y las especies resultantes tienen cargas eléctricas, se le llama “disociación”:

AB A+ + B-

Un ejemplo de compuesto que experimenta este tipo de disociación, es el cloruro de sodio, NaCl en disolución acuosa, en la cual existen las especies Na+ y Cl–. Es iónica porque las especies resultantes tienen cargas eléctricas:

NaCl Na+ + Cl–
Si en fase acuosa estuvieran presentes dos compuestos, AB y CD y, ambos pueden disociarse en forma iónica, entonces en la solución estaran presentes las especies químicas AB, CD, A+, B–, C+ y D–.

Las substancias presentes en la fase acuosa son entonces las substancias presentes en la suma de las dos ecuaciones químicas:
AB A+ + B–
CD C+ + D–
AB + CD A+ + B– + C+ + D–

Ademas, estando en medio acuoso, las especies químicas disueltas se encuentran en continuo movimiento y los iones pueden chocar entre sí. El choque de los iones A+ y C+ o de los iones B– y D–, por ser de la mismacarga eléctrica, son completamente elasticos, pero los choques de los iones con las cargas contrarias A+ y B–, C+ y D–, A+ y D– y C+ + B– no son elasticos, sino que tienden a formar los compuestos AB, CD, AD y CB, por lo que la suma de las reacciones químicas anteriores puede ser dada también como:

AB A+ + B–
CD C+ + D–
AB + CD AD + CB

En esta última ecuación, los productos AD y CB representan un nuevo arreglo o distribución de iones respecto a los compuestos AB y CD originales. Por esta razón a este tipo de reacciones se les llama “de doble sustitución”, “intercambio iónico” o metatesis.


La reacción de precipitación es un tipo común de reacción en disolución acuosa, que se caracteriza por la formación de un producto insoluble que se separa de la disolución, al que se denomina “precipitado”. En este tipo de reacción, los reactivos son normalmente sustancias iónicas que se disocian al estar en solución. Los iones, tanto positivos como negativos, chocan entre sí en el seno de la solución, y cuando entre los iones presentes hay la posibilidad de una reacción que dé como resultado un compuesto insoluble, éste se precipita, en tanto que los demas iones quedan disueltos.


Por ejemplo, la reacción entre el nitrato de plomo y el yoduro de sodio se puede describir como una secuencia de reacciones:

El nitrato de plomo y el yoduro de sodio se disocian en iones al entrar en solución:

a) Pb(NO3)2 Pb+2 + 2 NO3-1

b) NaI Na+1 + I-1


En la soluciónestaran disueltas todas las especies químicas que participan en las reacciones anteriores: Pb(NO3)2, NaI, Pb+2, NO3-1, Na+1 y I-1. Las especies cargadas eléctricamente pueden ser mucho mas abundantes que las especies químicas neutras. Otras especies que estaran presentes son las que se forman como resultado de las atracciones entre iones de signos opuestos, como son las sales Pb I2 y Na NO3.

Todos los iones chocan entre sí y se separan sin alterar su naturaleza, excepto cuando se aproximan un ión Pb+2 y un ión I-1, ya que estas especies químicas reaccionan formando yoduro de plomo, un sólido cristalino que es insoluble en agua y, por lo tanto, se separa de la solución formando un polvo suspendido que tiende a depositarse en el fondo del recipiente:

c) Pb+2 + I-1 PbI2

Los iones Na+1 y NO3-1 se mantienen dispersos en el líquido porque el Na NO3 es muy soluble y se disocia con mucha facilidad

Es una practica común escribir este tipo de reacciones en un solo paso, a continuación se muestra la ecuación que representa la reacción anterior, expresada en forma molecular:

d) Pb(NO3)2 + 2 NaI PbI2 + 2 NaNO3


La formación de precipitados fue durante mucho tiempo una de las técnicas comunes para determinar la cantidad presente de un elemento, radical o compuesto, en una muestra dada. Las técnicas que se basan en determinar el peso de un precipitado y relacionarlo con el elemento, radical o compuesto que reaccionó para formarlo, se incluyen dentro de las técnicas analíticasgravimétricas.

Los datos experimentales obtenidos en estas técnicas analíticas se procesan con base en la estequiometria de la reacción. Por ejemplo, en la reacción anterior, por cada mol de yoduro de plomo formado, deben haber reaccionado 1 mol de nitrato de plomo y 2 moles de yoduro de sodio. Esas relaciones en moles pueden ser expresadas en unidades de peso, por ejemplo, en gramos. Para ello tenemos que:

Masa molar del nitrato de plomo Pb(NO3)2 = 331g
Masa molar del yoduro de sodio NaI = 150g, 2 moles = 300g
Masa molar del yoduro de plomo PbI2 = 461g
Masa molar del nitrato de sodio NaNO3 = 85g, 2 moles = 170g

Lo que significa que por cada 461 g de yoduro de plomo que se forme, deben haber reaccionado 331 g de nitrato de plomo y 300 g de yoduro de sodio, por lo cual, si conocemos el peso de yoduro de plomo precipitado, podemos calcular cuanto nitrato de plomo había en la solución.

A manera de ejercicio, vamos a suponer que al adicionar un exceso de solución de yoduro de sodio a 25 mL de una muestra de agua contaminada con nitrato de plomo, se formó un precipitado amarillo (PbI2) que se filtró. El sólido se dejó secar en la estufa hasta que se hubo evaporado toda el agua. El peso del precipitado seco fue de 0.278 g.



a) ¿Qué cantidad de nitrato de plomo había en los 25 mL de la muestra original?

Había 0.197 g de nitrato de plomo en la muestra de 25 mL

b) ¿Qué cantidad de Pb hay en el precipitado formado?

Había 0.125 g de plomo en la muestra de 25 mL

c) ¿Cual erala concentración de nitrato de plomo en la muestra, expresada como % peso/volumen?
De nitrato de plomo se obtuvo 0.197g en 25 mL de muestra, entonces:

La concentración de la solución de nitrato de plomo es 0.788 % peso/volumen.
Para calcular la concentración de plomo, en %, en la muestra se procede de la misma forma que en el ejemplo anterior sustituyendo los gramos de plomo presentes en la muestra, en lugar de los gramos de nitrato de plomo:
De plomo se obtuvo 0.125g en 25 mL de muestra, entonces:

d) ¿Cual era la concentración de nitrato de plomo en la muestra, expresada como molaridad?
Se tiene la siguiente información:
i) En 25 mL de muestra hay 0.197 g de nitrato de plomo y
ii) La concentración porcentual de la muestra es de 0.788 p/v lo que indica que en 100 mL de solución se encuentran 0.788 g de nitrato de plomo.
Para el primer caso:

Para el segundo caso:


La concentración de la solución de nitrato de plomo es 0.0238 M

MATERIAL Y EQUIPO

1 estufa
1 soporte universal con anillo de fierro
1 triangulo de porcelana
1 balanza electrónica
1 papel filtro cualitativo
2 vasos de precipitados de 50 mL
1 embudo de filtración rapida (de tallo largo)
2 pipetas de 5 mL
1 pipeta de 1 mL
1 vidrio de reloj
1 varilla de vidrio gendarme




REACTIVOS
Solución de 0.3 M de sulfato de cobre CuSO4 • 5 H2O (74.91 mg/mL)
Propiedades:
Estado de agregación: sólido.
Apariencia
Pentahidratado (cristales azules)
Anhidro (polvo blanco grisaceo)
Densidad: 3603 kg/m3 ó 3.603 g/cm3Masa molar: 159.6 g/mol
Punto de Fusión: 383 K (109.85 0C)
Punto de ebullición: 923 K (649.85 0C)
Estructura cristalina: triclínico
Solubilidad en agua: 20.3 g/100 ml (20 0C)
Usos:
Tiene numerosas aplicaciones como alguicida en el tratamiento de algas, fabricación de concentrados alimenticios para animales, abonos, pesticidas, mordientes textiles, industria del cuero, baterías eléctricas, etc.

Solución de 0.2 M de fosfato de sodio Na3PO4 • 12 H2O (76.02 mg/mL)
Propiedades
Estado de agregación: sólido.
Apariencia: cristales incoloros o blancos
Olor: sin olor
Densidad: 1.62 g/cm3
Masa molar: 380 g/mol
Punto de Fusión: 734 0C
Punto de ebullición: 100 0C
Solubilidad: soluble en agua e insoluble en alcohol etílico
Usos:
Como agente de limpieza, aditivo de comidas, removedor de manchas y desengrasante.




CUESTIONARIO

1. Definir los términos “energía de ionización” y “afinidad electrónica”.

La energía de ionización (EI) es la energía que hay que suministrar a un atomo neutro, gaseoso y en estado fundamental para arrancarle el electrón mas externo, que esta mas débilmente retenido, y convertirlo en un catión monopositivo gaseoso.
Se puede expresar así: A(g) + EI → A+(g) + e-
La energía de ionización es igual en valor absoluto a la energía con que el núcleo atómico mantiene unido al electrón: es la energía necesaria para ionizar al atomo.
Al ser la energía de ionización una medida cuantitativa de la energía de unión del electrón al atomo, la variación de estamagnitud ayuda a comprender las diferencias cualitativas entre estructura electrónicas.
La magnitud de la energía de ionización depende de tres factores fundamentales: estructura electrónica de la última capa, radio atómico y carga nuclear. El factor determinante es la configuración electrónica de la última capa, puesto que cuanto mas estable sea, es decir cuanto mas se parezca a la de estructura completa, estructura de gas noble, mayor energía sera necesaria para arrancar un electrón.

Se llama afinidad electrónica (AE) a la energía asociada al proceso en el que un atomo neutro, aislado y en su estado fundamental, capta un electrón y forma un ión negativo estable. De algún modo viene a indicar la 'facilidad con que el atomo puede aceptar al electrón'.
Esta magnitud se suele expresar en unidades de energía por cada mol de atomos. Puesto que los atomos que adquieren el electrón deben estar aislados, el proceso se tiene que desarrollar en fase gaseosa y se representa por la ecuación:
X (g) + 1e- → X- + AE





2. A partir de las definiciones anteriores, explicar qué es un enlace iónico.

El enlace iónico es una unión que resulta de la presencia de atracción electrostatica entre los iones de distinto signo, es decir, uno fuertemente electropositivo (baja energía de ionización) y otro fuertemente electronegativo (alta afinidad electrónica). Eso se da cuando en el enlace, uno de los atomos capta electrones del otro.
Dado que los elementos implicados tienen elevadas diferencias deelectronegatividad, este enlace suele darse entre un compuesto metalico y uno no metalico. Se produce una transferencia electrónica total de un atomo a otro formandose iones de diferente signo. El metal dona uno o mas electrones formando iones con carga positiva o cationes con una configuración electrónica estable. Estos electrones luego ingresan en el no metal, originando un ion cargado negativamente o anión, que también tiene configuración electrónica estable. Son estables pues ambos, según la regla del octeto adquieren 8 electrones en su capa mas exterior. La atracción electrostatica entre los iones de carga opuesta causa que se unan y formen un compuesto.
Los compuestos iónicos forman redes cristalinas constituidas por iones de carga opuesta, unidos por fuerzas electrostaticas. Este tipo de atracción determina las propiedades observadas. Si la atracción electrostatica es fuerte, se forman sólidos cristalinos de elevado punto de fusión e insolubles en agua; si la atracción es menor, como en el caso del NaCl, el punto de fusión también es menor y, en general, son solubles en agua e insolubles en líquidos apolares como el benceno.

3. ¿Qué diferencia existe entre los términos “ionización” y “disociación”?

Una ionización es la formación de iones de las sustancias con enlace covalente cuando se encuentra en solución acuosa.
Ejemplo:
H2SO4 + H2O → 2H + SO4
Una disociación es la separación de los iones de una sustancia con enlace iónico cuando se encuentra en solución acuosa.
Ejemplo:
NaCl + H2O→ Na + Cl


4. ¿Por qué los compuestos iónicos son solubles en agua?

La forma en la que el agua disuelve a los solutos se le llama proceso de solvatación, este proceso se da debido a que la molécula del agua, rompe las interacciones entre las moléculas del soluto, este rompimiento se da porque los hidrógenos del agua (carga parcial positiva) interaccionan con la parte negativa de las moléculas a solvatar (en caso de ser un compuesto iónico es con el anión), y el oxígeno (carga parcial negativa) interacciona con la parte positiva de las moléculas a solvatar (catión si es iónico).

5. Definir los términos “precipitación”, “precipitado” y “filtrado”.

La precipitación es la reacción química que se produce en una disolución sobresaturada donde hay mas concentración de soluto (que generalmente es un sólido) que disolvente y este soluto tiende a precipitar formando un sólido.
Un precipitado es el sólido que se produce en una disolución por efecto de cristalización o de una reacción química. En la mayoría de los casos, el precipitado (el sólido formado) baja al fondo de la disolución, aunque esto depende de la densidad del precipitado: si el precipitado es mas denso que el resto de la disolución, cae. Si es menos denso, flota, y si tiene una densidad similar, se queda en suspensión.
El filtrado, es el proceso de separación que experimenta un sólido y un líquido. A menudo, lo que queremos conseguir es aislar el sólido, en otras ocasiones lo que nos interesa es conseguir la disolución. Enbase a dicho factor, podemos hacer mención a dos tipos diferentes de filtraciones, los cuales poseen un procedimiento e instrumental distinto. Estas son, la filtración por gravedad, y la filtración a presión reducida o también llamada, filtración al vacío.









EJERCICIOS

En las siguientes reacciones de precipitación Calcular cual es la concentración, expresada como porcentaje, de la sustancia que aparece en negritas en cada una de las siguientes ecuaciones. Considerar una alícuota de 30 mL y 0.89g de precipitado.


Calculo de la cantidad de AgNO3:
0.89 g de AgCl
169,87 g de AgNO3
=
1.054 g de AgNO3
 
143,32 g de AgCl



Calculo de la concentración en % de AgNO3
1.054 g de AgNO3
X 100
=
3.51 % de AgNO3
30 mL de muestra





Calculo de la cantidad de Hidróxido de Calcio:
0.89 g de CaCO3
74.093 g de Ca(OH)2
=
0.658 g de Ca(OH)2
 
100.086 g de CaCO3



Calculo de la concentración en % de Ca(OH)2
0.658 g de Ca(OH)2
X 100
=
2.193% de Ca(OH)2
30 mL de muestra









Calculo de la cantidad de Cu3(PO4)2:
0.89 g de Cu3(PO4)2
478.86 g de 3CuSO4
=
1.119 g de 3CuSO4
 
380.581 g de Cu3(PO4)2



Calculo de la concentración en % de Cu3(PO4)2:
1.119 g de 3CuSO4
X 100
=
3.73% de 3CuSO4
30 mL de muestra






BIBLIOGRAFIA

Chang, A. Química. A. 8° edición. McGraw-Hill. 2003.
Petrucci, Harwood y Herring, Quimica General. Octava Edición. McGraw-Hill. 2003.
GARZON Guillermo. Fundamentos de química general. McGraw-Hill. 2002.