EXPERIMENTOS DE QUIMICA INORGANICA
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MIGUEL MOLINA SABIO, MANUEL MARTINEZ ESCANDELL JAVIER GARCIA MARTINEZ, DOLORES LOZANO CASTELLO CONCEPCION SALINAS MARTINEZ DE LECEA
EXPERIMENTOS DE QUIMICA INORGANICA
PUBLICACIONES DE LA UNIVERSIDAD DE ALICANTE
Publicaciones de la Universidad de Alicante Campus de San Vicente s/n 03690 San Vicente del Raspeig
[email protected] http://publicaciones.ua.es Telefono: 965903480 Fax: 965909445
© Autores © de la presente edition: Universidad de Alicante
ISBN: 8479088176 Deposito legal: SE-134-2005 en Espana
Disefio de portada: candela ink. Composition:
2fEspagra/ic Espagra/ic Impresion: Publidisa
Reservados todos los derechos. No se perrnite reproducir, almacenar en sistemas de recuperacion de la informacion, ni transmitir alguna parte de esta publicacion, cualquiera que sea el medio empleado -electronico, mecanico, fotocopia, grabacion, etcetera-, sin el permiso previo de los titulares de la propiedad intelectual.
INDICE PROLOGO
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1. LIBRETA DE LABORATORIO. SEGURIDAD EN EL LABORATORIO
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2. PREDICCION DE REACCIONES
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3. PAGINAS WEB
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4. MATERIAL DE LABORATORIO. ESQUEMA DE UN MONTAJE.. 19 5. SINTESIS DE ELEMENTOS Y COMPUESTOS GASEOSOS: O 2 ....21 6. PREPARACION DE METALES: Cu, Pb, Mn
23
7. PREPARACION DE NaHCO3 Y Na2CO,
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8. PREPARACION DE COLOIDES: SOL Y GEL DE SiO2
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9. PREPARACION DE K2MnO4
35
10. PREPARACION DE Na2S2O3-5H2O
39
11. PREPARACION DE COMPUESTOS DE COORDINACION: [Co(NH3)6]Cl3, [Cu(NH3)4]S04
43
12. MEDIDAS DE CONDUCTIVIDAD EN DISOLUCION: DETERMINACION DEL NUMERO DE IONES DE LOS COMPUESTOS [CoCl(NH3)5]Cl2 Y [Co(NH3)6]Cl3
47
13. ANALISIS TERMOGRAVIMETRICO: DETERMINACION DEL GRADO DE HUMEDAD Y DE LA TEMPERATURA DE DESCOMPOSICION DEL NaHCO3
51
14. MEDIDAS DE SUSCEPTIBILIDAD MAGNETIC A: DETERMINACION DEL ESTADO DE OXIDACION DEL MANGANESO EN ALGUNOS COMPUESTOS
55
15. SINTESIS ELECTROLITICA: K2S2O8
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16. SINTESIS DE COMPUESTOS SENSIBLES AL AIRE: CuCl, Cr(OAc)2
63
17. PREPARATION DE MATERIALES DE INTERES TECNOLOGICO: ORO COLOIDAL Y FERROFLUIDO ACUOSO
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PROLOGO Hemos percibido la necesidad de un libro que actue como Guia de Experimentos de Quimica Inorgdnica para su uso en las asignaturas de experimentacion, habitualmente ubicadas en los primeros cursos de titulaciones como Licenciado en Quimica o Ingeniero Quimico, asignaturas donde se presta especial atencion a la sintesis de elementos y de compuestos inorganicos. La seleccion de los experimentos que se recogen aqui se ha llevado a cabo de forma que combinen tecnicas y metodos de sintesis, a la vez que permitan la manipulacion de un material de laboratorio variado. Este libro no se ha concebido como un libro de texto, donde normalmente se trata con bastante amplitud algunos aspectos particulares de formas de trabajo en el laboratorio y los fundamentos teoricos de las tecnicas de caracterizacion. Tampoco constituye una coleccion de recetas de sintesis o de reacciones de demostracion. Mas bien pretende trazar el programa de una asignatura esencialmente practica. For eso, el numero de temas que se recogen es reducido e incorporan, ademas de procedimientos experimentales, unos contenidos especificos de tecnicas de trabajo en el laboratorio y unas actividades que complementan al experimento. No obstante, se ha optado por hacer una mencion muy breve de estas, solo para reflejar las ideas principales y sugerir una metodologia didactica (exposition por el profesor, trabajo individual, trabajo en grupo y/o demostracion), lo que deja una presentation mas flexible para que el profesor pueda utilizar fuentes de information actualizadas. En relation con los contenidos, predominan los experimentos de sintesis, cuya complejidad aumenta a lo largo del programa, si bien se incluyen unos
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Miguel Molina, Manuel Martinez, Javier Garcia, Dolores Lozano, Conception Salinas
temas (1 a 5) que ayudan a consolidar formas de trabajo en el laboratorio, y otros (12 a 14) dedicados especialmente a la caracterizacion de compuestos inorganicos. Hemos comprobado que cada uno de estos temas puede llevarse a cabo en una sesion de 2-3 horas, mientras los restantes (6 a 11 y 14 a 17) requieren dos sesiones para su desarrollo. For consiguiente, el programa puede cubrirse en alrededor de 80 horas. For otra parte, se ha tenido en cuenta la limitacion en el numero de vitrinas de gases que eventualmente pueda darse en el laboratorio. For ello, en los temas 6, 11 y 16 se abren dos posibilidades, para elegir la que convenga y seguir manteniendo las actividades complementarias propuestas. Se ha hecho un esfuerzo en presentar los experimentos con una estructura comun. Tras una breve introduccion, se incorpora el apartado conocimientos previos donde se dibujan los contenidos basicos que ayudan a comprender el experimento, y que el alumno debe repasar antes de comenzar la sesion de laboratorio. En el siguiente apartado, sugerencias para el seminario/taller, se recogen unas actividades para que el profesor trabaje conjuntamente con el grupo de alumnos en el laboratorio. A continuacion se detalla el procedimiento experimental que incluye, cuando se ha creido conveniente, unas notas especiales de seguridad y algunos ensayos que ayuden a comprender el fundamento del metodo de sintesis del producto. Finalmente se plantean unas cuestiones para que se afiancen los contenidos y una bibliografia especificapara saber mas de algunos aspectos del tema. For ultimo, hay que destacar que la experiencia alcanzada tras el desarrollo de este programa ha sido muy satisfactoria. En opinion tanto del alumnado como del profesorado se ha conseguido conjugar el esfuerzo continuado del alumno con la satisfaccion que produce el trabajo en el laboratorio, posiblemente por la incorporation de algunos experimentos que, ademas de su contenido cientifico, despiertan el entusiasmo que sentimos por la Quimica. Alicante, Julio de 2004 Los Autores
1. LIBRETA DE LABORATORIO. SEGURIDAD EN EL LABORATORIO LIBRETA DE LABORATORIO La libreta de laboratorio tiene como finalidad dejar por escrito los procedimientos y resultados experimentales de forma que se pueda repetir el experimento en otra ocasion. Por tanto, todo lo que se haga en el laboratorio (esquemas, reacciones etc.), debe quedar reflejado en esta libreta. Para facilitar la busqueda, conviene que tenga un indice. Cada practica debe tener, al menos, los siguientes apartados: Fecha. Todo debe escribirse en orden cronologico. Titulo del experimento. Aspectos teoricos. Los que se consideren mas relacionados con el experimento. A veces pueden ser datos de propiedades de reactivos. Reacciones que intervienen en la sintesis. Esquema del procedimiento a seguir. Se trata de anotar las etapas del mismo, su justificacion, el papel de los reactivos, las condiciones en las que se desarrolla el experimento, los fenomenos que se ban observado (cambio de color, aparicion de un precipitado, aumento de la temperatura...) A veces conviene dibujar un aparato, o el material utilizado. Calculos y mediciones. La libreta debe contener todas las anotaciones de pesos, taras, rendimientos y calculos que se hayan realizado durante el experimento. Ensayos. Se anotara lo que se observe y su interpretacion. Cuestiones para responder por escrito.
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SEGURIDAD EN EL LABORATORIO Para que el trabajo en el laboratorio se lleve a cabo de forma segura es necesario conocer los peligros asociados con los reactivos, aprender unos principios básicos sobre manipulación de materiales y de productos químicos y unas normas generales sobre seguridad personal y comportamiento en el laboratorio. SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER • Exposición: Normas generales de trabajo en un laboratorio y actuación en caso de accidente o emergencia. • Exposición: Fuentes de información relativas a datos de seguridad de un producto químico.
Algunos elementos de seguridad y recipiente para residuos.
Experiments de Quimica Inorgdnica
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ACTIVIDAD
• Dibuje un piano del laboratorio donde se ubiquen los elementos de seguridad y los recipientes para residues. • Identifique la informacion incluida en la etiqueta de un producto quimico. • Enumere los apartados de la ficha de datos de seguridad de un producto quimico. • Compare la informacion bibliografica relativa a seguridad acerca de un producto quimico. For ejemplo: Acido sulfurico. • Compare la toxicologia de tres productos quimicos de acuerdo a la dosis letal. For ejemplo: Acido sulfurico, propanona y cloruro sodico. PARA SABER MAS DE: Normas de seguridad en laboratories http://www.unav.es/seglab/ http://www.ua.es/centros/ciencias/seguridad/pra_lab_seg.htm ALGUNOS SIMBOLOS DE PELIGROSIDAD
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ETIQUETA DE UN PRODUCTO QUIMICO
2. PREDICCION DE REACCIONES La prediccion de las reacciones constituye una guia valiosa para llevar a cabo un experimento con exito, ya que ayuda a diferenciar los reactivos que intervienen directamente en la sintesis de aquellos que proporcionan las condiciones para que el rendimiento y pureza del producto scan aceptables. CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Formulacion y nomenclatura de compuestos inorganicos. • Tipos principales de reacciones quimicas en disolucion acuosa: Precipitacion, acido-base y oxidacion-reduccion. • Calculos basados en ecuaciones quimicas: Ajuste de reacciones y preparacion de disoluciones. CUESTIONES
1. Complete, ajuste y clasifique las reacciones, detallando los estados fisicos de reactivos y productos. Ejemplo: Pb(NO3)2 (ac) + K2CrO4(ac) -> PbCrO4^; + 2KNO^(ac) Reaccion de precipitacion 1. 2. 3. 4. 5.
CaCl2 + Pb(OH)2 + HC104 + CuO + SO2 +
Na2CO3 H2S NH4OH HC1 NaOH
-> -> -» -> -»
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6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.
SiO2 KHCO3 NH4C1
4 4 4
NaCl
4
HC1
Fe C WO3 Fe
Mn3O4
Zn K C12 Cl,
4
+ ^ 4 +^
-f ^ ^ •+
CaO H2O
-> ->
02 02 H2 C12 Al
-, -> -* -> -»
NaOH CaCO, H2S04
-> -> ->
CuSO4
->
NaBr NaOH
-> ->
H2O
->
2. Utilizando el esquema, escriba las reacciones que intervienen en la sintesis de Na2CO3, NaH y Na2S2O3 a partir de NaCl.
3. Partiendo de disoluciones de NaOH, K2SO4, Mg(NO3)2, BaCl2 y NaCl, seleccione las que considere necesarias para la sintesis de BaSO4 y Mg(OH)2. Explique como llevaria a cabo la sintesis. 4. La reaccion KO2 + CO2—> K2CO3 + O2 se utiliza en sistemas de supervivencia para reemplazar el CO2 en el aire espirado por O2. ^Cuantos moles de O2 se producen cuando reaccionan 156g de CO2 con un exceso de KO2? ^Cuantos gramos de KO2 se consumen por cada lOOg de CO2 eliminados de un aire espirado?. 5. ^Cuantos ml de una disolucion de AgNO3 0,650M utilizaria para preparar por dilucion 250ml de AgNO3 0,423M?. 6. Para preparar CuCl, se adiciona Ig de Na2SO3 a una disolucion que contiene l,3g de CuCl2. ^Cual de los dos reactivos esta en exceso?.
3. PAGINAS WEB Internet ofrece el acceso a un gran numero de experimentos de Quimica en formato texto, imagen 6 video, como por ejemplo los recogidos en http:// www.chem.leeds.ac.uk7. Para la busqueda de las paginas Web donde se encuentran estos experimentos se requiere el uso de programas informaticos. CONOCIMIENTOS PREV1OS
• Navegadores de INTERNET (Netscape, Internet Explorer) • Buscadores generates de paginas Web (Yahoo, Google) SUGERENCIAS SEMINARIO/TALLER
• Busquedas avanzadas (busqueda logica, por tipo de archive, por idioma) http://www.google.es/advanced_search?hl=es • Buscadores generates con la categoria de busqueda en Quimica http://dir.yahoo.com/Science/Chemistry/ • Buscadores especificos en temas relacionados con la Quimica http://chemfinder.cambridgesoft.com/ ACTIVIDAD Utilizando los distintos procedimientos indicados por el profesor busque una pagina Web donde se muestre un experimento de Quimica Inorganica. Anote los distintos pasos que se ha realizado asi como las paginas visitadas hasta llegar al experimento seleccionado.
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Búsqueda de páginas Web en Internet.
Posteriormente, haga una puesta en común en la que describa a sus compañeros como ha hecho la búsqueda, las dificultades encontradas y por qué ha seleccionado ese experimento en cuestión. Tras la redacción de un párrafo de cuatro o cinco líneas que resuma y valore los aspectos más relevantes de la página seleccionada, envíe dicho párrafo a la dirección electrónica del profesor.
4. MATERIAL DE LABORATORIO. ESQUEMA DE UN MONTAJE La preparation de un experimento requiere, entre otras actividades, la selection del material del laboratorio. Dicha selection cobra especial importancia cuando se manipulan reactivos o productos gaseosos, o el procedimiento requiere unas condiciones especiales (vacio, presion, atmosferas oxidantes, etc.) SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER
• Exposition: Caracteristicas del vidrio, uniones y Haves mas comunes en el laboratorio. ACTIVIDAD
• Seleccione de un catalogo el material necesario para el montaje requerido para una sintesis. For ejemplo: Sintesis del N2O4 (RJ. Angelici, Tecnica y sintesis en Quimica Inorgdnica, Reverte. 1979). CUESTIONES
Despues de leer el procedimiento experimental. 1. Dibuje el montaje con el material que ha seleccionado del catalogo. 2. Nombre el material. 3. Justifique el papel de los materiales y de los reactivos que intervienen en la sintesis.
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Soplado de vidrio (taller de la Universidad Alicante)
PARA SABER MÁS DIÍ: Material de laboratorio http://www.sigmaaldrich.com/Area_of_Interest/Equip Supplies_ Home/Glassware_Catalog.html http://www.labdepotinc.com/category_details~id~93.aspx J. Tanaka, S. Suib, Experimental methods in Inorganic Chemistry, Prcnticc-Hall Int., 1999
5. SÍNTESIS DE ELEMENTOS Y COMPUESTOS GASEOSOS: O2 (adaptada de: G. Brauer, Química Inorgánica preparativa, Reverte, 1958) Los elementos y compuestos gaseosos más comunes se comercializan envasados en botellas a presión. No obstante, cuando los gases son muy inestables, o la cantidad que se requiere es muy pequeña, conviene prepararlos «in situ». SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER • Trabajo en grupo: Diferentes estrategias de síntesis de elementos y compuestos gaseosos. Por ejemplo: Electrólisis, disociación térmica, reacciones entre gases, etc. • Demostración del paramagnetismo del oxígeno líquido PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Precauciones especiales de seguridad El peróxido de hidrógeno es irritante y corrosivo. Se debe manipular con guantes. Se vierte gota a gota lOml de peróxido de hidrógeno al 33% sobre Ig de dióxido de manganeso, utilizando un generador de gases unido a un frasco de seguridad y luego a un frasco lavador de gases que contiene agua. La salida se conecta a un codo de vidrio que permita recoger el gas en una probeta, la
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cual se ha llenado con agua y se ha colocado invertida en un recipiente con agua. Adicionalmente, se llena un tubo de ensayo grande con oxígeno y se cierra con un tapón. Dicho tubo se sumerge en nitrógeno líquido y se aplica un imán potente a la gota de oxígeno líquido obtenida. PARA SABER MÁS DE: Obtención de gases H. GRUBITSCH, Química Inorgánica Experimental, Aguilar, 1959.
Demostración del paramagnetismo del oxígeno liquido.
6. PREPARACION DE METALES: Cu, Pb, Mn (adaptada de: G.G. Schlessinger, Preparation de Compuestos Inorgdnicos en el Laboratorio, Compania Editorial Continental S.A. 1965 y E. Calvet, Quimica General Aplicada a la Industria, con Prdcticas de Laboratorio, Salvat. 1959) La mayoria de los metales se encuentran en la naturaleza formando compuestos: oxidos, sulfuros, carbonates, sulfatos y cloruros. For tanto, para obtener el elemento metalico es necesario un proceso de reduccion, el cual se puede llevar a cabo con hidrogeno, carbon, monoxido de carbono, metales mas activos o por electricidad. En esta practica, se obtiene cobre por reduccion con hierro, plomo por reduccion con carbon y manganeso por reduccion con aluminio. CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Prediccion de la espontaneidad de una reaccion redox. • Utilizacion del Diagrama de Ellingham. SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER
• Exposicion: Metodos de calentamiento utilizados en el laboratorio. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL a) Obtencion de cobre por cementation Se sumergen aproximadamente l,5g de clavos de hierro, previamente desengrasados, en acido clorhidrico diluido (~1M) durante unos segundos, y
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Homo de mufla de laboratorio
se enjuagan seguidamente con agua destilada. A continuacion, se sumergen en 100ml de una disolucion de sulfato de cobre que contenga la cantidad de producto correspondiente a Ig de Cu. Una vez completa la reaccion, se separa el cobre formado del posible resto de hierro, se seca entre papel de filtro y se pesa. b) Obtencion de plomo mediante reduction con carbon La receta que se describe a continuacion debera adaptarse para obtener lOg de plomo. Se mezclan muy bien 25g de oxido de plomo(II) con 6g de carbon finamente dividido. Se calienta todo en un crisol tapado durante una hora con un mechero Bunsen a la maxima potencia. Una vez finalizada la reaccion, se vuelca la mezcla sobre agua fria y se separan las particulas de carbon sin reaccionar de las de plomo por flotacion en agua.
Experiments de Quimica Inorganica
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c) Obtencion de manganeso mediante reduction con aluminio Precauciones especiales de seguridad El aluminio en polvo es nocivo por inhalacion o ingestion. Se debe utilizar mascarilla. Si aparentemente la reaccion no se inicia en el crisol, debe esperarse por lo menos cinco minutes antes de examinar la mezcla de reaccion. La receta que se describe a continuacion debera adaptarse para obtener lOg de manganeso. Se tratan lOg de oxido de manganeso(IV) natural durante una hora a una temperatura entre 800 y 900 °C para transformarlo en Mn3O4. Se toman 6,5g del oxido tratado, se molturan y se mezclan en un erlenmeyer tapado con 2,2g de aluminio en polvo. Se coloca la mezcla en un crisol de barro y se compacta bien. En el centre de la mezcla se hace un orificio y se rellena con magnesio en polvo. Se inserta en el centro una cinta de magnesio metalico que se habra limpiado hasta observar el brillo metalico. El crisol se introduce hasta la mitad dentro de un recipiente que contenga arena situado dentro de la vitrina de gases. Se enciende la cinta de magnesio y el operador se retira. Cuando ha terminado la reaccion, se deja enfriar el crisol, se rompe y se separa de forma mecanica el regulo de metal formado. CUESTIONES
1. Justifique mediante los potenciales de reduccion las reacciones que tienen lugar en la obtencion del cobre. 2. Justifique desde un punto de vista termodinamico el metodo de preparacion del plomo y de manganeso. 3. Enumere distintos metodos/sistemas de calentamiento en el laboratorio. PARA SABER MAS DE: Obtencion de metales D. F. Shriver, P.W. Atkins, C. H. Langford, Quimica Inorganica, Reverte, S.A. 1998. Metodos de calentamiento G.S. Coyne, The laboratory companion. A practical guide to materials, equipment and technique. Wiley-Interscience, 1997. H. Grubitsch, Quimica inorgdnica Experimental, Aguilar 1959.
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7. PREPARACION DE NaHCO3 Y Na2CO3 (adaptada de: G.G.Schlessinger, Preparation de compuestos inorgdnicos en el laboratorio. Compania Editorial Continental S.A. 1965) El cloruro sodico es la materia prima mas utilizada en la fabrication de productos quimicos. Grandes sectores de la industria quimica, como la industria cloro-alcali, o el proceso Solvay, de obtencion de bicarbonate y carbonate sodico, estan basados en esta sal. CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Hidrolisis de sales. • Conceptos de solubilidad, disolucion saturada, precipitation. • Calculos graficos de concentration en disolucion en funcion del pH. SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER
• Exposition: Almacenamiento y manipulation de gases comprimidos en el laboratorio. • Trabajo individual: Construction del diagrama de equilibrio de concentration de especies carbonato-bicarbonato en funcion del pH. • Trabajo en grupo: Analisis de las etapas comunes entre la sintesis industrial y en el laboratorio de bicarbonato sodico.
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Botellas de gases y reguladores de presión
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL a) Bicarbonate sodico Precauciones especiales de seguridad El amoniaco es toxico y corrosive. Las disoluciones concentradas se deben manipular en vitrina de gases. Las botellas de gases estan a presion. Se deben manipular con cuidado. La receta que se describe a continuacion debera adaptarse para obtener lOg del producto. Se disuelven en un vaso de precipitado x g de cloruro sodico pulverizado en 5x g de una disolucion de NH3 en agua al 10%. Se cubre el vaso con un papel haciendo un orificio por el que se introduce un tubo de entrada para el CO2. Se permite el paso de una corriente uniforme de CO2 hacia el vaso, que de vez en cuando se agita con movimientos de rotacion. Despues de cierto tiempo precipita repentinamente el producto. Se continua el paso de gas durante media hora mas y se mide el pH. Se filtra el producto y a continuacion se seca por prensado en papel de filtro. b) Carbonato sodico La mitad del bicarbonate sodico obtenido se calienta lentamente en un crisol de porcelana dentro de un horno de mufla hasta 300 °C. Se considera que la reaccion ha finalizado cuando el peso del crisol despues del tratamiento termico es constante. ENSAYOS 1. Mida el pH de las disoluciones de bicarbonato sodico y carbonato sodico. Justifique los valores obtenidos. 2. Guarde una pequena porcion de bicarbonato sodico para la practica 13. CUESTIONES
1. Haga un esquema del sistema de reduccion de presion que se necesita para obtener un flujo controlado de N2. 2. Indique las diferencias entre un gas comprimido y un gas licuado. 3. Indique las medidas de seguridad que deben guardarse para trabajar con gases comprimidos en el laboratorio. 4. Compare el pH teorico y experimental al que precipita el bicarbonato sodico.
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5. Justifique la precipitacion del bicarbonate sodico con los datos de solubilidad de todas las especies presentes en el medio de reaccion. PARA SABER MAs DE: Gases comprimidos en el laboratorio G.S. Coyne, The laboratory companion. A practical guide to materials, equipment and technique. Wiley-Interscience, 1997. www.pp.okstate.edu/ehs/MODULES/cylinder/intro.htm Sistemas acido-base. Calculo de concentraciones en equilibrio F. Burriel Marti, F. Lucena Conde, S. Arribas Jimeno, J. Hernandez Mendez, Quimica Analitica Cualitativa. 18a edicion. Thomson, 1985.
8. PREPARACION DE COLOIDES: SOLYGELDESiO 2 (adaptada de: G. Brauer, Quimica Inorgdnica Preparativa, Reverte. 1958 y de H.W. Roesky, K. Mockel, Chemical Curiosities, VHC, 1996)
El tamano de las particulas en una dispersion coloidal es intermedio entre el existente en una suspension y en una disolucion. For tanto, las particulas no se depositan con facilidad, pero tienen un tamano suficiente para que dispersen la luz. Las dispersiones coloidales de solidos en liquidos reciben el nombre de soles y de geles. CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Dispersion coloidal: Efecto Tyndall, dialisis y estabilidad de los coloides. • Composicion y metodo de preparacion de las disoluciones de silicate sodico o «vidrio soluble». SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER
• Trabajo individual: Interpretacion del diagrama de fases Na2O-SiO2-H2O. • Exposicion: Metodos de sintesis sol-gel. • Demostracion de la dialisis a traves de la formacion de un compuesto coloreado. For ejemplo: Observar el paso de cationes Fe(III) a traves de la membrana mediante la formacion de complejos con sulfocianuro o con cianuro.
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Transferencia de Fe(III) a traves de una membrana semipermeable detectada por la formacion de un complejo con SCN
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Precauciones especiales de seguridad El silicate sodico es corrosive (puede causar quemaduras en contacto con los ojos o la piel). Se deben utilizar guantes. El acido clorhidrico es toxico y corrosivo. Las disoluciones concentradas se deben manipular en vitrina de gases. a) Sol de silice Las cantidades indicadas en la receta que se describe a continuacion deberan reducirse una cuarta parte. En un vaso de plastico (las disoluciones de alcalis concentradas reaccionan con el vidrio) se disuelven 60g de disolucion de silicato sodico en 200ml de agua. La solucion clara y fria se vierte, con agitacion, sobre 100ml de una disolucion de HCl(35%):agua, 1:1. La solucion resultante debe tener reaccion acida. A continuacion, se precede a dializar el sol. Para ello se sumerge la membrana de dialisis que contiene el sol en un recipiente con agua. Previamente se ha acondicionado la membrana hirviendola durante 10 minutos en una disolucion acuosa de EDTA (3g en 250ml). La membrana no debe tocarse con las manos. Conviene cambiar el agua del recipiente varias veces, hasta ausencia de reaccion acida al papel tornasol. Para comprobar el
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proceso de dialisis, se toman unas gotas del sol y se ensaya con AgNO3 hasta que solo de un ligero enturbiamiento. El producto final es una disolucion clara que, a simple vista, no acusa turbidez alguna. ENSAYOS 1. Evapore una muestra del sol de silice sobre un vidrio de reloj. 2. Compruebe el efecto Tyndall, haciendo pasar un haz de un laser a traves del sol. 3. Compare la estabilidad de la disolucion dializada y sin dializar, una vez transcurridas varias horas. b) Gel de silice La receta que se describe a continuacion debera adaptarse para obtener 5g de producto seco (SiO2). La disolucion de silicato sodico utilizada, de densidad 1,36 g/cm3, contiene 491,4g del soluto (SiO2/Na2O molar = 3,36) por litro de disolucion. En un vaso de plastico, con agitacion mecanica, se diluyen 3,4 litres de disolucion de silicato sodico de densidad 1,36 g/cm3 con un litro de agua. La disolucion resultante se trata poco a poco con HC1 10M hasta pH= 8 (preparar 100ml de disolucion de HC1 10M). Se mantiene la agitacion durante una hora a temperatura ambiente. Se controla el pH de vez en cuando para que se mantenga cercano a 8. Finalizado este periodo, se filtra a vacio y el solido se lava hasta que las aguas de lavado no acusen reaccion acida. Se pesa el producto humedo. La mitad del precipitado se seca a 250 °C durante doce horas. Al dia siguiente se pesa para calcular el rendimiento. c) Jardin de silicatos Se vierten en un vaso de plastico 100ml de la disolucion comercial de silicato sodico y 200ml de agua. Se pasa la disolucion a un recipiente de plastico transparente. Se agregan unos cristalitos de algunas de las siguientes sales (cada grupo de alumnos utilizara tres de ellas, segun indicacion del profesor): A1C13«6H2O, FeCl3«6H2O, CuCl2-2H2O, CrCl3-6H2O, CoCl2«6H2O, BaCl2, MnSO4, Ni(NO3)2«6H2O, dejandolos caer en el fondo del recipiente de manera que esten repartidas homogeneamente. Se cubre el recipiente con una tapa. En unos segundos se forman silicatos metalicos con formas curiosas: agujas blancas Al(III), Mn(II) y Ca(II), violetas Co(II), arbustos verdes Ni(II), Cr(III) y ocres Fe(III).
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CUESTIONES
1. ^Que se entiende por silicate sodico soluble o vidrio soluble?. Situe la composicion del silicato utilizado en el diagrama Na2O-SiO2-H2O. 2. Haga un analisis comparativo de los procedimientos experimentales utilizados en la preparacion del sol y el gel de silice. 3. ^Por que se realiza la dialisis? ^Que ocurriria si no se realizara?. 4. ^Que diferencias existen entre un xerogel y un aerogel?. 5. Escriba las reacciones que tienen lugar en la formacion del jardin de silicatos. PARA SABER MAS DE: Proceso sol-gel U. Schubert, N. Hiising, Synthesis of Inorganic Materials, Wiley-VCH, 2000. http://www.sol-gel.com/chemi.htm Dialisis H. Grubitsch, Quimica inorgdnica Experimental, Aguilar 1959.
9. PREPARACION DE K2MnO4 (adaptada de: G. Pass y H. Sutcliffe, Practical Inorganic Chemistry: Preparations, Reactions & Instrumental methods, Chapman and Hall, 1974) El manganeso exhibe una amplia gama de estados de oxidacion, de 0 a VII, con estabilidades diferentes y, ademas, dependientes del pH. Algunos estados de oxidacion solo se estabilizan en condiciones muy especificas. Este es el caso del Mn(VI), que solo es estable en un medio fuertemente alcalino. CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Estados de oxidacion mas comunes de los metales de la primera serie de transicion: Acuocationes, oxocationes y oxoaniones. • Utilizacion del Diagrama de Pourbaix. SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER
• Trabajo individual: Construccion de la parte del diagrama de Pourbaix del manganeso relacionada con la sintesis del manganato. • Exposicion: Tecnicas de enfriamiento utilizadas en el laboratorio. • Demostracion de las propiedades refrigerantes del nitrogeno liquido. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Precauciones especiales de seguridad El manganato potasico es irritante. Se debe manipular con guantes. El hidroxido potasico es nocivo y corrosive. Se debe manipular con guantes.
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Trasvase de nitrogeno liquido a un vaso Dewar
Se disuelven 6g de hidroxido potasico en 5ml de agua previamente hervida y se le anaden 2g de permanganate potasico. Se calienta la disolucion a ebullicion (alrededor de 120-140 °C) en un erlenmeyer. Con el fin de evitar salpicaduras de la disolucion (fuertemente alcalina) se coloca en la boca del matraz un embudo. Alcanzada la ebullicion, se sigue calentando, con agitacion, hasta que el color piirpura del permanganate cambia al verde del manganato. Cuando la reaccion se completa, se enfria el matraz y se anade una disolucion de hidroxido potasico (lOg de KOH en 10ml de agua previamente hervida). A continuacion se enfria en hielo, apareciendo un polvo cristalino de manganato potasico. Se filtra con un embudo de placa filtrante, se recoge el solido y se realiza con rapidez el ensayo. Nota: Enjuague inmediatamente el embudo de placa filtrante con abimdante agua, haciendo que circule en sentido contrario a la filtracion.
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ENSAYOS 1. Disuelva una pequena cantidad del producto en una disolucion concentrada de hidroxido potasico. Acidifique lentamente la disolucion con acido clorhidrico, registrando el pH y anotando los cambios producidos. Justifique los hechos observados y escriba las reacciones que tienen lugar. CUESTIONES
1. Discuta la estabilidad de los diferentes estados de oxidacion del manganeso en medio acido y en medio basico con ayuda del diagrama de Pourbaix. Justifique la necesidad de trabajar en medio basico en la sintesis del manganato. 2. Describa la forma de preparar un bano de lodo a -35 °C. 3. Dibuje la seccion de un vaso Dewar, destacando los elementos que permiten que mantenga la temperatura de la sustancia que contiene. 4. Justifique el empleo del embudo de placa filtrante en la separacion del manganato potasico. PARA SABER MAs DE: Diagramas de Pourbaix D.F. Shriver, P.W. Atkins, C.H. Langford. Inorganic Chemistry, Oxford University Press. 1999. Tecnicas de enfriamiento G.S. Coyne, The laboratory companion. A practical guide to materials, equipment and technique. Wiley-Interscience, 1997. Experimentos con nitrogeno liquido http://www.ilpi.com/genchem/demo/liquidnitrogen/index.html
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10. PREPARACION DE Na2S2O3-5H2O (adaptada de: G. Pass, H. Sutcliffe, Practical Inorganic Chemistry: preparations, reactions and instrumental methods, Chapman and Hall, 1968) La variedad de estados de oxidacion del azufre permite la existencia de numerosas especies anionicas, algunas simples como el sulfuro, y otras mas complejas como los polisulfuros, oxoacidos y oxosales. Las reacciones de oxidacion-reduccion van a jugar un papel relevante en la sintesis de estas especies. CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Utilizacion del Diagrama de Frost. • Formacion de hidratos en la cristalizacion de compuestos quimicos. SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER
• Exposicion: Metodos de separacion de fases solido-liquido. • Trabajo individual: Analisis del proceso de purificacion del cloruro sodico en el laboratorio. • Demostracion de la "fusion" del tiosulfato sodico pentahidratado y la cristalizacion a partir de una disolucion sobresaturada. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL La receta que se describe a continuacion debera adaptarse para obtener lOg de producto final.
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Se disuelve sulfito sódico en agua caliente en proporción de Ig por 5ml y se añade una papilla formada por azufre en flor y etanol. Se calienta a reflujo hasta que casi todo el azufre haya reaccionado. Se filtra en caliente y se evapora el filtrado hasta que comience la cristalización. Se deja enfriar lentamente obteniéndose cristales en forma de aguja. Se seca el producto a temperatura inferior a 50 °C.
Técnica de calentamiento a reflujo
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ENSAYOS 1. A una disolucion de tiosulfato sodico al 1% en agua, anada acido clorhidrico 2M en partes iguales y caliente a ebullicion. Justifique los hechos observados. CUESTIONES
1. Dibuje el Diagrama de Frost del azufre en medio acido y basico y justifique la estabilidad del tiosulfato. 2. En el caso de que la disolucion del producto este impurificada con un exceso de sulfito sodico, compare las solubilidades de ambos productos y proponga un metodo para separarlos. 3. Enumere los sistemas de filtracion de acuerdo a los materiales empleados y al tamano de particula de la sustancia a separar. 4. Indique el fundamento de la separacion por centrifugacion. 5. Indique las diferencias en el modo de operar en el laboratorio para llevar a cabo la precipitacion y la cristalizacion de un compuesto inorganico. 6. Esquematice el metodo de purificacion del cloruro sodico. 7. Describa el comportamiento del tiosulfato sodico pentahidratado cuando se calienta por encima de 50 °C. PARA SABER MAs DE: Diagrama de Frost http://www.chem.ox.ac.uk/icl/dermot/nonmetals/lecture4/redox.html Metodos de separacion solido-liquido H. Grubitsch, Quimica Inorgdnica Experimental, Aguilar. 1959. R.E. Dodd, P.L. Robinson, Quimica Inorgdnica Experimental, Reverte. 1965. Purificacion del NaCl H. Grubitsch, Quimica Inorgdnica Experimental, Aguilar. 1959.
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11. PREPARACION DE COMPUESTOS DE COORDINACION: [Co(NH3)6]Cl3, [Cu(NH3)4]SO4 (adaptada de: G.G. Schlessinger, Preparation de compuestos inorgdnicos en el labomtorio, Compania Editorial Continental S.A. 1965 y G. Marr, B.W. Rockett, Practical Inorganic Chemistry, Van Nostrand Reinhold Company, 1972) La mayoria de los iones de metales de transicion forman compuestos de coordinacion. La estabilidad de estos compuestos depende tanto del ion metalico como de los ligandos. La sintesis de estos compuestos involucra habitualmente reacciones de sustitucion y de oxidacion-reduccion y, en ocasiones, disociacion termica en estado solido. CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Estructura de compuestos de coordinacion: Numeros de coordination y tipos de ligando. • Enlace en compuestos de coordinacion: Teoria del campo cristalino (TCC). SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER
• Trabajo en grupo: Metodos mas comunes de preparation de compuestos de coordinacion de Co(III) y Cr(III) en el laboratorio. • Trabajo individual: Justification del color de los complejos y su relation con la serie espectroquimica.
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Complejos de Ni (II): [Ni(H 2 O) 6 ] 2t , [Ni(NH 3 ) 6 ] 2 ', [Ni(en)3]2+(dc izquierda a derecha).
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL a) Preparación de
fCofNH^JCl^
Precauciones especiales de segundad El amoniaco es tóxico y corrosivo. Las disoluciones concentradas se deben manipular en vitrina de gases. La receta que se describe a continuación deberá adaptarse para obtener lOg de producto final. Se añaden 240g de cloruro de cobalto(II) hexahidratado y 160g de cloruro de amonio a 200ml de agua. La mezcla se agita hasta la disolución de las sales. A continuación se agregan 4g de carbón activo en polvo y 500ml de una disolución concentrada de amoniaco. Se pasa una corriente de aire (aproximadamente 5 burbujas/segundo) a través de la mezcla durante tres horas. Durante el proceso, la disolución cambia de color rojo a un color café amarillento. El producto cristaliza a medida que la reacción va sucediendo.
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La mezcla de carbón y de producto se filtra, se deja escurrir bien y, a continuación, se agrega a una disolución de 25ml de ácido clorhídrico concentrado en 1500ml de agua caliente. Cuando toda la sal se ha disuelto (calentando si es necesario), el residuo de carbón se filtra de la disolución caliente. El filtrado se coloca en hielo y se añaden 400ml de ácido clorhídrico concentrado, previamente enfriado en un baño de hielo, y después se agita. Se enfría la mezcla en un baño de hielo hasta que cristalice todo el producto. A continuación, se filtra y el producto se lava, primero con lOOml de alcohol al 60% enfriado en un baño de hielo y después con la misma cantidad de alcohol al 95%. En procedimientos que se lleven a menor escala, se deberá utilizar por lo menos Ig de carbón activo. ENSAYOS 1. Prepare una disolución del producto y añada ácido clorhídrico 2M. Divídala en dos partes. Deje una parte a temperatura ambiente y caliente la otra hasta ebullición. Justifique los hechos observados. 2. (iuarde una porción del producto para la práctica 12 b) Preparación de [Cu(NH^)JSO4 Precauciones especiales de seguridad La realización de la práctica y el lavado del material deben realizarse en la vitrina de gases. La receta que se describe a continuación deberá adaptarse para obtener lOg de producto final. Se molturan 5g de sulfato de cobre(II) pentahidratado y, por calentamiento gradual en una cápsula de porcelana, se deshidratan. Cuando el sólido está totalmente blanco, se deja enfriar en un desecador. Posteriormente se introduce en un tubo de reacción procurando que el sólido ocupe la máxima superficie posible y se tapan los extremos del tubo hasta que se conecte el resto del montaje. Se prepara una corriente de amoniaco con un generador de gases, un frasco de seguridad y un frasco lavador que contiene óxido de calcio. En el matraz del generador de gases se colocan 30g de cloruro de amonio y en el embudo de adición una disolución de 25g de NaOH en 30ml de agua. Se conecta la salida de este dispositivo a la entrada del tubo de reacción. La salida del tubo de reacción se conecta a un embudo invertido que va a parar a una disolución de HC1 diluido. El embudo no debe sumergirse totalmente en la disolución.
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Una vez finalizado el montaje se inicia la producción de amoniaco. La reacción termina cuando el color del nuevo producto formado en el tubo de reacción es uniforme. ENSAYOS 1. Disuelva 1,2g de sulfato de cobre pentahidratado y 0,6g de sulfato amónico en 2ml de agua caliente. Posteriormente deje que la disolución se enfríe lentamente. Justifique los hechos observados. CUESTIONAS 1. Indique cuales son los reactivos más habituales para preparar compuestos de Co(III) y las etapas generales que intervienen. 2. Indique cuales son los reactivos más habituales para preparar compuestos de Cr(III) y las etapas generales que intervienen. 3. Compare las recetas utilizadas para la síntesis de [Co(NH3)6]Cl3 y la de [CoCl(NII 3 ) 5 ]Cl 2 y analice qué factores determinan la obtención de uno u otro compuesto. 4. Compare el método de preparación en la receta y en el ensayo del [Cu(NH3)4)]SO4 y analice los factores que determinan el complejo formado. 5. Seleccione tres compuestos de coordinación con el mismo catión central y diferentes ligandos. Relacione su color con la serie espectroquímica. PARA SABHR MÁS DE: Preparación de compuestos de coordinación F. Basólo, R.C. Johnson, Química de los compuestos de coordinación, Reverte, 1980. G. Brauer, Química Inorgánica Preparativa, Reverte, 1958. G.G. Schlessinger, Preparación de compuestos inorgánicos en el laboratorio. Compañía Editorial Continental, S.A. 1965. Color de los compuestos de coordinación P. Atkins, L. Jones, Química: Moléculas, materia y cambio, Ediciones Omega, 1998. Síntesis del [CoCl(NH3)5]Cl2 W.L. Jolly, The synthesis and characterization ofinorganic compounds, Prentice Hall, 1970.
12. MEDIDAS DE CONDUCTIVIDAD EN DISOLUCION: DETERMINACION DEL NUMERO DE IONES DE LOS COMPUESTOS [CoCl(NH3)5]Cl2Y [Co(NH3)6]Cl3 (adaptada de: G.S. Girolami, T.B. Rauchfuss, R.J. Angelici, Synthesis and technique in inorganic chemistry: a laboratory manual, University Science Books, 1999)
Las disoluciones de las sustancias ionicas conducen la corriente electrica, propiedad que se utiliza para caracterizar solidos ionicos. La medida de la conductividad de una disolucion permite determinar el mimero de iones del compuesto y por tanto obtener informacion acerca de su estructura. CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Variables que influyen en la conductividad de las disoluciones acuosas. • Medicion de la conductividad electrica de una disolucion e instrumento utilizado. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL a) Determination de la constante conductimetrica de la celula Para realizar esta determinacion se precede como sigue: a) En un vaso de precipitados muy limpio se introduce la cantidad de agua ultrapura suficiente para que el electrodo del conductimetro quede su-
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Conductimetro para medir la conductividad electrica de una disolucion
mergido. El vaso se coloca en un bano termostatizado a 25 °C y se determina la conductancia del agua (CH20). b) Se prepara una disolucion patron de KC1 0,01M y se determina la conductancia de la disolucion patron de la misma manera que en el caso del agua ultrapura (CKCI). La conductividad de esta disolucion a 25 °C, (Xpatr6n), es de 0,001409 Scnr1. c) Usando la ecuacion kcelda = Xpatr6n / CKC1-CH20 se determina la constante de la celula. b) Determination de la conductividad molar de disoluciones ionicas De la misma manera que se ha procedido con la disolucion patron se determina la conductancia de: i) una disolucion acuosa 0,001M de [CoCl(NH3)5]Cl2 y ii) una disolucion acuosa 0,001M de [Co(NH3)6]Cl3. Hay que tener precaucion de limpiar cuidadosamente la celula despues de cada medida. Con los datos de conductancia se calcula la conductividad de la disolucion, (Xdisoiucl6n), a partir de la ecuacion Xdisoluci6n = kcelda»Cdlsoluci6n. La conductividad
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molar (Am) se obtiene del cociente entre la conductividad y la concentracion de la disolucion. Comparando los valores de Am obtenidos con los de sustancias ionicas conocidas se puede determinar el numero de iones presentes en la sal. Los intervales usuales de conductividad molar (Am) a 25 °C son de 118-131, 235273, 408-435, y -560 Smol^cnr1, para conductores de 2, 3, 4 y 5 iones, respectivamente. CUESTIONES 1. Confeccione una Tabla que incluya la formula del compuesto, la conductancia electrica de la disolucion, la conductividad de la disolucion y la conductividad molar. Relacione la conductividad molar de la disolucion con la formula del compuesto. 2. La conductancia de una disolucion acuosa de [CoCl(NH3)5]Cl2 cambia de un dia para otro. Explique los motivos. 3. Se han preparado disoluciones acuosas de tres compuestos de coordinacion distintos que responden a la formula Co»2(en)»3Cl (en: etilendiamina). Las medidas de conductividad indican que estos compuestos aportan a la disolucion 4, 3 y 2 iones, respectivamente. Escriba el nombre de los compuestos. PARA SABER MAs DE: Medidas de conductividad de disoluciones acuosas Z. Szafran, R.M. Pike, M.M. Singh, Microscale Inorganic Chemistry. Comprehensive laboratory Experience, John Wiley and Sons, 1991. G.S. Girolami, T.B. Rauchfuss, RJ. Angelici, Synthesis and technique in inorganic chemistry: a laboratory manual, University Science Books, 1999. Sintesis del [CoCl(NH3)5]Cl2 W.L. Jolly, The synthesis and characterization of inorganic compounds, Prentice Hall, 1970.
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13. ANALISIS TERMOGRAVIMETRICO: DETERMINACION DEL GRADO DE HUMEDAD Y DE LA TEMPERATURA DE DESCOMPOSICION DEL NaHCO, El analisis termogravimetrico consiste en la determinacion de la variacion del peso de una sustancia en funcion de la temperatura. Cualquier proceso que implique cambios de peso, descomposicion, reaccion, perdida de humedad, etc., puede seguirse mediante esta tecnica. CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Efecto de la temperatura sobre la velocidad de una reaction. • Formas de union del agua en compuestos quimicos: Agua de hidratacion, agua de coordination, agua adsorbida, humedad. SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER
• Interpretation de curvas de TG, DTA, DSC de compuestos inorganicos. For ejemplo: Sulfato de cobre pentahidratado, oxalatos alcalinoterreos, etc. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL El equipo instrumental consta de una balanza de precision con atmosfera controlada, un horno con controlador de temperatura, un termopar para medida de la temperatura de la muestra y un ordenador para recogida de
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Termobalanza
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datos. Antes de realizar el experimento se calibra la balanza. A continuacion, se pesa aproximadamente 20mg de la muestra problema (bicarbonate sodico obtenido en la practica 7) en una balanza externa, utilizando el cubilete del equipo. El cubilete con la muestra se coloca en el brazo de la balanza, se cierra el sistema y se coloca el termopar al lado del tubo. Se conecta la recirculacion de agua comprobando el caudal y se sube el horno. Cuando el peso se mantiene aproximadamente constante, se abre la botella y el manorreductor de aire sintetico y se regula el flujo de gas. Se comprueba la salida de gases por el tubo de silicona de la purga que se dirigira al exterior del laboratorio. Finalmente, se programa en el controlador un calentamiento a 10 °C/min hasta 900 °C y se inicia el experimento. CUESTIONES
1. Identifique sobre el termograma las transformaciones que ha experimentado el bicarbonate sodico. 2. Calcule los porcentajes de perdida de peso en las distintas etapas y asigne a numero de moles del compuesto volatilizado. 3. Calcule el rendimiento real en la obtencion de bicarbonate sodico en la practica 7. PARA SABER MAS DE: Analisis Termico M.E. Brown. Introduction to Thermal Analysis. Techniques and Applications. Chapman and Hall 1988. W.W.M. Wendlandt. Thermal Analysis. 3a Edicion. John Wiley & Sons 1986.
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14. MEDIDAS DE SUSCEPTIBILIDAD MAGNETICA: DETERMINACION DEL ESTADO DE OXIDACION DEL MANGANESO EN ALGUNOS COMPUESTOS (adaptada de: Z.S. Teweldemedhin, R.L. Fuller, M. Greenblat, Journal of Chemical Education, 1996, 73, 906-909) El magnetismo de los compuestos de los metales de transicion esta relacionado con el numero de electrones desapareados del ion metalico. For ello, es comun medir la susceptibilidad magnetica de una sustancia para determinar el estado de oxidacion del centre metalico. CONOCIMIENTOS PREV1OS
• Comportamiento de una sustancia paramagnetica o diamagnetica en un campo magnetico. Balanza magnetica. • Relacion entre el momento magnetico de espin solamente (sin considerar la contribucion orbital) y el numero de electrones desapareados. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL a) Determination de la susceptibilidad magnetica de una sustancia Precauciones especiales de seguridad El tetratiocianatocobaltato (II) de mercuric es toxico. Se debe manipular con guantes.
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Esquema de una balanza magnetica
El portamuestras es un tubo con una marca de referenda, donde se va a colocar la sustancia muy molturada y lo mas empaquetada que se pueda. Para realizar el experimento se procede como sigue: a) Se pesa el portamuestras vacio en ausencia de campo magnetico (PI) y en presencia de campo magnetico (P2). Estas dos etapas se repiten hasta que se obtenga un valor de P1-P2 constante (± 0,05mg). b) Se llena el portamuestras hasta la marca de referenda con la sustancia finamente dividida. Para que el solido quede empaquetado conviene anadir pequefias porciones y golpear suavemente el portamuestras despues de cada porcion. c) Se pesa el portamuestras con la muestra en ausencia de campo magnetico (P3) y en presencia de campo magnetico (P4). Estas dos etapas se repiten hasta que se obtenga un valor de P4-P3 constante (± 0,05mg). La atraccion debida solamente al solido, Ap, se obtiene de la ecuacion Ap = (P4-P3)+(P1-P2), ya que el factor (P1-P2) tiene en cuenta el diamagnetismo del portamuestras de vidrio. La susceptibilidad magnetica por unidad de masa, %g, se obtiene de la ecuacion xg»P = B«Ap+K0«v donde P es el peso de la muestra P = P3-P1, B es la constante de calibracion del portamuestras, v es el volumen de la muestra expresado en ml y K0 es la susceptibilidad en volumen del aire desplazado por la muestra (K0=0,029«1Q-6). Para determinar la constante B de la formula anterior, se utiliza como referenda el tetratiocianatocobaltato(II) de mercurio cuyo valor de %g es 16,44»10'6 a 20 °C.
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Una vez calibrado el portamuestras, se pasa a determinar la susceptibilidad magnetica de los siguientes compuestos: MnO, a-Mn2O3, MnO2 y KMnO4. b) Cdlculo del momenta magnetico a partir de la susceptibilidad magnetica A partir de la susceptibilidad por unidad de masa, %g, se calcula la susceptibilidad molar, %M= %g'M, donde Mes el peso molecular. La susceptibilidad molar incluye las contribuciones diamagneticas de los otros atomos presentes en la molecula. Por ello, el valor de la susceptibilidad del atomo paramagnetico, %^, se obtiene considerando que %A = %M + suma de las correcciones diamagneticas. El momento magnetico efectivo |J^(en magnetones de Bohr) se calcula a partir de %A: \ief=2,828[%/)(r-0)]1/2. El valor obtenido se compara con el calculado de la formula de espin solamente [is= [N(N+2)]l/2. Nota: Los compuestos MnO, oc-Mn2O3, MnO2 obedecen la ley de CurieWeiss con 0 = -600 K, -121 K y -430 K, mientras que el KMnO4 obedece la ley de Curie (0 = 0 K). CUESTIONES
1. Dibuje una Tabla que incluya la formula del compuesto, el numero de electrones d, el momento magnetico de espin solamente y el momento magnetico efectivo obtenido experimentalmente. A la vista de los resultados corrobore el estado de oxidacion del manganese en cada compuesto. 2. Sugiera otras aplicaciones de esta tecnica para la caracterizacion de compuestos inorganicos. PARA SABER MAs DE: Susceptibilidad magnetica D.M. Adams, J.B. Raynor, Quimica Inorgdnica Prdctica Avanzada, Reverte, 1966. Z. Szafran, R.M. Pike, M.M. Singh, Microscale Inorganic Chemistry. Comprehensive Laboratory Experience, John Wiley & Sons, 1991.
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15. SINTESIS ELECTROLITICA: K2S2O8 (adaptada de: RJ. Angelici, Tecnica y Sintesis en Quimica Inorganics, Reverie, 1979) La oxidacion por metodos electroliticos permite preparar compuestos donde el estado de oxidacion del atomo central es muy elevado; compuestos que, en muchos casos, resultan dificiles de preparar por metodos quimicos. CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Componentes de una celula electrolitica. SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER
• Trabajo en grupo: Diferentes disenos de celulas electroliticas para la preparacion de compuestos inorganicos en el laboratorio. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Precauciones especiales de seguridad El peroxidisulfato potasico es irritante. El acido suifurico es toxico y corrosive. Las disoluciones concentradas se deben manipular en vitrina de gases, La densidad de corriente es elevada. Se debe trabajar con precaution. La celula consiste en un vaso de precipitados de 100ml, sobre el cual se colocan dos electrodes de platino, de un diametro conocido, soportados por una plancha de silicona o corcho. Los electrodes se conectan a una fuente que
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Dispositivo experimental utilizado en la sintesis del K2S2O8
proporcione una densidad de corriente en el anodo de alrededor de 1 A cm"2. Este nivel de corriente es peligroso y todas las conexiones del electrode deben efectuarse con sumo cuidado. Se prepara una disolucion saturada de KHSO4, saturando con K2SO4 una disolucion de 150ml de agua y 60ml de H2SO4 concentrado. La mejor manera de hacer esto es anadir K2SO4 a la disolucion caliente de H2SO4 hasta que ya no se disuelva mas K2SO4. Entonces se enfria la disolucion a 0 °C en un bano de hielo para asegurar que la precipitacion del exceso de K2SO4 es completa. Se vierte la disolucion sobrenadante en la celula de electrolisis, de manera que los electrodes queden sumergidos en la disolucion al menos 4cm (debe medirse), y se introduce la celula en un bano de hielo. Se conecta a la fuente de energia y se ajusta la intensidad de corriente para que la densidad de corriente anodica sea de 1 A cm"2 (anotese la hora). La corriente requerida viene determinada por el area del anodo. Densidad de corriente = Intensidad de corriente / Area del anodo
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Se deja que pase la corriente durante 30 a 45 minutos, en cuyo tiempo se depositaran en el fondo del tubo cristales blancos de K2S2O8. La reaccion transcurre mas despacio al final de ese periodo, debido al agotamiento del HSO4". Despues del periodo de reaccion, se desconecta la fuente de energia y se anota la hora. Los cristales de K2S2O8 se filtran a vacio y se lavan sobre la placa filtrante primero con etanol al 95 % y despues con eter etilico. ENSAYOS Prepare una disolucion saturada de peroxidisulfato potasico (0,75g de K2S2O8 en la minima cantidad de agua). Anada los siguientes reactivos: 1. Disolucion acidulada de ioduro potasico; si no ocurre nada, caliente suavemente (E°(I2/T)=0,53V). 2. Sulfato de manganeso en acido sulfurico diluido; si no ocurre nada, caliente suavemente. Repetir el ensayo anadiendo una gota de nitrato de plata (E°(MnO4-/Mn2+H,51V). Justifique los hechos observados. Dato: E°(S2O82/SO42>2,01V CUESTIONES
1. Con la densidad de corriente utilizada, determine la cantidad teorica de producto y la eficiencia de la corriente en el proceso. 2. Indique las razones para el bajo rendimiento de corriente en la preparacion de K2S2O8. 3. Enumere y Justifique las condiciones experimentales que minimizan la oxidacion del agua favoreciendo la formacion del K2S2O8. 4. Dibuje diferentes disenos de celulas electroliticas de acuerdo a las caracteristicas del producto a obtener. PARA SABER MAS DE: Sintesis electroliticas W.L. Jolly, The synthesis and characterization of inorganic compounds, Prentice Hall, 1970. Celulas electroliticas para sintesis de compuestos inorganicos R. J. Angelici, Tecnica y Sintesis en Quimica Inorgdnica, Reverte, 1979. D.M. Adams, J.B. Raynor, Quimica Inorgdnica prdctica avanzada, Reverte, 1966. J.D. Wollins, Inorganic Experiments, VHC, 1999. G. Pass, H. Sutchcliffe, Practical inorganic chemistry, Chapman and Hall, 1979.
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16. SINTESIS DE COMPUESTOS SENSIBLES AL AIRE: CuCl, Cr(OAc)2 (adaptada de: G. Pass, H. Sutcliffe, Practical Inorganic Chemistry: preparations, reactions and instrumental methods, Chapman and Hall, 1968 y W.L. Jolly, The synthesis and characterization of inorganic compounds, Prentice Hall, 1970) La existencia de especies inestables en contacto con el aire, como el cloruro de cobre(I) o el acetato de cromo(II), o a la hidrolisis en presencia de humedad, como el cloruro de hierro(III), hace que en todas o algunas de las etapas de sintesis deban tomarse algunas precauciones. CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Estabilidad de los estados de oxidacion de los metales de la primera serie de transicion en disolucion acuosa. SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER
• Exposicion: Instmmentacion necesaria para llevar a cabo reacciones fuera del contacto con el aire. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL a) Obtencion de cloruro de cobre(I) Precauciones especiales de seguridad El acido clorhidrico y el acido nitrico son toxicos y corrosivos. Las disoluciones concentradas se deben manipular en vitrina de gases.
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Dispositivo experimental para trabajar en atmósfera inerte (Schlenk)
A un erlenmeyer de 250ml que contiene 2g de cobre se añaden 7ml de ácido clorhídrico al 25% y se calienta. A continuación se adicionan lentamente 3,5ml de ácido nítrico al 25%. Una vez que la mayor parte del cobre ha reaccionado se filtra y el líquido, que tendrá un color verdoso, se evapora a sequedad en una cápsula de porcelana, obteniéndose cloruro de cobre(II), sólido de color pardo. Se pesa l,3g de este sólido y se disuelven en 5ml de agua. A esta disolución se le añade lentamente y con agitación constante una disolución de Ig de sulfilo sódico en 5ml de agua. La suspensión de cloruro de cobre(I) formada se diluye con la mitad de una disolución de SO2 obtenida disolviendo 0,lg de sulfilo sódico en lOOml de agua y l,2ml de HC1 2M. El precipitado obtenido se deja que sedimente y se decanta la mayor parte de la disolución sobrenadante. El sólido se fillra a vacío en un embudo de placa filtrante y se lava con el resto de la disolución de SO2, procurando que el cloruro de cobre(I) esté siempre recubierto con una capa de esta disolución. Finalmente, se lava el producto con porciones de ácido acético glacial, alcohol y éter y se seca con papel de filtro. Puesto que el producto se oxida lenlamente al contacto con el aire, se debe guardar en tubo cerrado que contenga nitrógeno.
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ENSAYOS 1. Deje una disolucion de CuCl al aire durante unos minutos. 2. Caliente una pequena porcion del producto solido en un tubo de ensayo. 3. Disuelva una pequena porcion de CuCl2 en agua, adicione unas gotas de una disolucion de KI y a continuacion unas gotas de eter. Justifique los hechos observados. b) Preparation del acetato de cromo(II) dihidratado La receta que se describe a continuacion debera adaptarse para obtener lOg de producto final. La sintesis se lleva a cabo en un quitasato, en cuya boca se acopla un tapon bihoradado. For un agujero del tapon se inserta un tubo de vidrio en forma de U. Un extreme del tubo toca el fondo del quitasato y el otro extremo se introduce en un erlenmeyer. En el otro agujero, se acopla un embudo de adicion. El montaje se completa con un tubo de goma conectado a la salida del quitasato, cuyo extremo final se introduce en un vaso de precipitados con agua. Al tubo de goma se le coloca una pinza de Mohr que se encuentra abierta. Todas las disoluciones se preparan con agua destilada previamente hervida y enfriada a temperatura ambiente. Se disuelven 15g de CrCl3»6H20 en 50ml de agua que se introducen en el quitasato junto con 12g de granalla de cine. Se colocan en el embudo de adicion 25ml de HC1 concentrado y en el erlenmeyer una disolucion preparada con 90g de acetato sodico en 80ml de agua. Para comenzar el experimento, se adiciona el acido gota a gota, lo que provoca la emision de gas que se detecta por un burbujeo en el vaso de precipitados. Se considera que la reaccion se ha completado cuando la disolucion adquiere un color azul cielo. En este momento se agrega el resto del HC1 y se cierra el tubo de goma con la pinza, lo cual provoca que el gas generado en el quitasato empuje a la disolucion hasta el erlenmeyer. Nada mas finalizar el trasvase se tapa la disolucion y se enfria con hielo. A continuacion se filtra la disolucion a vacio y se aplica una atmosfera de nitrogeno utilizando un embudo recto invertido. Los cristales filtrados se lavan con agua hervida fria, etanol frio y eter frio. Una vez seco, el producto se pasa a un tubo de ensayo, se llena con nitrogeno y se tapa. ENSAYOS 1. Caliente una pequena porcion del producto en un tubo de ensayo. 2. Deje la disolucion del producto al aire durante unos minutos. 3. Deje una pequena cantidad de producto al aire. Justifique los hechos observados.
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CUESTIONES
1. Indique por que es necesario obtener el CuCl 6 Cr(OAc)2 en atmosfera inerte y como se consigue en este caso. 2. Proponga un metodo alternative de sintesis de CuCl 6 Cr(OAc)2 que utilice alguna de las tecnicas de trabajo en atmosfera inerte estudiadas. 3. Indique las precauciones a seguir en el caso de compuestos sensibles a la humedad. 4. Puesto que el cloruro de cobre(I) y el acetato de cromo(II) son inestables, se guardan en un sitio cerrado y evitando el contacto con la luz. Indique si seria adecuado guardarlo en un recipiente de aluminio. PARA SABER MAs DE: Reacciones en atmosfera inerte G. Pass, H. Sutcliffe, Practical Inorganic Chemistry, Chapman & Hall, 1968. W.L. Jolly, The synthesis and characterization of inorganic compounds, Prentice Hall, 1970.
17. PREPARACION DE MATERIALES DE INTERES TECNOLOGICO: ORO COLOIDAL Y FERROFLUIDO ACUOSO (adaptada de: J. Breitzer, G. Lisensky, Journal of Chemical Education, 1999, 76, 943-948, y Laboratory Manual for Nanoscale Science and Technology, National Science Foundation, 2001) Mediante reacciones quimicas en disolucion se pueden preparar facilmente nanoparticulas coloidales, las cuales muestran propiedades dependientes del tamano y forma de las particulas. For ejemplo, las suspensiones coloidales de oro varian de color con el tamano de particula, y las suspensiones de nanoparticulas magneticas presentan propiedades fluidodinamicas atractivas. CONOCIMIENTOS PREVIOS
• Tamano de particula de las suspensiones, dispersiones coloidales y nanoparticulas. • Lineas de campo magnetico y ferromagnetismo. SUGERENCIAS PARA SEMINARIO/TALLER
• Trabajo en grupo: Estrategias para la obtencion de nanoparticulas. For ejemplo: Condensacion quimica de vapor, electrospray, proceso sol-gel, etc. • Exposicion: Variacion de las propiedades de los solidos con el tamano de particula.
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL a) Sintesis de una disolucion coloidal de oro Precauciones especiales de seguridad El compuesto de oro debe manejarse con una espatula recubierta de teflon para evitar el eontacto con el metal. Se disuelven lOmg de HAuCL, en 95ml de agua en un erlenmeyer con agitacion magnetica. Cuando la disolucion esta caliente (aprox. 70 °C) se anaden 0,5g de citrato de sodio disueltos en 5ml de agua. La disolucion resultante se sigue calentando sin llegar a ebullicion. Transcurrido un tiempo se observa la aparicion de un cambio de coloracion debido a la formacion de la suspension de oro coloidal.
Efecto Tyndall en una suspension de oro coloidal.
Experimentos de Quimica Inorgdnica
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El tamano de las particulas coloidales de oro determina el color de la disolucion. Se ha comprobado que las disoluciones presentan un color azulado cuando el tamano de particula es superior a 12nm y un color rojizo si es inferior a 12nm. Se puede mostrar la influencia de las condiciones de sintesis en el color de la disolucion y en el tamano de particula si en el experimento descrito se modifica la concentracion de la disolucion de reductor, utilizando 0,15g y l,5g de citrato de sodio y el tipo de reductor, utilizando acido oxalico en lugar de citrato de sodio. Ademas, se puede cambiar la distribucion de tamano de las particulas variando la velocidad de reduccion del compuesto de oro. Si el reductor se adiciona a temperaturas proximas a 50 °C el tamano de las particulas es mas homogeneo. ENSAYOS 1. Ilumine lateralmente la disolucion coloidal de oro con un puntero laser. 2. Determine el espectro de absorcion UV-Vis de las disoluciones coloidales preparadas. b) Ferrofluido acuoso Precauciones especiales de seguridad El amoniaco es toxico y corrosive. Las disoluciones concentradas se deben manejar en vitrina de gases. El hidroxido de tetrametilamonio es nocivo y corrosive. Se debe manipular con guantes y en vitrina de gases. Los imanes utilizados son muy potentes y deben manejarse con cuidado, Pueden ser perjudiciales para bandas magneticas, discos duros y otros componentes electronicos. Se anaden 20ml de una disolucion 1M de FeCl3 a 5ml de una disolucion 2M de FeCl2. Mientras se agita magneticamente, se anade muy lentamente 250ml de una disolucion 1M de amoniaco. Este proceso debe durar unos cinco minutos, por lo que es necesario el uso de un embudo de adicion. Un tiempo despues de la adicion de la disolucion amoniacal se observa que la disolucion, inicialmente marron, oscurece hasta negro (Fe3O4). Con ayuda de un iman potente situado debajo del vaso de precipitados se elimina el exceso de disolucion por decantacion. A continuation se lava el solido con una pequena portion de agua destilada y el exceso de agua de lavado se elimina por decantacion utilizando el iman.
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El solido se trata con 5ml de una disolucion de hidroxido de tetrametilamonio al 25% y la suspension se agita con la ayuda de una varilla de vidrio. A continuacion se elimina el exceso de la disolucion de la misma forma que se hizo con el agua de lavado. ENSAYOS 1. Acerque uno de los polos de un iman de agitacion a la superficie del liquido sin tocarlo. 2. Mueva un iman bajo la superficie del vaso donde esta el ferrofluido para visualizar las lineas del campo magnetico. Justifique los hechos observados. CUESTIONES
1. Enumere distintos metodos de preparacion de nanoparticulas y describa brevemente en que se fundamentan. 2. Incluya un grafico con los espectros de absorcion de oro obtenidos y justifique la variacion del maximo de la banda de absorcion y del ensanchamiento de la banda de acuerdo a las condiciones experimentales utilizadas. PARA SABER MAS DE: Introduction a la nanotecnologia M.A. Ratner, D. Ratner, Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea, Prentice Hall PTR, 1st edition, 2002. Sintesis de nanoparticulas http://www.wtec.org/loyola/nano/02_04.htm Ferrofluidos http://www.nsf.gov/od/lpa/nstw/99/poster/engpost/htm/ferro.htm http://www.physicscentral.com/action/action-03-07.html Preparacion de nanoparticulas metalicas y su color http://www.materialstoday.com/pdfs_7_2/marzan.pdf
