Informe N°5 Analisis Quimico

 

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Geología, Minas y Metalúrgica Laboratorio de Análisis Químico

Separación de cationes de grupo IV

Contreras Ancieta, Cesar  Mayhua Quispe, Jhon Alain

Ing. Suárez Sánchez, María Flor  11 de agosto 2020 Lima

 

FUNDAMENTO TEÓRICO El cuarto grupo analítico de cationes comprende los iones Ca +2, Sr +2 y  Ba+2. A diferencia de la mayoría de los cationes del grupo V, Estos cationes del grupo V, estos iones forman una serie de sales poco solubles solubles con diferentes diferentes aniones. Así, los sulfatos, sulfatos, los fosfatos, los oxalatos y los carbonatos de los cationes del grupo IV son poco solubles. ¿En forma de que sales conviene separar el grupo de cationes IV del grupo de cationes V? La respuesta a esta cuestión depende de una serie de consideraciones. En  primer lugar, es necesario que las sales sean poco solubles en suficiente grado, es decir, que tengan los valores de solubilidad lo menos posibles. Por ejemplo, es imposible  precipitar bastante completamente el grupo IV en solución acuosa en forma de sulfatos, s ulfatos,  porque uno de ellos (CaSO 4) tiene un valor bastante grande del producto de solubilidad (2,37x10-5). Además Además,, las sales sales de un ácido ácido fuerte fuerte –los –los sulfat sulfatosos- son prácticam prácticament entee insolubles en ácidos y en virtud de ello su solubilización después de la separación del grupo V representa una operación relativamente complicada.

El mejor modo de separar los cationes del grupo IV de los del grupo V es transformándolos en carbonatos: CaCO3, SrCO3, BaCO3. En efecto los productos de solubilidad de estas sales son bastante pequeños (del orden de 10 -9) y por eso es posible  precipitar prácticamente todos los cationes del grupo IV. La solubilización del  precipitado obtenido que es necesaria para el análisis ulterior del grupo IV es muy simple, porque a diferencia de los sulfatos, los carbonatos son sales de un ácido débil y se disuelven bien en ácidos. por fin, el exceso de los iones precipitantes, CO 3-2 ,  se elimina fácilmente de la solución por acidificación debido a la descomposición del ácido carbónico que se forma en CO2 y H2O.

En virtud de todo lo expuesto anteriormente se puede decir que la propiedad más importante para el análisis de cationes del grupo IV, a la cual se recurre para separar sus cationes de los cationes del grupo V, es la insolubilidad practica de los carbonatos CaCO3, SrCO3 y BaCO3 en agua. Por el contrario, los sulfuros, de los cationes del grupo IV, lo mismo que los cationes del grupo V, son solubles en agua, lo que distingue el grupo IV de los grupos grupos I, II, III. Los carbonatos de los cationes del grupo IV precipitan cuando el producto de las concentraciones de los iones [ Me +2] [CO3-2] sobrepasa en la solución el valor del PS MeCO3 ( donde Me +2 es un catión cualquiera del grupo IV) .Sin

 

embargo, como reactivo de grupo para el grupo IV se puede utilizar solamente el carbonato amónico (NH4)2CO3,ya que con carbonato de sodio y carbonato de potasio introducimos en la solución los iones Na+ o K +; está absolutamente claro que resulta imposible establecer si estos iones se encontraban antes en la solución analizada.

Todos los metales que forman el grupo analítico IV, pertenecen al segundo grupo del sistema periódico de D. I. Mendeléiev; están situados en la primera mitad de los grandes periodos, es decir, en las series pares. Estos metales se llaman alcalino-térreos; descomponen enérgicamente el agua a temperatura ambiente: Ca + 2H2O   Ca+2 + 2OH- + H2

La actividad química crece de Ca a Ba. En la misma dirección varían también otras muchas propiedades, por ejemplo, la solubilidad de las sales, las propiedades  básicas de los hidróxidos, etc. Como las propiedades básicas de los metales del grupo IV son muy acusadas, sus sales, formadas por los ácidos fuertes, casi no se hidrolizan y  presentan en las soluciones una reacción próxima a la neutra (PH6). A semejanza de los cationes del grupo V, los iones Ca +2, Sr +2 y Ba+2 tienen las capas cap as extern externas as de 8elect 8electron rones es comple completas. tas. En soluci solucione oness acuosa acuosass estos estos iones iones son incoloros.

Reacciones de los iones

2+ ¿¿

Ba

 :

El dicromato potásico K 2Cr 2O7 forma con el ion Ba +2 un precipitado amarillo de BaCrO 4 y no de BaCr 2O7, como sería de esperar. La causa radica en lo siguiente. La solución de K 2Cr 2O7 además de los Cr 2O7-2 contiene una pequeña cantidad de CrO 4-2 que se forman debido a la interacción de los con el agua:

Cr 2O7-2  + H2O  2HCrO4-1   2H+ + 2 CrO4-2 K(HCrO4-1) = [H+] [CrO4-2]/ [ HCrO4-1]=3,2.10-7 La concen concentra tració ción n de los iones CrO4-2  es, sin embarg embargo, o, suficient suficientee para para que el  producto de solubilidad BaCrO4 resu resulte lte sobrep sobrepasad asado o antes antes de que sea alcanz alcanzado ado el  producto de solubilidad de BaCr 2O7. precisamente por eso es BaCrO 4 el que forma el  precipitado:

 

2CrO4-2 + 2Ba+2   2 BaCrO4

sí súmanos las dos ecuaciones, obtendremos la ecuación general de la reacción que estamos analizando: CrO4-2 + 2Ba+2 + H2O   2 BaCrO4 + 2H+ El precipitado de BaCrO4, es soluble en ácidos fuertes, pero es insoluble en ácido acético. Como el ácido fuerte se forma aquí durante la propia reacción, esta última no llega hasta el final. No obstante, se puede lograr la precipitación completa de Ba +2, sí; además de K 2Cr 2O7, añadimos a la solución CH 3COONa; el ácido fuerte se reemplaza  por un ácido débil, el acético, en el que BaCrO4 es insoluble:

CH3COO-+ H+   CH3COOH En esta reacción hace falta un exceso de CH 3COONa, para que una parte de este exceso quede inutilizada, es decir, para que resulte una mezcla amortiguadora acética que mantenga prácticamente constante, a pesar de la formación de los iones H + durante la reacción, el PH (≈5) suficiente para la precipitación completa de BaCrO 4.

Los iones Sr 2+ y Ca2+ no forman precipitaciones por acción de K 2Cr 2O4 y no ponen obstáculos para la identificación de Ba2+. La reacción reacción analizada se emplea no solo para identificar el ion Ba2+ , sino también para separarlos de los iones Ca 2+ y Sr 2+.

El precipitado de BaCrO4  se forma también por acción del cromato de potasio sobre las soluciones de sales de bario. Pero K 2CrO4 da con los iones Sr 2+ un precipitado amarillo de SrCrO4 que se distingue de BaCrO 4 solo por su solubilidad en ácido acético. Para prevenir la formación de SrCrO4 hace falta efectuar la reacción en presencia de CH3COOH o mejor todavía de una mezcla amortiguadora acética. Los iones H +  del ác ácid ido o ac acét ético ico fij fijan an lo loss an anio ione ness CrO CrO42-  formando formando HcrO4- , de ta tall man aner eraa que la concentración de CrO42- en la solución disminuye tanto el producto iónico [Sr 2+] [CrO42-] no alcanza el valor del producto de solubilidad de SrCrO 4 y el precipitado no se forma.

Sr

Reacciones de los iones

2 + ¿¿

 :

 

El ácido ácido sulfúr sulfúrico ico y los sulfatos sulfatos solubl solubles es forman forman un precip precipita itado do blanco blanco de SrSO SrSO 4,  prácticamente insoluble en ácidos, ya que se puede solubilizarlo como BaSO 4 como SrCO3 es menos soluble que SrSO 4, la transformación de estroncio en carbonato es incomparable más fácil que en el caso de BaSO 4.

2+ ¿ ¿

Reacciones de los iones Ca

 :

El oxalato de amonio (NH 4)2C2O2 forma con los iones Ca 2+ un precipitado blanco de oxalato de calcio soluble en ácidos minerales, pero insoluble en ácido acético:

Ca2++ C2O42-   CaC2O4

Esta reacción, que es la reacción cualitativa más importante del ion Ca2+, es interferida  por la presencia de Ba2+ y Sr 2+ que forman con (NH4)2C2O2 precipitados análogos.

Los sulfu Los sulfuro ross so solu lubl bles es (l (los os io ione ness SO42-) fo form rman an un pr prec ecip ipita itado do bl blan anco co de CaSO CaSO4 solamente en las soluciones relativamente concentradas de sales de calcio:

Ca2++ SO42-   CaSO4

El precipitado es soluble en (NH4)2SO4 debido a la formación de una sal compleja de (NH4)2[CaSO4]. el agua de yeso no forma turbidez con las soluciones de las sales de calcio (a diferencia de Ba2+ y Sr 2+).

 CUESTIONARIO 1.

¿Q ¿Qué ué co cons nsid ider erac acio ione ness ssee d deb eben en te tene nerr en en ccue uent ntaa p par araa oobt bten ener er un unaa

precipitación total o completa de los cationes del cuarto grupo de cationes? ¿Por qué es necesario el uso del cloruro de amonio (NH4Cl)? Justifique su respuesta. Se debe tomar en cuenta el ph ya que dependiendo si está dentro o no de los parámetros indicados se producirá una precipitación completa o incompleta. El uso del NH4Cl es  para elevar la capacidad amortiguadora de la solución y por tanto las variaciones de

 

concentración del NH4OH y NH4 + no causen una variación importante en el ph, ya que, la disolución se debe mantener dentro de los parámetros necesarios de ph( ≈9)

2.

¿Q ¿Qué ué otr otroo proc proced edim imie ient ntoo su suge geri rirí ríaa pa para ra rrea eali liza zarr la pr pres esen ente te eexp xper erie ienc ncia ia??



Mediante el uso del K4[Fe(CN)6] se precipita el ion Ca2+ como complejo.



El hidrofosfato de sodio forma con el ion Ba2+ un precipitado de BaHPO4



El agua de yeso (CaSO4.2H2O) forma con Sr2+ un precipitado de turbiedad

SrSO4

3. ¿P ¿Por or qu quéé en en llaa p pre rese sent ntee eexp xper erie ienc ncia ia es mu muyy imp impor orta tant ntee eell lav lavad adoo d dee precipitados? Se lava con el fin de que el precipitado no se solubilice, esto con el H2O +NH4OH y poder filtrar el precipitado sin altercados

4. ¿Se puede realizar directamente la prueba de color a la llama luego de haber separado los tres cationes? ¿Bajo qué forma de compuesto se deben encontrar los cationes para realizar este ensayo? Indique los colores característicos, característicos, que da cada catión en este ensayo. Sí, los cationes deben encontrarse bajo la forma de sales, estas deben ser sales volátiles,  por ejemplo, las sales volátiles de Ba++ tiñen la llama de amarillo verdoso, las sales volátiles de Sr++ dan un color característico rojo-carmín y las sales volátiles de calcio dan a la llama una coloración rojo-ladrillo. Las sales volátiles son combinaciones entre dos elementos no metales, un ejemplo seria la combinación de los cationes del grupo IV con un ion cloro, formando así cloruros. Alexeiev(1975),p.214,216,218,219 Alexeiev(1975),p.214,216,218,219

5. ¿Cuál es el efecto de la temperatura en la identificación de cationes de este grupo? La temperatura en este laboratorio tuvo importación en la precipitación de los cationes. Los cristales formados por los cationes del grupo IV son muy finos por lo que para  poder aumentar la velocidad de precipitación se calienta la solución. Este proceso se  basa en la unión de los cristales, cris tales, los cuales tendrán más peso y precipitarán más rápido. Lo cual se manifiesta nuevamente en las conclusiones de este laboratorio.

NORMA DE SEGURIDAD 6. ¿Qué precauciones se debe tener en cuenta en el almacenamiento del ácido acético concentrado concentrado?? El acido acetico a pesar de ser un acido débil, a grandes concentraciones puede provocar  daños en la salud, al igual que un acido fuerte. Para el almacenamiento del acido acetico

 

se deben deben tener tener las mismas mismas precau precaucio ciones nes de segurid seguridad ad que cuando cuando tratam tratamos os otras otras sustancias corrosivas, esto implica el uso de una vestimenta apropiada, el cual debe incluir guantes, mandil, lentes de seguridad y mascarilla.

Conclusiones. 

En las soluciones presentadas durante el laboratorio, la temperatura tomo un rol importante impo rtante ya que a medida medida que se calentaba la solución se hacía más rápida la  precipitación, este principio es explicado a la aglomeración de los cristales crista les finos, que generaba un aumento en el peso y el tamaño.



Inicialmente en la experiencia se agregaba el cloruro de amonio y luego el hidróxido de amonio, este con el fin de generar una solución buffer, este con el  propósito de mantener un rango establecido de pH; igualmente se repitió el mismo mis mo princi principio pio mas adelante, adelante, luego luego de la reacció reacción n de los carbonato carbonatoss del segu segund ndo o gr grup upo o co con n el ac acid ido o acéti acético co,, se ag agreg rego o el aceta acetato to de amon amonio io.. Las Las soluciones buffer generadas son (NH4Cl + NH4OH) y (CH3COOH+NH4(CH3COO))



Luego de la adición del reactivo de grupo (NH4)2CO3, los cationes del segundo grupo estarán bajo la forma de carbonatos, para disolver estos se hace ante la  presencia de un acido en nuestro caso el ácido acético. Esto se hace aprovechando la propiedad de los carbonatos que efervecen frente a los ácidos.



Luego de la adición del reactivo de grupo (NH4)2CO3 se debe esperar para que sedimente para luego filtrar los carbonatos formados, la precipitación debe ser  en medi medio o alcal alcalin ino, o, pe pero ro se de debe be tene tenerr pr prec ecau auci ción ón,, ya qu quee si se di disu suel elve ve solamente con agua podría volver solubilizarse debido al efecto del ion común, a fin de evitar lo antes mencionado se preparó una solución con agua e hidróxido de amonio. (H2O + NH4OH)



Para la precipitación del catión Ba++ se hace uso del reactivo K2CrO4, este reactivo se obtiene debido a la interacción de los iones (Cr2O7)^2- con agua. El  principio presente para separa el catión bario de lo otros cationes del grupo II, es el pro produc ducto to de solubi solubilid lidad. ad. El precip precipitad itado o de BaCrO4 BaCrO4 es solubl solublee en acidos acidos fuertes, pero insoluble en acido acetico, sin embargo hay que evitar la formación de precipitados de Sr++ y Ca++ para lo cual se forma una mezcla amortiguadora acética con CH3COOH+NH4(CH3COO), los iones de H+ del acido acetico fijan los aniones (CrO4)^2- de tal manera que el producto de solubilidad ionico no alcanza el producto de solubilidad de SrCrO4 y CaCrO4 pero el producto de solubilidad de cromato de bario es sobrepasado, formando asi el precipitado.

 



Para la obtención del catión Sr++ se hace uso del reactivo (NH4)2SO4 sulfato de amonio, pero antes de eso se prepara una solucion alcalina con el (NH4)OH y luego se agrega el reactivo de grupo, (NH4)2CO3, Para que los cationes Sr++ y Ca++ precipiten y sean retenidos, se vuelve a disolver pero ahora se agrego gotas de CH3COOH y se alcalinizo con NH4OH para luego agregar el sulfato de amonio, del cual se aprovecha que el sulfuro de calcio solamente se forma cuando la solucion no es muy diluida. Pero el sulfato de estroncio si precipita formando un precipitado blanco.



Fi Fina nalm lmen ente te para para la pr prec ecip ipit itac ació ión n de Ca++ Ca++ se us usaa el ox oxal alat ato o de amon amonio io (NH4)2C2O4 el cual forma con los iones Ca++ un precipitado blanco de oxalato de ca calc lcio io,, CaC2 CaC2O4 O4 so solu lubl blee en acido acidoss mine minera rale les, s, es esta ta re reacc acció ión n pu pued edee ser  interferidad por la presencia de Ba++ y Sr++ que forman precipitados analogos con el oxalato de amonio, sin embargo en nuestra experiencia de laboratorio no sucede esto, ya que el Ca++ es el último catión tratado y siguiendo la marcha analítica se puede concluir que habrá una mínima cantidad de oxalatos de los otros cationes.

Bibliografia 

Alexéiev.V(1976). Análisis Cualitativo. Editorial: Alexéiev.V(1976). Análisis Cualitativo. Editorial: MIR Moscú



Harvey.D(2002). Química Analítica Moderna. Moderna. Editorial: MC Graw Hill



Alexeiev, V. (1975), Semimicroanálisis Químico Cualitavo (1ra edición). 214,216,218,219 Moscú: Mir parafraseado de las pg . 214,216,218,219