Laboratorio de Química Inorgánica I
2012
LEY PERIODICA, ELEMENTOS DEL GRUPO 1 Y PERIODO 3. ELEMENTOS DEL GRUPO 12. Karent Stephanie Echeverri Ocampo
[email protected] Fabián Rodríguez Julián Arango
[email protected] RESUMEN: durante esta práctica se estudiaron las variaciones a lo largo del grupo1 y 12 y del periodo 3 de los elementos, así como de sus combinaciones químicas como óxidos y cloruros. Se observó que propiedades como la carga nuclear efectiva, el tamaño de las moléculas y la forma de estas pueden alterar comportamientos de compuestos de un mismo grupo o periodo.
2 TEORIA:
PALABRAS CLAVES: ley periódica, solubilidad y propiedades físico-químicas.
A medida que se va de izquierda a derecha en un periodo de la tabla periódica, las propiedades de los elementos cambian gradualmente. Al final de cada periodo, ocurre un cambio drástico en las propiedades químicas, pues se llega a un gas noble. El próximo elemento de acuerdo al número atómico es similar al primer elemento del periodo anterior.
OBJETIVOS: Estudiar las tendencias como el pH, volatilidad, reactividad y la solubilidad de los elementos, así como de sus óxidos y cloruros dentro de un grupo y a lo largo de un periodo.
La tabla periódica moderna se basa en las observaciones de Mendeleiev. Sin embargo está organizada por el peso atómico de los elementos (Z). Las hileras en la tabla periódica se denominan periodos y las columnas en la tabla periódica se denominan grupos.
1 INTRODUCCION: Estudiando algunas propiedades periódicas de los elementos, se observará que ciertas propiedades como el carácter acido-base de los óxidos de un periodo varían de un extremo al otro, siendo los óxidos de la izquierda más iónicos y por ende más básico que los óxidos de la derecha, pasando por situaciones intermedias de óxidos anfóteros. En el caso de los cloruros la carga y el tamaño del catión influyen sobre el carácter iónico-covalente del compuesto, así a mayor concentración de carga positiva, mayor carácter covalente presenta el compuesto y por tanto se presenta un menor punto de fusión.
Los elementos de un mismo grupo poseen la misma configuración electrónica en su capa más externa. Como el comportamiento químico esta principalmente dictado por las interacciones de estos electrones de la última capa, de aquí el hecho de que los elementos de un mismo grupo tengan similares propiedades físicas y químicas. El grupo 1 pertenece a los metales alcalinos, Litio (Li), Sodio (Na), Potasio (K), Rubidio (Rb), Cesio (Cs) y Francio (Fr). Son metales blandos de color gris plateado que se pueden cortar con un cuchillo. Presentan densidades muy bajas y son buenos conductores de calor y electricidad; reaccionan de inmediato con el agua, oxígeno y otras sustancias químicas y nunca se les encuentra como
Laboratorio de Química Inorgánica I elementos libres (no combinados) en la naturaleza.
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muestras se calentaron con un mechero bunsen. Por último se les agregaron gotas de fenolftaleína para ver su acidez.
Estos metales reaccionan con oxígeno presentando un carácter básico porque se disuelven en el agua para formar hidróxidos de metales alcalinos. Los compuestos típicos de los metales alcalinos son solubles en agua. En este grupo los más comunes son el sodio y el potasio.
Para los óxidos de los mismos elementos a excepción del calcio e incluyendo el sodio, se tomaron cantidades pequeñas y se disolvieron en 3 mL de agua, a los que solubilizaron se les agrego una gota de fenolftaleína y a los insolubles se les repitió la muestra con igual condiciones y a una de ellas se le agrego gotas de HCl 2M y a otra 1 mL de NaOH 2M.
Para los elementos del grupo 12, debido a su configuración electrónica bastante estable, son más nobles que los elementos del grupo 2 (en este caso Mg y Ca), aumentando este carácter según crece el número atómico. Puntos de fusión y de ebullición más bajos, mayor carácter covalente en los enlaces, compuestos más insoluble y mayor tendencia a la formación de complejos que los del grupo 2.
El óxido de azufre se preparó tomando una pequeña porción de azufre y calentando en un tubo de ensayo pyrex cerrado ligeramente con un corcho, cuando se observó una cantidad apreciable del gas se le agrego 3mL de agua. Para analizar los cloruros de los elementos se tomaron muestras de cloruros de sodio, potasio, aluminio y se introdujeron en tubos de ensayo pyrex que se calentaron por separado. También se diluyeron los mismos reactivos en agua para observar la solubilidad y el carácter acido-base.
En los elementos del tercer periodo la energía de ionización aumenta de izquierda a derecha al mismo tiempo que va decreciendo su radio atómico. Los óxidos de los elementos del periodo 3, poseen los más altos estados de oxidación. En estos óxidos todos los electrones externos participan en el enlace. Los óxidos metálicos y el dióxido de silicio poseen altos puntos de fusión y ebullición, los demás óxidos tienden a poseer bajos puntos de fusión. Los cloruros de sodio y de magnesio son sólidos con alto punto de fusión y de ebullición debido a sus fuertes atracciones iónicas.
GRUPO 12: para estudiar las propiedades periódicas de estos elementos, se tomaron 5mL de ZnSO4 2M y se les agrego 5mL de NaOH 2M. Esta mezcla se dividió en tres partes que fueron tratadas de la siguiente manera: Parte1: se le agrego 8 mL de NaOH 2M y se calentó en un tubo de ensayo pyrex. Parte 2: se añadió gotas de amoniaco concentrado. Parte 3: se agregó 8mL de HCL 2M.
3 METODO EXPERIMENTAL: GRUPO 1 Y PERIODO 3: para analizar las propiedades periódicas de estos elementos, se diluyeron cantidades mínimas de calcio, magnesio, aluminio y azufre en 5 mL de agua en un tubo de ensayo pyrex, y todas las
4 DATOS:
TABLAS: ELEMENTO
PUNTO DE FUSION (K)
PUNTO DE EBULLICION (K)
Na
370,87
1156
K
336,53
1032
Ca
1115
1800
Mg
923
1363
ESTRUCTURA CRISTALINA cúbica centrada en el cuerpo (FCC) cúbica centrada en el cuerpo (FCC) Cúbica centrada en las caras (CCC) Hexagonal
TIPO
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ELEMENTO
PUNTO DE FUSION (K)
PUNTO DE EBULLICION (K)
Al
933,47
2792
S
388,36
717,87
Cl
171,6
239,11
ESTRUCTURA CRISTALINA Cúbica centrada en las caras (CCC)
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Ortorrómbica Ortorrómbica
Tabla N° 1. Propiedades de algunos elementos. ELEMENTO
ESTADO Y APARIENCIA
Ca
Solido de color blanco
Mg
Solido de color blanco azulado
Al
Solido de color plateado
S
Solido de color amarillo limón
ANTES DEL CALENTAMIENTO Insoluble en agua Sin desprendimiento de gas Insoluble en agua Sin desprendimiento de gas Insoluble en agua Sin desprendimiento de gas Insoluble en agua Sin desprendimiento de gas. Forma una sedimentación al fondo del tubo.
DESPUÉS DEL CALENTAMIENTO
PRUEBA DE ACIDEZ
No se observa liberación de gas y se apaga el cerillo, sigue siendo insoluble en agua.
Se torna fucsia con unas gotas de fenolftaleína.
Se observa liberación de gas, sigue siendo insoluble en agua.
Se torna fucsia con unas gotas de fenolftaleína.
No se observa cambios.
No cambia de color con unas gotas de fenolftaleína, continua incoloro.
Se observa liberación de gas, ebulle violentamente, sigue siendo insoluble en agua y la sedimentación sube a la superficie de la solución.
Se mantiene incoloro con unas gotas de fenolftaleína.
Tabla N° 2. Observaciones al adicionarle agua a los elementos. OXIDO Na2O2 MgO2 Al2O3 SO2
ESTADO Y APARIENCIA Solido húmedo de color blanco Solido fino de color blanco Solido arenoso de color blanco
SOLUBLE EN AGUA
SOLUBILIDAD EN HCl
SOLUBILIDAD EN NaOH
PRUEBA DE ACIDEZ
Si
---
---
Básico.
No
Soluble.
Insoluble.
---
No
Insoluble.
Insoluble.
---
Gas incoloro
Si
---
---
Acido.
Tabla N° 3. Observaciones al adicionarle agua a los óxidos. CLORUROS
ESTADO Y APARIENCIA
VOLATILIDAD
OBSERVACIONES AL ADICIONAR AGUA
NaCl
Solido arenoso de color blanco
baja
Soluble en agua.
KCl
Solido arenoso de color blanco
baja
Soluble en agua, es una reacción endotérmica.
MgCl2
Solido húmedo de color blanco
baja
Soluble en agua.
Al2Cl 3
Solido arenoso de color amarillo claro
alta
Parcialmente soluble en agua, es una reacción exotérmica.
Tabla N° 4. Observaciones al adicionarle agua a los cloruros.
PRUEBA DE ACIDEZ No cambia el color al agregarle unas gotas fenolftaleína. No cambia el color al agregarle unas gotas fenolftaleína. Se torna rosado al agregarle unas gotas fenolftaleína. No cambia el color al agregarle unas gotas fenolftaleína.
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REACCION ZnSO4 + NaOH Adicionar 8mL de NaOH (2M) Adicionar NH4OH (concentrado) Adicionar 8mL de HCL (2M)
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OBSERVACIONES Se forma una sedimentación blanca gelatinosa que se solubiliza al agitar. La sedimentación reaparece y la solución al calentarse no sufre cambios de temperatura (T promedio de 70°c). Al adicionar 90 gotas la solución se torna incolora. Al agitar la mezcla la solución también se torna incolora.
ECUACIONES: AL ADICIONARLE AGUA A LOS ELEMENTOS:
AL ADICIONARLE AGUA A LOS OXIDOS DE LOS ELEMENTOS:
Luego
ECUACIONES PARA LOS OXIDOS INSOLUBLES:
AL ADICIONARLE AGUA A LOS CLORUROS DE LOS ELEMENTOS:
ECUACIONES PARA LOS ELEMENTOS DEL GRUPO 12:
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ANALISIS DE RESULTADOS En el transcurso de esta práctica se realizaron algunos procedimientos que evidenciaron algunas características de los elementos del grupo 1, quienes tienen un solo electrón en su capa de valencia, son reactivos y forman iones M+, lo que produce que reaccionen violentamente con agua (por la liberación de hidrogeno) a medida que se desciende por el grupo. El hidrogeno es un gas altamente inflamable, debe estar a una determinada concentración en el aire para que se inflame y su llama es casi invisible al ojo humano. Durante la práctica no se observó ningún cambio en la llama, esto se debió a que no había suficiente concentración de H 2 en el aire o que en realidad si se inflamo si no que aparentemente no se observó la llama. La liberación de hidrógeno se debe, a que los potenciales normales de los metales alcalinos y alcalinotérreos sugieren que todos ellos son susceptibles de ser oxidados por el agua, esto explica lo que se obtuvo con el palillo, el gas de hidrogeno (combustible), hizo que la llama aumentara, la fuerza de estas reacciones depende de los puntos de fusión de cada metal, porque cuando el metal se funde, la superficie metálica al quedar expuesta, permite que continúe la reacción con rapidez, para el K esta reacción es la más vigorosa porque es más exotérmica. Cuando hablamos del periodo 3 la solubilidad frente al agua disminuye por tanto su reactividad también lo hace. Los resultados obtenidos en cuanto a solubilidad, se explican, si se tiene en cuenta que ésta depende de que tan polares sean tanto el elemento como la solución; debido a que esta propiedad, proporciona una medida de la facilidad con que electrones y núcleos de un átomo o molécula pueden ser desplazados de sus posiciones medias. El agua, como compuesto polar, tiende a deformar las nubes electrónicas y a solvatar, y si, como en este caso, el elemento es fácilmente polarizable, la separación de cargas es inminente; los elementos del grupo 1, tienen una polarizabilidad grande es por esta razón que el K se disuelve más rápidamente que el sodio. Ahora observando desde el periodo 3, el tamaño del átomo cambia, y al hacerlo, la polarizabilidad también lo hace. Al ser los átomos más pequeños, son menos polarizables y por esta razón, ni el aluminio ni el azufre se disuelven en el agua.
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Los puntos de ebullición de los óxidos y de los cloruros dependen del peso molecular, la forma lineal o ramificada de las moléculas, su polaridad y la asociación intermolecular. Por lo tanto a mayor peso molecular, mayor punto de ebullición; por otro lado, a mayor carga del catión, es decir entre más pequeño, es más polarizante y con un anión, se forman sales de haluros neutras o complejos anionicos muy poco o nada solubles. En general los compuestos covalentes son más solubles en CCl 4 que en agua, mientras que los compuestos ioncios son altamente solubles en ella y se disocian en sus respectivos iones para producir soluciones que conducen electricidad. Análisis de los óxidos del periodo 3: En el periodo 3, se pueden encontrar una buena variedad de óxidos binarios, cuya características y propiedades químicas varían dentro de amplios márgenes; entre ellos se pueden encontrar óxidos metálicos y no metálicos, con formación de enlace covalente sencillo, iónico, enlaces múltiples y enlaces covalentes coordinados. En este caso, se estudiaron algunas propiedades químicas de los óxidos de sodio, magnesio, aluminio y azufre; con el objetivo de observar a aspectos generales en la periodicidad de estos compuestos; las reacciones llevadas a cabo involucraron la reacción con el agua (determinando la acidez y basicidad de las soluciones resultantes) y reacciones con soluciones acidas y básicas. La acción del agua sobre los óxidos es, en realidad, un caso especial de interacción óxidoóxido, en donde el tipo de enlace, oxigenoelemento, juega un papel importante, a partir de aquí se tendrá en cuenta que, el Na 2O2 y el MgO 2 son catalogados como compuestos iónicos, y que el Al2O3 y el SO2 son compuestos covalentes. Análisis de los compuestos iónicos: Estos óxidos, son sales de H2O2, (denominados comúnmente como peróxido de sodio y peróxido de magnesio). Cuando se disuelven en agua, se forman los hidratos correspondientes. En estos compuestos, los iones hidratados se forman cuando se disuelven en agua, paso seguido, el pequeño y altamente cargado ion oxido (existencia hipotética, aun no se comprueba), atrae fuertemente las moléculas de agua, así que después de la hidratación, ocurre una hidrolisis produciendo iones hidroxilos. Análisis de compuestos covalentes: a)
Al2O3
Este compuesto, no fue soluble en agua, ya que el agua, no puede influir eléctricamente (separación de cargas) en estas moléculas, y por tanto, las
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moléculas polares del agua no pueden modificar demasiado la nube electrónica.
amonio se forma el sulfato de zinc que es un compuesto insoluble.
La adición de ácido y base, tampoco mostró resultados muy alentadores, ya que aunque se debía esperar que se solubilizara, (por lo que el compuesto es anfótero), no se apreció dicha solubilidad sólo parcialmente con hidróxido.
CONCLUSIONES
Este resultado, puede atribuirse a la concentración de los ácidos y las bases que se utilizaron, cabe la posibilidad de que no fuesen lo suficientemente fuertes. b)
Las propiedades físico-químicas como el punto de fusión, ebullición, energía de ionización y la carga nuclear efectiva aumentan a medida que la masa hace lo mismo, por consiguiente la cantidad de electrones aumenta a lo largo de un periodo. El peso y la formula molecular de óxidos y cloruros afectan directamente los puntos de fusión y de ebullición de estos.
SO2
Para realizar la prueba a este oxido, se debió primero prepararlo, este proceso se lleva a cabo por un proceso de combustión del azufre obteniéndose el gas de dióxido de azufre, según la reacción 7. Luego de esto se formó un sólido amarillento que fue insoluble en agua a pesar de notarse cierto gas blanco; cuando se trato con el acido fue insoluble y con la base precipito En cuanto a los cloruros observados durante la práctica, según la teoría todos deberían ser solubles en agua debido a su carácter iónico, a pesar de esto se observó que el NaCl es el único soluble a temperatura ambiente el resto se solubilizan por calentamiento aunque no se llegó a la temperatura adecuada para el MgCl 2 por lo tanto no se solubilizo, cuando se adiciona fenolftaleína a los cloruros se observa que la solución es neutra esto permite afirmar que la relación acido base es 1:1 corroborando este resultado exceptuando el MgCl 2 quien presenta un ligero carácter básico. Para los elementos del grupo 12 se estudiaron las reacciones del Zn, cuando al ZnSO4 se le agrega NaOH se produce Na2SO4 y que es un compuesto acuoso cuando se calienta y el Zn(OH)2 que es el compuesto que precipita, al adicionarle NaOH en exceso se solubiliza formando el complejo Na2[Zn(OH)4] (tetrahidroxozincato), porque el ion 2[Zn(OH)4] busca su neutralidad haciendo enlace + con el 2Na . Cuando se adiciona HCl al Zn(OH)2 se forma el ZnOHCl (cloruro básico de zinc) y 2agua, y al adicionarle el NH3 se forma [Zn(NH3)4] (tetraamino de zinc(II)), un compuesto catiónico porque la molécula de NH3 es neutra el Zn trabaja con 2+ como número de oxidación, por otra parte el NH3 es altamente soluble en Zn(OH)2. Otro aspecto a tener en cuenta es que el hidróxido de zinc es anfótero y es generalmente soluble en soluciones fuertemente alcalinas. Por otro lado si a la reacción 24 se le agrega SCN al 10% se observa una mayor solubilidad y cuando a la reacción 26 se adiciona hidrogeno fosfano de
La solubilidad de los óxidos se incrementa al someter estos a calentamiento debido al aumento en la energía cinética y a un mayor choque efectivo de partículas.
REFERENCIAS
FERNANDEZ, J; CARRILLO, F; LOPEZ, M., I. INTRODUCCION A LA EXPERIMENTACION EN QUIMICA INORGANICA. http://www.uclm.es/profesorado/fcarrillo/T EMAS%20INORGANICA/Guionesqi2007. pdf. 25 Marzo de 2012 [Consulta en línea]. VILLA, R., AGUILAR, J. manual de prácticas de química inorgánica, Sello Editorial, Medellín, 2005, p 19-20.
CARPI, A. la Tabla Periódica De Elementos. http://www.visionlearning.com/library/mod ule_viewer.php?mid=52&l=s. 20 Marzo de 2012 [Consulta en línea].
JIMENES, A. Metales de transición. http://www.uam.es/docencia/elementos/s pV21/sinmarcos/elementos/familias.html. 23 Marzo de 2012 [Consulta en línea].
LENTECH. Historia de la tabla periódica. http://www.lenntech.es/periodica/tablaperiodica.htm. 25 Marzo de 2012 [Consulta en línea].
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