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Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de: Análisis cuantitativo. Impartido por: Ing. Ester Roquel. Horario 10:00 am – 13:00 pm REPORTE No. 2 “EQUILIBRIO DE SOLUBILIDAD” SECCION 1. Resumen 2. Objetivos 3. Marco teórico 4. Marco Metodológico 5. Resultados 6. Interpretación resultados 7. Conclusiones 8. Bibliografía 9. Apéndice 9.1 Datos originales 9.2 Muestra de cálculo(incluye análisis de error) 9.3 Datos calculados.

Dilan Arnulfo Zamora Tobar José Ángel Velásquez Morales Walter Alexander Ortiz Ruiz.

PUNTUACION 10 5 5 5 15 30 15 5 10 1 5

4

201212782 201408445 201504032

Guatemala, 16 de agosto del 2015 1. RESUMEN

PONDERACION

En la práctica de laboratorio “Equilibrios de solubilidad” se utilizó la técnica de gravimetría para obtener sulfato de bario como precipitado. Para esto se utilizaron los reactivos: sulfato de sodio (Na 2SO4) como precipitante

y cloruro de bario

(BaCl2). Esto con el propósito de estudiar los equilibrios de solubilidad entre los reactivos utilizados y principios físicos químicos en un proceso de precipitación. En la segunda parte se utilizó sulfato diácido de sodio y cloruro de calcio para obtener fosfato de calcio y se modificó el pH de la solución utilizando hidróxido de sodio para poder observar la formación del precipitado. La mezcla de sulfato de sodio y cloruro de bario se hizo en un medio acuoso a alta temperatura y posteriormente después de un periodo de digestión de 20 minutos se obtuvo un precipitado, el cual después de un periodo de incineración de 3 horas a 100° C, se pudo calcular el porcentaje de sulfatos y sulfatos como óxido de azufre. En la disolución de sulfato de diácido de sodio y cloruro de calcio se vertió 4 alícuotas de hidróxido de sodio 0.03 M esto modificó el ph lo cual permitió disminuir la solubilidad y obtener mayor precipitado. Se obtuvo un porcentaje de sulfatos de 0.53% con un error porcentual del 63%, un porcentaje sulfatos como trióxido de azufre de 0.87% con un error porcentual de 53% y un porcentaje de recuperación de fosfatos de 0.83%. Se trabajó bajo condiciones estándares: 25°C a 0.84 atm.

2. OBJETIVOS 2

2.1 Objetivo general. Analizar los equilibrios de solubilidad para la reacción de cloruro de bario y sulfato de sodio. 2.2 Objetivos específicos. 1. Obtener el porcentaje de precipitación de sulfatos y de sulfatos como óxido de azufre. 2. Calcular el error porcentual entre porcentaje de precipitación teórico y experimental para la mezcla de cloruro de bario y sulfato de sodio y para la mezcla de fosfato diácido de sodio y cloruro de calcio. 3. Estudiar los factores que afectan la precipitación de la mezcla de cloruro de bario y sulfato de sodio y para la mezcla de fosfato diácido de sodio y cloruro de calcio.

3. MARCO TEÓRICO 3.1 SOLUBILIDAD 3

Una propiedad

física que permite conocer el tipo de enlace es la

solubilidad. Los compuestos con enlace iónico son solubles en agua y los que tienen enlace covalente se disuelven en otros compuestos covalentes. Esta propiedad tiene varias excepciones, la fundamental es que las sustancias que tienen moléculas con muchos átomos de oxígeno y que no son macromoléculas son solubles en agua porque los átomos de oxígeno se unen con los átomos de hidrógeno del agua. Prácticamente todos los compuestos formados con elementos situados a la derecha de la tabla periódica tienen enlaces covalentes. 3.2 EQUILIBRIO DE SOLUBILIDAD Como ya se definió, la solubilidad es la cantidad de sal que se disuelve en una cantidad de disolvente T dado. Existen dos tipos de sales, las solubles (totalmente disociados en sus iones) y las poco solubles. Sea la sal AmBn n−¿ ¿ m+¿+ mB(aq) A n B m ↔ n A ¿(aq ) Aplicando la ley de equilibrio, se tiene que: m+ ¿ A¿ ¿ n−¿ B¿ ¿ ¿m ¿ ¿ ¿ Kc=¿

4

Como la [AnBm] permanece constante porque la sal es un sólido, se puede incluir en la constante de equilibrio. m+¿ A¿ ¿ n−¿ B¿ ¿ m+¿ A¿ ¿ n−¿ B¿ ¿ ¿ ¿ ¿ ¿ Kc [ A n∗Bm ]=¿ Donde Kps es la constante del producto de solubilidad y se define como el producto de las concentraciones de los iones de una sal insolubre saturada, elevados a sus respectivos coeficientes estequiométricos. m+¿ ¿ A ¿ n−¿ ¿ B ¿ ¿ ¿ Kps=¿ Kps, como las demás constantes de equilibrio varía solo con la temperatura. La solubilidad de una sal poco soluble en agua, es igual a su concentración. Si se supone que se ioniza por completo, el valor de kps puede calcularse a partir de la solubilidad.

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n−¿ ¿ m+¿+m B(aq) A n B m(s ) ↔ n A ¿(aq)

Concentración

AnBm -------------

mAn+ 0

nBm0

inicial Concentración

-------------

mS

nS

de equilibrio.

En este equilibrio m+¿ A¿ ¿ n−¿ B¿ ¿ ¿ ¿ Kps=¿ De donde: S=n+ m

√

Kps n ∗mm n

3.3 ANALISIS GRAVIMÉTRICO Es un método de análisis cuantitativo basado en la medición precisa y exacta de la masa de la sustancia que se determina (analito), la cual ha sido previamente separada del resto de los componentes de la muestra (matriz) como una fase más o menos pura, que puede ser el componente mismo o un compuesto de composición conocida. 

Etapas del análisis gravimétrico.

El Análisis gravimétrico involucra dos etapas generales esenciales: 6

1. La separación del componente que se desea cuantificar y, 2. La pesada exacta y precisa del componente separado. 3.3.1 METODOS GRAVIMÉTRICOS. Los métodos de análisis gravimétrico se pueden clasificar en tres grandes grupos: 1. Volatilización o destilación. 2. Extracción. 3. Precipitación. 3.3.2 Volatilización o destilación. Los métodos gravimétricos por volatilización o destilación tienen como fundamento la separación del analito del resto de los componentes de la muestra mediante un procedimiento que involucra la volatilización, evaporación o destilación de determinadas sustancias con la ayuda del calor. Finalmente se pesa con precisión el residuo no volatilizado. 3.3.3 Extracción Los métodos gravimétricos por extracción se fundamentan en la separación del analito del resto de los componentes de la muestra mediante un proceso de extracción (generalmente sólido-líquido); ya sea con el empleo de disolventes orgánicos que solubilicen el compuesto objeto de estudio, o con solución ácida, básica, o neutra que separe compuestos interferentes. De cualquier manera, el compuesto objeto de estudio se cuantifica finalmente, bien por pesada directa o por diferencia de pesada.

3.3.4 Precipitación En los métodos gravimétricos por precipitación, la porción pesada de la sustancia que se estudia (matriz), se solubiliza por algún procedimiento, y luego el elemento a determinar (analito) se precipita en forma de un compuesto difícilmente soluble. El precipitado se separa por filtración, se lava a fondo, se incinera (o se 7

seca) y se pesa con precisión. Conociendo la identidad (su fórmula) y la masa de las cenizas (o del precipitado) puede finalmente expresarse la concentración del analito en la matriz. 3.4 APLICACIÓN INDUSTRIAL En la industria alimenticia, la gravimetría se utiliza para determinar la humedad en jaleas, mermeladas. Entre los métodos más utilizados para este procedimiento se encuentra el eléctrico y para análisis de harinas y almidones se encuentra el método gravimétrico de Karl Fischer. En la industria de galletas, el contenido de agua (humedad) es un valor crítico puesto que es parte importante de la textura del producto. Es necesario un método de determinación de Es necesario un método de determinación de humedad rápido y confiable, para lo cual se desarrolló un procedimiento basado en la medida del color de la galleta: mientras más seca, más tostada y más dorada. Se diseñó un equipo que mide la intensidad del color, el cual se traduce en un valor numérico de unidades de color. El procedimiento es el siguiente: se determina la humedad por métodos gravimétricos y hace una curva de calibración de humedad vs unidades de color. Con el valor de intensidad de color se ubica en la curva el contenido de humedad.

4. MARCO METODOLOGICO 4.1 Reactivos REACTIVO Sulfato de sodio

CANTIDAD 10 g 8

Cloruro de bario 1g Cloruro de calcio. 5 ml Fosfato diácido de sodio 10 ml Agua 50 ml Fuente: Manual de laboratorio. 4.2 Cristaleria y equipo. Instrumento

cantidad

Beackers 250 ml

3

Varilla de agitación

1

Balón de aforo 100 ml

2

Embudo de vidrio

1

Papel de vidrio

1

Plancha de calentamiento

1

4.3 Algoritmo de procedimiento PRIMERA PARTE. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Se preparó 100 ml de una solución de sulfato de sodio al 10% Se tomó una alícuota de 25 ml de la muestra. Se calentó la muestra hasta llegar al punto de ebullición. Se agregó 5 ml de la solución de cloruro de bario. Se dejó reposar la solución durante 20 minutos. Se filtró el precipitado. Se secó y peso el papel filtro.

SEGUNDA PARTE. 1. Se hizo una solución de cloruro de calcio 0.03 M y una de fosfato diácido de sodio 0.02 M. 2. Se tomó una alícuota de 5 ml de cloruro de calcio y una alícuota de 10 ml de fosfato diácido de sodio. 3. Se mezcló la alícuota de cloruro de calcio con la de fosfato díácido de sodio para hacer la reacción de precipitación. 9

4. Se midió el pH de la solución previo a la agregación de hidróxido de sodio 5. Se agregó 5 ml de hidróxido de sodio. 6. Se midió el pH de la solución y se observó la formación del precipitado.

4.4 Diagrama de flujo PRIMERA PARTE.

10

SEGUNDA PARTE.

11

12

5. RESULTADOS

Tabla I. Principios fisicoquímicos y principios químicos implicados en la precipitación de sulfato de bario. Principio fisicoquímico. Ebullición.

Análisis de principio fisicoquímicos. Se aumentó la temperatura para permite romper y disolver las moléculas del disolvente para posteriormente precipitar. Se dejó el precipitado en las aguas madres para

Periodo de digestión.

que los iones purifiquen el precipitado y absorba las impurezas. Se obtuvo sólido (sulfato de bario) a partir de

Precipitación.

una disolución sobresaturada. Fuente: Elaboración propia. Tabla II. Porcentaje (%) de sulfatos y de sulfatos como trióxido de azufre de la muestra, teórica y experimentalmente.

-2 4

Sulfatos (SO ) Trióxido de azufre (SO3)

Teórico (%)

Experimental

Error (%)

0.53 0.87

(%) 0.903 0.759

63 53.

Fuente: muestra de cálculo y datos calculados. Tabla III. Factor gravimétrico y porcentaje de recuperación en la precipitación de fosfato de calcio. Especie

Gramos de fosfato de

calcio recuperados Fosfato 0.83% Fuente: Muestra de cálculo. 6. INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

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En la práctica de laboratorio “Equilibrios de solubilidad: determinación de sulfatos”, se utilizó la técnica de análisis gravimétrico, la cual consiste en una serie de operaciones diseñadas para obtener un precipitado puro y filtrable el cual se pesó. En la práctica se precipitó sulfato de bario, el cual se obtuvo de la mezclar cloruro de bario y sulfato de sodio y el precipitado se utilizó para obtener el porcentaje de sulfatos y sulfatos como trióxido de sulfato. Para realizar la precipitación se mezcló 25 ml de sulfato de sodio al 10% y 5 ml de cloruro de bario al 1%. Esto permitió obtener una solución altamente sobresaturada lo cual propició la aparición de bastantes cristales pequeños (sulfato de bario). Al ocurrir la reacción de doble desplazamiento se obtuvo sulfato de bario y cloruro de sodio. El precipitado fue sulfato de bario mientras que el cloruro de sodio ionizó completamente en el agua y fue filtrado. En la tabla No. 2 de la sección de resultados se pueden observar los porcentajes tanto de los sulfatos como de los sulfatos de trióxido de sodio. En los sulfatos

(SO4-2)

se

obtuvo

un

porcentaje

de

precipitación

de

0.53%

experimentalmente y al realizar el cálculo estequiométrico se obtuvo que el porcentaje teórico es 0.903%, con esto se obtuvo un error de 63%. Mientras que los resultados obtenidos para el porcentaje de sulfatos de trióxido de azufre se obtuvo 0.87 % experimentalmente y 0.759% teóricamente, con estos resultados se calculó un error porcentual de 53.4%%. El error obtenido es debido a las impurezas adheridas a los cristales durante el proceso de cristalización. Hay que mencionar que durante el proceso de nucleación, al ser una solución altamente sobresaturada permitió obtener muchos cristales muy pequeños, esto incrementó el área superficial lo cual permite que se adhieran más impurezas. También se tuvo un bajo porcentaje de recuperación debido a que el poro del papel filtro era muy grande.

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En segundo lugar, para que haya condiciones favorables durante la precipitación es necesario que la concentración de los reactivos sea baja y la solubilidad alta y durante el mezclado de los reactivos se debe de realizar lentamente. Durante la práctica se mezcló rápidamente los reactivos en un medio acuoso a una temperatura alta, sin embargo no se tomó en cuanta el pH de solución, el cual a menor pH aumenta la solubilidad del precipitado. El no haber tomado en cuenta estos factores aumento la adsorción de impurezas. Por último, al precipitado no se le hizo ningún lavado, esto para evitar que el precipitado se filtrara y hubo un proceso de incineración en el horno por un aproximado de 3 horas a 100°C aproximadamente para secar completamente. Esto permitió evitar completamente la oclusión. Sin embargo siempre en la precipitación pueden llegar a haber iones con tamaño y cargas iguales (inclusión). Esto podría llegar a ser el caso de iones Cl- que afectó al precipitado.

En la tabla III se puede observar el porcentaje de sulfato obtenido de la reacción de 5 ml de cloruro de calcio y 10 ml de fosfato diácido de sodio. Se obtuvo un porcentaje de reparación de fosfatos de 0.83%. La precipitación que hubo producto de la reacción de precipitación es considerada microscópica. Esto se debe a que el precipitado es coloidal. Es muy difícil lograr cuantificar el porcentaje de recuperación de las reacciones de precipitación de las reacciones coloidales. En el experimentó se agregó alícuotas de hidróxido de sodio al precipitado debido a que a mayor acidez mayor solubilidad. Por lo que el hidróxido de sodio permitió tener un ph básico con lo cual ayudo a reducir la solubilidad de las especies y a obtener más cantidad de precipitado. Se observó al agregar el hidróxido de sodio cambio drástico en cuanto al tamaño del precipitado, dando lugar a una “Precipitación cristalina, la cual tiene redes cristalinas más definidas y en comparación a la coloidal, esta se pudo filtrar.

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Los efectos de precipitación entre las mezclas que se hizo en la práctica, infirió mucho en la solubilidad del reactivo Fosfato ácido de Sodio, ya que este fue formado a partir de un ácido triprótico, el cual posee diferentes constantes de ionización según el ácido, anfóteros o aprótico, tomando en cuenta esto como una propiedad fisicoquímica y la reacción desde un punto de vista químico puro

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7. CONCLUSIONES

1. Se obtuvo un porcentaje de sulfatos de 0.53% con un error relativo de 63%. 2. Se obtuvo un porcentaje de sulfatos como trióxido de azufre de 0.87% con un error relativo de 53%. 3. El porcentaje de recuperación de fosfatos en la reacción de fosfato diácido de sodio y cloruro de calcio fue de 0.83% 4. Las impurezas obtenidas en el precipitado se deben al área superficial del precipitado que aumenta el riesgo de adherencia de dichas impurezas. 5. Para poder tener un precipitado correctamente se debe de cuidar factores los factores más importantes: la concentración y solubilidad de los reactivos. 6. El ph ácido en una solución aumenta la solubilidad por lo cual disminuye la cantidad de precipitado obtenidos lo cual se regula agregado una base a la precipitación.

8. BIBLIOGRAFIA 17

1. Cecilia Mejía “Química”, Primera edición, editorial Santillana, Perú 2008. Unidad 9 (Pág. 184-187) 2. Gary D. Christian “Química analítica”. Sexta edición, editorial Mc Graw Hill. Capítulo 10 (Pág. 1061-1062). Capítulo 10 “Análisis gravimétrico y equilibrios de precipitación” (pág. 326-332). 3. “Gravimetría”, consultado el (14/08/2015). Disponible en línea en: https://analiticaunexpo.files.wordpress.com/2011/11/gravimetria.pdf 4. “Solubilidad”,

consultado

el

(14/08/2015).

Disponible

en

línea

en:

http://www.uv.es/~baeza/solubi.html

9. APÉNDICE 9.1 HOJA DE DATOS ORIGINALES Ver hoja adjunta. 9.2 MUESTRA DE CÁLCULO 18

1. Cálculo del factor gravimétrico.

g ) mol a GF= × [Ec .1] g b Peso fórm . precipitado( ) mol Peso fórm . analito(

Donde. a= moles de analito b= moles de precipitado Ejemplo: Cálculo del factor gravimétrico para un analito de cloruro de bario que da un precipitado de sulfato de bario en presencia con sulfato de sodio. GF=

208.35( g /mol ) 1 × =0.892 g 1 233.43 ( ) mol

2. Porcentaje del precipitado.

g buscados ) g precipitado ×100 [ Ec . 2] peso de lamuestra ( g)

peso del precipitado ( g ) ×GF ( %buscado=

Ejemplo: Cálculo del porcentaje de sulfatos.

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g 0.03 ( g ) × 0.892( ) g %buscado= ×100 =0.53 5.0( g)

9.3 ANÁLISIS DEL ERROR 1. Error porcentual

%E=

Dato r−Dato exp ∗100[ Ec .5 ] Dator

Donde. Dato r = Es el valor real. Dato exp = Es el valor experimental. Ejemplo. Cálculo del error porcentual para un dato real de 56 y uno experimental de 54. %E=

56−54 ∗100 = 3.57 % 56

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9.4 DATOS CALCULADOS. Tabla IV. Datos obtenidos en para la mezcla de sulfato de sodio y de cloruro de bario. Descripción. papel filtro (g) Papel filtro después de secado. (g) Sulfato de bario precipitado (g) Fuente: Hoja de datos originales.

GRUPO 1 1.36 1.39 0.03

Tabla V. Datos obtenidos en para la mezcla de fosfato diácido de sodio y cloruro de calcio. Descripción. papel filtro (g) Papel filtro después de secado. (g) Sulfato de bario precipitado (g) Fuente: Hoja de datos originales.

GRUPO 1 1.32 1.36 0.04

Tabla VI. Cálculo del porcentaje (%) de sulfatos del precipitado. Precipitado. Grupo 1

(BaSO4). 0.03

% ión SO4-2

GF (g/g) 0.892 Fuente: muestra de cálculo

recuperado 0.53

Tabla VII. Cálculo del porcentaje (%) de sulfatos como trióxido de azufre del precipitado. Precipitado. (BaSO4). 0.03 g

GF (g/g)

% de SO3 recuperado

0.843 Fuente: muestra de cálculo

0.87

Tabla VIII. Cálculo del porcentaje de sulfatos y sulfatos como trióxido de azufre teóricamente. Ion Sulfatos (SO4-2)

GF (g/g) 0.892

Peso precipitado (g) 0.1043

% en la muestra 0.903 21

Trióxido de azufre

0.843

0.1043

0.759

(SO3) Fuente: Muestra de cálculo. Tabla IX. Cálculo del error relativo obtenido por el porcentaje en la muestra sulfatos y trióxidos de azufre. Ion -2

Sulfatos (SO4 ) Trióxido de azufre

% Sulfato

% Sulfatos

Error relativo (%)

teóricos. 0.53 0.87

experimentales. 0.903 0.759

63% 53.4%

(SO3) Fuente: Muestra de cálculo. Tabla X. Factor gravimétrico y porcentaje de recuperación en la precipitación de fosfato de calcio. Especie Fosfato de calcio

Factor gravimétrico.

Gramos de fosfato de

1.04 Fuente: Muestra de cálculo.

calcio recuperados 0.83%

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