Práctica 10

ITESM Campus Puebla

Equipo 8                                                 Sesión 9

Integrantes:

Juan Carlos López Medina                   A01324506

Arturo Tlelo Reyes                               A01099697 

Carla María Barceló Chong                   A01099195 

Iván Eduardo Teáhulos Castillo             A01324895

Responsables del laboratorio:

Mtro. Victor Hugo Blanco Lozano

Dr. Isaac Monroy

Conservación de la materia, reactivo limitante, rendimiento teórico y rendimiento real. 

Objetivo: Poder desarrollar una ecuación química ajustada para que nos ayude a describir una reacción química, así como identificar al reactivo limitante por medio de cálculos. Aprender a comparar el rendimiento real con el rendimiento teórico lo cuál nos indicará el porcentaje real de rendimiento de las reacciones.

Introducción:

-La ley de conservación de la materia nos dice que la cantidad de masa que se tenía al principio seguirá constante a través de toda la reacción, ésta solo se irá transformando y en algunos casos liberando.

-Para poder llevar los resultados de los experimentos a un nivel estandarizado se han acordado distintos tipos de unidades para cada tipo de medición:

   →Peso:

Unidad:  Newton (N)

Ésta es la medida asignada a la fuerza gravitatoria que es ejercida por la tierra sobre un objeto y ésta se puede determinar comparativa o directamente. Ésta última medición se hace por medio de una balanza de muelle la cuál muestra las diferentes que puede tener el peso de un objeto de la misma masa. Se debe recordar que el peso de un objeto puede variar dependiendo de ciertas condiciones relacionadas a la gravedad más no así su masa. (Instituto Tecnológco de Estudios Superiores de Monterrey , 2013)

   →Masa:

Unidad: Kilogramo (Kg)

Todo cuerpo que necesita de una fuerza para poder cambiar su movimiento se dice que tiene inecercia la cuál es una propiedad de la materia. La masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo. (Nave, 2000)

El reactivo limitante es aquel que determinará la cantidad de producto resultante. El rendimiento teórico es la cantidad supuesta de producto que se debe obtener al haberse agotado el reactivo limitante, mientras que el rendimiento real es el obtenido experimentalmente y  el rendimiento porcentual se obtiene dividiendo el rendimiento real entre el teórico y multiplicando por 100.  (Ingenierías Industriales Universidad de Valladolid , s.f)

Procedimientos

Experimento I:

-Para este experimento colocamos 10 mL. de agua destilada en el matraz de 25 mL. y después se le añadió 

6.2 mL de ácido clorhídrico preparado al 0.1 N. Se partió a la mitad una tableta de Alka-Seltzer, fue pesada (1.56 gr) y se procedió a cortarla en pedazos más pequeños.

                                                                                                                                                                                     

         

-Estos pedazos se colocaron por medio de un embudo dentro del globo, y después se colocó el globo en la boquilla del matraz cuidando que el alka-seltzer no cayera en la disolución. En este punto se pesó el sistema completo: Globo, alca-seltzer, matras erlenmeyer de 25 mL. lo que nos dio como resultado 39.6 gr.

                                      

-Una vez pesado el sistema completo se volteó el globo para que el alka-seltzer hiciera contacto con la disolución. La reacción que se llevo a cabo duro 55 s.

                                                       

-Se volvió a pesar el sistema después de la reacción y el peso total fue de 39.3 gr. y al tomarse la temperatura ésta marco 25°C misma temperatura registrada al inicio del experimento. 

RESULTADOS:

1. Corrija el peso del gas teniendo en cuenta el error por flotación.

Peso completo=39.6 grs.

Peso reaccionado=39.3 grs.

Peso reaccionado pero sin globo=39.27 grs.

Peso completo – peso reaccionado=x1=39.6 – 39.3-------à.33

Peso completo – peso reaccionado pero sin globo=x2=39.6 – 39.27------à.3

W2=x1-x2=.33 - .3= .03

 

2. Escriba la ecuación correspondiente a la reacción química que se lleva a cabo en la
experiencia


HCL+ H2O  →   (Cl-) + (H+)
NaHCO3 + H2O →  (Na+) + (HCO3-)
(HCO3-) + (H+)  →  H2CO3 →  H2O + CO2


3. Halle el volumen de gas producido en el  globo y con el volumen anterior halle el
peso de gas suponiendo que este tiene un comportamiento ideal y compárelo con el
hallado.

Vcalculado= 335.10 cm3


4. Halle por diferencia de peso del sistema la cantidad de gas producido.

    Sistema completo antes de reaccionar= 39.60 gr.
Sistema completo después de reaccionar= 39.32 gr.
                                                               ________
                          Peso del gas producido= 00.28  gr. CO2



5. Halle el valor teórico y experimental de la densidad  del gas a las condiciones de
temperatura y presión del experimento.

6. Halle experimentalmente el peso molecular del gas y compárelo con el que utilizó en
los cálculos anteriores.
                             

Moles de CO2

       

7. Calcule la eficiencia de la reacción con base en el embalaje que muestra la etiqueta.

Realice los cálculos con base en el bicarbonato de sodio.

Discusión:
 Pequeñas partículas sólidas del soluto (tableta de alka-seltzer) se quedaron pegadas a la superficie interna del globo evitando que reaccionara la cantidad total del mismo. En este caso el reactivo limitante es el alka-seltzer porque una vez este se termine la reacción no podrá seguir produciendo, y el HCl se encarga de acelerar la reacción ya que al aportar H+ el bicarbonato de sodio se divide en CO2 y H2O. Las imágenes de algunas medidas no pudieron ser tomadas debido a problemas experimentados por el equipo al momento de la realización de este experimento, pero se puede asegurar la veracidad de los resultados obtenidos. 

Experimento II:

-Para este experimento se llenaron 3/4 de un recipiente de plástico con agua para después colocar una probeta de forma invertida sujetada por un soporte universal. Después se procedió a colocar una manguera dentro de la probeta, ésta manguera iría conectada a un matraz de kitasato, dentro del cual se colocó previamente 0.1 gr de Zinc metálico, sellado con un tapón de hule.

                                         

-Para que tuviera lugar la reacción sin pérdida de materia se hizo un orificio en el tapón por medio del cual pasó una agua que vertió el ácido clorhídrico al 1 M.

                               

-En cuanto se adicionó el ácido clorhídrico al zinc metálico se comenzó a liberar gas (hidrógeno) el cual pasó a través de la manguera hasta llegar a la probeta dónde debido a la presión generada por el gas dentro de la misa se desplazará el agua, gracias a ésto se puede determinar el volumen del gas obtenido.  

                                                           Zn + 2HCl → ZnCl2 + 2H(+)

                                          

Discusión:
-En esta parte de la práctica la probeta quedó totalmente llena, sin burbujas en la parte superior, para poder determinar con mayor precisión el volumen del gas obtenido. 

Experimento III

La mayoría de las síntesis químicas requieren la separación y purificación del producto deseado de los productos secundarios.

Las reacciones químicas a realizar son:

Reactivos	Productos	Tipo de reacción
Transformación del cobre en nitrato de cobre (II) 1) Cobre metálico + ácido nítrico                    →	Nitrato cúprico (Nitrato de cobre (II))	Redox
Transformación del nitrato de cobre (II) en hidróxido de cobre (II) 2) Nitrato cúprico + Hidróxido de sodio         →	Hidróxido cúprico (Hidróxido de cobre (II))	Ácido-base
Transformación del hidróxido de cobre (II) en óxido de cobre (II) 3) Hidróxido de cúprico + calor                      →	Óxido cúprico (Óxido de cobre (II))	Redox
Transformación del óxido de cobre (II) en sulfato de cobre (II) 4) Oxido cúprico + ácido sulfúrico                 →	Sulfato cúprico (Sulfato de cobre (II))	Ácido-base
Transformación del sulfato de cobre (II) en cobre 5) Sulfato cúprico + Zinc metálico                 →	Cobre metálico (Cobre)	Redox

· Generalmente, cuando uno de los productos es un gas o un sólido insoluble, las reacciones son completas, es decir, están completamente desplazadas hacia la derecha. Este es el caso de las reacciones 1, 2, 3.

· La reacción 4 es completa por la disolución del óxido cúprico (un óxido básico) por efecto del ácido.

· La reacción 5 es también completa porque el cobre tiene un potencial de reducción mucho mayor que el zinc:     Cu+2+ 2e-→Cu (Eo= 0,3419 V); Zn+2+ 2e-→Zn (Eo= -0,7618 V). 

Procedimiento:

1) Obtención de nitrato cúprico.

- Primero se procedió a pesar 0.25 grs de alambre cobre, el cual se colocó dentro de un vaso de precipitados; posteriormente se adicionó 2.5 mL. de ácido nítrico concentrado.

Pesaje del alambre de cobre

Adición del ácido nítrico, se pueden observar los cambios sufridos por el alambre de cobre, donde destaca la emisión de un gas café y el cambió de tonalidad.

* Al principio la evolución de gas fue de poco a mucho hasta un punto en el que empezó a desaparecer, que fue aproximadamente en 1 minuto. Así mismo, al inicio permaneció prácticamente con la misma coloración debido a que su temperatura no había variado. Sin embargo, al añadirle los 50 mL de agua destilada, la temperatura disminuyó levemente, siendo una reacción exotérmica.

2) Obtención de hidróxido cúprico

- La segunda parte del experimento consistió en la obtención de hidróxido cúprico, para esta ocasión se agregaron 15 mL. de hidróxido de sodio a la solución previamente obtenida.

 Adición del hidróxido de sodio.

* El producto, hidróxido cúprico, tenía una apariencia gelatinosa de color azul pálido.

3) Obtención del óxido cúprico

- Para esta parte del experimento se puso a calentar la mezcla obtenida hasta el punto de ebullición. Después del calentamiento se dejó sedimentar el líquido y se procedió a decantar el sobrenadante.

Calentamiento de la mezcla y sedimentación

* La solución se fue obscureciendo conforme se fue calentando hasta un punto en el que se puso de color negro y se fueron separando dos capas.

- Seguido de esto se agregaron 100 mL de agua previamente puesta a calentar, se agitó y se dejó que el contenido se decantara; una vez más se procedió a decantar el sobrenadante.

   

 Diferentes perspectivas del precipitado y el sobrenadante

* Con estos lavados, se fueron eliminando los restos de las reacciones pasadas para dejar el óxido cúprico sólido.

4) Obtención de sulfato cúprico

- Al sólido obtenido, se añadieron 2.5 mL de H₂SO₄ concentrado agitando continuamente hasta que se obtuvo una solución homogénea. Posteriormente se agregaron 2.5 mL adicionales.

* Se utiliza ácido sulfúrico para regresar a los átomos a la forma en que estaban al principio. El cobre se encuentra en el estado +2 y no necesita ser oxidado.

5) Obtención de cobre metálico

- Para la obtención del cobre metálico se utilizó aluminio, sin embargo, en lugar de láminas de 2x2 se utilizó el reactivo que se encontraba en el laboratorio. Primero se añadieron unas gotas de ácido clorhídrico y posteriormente se empezó a agregar el aluminio (en polvo).

Adición de ácido clorhídrico, seguido de aluminio.

Lavado del precipitado de cobre

* Se redujo el ión complejo con aluminio. Se les devolvió los electrones a los cationes de cobre, reduciéndolos a cobre metálico. El aluminio es un metal más dado que el cobre a liberar electrones. Por esta razón se utiliza el aluminio o zinc metálico para dar los electrones a los cationes Cu2+, causando la formación de átomos de cobre neutral, y por tanto, cobre metálico.

- A continuación se procedió al pesaje de una cápsula de porcelana sin contenido alguno. Seguido de ésto, el precipitado de cobre fue transferido a la cápsula de porcelana.

 Pesaje de la cápsula de porcelana sin contenido alguno

 Traslado del precipitado de cobre a la cápsula de porcelana

- Una vez lavado el precipitado con agua destilada, se le agregaron 5 mL de acetona, se dejó reposar, se asentó y finalmente se procedió al decantamiento de la acetona.

Precipitado de cobre con acetona.

- Finalmente se preparó un baño de vapor con el cual se buscó secar el producto; aproximadamente se dejó en el baño unos 5 minutos.

Evaporación de solvente inflamable con baño de vapor

- Por último, se secó la parte de abajo de la capsula y se procedió a pesar la cápsula con el contenido al fin de buscar qué tanto porcentaje de cobre se pudo recuperar.

* La apariencia final del cobre metálico fue un poco pastosa con una coloración café rojiza, lo que es el color cobre.

 Tabla de resultados con las reacciones que se llevaron a cabo a lo largo de este experimento.

Reactivos	Productos	Tipo de reacción
1.Cu+HNO3	Cu(NO3)2 + NO2 + H2O	Redox
2. Cu(NO3) + NaOH	Na(NO3) + Cu(OH)	Doble desplazamiento
3. Cu(OH)2 + calor	CuO	Sintesis
4. CuO+H2SO4	CuSO4 + H2O	Doble desplazamiento
5. CuSO4+Zn	ZnSO4+Cu	Sustitución simple

Discusión:

* Al inicio, se pesaron 0.25 g de cobre para llevar a cabo las reacciones.

* Al final, el peso de la cápsula de porcelana sola fue de 81.5841 mientras que el peso de la cápsula con el cobre obtenido al final fue de 81.90 (valor pesado la sesión posterior), habiendo un porcentaje de error del -0.28%.

* Valor teórico = 0.25 g Cu

* Valor experimental = 0.32 g Cu

* Al calcular el porcentaje de error, pasamos por circunstancias que estaban fuera de nuestro control, debido que al momento de pesar la cápsula de porcelana con el cobre, la báscula se encontraba descalibrada, por lo que no pudimos saber el peso exacto de la cápsula con el contenido.

     

Diferentes pesos que marcó la báscula mal calibrada al momento del pesaje

Experimento IV:

Para este experimento se necesitó una disolución de 20 ml  de sulfato de cobre al 0.5M. Se calculó el volumen de disolución de hidróxido de sodio al 0.5M necesario para hacer que los 20ml reaccionaran completamente.

Se necesitaron 1.59 gr de CuSO4 para hacer la disolución. Haciendo los cálculos estequiométricos necesarios, se llegó a que se necesitan 44 ml de NaOH al 0.5 M.

Una vez hechos los cálculos de ambas disoluciones, se procedió a verter la correspondiente del CuSO4 en la del Hidróxido de sodio. Inmediatamente se formó un precipitado de color azul claro.

Para obtener el precipitado fue necesaria la ayuda de un papel filtro que fue pesado y se colocó en un embudo de separación, sostenido por un soporte universal. Se pesó el filtro con el fin de calcular, una vez seco, la masa del precipitado.

Una vez montado el sistema, se procedió con el filtrado. Se cololocó un vaso de precipitado para obtener la parte acuosa. El hidróxido de cobre fue lavado para quitar eliminar las impurezas. Éste presentaba en una parte un color verdoso extraño, muy probablemente se deba a la contaminación de otro reactivo en las disoluciones o en el propio papel filtro.

Hidróxido de cobre en el filtro.
Se puede apreciar una parte contaminada.

Vaso de precipitado con la disolución acuosa y el precipitado.
Se trató de recuperar la mayoría del precipitado que no
se quedó en el filtro.

Tratando de obtener la mayor cantidad de Cu(OH)₂, se trató de perder lo mínimo d éste a la hora del filtrado. Habiendo obtenido la máxima cantidad, se dejó a secar y posteriormente fue pesado. Se llenó la siguiente tabla:

Masa del papel filtro	Masa de precipitado + filtro	Masa del precipitado
1.4099 gr	2.2020 gr	0.7921 gr

La ecuación que representa la reacción, ya balanceada, es la siguiente:

CuSO₄ + 2Na(OH) à Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

A través de la estequiometría se puede calcular el rendimiento teórico del sulfato de cobre, suponiendo que reaccionó todo. La cantidad máxima que se podría obtener son 0.9903 gr de de hidróxido de cobre.

Se recuperaron 0.7921 y corresponde al 80% de rendimiento. 

En general se obtuvo un rendimiento aceptable. Se pudo obtener más si se hubiera puesto con un exceso de hidróxido de sodio pues, como ya se dijo, se calcularon los gramos (y posteriormente el volumen) necesarios para que el CuSO4 reaccionara con el NaOH. También su pudo haber obtenido mayor cantidad si se hubiera tenido cuidado a la hora de recuperar el precipitado del papel filtro; gran parte se perdió en este procedimiento. A su vez, la contaminación pudo ocasionar pérdida del producto deseado. 

Cuestionario:

1. El sulfato de cobre (II) penta-hidratado pierde el agua de hidratación al calentarse por encima de 100^oC. ¿Cuántos gramos de sulfato de cobre (II) se obtienen al calentar 10.5 g de la sal hidratada?

Se obtienen 6.71 gr de sulfato de cobre

2. Escriba y balancee cada ecuación; indique el estado de oxidación de cada elemento; diga a qué clase de reacción química pertenece:

Reactivos	Productos	Reacción
2Fe(OH)2 + H2O2 Fe+2 O-2 H+1  H-1 O-1	2Fe(OH)3 Fe+3 O-2 H+1	Síntesis
Pb+H2SO4 Pb0  O-2 H+1 S+6	PbSO4 + H2 H0 Pb+2 S+6  O-2	Sustitución
2NH3 + 3CuO H-1 N+3  O-2 Cu+2	3Cu + N2 + 3H2O Cu0 N0 H-1 O-2	Descomposición
2N2O5 O-2 N+5	4NO2+ O2 O-2 N+3  O0	Descomposición
Mg(OH)2 + NH4Cl O-2 H+1 Mg+2 N-3 Cl-1	2NH3+ H2O+ MgCl2 H+1 N-3 O-2  Cl-1 Mg+2	Sustitución

3. Para preparar fosfato de bario, se combinan 3.50 g fosfato de sodio con 6.40g de nitrato de bario.

La reacción se efectúa de la siguiente forma

Na₃PO₄ + 3Ba(NO₃)₂ à Ba₃(PO₄) + 6NaNO₃

En este caso, el reactivo limitante son los 6.40 gr de Nitrato de bario.

a) Calcule la cantidad de fosfato de bario que se puede obtener.

Se podrían obtener, si la reacción fuera del 100%, 4.913 gr.

b) Calcule el porcentaje de rendimiento, si se obtuvieron 4.70 g del producto.

El porcentaje es de 95.66%

4. Una muestra de 12.6 g de cobre al 95% se hace reaccionar con exceso de ácido nítrico. ¿Cuántos gramos de nitrato de cobre (II) se pueden obtener si la eficiencia del procedimiento es de 98%?

Si la eficiencia del producto fuera del 100%, se obtendrían 35.354 gr.

Debido ésta es del 98%, se obtienen 34.647 gr.

5. Se trataron 7.00 g de una muestra X para analizar su contenido de cobre; con ese procedimiento, la obtención de cobre tiene un rendimiento del 98,5 %.La masa del producto obtenido fue de 6.35 g, pero se demostró que tenía 1,00%de impurezas. ¿Cuál es el porcentaje de cobre de la muestra X?

El porcentaje de cobre de la muestra es del 89.71 %

Conclusión:

-Los conceptos analizados en ésta práctica son elementales para la realización de cualquier experimento ya que éstos nos permiten llevar un control de los reactivos que se ocuparán así como poder predecir lo que se obtendrá de ciertas reacciones sin necesariamente tener que realizarlas previamente. Y su correcta utilización puede ahorrar el desperdicio de reactivos y tiempo. Los porcentajes de error que se obtienen pueden deberse a un procedimiento experimental un poco inexacto o a errores tanto sistemáticos como aleatorios, ya que el comportamiento de una reacción en tiempo real no será el mismo que el previamente calculado en el papel, esto se debe a que la química es una ciencia que no se maneja en el campo de la exactitud todo va a depender del momento de la realización del experimento, del experimentador y de las condiciones bajo las que éste se realice. 

Referencias:

-Ingenierías Industriales Universidad de Valladolid . (s.f.). Recuperado el 15 de Febrero de 2013, de http://www.eis.uva.es/~qgintro/esteq/tutorial-04.html

-Miguel, J. (s.f.). eHow . Recuperado el 18 de Febrero de 2013, de http://www.ehowenespanol.com/clase-reaccion-ocurre-acido-clorhidrico-alka-seltzer-info_129753/