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PRÁCTICAS

DISOLUCIONES QUÍMICAS 1º BACHILLERATO

5 de octubre de 2007 L A B O R A T O R I O D E Q U Í M I C A DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA


M

A

T

E

R

I

A

L

E

S

PRODUCTOS QUÍMICOS: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Acetato de sodio Ácido cítrico Ácido clorhídrico al 37% Ácido sulfúrico al 98% Cloruro de amonio Cloruro de sodio Hidrógenocarbonato de sodio

8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

Hidrógenosulfato de sodio Hidróxido de amonio al 28% Hidróxido de potasio Hidróxido de sodio en lentejas Nitrato de cobalto (II) Sulfato de cobre pentahidratado Tiosulfato de sodio

MATERIAL DEL LABORATORIO por puesto de alumno 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Matraz aforado de 250 mL Varilla de vidrio Pipeta de 10 mL y/o 5 mL Cuentagotas Frasco lavador 1 vaso de precipitados de 250 mL. Pera de succión.

8. Botellas etiquetadas 9. Tubos de ensayo 10. Bata 11. Guantes de vinilo/látex 12. Espátula 13. Cucharilla 14. Bayeta

OTROS MATERIALES: 1. Vidrio de reloj 2. Balanza de precisión 3. Baño de agua (100ºC)

Fichas de seguridad en

http://www.mtas.es/insht/ipcsnspn/Introducci.htm

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DISOLUCIONES • Tipos de disoluciones • Preparación de una disolución FUNDAMENTO

A. LA CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN: CÁLCULOS Una disolución está formada por la mezcla homogénea de dos especies que no reaccionan entre sí y que se encuentran en proporciones distintas.

La especie que ese encuentra en menor cantidad se denomina soluto (sol), mientras que la especie que está en mayor proporción es el disolvente (dte). El estado de agregación del soluto y del disolvente puede ser diverso, aunque lo normal es emplear en el laboratorio disoluciones donde el soluto es sólido ó líquido y el disolvente líquido, y en la mayoría de los casos agua.

Así las disoluciones, en función de la naturaleza de las especies que las forman pueden ser: DISOLVENTE SÓLUTO

SÓLIDO

LÍQUIDO

GAS

SÓLIDO

LÍQUIDO

GAS

Aleaciones

Sal en agua

Cinc en estaño (latón)

(salmuera)

Humos

Amalgamas Mercurio en oro

Hidrógeno en paladio

Alcohol en agua

Nieblas

CO2 en agua

Oxígeno en hidrógeno

Bebidas carbonatadas

Definimos concentración de una disolución a la cantidad de soluto que hay por una cierta cantidad de disolvente o de disolución.

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En función de la cantidad de soluto de la disolución las disoluciones pueden clasificarse como: a) NO SATURADA: Es aquella disolución que puede admitir más soluto en el mismo disolvente. b) SATURADA: El disolvente no admite más cantidad de soluto en la misma. Una cantidad mayor de soluto produciría, en el caso de sólido-líquido, la precipitación del sólido. c) SOBRESATURADA: La cantidad de soluto en la disolución es excesiva. En algunos se forman disoluciones metaestables que bajo algunas condiciones hacen cristalizara su contenido.

Amalgama de plata y mercurio

En la mayoría de los casos en el laboratorio emplearemos disoluciones no saturadas, aunque en ciertas ocasiones será necesario emplear disoluciones saturadas o sobresaturadas.

Cada soluto tiene una cantidad máxima que se puede disolver en una disolución. Esta cantidad de sustancia medida por cada 100 mL de disolvente (agua) se denomina solubilidad. La solubilidad de una sustancia varía con la temperatura aumentando a medida que lo hace esta. En la gráfica podemos observar algunos ejemplos de sales con

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diferente solubilidad según la temperatura a la que se haga la disolución (ver tabla adjunta).

DISOLUCIÓN SOBRESATURADA El acetato de sodio trihidratado (CH3COONa·3H2O) es una sustancia bastante soluble, 47 g de sal por cada 100 mL de agua. Cuando preparamos una disolución sobresaturada de esta sal creamos una sistema metaestable, esto es, cuando la disolución se calienta, ésta acepta más sal de la que se disolvería a temperatura ambiente. Si se deja enfriar en reposo la disolución no mostrará ningún cristal y toda la sal estará disuelta. Sin embargo si añadimos un cristal de sal a la disolución fría, rápidamente cristalizará la sal y la disolución desaparecerá. Este proceso puede revertirse si volvemos a calentar, si llevamos la disolución a ebullición ésta se volverá a disolver desapareciendo todos los cristales anteriores. El proceso de cristalización libera calor lo que puede comprobar tocando el matraz cuando se están formando los cristales. (En la práctica 5 se volverá a tratar este tema). Este fenómeno también sucede con otras sales hidratadas como por ejemplo el tiosulfato de sodio (Na2S2O3·5H2O).

En toda disolución no saturada hay que indicar la cantidad de soluto que tenemos en relación al disolvente o a la disolución. A este proceso de cálculo de la concentración de una disolución se le denomina etiquetado de la disolución. Etiquetar una disolución consiste en dar la información necesaria que indique la cantidad de soluto que se ha empleado en la preparación de un volumen determinado de la disolución. Se emplean distintas maneras de expresar la concentración de una disolución.

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1. EXPRESIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN SENCILLA EXPRESIÓN

FÓRMULA

EJEMPLO

Gramos por litro

m sol Vdte

(15 g de sal en 1 L de agua) Se supone el volumen del sólido despreciable

% en peso (riqueza en peso)

% en volumen (V/V)

%= %=

m sol ·100 mdisol Vsol ·100 Vdisol

NaNO3 de 15 g/L

NaCl al 5% (5 g de sal en 100 g de disolución)

Etanol al 0,3% (3 mL de alcohol por cada 100 mL de disolución)

EJEMPLO: Calcula la concentración de una disolución que hemos preparado añadiendo 10 g de K2Cr2O7 en 250 mL de agua. Expresa dicha concentración de maneras distintas. Expresamos la concentración en gramos de dicromato de potasio por litro de disolución de la siguiente manera:

10 g g = 40 0,25L L

[1]

En tanto por cierto en peso, tendremos que m sol = 10 g , mientras que la masa de la disolución será la suma de la del soluto y el disolvente: m disol = 10 g + 250 g = 260 g suponiendo que el agua tiene una densidad de 1

g , luego: mL

%=

10 g ·100 = 3,85% 260 g

[2]

El tanto por ciento en volumen se emplea exclusivamente para disoluciones líquidolíquido luego en este caso no se calcula.

Existen otras formas de expresar la concentración teniendo en cuenta el número de moles de cada especie en la disolución:

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2. EXPRESIÓN DE LA CONCENTRACIÓN CON EL NÚMERO DE MOLES EXPRESIÓN

Molaridad (M)

Normalidad (N)

FÓRMULA

M =

nsol msol = Vdisol PM sol ·Vdisol

N=

neq sol Vdisol

=

EJEMPLO

HCl 0,05 M (0,05 moles de ácido en 1L de disolución)

msol Peq sol ·Vdisol NaOH 0,3 N

N=

m sol ·v = M ·v PM sol ·Vdisol

(0,3 equivalentes de NaOH en 1 L de agua). En este caso 0,3 N es igual a 0,3 M.

Donde v se denomina valencia.

El concepto de normalidad es antiguo y cada vez está más en desuso, además el valor de la valencia puede llegar a ser ambiguo.

EJEMPLO: Expresa la concentración de la disolución anterior de dicromato de potasio 40 g/L en concentración molar (molaridad) La expresión de la molaridad nos obliga a calcular la masa molecular del dicromato de potasio que con la ayuda de una tabla periódica será:

PM = 2·(39) + 2·(52) + 7·(16) = 294

g mol

Luego aplicando la expresión de la molaridad tenemos:

M =

10 g = 0,14 M g 294 ·0,25 L mol

[3]

Se supone que el volumen de la disolución es el volumen del disolvente, aunque esto no es del todo cierto permite aproximar los cálculos.

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3. PREPARACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN A PARTIR DE OTRA DE CONCENTRACIÓN CONOCIDA. En algunos casos se desea preparar una disolución partiendo de otras disoluciones previamente realizadas. Este caso es bastante común en el laboratorio, sobre todo cuando preparamos ácidos a partir de botellas comerciales de riquezas conocidas.

EJEMPLO: En el laboratorio disponemos de una botella de ácido clorhídrico de la que sabemos que tiene una densidad de 0,934 g/mL y una riqueza en peso del 36%. A partir de esta disolución, nos piden que preparemos 250 mL de disolución de HCl 0,5 M. Realmente lo que tenemos que hacer es dar respuesta a la siguiente pregunta: ¿Qué volumen de la disolución inicial debemos tomar para preparar la segunda disolución?.

Para resolver este problema realizaremos tres pasos: 1. Calculamos la masa de ácido clorhídrico que tendrá la disolución que queremos preparar, para ello emplearemos la fórmula de la molaridad según:

M =

mHCl PM ·VDisol

⇒ mHCl = M ·PM ·VDisol ,

calculado el peso molecular ( PM = 36,5 g / mol ) , podemos sustituir,

mHCl = 0,5

mol g ·35,5 ·0,25 L = 4,44 g L mol

[1]

2. Con una proporción calculamos la masa de disolución de la botella que tendríamos que tomar para llevarnos 4,44 g de HCl, sabiendo que tiene una riqueza del 36% (cada 100 g de la botella llevan 36 g de HCl).

100 g disol mdisol = 36 g HCl 4,44 g HCl

⇒ mdisol =

444 g = 12,33g disol [2] 36

3. Con la ayuda de la densidad calculamos el volumen al que equivalen los 12,33 g de disolución de la botella,

d=

12,33g mdisol m ; Vdisol = disol = = 13,20mL [3] g Vdisol d 0,934 mL

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Una vez realizados los cálculos llevaremos a cabo el procedimiento experimental. Para preparar 250 mL de la disolución pedida tendremos que realizar los siguientes pasos: (ver procedimiento para preparar disoluciones) a) Con la ayuda de una pipeta tomamos de la botella de ácido 13,20 mL que añadimos a un vaso de precipitados completamente limpio. b) Con un frasco lavador añadimos unos cuantos mililitros de agua y agitamos con precaución. c) Llevamos el contenido del vaso a un matraz aforado de 250 mL, lavamos un par de veces el vaso añadiendo su contenido al matraz y enrasamos. d) Agitamos el matraz.

4. REDUCCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN: DILUCIÓN Una disolución concentrada puede ser diluida para obtener otra disolución de concentración menor. Este proceso se denomina dilución y es bastante útil en el laboratorio. El proceso de dilución consiste en tomar un volumen determinado de la primera disolución y añadirle una determinada cantidad de agua hasta alcanzar un nuevo volumen. Al modificar el volumen de disolución, manteniendo constante la cantidad de soluto se modifica la concentración. Para realizar los cálculos emplearemos la ecuación,

C0 ·V0 = C f ·V f Donde C0 es la concentración inicial que tiene la disolución, Cf la concentración final y V es el valor de los volúmenes de la disolución inicial y final.

EJEMPLO: Obtén 200 mL de una disolución de concentración 0,5 M de sulfato de cobre (II) a partir de otra 0,8 M de la misma sal. Partiendo de la expresión inicial calcularemos el volumen de la disolución inicial que tenemos que tomar para calcular la nueva disolución:

V0 =

C f ·V f C0

=

0,5M ·200mL = 125mL 0,8M

Lo que nos indica que deberemos tomar 125 mL de la disolución 0,8 M, añadirlos a un matraz aforado de 200 mL y completar con agua hasta el aforo correspondiente.

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B. PREPARACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN EL MATRAZ AFORADO El matraz aforado es un matraz de gran precisión que al no tener marcas de medición de volumen permite únicamente medir el volumen total de una disolución a una temperatura fija, pero con una exactitud superior a una probeta o vaso de precipitados. Cuando el matraz está lleno hasta la marca que posee en el cuello o aforo, tendremos exactamente el volumen que nos indica. La marca de graduación rodea todo el cuello de vidrio, por lo cual es fácil determinar con precisión cuándo el líquido llega hasta la marca.La forma correcta de medir volúmenes es llevar el líquido hasta que la parte inferior del menisco sea tangente a la marca. El hecho que el cuello del matraz sea estrecho es para aumentar la exactitud, de esta forma un cambio pequeño en el volumen se traduce en un aumento considerable de la altura del líquido. Este matraz no debe calentarse nunca puesto que la dilatación del vidrio modificará la posición del aforo y nos dará una medida incorrecta. Además no suele estar hecho de vidrio resistente al calor, lo cual podría provocar la ruptura del mismo. Tampoco es aconsejable, por el mismo motivo, realizar disoluciones a temperaturas distintas a la temperatura ambiente.

enrase

DISOLUCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO En este tipo de disolución el soluto será el sólido y el disolvente líquido. Para preparar una disolución sólido-líquido seguiremos los siguientes pasos: 1. Preparamos un matraz aforado de 250 mL y un vaso de precipitados de la misma capacidad enjuagándolos un par de veces con agua destilada. 2. Calculamos los gramos de sólido que necesitaremos introducir en la disolución. Para ello emplearemos el valor de la concentración final que tendrá la disolución. Para poder calcularlo nos fijaremos de qué manera nos expresan la concentración.

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3. A continuación en la balanza de precisión taramos un vidrio de reloj. En algunas ocasiones podremos pesar sobre papel de filtro, pero es más aconsejable utilizar el vidrio de reloj.

4. Añadimos con mucha precaución, y con la ayuda de una espátula, la cantidad en gramos de soluto que necesitemos sobre el vidrio de reloj, intentando afinar en los decimales. 5. Echamos la cantidad pesada a un vaso de precipitados limpio con una pequeña cantidad de agua (aprox. 100 mL), y con la ayuda de una varilla de vidrio favorecemos la disolución. Con la ayuda de un frasco lavador recogemos lo que quede en el vidrio de reloj sobre el vaso de precipitados. 6. Una vez que todo el soluto (sólido) esté completamente disuelto, volcamos el contenido del vaso en el matraz aforado, y lavamos con una mínima cantidad de agua destilada los restos que pudieran quedar en el vaso. 7. Con la ayuda de una pipeta añadimos agua destilada hasta aproximarnos al aforo del matraz, y con un cuentagotas enrasamos en el aforo. 8. Tapamos el matraz y agitamos tres o cuatro veces. Depositamos sobre una mesa el matraz y quitamos el tapón. La disolución está preparada.

En muchas ocasiones se deseará preparar una disolución de una sal pero sin que la concentración sea importante. En estos casos no se emplea un matraz aforado, simplemente se disuelve una cierta cantidad de sal en un vaso de precipitados, se añade agua destilada y agitamos con la ayuda de una varilla.

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DISOLUCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO Las disoluciones líquido-líquido suelen expresar su concentración en tanto por ciento en volumen. Así una disolución al 15% contiene 15 mL de soluto (líquido en menor cantidad) en un volumen total de líquido de 100 mL, lo que supone 85 mL de otro líquido que hace de disolvente. Para preparar una disolución líquido-líquido seguiremos los siguientes pasos: 1. Enjuagaremos con el disolvente el matraz aforado donde realizaremos la disolución. 2. Calculamos el volumen de soluto que tendremos que añadir a la disolución. Para tomar dicho volumen emplearemos el método que nos ofrezca la mayor exactitud posible. 3. Pasaremos el volumen calculado mediante una pipeta limpia desde el recipiente que lo contiene hasta el matraz aforado. Para evitar contaminar la fuente original en un primer paso añadiremos una cantidad aproximada en un vaso de precipitados limpio desde el cual pipetearemos. El empleo de una pipeta para extraer el volumen puede ser lento pero es el método más exacto. Si la exactitud no es un problema, en vez de pipetear emplearemos una probeta para transferir dicho volumen. 4. Una vez transferido el volumen de soluto en el matraz aforado, añadimos con cuidado el resto del disolvente hasta el aforo, cerramos el matraz, agitamos y volvemos a abrir el matraz.

LA PROBETA Es un instrumento volumétrico, que permite medir volúmenes superior y más rápidamente que las pipetas, aunque con menor precisión. Está formador por un tubo generalmente transparente de unos centímetros de diámetro, y tiene una graduación (una serie de marcas grabadas) desde 0 mL hasta 25 mL indicando distintos volúmenes. En la parte inferior está cerrado y posee una base que sirve de apoyo, mientras que la superior está abierta (permite introducir el líquido a medir) y suele tener un pico (permite verter el líquido medido). Pero existen probetas más grandes que pueden medir un volumen hasta de 250 mL. Las probetas pueden estar construidas de vidrio (lo más común) o de plástico. En este último caso puede ser menos preciso, pero es más difícil de romper y no es atacada por el ácido fluorhídrico. Como todo material volumétrico no debe ser sometido a cambios bruscos de temperatura.

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LA PIPETA La pipeta es otro instrumento volumétrico de laboratorio que permite medir alícuotas de líquido con bastante precisión. Suele ser vidrio. Está formado por un tubo transparente que termina en una de sus puntas de forma cónica, y que tiene una graduación indicando distintos volúmenes. Algunas son de simple enrase, es decir que se enrasa una vez en los cero mililitros o la medida que corresponda, y luego se deja vaciar completamente, mientras que otras, las denominadas de doble enrase, además deberá enrasarse al llegar a la última marca. La ventaja de estas últimas es que no pierden la precisión si se rompe la punta cónica. Dependiendo de su volumen las pipetas tienen un límite de error.

LA PERA DE SUCCIÓN

A

La pera de succión es un dispositivo de goma que se utiliza en la pipeta para trasvasar líquidos de un recipiente a otro. El uso de la pera evita succionar con la boca líquidos que pueden resultar nocivos, corrosivos o que emiten vapores. Este dispositivo consta de 3 válvulas o vías que permite el ascenso y descenso de los líquidos. La pera funciona por el principio de succión. Para hacerla funcionar primero se fija a la pipeta por la parte inferior D, (superior de la pipeta). A continuación se extrae el aire de la pera presionando en la válvula A y a la vez en la propia pera.

B

Para hacer ascender el líquido presionamos suavemente la válvula B, y para hacerlo descender la válvula C.

C D

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A tener en cuenta… a) Ciertas disoluciones deben prepararse exclusivamente cuando vayan a utilizarse puesto que con el paso del tiempo su concentración varía por degradación del reactivo empleado. Este hecho se aprecia considerablemente en disoluciones de dicromato de potasio o permanganato de potasio, las cuales con el paso del tiempo toman un aspecto pardo por reducción del ion permanganato.

b) La pérdida de una pequeña fracción de líquido en el trasvase al matraz aforado invalida completamente la disolución y será necesario empezar de nuevo. c) Para preparar las disoluciones deben tenerse en cuenta las cifras significativas que nos ofrecen tanto la balanza como el material de medida graduado, y nunca dar más decimales de los que ofrece el instrumento de menor precisión. d) Antes de preparar cualquier disolución el material debe estar completamente limpio debe enjuagarse previamente con agua destilada.

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DISOLUCIONES PRÁCTICAS

• Preparación de una disolución • Disoluciones comerciales • Diluciones

LA MAYORÍA DE LOS PRODUCTOS QUÍMICOS SON PELIGROSOS TANTO POR CONTACTO COMO POR INHALACIÓN. ANTES DE REALIZAR NINGUNA PRÁCTICA DEBES CONOCER LOS DATOS MÁS IMPORTANTES SOBRE LAS CARÁCTERISCAS DE DICHOS PRODUCTOS REVISANDO SUS FICHAS.

1. Antes de comenzar, llena un vaso de precipitados de agua del grifo y practica con la pipeta hasta que seas capaz de pipetear con seguridad. 2. Prepara 250 mL de la disolución que te corresponda con las técnicas vistas para la preparación de una disolución sólido-líquido. Antes de realizar la práctica deberás elaborar los cálculos y presentárselos al profesor. TABLA I – PREPARACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN

Soluto

|soluto| (mol/L)

Masa Soluto

Cf (mol/L)

(g)

1

NH4Cl

5%

0,05 M

2

NaOH

2M

0,5 M

3

NaHSO4

3M

0,5 M

4

NaHCO3

10%

1%

5

KOH

0,5 M

0,1 M

6

NaCl

10%

0,5 %

7

Ácido cítrico C6H8O7

1%

0,4%

8

Co(NO3)2

0,5 M

0,05 M

9

CH3COONa

2M

0,5 M

10

Na2S2O3

20%

5%

3. Diluye las disoluciones anteriores al nuevo valor de concentración que te indican la tabla siguiente para 250 mL de disolución. 4. Prepara 250 mL de disolución a la concentración que te corresponda según la tabla, teniendo en cuenta los datos de concentración inicial de la

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disolución comercial de la que disponemos en el laboratorio que podrás ver en la tabla III. Realiza los cálculos antes de comenzar y preséntaselos al profesor. TABLA II – DISOLUCIÓN A PARTIR DE OTRA COMERCIAL

Ácido

|ácido|

Masa disol.

V a tomar

(mol/L)

(g)

(mL)

1

HCl

0,05

2

HCl

0,5

3

HCl

1

4

H2SO4

0,05

5

H2SO4

0,5

6

H2SO4

1

7

NH4OH

0,05

8

NH4OH

0,5

9

CH3COOH

0,05

10 CH3COOH

0,5

¡¡ATENCIÓN!! PARA PREPARAR DISOLUCIONES DE ÁCIDOS SIEMPRE SE DEBE AÑADIR DESPACIO EL ÁCIDO SOBRE EL AGUA PARA EVITAR PROYECCIONES A LA CARA. SE HARÁN EN VITRINA Y CON LAS PROTECCIONES ADECUADAS.

TABLA III –DISOLUCIONES COMERCIALES

Riqueza

densidad

(%)

(g/mL)

HCl

37

1,18

H2SO4

96

1,84

NH4OH

28

0,892

CH3COOH

99,5

1,05

Ácido

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5. Preparamos una disolución sobresaturada de tiosulfato de sodio (Na2S2O3·5H2O), pesamos 24 g de sal y lo añadimos a un tubo de ensayo con 2 mL de agua. Calentamos al baño María hasta que se disuelva. Dejamos enfríar. Al introducir cualquier objeto en el tubo cristaliza inmediatamente, desprendiendo calor de disolución. Podemos volver a repetir el proceso volviendo a calentar.

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E X P E R I E N C I A S

D E

C Á T E D R A

1. PRESENTACIÓN DEL MATERIAL DEL LABORATORIO -

La seguridad en el laboratorio. Las sustancias químicas, las vitrinas, … Diferencias entre los distintos tipos de matraces. Recipientes de medida. Precisión en la medida Pipetas y probetas. La pera de succión.

2. ELABORACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN

DISOLUCIÓN SOBRESATURADA - En un matraz erlenmeyer de 150 mL pesamos 50 g de acetato de sodio y lo disolvemos con 5,0 mL de agua. Calentamos hasta que se disuelva totalmente y dejamos enfriar en reposo. Cuando la disolución esté fría rompemos el equilibrio metaestable para facilitar la cristalización añadiendo un cristal de acetato.

SÓLIDO-LÍQUIDO - Preparación de 250 mL de una disolución 0,1 M de sulfato de cobre (PM=294,68 g/mol; 7,37 g de sal en 250 mL de agua). OJO: La sal que tenemos en el laboratorio es un hidrato y hay que tener en cuenta el agua en el peso molecular. - Pesamos el matraz lleno para calcular la densidad.

DILUCIÓN DE UNA DISOLUCIÓN - Diluiremos la disolución inicial de CuSO4 de 0,1 M a 0,05 M. Prepararemos 100 mL de disolución diluida. (50 mL de disolución inicial a 100 mL). - Volvemos a pesar el matraz lleno para calcular la densidad.

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CH3COONa

76,2 g/100 mL (0º C) 138,8 g/100 mL (50ºC)

Na2S2O3·5H2O

74,7 g/100 mL (0ºC) 301,8 g/100 mL (60ºC)

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práctica-soluciones