• Author / Uploaded
• GABRIELA ANDREA VELEZ CERON

Citation preview

LABORATORIO DE QUÍMICA INORGANICA– UNIVERSIDAD DEL VALLE PERIODICIDAD QUÍMICA Gabriela Andrea Veleza, Johan David Merab, Juan M. Sterlingc a

1729149 – [email protected] b 1736047 – [email protected] c 1722465 – [email protected]

RESUMEN. Se halló la relación periódica entre las propiedades de los elementos de la tabla periódica. Se evaluó cualitativamente la reactividad del Na, Mg y Al respecto al agua, obteniéndose que a mayor energía de ionización habrá menor reactividad. Se determinó el comportamiento del pH de tal manera que se logró apreciar cuantitativamente que a medida que aumenta la electronegatividad de un periodo se tendrá un aumento en el carácter ácido. Por parte de la solubilidad, se encontró cuantitativamente que la solubilidad de las sales disminuye al aumentar el periodo y, por último, la conductividad eléctrica de disoluciones iónicas está determinada por la cantidad de iones y el carácter no metálico, es decir, la conductividad disminuirá, al bajar por lo elementos de un grupo y aumentará de izquierda a derecha en los periodos. Palabras clave: periodicidad, conductividad, solubilidad, reactividad. INTRODUCCIÓN La tabla periódica de los elementos presenta diferentes variaciones periódicas de las propiedades físicas de dichos elementos, en ellas se puede encontrar propiedades como la carga nuclear efectiva, la electronegatividad, la afinidad electrónica, la energía de ionización, el radio atómico y el radio iónico, estas propiedades influyen mucho en el comportamiento químico de los elementos que se encuentran en un mismo periodo o grupo. La energía de ionización, carga nuclear efectiva, electronegatividad y afinidad electrónica son variaciones periódicas ya que aumentan a medida que se avanza en un periodo de izquierda a derecha y en un grupo de arriba hacia abajo, mientras que el radio atómico y el radio iónico decrecen periódicamente a medida que las anteriores aumentan. A continuación, se explicará cómo experimentalmente se comprueba lo anterior mencionado y el significado de algunas de estas propiedades de la tabla periódica por medio del comportamiento químico de algunos elementos con respecto a la reactividad, carácter acido-base, solubilidad y conductividad a medida que crece o decrece un grupo o periodo1. DATOS Y RESULTADOS Tabla 1. Reactividad en agua con periodo 3. Elemento Reacción Sodio (Na) 2Na(s) + 2H2O → 2NaOH(ac) + H2(g) Magnesio (Mg) Mg + 2H O ∆ Mg(OH) + H (s)

Aluminio (Al)

2

Al2O3(s) + 3H2O

→

2(ac)

∆ 2Al(OH)3(ac) →

2(g)

Observación Reacción inmediata exotérmica. Al calentar la solución esta reaccionó más o menos a los 40°C. Se calentó y agitó alrededor de 20 min y no se evidenció reacción alguna.

Acto seguido, se determinó la acidez de los anteriores elementos después de reaccionar con el agua. Tabla 2. Acidez de los elementos del grupo 3. Elemento pH Duplicado pH Promedio Sodio (Na) 11.88 11.90 11.89 Magnesio (Mg) 9.53 9.56 9.55 Aluminio (Al) 6.00 6.00 6 Tabla 4. Solubilidad de grupo 2 con sulfatos. Elemento Reacción Bario (Ba) Ba(OH)2 + H2SO4 → BaSO4 + 2H2O Calcio (Ca) Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4 + 2H2O

Masa precipitada (g) 1.65 1.13

Moles precipitados 0.007 0.008

LABORATORIO DE QUÍMICA INORGANICA– UNIVERSIDAD DEL VALLE Tabla 5. Solubilidad de grupo 17 con respecto a la plata. Elemento Reacción Masa precipitada (g) Cloro (Cl) Bromo (Br)

AgNO3 + HCl → AgCl + HNO3 AgNO3 + KBr → AgBr + KNO3

0.21 0.38

Moles de precipitados 0.001 0.002

En la siguiente tabla se presentan los valores de conductividad obtenidos (a las sales del grupo 2 se les hizo el procedimiento por duplicado, por esto, el valor registrado es el promedio): Tabla 6. Experimento conductividad. Grupo Elemento Conductividad Diferencia H2O Diferencia H2O (S/cm) grifo Destilada −3 1 Sodio (Na) 94.8 7455.2 9.99 ×10 Potasio (K) 2

Magnesio (Mg) Calcio (Ca)

No aplica

Agua de grifo Agua destilada

−3

8.81× 10 15.22× 10−3 −3 10.56 ×10 105.4 ×10−6 −6 1.34 ×10

83.6

6574.6

144.4

11358.2

100.2

7880.6 No aplica

ANALISIS DE RESULTADOS. Se realizaron diferentes experimentos con el fin de observar la periodicidad química en la tabla periódica respecto a cada uno de sus elementos; se llevaron a cabo procedimientos tales como la reacción de elementos del periodo 3 con el agua, la medición de acidez o basicidad de una solución, la solubilidad de elementos del grupo 2 frente a los sulfatos y la solubilidad del grupo 17 frente a la plata, por último, se midió la conductividad eléctrica de sales de cloruros de los grupos 1 y 2. En la reactividad de los elementos del periodo 3 frente al agua se usaron el sodio (Na), magnesio (Mg) y el aluminio (Al). Donde se observó que sodio al entrar en contacto con el agua reaccionó de una manera relativamente violenta e inmediata, siendo así una reacción altamente exotérmica 2. Al reaccionar el magnesio con el agua se observó que no reaccionó de manera inmediata y lo que reaccionó a temperatura ambiente fue muy poco, al observar esto se decidió suministrar calor a la mezcla donde al llegar esta a una temperatura de aproximadamente 40°C empezó la reacción. Por último, al reaccionar el aluminio (Al) con agua a temperatura ambiente se observó que no hubo reacción, se procedió a suministrar calor hasta llevar el agua a temperatura de ebullición y tampoco reacciono. Esto era de esperarse ya que la reactividad química de los elementos está determinada en gran parte por sus electrones de valencia, los cuales ocupan el nivel de energía externo. Por tanto, a medida que se avanza en un periodo la reactividad disminuye debido a que los electrones de valencia van aumentando, donde se tiene una relación directamente proporcional con la energía de ionización la cual es la energía necesaria para desprender una mol de átomos en estado gaseoso. Se especifica en estado gaseoso ya que en este no hay influencia de átomos vecinos y no existen fuerzas intermoleculares. 2 Ahora bien a medida que se avanza en un periodo la energía de ionización va aumentando y por ende es más difícil arrancar un electrón del átomo, produciendo que la reactividad disminuya3. El efecto de la reactividad también está ligado con la carga nuclear efectiva; la cual es la carga nuclear detectada por un electrón cuando se toman en cuenta tanto la carga real (Z) como los efectos repulsivos (pantalla) de los demás electrones4. A medida que se avanza en un periodo la carga nuclear efectiva aumenta, es decir, el núcleo ejerce más fuerza sobre los electrones y hace que estos se sientan más atraídos, por ende, va a ser más difícil que un átomo con carga nuclear efectiva grande desprenda un electrón y este reaccione, lo cual está ligado directamente con el radio atómico, ya que a medida que se avanza en un periodo el radio atómico y el apantallamiento de la carga nuclear efectiva disminuyen, donde esta última tiende a aumentar 5. Al evaluar el carácter ácido de las anteriores soluciones (ver tabla 2), se determinó que al aumentar en un periodo esta también aumenta, esto es debido a que la polaridad del enlace es el factor principal que determina la acidez en un periodo. Por tanto, la acidez aumenta con el aumento de la electronegatividad 6. Al reaccionar los elementos del periodo 3 con agua se obtuvieron NaOH, Mg(OH) 2 y Al(OH)3, donde al medir el pH de

LABORATORIO DE QUÍMICA INORGANICA– UNIVERSIDAD DEL VALLE estos se obtuvo 11.89, 9.55, 6.00 respectivamente, esto es debido a que el sodio tiene menor electronegatividad que el magnesio y a su vez este anterior menor electronegatividad que el aluminio, donde al tener menor electronegatividad el enlace presenta más carácter iónico, siendo así el NaOH el más básico en este caso. El método usado en las dos sesiones fue efectivo y no hubo necesidad de hacer mejoras ya que fue un experimento cualitativo y al hacer el duplicado se obtuvieron resultados congruentes (ver tabla 1), de igual forma al determinar la acidez de las soluciones formadas (ver tabla 2). Con el fin de evaluar el efecto de la solubilidad, se precipitaron diferentes sales formadas por sulfatos con metales-alcalinotérreos del grupo 2 y de plata con halógenos del grupo 17, para observar el carácter periódico de la solubilidad de una sal respecto al grupo. En el caso de las sales de plata se precipitó el cloruro y bromuro; se analizó que al agregar igual número de moles de los nitratos de plata se obtuvieron más moles del precipitado de bromuro de plata que del cloruro de plata (ver tabla 5), observando así experimentalmente que a medida que se baja en un grupo la solubilidad va disminuyendo, donde al observar su constante de producto de solubilidad, da como resultado 1.8x10-10 M y 5x10-13 M para AgCl y AgBr respectivamente 7 ; donde se observa el carácter periódico de la solubilidad, siendo el AgBr es menos soluble que el AgCl las cuales nos dicen que el bromuro es menos soluble. El cloruro de plata al ser una sal menos soluble, tiene la característica de tener una red iónica más débil, es decir, la energía necesaria para separar totalmente un mol del compuesto es menor que con respecto al bromuro de plata, por ende necesita menor energía para separarse 8, esta separación se debe al desmoronamiento de la estructura sólida al introducirse las moléculas de un disolvente en el interior de la red cristalina y neutralizar así la atracción entre los iones 9, mientras que el bromuro de plata al ser menos soluble tiene una red iónica más fuerte y necesita más energía para separarse. Esto también está relacionado con el radio atómico debido a que el radio del bromo es más grande, por ende más pesado y la red iónica que forma en la sal es más difícil de romper 10; en la tabla periódica se observa un patrón de periodicidad del radio atómico el cual crece de derecha a izquierda y de arriba abajo en la tabla, donde se observa claramente lo anterior mencionado, con lo ya mencionado y lo observado experimentalmente una sal es menos soluble respecto a su grupo a medida que este desciende. Cuando se precipitaron sulfatos de calcio y bario elementos correspondientes al grupo 2, se obtuvo un mayor cantidad de moles de precipitado de sulfato de calcio (kps: 2.5x10 .5) que del sulfato de bario (kps=1.1x10 -10)7, donde al analizar las condiciones dadas anteriormente para la solubilidad, este resultado experimental no es coherente con el esperado teóricamente puesto que al tener el bario un mayor radio atómico se esperaba un mayor precipitado, esto se vería confirmado por su constante de producto de solubilidad la cual es menor de la constante del sulfato de calcio. Este error experimental posiblemente puede ser visto por las condiciones donde se dio la reacción ya que claramente la solubilidad depende de presión y temperatura para diferentes compuestos11, también se ve atribuido a un mal manejo del experimento en el filtrado y respectivo secado, donde al momento de filtrar se perdió un poco de muestra del precipitado de sulfato de bario y en el secado, quedó un poco de muestra en el vaso de precipitados donde luego remover para pasarla al papel filtro algunos pequeños trozos de muestra quedaron adheridos al vaso. Para la aplicación de este método no se realizó duplicado debido a que no alcanzo el tiempo por la falta de logística, ya que este experimento se realizó en la última sesión. Al evaluar la conductividad de los elementos en forma de iones del grupo 1 y 2, se disolvieron las sales de cloruros, NaCl y KCl para el primer grupo y, MgCl2 y CaCl2 para el segundo grupo. El proceso se desarrolló en dos sesiones, en la primera no se logró establecer la relación de conductividad por la falta de calibración del instrumento, y posteriormente, en la segunda sesión se logró tomar los valores de las soluciones iónicas, estas fueron preparadas de tal manera que cada sal disuelta en agua presentó una concentración de 0.1 M, a estas soluciones se les determinó la conductividad mediante un conductímetro, el cual constaba de un electrodo para la medición. También, se halló la conductividad de agua de grifo y destilada con el fin de tomar un valor como referencia, de cuantas veces la solución iónica transporta en mayor cantidad la energía. Al movimiento de las cargas eléctricas se le denomina corriente eléctrica, por esto, al disolver una sal de cloruro en un disolvente polar como el agua se forman cationes y aniones, de tal manera que se genera una solución salina conductora de cargas, esto debido al movimiento de los iones en determinada temperatura (la temperatura registrada por el conductímetro fue de 27 °C), por ejemplo, para el NaCl se generaron iones Na + y Cl- en solución, estos iones efectuaran movimientos de atracción y repulsión; generando así un transporte de carga que determinan la circulación de la corriente.orriente12

LABORATORIO DE QUÍMICA INORGANICA– UNIVERSIDAD DEL VALLE Haciendo un análisis a los valores obtenidos, se tiene un comportamiento decreciente en la medida que bajamos por un grupo, y un aumento de izquierda a derecha en los grupos, era de esperarse debido a que en las sales del segundo grupo se presentó la disociación de 3 iones (2 cationes y 1 anión) lo cual generó un mayor transporte de energía en la solución. El comportamiento decreciente puede darse debido al aumento del carácter no metálico, en estos casos, los elementos del grupo 1 y 2 donaran sus electrones a los aniones de cloro con el fin de crear un intercambio de carga que permite el traspaso de energía en la solución, pero al donar estos electrones estos átomos se hacen más pequeños y susceptibles al movimiento de cargas en el disolvente, de tal manera que presenten mayor conductividad. Por otra parte, el carácter no metálico depende generalmente de la facilidad de ganar electrones, y a su vez, es una propiedad periódica que aumenta de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba, de tal manera que la conductividad aumentará de abajo hacia arriba y de izquierda a derecha, tal como se obtuvo en los valores con el conductímetro13. MATERIALES Y MÉTODOS Tabla 7. Materiales utilizados para los 3 experimentos realizados. MATERIALES Vasos precipitados 20 mL (3) Pinzas metálicas para tubo de ensayo Vaso precipitados 100 mL (1) Papel filtro (4) Varilla Agitación (1) Vidrio reloj (5) Espátula (1) Tubos de ensayo (3) Conductímetro Matraz 50 mL (2) Pipeta graduada 10mL (1) Plancha de calentamiento Macropipeta (1) pH-metro Equipo de filtración a gravedad de 125 mL (2) Vasos de precipitados 50 mL (4) Pipeta volumétrica 1 mL (1) Embudos para filtración matraz 50 mL (2) Manguera para equipo filtración (2) Probeta (1) Tabla 8. Reactivos utilizados para los 3 experimentos. REACTIVOS Na AgNO3 Mg KBr Al HCl Ca(OH)2 H2SO4 Ba(OH)2 CaCl2 NaCl MgCl2 KCl MÉTODOS APLICADOS. MÉTODO PARA EVALUAR LA REACTIVIDAD EN AGUA PERIODO 3. Utilizando pinzas largas, tome un trozo de sodio metálico y póngalo a secar en un papel filtro (la razón por la cual hay que secar este tipo de metales es porque se guardan en aceite mineral debido a que estos se oxidan con el aire 14), acto seguido tome el trozo más pequeño de sodio y viértalo en un vaso de precipitados de 500 mL con 250 mL de agua destilada, agregue fenolftaleína como indicador y anote las observaciones pertinentes. Repetir el procedimiento anterior utilizando magnesio y aluminio pesando 0.2 g de cada uno y con el paso adicional de calentar las soluciones con una plancha debido a que estas no reaccionan con agua a temperatura ambiente15. METODO PARA EVALUAR LA ACIDEZ DEL PERIODO 3. Tomar una alícuota de las anteriores soluciones y medir con un pH-metro los tubos de ensayos con las soluciones resultantes. Registrar datos. METODO PARA EVALUAR LA SOLUBIDAD CON SULFATOS. En un vaso de precipitado de 50 mL tomar 10 mL de una solución de H 2SO4 0.5M, a ese vaso agregar 10 mL de otra solución 0.5M de Ca(OH) 2, dejar que se precipite por 20 minutos a temperatura ambiente. Después de ocurrida la reacción filtrar al vacío el precipitado, cuando esta se finalice, tomar el papel filtro previamente pesado con el precipitado y poner a secar en el horno a 70°C por 40 minutos para eliminar toda la humedad en el papel y el precipitado para registrar su peso exacto, si en ese tiempo no está completamente seco, dejar por lapsos de 15 minutos, pesar

LABORATORIO DE QUÍMICA INORGANICA– UNIVERSIDAD DEL VALLE en balanza analítica o gramera y anotar observaciones. Repetir este procedimiento con una solución de Ba(OH)2 0,5M como soluto. METODO PARA EVALUAR SOLUBILIDAD CON LA PLATA. En un vaso de precipitado tomar 10mL de una solución de HCl 0,2M, a este vaso agregar 10mL de solución AgNO 3 0,1M y dejar que precipite por 20 minutos a temperatura ambiente. Luego, filtrar el precipitado al vacío con papel filtro previamente pesado y poner a secar lo obtenido en el horno a 70°C con el vaso de precipitado y sus residuos con el fin de eliminar toda humedad de estos dos, esto se hace por 40 minutos o hasta que seque si requiere más tiempo, pesar lo obtenido en balanza y anotar datos. Repetir este procedimiento con la misma solución de nitrato de plata, pero ahora con solución 0,1M de KBr. METODO PARA EVALUAR CONDUCTIVIDAD DE SALES DE GRUPO 1 y 2. En 5 vasos de precipitado colocar 50mL soluciones de CaCl2, MgCl2, NaCl y KCl 0,1M todas, luego con ayuda de un conductímetro medir la capacidad conductiva de cada una de estas soluciones y anotar observaciones y datos. Realizar procedimiento para 50mL de agua destilada y 50mL de agua de grifo. CONCLUSIONES Se determinó que la reactividad de un elemento aumenta de manera inversamente proporcional al crecimiento de la energía de ionización, es decir, a mayor energía de ionización habrá menor reactividad y esta energía crece a lo largo de un periodo. La acidez de una base depende de la electronegatividad del elemento que la conforma, a medida que crece la electronegatividad en un periodo también crecerá el carácter ácido, por tanto, se obtuvo que las bases más fuertes son las que se encuentran en el grupo 1, y le siguen las del grupo 2 y 3. Se halló que las sales de un periodo mayor son menos solubles que las de un periodo menor y que esta está relacionada con el radio atómico del elemento, al tener un radio atómico mayor la red iónica será más fuerte, por ende, más difícil de disociar; entonces, a medida que el radio atómico crece en un grupo, la solubilidad de estas sales será menor. La conductividad eléctrica de una disolución iónica está determinada según la cantidad de iones en solución y el carácter metálico/no metálico, de tal manera que se tiene una disminución de esta propiedad de arriba a abajo en cuanto a los grupos y un aumento de izquierda a derecha para los periodos. REFERENCIAS 1. Chang R.; Relaciones periódicas entre los elementos. “Química”. Decima Ed. McGraw-Hill. México.2010. p 323. 2. Parry W.R; Dietz M.P.; Reacciones metales alcalinos con el agua. “Química fundamentos experimentales”. Primera Ed. Reverte. Barcelona. 2003. p193. 3. Chang R.; Op. Cit. p 337. 4. Chang R.; Op. Cit. p 330. 5. Bursten B.L.; Carga nuclear efectiva. “Química la ciencia central”. Novena Ed. Pearson. México. 2004. p 239 6. Bursten B.L.; Op. Cit. p 645. 7. Anónimo. Constantes del producto de solubilidad. [En línea]. http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/ks.pdf (visitado 4 julio, 2019) 8. Bursten B.L.; Op. Cit. p 281. 9. Ref. Anton, J.; Barrio, J.; Enlace iónico. “Física y química”. Editex. España. 2008. pp 190. 10. Chang R.; Op. Cit. p 350. 11. Chang R.; Op. Cit. p 551. 12. Usón, R; Propiedades eléctricas de las fases condensadas. “Química una ciencia experimental”. Reverté, España, 1992. Pp 82. 13. Petrucci, R.; Tabla periódica y algunas propiedades atómicas. “Química general”. Pearson. España. 2011. Pp 369, 381. 14. Durst.H.D; Gokel. G.W. Sustitucion nucleófilica sobre carbonos saturados. “Química orgánica experimental”. Reverté, Barcelona, España. 2017. P. 279.https://books.google.com.co/books? id=xiqTfEO1a2gC&pg=PA279&lpg=PA279&dq=En+que+se+guardan+el+sodio+metalico&source=

LABORATORIO DE QUÍMICA INORGANICA– UNIVERSIDAD DEL VALLE bl&ots=iIq6H0MT1r&sig=ACfU3U0k3kBI21Ja7MtdicLMNMUWYR7kQ&hl=es&sa=X&ved=2ahUKEwjvf_akcTiAhUp01kKHSVrDboQ6AEwBnoECAkQAQ#v=onepage&q=En%20que%20se %20guardan%20el%20sodio%20metalico&f=false (visitado 2 julio, 2019). 15. Umland, J. B.; Bellama, J. M.; Estructura electrónica y la tabla periódica. Química General; International Thomson Editores. México, D. F, 2000; p. 287, 288.