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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Zaragoza Q.F.B. L.C.B.II Profesor: Iker Escalona Marcha analítica de los cationes del grupo IV analítico Grupo: 1204 Manuel Romero Juan Adrián Muñoz Moreno Gustavo

Resumen En el presente experimento se separaron e identificaron los cationes del grupo IV analítico mediante una serie de reacciones para la formación de un precipitado. El grupo IV de cationes está constituido por los cationes Ca2+, Sr2+ y Ba2+ los cuales se separaron de la disolución muestra al formar sus precipitados (carbonatos) con el reactivo general del grupo que es el (NH4)2CO3. Para separar e identificar cada catión se llevaron a cabo reacciones específicas con los reactivos K 2CrO4 (para formar BaCrO4), HNO3 (para formar Sr(NO3)2) y (NH4)2C2O4 (para formar CaC2O4). Se obtuvo únicamente el precipitado CaC2O4, lo cual cualitativamente, indicó la presencia del catión Ca2+. Al final se realizaron las pruebas a la flama para confirmar mediante la coloración de la llama la presencia de los cationes; y se obtuvo solamente la presencia del catión Ca2+. Abstract In the present experiment analytical IV group cations were separated and identified by a reaction series for a precipitate formation. The analytical IV group cations its constituted by the Ca2+, Sr2+ and Ba2+ cations which were separated from the sample solution by the formation of its precipitates (carbonates) with the general group reactive (NH4)2CO3. To separate and identify each cation specific reactions took place with K2CrO4 (to form BaCrO4), HNO3 (to form Sr(NO3)2) and (NH4)2C2O4 (to form CaC2O4) reactives. It was only obtained the CaC2O4 precipitate, which qualitatively, indicated the Ca2+ cation presence. At the end the flame tests were made to confirm by the flame coloration the cations presence; and the Ca2+ cation presence was only obtained. Introducción En el presente experimento se llevó a cabo la separación de identificación de los cationes del grupo IV analítico el cual está compuesto por los cationes de calcio bario y estroncio. En general el procedimiento o esquema de separación y de identificación de los iones que se encuentran en una muestra dada se conoce como marcha analítica. Una marcha analítica involucra una serie de pasos basados en reacciones químicas, en donde los iones se clasifican en cinco grupos de acuerdo a su comportamiento frente a ciertos reactivos. La clasificación se basa en si la reacción entre los iones y el reactivo promueven o no la formación de un precipitado, es decir, se basa en la diferencia de solubilidades de los productos formados. Los cinco grupos que constituyen la marcha analítica de cationes son los siguientes:

Grupo

Subgrupo

Cationes del grupo

Reactivo del grupo

Acción del reactivo

I

-

Ag+, Pb2+, y Hg1+

HCl

Precipita cloruros

H2S + medio de HCl

Precipita sulfuros

II-A

Hg2+,

Cu2+,

Bi3+ y

Cd2+

II-B

Sb3+, Sb5+, As3+, As5+, Sn2+ y Sn4+

H2S + (NH4)2S

Forma tiosales solubles

III-A

Fe2+, Fe3+, Cr3+ y Al3+

NH4Cl + NH3

Precipita hidróxidos

III-B

Co2+, Ni2+, Zn2+ y Mn2+

NH3 + H2S

Precipita sulfuros

IV

-

Ca2+, Sr2+ y Ba2+

(NH4)2CO3

Precipita carbonatos

V

-

Mg2+, K+ y Na+

-

-

II

III

El grupo I está constituido por los cationes Ag+, Pb2+, y Hg1+ cuyos cloruros son prácticamente insolubles en agua, salvo el de plomo que por ser moderadamente soluble precipiten completamente y acaba de hacerlo en el siguiente grupo en forma de sulfuro. El grupo II está constituido por los iones de Hg2+, Cu2+, Bi3+, Cd2+, Sb3+, Sb5+, As3+, As5+, Sn2+ y Sn4+ los cuales forman precipitados en medio ligeramente ácido a su vez dichos iones se clasifican en dos grupos. El subgrupo II-A, que incluye los primeros cuatro cationes y el subgrupo II-B que incluye los seis cationes restantes. Estás subclasificaciones corresponden a la diferencia de solubilidad que tienen ambos grupos en presencia de sulfuro de amonio de los cuales el grupo II-B se caracteriza por ser soluble en dicho reactivo mientras que el grupo IIA no lo es. El grupo III está integrado por los iones Co2+, Ni2+, Fe2+, Fe3+, Cr3+, Al3+, Zn2+ y Mn2+. Este grupo se subdivide en otros dos grupos el III-A de hidróxidos y el III-B de sulfuros. El subgrupo III-A precipita en forma de hidróxidos con una disolución reguladora amoniacal y el subgrupo III-B precipita al tratar la solución amoniacal con sulfuro de amonio o ácido sulfhídrico. El grupo IV está constituido por los iones de Ca2+, Sr2+ y Ba2+ que precipitan en forma de carbonatos con carbonato de amonio en medio neutro o alcalino y en presencia de sal de amonio de ácido fuerte cuya presencia impide la precipitación del magnesio.

El grupo V la forma en el Mg2+ y los metales alcalinos K+ y Na+ cationes que no han precipitado en los anteriores grupos, no poseen reactivo en común y se identifican individualmente en el filtrado de la precipitación del grupo IV. Características generales para el análisis del grupo IV analítico:   

Cationes: Ca2+, Sr2+ y Ba2+ Reactivo general del grupo: (NH4)2CO3 Medio: En presencia de NH4OH y sales de NH4Cl. Lo cual posibilita un pH superior a 7.8 asegurando la precipitación de los carbonatos de calcio, estroncio y bario. Además este buffer asegura que la disolución problema no llegue a ser fuertemente alcalino, ya que de lo contrario no habría la precipitación de los carbonatos.

Al reaccionar el (NH4)2CO3 con los cationes del grupo IV se obtienen los carbonatos correspondientes que son similarmente insolubles según su Kps: Reacción → 𝐶𝑎𝐶𝑂3 ↓

2+ 2− 𝐶𝑎(𝑎𝑐) + 𝐶𝑂3(𝑎𝑐) 2+ 2− 𝑆𝑟(𝑎𝑐) + 𝐶𝑂3(𝑎𝑐)

→ 𝑆𝑟𝐶𝑂3 ↓

Kps del producto 8.7 x10-9 1.6 x10-9

2+ 2− 𝐵𝑎(𝑎𝑐) + 𝐶𝑂3(𝑎𝑐) → 𝐵𝑎𝐶𝑂3 ↓

8.1 x10-9 Los cuales se decantan de la solución que contiene los iones del grupo V y se procede a su identificación. Para separar e identificar cada catión se toma en cuenta la solubilidad que tiene el producto de la reacción que tiene cada catión con un reactivo respectivo. Así, el bario se separa e identifica con K2CrO4 aprovechando la baja solubilidad de su cromato respecto al de los otros cationes. Reacción → 𝐶𝑎𝐶𝑟𝑂4 ↓

2+ 2− 𝐶𝑎(𝑎𝑐) + 𝐶𝑟𝑂4(𝑎𝑐) 2+ 2− 𝑆𝑟(𝑎𝑐) + 𝐶𝑟𝑂4(𝑎𝑐)

→ 𝑆𝑟𝐶𝑟𝑂4 ↓

Kps del producto 2.3 x10-2 3.6 x10-5

2+ 2− 𝐵𝑎(𝑎𝑐) + 𝐶𝑟𝑂4(𝑎𝑐) → 𝐵𝑎𝐶𝑟𝑂4 ↓

2.0 x10-10 El estroncio puede identificarse mediante las reacciones de los cationes con el HNO3, ya que el nitrato de estroncio es el menos soluble. Reacción 2+ − 𝐶𝑎(𝑎𝑐) + 𝑁𝑂3(𝑎𝑐) → 𝐶𝑎𝑁𝑂3 ↓

Kps del producto

2+ − 𝑆𝑟(𝑎𝑐) + 𝑁𝑂3(𝑎𝑐) → 𝑆𝑟𝑁𝑂3 ↓

2.8 x10-7

2.0 x10-4

2+ − 𝐵𝑎(𝑎𝑐) + 𝑁𝑂3(𝑎𝑐) → 𝐵𝑎𝑁𝑂3 ↓ 4.64 x10-3 Por último, el calcio se identifica de acuerdo a la solubilidad que presenta el producto de la reacción con oxalato de amonio, es decir el oxalato de calcio, que es el menos soluble de los oxalatos.

2+ 𝐶𝑎(𝑎𝑐)

Reacción 2− + 𝐶2 𝑂4(𝑎𝑐) → 𝐶𝑎𝐶2 𝑂4 ↓

Kps del producto 7.9 x10-8

2+ 2− 𝑆𝑟(𝑎𝑐) + 𝐶2 𝑂4(𝑎𝑐) → 𝑆𝑟𝐶2 𝑂4 ↓

4 x10-7

2+ 2− 𝐵𝑎(𝑎𝑐) + 𝐶2 𝑂4(𝑎𝑐) → 𝐵𝑎𝐶2 𝑂4 ↓

6.0 x10-6

Una prueba final de tipo cualitativa, es la prueba a la llama, en la cual a la llama de un mechero Bunsen se le coloca una pequeña cantidad de la sustancia que se desea a analizar en la punta de una varilla de platino, los elementos producen un color característico a la llama:   

Calcio: Produce una llama de color rojo-anaranjado. Estroncio: Produce una llama de un color rojo intenso. Bario: Produce una llama color verde pálido.

¿Cómo identificar lo cationes del grupo IV de una disolución desconocida? Objetivo general: Separar e identificar los cationes del grupo IV analítico Objetivos particulares: 1. Realizar correctamente el procedimiento para poder identificar los cationes 2. Preparación de disoluciones que tienen un comportamiento endotérmico. Hipótesis: En la disolución problema pueden o no estar presentes los tres cationes que conforman el grupo IV de cationes, cada catión forma un respectivo precipitado cuando reaccionan con un reactivo específico por lo que al realizar correctamente el procedimiento se espera encontrar los cationes mediante los precipitados formados característicos de cada catión y confirmar mediante las pruebas a la flama. De lo contrario, si no se forma el precipitado de algún ion significa que no está presente en la disolución problema. Variables:  

Independientes: Cationes presentes en la disolución problema Dependientes: Apreciación en la medición de pH, tiempo en el que precipita la disolución, cantidad de gotas para equilibrar el pH.

Parte experimental Cuadro de materiales, equipo y reactivos.          

Materiales 10 tubos de ensayo Mechero bunsen Asa bacteriológica Gotero y pipetas Pasteur Vaso de precipitado de 100 mL Piseta Balanza de doble plato Matraz aforado de 50, 100 mL Pipeta graduada de 5 mL Termómetro

 

Equipo Centrifugadora Parrilla de calentamiento y agitación

Reactivos          

 

Procedimiento: Se prepararan las siguientes disoluciones. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Disolución de Disolución de Disolución de Disolución de Disolución de Disolución de Disolución de

Cloruro de bario BaCl2 al 20% P/V Cloruro de estroncio SrCl2 al 20% P/V Cloruro de Calcio CaCl2 al 20% P/V Carbonato de amonio (NH4)2CO3 2M Cloruro de amonio (NH4Cl) 4M Ácido acético CH3COOH 6M Acetato de amonio (CH3COONH4) 3M

Ácido Clorhídrico al 38% (HCl) Cloruro de bario BaCl2 Cloruro de estroncio SrCl2 Cloruro de calcio CaCl2 Carbonato de amonio (NH4)2CO3 Cloruro de amonio (NH4Cl) Ácido acético glacial al 99.7% (CH3COOH) Acetato de amonio (CH3COONH4) Cromato de potasio K2CrO4 Hidróxido de amonio concentrado NH4OH Oxalato de amonio (NH4)2C2O4 Ácido Nítrico concentrado HNO3

8. Disolución de Cromato de potasio K2CrO4 0.5 M 9. Disolución de Oxalato de amonio (NH4)2C2O4 0.3M

Separación de los cationes del grupo IV analítico Procedimiento: 1. Se colocara en un tubo de ensayo 2 mL de la disolución problema con ayuda de un gotero o una pipeta graduada, etiquetar el tubo. 2. Se le agregara al tubo de ensayo con la disolución problema 10 gotas de disolución 4 M de Cloruro de amonio (NH4Cl) y 10 gotas de la disolución 2M de Carbonato de amonio (NH4)2CO3 con ayuda de un gotero, en caso de formarse un precipitado la disolución problema tiene presencia de alguno de los tres cationes. Se agitara y se calentaran a 60-70 grados Celsius en baño maría. Después de cinco minutos aproximadamente, se centrifugara la disolución por cinco minutos a tres mil revoluciones por minuto y se decantara a otro tubo de ensayo el sólido y el líquido se desecha. 3. Se añadirán cinco gotas de la disolución de Ácido acético CH3COOH 6M al sólido decantado con ayuda de un gotero y se agitara, el precipitado deberá disolverse por completo. Se agregara tres gotas de disolución 3 M de Acetato de amonio (CH3COONH4), con ayuda de un gotero y se medirá el pH. 4. Se agregaran cuatro gotas de disolución 0.5 M de Cromato de potasio K2CrO4 con ayuda de un gotero, se agitara y se calienta en agua hirviendo durante 1 minuto, se dejara enfriar la disolución y el precipitado de haberlo, se centrifugara por cinco minutos a tres mil revoluciones por minuto, se decantara la disolución a otro tubo de ensayo. Si en la muestra hay bario se formara un precipitado amarillo. 5. Se lavaran los excedentes de iones cromato, se agregaran diez gotas de Carbonato de amonio (NH4)2CO3 2M a la disolución decantada previamente lavada con ayuda de un gotero. Si se forman precipitados es indicio de que aún se encuentra presente el estroncio y el calcio, se centrifugara la disolución por cinco minutos a tres mil revoluciones por minuto, el precipitado se pasa otro tuvo y la disolución se desecha, el precipitado se lavara con diez gotas de agua destilada y se volverá a centrifugar, decantar. 6. Se medirá su pH se agregara gota a gota Hidróxido de amonio concentrado NH4OH hasta que el pH aumente. 7. Se agregara a la disolución decantada Ácido Nítrico concentrado HNO3 gota a gota hasta 30 o más gotas hayan sido agregadas, se enfría el tubo con la disolución en agua fría o hielo, durante cinco minutos o más. En caso de haber precipitado el estroncio está presente, si no proseguir, en caso de haber precipitado centrifugar el precipitado y decantar a otro tubo la disolución.

8. La disolución decantada restante se le agregara gota a gota hidróxido de amonio y se agitara con cierta rapidez para regular y medir el pH, alcalino entre ocho y nueve. 9. Se añadirán 15 gotas de la disolución de Oxalato de amonio (NH4)2C2O4 0.3M, con ayuda de un gotero, se inspecciona de cerca la aparición de un precipitado blanco cristalino en caso de haber hay presencia de calcio. Identificación a través de pruebas a la flama. 1. El calcio se probara disolviendo el precipitado blanco de oxalato de calcio en cinco gotas de ácido clorhídrico concentrado al 38% P/P, se sumergirá usando el asa bacteriológica en la disolución, y se expondrá en la orilla de un mechero bunsen, dará el resultante de una flama rojo ladrillo. 2. El estroncio se le agregaran de diez a quince gotas de agua destilada. Se calentara a la flama hasta que la disolución esté a punto de hervir. Se sumergirá un asa bacteriológica y se pondrá en la orilla de un mechero bunsen, dará el resultante de una flama color rojo escarlata. 3. El bario el precipitado amarillo se probara disolviendo en cinco gotas de ácido clorhídrico concentrado, se calentara ligeramente hasta que la disolución se torne de color verde. Se sumergirá un asa bacteriológica en la disolución y se expondrá a la orilla de un mechero bunsen, dará el resultante de una flama color verde. Resultados Precipitados:    

Carbonatos: Se observó la formación de un precipitado que en ese momento se desconocía de que catión o cationes era. Cromatos: No se observó la presencia de precipitado alguno. Nitratos: No se observó la presencia de precipitado alguno. Oxalatos: Se observó la precipitación del oxalato de calcio

Prueba a la flama: Se observó una coloración de la flama de color rojo-anaranjado.

Análisis de resultados Al agregar el carbonato de amonio a la disolución problema se observó la formación de un precipitado que era el carbonato de algún catión o cationes, pero en ese momento no se podía decir de que catión o cationes era ya que los carbonatos de los tres cationes son poco solubles.

Después de disolver con ácido acético los carbonatos y agregar el cromato de potasio a la disolución con los cationes en un pH neutro, no se observó la formación del precipitado amarillo característico del bario que indica su presencia, por lo que al descartar la presencia del bario se procedió a precipitar nuevamente los carbonatos de los posibles cationes o catión restantes, una vez lavados y vueltos a disolver con ácido y llevar a un pH neutro, se agregó ácido nítrico y no se observó la formación de algún precipitado, por lo que se descartó la presencia de estroncio ya que el nitrato de estroncio es el más insoluble y por lo tanto precipita. Aunque, al no estar presentes el bario y el estroncio era bastante evidente que la disolución problema solo contenía calcio, sin embargo, para confirmar se procedió a identificar al calcio neutralizando el ácido nítrico con hidróxido de amonio de la disolución y elevando a un pH alcalino de 8 para luego agregar oxalato de amonio. Se observó que después de agregar unas gotas de oxalato de amonio se formó un precipitado blanco el cual indicaba la presencia de calcio ya que el oxalato de calcio es el más insoluble de los tres cationes. Por último se llevaron a cabo las pruebas a la llama para verificar que, efectivamente, solo hubiera calcio en la disolución problema, ya que de lo contrario el color de la flama no sería solamente del color que debería por la presencia de calcio, si no que se mezclarían los colores de los otros cationes presentes. Esto no ocurrió ya que al hacer la prueba solo se observó un color de llama rojo-anaranjado lo cual indicaba la presencia única del calcio.

Conclusión Se realizó la marcha analítica de los cationes del grupo IV analítico en una disolución problema, en la cual por medio de reacciones de precipitación se identificó únicamente la presencia de calcio al no haberse formado precipitados de los iones bario y estroncio y no haberse observado su coloración respectiva en la flama. Bibliografía:  Brown, Theodore L., LeMay, H. Eugene, Bursten, Bruce E. Química, la Ciencia Central, 7 ed. Pearson Educación, México, 1998.  Chang, Raymond Química, 6ª ed McGraw-Hill, México, 1999.  Ebbing, Darrell D. Química General, 5ª ed. McGraw-Hill, México, 1997.  Delgado Orttiz, Laboratorio de Quimica General, 3a ed. McGraw-Hill, México, 2012.  Manku G.S, Principios de química inorgánica, 6a ed. McGraw-Hill, México, 1989