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CATIONES DEL GRUPO II

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica, Minera y Metalúrgica INFORME DE LABORATORIO Nº 3 DE ANÁLISIS QUÍMICO Profesor: Ing. Tomás Vizarreta Escudero Integrantes: 

Caso Lloclla, Amaro Andrés

20142168C



Tadeo Fabián, Arnold Isaías

20142115G

SECCIÓN: “S1”

ANÁLISIS DEL GRUPO II DE CATIONES

Fecha de Realización: 21 de abril del 2015

ANÁLISIS QUÍMICO

1

CATIONES DEL GRUPO II

ÍNDICE Introducción…………………………………………….. ………………………………………………………..………3 Objetivos…………………………………………………………………………………… …………….………..……….4 Fundamento teórico…………………………………………………………………………………….. ….…………6 Parte experimental……………………………………………………………………………… ………..….………..7 Cuestionario……………………………………………………………………………… ……………….……………..15 Conclusiones……………………………………………………………………………… ……………….…………….20 Recomendaciones………. …………………………………………………………………………………………….20 Bibliografía………………………………………………………………………………… ………………….………….21

ANÁLISIS QUÍMICO

2

CATIONES DEL GRUPO II

INTRODUCCION

Así como el primer grupo de cationes se caracterizó por la insolubilidad de sus cloruros, el II grupo tiene como reactivo precipitante el H 2S en un medio moderadamente ácido (pH = 3). En este grupo vuelve a aparecer el Pb2+, debido a que en el primer grupo precipita solamente una cantidad menos aun miligramo por mililitro de solución y en el caso del ion mercurioso del primer grupo se oxida a mercúrico y no precipita como cloruro sino que los hace hasta el segundo como sulfuro. Para verificar la precipitación del grupo II es necesario tener en cuenta algunos factores como son: a) La acidez ( concentración de iones hidrógeno) b) La ionización de H2S c) Las constantes del producto de solubilidad de los sulfuros del II y III grupos. d) El efecto del ion común en el equilibrio del H2S e) La formación de sales básicas.

ANÁLISIS QUÍMICO

3

CATIONES DEL GRUPO II

OBJETIVOS  El objeto de esta práctica es observar e identificar las reacciones características de algunos de los cationes pertenecientes al grupo II, para su posterior separación e identificación.  Conocer el comportamiento de los reactivos generales de los cationes del Grupo II  Conocer el comportamiento de los reactivos particulares para cada catión perteneciente, y en que medio se dan a cabo las reacciones, de los cationes de este Grupo II.  Aprender a identificar cada uno de los iones pertenecientes al Grupo II  Conocer las diferentes características (color, olor, textura, etc.) en sus respectivos precipitados.

 Familiarizarnos la base práctica del análisis químico aplicado a nivel industrial.

ANÁLISIS QUÍMICO

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CATIONES DEL GRUPO II

FUNDAMENTO TEORICO Propiedades de los sulfuros de los cationes del GRUPO II Según fue indicado en informes anteriores, todos los cationes de los GRUPOS I y II se hace precipitar con hidrógeno sulfurado en un medio acido

pH ≈ 5 . En

este fenómeno se manifiesta la similitud de los cationes de estos grupos. Sin embargo, existe determinada diferencia de propiedades entre los sulfuros de dichos cationes, así como también en el comportamiento de los propios cationes frente a otros reactivos. Por ejemplo

+2 Ag+1 Hg +2 2 Pb precipitan con

ácido clorhídrico en forma de cloruro poco solubles *. Dichos cationes en el desarrollo sistemático del análisis se separan desde un principio en forma de cloruros y es por eso pueden ser determinados como componentes de un grupo especial, GRUPO ANALITICO I de cationes. Por otra parte, los elementos restantes, que precipitan con hidrogeno sulfurado en un medio ácido, debido a su posición en la tabla periódica, forman sulfuros que poseen distintas propiedades **. Se les puede clasificar en dos subgrupos: +2

+2

+2

+2

+3

+2

1) Subgrupo de cobre :( Cu Cd Hg Pb Bi Sn

y otros ¿ .

Los sulfuros de los cationes de dicho subgrupo, gracias a que en sus elementos prevalece el carácter básico no se disuelven en álcalis. 2) Subgrupo de arsénico :( As

+5

+3

+3

+5

+4

As Sb Sb Sn y otros ¿ .

Los sulfuros de los iones de dicho subgrupo se disuelven en álcalis y en todos los reactivos antes mencionados. Algo aislado se encuentra el catión

+2

Sn

, cuyo sulfuro no se disuelve en álcalis,

Na2 S y ( NH 4 )2 S ,

fenómeno que encuentra su explicación en el carácter más básico de

Sn+2

en comparación a

ANÁLISIS QUÍMICO

Sn+ 4 . El sulfuro de

SnS

puede disolverse

5

CATIONES DEL GRUPO II tan solo en amonio poli sulfurado por cuanto en este caso tiene lugar la oxidación de

Sn+2 a

Sn+ 4

con un oxidante que viene al caso.

*Los iones de plomo, debido a una solubilidad relativamente grande de

PbCl 2

en agua, quedan parcialmente en la solución junto con los cationes

del GRUPO II ** Como ya se indicó el sulfuro de mercurio se disuelve parcialmente en el sulfuro de sodio formando una tiosal. El sulfuro de cobre se disuelve en polisulfuro de amonio formando también una tiosal.

El catión muy inestable de

Cu+1 tiene una importancia secundaria así que no

lo tomamos en cuenta. El catión

Hg+2 2 que forma el cloruro poco soluble

GRUPO I, el catión

+2

Hg

Hg 2 Cl 2 , pertenece al

ocupa una posición intermedia entre el subgrupo de

cobre y el subgrupo de arsénico en el GRUPO II. Este puede estar incluido tanto en uno como en otro subgrupo, según sea el método de clasificación de estos subgrupos. NOTA: Según lo desarrollado en el laboratorio y las instrucciones del Ing. Vizarreta, nosotros lo consideramos dentro del subgrupo de cobre. Para la mayoría de los cationes del GRUPO II es muy característica la capacidad de formar complejos con el amoniaco, los cianuros y con otras sustancias; los únicos que no forman complejos de amoniaco son el

Pb+2 Bi+3 .

En particular y muy detalladamente analizaremos la capacidad de los iones del subgrupo de arsénico de formar tiosales solubles en agua. Según fue referido, los sulfuros de los iones de este subgrupo tienen valores pequeños de los productos de solubilidad, no se disuelven en ácidos diluidos (que no poseen propiedades de oxidar) y precipitan con sulfuro de hidrogeno en un medio ácido (con un

pH ≈ 5 ¿

ANÁLISIS QUÍMICO

6

CATIONES DEL GRUPO II A diferencia de los sulfuros de los cationes del subgrupo de cobre, estos sulfuros son capaces de disolverse al ser tratados con

Na 2 S , K 2 S , [ NH 4 ]2 S

formando las llamadas tiosales, por ejemplo

Sn S2 ↓+ Na2 S → Na 2 Sn S 3 (tiocianato de sodio)

NOTA: Los tioácidos son inestables, no existen en soluciones ácidas por descomponerse con desprendimiento de sulfuro de hidrógeno y del sulfuro correspondiente. A diferencia de los tioácidos, sus sales son bien estables.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL EQUIPOS Y MATERIALES:        

8 tubos de ensayo Gradilla Piseta con agua destilada Bagueta Embudo de vidrio Papel filtro Papel tornasol Reactivos (NH4OH, Na2S, HCl, (NH4)2Sx, HNO3, H2SO4, CH3COOH, K4Fe(CN)6)

PARTE EXPERIMENTAL 1. Se inició con una muestra (solución), que contenía los cationes del GRUPO II, como ya es sabido agregamos un papel tornasol para ver de primera vista el medio de la solución. Este resultó ser un medio ácido, por lo que al no saber qué tan ácido estaba, hicimos la respectiva

ANÁLISIS QUÍMICO

7

CATIONES DEL GRUPO II corrección del medio por adición de

NH 4 OH

15N hasta llegar

ligeramente y la basicidad y luego retornar con cuidado al color rojo del papel de tornasol que indicaba un medio ligeramente ácido con la ayuda de HCl .

MEDIO ÁCIDO CORREGIDO

MEDIO BÁSICO

2.Procedimos a agregar

Na 2 S

y lo que se obtuvo fue una preciptación marron

oscura de los sulfuros de los cationes de los subgrupos.

subgrupo Cobre: HgS , PbS , Bi2 S 3 , CuS , CdS subgrupo Arsénico : As2 S3 , Sb 2 S3 , Sb 2 S5 , SnS , Sn S 2 . Tal como se muestra en la siguiente imagen. Seguidamente filtramos para separar los precipitados. Desechamos la solución pasante carente de los iones de nuestro interés.

ANÁLISIS QUÍMICO PRECIPITADO GRUPO II

8 FILTRAMOS

FILTRACION

CATIONES DEL GRUPO II 3.

Retiramos el papel filtro que contiene los sulfuros precipitados y haciendo uso de la bagueta y una solución amarillenta de polisulfuro de amonio (NH 4)2Sx; discurrimos el precipitado a un vaso (es necesario hacer esta operación en la zona de extracción de gases o en un lugar ventilado). Posteriormente lleve el contenido del vaso a un tubo o 2 tubos dependiendo de la cantidad de solución obtenida. (Se debe procurar que la solución vertida en el tubo de ensayo no exceda más de la mitad del mismo ya que al calentarlo podría haber desprendimientos violentos)

4.Seguidamente sometemos los tubos del paso anterior a baño maría por un corto tiempo (con agitación). Luego de ello, retiramos los tubos y los filtramos la solución NOTA: es importante saber que el calentamiento debe ser ligero 40-50 ℃ 2-3 minutos; ya que una temperatura mayor hará que a la solución pasen los sulfuros del subgrupo del cobre

BAÑO MARÍA

FILTRAMOS

ANÁLISIS QUÍMICO

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CATIONES DEL GRUPO II Llegados a este punto lo que obtenemos es: - Precipitado: HgS, PbS, Bi 2S3, CuS, Sº -Solución Pasante: contiene a las tiosales (NH 4)3AsS4, (NH4)3SbS4, (NH4)2SnS3

Trabajamos primero con el precipitado: a) Análogamente como ya se explicó, discurrimos el precipitado del papel filtro a un vaso, haciendo uso de unos 8 ml. de

H NO 3

6N.

Calentar ligeramente (hasta observar un cambio) dejamos filtramos

enfriar un momento y

Lo que obtenemos es un precipitado negro de sulfuro de mercurio que es insoluble en ácido nítrico compuesto de

HgS y S ° .

HgS + HN O 3 ∆ → HgS ↓↓(negro)

La solución pasabte puede contener: Pb(NO3)2, Bi(NO3)3, Cu(NO3)2, Cd(NO3)2, esta solución debe ser recibida en un vaso.

PbS+2 HN O3+ calor → Pb ( N O 3 )2 + H 2 S Bi 2 S 3+6 HN O3+ calor → 2 Bi ( N O3 )3 +3 H 2 S CuS+ HN O3 +calor → Cu ( N O3 )2 + H 2 S CdS+ HN O3 +calor → Cd ( N O3 )2 + H 2 S

ANÁLISIS QUÍMICO

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CATIONES DEL GRUPO II

b) Agregar a la solución unas gotas de H2SO4 9N. Calentamos la solución hasta observar el desprendimiento de abundantes humos blancos (realizar esta operación en la campana extractora, no usar mechero). Filtramos y el residuo

Pb SO 4 ↓

obtenido corresponde

NOTA: debemos resaltar que lo que se hizo en esta paso fue eliminar el

HNO3

presente en la solución para permitir la precipitación del

Otro punto es que el ese medio el

H 2 S O4

Pb SO 4 ↓

Pb SO 4 ↓ .

no debería estar muy concentrado ya que en

es soluble (podemos agregar agua destilada para

diluir). Todos los nitratos pasan a sulfatos por ser el

H 2 S O4

menos volátil que el

HNO3

Humos blancos

AÑADIMOS

H 2 SO 4

FILTRACIÓN

ANÁLISIS QUÍMICO

DESPRENDIMIENTO DE GAS

PRECIPITADO DE

PbS O 4 11

CATIONES DEL GRUPO II La solución pasante contiene Bi2(SO4)3, CuSO4, CdSO4.

2 Bi ( N O3 )3 +3 H 2 S O 4 + calor → Bi 2 ( S O4 )3 +6 HN O3 Cu ( N O3 )2 + H 2 S O4 + calor →CuS O4 + 2 HN O3 Cd ( N O3 )2+ H 2 S O4 +calor →CdS O4 +2 HN O3

c) Alcalinizamos la solución con NH4OH 15N y observar la formación de un precipitado de color blanco el cual es una sal básica de bismuto de composición que depende de la concentración y temperatura de la solución. Filtramos. Nota: en este paso se usó NH4OH 15N para alcalinizar de paso la solución ya que en medio ácido no hubiera habido precipitación

PRECIPITADO

ADICION

Bi (OH )3 ↓

Bi 2 ( S O4 )3 +6 N H 4 OH →2 Bi (OH )3 ↓↓+3 ( N H 4 )2 ( S O4 )

La solución pasante presenta una tonalidad azul por la presencia del catión . Hasta este punto procedemos con la separación de

Cu +2 y

Cd +2

utilizando

cianuros.

ANÁLISIS QUÍMICO

Cu +2

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CATIONES DEL GRUPO II Añadir gotas de KCN hasta decolorar la solución y aun hasta un exceso de 5 o 6 gotas. Al mismo tiempo esta solución fue tratada con gotas de

Na 2 S

da un precipitado amarillo de sulfuro de cadmio.

lo que nos

CdS ↓

amoniacatos de Cu +2 , Cd+2 + KCN → CdS ↓(amarillo)

CdS O 4 + Na2 S ( en medio base ) → Na 2 S O4 +CdS ↓ ↓ Nos forma una suspensión amarilla.

Trabajamos con la solución de tiosales del subgrupo de As -Diluimos la solución y agregamos

gotas de

HCl

6N hasta lograr

aproximadamente un pH ≤5 . Calentamos y filtramos. (Desechamos la solución

pasante).

El

precipitado

As 2 S5 Sb 2 S5 Sn S2 y S (proveniente del

ANÁLISIS QUÍMICO

obtenido

puede

contener

Na2 S )

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CATIONES DEL GRUPO II

CALENTAMOS

PRECIPITADOS SUBGRUPO

As

2 ( N H 4 )3 As S4 + calor ( en medio acido ) → As2 S 5 (↓↓)+3 S ( N H 4 )2 2 ( N H 4 )3 Sb S 4 + calor ( en medio acido ) → Sb2 S 5 (↓↓)+3 S ( N H 4 )2

( N H 4 )2 Sn S3 +calor ( en medio acido ) → Sn S2 (↓ ↓)+ S ( N H 4 ) 2 -Traspasar el precipitado con ayuda de unos ml. de

HCl12 N

Calentamos ligeramente. Filtrar. El precipitado contiene

CALENTAMOS

a un vaso.

As 2 S5

PRECIPITADO

As 2 S3 -La solución contiene −2

[ Sn Cl 6 ]

−3

[ SbCl 6 ]

y

Ss

y

, se diluye la solución (que

tiene exceso de HCl) hasta que la

ANÁLISIS QUÍMICO

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CATIONES DEL GRUPO II concentración de

HCl contenido se

aproxime a 2.4N. (Nota 2). Calentar la solución. Luego

añadir

gotas

de

Na2S

hasta

observar

la

formación de un precipitado. SOLUCION CON

Sb +2 Sn+2

El precipitado obtenido es: SbS 5 y

SbS 3 ↓

-La

solución

final

debe

ser

diluida nuevamente hasta que la concentración de

HCl

se

aproxime a 1.2N.

ANÁLISIS QUÍMICO

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CATIONES DEL GRUPO II

Añadir gotas de Na2S, observe la formación de un precipitado que corresponde a SnS2.

Cuestionario 1. La muestra recibida es una disolución acuosa alcalina, que contiene todos los cationes del 2do grupo y cationes del tercer y cuarto grupo. Indique brevemente y con toda claridad a) ¿Cómo separaría totalmente el 2do grupo? En primer lugar se añade un papel de tornasol y se procede a acidificar, una vez que el papel tornasol este rojizo se procede a precipitar con Na2S hasta lograr la precipitación completa se continúa filtrando y en el precipitado quedarían los cationes del segundo grupo. b) ¿Qué precaución se debe considerar durante la precipitación? ¿Por qué? La precaución más importante es cuidar en todo momento el medio ácido debido a que pueden precipitar cationes de otros grupos.

ANÁLISIS QUÍMICO

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CATIONES DEL GRUPO II 2. Indique con toda claridad a) ¿Cómo se obtienen las tiosales? El primer precipitado obtenido se trata con (NH4) Sx calentar y filtrar, la solución resultante contienes las tiosales, esta solución se diluye usando HCl 6N para acidificar y formar el precipitado que contiene As2S3, Sb2S3, SnS2. b) ¿Cómo se separa el catión antimonio de las tiosales? Una vez que precipitan las tiosales se procede a tratar con HCl 12N en esos momentos precipitara As2S5, luego diluir poco a poco hasta precipitar, con ayuda del Na2S, el antimonio en forma de Sb2S3. 3. El ácido sulfúrico, H2SO4, comercial, concentrado, que adquiere la facultad es de 18M. Se desea preparar un volumen determinado (V) de H2SO4 9N. Indique con toda claridad ¿Cómo procedería?

H 2 SO 4 comercial 18 M =36 N Pero se pide H2SO4 9N

N 1 × V 1=N 2 × V 2

36 ×V 1=9× V 4 V 1=V Una vez que hallamos la relación de volúmenes final e inicial, entonces observamos que hay una relación de 1 a 4 por lo tanto a cada litro de H2SO4 se agregan 3 litros de agua para que el volumen aumente a 4 y la concentración del H2SO4 disminuya a 9N.

ANÁLISIS QUÍMICO

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CATIONES DEL GRUPO II 4. Haga un diagrama esquemático, indicando la separación identificación de cada catión. Escriba las fórmulas balanceadas de las reacciones efectuadas. Precipitado Subgrupo II A 5. Calcule a) Las veces en que varía la solubilidad del PbSO4 en agua (HgS, PbS, CuS, BiS,solución CdS) destilada con respecto a una de NaNO3 0.082 N. −8

kps PbSO =1.8 × 10 . 4

Tratar con HNO3 caliente

2−¿ ¿ 2+¿+ SO 4 Solución ¿ PbSO (Cu2+, Pb2+, Bi3+ Cd2+) 4 → Pb

Residuo (HgS)

¿ s Precipitado −¿−¿ s−¿ s

Identificar con agua regia

Solución (Cu2+, Bi3+, Cd2+)

(PbSO4)

k ps =s 2

Identificar con bencina Tratar con NH3 en exceso

s 2=1.8 ×10−8

Precipitado Subgrupo II B

s=1.34 × 10−4

(AsS3, SbS3, (NH4)Sx) Acidificar con HCl 6N Precipitado −¿ ¿ (As2S3, Sb2S3, SnS2 y+Sº) ¿+ NO3

NaNO3 → Na

¿

Tratar con HCl 12N

Usando fuerza iónica: Residuo (As2S5, Sº)

z c i (¿¿ i)2 Disolver con H2O2 1 amoniacal I= ∑ ¿ 2

Solución (Sb3+, Sn4+) Diluir hasta que [HCl] = 2.4N Precipitado (Sb2S3)

Identificar con AgNO3

Solución (Sn4+)

Identificar con tiosulfato Diluir hasta que [HCl] = 1.2N 1 2 2

I = (0.082 ×1 +0.082 ×1 ) 2

Identificar con HgCl2

ANÁLISIS QUÍMICO

Precipitado SnS2

Tratar con Na2S 18

CATIONES DEL GRUPO II I =0.082

−log f =

0.5 z 2i √ I 1+ √ I

f Pb=f SO =0.358 4

2

k ps = [ PbSO 4 ] × f 2

[ PbSO 4 ]=3.74 × 10−4 La solubilidad aumenta aproximadamente 3 veces más en presencia de NaNO3 que con agua pura.

b) Una disolución de PbSO4, contiene 1.5x10-4 gramo/litro del anión

−¿ SO ¿4 . Calcule el grado de saturación de la solución. 2−¿

Del problema anterior la concentración máxima del [ SO ¿4 ]=1.34x109

dice que hay 1.5x10-4 entonces la disolución estará saturada a 1.17%.

grado de saturacion=

1.5 ×10−4 −4 128.64 ×10

grado de saturacion=1.17 6. Calcule el volumen de amoniaco, para disolver 0.3 g de óxido de cobre

ρ NH =0.958 3

g 3 cm .

El volumen necesario de amoniaco se calcula así:

ANÁLISIS QUÍMICO

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CATIONES DEL GRUPO II ¿ eq 1=¿ eq 2 θCuO =θ NH 3=1 W NH 3 W CuO = ´ ´ PM PM θ θ ρNH 3 .V W = CuO ´ NH 3 PM´ CuO PM 0.958× V 0.3 = 17 79.5 V =0.067 L

7. Cuantos gramos del anión sulfuro,

2−¿ ¿ , están contenidos en S

250ml de disolución saturada de CuS y −38

kps CuS=3.2 ×10

−29

. kps As S =4.1 ×10 2

3

Donde s es la concentración:

As 2 S3 ,

. 2−¿ 2+¿+ S ¿ CuS →Cu ¿

¿ s −¿−¿ s−¿ s

k ps =s

2

s 2=3.2 ×10−38

ANÁLISIS QUÍMICO

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CATIONES DEL GRUPO II s=1.78 ×10−19

´ ×V W =s × M

W =1.78× 10−19 ×32 ×0.25

W 1=14.24 × 10−19 ion−gramo Ahora para el sulfuro de arsénico (III)

2−¿ 3+¿+ 3 S ¿ As 2 S3 →2 As¿ ¿ s −¿−¿ 2 s−¿ 3 s

k ps = (2 s )2 (3 s)3 5

−29

108 s =4.1 ×10 s=8.24 ×10−7 ´ ×V W =3 s × M

W =3(8.24 ×10−7)×32 ×0.25

ANÁLISIS QUÍMICO

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CATIONES DEL GRUPO II W 2=1.97 × 10−5 ion−gramo Entonces la cantidad total del anión sulfuro que hay es la suma de ambas masas halladas.

W T =W 1 +W 2 W T =1.97 ×10−5 +14.24 × 10−19 W T =1.97 ×10−5

CONCLUSIONES Se comprueba la presencia de los cationes del segundo grupo, al obtener los diversos precipitados. Los cationes del grupo IIA Y los del grupo IIB son solubles en distintos compuestos por esa razón se deben identificar de manera diferente.

RECOMENDACIONES Se debe tener cuidado con el medio, pues este debe ser ácido para que los cationes precipiten, por eso mantener el pH por debajo de 7 es muy importante, esto se debe hacer usando el papel tornasol. Tener cuidado al usar el HNO3 pues es muy volátil y tóxico

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CATIONES DEL GRUPO II

BIBLIOGRAFÍA ANALISIS QUÍMICO CUALITATIVO, LUISJ. CURTMAN, MADRID 1959 SEMIMICROANÁLISIS QUIMICO CUALITATIVO, ALEXÉIEV, EDITORIAL MIR FUNDAMENTOS DE QUIMICA ANALÍTICA, SKOOG & WEST EDITORIAL REVERTÉ

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