Experimentación química

La química es una ciencia patosa eminentemente experimental. Este curso se dedica a organizar e impartir los conocimientos y habilidades necesarios para un trabajo seguro y eficaz en un laboratorio moderno de química.

Temario

1. Tratamiento de datos experimentales
   1. Cifras significativas
   2. Criterio de redondeo de cifras
   3. Estimaciones de errores
   4. Tipos de escalas
2. Conocimiento del material de laboratorio
3. Preparación de disoluciones y técnicas de filtración
   1. Preparación de disoluciones
   2. Técnicas de filtración
4. Reactividad química y su aplicación a la separación e identidad de especies
   1. Patito

Tratamiento de datos experimentales

Este tratamiento tiene como objetivo medir el error de los datos. La causa de tales errores es la aproximación de medidas. Los números exactos tienen infinitas cifras significativas o dígitos, los cuales tienen significado físico.

Cifras significativas

Consideraciones:

• Todos los dígitos distintos de cero son cifras significativas.
• Los ceros entre cifras distintas de cero son también cifras significativas. Por ejemplo:
  • 106 --> 3 C.S.
  • 1.02 --> 3 C.S.
  • 100349.87 --> 8 C.S.
• Ceros a la izquierda NO son cifras significativas, a partir de la primera cifra distinta de cero. Por ejemplo:
  • 0.001301 --> 4 C.S.
• Ceros a la derecha, a partir de la primera C.S. distinta de cero, al final de un número SÍ es cifra significativa.

             Ej: 0.30      --> 2 C.S.
                 0.330     --> 3 C.S.
                 1000.00   --> 6 C.S.

- Ceros sin coma decimal: Notación científica.

             Ej: 5000   5 x 103    --> 1 C.S
                        5.0 x 103  --> 2 C.S
                        5.00 x 103 --> 3 C.S

Operaciones:

Suma y Resta:
El resultado debe tener tantas C.S como tenga el término CON MENOR Nº de decimales.

             Ej: 3.14159 + 2.1 = 5.24159  ---> 5.2 (con redondeo)

Multiplicación y división:
El resultado no puede contener más C.S. que las del término CON MENOR Nº de cifras significativas.

             Ej: 3.14159 x 2.1 = 6.597339 => 6.5 ---> 6.6 (con redondeo)

Criterios de redondeo de cifras

- Si el primer dígito no significativo está entre el 0 y el 4 se elimina.
- Si el primer dígito no significativo está comprendido entre 6 y 9 se elimina añadiendo una unidad al dígito anterios (última C.S., donde está el error).
- Si el primer dígito no significativo es 5, el número que le precede no se cambia si es par y se incrementa en 1 si es impar.

             Ej: 3.14  ---> 3.1
                 2.76  ---> 2.8
                 3.15  ---> 3.2
                 3.25  ---> 3.2

Estimaciones de errores

Al medir siempre se cometen errores. Hay dos tipos de errores:
- Error Absoluto (Δ): Diferencia entre el valor real y el valor aproximado.

  Δ = |X - x|   x= nº aproximado
                X= nº real

Como no se conoce el valor real, se acota. Estimamos una cota tal que x - Δx ≤ X ≤ x + Δx.
- Error Relativo (δ): Se representa como el error absoluto dividido entre el valor real.

 δx =  Δx  x 100 ---> % de error
        X

Tipos de escalas

Escalas analógicas: El error es la mitad de la mínima unidad.
Escalas digitales: El error absoluto es la mínima unidad.

Conocimiento del Material de Laboratorio

Es Necesario que, antes de comenzar cualquier trabajo experimental, se conozca perfectamente el material utilizado con asiduidad en el laboratorio, así como las operaciones en que son utilizados cada uno de los dispositivos de que dispone.

Preparación de Disoluciones y Técnicas de Filtración

Preparación de disoluciones

La mayor parte de las reacciones químicas se llevan a cabo en disolución, siendo imprescindible conocer la cantidad de soluto que contiene una cierta cantidad de disolvente. En esta práctica se prepararán diferentes tipos de disoluciones, sólido-líquido, líquido-líquido y gas-líquido, controlando, cuando ello sea posible, la concentración de dichas disoluciones.

Fundamento

A la hora de preparar una disolución de concentración conocida, tendremos que determinar la cantidad de soluto (expresada en gramos, moles, etc.) que debe contener una cierta cantidad de disolvente (expresada en volumen, masa, etc.) de forma que, dependiendo de las unidades en que expresemos la cantidad de soluto y de disolvente o disolución, nos encontraremos con diferentes unidades de concentración. A continuación se recogen las expresiones de fracción molar (Xi), molaridad ó concentración molar (c), molalidad (m) y tanto por cien en peso (t):

xi = ni/Σni     c = ns/V     m = ns/md     t = ms/m x 100

Siendo:

• m_s : masa de soluto
• m : masa de disolución
• V : volumen de disolución
• n_s : cantidad de sustancia (en mol) de soluto
• n_i : cantidad de sustancia (en mol) del componente i
• m_d : masa de disolvente (en Kg).

Aparatos y material

• 5 frascos de 250 mL
• 2 matraces aforados de 250 mL
• 2 matraces aforados de 100 mL
• 1 pesasustancias
• 1 dosificador1 probeta de 25 m L
• 1 pipeta graduada de 25 mL
• 2 vasos de precipitados de 150 mL
• 3 tubos de ensayo
• 1 tubo de desprendimiento
• 1 embudo cónico
• Papel indicador

Reactivos

• Nitrato férrico
• Hidróxido sódico
• Mármol
• Ácido clorhídrico comercial
• Ácido clorhídrico 2 M
• Cloruro amónico

Procedimiento

Preparación de disoluciones de sólidos en agua

Todas las disoluciones deben guardarse en frascos debidamente etiquetados para su posterior utilización.

1. Calcule la masa de sólido que debe pesar para preparar el volumen deseado de la disolución de molaridad c. Si el sólido cristaliza con moléculas de agua, debe tenerlas en cuenta en los cálculos. El sólido debe estar seco antes de pesarlo.

2. Pese a continuación el sólido, de acuerdo con las siguientes instrucciones:

- Los reactivos sólidos nunca deben ponerse directamente sobre el platillo de la balanza, ya que se puede contaminar el sólido, y en algunos casos puede deteriorarse el plato de la balanza por corrosión.

- Conozca, antes de pesar, las características concretas de la balanza que va a utilizar, que puede ser una balanza analítica o un granatario, dependiendo de la precisión requerida.

- Pese, con la precisión requerida, un pesasustancias limpio y seco, y anote la lectura (pueden utilizarse también, según las circunstancias, un vaso de precipitados, un vidrio de reloj, una cápsula de porcelana, etc.). Otra opción es utilizar la función tara de la balanza.

- Agregue al pesasustancias (o el recipiente utilizado) el sólido que se va a pesar. Tenga siempre cuidado para no añadir materia "extraña" al recipiente ya pesado, evitando por ejemplo, posarlo sobre una superficie sucia o mojada. Conviene utilizar para moverlo unas pinzas, un trapo limpio o una toallita de papel que no deje fibras.

- Pese de nuevo cuidadosamente el pesasustancias y reactivo agregado, y anote la lectura. Si ha tarado la lectura dará directamente la masa de sustancia pesada.

- Si no ha tarado, calcule la cantidad de reactivo pesado como diferencia entre las dos lecturas. El valor obtenido no tiene por qué ser exactamente el calculado anteriormente. No se empeñe en pesar exactamente esta cantidad, basta con que sea lo más aproximada posible. Con la cantidad pesada se calculará la concentración exacta de la disolución que se va a preparar.

- No retorne nunca el posible exceso de producto al bote original de reactivo, ya que podría impurificarlo.

3. Las disoluciones se preparan en matraces aforados, cuyo volumen se ha medido, a una temperatura dada, y se ha señalado mediante una raya horizontal grabada. Introduzca el sólido pesado en el matraz. Para ello, añada un poco de agua destilada al pesasustancias (o recipiente donde haya pesado el reactivo), y disuelva el sólido con una varilla de vidrio. Lleve la disolución (a ser posible con un embudo) al matraz, y lave el recipiente varias veces con agua destilada, para asegurarse de que todo el so luto se ha transferido al matraz².

Otro método para transferir el sólido al matraz, fácilmente utilizable cuando el sólido es pulverulento y muy soluble, consiste en pasar directamente al matraz con mucho cuidado los cristales pesados. En este caso hay que ayudarse de un embudo y de un agitador para trasladar los cristales desde el recipiente donde se pesaron al embudo. Como en el método anterior, debe arrastrar el polvo final del recipiente al matraz enjuagando varias veces con agua destilada, mediante la ayuda de un frasco lavador (vea la figura).

4. Una vez transferido el sólido al matraz, «ajuste» el volumen de la disolución, procediendo del modo siguiente:

- Añada agua destilada al matraz, sin llegar al cuello del mismo.

- Agite suavemente el matraz hasta que se disuelva el sólido transferido, y homogeneice la disolución.

- Siga añadiendo agua destilada, agitando y homogeneizando la disolución.

- Deje reposar la disolución a fin de comprobar su homogeneización, y para que adquiera la temperatura ambiente (el material volumétrico suele aforarse a 20 °C).
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² Si el sólido se disuelve con dificultad puede utilizarse un baño de ultrasonidos para facilitar el proceso.
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- Agregue nuevamente agua destilada con mucho cuidado hasta cerca de la marca del enrase. Añada la última porción con un cuentagotas hasta que la tangente a la curvatura del menisco coincida con la línea de enrase grabada en el matraz.

- Tape el matraz, y mezcle bien la disolución agitando e invirtiendo varias veces el matraz.

5. Calcule la concentración de la disolución preparada.

6. Transfiera la disolución preparada a un frasco limpio y seco. Si por cualquier motivo el frasco al que ha de trasvasar la disolución no estuviera seco, evite diluir la disolución que ha preparado, enjuagándolo antes de llenado con dos pequeñas porciones de la disolución preparada, y desechando estas porciones. Tape el frasco, y rotúlelo claramente con una etiqueta en la que conste la disolución de que se trata, su concentración y la fecha de preparación.

A preparar:

1. 100 mL de disolución acuosa de Fe(NO₃)₃ 0,1 M.
2. 100 mL de disolución acuosa de NaOH 0,5 M.³
3. 100 mL de disolución acuosa de NH₄Cl 0,5 M

Preparación de disoluciones de líquidos en agua

Cuando el soluto se encuentra en estado líquido es más fácil medir el volumen que pesar la cantidad necesaria. En esta práctica va a preparar disoluciones de una determinada concentración a partir de disoluciones líquidas más concentradas del reactivo deseado. En concreto se van a preparar disoluciones ácidas, y distinguiremos dos casos, según se parta del ácido comercial, cuya densidad y riqueza se conoce, o de una disolución más concentrada del ácido, de la que se conoce su molaridad.

a) Preparación de una disolución de ácido a partir de un ácido comercial

1. A partir de los datos de riqueza y densidad del ácido comercial, especificados en su etiqueta, calcule el volumen del producto comercial que debe disolver para obtener el volumen deseado de disolución.

2. Trasvase un volumen de ácido comercial superior al calculado en el apartado 1 desde su recipiente a un vaso de precipitados limpio, ayudándose para ello de una varilla de vidrio, según se muestra en la figura. La varilla «conduce» al líquido, evitando que éste resbale por la pared de la botella.

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³ Las disoluciones de hidróxido sódico absorben dióxido de carbono y vapor de agua del aire, por lo que se forma carbonato sódico y se diluyen. Por tanto, la concentración inicial de NaOH varía con el tiempo. Deben conservarse bien tapadas y determinar su concentración real, en aquellos experimentos en que ésta sea necesaria, en el momento de su utilización.

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3. Mida el volumen necesario del ácido comercial con una probeta (no es necesario que el ácido sea exactamente de una concentración determinada, ya que calculará después la concentración real).

4. Trasvase el contenido de la probeta a un vaso de precipitados, y adicione agua destilada.

5. Asegúrese de que la disolución está a temperatura ambiente (basta con tocar con la mano las paredes del recipiente) antes de trasvasar el contenido del vaso de precipitados al matraz aforado.

¡EL MATERIAL AFORADO NO DEBE ENFRIARSE NI CALENTARSE NUNCA, NI SIQUIERA PARA SECARLO. TAMPOCO DEBE EMPLEARSE PARA PREPARAR DIRECTAMENTE DISOLUCIONES CUYOS PROCESOS DE DISOLUCIÓN SEAN MUY EXOTÉRMICOS O ENDOTÉRMICOS (COMO LAS DISOLUCIONES DE NaOH O H₂SO₄)!

6. Prepare la disolución siguiendo la técnica de preparación utilizada para sólidos (apartados 4-6).

b) Preparación de una disolución de ácido por dilución

Un caso frecuente en el laboratorio es el de preparar una disolución a partir de otra de mayor concentración. En este caso, la forma de preparar la disolución deseada es similar a la expuesta anteriormente, y sólo varía el modo en que se calcula el volumen a tomar de la disolución de partida.

1. A partir de la concentración aproximada de la disolución concentrada, calcule el volumen de la misma que debe tomar para preparar el volumen deseado de disolución diluida.

2. Mida el volumen necesario del ácido diluido con una pipeta.

- Si la pipeta no está perfectamente limpia, lávela con una solución jabonosa y enjuáguela varias veces con agua del grifo, y una última vez con agua destilada. Si la pipeta está bien limpia debe dejar una película continua al fluir, es decir, no deben quedar gotas de agua adheridas a las paredes interiores de la pipeta.

¡NO META NUNCA UNA PIPETA DIRECTAMENTE EN LOS FRASCOS DE REACTIVOS!

- Introduzca el extremo de la pipeta por debajo de la superficie del líquido, y con ayuda de un dosificador succione 2 o 3 mL de reactivo. Incline con cuidado la pipeta y rótela para que el líquido moje por completo las paredes interiores de la pipeta. Tome un vaso de precipitados y vierta en él los productos de desecho de los enjuagues realizados.

¡NO UTILICE NUNCA LA BOCA PARA LLENAR LA PIPETA!

- Vuelva a introducir la pipeta en el vaso donde se encuentra el ácido concentrado y llénela hasta por encima de la marca de calibrado. Saque el extremo de la pipeta y límpielo con papel de filtro.

- Sitúe la pipeta sobre el vaso de precipitados que utiliza para los desechos. Mantenga el vaso en posición ligeramente inclinada y, manteniendo la pipeta en posición vertical apoyada sobre la pared interior del vaso, deje caer el volumen de líquido en exceso (conviene practicar primero con una pipeta limpia y agua destilada para aprender a manejada y controlar la velocidad de vertido ).

- Sitúe la pipeta sobre el recipiente en el que va a verter el líquido (un matraz aforado de 250 mL en este caso). Durante el vertido mantenga el extremo de la pipeta apoyado sobre la pared del recipiente y por encima del nivel del líquido. El recipiente debe mantenerse ligeramente inclinado. Espere unos segundos hasta que el líquido haya escurrido bien, antes de sacar la pipeta. Si el matraz aforado o el recipiente de vertido tuvieran un diámetro de cuello inferior al de la pipeta utilizada, ayúdese de un embudo.

3. Prepare la disolución siguiendo la técnica de preparación utilizada para sólidos (apartados 4-6).

Se preparará:

l. 250 mL de disolución 1 M de ácido clorhídrico, partiendo de un ácido clorhídrico comercial, cuya concentración y densidad está indicada en la etiqueta.

2. 250 mL de disolución 0,1 M de ácido clorhídrico, tomando la cantidad necesaria de la disolución preparada en el caso anterior y diluyendo hasta 250 mL⁴.

Preparación de disoluciones de gases en agua

Añada a un tubo de ensayo, que contenga unos 10 mL de ácido clorhídrico 2 M, algunos trozos pequeños de mármol hasta que se forme dióxido de carbono a una velocidad adecuada. Adapte inmediatamente a la boca del tubo un tapón de corcho provisto de un tubo de desprendimiento. (El tubo de desprendimiento no debería introducirse más de 1 cm en el tubo de ensayo donde se produce la reacción, para evitar la posibilidad de que pase líquido por el mismo si la efervescencia producida al añadir el mármol es demasiado vigorosa).
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⁴ Esta debe guardarse en un recipiente común para su posterior utilización en la práctica de "valoración ácido-base".
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Tome un tubo de ensayo que contenga unos 6 mL de agua destilada y haga burbujear CO₂ durante algunos minutos sobre el agua. Mida la acidez del líquido mediante un papel indicador de pH.

Técnicas de filtración

Ya se ha mencionado que la mayor parte de los procesos químicos se llevan a cabo en disolución, de modo que cuando se forma una fase sólida, bien sea una impureza o el producto deseado, es necesario separarla de la disolución. Dicha separación se lleva a cabo mediante filtración, y la técnica empleada dependerá de las condiciones del sólido y la disolución a separar. Las técnicas más utilizadas se estudiarán en esta práctica.

Fundamento

Para llevar a cabo una filtración es necesario utilizar un tamiz que deje pasar las partículas del líquido y retenga las del sólido, con lo cual, al hacer pasar la mezcla líquido-sólido por el referido tamiz, quedarán separadas las dos fases. Los tamices más utilizados son papel de filtro, lana de vidrio y placas filtrantes.

El papel de filtro se va a utilizar la mayor parte de las veces, recurriendo a la lana de vidrio o las placas filtrantes cuando el carácter corrosivo de las especies a separar sea tal que pueda atacar al papel de filtro.

Filtración con un filtro cónico	Va a ser utilizado cuando lo que nos interesa conservar es la disolución y no nos importa el tiempo que dure el proceso de filtración. Para llevar a cabo este tipo de filtración se construye un cono de papel de filtro, tal como se indica en la figura anterior, que se ajusta en un embudo de cristal. El embudo se sitúa en un triángulo de filtraciones para mantenerlo encima del recipiente destinado a recoger el filtrado y, entonces, se vierte la mezcla en el dispositivo, de forma que las partículas sólidas son retenidas por el papel de filtro, el cual deja pasar la disolución.
Filtración con un filtro de pliegues	Se emplea cuando interesa que la filtración sea especialmente rápida. El dispositivo empleado es el mostrado en la figura anterior, pero esta vez, el filtro se pliega de forma que presente la mayor superficie posible.
Filtración con lana de vidrio	Se emplea cuando nos interesa la disolución y ésta es capaz de atacar el papel de filtro. El dispositivo utilizado es similar al utilizado en la filtración con filtro cónico o de pliegues, sustituyendo el papel de filtro por una pequeña porción de lana de vidrio colocada en el interior del embudo, de forma que la disolución tenga que pasar por ella para alcanzar el vástago del embudo.
Filtración con Büchner	Se emplea cuando lo que nos interesa recoger es el sólido. Se trata de un sistema de filtración rápido que, además, permite secar parcialmente el sólido aislado. El dispositivo empleado aparece en la figura.
Filtración con placa filtrante	Se emplea cuando nos interesa el precipitado y éste, o la disolución, son capaces de atacar el papel de filtro. El dispositivo es similar al büchner, pero no se emplea papel de filtro al ser la placa de vidrio poroso.

Aparatos y material

• 1 embudo
• 1 büchner
• 1 kitasato
• Lana de vidrio
• Papel de filtro
• 1 placa filtrante
• 1 probeta de 25 mL
• 1 reloj (o cronómetro)
• 1 triángulo de madera
• 1 vaso de precipitados de 50 mL

Reactivos

• Nitrato férrico 0,1 M (preparado anteriormente)
• Hidróxido sódico 0,5 M (preparado anteriormente)

Procedimiento

1. Prepare un dispositivo para llevar a cabo una filtración de cada uno de los tipos descritos anteriormente (filtro cónico, filtro de pliegues, büchner, lana de vidrio⁵ y placa filtrante).
2. Tome 15 mL de la disolución de nitrato férrico preparada anteriormente, en un vaso de precipitados de 50 mL, y añada 10 mL de la disolución de NaOH 0,5 M. El coloide formado se debe filtrar utilizando un filtro cónico. Mida el tiempo que tarda en recoger 15 mL de líquido en una probeta.
3. Deje que filtre totalmente y anote el volumen de líquido recogido.
4. Repita el proceso anterior con un filtro de pliegues y con uno con lana de vidrio⁶.

   ¿Qué conclusiones pueden sacarse a la vista del tiempo empleado en recoger 15 mL de disolución con cada uno de los dispositivos?

5. Deje que filtren completamente las disoluciones.

   ¿Qué conclusiones pueden sacarse a la vista de los volúmenes de disolución recogidos con cada uno de los dispositivos?

6. Repita el mismo proceso midiendo el tiempo que tarda en filtrar completamente la disolución utilizando un büchner y una placa filtrante⁷.
7. Mida el volumen de disolución recogido en cada uno de los casos.
8. Compare los resultados obtenidos en estas últimas experiencias con los encontrados cuando se utilizaban filtros cónicos, de pliegues o de lana de vidrio.

Notas:

• 5: La filtración con lana de vidrio debe ser la más lenta. Hágala en primer lugar y, mientras termina de filtrar, vaya realizando los restantes ensayos.
• 6: La lana de vidrio debe quedar parcialmente introducida en el estrechamiento del embudo, cuidando de que no esté excesivamente apelmazada. La velocidad de filtración dependerá en gran medida de la cantidad de lana de vidrio utilizada, y del grado de apelmazamiento de la misma.
• 7: Estas dos técnicas utilizan el kitasato y la trompa de agua.

Reactividad Química y su Aplicación a la Separación e Identidad de Especies

El fin de este experimento es el estudio de la reactividad química de una serie de iones con el fin de poderlos clasificar, según los resultados obtenidos, en distintos grupos. A partir de esos grupos se propondrá un esquema de separación e identificación de los diferentes iones. .

El grupo de cationes que se analizará en esta práctica es: Ag⁺, Pb²⁺, CU²⁺, Ba²⁺ y Fe³⁺.

Fundamento

Los iones, dependiendo de su reactividad frente a ciertos reactivos de uso común, denominados generales 'porque reaccionan con muchas especies, pueden clasificarse en diferentes grupos. De esta forma, basándose en esta clasificación, se pueden diseñar experimentos para conseguir separarlos, y una vez separados, pueden identificarse empleando reacciones químicas características.

En todas estas reacciones se encuentran implicados equilibrios de precipitación, formación de complejos y ácido-base.

Para llevar a cabo este experimento es necesario conocer la solubilidad, en medio acuoso, de las diferentes sales implicadas en el mismo. Esta información se ha resumido en la tabla 1, que incluye también algunos valores seleccionados de constantes de producto de solubilidad.

Del mismo modo que se forma un precipitado cuando el producto iónico es mayor que el producto de solubilidad, un precipitado se disolverá cuando las concentraciones de sus iones se reducen y el producto iónico se hace menor que K_ps. Si, por cualquier procedimiento que disminuya la concentración de los iones en disolución, se altera el equilibrio con el sólido no disuelto, parte del sólido pasará a la disolución para restablecer el equilibrio suministrando más iones. El proceso continua hasta que el producto iónico se hace igual a K_ps. Si la concentración de los iones se disminuye lo suficiente, el sólido puede disolverse completamente.

Hay varios procedimientos, físicos o químicos, que se pueden utilizar para disminuir las concentraciones de los iones en disolución. Los procedimientos químicos de disolución de precipitados incluyen la conversión de un ion a un electrolito débil, la conversión de un ion a otra especie por reacción redox, la formación de iones complejos, o procesos combinados de los anteriores.

Así, la solubilidad de cualquier sustancia cuyo anión sea básico (conjugado de un ácido débil) será afectada por el pH de la disolución, debido a la reacción de dicho anión con los protones. En este caso la solubilidad aumenta a medida que aumenta la acidez del medio. Ejemplos son los sulfuros, carbonatos, hidróxidos, fluoruros, o fosfatos.