Ciclo del cobre - Reporte 8 QG PDF

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Laboratorio de Química General Reporte No. 8 “Ciclo del cobre” Profesor Leonardo Álvarez Valtierra Autores Pineda Robles J. D. & Monjaraz Carrillo N. G. 26 de Septiembre del 2016 Objetivos ● Comprender y comprobar la ley de la conservación de la materia ● Demostrar el ciclo del cobre...

Description

Laboratorio de Química General Reporte No. 8 “Ciclo del cobre” Profesor Leonardo Álvarez Valtierra Autores Pineda Robles J. D. & Monjaraz Carrillo N. G.

26 de Septiembre del 2016

Objetivos ● Comprender y comprobar la ley de la conservación de la materia ● Demostrar el ciclo del cobre mediante distintas reacciones

Introducción Una reacción química es aquel proceso en cual dos o más sustancias, denominadas reactivo, influenciado por la acción de un factor energético, se convierten en otras sustancias, llamadas reactivos. La física reconoce dos grandes modelos de reacciones químicas, las reacciones ácido-base, que no presentan modificaciones en los estados de oxidación, y las reacciones redox, que por el contrario, sí presentan modificaciones en los estados de oxidación. Dependiendo del tipo de productos que resulta de la reacción a las reacciones químicas, se las clasifica de la siguiente manera: ● Reacción de síntesis o adición: Elementos o compuestos simples se unen para conformar un compuesto más complejo.

𝐴+𝐵 → 𝐴𝐵 ●

Reacción de descomposición o análisis: El compuesto se fragmenta en elementos o compuestos más simples; un solo reactivo se convierte en productos.

●

Reacción de desplazamiento o simple sustitución: Un elemento reemplaza a otro en un compuesto.

𝐴𝐵 → 𝐴+𝐵

●

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●

●

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●

𝐴𝐵+𝐶 → 𝐴𝐶 + 𝐵 Reacción de doble desplazamiento o metátesis: Los iones de un compuesto modifican lugares con los propios de otro compuesto para conformar dos sustancias diferentes. 𝐴𝐵 + 𝐶𝐷 → 𝐶𝐵 + 𝐴𝐷 Reacción de combustión: El oxígeno reacciona con otra sustancia y produce CO2, normalmente producida por el efecto del calor. 𝐶𝐻4 + 2𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂2  2𝑂2 →  Reacción de neutralización: Se combina una base y un ácido para su equilibrio produciendo agua y sal. 𝐴𝐻 + 𝐵𝑂𝐻 → 𝐴𝐵 + 𝐻2𝑂 Reacción de oxidación/reducción: En esta reacción los electrones cambian de sustancia, modificando las propiedades de esta, se le llama oxidación cuando el elemento pierde electrones y reducción cuando el elemento gana electrones. 𝐴 + 𝑒- → 𝐴- reducción 𝐴 → 𝐴+ + 𝑒- oxidación Reacción de precipitación: Dos sustancias las cuales son solubles en agua, se unen para crear una sustancia insoluble produciendo agua. 𝐴 + 𝐵 H2O 𝐴𝐵↓ → Reacción de deshidratación o hidrólisis: Implica la pérdida de agua, ej. de una base a un oxido mas agua. 𝐴(𝑂𝐻)2 → 𝐴 + 𝐻2𝑂

Las características de una reacción química son: A. La o las sustancias nuevas que se forman suelen presentar un aspecto totalmente diferente del que tenían las sustancias de partida. B. Durante la reacción se desprende o se absorbe energía: ○ Reacción exotérmica: Se desprende energía en el curso de la reacción. ○ Reacción endotérmica: Se absorbe energía durante el curso de la reacción. C. Se cumple la ley de conservación de la masa: La suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. Esto es así debido a que durante la reacción los átomos no aparecen o desaparecen, sólo se reordenan en una disposición distinta. Ahora que hemos estudiado las reacciones químicas, enfoquémonos en el protagonista de este experimento, el cobre. El cobre posee un número atómico 29; corresponde a uno de los metales de transición. Su gran utilidad es gracias a la gran capacidad de combinación de sus propiedades químicas, físicas y mecánicas, así como a sus propiedades eléctricas y su abundancia. El cobre fue uno de los primeros metales usados por los humanos. La mayor parte del cobre del mundo se obtiene de los sulfuros minerales como la calcocita, covelita, calcopirita, bornita y enargita. El cobre natural, antes abundante en Estados

Unidos, se extrae ahora sólo en Michigan. El grado del mineral empleado en la producción de cobre ha ido disminuyendo regularmente conforme se han agotado los minerales más ricos y ha crecido la demanda de cobre. Hay grandes cantidades de cobre en la Tierra para uso futuro si se utilizan los minerales de los grados más bajos, y no hay probabilidad de que se agoten durante un largo periodo. Un metal comparativamente pesado, el cobre sólido puro, tiene una densidad de 8.96 g/cm3 a 20ºC. El punto de fusión del cobre es de 1083.0 (+/-) 0.1ºC (1981.4 +/- 0.2ºF). Su punto de ebullición normal es de 2595ºC (4703ºF). El cobre no es magnético; o más exactamente, es un poco paramagnético. Su conductividad tanto térmica como eléctrica es muy alta. Es uno de los metales que puede tenerse en estado más puro, es moderadamente duro, es tenaz en extremo y resistente al desgaste. La fuerza del cobre está acompañada de una alta ductilidad. Ley de la conservación de la masa Corría el año de 1774, cuando Antoine Lavoiser realizó un experimento en el cual calentó un recipiente que contenía una muestra de estaño y aire, encontró que la masa antes y después del calentamiento del recipiente era la misma, con experimentos posteriores demostró que el producto de la reacción, estaño calentado (óxido de estaño), consistía en el estaño original junto con parte del aire. Estos resultados lo llevaron a enunciar el siguiente postulado: “La masa total de las sustancias presentes después de una reacción química es la misma que la masa total de las sustancias antes de la reacción”.

Instrumentos y reactivos ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

Pinzas de cortar Charola de pesar Matraz Erlenmeyer 250 ml Pipeta vidrio 10 ml Vaso de precipitados 100, 500 ml Probeta 50 ml Agitador magnético Pipeta Pasteur Espátula Cápsula de porcelana Pinzas para crisol

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Alambre de cobre HNO3 concentrado Agua destilada NaOH 3M H2SO4 3M  Acetona Zn en polvo Kit prueba pH Balanza Parrilla de calentamiento

Método

A) Cobre → Nitrato de cobre 1. Se recortó y peso 0.3 g de alambre de cobre, este se colocó en un matraz erlenmeyer de 250 ml. 2. Se midió con la pipeta 3 ml de ácido nítrico y se agregó con cuidado sobre el alambre, cuidando que el dióxido de nitrógeno expedido estuviera dentro de la campana pues este es tóxico. 3. Se mezcló con movimientos giratorios y se esperó a que el cobre dejara de reaccionar, se notó un cambio de color en el gas, el nitrato de cobre líquido tomó un color azul y ocurrió una reacción exotérmica. 4. Se llevó al matraz dentro de un vaso de precipitados con agua caliente para que el dióxido de nitrógeno se esfumara con mayor rapidez. 5. Se comprobó que el cobre estuviera totalmente disuelto, seguidamente se le añadió 10 ml de agua destilada. Cu(s) + 4 HNO3

(ac)

→ Cu(NO3)2

(ac)

+ 2 NO2 (g) + 2 H2O (e-)

B) Nitrato de cobre → Hidróxido de cobre 1. Se añadió gota por gota hidróxido de sodio para que la disolución de nitrato de cobre se precipitara, agregando mas de x gotas se convirtió en una especie de gel con un color más intenso de azul. 2. Se mezcló regularmente para homogeneizar la solución y se dejó de añadir NaOH hasta que ya no formara más precipitado. 3. Se midió su pH, demostrando su calidad básica. Cu(NO3)2

(ac)

+ 2 NaOH (ac)  → Cu(OH)2 (s) + 2 NaNO3 (ac)

C) Hidróxido de cobre → Óxido de cobre 1. Se le añadió a la solución 25 ml de agua destilada dando un volumen total de 50 ml. 2. Se agregó el agitador magnético y se calentó la solución hasta el punto de ebullición agitándola de manera moderada, hasta que se comenzaron a observar solamente partículas negras en agua transparente. 3. Se dejó sedimentar durante una semana. Se decantó el líquido sobrenadante con extremo cuidado de no desechar el óxido de cobre. 4. Seguidamente se lavó el resto del óxido con agua hirviendo, se dejó reposar por unos minutos para que de nuevo sedimentara, más fue poco el tiempo y quedaron partículas de óxido de cobre en el agua, la que luego se volvió a decantar. Cu(OH)2 (s) 

Δ → CuO (s) + H2O (ac)

D) Óxido de cobre → Sulfato de Cobre 1. Se llevó la disolución a agitación y se le añadió 10 ml de ácido sulfúrico hasta que el óxido que mostraba un color negro, se convirtió en un color azul homogéneo. CuO (s) + H2SO4 (ac) → CuSO4 (ac) + H2O (e-)

D) Sulfato de Cobre → Cobre 1. Se le añadió zinc al sulfato de cobre y se llevó a agitación hasta que la solución se mostrara totalmente transparente, en total se le adicionó 0.6 g de zinc. 2. Se decantó el sobrenadante y se transfirió a una cápsula de porcelana la cual se calentó levemente para que el exceso de agua se evaporara. 3. Se le agregó aproximadamente 5 ml de acetona para realizar un lavado y se repitió el proceso de evaporación, evitando el sobrecalentamiento. 4. Se dejó enfriar por completo el cobre y se pesó su masa final. CuSO4 (ac) + Zn (s) → Cu (s) + ZnSO4 (ac)

Resultados Tabla 1. Datos teóricos y experimentales del cobre metálico. Muestra inicial de cobre

0.3 g

Muestra obtenida al final del experimento

0.34 g

Porcentaje recuperado

113%

Tabla 2. Registro y observaciones de reacciones.

Cu → Cu(NO3)2

Color observado

Tipo de rx

Comentarios

líquido azul gas rojizo

Redox

  Cu  +2  (N+5O3 -2)2 + Cu0 + 4 H+1N+5O3 -2 → +1 -2  +4 -2 H 2O + 2 N O SR oxidación SR reducción

Cu(NO3)2 → Cu(OH)2

líquido azul a líquido más denso azul más intenso

Metátesis

Cu+2 + 2 NO3 -1 + 2 Na+1 + OH-1 → Cu(OH)2 + 2 NO3-1 + 2 Na+1 Se elimina NO3 + 2 Na

Cu(OH)2 → CuO

líquido transparente con partículas negras

Deshidratación

Cu(OH)2 → CuO + H2O+1 

CuO → CuSO4

líquido azul

Metátesis

CuO + SO4 -2 + 2 H+1 → Cu+2 + SO4 -2 + H2O Se elimina SO4

CuSO4 → Cu

líquido transparente con partículas rojas

Redox

Cu+2S+6O4 -2 +Zn0 → Zn+2S+6O4-2 + Cu0 SR reducción

Cu+2S+6O4 -8 +Zn0 → Zn+2S+6O4-8 + Cu0 SR oxidación

Conclusiones Al haber obtenido 0.04 g adicionales a lo que pesamos al comienzo de la práctica, podemos determinar que nuestro margen de error es aceptable hasta cierto punto, pues a lo largo de la práctica distintos sucesos fueron alterando el peso con el que iniciamos (fluctuaciones al momento de pesar,reactivos húmedos, agentes externos dentro de nuestro material, etc.). Con esta práctica la ley de la conservación de la masa fue comprobada de una manera muy comprensible para los alumnos, pues entendiendo el porqué nuestros resultados no fueron exactamente con lo que iniciamos, sabemos que habiendo realizado esta práctica de manera perfecta, hubiésemos obtenidos los 0.3 g iniciales. Factores de tiempo también afectaron al experimento, pues hubo secciones en las cuales no obtuvimos sedimentado como se deseaba, pero al no contar con el tiempo suficiente para llegar a este, debíamos continuar a pesar de ello.

El zinc tuvo una buena efectividad en esta práctica debido a que es un metal que consume poca energía, esta reacción requiere un cambio negativo en ella para lograr una mayor efectividad

Referencias: ● Autor Desconocido. (Año Desconocido ). Propiedades Químicas del cobre-Efectos del cobre sobre la salud-Efectos Ambientales del cobre. 19/09/2016, de Lenntech Sitio web: http://www.lenntech.es/periodica/elementos/cu.htm · ●

Autor Desconocido. (Año Desconocido). Definición de Reacción Química. 19/09/2016, de Definición ABC Sitio web: http://www.definicionabc.com/ciencia/reaccion-quimica.php

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Autor Desconocido. (Año Desconocido ). Ley de la Conservación de la Masa. 19/09/2016, de TP-Laboratorio Químico Sitio web: https://www.tplaboratorioquimico.com/quimica-general/las-propiedades-de-la-materia /ley-de-conservacion-de-la-masa.html...