Sesión 10. \"Hidrólisis de Sales y efecto de ión común\". Química de soluciones. PDF

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍAQUÍMICA E INDUSTRIASEXTRACTIVASDEPARTAMENTO DE FORMACIÓNBÁSICAACADEMIA DE INTEGRACIÓN BÁSICAPROGRAMA ACADÉMICO: INGENIERÍAQUÍMICA INDUSTRIALUNIDAD DE APRENDIZAJE:LABORATORIO DE QUÍMICA DESOLUCIONESPERIODO ESCOLAR: 21/SESIÓN 10: “HIDRÓLISIS ...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE FORMACIÓN BÁSICA ACADEMIA DE INTEGRACIÓN BÁSICA PROGRAMA ACADÉMICO: INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL UNIDAD DE APRENDIZAJE: LABORATORIO DE QUÍMICA DE SOLUCIONES

SESIÓN 10: “HIDRÓLISIS DE SALES Y EFECTO DE IÓN COMÚN”

PERIODO ESCOLAR: 21/2

OBJETIVOS: OBJETIVO GENERAL: Identificar el carácter ácido-base de las soluciones acuosas salinas y comprobar de manera experimental el carácter regulador del pH que presentan las soluciones acuosas constituidas por un par conjugado ácido-base.

OBJETIVOS PARTICULARES: Identificar el carácter ácido/base de los iones de una sal, y la presencia de un par conjugado en las soluciones acuosas formadas por un electrolito débil (ácido o base) y una de sus sales. Determinar el carácter ácido/base de una solución acuosa salina mediante el uso del papel tornasol Litmus, así como las variaciones teórica y experimental del pH de una solución reguladora por efecto de la adición conocida de un ácido o base fuerte. Valorar la importancia e impacto de los sistemas reguladores de pH en la industria y la vida cotidiana.

INTRODUCCIÓN: Hidrólisis: Teniendo en cuenta que casi todas las sales son electrolitos fuertes, se puede asumir que cuando una sal se disuelve en agua, esta se disocia por completo. Debido a esto, las propiedades ácido-base de las disoluciones de sales se deben al comportamiento de los cationes y aniones que las constituyen. Muchos de estos iones pueden reaccionar con agua para generar H+(ac) o OH–(ac). A esta clase de reacción se le conoce frecuentemente como hidrólisis. En la hidrólisis las moléculas de agua se separan y reaccionan con otras sustancias, lo cual modifica el equilibrio y altera el pH. Efecto del ion común: Siempre que un electrolito débil y un electrolito fuerte contengan un ion común, el electrolito débil se ioniza menos de lo que lo haría si estuviera solo en la disolución. A esta observación se le conoce como efecto del ion común. El efecto del ion común es el desplazamiento del equilibrio causado por la adición de un compuesto que tiene un ion común con la sustancia disuelta. Este efecto tiene una función importante en la determinación del pH de una disolución y en la solubilidad de una sal poco soluble. A pesar del nombre particular que se le da, cabe resaltar que el efecto del ion común sólo es un caso especial del principio de Le Chatelier.

DIAGRAMA DE BL OQUES: Verificar de manera experimental el carácter ácido/base de cada una de las soluciones salinas con un pedazo de papel tornasol.

Medir 10 mL de muestra de cada una de las soluciones de ácido acético 0.1N e hidróxido de amonio 0.1N.

Con un potenciómetro medir el pH de una muestra de 10 mL de la solución buffer de ácido acético 0.05N y acetato de sodio 0.05Nen un vaso de precipitados de 20 mL.

Adicionar 1 mL de solución 0.1N de HCl a dicha muestra, agitar con una varilla de vidrio y medir su correspondiente pH

Adicionar 10 mL de solución de 0.1N de acetato de sodio y de cloruro de amonio, respectivamente.

Adicionar otros 2 mL de la solución 0.1N de HCl y medir el pH al término de la reacción, realizar otras dos lecturas al agregar 2mL de HCl en cada caso.

DIAGRAMAS ECOL ÓGICOS: Verificar carácter ácido/base

De las soluciones salinas

perclorato de amonio

sulfato de potasio

nitrato de calcio

pedazo de papel tornasol Litmus azul y rojo.

pedazo de papel tornasol Litmus azul y rojo.

pedazo de papel tornasol Litmus azul y rojo.

gotear solución salina en el papel

gotear solución salina en el papel

gotear solución salina en el papel

D4

D4

D4

Verificar carácter ácido/base

De las soluciones salinas

sulfato de potasio

pedazo de papel tornasol Litmus azul y rojo.

gotear solución salina en el papel D4

nitrato de calcio

perclorato de amonio

pedazo de papel tornasol Litmus azul y rojo.

pedazo de papel tornasol Litmus azul y rojo.

gotear solución salina en el papel

gotear solución salina en el papel

D4

D4

Manejo de residuos: D1: Desechar al drenaje con abundante agua

D2: Neutralizar y desechar en la tarja D3: filtrar y secar; empacar para confinamiento D4: Desechar en contenedor de basura

Ácido acético 0.1 N

Hidróxido de amonio 0.1 N

medir 10 mL de las soluciones

acetato de sodio y cloruro de amonio 0.1 N

Adicionar a las soluciones

potenciómetro y/o papel pHidrón

10 mL de la solución buffer constituida por ácido acético 0.05N y acetato de sodio 0.05N

en un vaso de precipitados de 20 mL.

medir el pH

Solución buffer

adicionar 1 mL de solución 0.1N de HCl

agitar con una varilla de vidrio

medir el pH

adicionar 2 mL de la solución 0.1N de HCl

medir el pH al término de la reacción

realizar otras dos lecturas al agregar 2mL de HCl en cada caso.

D2

Manejo de residuos: D1: Desechar al drenaje con abundante agua D2: Neutralizar y desechar en la tarja

D3: filtrar y secar; empacar para confinamiento D4: Desechar en contenedor para disposición

10 mL de solución buffer de actividad 3

adicionar 1mL de solución 0.1N de NaOH

medir su pH al término de la reacción

realizar otras dos lecturas al agregar 2mL de HCl en cada caso.

D2

Manejo de residuos: D1: Desechar al drenaje con abundante agua

D2: Neutralizar y desechar en la tarja D3: filtrar y secar; empacar para confinamiento D4: Desechar en contenedor para disposición

HOJAS DE SEGURIDAD: Nombre: ÁCIDO ACÉTICO PELIGRO

PELIGRO

Fórmula química: C2H4O2 Riesgos: Líquidos inflamables, toxicidad aguda, corrosión cutánea. Manejo: Conservar alejado de toda llama o fuente de chispas, conservar el envase herméticamente cerrado en un lugar seco y bien ventilado. Equipo de protección personal: Manipular con guantes, gafas de seguridad ajustadas al contorno del rostro, vestimenta protectora antiestática retardante de la flama. Acciones de emergencia: Inhalación: Si aspiró, mueva la persona al aire fresco. Si ha parado de respirar, hacer la respiración artificial. Contacto con la piel: Lavar abundantemente con agua y quitarse las ropas contaminadas. Ojos: Lavar con agua abundante (mínimo durante 15 minutos), consulte al médico. Ingestión: Enjuagar la boca con abundante agua . Evitar el vómito Propiedades: Punto de ebullición 117 - 118 °C (243 - 244 °F) . Punto de inflamación 40.0 °C (104.0 °F) . Densidad 1.049 g/cm3 a 25 °C (77 °F). Solubilidad en agua totalmente miscible.

Nombre: HIDRÓXIDO DE AMONIO Fórmula química: H5NO Riesgos: Nocivo en caso de ingestión, Provoca quemaduras graves en la piel y lesiones oculares graves, Muy tóxico para los organismos acuáticos. Manejo: Conservar el envase herméticamente cerrado en un lugar seco y bien ventilado. Los contenedores que se abren deben volverse a cerrar cuidadosamente. Equipo de protección personal: Manipular con guantes, gafas de seguridad ajustadas al contorno del rostro, traje de protección completo contra productos químicos. Acciones de emergencia: Inhalación: Si aspiró, mueva la persona al aire fresco. Si ha parado de respirar, hacer la respiración artificial. Contacto con la piel: Lavar abundantemente con agua y quitarse las ropas contaminadas. Ojos: Lavar con agua abundante (mínimo durante 15 minutos), consulte al médico. Ingestión: Enjuagar la boca con abundante agua . Evitar el vómito Propiedades: Punto de fusión/ punto de congelación -60 °C (-76 °F). Punto de ebullición 38 - 100 °C (100 - 212 °F). Temperatura de ignición 651 °C (1,204 °F)

PELIGRO

PELIGRO

NOMBRE: CLORURO DE AMONIO Fórmula química: H4ClN Riesgos: Dañino si se ingiere. Irritante. Manejo: Conservar el envase herméticamente cerrado en un lugar seco y bien ventilado. Manipular con las precauciones de higiene industrial adecuadas. Equipo de protección personal: Manipular con guantes. Gafas de seguridad con protecciones laterales. Traje de protección completo contra productos químicos. Acciones de emergencia: Inhalación: Retirar al aire fresco, consultar al médico. Contacto con la piel: Eliminar lavando con jabón y mucha agua. Ojos: Lávese a fondo con agua abundante durante 15 minutos por lo menos y consulte al médico. Ingestión: Enjuague la boca con agua, consultar a un médico. Propiedades: Masa molar media: 53.49 g/mol. Punto de fusión: 338 °C (640.40 °F).Densidad: 1.53 g/cm³ (0.88 oz/in³)

NOMBRE: HIDRÓXIDO DE SODIO Fórmula química: NaOH Riesgos: Corrosión, toxicidad acuática, lesiones oculares. Manejo: Evítese la formación de polvo y aerosoles. Debe disponer de extracción adecuada en aquellos lugares en los que se forma polvo. Conservar el envase herméticamente cerrado en un lugar seco y bien ventilado. Equipo de protección personal: Manipular con guantes (Material: Caucho nitrílo). Caretas de protección y gafas de seguridad. Traje de protección completo contra productos químicos. Acciones de emergencia: Inhalación: mueva la persona al aire fresco. Contacto con la piel: Quítese inmediatamente la ropa y zapatos contaminados. Ojos: Lávese a fondo con agua abundante durante 15 minutos por lo menos y consulte al médico. Ingestión: No provocar el vómito, enjuague la boca con agua, consultar a un médico. Propiedades: Peso Molecular (g/mol) 40,0 Estado Físico Sólido Punto de Ebullición (ºC) )(760 mmHg)

PELIGRO

PELIGRO

NOMBRE: ÁCIDO CLORHÍDRICO Fórmula química: HCl Riesgos: Corrosión, tóxico, explosión. Manejo: Conservar el envase herméticamente cerrado en un lugar seco y bien ventilado, cerrar cuidadosamente y mantener en posición vertical para evitar pérdidas. Equipo de protección personal: Manipular con guantes, gafas de seguridad ajustadas al contorno del rostro, traje de protección completo contra productos químicos, visera protectora (mínimo 20 cm). Acciones de emergencia: Inhalación: mueva la persona al aire fresco. Contacto con la piel: Quítese inmediatamente la ropa y zapatos contaminados. Eliminar lavando con jabón y mucha agua. Ojos: Lavar con agua abundante (mínimo durante 15 minutos). Ingestión: No provocar el vómito. Consultar a un médico. Propiedades: disolución saturada a 0ºC tiene una concentración de 37% y una densidad es de 1,19 g/cm3, .pH menor a 1

NOMBRE: SULFATO DE POTASIO Fórmula química: K2SO4 Riesgos: Ligeramente peligroso para la salud. Manejo: Conservar el envase herméticamente cerrado en un lugar seco y bien ventilado, proteja contra daños físicos. Equipo de protección personal: Respirador semifacial contra polvos, gafas contra productos químicos, ropa de protección adecuada y guantes de hule resistentes. Acciones de emergencia: Inhalación: coloque la persona al aire fresco. Buscar atención médica en caso de dificultad respiratoria. Contacto con la piel: Quítese inmediatamente la ropa y zapatos contaminados. Eliminar lavando con jabón y mucha agua. Ojos: lavar a fondo con agua corriente, obtener asistencia médica en caso de irritación. Ingestión: si se ingieren grandes cantidades, tomar agua y buscar consejo médico. Propiedades: soluble en agua, punto de fusión: 1067°C (1953°F), punto de ebullición: 1689°C (3072°F).

PRECAUCIÓN

PELIGRO

NOMBRE: NITARTO DE CALCIO Fórmula química: (NO3)2Ca Riesgos: inflamable, ligeramente peligroso para la salud. Manejo: Ventílense los locales para reducir las concentraciones de polvo. Almacénese en lugares secos y ventilados. Protéjase del daño el calor y la humedad, y aísleselo de materiales incompatibles. Equipo de protección personal: Úsese elementos protectores de la respiración si la concentración de polvo es alta. Guantes adecuados para el manipuleo del producto por largos periodos. Ropa de mangas largas. Anteojos de seguridad ajustados en áreas con alta concentración de polvo. Acciones de emergencia: Inhalación: mueva la persona al aire fresco, si no respira, dar respiración artificial. . Contacto con la piel: Remover y lavar ropa contaminada y lavar el área afectada con agua. Ojos: Lavar con agua abundante (mínimo durante 15 minutos). Ingestión: No provocar el vómito. Beber agua o leche. Consultar a un médico. Propiedades: punto de fusión: 116°C, pH: 5.0-7.0 (50 g/l), Densidad (25°c):1.12 g/cm3 , Solubilidad (en agua, 20°c): 316 g/L.

NOMBRE: PERCLORATO DE AMONIO Fórmula química: NH4ClO4 Riesgos: incendio y explosión. Manejo: Separado de sustancias combustibles, reductores y metales. Ver Peligros Químicos. Bien cerrado. Equipo de protección personal: Usar extracción localizada o protección respiratoria. Guantes de protección. Traje de protección. Utilizar gafas de protección de montura integral. Acciones de emergencia: Inhalación: Aire limpio, reposo. Contacto con la piel: Aclarar con agua abundante durante 15 minutos como mínimo, después quitar la ropa contaminada y aclarar de nuevo. Ojos: Enjuagar con agua abundante durante varios minutos y proporcionar asistencia médica. Ingestión: Enjuagar la boca. Dar a beber uno o dos vasos de agua. Propiedades: Masa molecular: 117.5 Se descompone a >200°C, Densidad: 1.95 g/cm³ Solubilidad en agua, g/100ml a 25°C: 20

ATENCIÓN

PELIGRO

NOMBRE: BROMURO DE ESTRONCIO Fórmula química: Br2Sr Riesgos: irritación cutánea y ocular grave. Irritación de las vías respiratorias.. Manejo: Almacenar en un lugar fresco. Conservar el envase herméticamente cerrado en un lugar seco y bien ventilado. Equipo de protección personal: Gafas de seguridad con protecciones laterales, manipular con guantes, indumentaria impermeable. Acciones de emergencia: Inhalación: mueva la persona al aire fresco. Si ha parado de respirar, hacer la respiración artificial. Contacto con la piel: Eliminar lavando con jabón y mucha agua. Consultar a un médico. Ojos: Lávese a fondo con agua abundante durante 15 minutos por lo menos y consulte al médico. Ingestión: No administrar nada por la boca a una persona inconsciente. Enjuague la boca con agua. Consultar a un médico. Propiedades: Peso molecular : 247,43 g/mol, Punto inicial de ebullición e intervalo de ebullición 2.146 °C a 1.013 hPa. m, Punto de fusión/ punto de congelación Punto/intervalo de fusión: 643 °C.

NOMBRE: FLUORURO DE LITIO Fórmula química: LiF Riesgos: Tóxico en caso de ingestión, provoca irritación cutánea, provoca irritación ocular grave, puede irritar las vías respiratorias. Manejo: Almacenar en un lugar bien ventilado. Mantener el recipiente cerrado herméticamente. Almacenar en un lugar seco. Equipo de protección personal: Utilizar gafas con protección a los costado, guantes de protección química, protección respiratoria es necesaria para: formación de polvo y filtro de partículas Acciones de emergencia: Inhalación: Proporcionar aire fresco. Si aparece malestar o en caso de duda consultar a un médico. Contacto con la piel: Aclararse la piel con agua/ducharse. En caso de irritaciones cutáneas, consultar a un dermatólogo. Ojos: Mantener separados los párpados y enjuagar con abundante agua limpia y fresca por lo menos 10 minutos. Ingestión: Lavar la boca inmediatamente y beber agua en abundancia. Llamar al médico inmediatamente. Propiedades: Masa molar 25,94 g /mol, hidrosolubilidad: ~ 0,3 g /l a 20 °, Densidad aparente: ~ 600 kg/m³, pH (valor) 7 – 8,5 (agua: 0,26 g /l , 25 °C) Punto de fusión/punto de congelación 848 °C Punto inicial de ebullición e intervalo de ebullición 1.676 °C a 1.013 hPa

ACTIVIDADES PREVIAS:

1) Identifica el carácter teórico ácido/base de cada una de las siguientes soluciones salinas: sulfato de potasio, nitrato de calcio, perclorato de amonio, hipoclorito de bario, bromuro de estroncio y fluoruro de litio. Sulfato de potasio: pH básico Nitrato de calcio: pH de 5.5, es un ácido débil. Perclorato de amonio: pH ácido. Hipoclorito e bario: pH básico. Bromuro de estroncio: pH ácido. Fluoruro de litio: pH básico. 2) Realiza una investigación bibliográfica para definir los conceptos señalados en cursivas y señala dos procesos industriales que requieran control del pH en el medio de reacción. Efecto del ion común: Es el desplazamiento de un equilibrio iónico cuando cambia la concentración de uno de los iones que están implicados en dicho equilibrio, debido a la presencia en la disolución de una sal que se encuentra disuelta en él. soluciones reguladoras del pH, amortiguadoras o buffers: Las soluciones reguladoras o “buffer” son capaces de mantener la acidez o basicidad de un sistema dentro de un intervalo reducido de pH, por lo cual tienen múltiples aplicaciones, tanto en la industria como en los laboratorios. Estas soluciones contienen como especies predominantes, un par ácido / base conjugado en concentraciones apreciables. (Mayores que 10^-2 M).

Procesos industriales que requieren control del pH en el medio de reacción: a) Industria azucarera: La importancia del control de pH en la industria azucarera en evitar la generación de microorganismos dañinos para los productos. En el caso de la producción de azúcar, la dextranasa es un compuesto indeseable sintetizado por microorganismos contaminantes, debido a que produce pérdidas muy significativas cuando incrementa su viscosidad. Es por ello que el seguimiento del nivel de pH se realiza durante todo el proceso de fabricación. b) Industria cervecera: El control de nivel de pH en la producción de la cerveza es muy importante para poder evitar la activación de agentes patógenos y para obtener el sabor característico de cada cerveza. 3) Establece las ecuaciones algebraicas que modelan el carácter ácido o básico de una solución reguladora del pH en función de las concentraciones del par conjugado presente, así como las correspondientes ecuaciones para la determinación del valor del pH de una solución salina. Consideremos un ácido monoprótico débil: HA, de constante Ka, con una concentración Ca, y una sal de su base conjugada NaA de concentración Cb. Dado que la especie química A está presente en la solución como el anión A - y como el ácido HA, se puede expresar la condición de conservación de materia: [A - ] + [HA] = Ca + Cb......... (1) [Na +] = Cb

Aplicando la condición de electro neutralidad de la solución: [A - ] = Cb + ([H3O +] - [HO - ]) [HA] = Ca - ([H3O +] - [HO - ]) Sustituyendo:

Aplicando a ambos miembros el operador p (-log) y reordenando resulta: pH = pKa – log Ca / Cb Ecuación de Henderson-Hasselbalch.

A partir de esta fórmula se pueden deducir fácilmente las propiedades de los amortiguadores: 1.- El pH de una disolución amortiguadora. 2.- El pH del sistema amortiguador depende de la proporción relativa entre la sal y el ácido, pero no de las concentraciones absolutas de estos componentes. 3.- Cuando se añaden ácidos o bases fuertes a la disolución amortiguadora.

Actividades de laboratorio

Reportar en la bitácora Tabla de resultados con la fórmula de la sal, los cambios observados en el papel tornasol Litmus, el carácter ácido/base teórico y experimental de cada solución de muestra de la actividad 1.

Tabla de resultados con el pH experimental correspondiente a cada una de las actividades 3 a 7, tanto de los equipos pares como de los nones.

Diagrama de flujo con las actividades realizadas indicando en su momento las observaciones, únicamente las correspondientes a cada equipo.

Memoria de cálculo

OBSERVACIONES: La disolución de una sal derivada de un ácido fuerte y una base débil es ácida, debido al carácter ácido del catión. La disolución de una sal derivada de un ácido débil y de una base fuerte es básica, debido al carácter básico del anión. Si las sales provienen de un ácido débil y de ...