ME212cuartogrupodecationes20060621

Cuarto Grupo de Cationes

Índice

1. Objetivo. 2

2. Parte experimental. 2

2.1. Instrumentos y reactivos. 2

2.2. Procedimiento. Análisis sistemático de la muestra. 2

3. Conclusiones 5

4. Recomendaciones 5

5. Cuestionario. 6

6. Bibliografía. 10

Análisis Químico (ME212R), UNI-FIGMM Página 1 de 10


1. Objetivo. Conocer el método sistemático para separar e identificar

cualitativamente los cationes de una solución compuesta por sales solubles de los cationes del 4to grupo.

Conocer la acción del (NH4)2CO3(ac), agente precipitante, sobre los cationes del cuarto grupo (Ba2+, Sr2+ y Ca2+).

Conocer el método para conseguir un medio ligeramente básico en una solución amortiguadora.

2. Parte experimental.

2.1. Instrumentos y reactivos.

Tubos de ensayo Trípode Embudo Pinzas Calentador eléctrico Papel filtro Papel tornasol Solución iónica Reactivos: NH4OH 15N, NH4Cl 5N, (NH4)2CO3 5N, CH3COOH 17N,

(NH4)CH3COO, K2CrO4, (NH4)2SO4, (NH4)2C2O4. Agua destilada

2.2. Procedimiento. Análisis sistemático de la muestra.

1. La solución filtrada del grupo III de cationes contiene los cationes del IV y V grupo, esta es la solución entregada.

Se recibe una solución incolora, proveniente del análisis sistemático de cationes.

2. Añada a la solución entregada gotas (3 – 4) de NH4Cl(ac), luego alcalinice con NH4OH(ac) 15N (use papel de tornasol como indicador); caliente la solución (no observará cambios significativos), añada hasta completa precipitación gotas de (NH4)2CO3(ac). ¿Qué características observa en el precipitado obtenido? Reposar unos segundos luego filtre y deseche la solución pasante. Lave el precipitado con solución que contenga (H2O + NH4OH(ac)), (la solución de lavado se prepara llenando un tercio del volumen del tubo de prueba con agua destilada y unas 10 gotas de NH4OH(ac)), la solución filtrada del lavado se desecha.

Se debe producir una solución amortiguadora con NH4Cl(ac) y NH4OH(ac), para que el pH se mantenga cercano a 6, es decir casi neutro, se eleva la temperatura y se hace reaccionar con el agente precipitante carbonato de amonio, el cual reacciona produciendo iones oxidrilos (OH-

(ac)):

Hidrolisis del (NH4)2CO3(ac):



(NH4)2CO3(ac) + H2O(ac) ↔ NH4HCO3(ac) + NH4OH(ac)

Precipitación por acción de (NH4)2CO3(ac)

Ba2+ + NH4HCO3(ac) + NH4OH(ac) → BaCO3(s)↓ + 2NH4+

(ac) + H2O(ac)

Ba2+ + NH4HCO3(ac) + NH4OH(ac) → SrCO3(s)↓ + 2NH4+

(ac) + H2O(ac)

Ba2+ + NH4HCO3(ac) + NH4OH(ac) → CaCO3(s)↓ + 2NH4+

(ac) + H2O(ac)

, se obtiene un precipitado de color blanco formado por carbonatos insolubles en agua, en un medio casi neutro. Se desecha la solución pasante.

3. El precipitado obtenido esta formado por: CaCO3, SrCO3 y BaCO3. Añada sobre el precipitado gotas de CH3COOH(ac) 17N hasta que la disolución del precipitado sea total (si es necesario refiltre); añada a la solución obtenida gotas (10 - 12) de (NH4OH)CH3COO(ac) caliente la solución unos segundos luego añada gotas de K2CrO4(ac) hasta observar la formación de un precipitado. Filtrar en caliente.

El precipitado evidencia la presencia del catión Ba2+.

Se disuelve el precipitado de BaCO3(s), SrCO3(s) y CaCO3(s) por acción de CH3COOH(ac) concentrado, se disolverán los carbonatos al elevar la concentración de H+:

BaCO3(s)↓ + 2CH3COOH(ac) → Ba+ + 2CH3COO-(ac) + H2O(ac) + CO2(g)↑

SrCO3(s)↓ + 2CH3COOH(ac) → Sr+ + 2CH3COO-(ac) + H2O(ac) + CO2(g)↑

CaCO3(s)↓ + 2CH3COOH(ac) → Ca+ + 2CH3COO-(ac) + H2O(ac) + CO2(g)↑

, se adiciona (NH4)CH3COO(ac), con el objetivo de controlar el pH, producción de medio acético:

Ba+ + CH3COO-(ac) +

(NH4)CH3COO(ac) + 2H2O(ac)↔

Ba2+ + 2CH3COOH(ac) + NH4OH(ac) + OH-

(ac)

Sr+ + CH3COO-(ac) +


Sr2+ + 2CH3COOH(ac) + NH4OH(ac) + OH-

(ac)

Ca+ + CH3COO-(ac) +


Ca2+ + 2CH3COOH(ac) + NH4OH(ac) + OH-

(ac)

Una vez disueltos los carbonatos en medio ácido diluido se hace reaccionar con K2CrO4(ac):

Ba2+(ac) + K2CrO4(ac) → BaCrO4(s)↓ + 2K+

(ac)

Sr2+(ac) + K2CrO4(ac) → SrCrO4(ac) + 2K+

(ac)

Ca2+(ac) + K2CrO4(ac) → CaCrO4(ac) + 2K+

(ac)

, se obtiene un precipitado de color amarillo insoluble en ácido acético, se identifica la presencia del Ba2+, se conserva la solución.

4. La solución filtrada de 3. debe ser alcalinizada con NH4OH(ac) 15N, calentarla unos segundos luego añada gotas de (NH4)2CO3(ac) hasta completar



precipitación. Filtrar en caliente y desechar la solución. Disuelva el precipitado obtenido con gotas de CH3COOH(ac) 17N caliente; alcalinice la solución con NH4OH 15N, caliente la solución (no observará cambios significativos) luego añada gotas de (NH4)2SO4(ac) hasta completa precipitación. Filtrar.

El precipitado evidencia la presencia del catión Sr2+.

La solución obtenida luego de la identificación del catión bario contiene: SrCrO4(ac) y CaCrO4(ac). Lo que se hará a continuación es realizar el proceso para precipitar al cuarto grupo de cationes. Se alcalinización, neutraliza, la solución con NH4OH(ac) posteriormente se precipita con (NH4)2CO3(ac):

SrCrO4(ac) + NH4HCO3(ac) + NH4OH(ac)

→SrCO3(s)↓ + CrO4

2-(ac) + 2NH4

+(ac) +

H2O(ac)

CaCrO4(ac) + NH4HCO3(ac) + NH4OH(ac)

→CaCO3(s)↓ + CrO4

2-(ac) + 2NH4

+(ac) +

H2O(ac)

, se filtra y el precipitado se diluye acción de CH3COOH(ac) concentrado:



, se alcaliniza nuevamente con NH4OH(ac), y se hace reaccionar con (NH4)2SO4(ac):

Sr2+ + NH4OH(ac) + (NH4)2SO4(ac) → SrSO4(s)↓ + 3NH4+

(ac) + OH-(ac)

Ca2+ + NH4OH(ac) + 2(NH4)2SO4(ac) → (NH4)2[Ca(SO4)2](ac) + 3NH4+

(ac) + OH-(ac)

, se obtiene un precipitado blanco, indica la presencia del Sr2+.

5. Alcalinice la solución de 4. con NH4OH luego añada gotas de (NH4)2C2O4(ac), calentar la solución unos segundos. ¿Qué observa cuando ha reposado la solución unos minutos? ¿Qué particularidad presenta el precipitado de CaC2O4?

La solución contiene un sal compleja de calcio (NH4)2[Ca(SO4)2](ac), el cual se disocia por acción de NH4OH(ac), posteriormente se hace reaccionar con (NH4)2C2O4(ac):

(NH4)2[Ca(SO4)2](ac) + NH4OH(ac) → Ca2+ + 2SO42-

(ac) + 3NH4+

(ac) + OH-(ac)

Ca2+ + (NH4)2C2O4(ac) → CaC2O4(s)↓ + 2NH4+

(ac)

, se obtiene un precipitado blanco que evidencia la presencia del Ca2+ insoluble en ácido acético.

3. Conclusiones



El agente precipitante del cuarto grupo de cationes es el (NH4)2CO3(ac), hace precipitar a los cationes bajo la forma de carbonatos, poco solubles en agua, pH=6.

La creación de un sistema amortiguado permite controlar el pH de la solución para que ocurra correctamente la precipitación selectiva, en este caso el pH tiene que mantenerse neutro o cercano a 6.

El ácido acético, compuesto orgánico, nos ayuda a disolver precipitados de cationes del cuarto grupo, los disocia en iones para su mejor análisis.

La precipitación de ciertos cationes depende del medio ácido en que se encuentre, mientras en unos se requiere alta concentración de H+

(ac), otros requieren de una baja concentración de este, en esta experiencia se requiere que la solución se mantenga neutra.

Se ha identificado al Ca2+ bajo la forma del oxalato de calcio componente importante en la formación de los cálculos renales, que causan problemas a la salud del hombre, dicho compuesto es soluble en ácidos minerales, pero insoluble en medio acético.

4. Recomendaciones

Poner especial cuidado en la corrección de la acidez de la solución, en este caso medio neutro, lo cual determina la precipitación correcta del cuarto grupo, así como también determina la identificación de ciertos cationes.

Poner atención en el estudio de la formación del oxalato de calcio, componente principal de los cálculos renales.

5. Cuestionario1. Haga un diagrama esquemático, indicando la separación e identificación de cada catión.



Sol

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arill

o.

2. Escriba las ecuaciones balanceadas de las reacciones efectuadas.

Solución amortiguadora, medio básico:

NH4Cl(ac) + NH4OH(ac) ↔ NH4+

(ac) + Cl-(ac) + NH4OH(ac)



NH4+

(ac) + Cl-(ac) + NH4OH(ac) ↔ NH4+

(ac) + Cl-(ac) + NH3(ac) + H2O(ac)

Hidrolisis del (NH4)2CO3(ac):

(NH4)2CO3(ac) + H2O(ac) ↔ NH4HCO3(ac) + NH4OH(ac)

Precipitación del 4to grupo de cationes por acción de (NH4)2CO3(ac)

Ba2+ + NH4HCO3(ac) + NH4OH(ac) → BaCO3(s)↓ + 2NH4+

(ac) + H2O(ac)

Ba2+ + NH4HCO3(ac) + NH4OH(ac) → SrCO3(s)↓ + 2NH4+

(ac) + H2O(ac)

Ba2+ + NH4HCO3(ac) + NH4OH(ac) → CaCO3(s)↓ + 2NH4+

(ac) + H2O(ac)

Dilución de BaCO3(s), SrCO3(s) y CaCO3(s) por acción de CH3COOH(ac)

concentrado:

BaCO3(s)↓ + 2CH3COOH(ac) → Ba+ + 2CH3COO-(ac) + H2O(ac) + CO2(g)↑



Acción del (NH4)CH3COO(ac), producción de medio acético:

Ba+ + CH3COO-(ac) +


Ba2+ + 2CH3COOH(ac) + NH4OH(ac) + OH-

(ac)

Sr+ + CH3COO-(ac) +


Sr2+ + 2CH3COOH(ac) + NH4OH(ac) + OH-

(ac)

Ca+ + CH3COO-(ac) +


Ca2+ + 2CH3COOH(ac) + NH4OH(ac) + OH-

(ac)

Reacción del K2CrO4(ac) en ácido acético identificación del Ba2+:

Ba2+(ac) + K2CrO4(ac) → BaCrO4(s)↓ + 2K+

(ac)

Sr2+(ac) + K2CrO4(ac) → SrCrO4(ac) + 2K+

(ac)

Ca2+(ac) + K2CrO4(ac) → CaCrO4(ac) + 2K+

(ac)

Solución de SrCrO4(ac) y CaCrO4(ac), alcalinización con NH4OH(ac), precipitación con (NH4)2CO3(ac):

SrCrO4(ac) + NH4HCO3(ac) + NH4OH(ac)

→SrCO3(s)↓ + CrO4

2-(ac) + 2NH4

+(ac) +

H2O(ac)

CaCrO4(ac) + NH4HCO3(ac) + NH4OH(ac)

→CaCO3(s)↓ + CrO4

2-(ac) + 2NH4

+(ac) +

H2O(ac)

Dilución de SrCO3(s) y CaCO3(s) por acción de CH3COOH(ac) concentrado:SrCO3(s)↓ + 2CH3COOH(ac) → Sr+ + 2CH3COO-

(ac) + H2O(ac) + CO2(g)↑CaCO3(s)↓ + 2CH3COOH(ac) → Ca+ + 2CH3COO-

(ac) + H2O(ac) + CO2(g)↑

Alcalinización por acción de NH4OH(ac), reacción con (NH4)2SO4(ac), identificación del Sr2+:

Sr2+ + NH4OH(ac) + (NH4)2SO4(ac) → SrSO4(s)↓ + 3NH4+

(ac) + OH-(ac)

Ca2+ + NH4OH(ac) + 2(NH4)2SO4(ac) → (NH4)2[Ca(SO4)2](ac) + 3NH4+

(ac) + OH-(ac)



Solución de (NH4)2[Ca(SO4)2](ac), alcalinización por acción de NH4OH(ac), reacción con (NH4)2C2O4(ac), identificación de Ca2+:

(NH4)2[Ca(SO4)2](ac) + NH4OH(ac) → Ca2+ + 2SO42-

(ac) + 3NH4+

(ac) + OH-(ac)

Ca2+ + (NH4)2C2O4(ac) → CaC2O4(s) + 2NH4+

(ac)

3. a) Los 3 cationes de este grupo se pueden determinar por la prueba de la flama o de la llama ¿Bajo que forma química o de que compuestos químicos se deben encontrar para que la prueba sea viable?

Se deben encontrar formando sales volátiles, por ejemplo para el bario: BaCl2, Ba(NO3)2, etc.

b) ¿Qué color característico da cada catión?Su color característico es:Ba2+: Amarillo-verdosoSr2+: rojo carmínCa2+: rojo ladrillo

4. Se determinó experimentalmente que la solubilidad del sulfato de calcio, CaSO4 es 1.6 g/La) Calcule su Kps (Producto de solubilidad) exacto (En función de las actividades).

CaSO4 ↔ Ca2+ + SO42-

S S

Datos:S = 1.6 g.L-1

Masa molecular del CaSO4 = 136.1416 g.mol-1

[Ca2+] = [SO4=] = 1.1752 x 10-2 M,

I = 0.5([Ca2+]x(+2)2 + [SO4=]x(-2)2) = 0.047

, ai = Ci x fi

f(Ca2+) = f(SO4=) = 0.440211

Kps = f(Ca2+)[Ca2+].f(SO4=)[SO4

=]=2.6765 x 10-5

b) Calcule la cantidad en mg del anión SO42- (Sulfato) contenidos en 5 mL

de esa solución.

En 5mL de solución hay 8 mg de CaSO4

La masa molecular del ion SO42- es 96.0636 g.ion-g-1, por una simple

proporción:

136.1416 g.mol-1 8 mg96.0636 g.ion-g-1 m (SO4

=)



m (SO4=) = 5.644 mg

5. El Kps del CaC2O4, oxalato de calcio, es 2.3x10-9 calcule las veces en que varía su solubilidad en una solución 0.01 M de (NH4)2C2O4, con respecto a su solubilidad en agua pura.

En una solución 0.01M de (NH4)2C2O4(ac) (oxalato de amonio); electrolito fuerte:

(NH4)2C2O4 ↔ 2NH4+ + C2O4

=

0.02M 0.01M

[Ca2+] = y ; [C2O4=] = 0.01 + y ≈ 0.01, (y <<<< 1)

Kps CaC2O4 = 2.3 x 10-9 = 0.01.yy = 2.3 x 10-7 M = 2.94 x 10-6 g.L-1

En agua pura:CaC2O4 ↔ Ca2+ + C2O4

=

x X

[Ca2+] = [C2O4=] = x

Kps CaC2O4 = 2.3 x 10-9 = x2

x = 4.795 x 10-5 M = 6.143 x 10-3 g.L-1

La solubilidad de la solubilidad aumenta 2000 veces su valor.

6. Una radiación electromagnética, tiene una longitud de onda λ = 7500 A°.a) Calcule la energía del fotón en Kcal.Datos:λ = 7500 A° = 7500 x 10-10 m;C = 3.00 x 108 m.s-1

h = 6.63 x 10-34 J.s

C = λ.v; 3.00 x 108 m.s-1 = 7500 x 10-10m.v, v = 4 x 1014 s-1

E = h.v = 6.63 x 10-34 J.s . 4 x 1014.s-1 = 26.52 x 10-20 J.Kcal.(239J)-1

E = 1.1096 x 10-21 Kcal

b) Calcule la energía en MeV (Mega electrón voltio) de 1/400 de mol de esa radiación.

26.52 x 10-20J.MeV.(1.602 x 10-13J)-1 = 1.6554 x 10-6 MeV

1.6554 x 10-6 MeV 1 Fotón

E 1 mol de Fotón / 400

E = 2.4926 x 1015 MeV



6. Bibliografía

ALEXEIV, Vladimir Nikolaevich: Semimicroanálisis Químico Cualitativo, 1 ed, Moscú, Editorial Mir Moscú, 1975.

CHANG, Raymond: Química, 6 ed, México D.F., Mc Graw Hill, 1999.


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