La precipitació és la manera més senzilla d'extreure un ió dissolt d'una solució: es combinen dos líquids clars i un compost que no es dissoldrà apareix com a sòlid suspès en la mescla. Les plantes de tractament d'aigua l'utilitzen per eliminar el fosfat i els metalls pesants dels efluents, els laboratoris analítics fan servir exactament la reacció estudiada aquí per determinar el calci gravimetricament, i és la mateixa química que construeix els càlculs renals, que estan formats principalment per oxalat de calci. Un precipitat es forma perquè cada compost iònic té un límit de solubilitat. Quan en barrejar dues solucions es supera aquest límit amb el producte de les concentracions d'ions, l'excés abandona la solució en forma de sòlid, mentre que els ions que s'aparellen per formar un compost soluble continuen dissolts i invisibles.
El que fa que una reacció de precipitació sigui útil per a l'ensenyament és que no es crea ni es destrueix res quan té lloc. El sòlid és nou, però els seus àtoms ja eren al vas de precipitats; només han canviat de parella. En aquest laboratori pesareu un vas de precipitats buit de 50 mL i un cilindre graduat buit de 10 mL, mesurareu 5 mL de clorur de calci 0,2 M i 5 mL d'oxalat d'amoni 0,2 M, pesareu cada solució al seu propi recipient, els abocareu junts, remenareu durant cinc segons i fareu veure com apareix un sòlid blanc, i després pesareu el vas de precipitats per última vegada. Comparar la massa total dels recipients abans de barrejar-los amb el total posterior és una prova directa de la llei de conservació de la massa, i la quantitat de substància continguda en cada porció de 5 mL us permet predir quant de sòlid s'hauria d'haver format.
Objectius educatius
- Familiarització amb l'entorn del laboratori — localitzeu la balança, els dos dispensadors de reactius, la pica i el degotador abans de començar, i seguiu el protocol numerat de la tauleta, confirmant cada pas a mesura que el completeu.
- Ús de la balança analítica — pesare un recipient buit i registrar-ne la massa abans d'afegir-hi res, llegir la pantalla amb una precisió de centèsimes de gram i reconèixer que cada massa reportada en aquest laboratori és la diferència entre dues lectures en lloc d'una mesura directa.
- Mesura de volums de líquids — aboqueu 5 mL d'un proveta graduada de 10 mL, llegint la part inferior del menisc a l'altura dels ulls, i esbandiu la proveta amb aigua destil·lada abans de tornar-la a utilitzar per al segon reactiu de manera que no s'arrossegui clorur de calci a l'oxalat.
- Preparació i combinació de solucions de reactius — transvaseu una solució mesurada a un vas de precipitats sense pèrdues, afegiu-hi la segona solució suaument i barregeu amb un agitador de vidre en lloc d'agitar el vas de precipitats fent-hi remolins.
- Observació d'una reacció de precipitació — descriviu el canvi d'aparença en el moment en què es produeix, i identifiqueu el sòlid blanc com a una nova substància en lloc de reactiu no dissolt.
- Interpretació quantitativa dels resultats — construïu un balanç de massa a partir de les lectures registrades, calculeu la quantitat de substància de cada porció de 5 mL i la massa de precipitat que se n'espera, després compareu la predicció amb el que mostra la balança i expliqueu qualsevol diferència.
- Seguretat al laboratori i bones pràctiques — manipuleu un salt d'oxalat soluble, que és tòxic si s'ingereix, amb guants i protecció ocular, i esbandiu el material de vidre a la pica en lloc de deixar residus a la pica.
Protocol
- Pesada inicial del vas de precipitats: Pesau un vas de precipitats buit de 50 ml i anoteu la seva massa.
- Pesada inicial del cilindre graduat: Peseu un cilindre graduat buit de 10 ml i anoteu-ne la massa.
- Mesurament de clorur de calci (CaCl₂2) : Utilitzant el tub d'assaig graduat; mesura amb precisió 5 ml de 0,2 M de solució de clorur de calci.
- Transferència del clorur de calci: Aboqui la solució de clorur de calci mesurada dins del vas de precipitats de 50 ml.
- Esbandir el cilindre graduat: Utilitzeu una ampolla de rentat per esbandir el cilindre graduat amb aigua destil·lada.
- Mesurament d'oxalat d'amoni ((NH4)2C204) : Mesura amb precisió 5 mL de solució d'oxalat d'amoni 0.2M utilitzant el mateix tub de graduació.
- Pesar la solució de clorur de calci: Pesi el vas de precipitats que conté la solució de clorur de calci i anoti la massa.
- Pesar la dissolució d'oxalat d'amoni: Peseu el cilindre graduat que conté la dissolució d'oxalat d'amoni i anoteu la massa.
- Utilitzant les dades recopilades en els passos anteriors, calculeu la massa dels dos líquids.
- Combinació de solucions: Aboqueu suaument la solució d'oxalat d'amoni al vas de precipitats que conté la solució de clorur de calci.
- Barrejar: Barrejar suaument les solucions durant 5 segons amb la vareta de vidre. Anotar qualsevol canvi en l'aparença.
- Pesada final: Peseu el matràs que conté la barreja de les dues solucions reactives.
- Utilitzant les dades recollides en els passos 10 a 12, calculeu la massa combinada dels 2 líquids barrejats.
- Compareu la massa dels líquids abans i després de barrejar-los i registreu les vostres observacions.
Resultats previstos
Durant la sessió es registren cinc masses. La taula següent mostra les lectures que produeix l'equilibri de la simulació, exactament tal com apareixen al panell de resultats al final de l'execució, juntament amb la quantitat que cadascuna s'utilitza per calcular.
| Pas del protocol | Objecte pesat | Lectura de la balança (g) | Quantitat obtinguda per diferència |
|---|---|---|---|
| 1 | Vas de precipitats buit de 50 mL | 75.0 | pes buit del bequer |
| 2 | Probeta graduada buida de 10 mL | 50.0 | pes buit del cilindre |
| 7 | Vas de precipitats + 5 mL de CaCl₂2 0,2 M | 80.04 | 5,04 g de solució de clorur de calci |
| 8 | Cilindre + 5 mL (NH4)2C2O4 0,2 M | 55.31 | 5,31 g de solució d'oxalat d'amoni |
| 12 | Vas de precipitats + barreja, després de la reacció | 85.35 | 10,35 g de barreja reaccionada |
La comparació en què es basa el laboratori es deriva de les tres últimes files. Abans de barrejar, els dos líquids pesen (80,04 − 75,00) + (55,31 − 50,00) = 5,04 + 5,31 = 10,35 g. Després de barrejar i reaccionar, el bequer conté 85,35 − 75,00 = 10,35 g. La diferència és de 0,00 g. Tenint en compte els recipients, s'arriba a la mateixa conclusió per al sistema en conjunt: 80,04 + 55,31 = 135,35 g abans, i 85,35 + 50,00 = 135,35 g després, ja que el cilindre buidat encara pesa la seva tara. La massa es conserva, i el panell de resultats registra el canvi visible al seu costat, com biberó de 50 mL #A / oxalat de calci / precipitat blanc.
La reacció i les quantitats implicades
El clorur de calci i l'oxalat d'amoni experimenten una reacció de doble desplaçament (metàtesi): els cations i els anions intercanvien parelles, i un dels dos productes possibles és insolubles.
CaCl2(aq) + (NH4)2C2O4(aq) → CaC2O4(s) + 2 NH4Cl(aq)
Només el calci i l'oxalat hi prenen part. En suprimir els ions que comencen i acaben la reacció dissolts s'obté l'equació iònica neta, amb Cl− i NH4+ com a ions espectadors:
Ca2+(aq) + C2O42−(aq) → CaC2O4(s)
La quantitat de substància en cada porció prové de n = C × V. Per al clorur de calci, n = 0,200 mol/L × 0,00500 L = 1,00 × 10−3 mol, i la concentració i el volum idèntics donen el mateix 1.00 × 10−3 mol d'oxalat d'amoni. L'equació consumix els dos reactius en una proporció 1:1, de manera que les porcions són exactament estequiomètriques i cap dels reactius és limitant —una elecció deliberada, perquè significa que el càlcul no té cap reactiu desaprofitat a tenir en compte.
El precipitat esperat és, per tant, m = n × M = 1,00 × 10−3 mol × 128.10 g/mol = 0,128 g de oxalat de calci anhidre. De fet, l'oxalat de calci cristal·litza a partir d'una solució aquosa freda com a monohidrat CaC2O4·H2O (M = 146,11 g/mol), que pesaria 0,146 g després de la filtració però no després d'assecar a 200 °C. El 2,00 × 10−3 el mol de clorur d'amoni format al seu costat puja a 0,107 g i roman en solució, invisible.
| Espècies al vas de precipitats després de la reacció | Quantitat (mol) | Massa (g) | Estat |
|---|---|---|---|
| Aigua | 0.555 | 10.0 | líquid, dissolvent |
| CaC2O4 | 1.00 × 10−3 | 0.128 | sòlid blanc, en suspensió |
| No hi ha4+ | 2.00 × 10−3 | 0.036 | dissolt, espectador |
| Cl− | 2.00 × 10−3 | 0.071 | dissolt, espectador |
| Ca2+ i C2O42− deixat en solució | 4.8 × 10−7 cadaúna | menys de 0,0001 | dissolt, en equilibri |
Per què apareix un sòlid, i per què apareix completament
Si es forma un precipitat es decideix comparant el producte iònic $Q = [\text{Ca}$2+][C2O42−] amb el producte de solubilitat de l'oxalat de calci, Kesp = 2,3 × 10−9 a 25 °C per al monohidrat. En l'instant en què les dues porcions de 5 mL es troben, cada solut s'ha diluït en 10 mL, de manera que tots dos ions estan a 0,100 mol/L i Q = 0,100 × 0,100 = 1,0 × 10−2. Això és més gran que Kesp per un factor d'uns 4 × 106, raó per la qual l'ennuvolament és immediat en lloc de gradual.
La mateixa constant determina quant de calci queda enrere. Per a una sal 1:1, la concentració saturada s és l'arrel quadrada de Kesp, per tant s = (2.3 × 10−9)1/2 = 4,8 × 10−5 mol/L, de manera que els 10 mL de sobrenedant retenen 4,8 × 10−7 mol de calci, o 0,06 mg. Això és 0,05 % de la 1,00 × 10−3 mol ha afegit: la precipitació és quantitativa amb una precisió superior a una part per mil, que és exactament el motiu pel qual la reacció s'utilitza per a determinacions gravimètriques de calci i per què l'oxalat és una manera fiable d'eliminar el calci d'una mostra.
L'altre producte fa el contrari. El clorur d'amoni s'dissoleix fins a uns 372 g/L a 20 °C, de manera que 10 mL d'aigua podrien contenir 3,7 g; els 0,107 g formats aquí només arriben a un 3 % de saturació i mai no surten de la solució. Les dues regles de solubilitat que necessita un estudiant es poden veure una al costat de l'altra en un sol bequer: els oxalats dels metalls alcalinoterrosos són insolubles, i tots els sals d'amonium comuns són solubles.
Per què la massa total no pot canviar
Una reacció química reorganitza quins àtoms estan enllaçats amb quins, i no fa res més. Comptar els àtoms a cada costat de l'equació ajustada ho demostra sense cap apel·lació a l'autoritat: els reactius CaCl2 i (NH4)2C2O4 conjunts contenen 1 Ca, 2 Cl, 2 N, 8 H, 2 C i 4 O, i els productes CaC2O4 i 2 NH4Cl conté 1 Ca, 2 C, 4 O, 2 N, 8 H i 2 Cl. Els mateixos àtoms, en companyia diferent. Com que cada àtom té una massa fixa, la massa total del contingut també és fixa, independentment del que passin a ser la seva aparença o el seu estat.
La raó per la qual aquesta reacció en concret demostra la llei amb tanta claredat és que cap dels seus productes és un gas. Res no pot escapar d'un vas de precipitats obert, de manera que no cal cap globus, tap o matràs tancat i els dos totals es poden comparar directament. Una reacció que allibera diòxid de carboni, com la que s'utilitza al laboratori de la llei de la conservació de la massa, sembla perdre massa en un banc obert i s'ha de dur a terme en un sistema tancat abans d'arribar a la mateixa conclusió —un contrast útil per establir amb els estudiants que assumeixen que la bàscula simplement els diu la veritat.
Resum de tasques per rang de qualificació
De 9è a 10è grau
- Enfocament llegir una balança, mantenir una taula de masses ordenada i descriure un canvi químic amb paraules.
- Activitats: peseu el vas de precipitats buit i el cilindre graduat buit; mesureu i transfereix les dues porcions de 5 mL; registreu les cinc lectures; descriviu l'aspecte de cada líquid abans de barrejar-los i de la mesura resultant posteriorment; resteu les tares per trobar la massa de cada líquid, i demostreu que els dos líquids junts pesen el mateix abans i després de la reacció; formuleu la conclusió en una sola frase, utilitzant les paraules precipitar i conservació de la massa correctament.
11è curs
- Enfocament l'equació ajustada, els càlculs de mols i un balanç de massa complet.
- Activitats: Escriu l'equació molecular i iònica neta i anomena els ions espectadors; calcula $n = C \times V$ per a cada reactiu i mostra que estan presents en la relació 1:1 que requereix l'equació; prediu la massa d'oxalat de calci format (0,128 g) i la massa de clorur d'amoni que queda en solució (0,107 g); construeix el balanç de massa de tot el sistema i confirma 135,35 g abans i després; explica, comptant els àtoms a cada costat de l'equació, per què el total estava destinat a no canviar.
12è curs / Nivell universitari
- Enfocament equilibri de solubilitat i el càlcul del producte iònic.
- Activitats: calculeu el producte iònic al moment de la mescla i compareu-lo amb Kesp argumentar que la precipitació és quantitativa; determinar quina fracció del calci roman dissolta i expressar-la en mg/L; recalcular la massa esperada de cada porció de 5 mL a partir de la seva concentració; discutir com canviaria el rendiment en una solució àcida i com s'hauria de dur a terme una determinació gravimètrica del calci perquè sigui fiable.
Equipament de laboratori
Instruments
- Balança (digital, amb una precisió de 0,01 g)
- Vas de precipitats (50 mL)
- Proveta graduada (10 mL)
- Barra de vidre
- Proveta de rentat
Productes
- Clorur de calci CaCl₂2 0,2 M (solució, 5 mL)
- Oxalat d'amoni (NH4)2C2O4 0,2 M (solució, 5 mL)
- Aigua destil·lada (per esbandir)