014 – Extracción de metales pesados

El plomo y el cobre llegan a las aguas residuales a través de la corrosión de tuberías, de baños gastados de galvanoplastia y grabado, y de la eliminación descuidada de pinturas y disolventes. Ninguno de los dos elementos es destruido por dilución o por tratamiento biológico, y ambos son tóxicos a bajas concentraciones, razón por la cual las plantas de tratamiento municipales e industriales eliminan los metales disueltos químicamente antes de que se descargue el agua. El método estándar es el que se utiliza aquí: añadir un contraión que forme una sal insoluble con el metal y, a continuación, filtrar el sólido.

La química se basa en la solubilidad. Una sal precipita cuando el producto de las concentraciones de sus iones supera su producto de solubilidad K_español; por debajo de ese valor permanece disuelto. Tanto el sulfato de plomo como el carbonato de cobre son muy poco solubles, por lo que añadir sulfato elimina el plomo como PbSO₄ y la adición de carbonato elimina el cobre como $CuCO_3$₃. El orden no es arbitrario. El carbonato precipitaría tanto el plomo como el cobre, por lo que, si se añadiera carbonato primero, los dos metales precipitarían juntos y no se podrían separar. El sulfato, por el contrario, deja el cobre en solución —el sulfato de cobre es libremente soluble—, de modo que sulfato primero y carbonato después dan dos fracciones limpias.

En este laboratorio tratará una muestra de 100 mL de agua residual que contiene ambos metales. Pesará un papel de filtro, añadirá sulfato de sodio a la muestra y observará la formación de sulfato de plomo blanco, lo filtrará y pesará el papel de nuevo para obtener la masa del precipitado. A continuación, añadirá carbonato de potasio al filtrado, precipitará el cobre en forma de carbonato de cobre azul-verdoso, filtrará y pesará de nuevo. A partir de ambas masas, calculará la cantidad de plomo y de cobre que contenía la muestra original y evaluará cuán completamente se eliminó cada uno.

Objetivos Educativos

Familiarización con el entorno del laboratorio

• Localizar y utilizar el equipo de un banco gravimétrico: la balanza digital y el platillo de pesaje, la espátula, la probeta graduada, los tres matraces Erlenmeyer, el embudo y los papeles de filtro.

Uso de equipo de protección y manejo seguro de metales pesados

• Use guantes y protección ocular en todo momento, y trate cada solución en este laboratorio como contaminada.
• Los residuos que contienen plomo y cobre se recogen para su eliminación en lugar de verterse por el desagüe porque son metales pesados altamente tóxicos que no se biodegradan. Si se vierten por el desagüe, pueden contaminar las fuentes de agua potable, dañar los ecosistemas acuáticos y poner en peligro la salud humana y la vida silvestre. Además, pueden corroer las tuberías y alterar los procesos biológicos en las plantas de tratamiento de aguas residuales.

Precipitación selectiva

• Elija un agente precipitante basándose en qué metal eliminará y cuál no.
• Justifique el orden de las dos adiciones y prediga qué saldría mal si se añadiera carbonato antes que sulfato.

Técnica de filtración gravimétrica

• Arme un embudo y un papel de filtro, mojando el papel con agua destilada para que se adhiera a la pared del embudo.
• Pese el papel de filtro antes de usarlo y el papel más el precipitado después, y obtenga la masa del sólido por diferencia.

Tratamiento cuantitativo de los resultados

• Convertir una masa de precipitado en moles utilizando la masa molar de la sal.
• Utilice la estequiometría 1:1 de cada precipitación para obtener los moles, y luego la masa, del metal que se disolvió en la muestra original.

Evaluación de la eficacia de un tratamiento

• Compare la masa de precipitado recuperado con la máxima que la cantidad de reactivo añadido podría producir, e identifique qué especie era el reactivo limitante.
• Indique las fuentes de pérdida en una determinación gravimétrica y la dirección en la que cada una sesga el resultado.

Protocolo

Precipitación con sulfato de sodio.

1. Pese un papel de filtro y anote su masa en la tabla de resultados.
2. Mide 100 mL de aguas residuales con la probeta graduada y vierte la muestra en el matraz Erlenmeyer 1.
3. Pesar 79.8g (30 mL) de sulfato de sodio.
4. Deposita el sulfato de sodio en el matraz Erlenmeyer 1.
5. Mezcle el contenido del matraz Erlenmeyer 1 y observe el precipitado que se forma en el fondo del recipiente.

El sulfato de sodio tiene la capacidad de formar un precipitado con el plomo (PbSO4).

6. Coloca un embudo en el matraz Erlenmeyer 2.
7. Coloca el papel de filtro en el embudo.
8. Pega el papel de filtro a la pared del embudo con un poco de agua destilada.
9. Vierta la mezcla del matraz Erlenmeyer 1 a través del papel de filtro colocado sobre el matraz Erlenmeyer 2 para extraer el precipitado.
10. Deja secar el papel de filtro durante 10 segundos, luego retira el conjunto de papel de filtro + precipitado y pésalo. La masa se encuentra en la tabla de resultados.
11. Retire el embudo del matraz Erlenmeyer 2.

Precipitación con carbonato de potasio

1. Pesar 60,75 g (25 mL) de carbonato de potasio.
2. Coloca el carbonato de potasio en el matraz Erlenmeyer 2.
3. Mezcle el contenido del matraz Erlenmeyer 2 y observe el precipitado que se forma en el fondo del recipiente.

El carbonato de potasio tiene la capacidad de formar un precipitado con el cobre (CuCO3).

4. Coloque un embudo sobre el matraz Erlenmeyer 3.
5. Coloca el otro papel de filtro en el embudo.
6. Pega el papel de filtro a la pared del embudo con un poco de agua destilada.
7. Vierte la mezcla del matraz Erlenmeyer 2 a través del papel de filtro colocado sobre el matraz Erlenmeyer 3 para extraer el precipitado.
8. Deja secar el papel de filtro durante 10 segundos, luego retira el conjunto de papel de filtro + precipitado y pésalo. La masa se encuentra en la tabla de resultados.

Estas 2 reacciones se pueden usar para eliminar metales pesados de las aguas residuales.

Resultados esperados

Las dos precipitaciones. Cada metal se elimina mediante una reacción de doble sustitución de un solo paso, y cada uno tiene una estequiometría 1:1 entre el ion metálico y la sal que precipita:

Pb²⁺(ac) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄(s) — un sólido blanco denso

Cu²⁺(aq) + CO₃²⁻(ac) → CuCO₃(s) — un sólido azul-verdoso

Medidas esperadas. Las cifras a continuación son las que reporta la simulación para una muestra de 100 mL.

De la masa de precipitado al metal disuelto. Las masas molares son M(PbSO₄) = 303.26 g/mol y M(CuCO₃) = 123.56 g/mol. Para el plomo:

n(PbSO₄₄) = 140.48 g ÷ 303.26 g/mol = 0.463 mol, y como un PbSO₄ contiene un Pb²⁺, n(Pb²⁺) = 0.463 mol también. La masa de plomo recuperada es por lo tanto 0.463 mol × 207.2 g/mol = 95.9 g, y su concentración en la muestra de 100 mL fue 0.463 mol ÷ 0.100 L = 4.63 mol/L.

Los mismos tres pasos para el cobre: n(CuCO₃) = 54,04 g ÷ 123,56 g/mol = 0,437 mol, por lo que n(Cu²⁺) = 0.437 mol, una masa de 0.437 mol × 63.55 g/mol = 27.8 g y una concentración de 4.37 mol/L. Toda la lógica del análisis gravimétrico consiste en esto: una cantidad que no se puede pesar —un ion en solución— se mide capturándolo en un sólido de composición conocida y pesando este último en su lugar.

¿Qué reactivo era el limitante?. Vale la pena comprobarlo, ya que te indica si la eliminación se ha realizado por completo. El sulfato de sodio añadido equivale a 79,8 g ÷ 142,04 g/mol = 0,562 mol de sulfato, frente a 0,463 mol de plomo: hay un exceso de sulfato de aproximadamente un 20 %, por lo que, en esencia, todo el plomo se ha precipitado y el resultado del plomo viene limitado por el plomo presente, tal y como se pretendía. El carbonato de potasio añadido equivale a 60,75 g ÷ 138,21 g/mol = 0,440 mol de carbonato, frente a los 0,437 mol de cobre recuperado —casi exactamente estequiométrico—. Por lo tanto, la etapa del cobre no tiene margen: un pequeño déficit de carbonato dejaría atrás el cobre, y cualquier carbonato consumido por otra reacción se reflejaría directamente en un resultado bajo.

Lo que deberías ver en el camino. La muestra sin tratar es azulada, del color del Cu hidratado²⁺; el plomo(II) en solución es incoloro y no aporta nada. Precipitar el plomo, por lo tanto, deja el filtrado aún azul — el color no es el plomo. Solo después de la etapa del carbonato, cuando el cobre ha sido extraído como un sólido, el agua se vuelve transparente. Esa progresión es en sí misma la evidencia cualitativa de que el segundo tratamiento hizo lo que el primero no pudo.

Por qué importa el orden, expresado numéricamente. El carbonato de plomo es aún menos soluble que el sulfato de plomo, por lo que el carbonato añadido a la muestra original precipitaría ambos metales juntos y las dos masas nunca podrían separarse. Añadir sulfato primero explota la única diferencia que importa aquí: el PbSO₄ es escasamente soluble mientras que el CuSO₄ es muy soluble, por lo que la etapa del sulfato es selectiva para el plomo. Este es el principio detrás de todo esquema de precipitación selectiva en química analítica: encontrar un reactivo cuyos productos de solubilidad difieran lo suficiente entre los dos iones para separarlos.

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 9–10

• Enfoque: precipitación como método para eliminar una sustancia disuelta, y pesada por diferencia.
• Actividades pese cada papel de filtro antes de usarlo; lleve a cabo ambas precipitaciones y describa el color y la apariencia de cada sólido; filtre y pese, y obtenga la masa de cada precipitado por sustracción; describa cómo cambia el color del agua en cada etapa e indique qué señala.

Undécimo grado

• Enfoque: el vínculo cuantitativo entre un sólido pesado y un ion disuelto.
• Actividades escribir y equilibrar ambas ecuaciones de precipitación, en forma molecular y iónica neta; convertir la masa de cada precipitado en moles y luego a la masa y concentración del metal en la muestra original; determinar qué reactivo estaba en exceso en cada paso; explicar por qué se debe añadir sulfato de sodio antes de carbonato de potasio.

12.º curso / Nivel universitario

• Enfoque: precipitación selectiva, equilibrios de solubilidad y análisis de errores.
• Actividades expresar cada precipitación en función de K_español y calcule la concentración residual de metal que queda en solución una vez completada la precipitación; explique cuantitativamente por qué no se puede utilizar carbonato para separar el plomo del cobre; discuta la consecuencia de que la etapa del cobre sea casi exactamente estequiométrica, y especifique cuánto carbonato añadiría para garantizar la eliminación completa; compare las concentraciones obtenidas aquí con los límites reglamentarios para el plomo y el cobre en el agua descargada y comente sobre la diferencia de escala.

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Balanza digital
• Nave de pesada
• Espátula
• Varilla de vidrio
• Embudo
• Papeles filtro ×2
• Matraces Erlenmeyer de 250 mL ×3
• Probeta graduada (100 mL)
• Frasco lavador de agua destilada
• Guantes y protección ocular

Productos

• Aguas residuales que contienen Pb²⁺ y Cu²⁺ (muestra de 100 mL)
• Sulfato de sodio, Na₂POR LO TANTO₄ (en polvo, se utilizaron 79,8 g / 30 mL)
• Carbonato de potasio, K₂CO₃ (polvo, 60.75 g / 25 mL usado)
• Agua destilada