Identificar un gas es uno de los problemas más antiguos de la química, y sigue siendo actual: las cuadrillas de mineros y túneles prueban el aire antes de entrar, los cerveceros y vinicultores monitorean el dióxido de carbono que producen sus fermentaciones, y los hospitales verifican el contenido de cada línea de gas antes de que llegue a un paciente. La mayoría de los gases son incoloros e inodoros, por lo que la apariencia no sirve de ayuda; un gas debe identificarse por cómo se comporta.
Tres pruebas clásicas, juntas, distinguen los gases de laboratorio más comunes. Una astilla encendida comprueba si el gas es inflamable por sí mismo: el hidrógeno se enciende con un chasquido agudo, mientras que el dióxido de carbono ahoga la llama. Una astilla incandescente comprueba si el gas favorece la combustión mejor que el aire: solo el oxígeno reaviva las brasas. Y el agua de cal —una solución saturada de hidróxido de calcio— detecta específicamente el dióxido de carbono, volviéndose lechosa al formarse carbonato de calcio insoluble. Ninguna prueba por sí sola es concluyente, pero el patrón de los tres resultados es exclusivo de cada gas.
En este laboratorio aplicará las tres pruebas a tres gases desconocidos, cada uno suministrado en tres tubos de ensayo tapados, registrará el resultado de cada ensayo y deducirá la identidad de cada gas a partir de la evidencia combinada.
Objetivos Educativos
Familiarización con el entorno del laboratorio
- Identifica la disposición y el equipamiento del laboratorio de identificación de gases, incluyendo los tubos de ensayo colocados en una rejilla que contienen gases desconocidos (del #1 al #9), las varillas de madera y el mechero, el soporte de laboratorio con su pinza universal y el cilindro graduado que se utiliza para medir el agua de cal.
Manipulación segura de gases y llamas abiertas
- Mantenga los tubos de ensayo tapados hasta el momento de la prueba, deseche las tablillas usadas en el recipiente de recuperación y comprenda por qué solo se manejan volúmenes pequeños de gas cerca de una llama.
- Un gas menos denso que el aire, como el hidrógeno, escaparía de otro modo antes de poder ser analizado.
Correcta ejecución de las tres pruebas clásicas de gases
- Introduce una astilla encendida en un tubo invertido e interpreta una microexosplosión, una llama extinguida o ningún cambio.
- Apague una astilla manteniéndola incandescente, y use el ascua brillante para comprobar si el gas favorece la combustión.
- Mida 15 mL de agua de cal, transfiérala rápidamente a un tubo de gas y mezcle para comprobar si hay un precipitado.
Observación sistemática y deducción
- Registre el resultado de cada prueba inmediatamente en la tabla de resultados.
- Deduce la identidad de cada incógnita a partir del patrón combinado de las tres pruebas en lugar de a partir de cualquier observación individual.
Conectando las observaciones con las propiedades químicas
- Relaciona cada prueba con la propiedad que analiza: la inflamabilidad, la capacidad de mantener la combustión y la reacción ácido-base del dióxido de carbono con el hidróxido de calcio.
- Escribe y equilibra las ecuaciones químicas detrás de la explosión del hidrógeno y la turbidez del agua de cal.
Protocolo
Identificación de gases desconocidos
- Fijar una abrazadera universal al soporte.
- Coloca boca abajo uno de los tubos de ensayo que contienen el gas desconocido 1 (tubos de ensayo 1 a 3) en la pinza universal.
- Retira el tapón del tubo de ensayo invertido.
- Enciende una astilla de madera.
- Inserta la astilla encendida en el tubo de ensayo invertido.
- Una microexplosión, la desaparición o la ausencia de cambios en la llama pueden proporcionar información sobre la naturaleza del gas.
- Vuelve a colocar el tubo de ensayo en su soporte y arroja la espátula en el contenedor de recuperación.
- Acople boca abajo un segundo tubo de ensayo que contenga gas desconocido 1 (tubos de ensayo del 1 al 3) a la pinza universal.
- Retira el tapón del tubo de ensayo invertido.
- Enciende otra astilla de madera.
- Sacude la astilla de madera para apagarla, manteniéndola incandescente.
- Inserte la varilla incandescente en el tubo de ensayo invertido.
- La posible ignición de la astilla puede proporcionar información sobre la naturaleza del gas.
- Vuelve a colocar el tubo de ensayo en su soporte y desecha la tablilla en el contenedor de recuperación.
- Vierte 15 mL de agua de cal en la probeta graduada.
- Mientras lo mantienes en el gradilla para tubos de ensayo, abre el tercer tubo de ensayo que contiene el gas desconocido 1 y vierte rápidamente aproximadamente 15 ml de agua de cal en él.
- Vuelve a poner el tapón en el tubo de ensayo y mezcla bien.
- La formación o ausencia de un precipitado blanco puede proporcionar información sobre la naturaleza del gas.
- Repite los pasos 2 a 17 con los tubos de ensayo que contienen el gas desconocido 2 (tubos de ensayo 4 a 6), luego con los que contienen el gas desconocido 3 (tubos de ensayo 7 a 9).
- Comprueba la tabla de resultados en la tableta para deducir el contenido de los tubos de ensayo.
Resultados esperados
Resultados esperados. Las tres incógnitas se comportan de la siguiente manera.
| Desconocido | Incandescencia | Tira incandescente | Agua de cal | Identidad |
|---|---|---|---|---|
| Gas #1 (tubos 1-3) | microexplosión con un “pop” seco” | la brasa se apaga | sin cambios | hidrógeno, H2 |
| Gas #2 (tubos 4-6) | la llama arde más rápida y brillantemente | la brasa se reaviva | sin cambios | oxígeno, O2 |
| Gas #3 (tubos 7-9) | la llama se extingue | la brasa se apaga | se vuelve blanco lechoso | dióxido de carbono, CO2 |
Por qué hace "pop" el hidrógeno. El hidrógeno es inflamable: mezclado con el oxígeno del aire circundante y con una fuente de ignición, arde casi instantáneamente — 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g). La reacción es fuertemente exotérmica y se propaga a través del pequeño volumen de gas en una fracción de segundo, produciendo el característico sonido sordo de una microexplosión. El tubo de ensayo contiene solo unos pocos mililitros, que es exactamente la razón por la cual la demostración es segura.
Por qué solo el oxígeno reaviva la brasa. Una astilla incandescente es carbón que se oxida justo por debajo del umbral de la llama abierta. En el aire normal, solo el 21% de las moléculas que chocan con la brasa son de oxígeno; en oxígeno puro, esa proporción aumenta hasta el 100%, la velocidad de oxidación aumenta más o menos en la misma proporción, y el calor adicional liberado hace que la brasa vuelva a superar su temperatura de ignición. El hidrógeno y el dióxido de carbono no contienen oxígeno libre, por lo que, en cualquiera de estos gases, la brasa se queda sin oxígeno y se apaga.
Por qué el agua de cal se vuelve lechosa. El dióxido de carbono es un gas ácido. Al agitarlo con agua de cal —una solución saturada de hidróxido de calcio— reacciona para formar carbonato de calcio: CO2(g) + Ca(OH)2(aq) → CaCO3(s) + H2El carbonato de calcio es casi insoluble, por lo que aparece como una suspensión de finas partículas blancas que dispersan la luz y hacen que el líquido se vea lechoso. Ni el hidrógeno ni el oxígeno reaccionan con el hidróxido de calcio, por lo que para esos gases el agua de cal permanece transparente.
Por qué la llama se apaga en dióxido de carbono. El dióxido de carbono es el producto totalmente oxidado de la combustión: no puede seguir ardiendo y no contiene oxígeno disponible para mantener la tablilla. Al ser más denso que el aire, también permanece en el tubo y desplaza el aire que la llama necesita, el mismo principio que aprovechan los CO2 extintores de incendios.
Resumen de la asignación por rango de calificación
Grados 9–10
- Enfoque: los gases se identifican por su comportamiento, no por su apariencia, y las observaciones deben registrarse sistemáticamente.
- Actividades lleve a cabo las pruebas de la tablilla encendida, la tablilla incandescente y el agua de cal de forma segura en cada muestra desconocida; registre cada resultado en la tabla inmediatamente; identifique los tres gases a partir del patrón combinado; indique qué observaciones individuales habrían sido ambiguas por sí solas.
Undécimo grado
- Enfoque: la química detrás de cada prueba.
- Actividades Ecuaciones y balanceo: Combustión del hidrógeno: $2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)$ Reacción del dióxido de carbono con agua de cal: $CO_2(g) + Ca(OH)_2(aq) \rightarrow CaCO_3(s) + H_2O(l)$ Explicación sobre la cerilla incandescente: Una cerilla incandescente solo se reaviva en oxígeno puro porque este gas tiene una concentración mucho mayor que en el aire, lo que aumenta drásticamente la frecuencia de colisión efectiva entre las partículas reactivas y supera la temperatura de ignición necesaria para iniciar la combustión rápida. Explicación sobre los tubos sujetos boca abajo: Los tubos de ensayo se sujetan boca abajo durante las pruebas de gases para evitar que el gas hidrógeno (que es mucho menos denso que el aire) se escape rápidamente debido a la flotabilidad. Por qué el dióxido de carbono sofoca una llama: El dióxido de carbono sofoca una llama porque es más denso que el aire y no es comburente; forma una capa protectora alrededor del fuego que desplaza el oxígeno, interrumpiendo el suministro necesario para mantener la combustión.
12.º curso / Nivel universitario
- Enfoque: lógica analítica y el diseño de esquemas de pruebas cualitativas.
- Actividades construir la matriz de decisión completa para las tres pruebas y mostrar que cada gas da un patrón único; explicar la redisolución del precipitado de agua de cal en exceso de CO22 y su consecuencia para la interpretación; determine la secuencia mínima de pruebas que identificaría cada gas y qué pares no puede separar cada prueba individual; discuta cómo fallaría el esquema para un gas inerte como el nitrógeno.
Esenciales de laboratorio
Instrumentos
- Más ligero
- Tubos de ensayo
- Férulas de madera
- Soporte de laboratorio
- Pinza
- Probeta graduada
Productos
- Gases desconocidos (#1 a #9)
- Agua de cal