La precipitación es la forma más sencilla de extraer un ion disuelto de una solución: se combinan dos líquidos transparentes y un compuesto que no se disuelve aparece como un sólido en suspensión en la mezcla. Las plantas de tratamiento de agua la utilizan para eliminar fosfatos y metales pesados de los efluentes, los laboratorios analíticos utilizan la misma reacción que se estudia aquí para determinar el calcio gravimétricamente, y es la misma química la que forma los cálculos renales, que en gran parte son de oxalato de calcio. Un precipitado se forma porque cada compuesto iónico tiene un límite de solubilidad. Cuando al mezclar dos soluciones el producto de las concentraciones de los iones supera ese límite, el exceso abandona la solución en forma de sólido, mientras que los iones que se emparejan para formar un compuesto soluble permanecen disueltos e invisibles.
Lo que hace que una reacción de precipitación sea útil para la enseñanza es que no se crea ni se destruye nada cuando ocurre. El sólido es nuevo, pero sus átomos ya estaban en el vaso de precipitados; solo han cambiado de pareja. En este laboratorio, pesará un vaso de precipitados vacío de 50 mL y una probeta graduada vacía de 10 mL, medirá 5 mL de cloruro de calcio 0,2 M y 5 mL de oxalato de amonio 0,2 M, pesará cada solución en su propio recipiente, las verterá juntas, removerá durante cinco segundos y observará cómo aparece un sólido blanco, para luego pesar el vaso de precipitados una última vez. Comparar la masa total de los recipientes antes de mezclarlos con la total posterior es una prueba directa de la ley de conservación de la masa, y la cantidad de sustancia contenida en cada porción de 5 mL le permite predecir cuánto sólido debería haberse formado.
Objetivos Educativos
- Familiarización con el entorno del laboratorio — localice la balanza, los dos dispensadores de reactivos, el fregadero y el frasco lavador antes de empezar, y siga el protocolo numerado de la tableta, confirmando cada paso a medida que lo complete.
- Uso de la balanza analítica — pese un recipiente vacío y anote su masa antes de añadirle nada, lea la pantalla hasta la centésima de gramo y reconozca que cada masa informada en este laboratorio es la diferencia entre dos lecturas en lugar de una medición directa.
- Medición de volúmenes de líquidos — verter 5 ml de una probeta graduada de 10 ml, leyendo la parte inferior del menisco a la altura de los ojos, y enjuagar la probeta con agua destilada antes de volver a utilizarla para el segundo reactivo para que no se arrastre cloruro de calcio al oxalato.
- Preparación y combinación de soluciones de reactivos — traspase una solución medida a un vaso de precipitados sin pérdida, agregue la segunda solución suavemente y mezcle con una varilla de vidrio en lugar de agitar el vaso de precipitados.
- Observación de una reacción de precipitación — describe the change in appearance at the moment it occurs, and identify the white solid as a new substance rather than undissolved reagent.
- Interpretación cuantitativa de los resultados — construya un balance de masa a partir de las lecturas registradas, calcule la cantidad de sustancia en cada porción de 5 mL y la masa de precipitado esperada a partir de ella, luego compare la predicción con lo que muestra la balanza y explique cualquier diferencia.
- Seguridad en el laboratorio y buenas prácticas — manipule una sal de oxalato soluble, que es tóxica si se ingiere, con guantes y protección ocular, y enjuague el material de vidrio en el fregadero en lugar de dejar residuos en la mesa de trabajo.
Protocolo
- Pesada inicial del vaso de precipitados: Pese un vaso de precipitados vacío de 50 mL y anote su masa.
- Pesaje inicial de la probeta graduada: Pese una probeta graduada vacía de 10 mL y registre su masa.
- Medición de cloruro de calcio (CaCl2) : Usando la probeta graduada; mide con precisión 5 mL de solución de cloruro de calcio 0.2M.
- Transferencia de cloruro de calcio: Vierta la solución de cloruro de calcio medida en el vaso de precipitados de 50 mL.
- Enjuague de la probeta graduada: Utilice una botella lavadora para enjuagar la probeta graduada con agua destilada.
- Medición de oxalato de amonio ((NH4)2C204) : Mida con precisión 5 mL de solución de oxalato de amonio 0.2M utilizando el mismo cilindro graduado.
- Pesar la solución de cloruro de calcio: Pese el vaso de precipitados que contiene la solución de cloruro de calcio y anote la masa.
- Pesar la solución de oxalato de amonio: Pese el cilindro graduado que contiene la solución de oxalato de amonio y anote la masa.
- Usando los datos recolectados en los pasos anteriores, calcula la masa de los 2 líquidos.
- Combinación de soluciones: Vierta suavemente la solución de oxalato de amonio en el vaso de precipitados que contiene la solución de cloruro de calcio.
- Mezcla: Mezcle suavemente las soluciones durante 5 segundos con la varilla de vidrio. Anote cualquier cambio en la apariencia.
- Pesaje final: Pesar el vaso de precipitados que contiene la mezcla de las dos soluciones reactivas.
- Usando los datos recopilados en los pasos 10 a 12, calcule la masa combinada de los 2 líquidos mezclados.
- Compara la masa de los líquidos antes y después de mezclarlos y anota tus observaciones.
Resultados esperados
Se registran cinco masas durante la sesión. La tabla siguiente muestra las lecturas que produce la balanza de la simulación, exactamente como aparecen en el panel de Resultados al finalizar la ejecución, junto con la cantidad que se calcula con cada una de ellas.
| Paso del protocolo | Objeto pesado | Lectura de la balanza (g) | Cantidad obtenida por diferencia |
|---|---|---|---|
| 1 | Vaso de precipitados de 50 mL vacío | 75.0 | tara del vaso de precipitados |
| 2 | Probeta graduada vacía de 10 mL | 50.0 | tara del cilindro |
| 7 | Vaso de precipitados + 5 mL de CaCl₂2 0,2 M | 80.04 | 5.04 g de solución de cloruro de calcio |
| 8 | Cilindro + 5 mL (NH4)2C2O4 0,2 M | 55.31 | 5,31 g de solución de oxalato de amonio |
| 12 | Vaso de precipitados + mezcla, después de la reacción | 85.35 | 10,35 g de mezcla reaccionada |
La comparación sobre la que se construye el laboratorio se deduce de las últimas tres filas. Antes de mezclar, los dos líquidos pesan (80,04 − 75,00) + (55,31 − 50,00) = 5,04 + 5,31 = 10,35 g. Después de mezclar y reaccionar, el vaso de precipitados contiene 85,35 − 75,00 = 10,35 g. La diferencia es 0,00 g. Tomar en cuenta los recipientes da la misma conclusión para el sistema en su conjunto: 80,04 + 55,31 = 135,35 g antes, y 85,35 + 50,00 = 135,35 g después, ya que la probeta vaciada aún pesa su tara. La masa se conserva y el panel de Resultados registra el cambio visible junto a ella, como vaso de precipitados de 50 ml #A / oxalato de calcio / precipitado blanco.
La reacción y las cantidades involucradas
El cloruro de calcio y el oxalato de amonio experimentan una reacción de doble desplazamiento (metátesis): los cationes y aniones intercambian parejas, y uno de los dos productos posibles es insoluble.
CaCl2(aq) + (NH4)2C2O4(aq) → CaC2O4(s) + 2 NH4Cl(ac)
Solo participan el calcio y el oxalato. Al eliminar los iones que comienzan y terminan disueltos en la reacción se obtiene la ecuación iónica neta, con Cl− y NH4+ como iones espectadores:
Ca2+(aq) + C2O42−(aq) → CaC2O4(s)
La cantidad de sustancia en cada porción proviene de n = C × V. Para el cloruro de calcio, n = 0,200 mol/L × 0,00500 L = 1,00 × 10−3 mol, y la concentración y el volumen idénticos dan el mismo 1.00 × 10−3 mol de oxalato de amonio. La ecuación consume los dos reactivos en una proporción de 1:1, por lo que las porciones son exactamente estequiométricas y ningún reactivo es limitante —una elección deliberada, porque significa que el cálculo no tiene reactivo desperdiciado que contabilizar.
El precipitado esperado es, por lo tanto, m = n × M = 1,00 × 10−3 mol × 128.10 g/mol = 0.128 g de oxalato de calcio anhidro. De hecho, el oxalato de calcio cristaliza a partir de una solución acuosa fría como el monohidrato CaC2O4·H2O (M = 146,11 g/mol), que pesaría 0,146 g después de la filtración pero no después del secado a 200 °C. El 2,00 × 10−3 el mol de cloruro de amonio formado junto con este asciende a 0,107 g y permanece en solución, invisible.
| Especies en el vaso de precipitados después de la reacción | Cantidad (mol) | Masa (g) | Estado |
|---|---|---|---|
| Agua | 0.555 | 10.0 | líquido, disolvente |
| CaC2O4 | 1.00 × 10−3 | 0.128 | sólido blanco, suspendido |
| NH4+ | 2.00 × 10−3 | 0.036 | disuelto, espectador |
| Cl− | 2.00 × 10−3 | 0.071 | disuelto, espectador |
| Ca2+ y C2O42− dejado en solución | 4.8 × 10−7 cada | menos de 0,0001 | disuelto, en equilibrio |
Por qué aparece un sólido y por qué aparece por completo
Para determinar si se forma un precipitado, hay que comparar el producto iónico Q = [Ca2+][C2O42−] con el producto de solubilidad del oxalato de calcio, Kespañol = 2.3 × 10−9 a 25 °C para el monohidrato. En el instante en que se encuentran las dos porciones de 5 mL, cada soluto se ha diluido en 10 mL, por lo que ambos iones están a 0,100 mol/L y Q = 0,100 × 0,100 = 1,0 × 10−2. Eso es mayor que Kespañol en un factor de aproximadamente 4 × 106, por lo que la opacidad es inmediata y no gradual.
Esa misma constante determina la cantidad de calcio que queda retenido. Para una sal 1:1, la concentración de saturación s es la raíz cuadrada de K.español, por lo que s = (2.3 × 10−9)1/2 = 4,8 × 10−5 mol/L, por lo que los 10 mL de sobrenadante retienen 4,8 × 10−7 mol de calcio, o 0,06 mg. Eso equivale a 0,05 % del 1,00 × 10−3 mol añadió: la precipitación es cuantitativa a mejor de una parte en mil, lo que es exactamente la razón por la cual la reacción se utiliza para determinaciones gravimétricas de calcio y por qué el oxalato es una forma confiable de eliminar el calcio de una muestra.
El otro producto hace lo contrario. El cloruro de amonio se disuelve hasta unos 372 g/L a 20 °C, por lo que 10 mL de agua podrían contener 3,7 g de esta sal; los 0,107 g que se forman aquí alcanzan solo un 3 % de saturación y nunca se precipitan. Las dos reglas de solubilidad que un estudiante necesita se pueden observar una al lado de la otra en un solo vaso de precipitados: los oxalatos de los metales alcalinotérreos son insolubles, y todas las sales de amonio comunes son solubles.
Por qué la masa total no puede cambiar
Una reacción química reorganiza qué átomos están enlazados con cuáles, y no hace nada más. Contar los átomos en cada lado de la ecuación balanceada demuestra el punto sin necesidad de apelar a la autoridad: los reactivos CaCl2 y (NH4)2C2O4 en conjunto contienen 1 Ca, 2 Cl, 2 N, 8 H, 2 C y 4 O, y los productos CaC2O4 y 2 NH4El Cl contiene 1 Ca, 2 C, 4 O, 2 N, 8 H y 2 Cl. Son los mismos átomos, pero en diferentes combinaciones. Dado que cada átomo tiene una masa fija, la masa total de los componentes también es fija, independientemente de cómo cambie su aspecto o su estado.
La razón por la cual esta reacción en particular demuestra la ley con tanta claridad es que ninguno de sus productos es un gas. Nada puede escapar de un vaso de precipitados abierto, por lo que no se necesita ningún globo, tapón o matraz sellado y los dos totales se pueden comparar directamente. Una reacción que libera dióxido de carbono, como la utilizada en el laboratorio de la ley de conservación de la masa, parece perder masa en una mesa de laboratorio abierta y debe llevarse a cabo en un sistema cerrado antes de poder llegar a la misma conclusión; un contraste útil para establecer con los estudiantes que suponen que la balanza simplemente les está diciendo la verdad.
Resumen de la asignación por rango de calificación
Grados 9–10
- Enfoque: leer una balanza, mantener una tabla ordenada de masas y describir un cambio químico con palabras.
- Actividades pese el vaso de precipitados vacío y la probeta vacía; mida y transfiera las dos porciones de 5 mL; registre las cinco lecturas; describa la apariencia de cada líquido antes de mezclarlos y la de la mezcla después; reste las taras para hallar la masa de cada líquido, y demuestre que ambos líquidos juntos pesan lo mismo antes y después de la reacción; enuncie la conclusión en una sola oración, utilizando las palabras precipitarse y conservación de la masa correctamente.
Undécimo grado
- Enfoque: la ecuación de equilibrio, los cálculos molares y un balance de masas completo.
- Actividades escriba la ecuación molecular y la ecuación iónica neta y nombre los iones espectadores; calcule n = C × V para cada reactivo y muestre que están presentes en la proporción 1:1 que requiere la ecuación; prediga la masa de oxalato de calcio formada (0.128 g) y la masa de cloruro de amonio que queda en solución (0.107 g); construya el balance de masa de todo el sistema y confirme 135.35 g antes y después; explique, contando los átomos en cada lado de la ecuación, por qué el total estaba destinado a permanecer inalterado.
12.º curso / Nivel universitario
- Enfoque: equilibrio de solubilidad y el cálculo del producto iónico.
- Actividades calcular el producto iónico en el momento de la mezcla y compararlo con Kespañol argumentar que la precipitación es cuantitativa; determinar qué fracción del calcio permanece disuelta y expresarla en mg/L; recalcular la masa esperada de cada porción de 5 mL a partir de su concentración; discutir cómo cambiaría el rendimiento en una solución ácida y cómo tendría que realizarse una determinación gravimétrica de calcio para que sea confiable.
Esenciales de laboratorio
Instrumentos
- Báscula (digital, con una precisión de lectura de 0,01 g)
- Vaso de precipitados (50 mL)
- Probeta graduada (10 mL)
- Varilla de vidrio
- Frasco lavador
Productos
- Cloruro de calcio CaCl2 solución 0,2 M, 5 mL
- Oxalato de amonio (NH4)2C2O4 solución 0,2 M, 5 mL
- Agua destilada (para enjuagar)