014 – Extracción de metales pesados

El plomo y el cobre llegan a las aguas residuales debido a la corrosión de las tuberías, a los baños agotados de galvanoplastia y grabado, y a la eliminación descuidada de pinturas y disolventes. Ninguno de los dos elementos se destruye 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 descargar el agua. El método estándar es el que se utiliza aquí: añadir un contraión que forme una sal insoluble con el metal y luego filtrar el sólido.

La química se basa en la solubilidad. Una sal precipita cuando el producto de sus concentraciones iónicas supera su producto de solubilidad K_español; por debajo de ese valor permanece disuelto. El sulfato de plomo y el carbonato de cobre son ambos muy poco solubles, por lo que la adición de sulfato elimina el plomo como PbSO₄ y agregar carbonato elimina el cobre como $\text{CuCO}_3$₃. El orden no es arbitrario. El carbonato precipitaría tanto el plomo como el cobre, de modo que si se añadiera el carbonato primero, los dos metales saldrían juntos y no se podrían separar. El sulfato, en cambio, deja el cobre en solución —el sulfato de cobre es libremente soluble—, por lo que el sulfato primero y el carbonato después dan dos fracciones limpias.

En este laboratorio tratará una muestra de 100 mL de agua residual que contiene ambos metales. Pesaá un papel filtro, agregará sulfato de sodio a la muestra y observará la formación del sulfato de plomo blanco, lo filtrará y volverá a pesar el papel para obtener la masa del precipitado. Luego agregará carbonato de potasio al filtrado, precipitará el cobre como carbonato de cobre de color azul verdoso, filtrará y pesará nuevamente. A partir de ambas masas calculará cuánto plomo y cuánto cobre contenía la muestra original, y juzgará qué tan completamente se eliminó cada uno.

Metas educativas

Familiarización con el entorno de laboratorio

• Localice y utilice el equipo de una mesa gravimétrica: 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 para los ojos en todo momento, y trate cada solución en este laboratorio como si estuviera contaminada.
• Los residuos que contienen plomo y cobre se recolectan para su disposición en lugar de verterse por el desagüe porque son metales pesados altamente tóxicos que contaminan las fuentes de agua, dañan la vida acuática y persisten en el medio ambiente sin degradarse. Arrojarlos por el drenaje daña los sistemas de plomería, contamina las plantas de tratamiento de aguas residuales y viola las normativas ambientales creadas para proteger la salud pública.

Precipitación selectiva

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

técnica de filtración gravimétrica

• Arme un embudo y un papel 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 con el precipitado después, y obtenga la masa del sólido por diferencia.

Tratamiento cuantitativo de los resultados

• Convertir la masa de un precipitado en moles usando la masa molar de la sal.
• Use 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 del precipitado recuperado con la máxima cantidad que la cantidad de reactivo añadido podría producir e identifique qué especie fue 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 filtro y anote su masa en la tabla de resultados.
2. Mida 100 mL de agua residual con la probeta graduada y vierta la muestra en el matraz Erlenmeyer 1.
3. Pese 79.8 g (30 mL) de sulfato de sodio.
4. Deposite 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. Coloque un embudo en el matraz Erlenmeyer 2.
7. Coloque el papel filtro en el embudo.
8. Adhiere el papel filtro a la pared del embudo usando un poco de agua destilada.
9. Vierta la mezcla del matraz Erlenmeyer 1 a través del papel filtro colocado en el matraz Erlenmeyer 2 para extraer el precipitado.
10. Deje que el papel de filtro se seque durante 10 segundos, luego retire el conjunto de papel de filtro y precipitado y pese. La masa se encuentra en la tabla de resultados.
11. Retire el embudo del matraz Erlenmeyer 2.

Precipitación con carbonato de potasio

1. Pese 60.75 g (25 mL) de carbonato de potasio.
2. Coloque 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 en el matraz Erlenmeyer 3.
5. Coloque el otro papel de filtro en el embudo.
6. Adhiere el papel filtro a la pared del embudo usando un poco de agua destilada.
7. Vierta la mezcla del matraz Erlenmeyer 2 a través del papel filtro colocado en el matraz Erlenmeyer 3 para extraer el precipitado.
8. Deje que el papel de filtro se seque durante 10 segundos, luego retire el conjunto de papel de filtro y precipitado y pese. La masa se encuentra en la tabla de resultados.

Estas 2 reacciones se pueden utilizar para eliminar los 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⁺(aq) + SO₄²⁻(ac) → PbSO₄(s) — un sólido blanco denso

Cu²⁺(ac) + CO₃²⁻(aq) → CuCO₃₃(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 precipitada al metal disuelto. Las masas molares son M(PbSO₄) = 303.26 g/mol y M(CuCO₃) = 123.56 g/mol. Para el plomo:

n(PbSO₄)₄) = 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, así 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. Esta es toda la lógica del análisis gravimétrico: una cantidad que no se puede pesar —un ion en solución— se mide capturándolo en un sólido de composición conocida y pesando este en su lugar.

¿Qué reactivo fue el limitante?. Vale la pena verificarlo, ya que te indica si la eliminación se realizó por completo. El sulfato de sodio agregado 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 20 %, por lo que, en esencia, todo el plomo se precipita y el resultado del plomo está limitado por el plomo presente, tal como se pretendía. El carbonato de potasio agregado equivale a 60,75 g ÷ 138,21 g/mol = 0,440 mol de carbonato, frente a 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 cobre sin recuperar, 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 el orden importa, 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 poco 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 cada 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 tareas por rango de calificaciones

Grado 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: escriba y balancee ambas ecuaciones de precipitación, en forma molecular y iónica neta; convierta la masa de cada precipitado a moles y luego a la masa y concentración del metal en la muestra original; determine qué reactivo estuvo en exceso en cada paso; explique por qué se debe agregar sulfato de sodio antes de carbonato de potasio.

12.º grado / Nivel universitario

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

Elementos esenciales para el laboratorio

Instrumentos

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

Productos

• Aguas residuales que contienen Pb²⁺ y Cu²⁺ (muestra de 100 mL)
• Sulfato de sodio, Na₂ENTONCES₄ (en polvo, 79.8 g / 30 mL usado)
• Carbonato de potasio, K₂CO₃ (en polvo, 60.75 g / 25 mL usado)
• Agua destilada