Identificar un gas es uno de los problemas más antiguos de la química, y sigue vigente: los equipos de minas y túneles prueban el aire antes de entrar, los cerveceros y enólogos 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 ayuda en nada; un gas debe identificarse por cómo se comporta.
Tres pruebas clásicas, en conjunto, 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 la brasa. Y el agua de cal —una solución saturada de hidróxido de calcio— detecta el dióxido de carbono específicamente, volviéndose lechosa a medida que se forma 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.
Metas educativas
Familiarización con el entorno de laboratorio
- Identifica la disposición y el equipo del laboratorio de identificación de gases, incluyendo los tubos de ensayo en rack con gases desconocidos (#1 a #9), las varillas de madera y el encendedor, el soporte de laboratorio con su abrazadera universal y el cilindro graduado que se usa para medir el agua de cal.
Manejo seguro de gases y llamas abiertas
- Mantenga los tubos de ensayo tapados hasta el momento de la prueba, desechen las tablillas usadas en el contenedor de recuperación y comprenda por qué se manejan solo pequeños volúmenes de gas cerca de una llama.
- Un gas menos denso que el aire, como el hidrógeno, escaparía antes de poder ser probado de otro modo.
Ejecución correcta de las tres pruebas de gases clásicas
- Introduce una tablilla encendida en un tubo invertido e interpreta una microexplosión, una llama extinguida o ningún cambio.
- Apague una astilla manteniéndola incandescente, y use el rescoldo brillante para probar 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
- Registra el resultado de cada prueba inmediatamente en la tabla de resultados.
- Deduzca la identidad de cada sustancia desconocida a partir del patrón combinado de las tres pruebas en lugar de cualquier observación individual.
Conectando observaciones con propiedades químicas
- Relaciona cada prueba con la propiedad que analiza: inflamabilidad, la capacidad de favorecer 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 opalescencia del agua de cal.
Protocolo
Identificación de gases desconocidos
- Coloque una pinza universal en el soporte.
- Coloque boca abajo uno de los tubos de ensayo que contienen el gas desconocido 1 (tubos de ensayo del 1 al 3) en la pinza universal.
- Quite el tapón del tubo de ensayo invertido.
- Enciende una tablilla de madera.
- Introduzca la tablilla encendida en el tubo de ensayo invertido.
- Una microexplosión, la desaparición o ningún cambio en la llama pueden proporcionar información sobre la naturaleza del gas.
- Vuelve a colocar el tubo de ensayo en su gradilla y echa la astilla en el recipiente de recuperación.
- Fije boca abajo al soporte universal un segundo tubo de ensayo que contenga el gas desconocido 1 (tubos de ensayo 1 al 3).
- Quite el tapón del tubo de ensayo invertido.
- Enciende otra tablilla de madera.
- Agite la astilla de madera para apagar la llama manteniéndola incandescente.
- Introduzca la tablilla encendida en el tubo de ensayo invertido.
- La posible ignición de la astilla puede proporcionar información sobre la naturaleza del gas.
- Vuelva a colocar el tubo de ensayo en su gradilla y deseche la astilla en el recipiente de recuperación.
- Vierta 15 mL de agua de cal en la probeta graduada.
- Mientras lo mantiene en la gradilla para tubos de ensayo, abra el tercer tubo de ensayo que contiene el gas desconocido 1 y vierta rápidamente aproximadamente 15 mL de agua de cal en él.
- Vuelva a colocar la tapa en el tubo de ensayo y mezcle bien.
- La formación o ausencia de un precipitado blanco puede proporcionar información sobre la naturaleza del gas.
- Repita los pasos 2 al 17 con los tubos de ensayo que contienen el gas desconocido 2 (tubos de ensayo 4 a 6) y, luego, con los que contienen el gas desconocido 3 (tubos de ensayo 7 a 9).
- Revisa 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 | astilla encendida | Astilla incandescente | Agua de cal | Identidad |
|---|---|---|---|---|
| Gas #1 (tubos 1–3) | microexplosión con un chasquido agudo“ | la brasa se apaga | sin cambios | hidrógeno, H2 |
| Gas #2 (tubos 4–6) | la llama arde más rápido y con más brillo | la brasa vuelve a encenderse | sin cambios | oxígeno, O2 |
| Gas #3 (tubos 7–9) | la llama se extingue | la brasa se apaga | se pone blanco lechoso | dióxido de carbono, CO2 |
Por qué el hidrógeno hace ruido al estallar. El hidrógeno es inflamable: mezclado con el oxígeno del aire circundante y con una fuente de ignición, se quema 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 chillón 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 vuelve a encender la brasa. Una astilla incandescente es carbón que se oxida justo por debajo del umbral de la llama abierta. En el aire común, solo 21% de las moléculas que chocan con la brasa son de oxígeno; en oxígeno puro, esa fracción aumenta a 100%, la tasa de oxidación aumenta más o menos en proporción, y el calor adicional liberado empuja a la brasa de nuevo por encima de 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) → CaCO₃3(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 clara.
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 astilla. 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 extintores de CO2 extintores de incendios.
Resumen de tareas por rango de calificaciones
Grado 9-10
- Enfoque los gases se identifican por su comportamiento, no por su apariencia, y las observaciones deben registrarse sistemáticamente.
- Actividades: realice de forma segura las pruebas de la tablilla encendida, la tablilla incandescente y el agua de cal en cada sustancia desconocida; registre cada resultado en la tabla de inmediato; 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: $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$ Reacción del dióxido de carbono con agua de cal: $\text{CO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{O}$ Explicación de la tablilla incandescente: Una tablilla incandescente se reaviva únicamente en oxígeno debido a que la alta concentración de este gas aumenta la frecuencia de las colisiones efectivas (tasa de colisión) por unidad de tiempo, lo que acelera la velocidad de reacción y permite alcanzar la temperatura de ignición necesaria para que la brasa produzca llama, algo que no ocurre en el aire ordinario por la menor disponibilidad de oxígeno. Explicación de los tubos invertidos y del dióxido de carbono: Los tubos se sujetan invertidos durante las pruebas con la tablilla para evitar que el gas que se desea probar (que suele ser menos denso que el aire, como el hidrógeno) se escape por difusión hacia arriba antes de realizar la prueba. Por su parte, el dióxido de carbono ahoga una llama porque es más denso que el aire, lo que le permite desplazarlo y formar una capa inífuga alrededor del fuego que corta el suministro de oxígeno necesario para la combustión.
12.º grado / Nivel universitario
- Enfoque lógica analítica y el diseño de esquemas de pruebas cualitativas.
- Actividades: construya la matriz de decisión completa para las tres pruebas y demuestre que cada gas produce un patrón único; explique 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; analice cómo fallaría el esquema para un gas inerte como el nitrógeno.
Elementos esenciales para el laboratorio
Instrumentos
- Encendedor
- Tubos de ensayo
- Férulas de madera
- Soporte universal de laboratorio
- Abrazadera
- Probeta graduada
Productos
- Gases desconocidos (#1 a #9)
- Agua de cal