040 – Precipitación

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 suspendido en la mezcla. Las plantas de tratamiento de agua la utilizan para eliminar fosfatos y metales pesados de los efluentes, los laboratorios analíticos emplean la misma reacción estudiada aquí para determinar el calcio de forma gravimétrica, y es la misma química la que forma los cálculos renales, que están compuestos en gran medida 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 dicho límite, el exceso sale de 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 sus parejas. 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 mezclará, agitará 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.

Metas educativas

• Familiarización con el entorno de laboratorio — localice la balanza, los dos dispensadores de reactivos, el fregadero y el frasco lavador antes de comenzar, y siga el protocolo numerado en la tableta, confirmando cada paso a medida que lo complete.
• Uso de la balanza analítica — pese un recipiente vacío y registre su masa antes de agregarle 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 — medir 5 mL en 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 usarla para el segundo reactivo para que no se arrastre cloruro de calcio hacia el oxalato.
• Preparación y combinación de soluciones de reactivos — transfiera 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 — describa el cambio de apariencia en el momento en que ocurre, e identifique el sólido blanco como una nueva sustancia en lugar de reactivo sin disolver.
• Interpretación cuantitativa de los resultados — construir un balance de masa a partir de las lecturas registradas, calcular la cantidad de sustancia en cada porción de 5 mL y la masa de precipitado esperada a partir de ella, luego comparar la predicción con lo que muestra la balanza y explicar cualquier diferencia.
• Seguridad en el laboratorio y buenas prácticas — manipule una sal de oxalato soluble, la cual es tóxica si se ingiere, con guantes y protección para los ojos, y enjuague el material de vidrio en el fregadero en lugar de dejar residuos en la mesa de trabajo.

Protocolo

1. Pesaje inicial del vaso de precipitados: Pese un vaso de precipitados vacío de 50 mL y registre su masa.
2. Pesaje inicial de la probeta graduada: Pese una probeta graduada vacía de 10 mL y registre su masa.
3. Medición de cloruro de calcio (CaCl₂₂) : Usando la probeta graduada, mida con precisión 5 mL de solución de cloruro de calcio 0.2M.
4. Transferencia de cloruro de calcio: Vierta la solución de cloruro de calcio medida en el vaso de precipitados de 50 mL.
5. Enjuagado de la probeta graduada: Use una piseta para enjuagar la probeta graduada con agua destilada.
6. Medición de oxalato de amonio ((NH₄)₂C₂0₄) : Mida con precisión 5 mL de solución de oxalato de amonio 0.2M utilizando la misma probeta graduada.
7. Pesaje de la solución de cloruro de calcio: Pese el vaso de precipitados que contiene la solución de cloruro de calcio y registre la masa.
8. Pesado de la solución de oxalato de amonio: Pese la probeta graduada que contiene la solución de oxalato de amonio y registre la masa.
9. Utilizando los datos recolectados en los pasos anteriores, calcule la masa de los 2 líquidos.
10. Combinación de soluciones: Vierta suavemente la solución de oxalato de amonio en el vaso de precipitados que contiene la solución de cloruro de calcio.
11. Mezcla: Mezcle suavemente las soluciones durante 5 segundos con la varilla de vidrio. Anote cualquier cambio en la apariencia.
12. Pesaje final: Pesar el vaso de precipitados que contiene la mezcla de las dos soluciones reactivas.
13. Usando los datos recolectados en los pasos 10 al 12, calcule la masa combinada de los 2 líquidos mezclados.
14. Compara la masa de los líquidos antes y después de mezclarlos y anota tus observaciones.

Resultados esperados

Durante la sesión se registran cinco masas. 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.

La comparación en torno a la cual se construye el laboratorio se deriva 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 de 0.00 g. Tomar los recipientes en cuenta 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 la reacción disueltos, se obtiene la ecuación iónica neta, con Cl⁻ y NH₄⁺ como iones espectadores:

Aprox.²⁺(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 sobrante 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. Los 2,00 × 10⁻³ mol de cloruro de amonio formado junto con él asciende a 0.107 g y permanece en solución, invisible.

Por qué aparece un sólido y por qué aparece por completo

La formación de un precipitado se decide comparando el producto iónico Q = [Ca²⁺][C₂O₄²⁻] con el producto de solubilidad del oxalato de calcio, K_español = 2,3 × 10⁻⁹ a 25 °C para el monohidrato. En el instante en que las dos porciones de 5 mL se encuentran, 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 más grande que K_español por un factor de aproximadamente 4 × 10⁶, por lo que la opacidad es inmediata en lugar de gradual.

La misma constante determina cuánto calcio queda. Para una sal 1:1, la concentración saturada es s, que es la raíz cuadrada de K_español, de modo 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 % de 1,00 × 10⁻³ mol agregó: la precipitación es cuantitativa a mejor de una parte en mil, que es exactamente por qué la reacción se utiliza para las 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 alcanzar aproximadamente 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 3 % de saturación y nunca se precipitan. Las dos reglas de solubilidad que un estudiante necesita están a la vista, 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 recurrir a ninguna autoridad: los reactivos CaCl₂ y (NH₄)₂C₂O₄ juntos contienen 1 Ca, 2 Cl, 2 N, 8 H, 2 C y 4 O, y los productos CaC₂O₄ y 2 NH₄Cl contiene 1 Ca, 2 C, 4 O, 2 N, 8 H y 2 Cl. Los mismos átomos, en diferente compañía. Debido a que cada átomo tiene una masa fija, la masa total del contenido también es fija, sin importar lo que suceda con su apariencia 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 realizarse en un sistema cerrado antes de poder llegar a la misma conclusión; un contraste útil para señalar con los estudiantes que suponen que la balanza simplemente les está diciendo la verdad.

Resumen de tareas por rango de calificaciones

Grado 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 el aspecto de cada líquido antes de mezclarlos y el de la mezcla posterior; 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 precipitar y conservación de la masa correctamente.

Undécimo grado

• Enfoque la ecuación balanceada, los cálculos de moles y un balance de masa completo.
• Actividades: escribe la ecuación molecular y la ecuación iónica neta, y nombra los iones espectadores; calcula n = C × V para cada reactivo y demuestra que están presentes en la proporción 1:1 que requiere la ecuación; predice la masa de oxalato de calcio formada (0.128 g) y la masa de cloruro de amonio que queda en solución (0.107 g); construye el balance de masa de todo el sistema y confirma 135.35 g antes y después; explica, contando los átomos en cada lado de la ecuación, por qué el total estaba destinado a permanecer inalterado.

12.º grado / 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 $K$_español 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; analizar cómo cambiaría el rendimiento en solución ácida y cómo tendría que llevarse a cabo una determinación gravimétrica del calcio para que sea confiable.

Elementos esenciales para el laboratorio

Instrumentos

• Balanza (digital, legible a 0.01 g)
• Vaso de precipitados (50 mL)
• Probeta graduada (10 mL)
• Varilla de vidrio
• Frasco lavador

Productos

• Cloruro de calcio $\text{CaCl}_2$₂ 0,2 M (solución, 5 mL)
• Oxalato de amonio (NH₄)₂C₂O₄ 0,2 M (solución, 5 mL)
• Agua destilada (para enjuagar)