040 – Precipitazioni

La precipitazione è il modo più semplice per estrarre uno ione disciolto da una soluzione: due liquidi trasparenti vengono combinati e un composto che non si dissolve compare come un solido sospeso nella miscela. Gli impianti di trattamento delle acque la usano per rimuovere fosfato e metalli pesanti dagli effluenti, i laboratori analitici usano la reazione stessa qui studiata per determinare il calcio gravimetricamente, ed è la stessa chimica che forma i calcoli renali, che sono costituiti in gran parte da ossalato di calcio. Un precipitato si forma perché ogni composto ionico ha un limite di solubilità. Quando la miscelazione di due soluzioni spinge il prodotto delle concentrazioni ioniche oltre quel limite, l'eccesso abbandona la soluzione sotto forma di solido, mentre gli ioni che si accoppiano in un composto solubile rimangono disciolti e invisibili.

Ciò che rende una reazione di precipitazione utile per l'insegnamento è che nulla viene creato o distrutto quando essa avviene. Il solido è nuovo, ma i suoi atomi erano già nel becher; sono cambiati solo i loro partner. In questo laboratorio peserete un becher vuoto da 50 mL e un cilindro graduato vuoto da 10 mL, misurerete 5 mL di cloruro di calcio 0,2 M e 5 mL di ossalato di ammonio 0,2 M, peserete ciascuna soluzione nel proprio contenitore, le mescolerete insieme, agiterete per cinque secondi e vedrete apparire un solido bianco, infine peserete il becher un'ultima volta. Il confronto tra la massa totale dei contenitori prima della miscelazione e quella successiva è un test diretto della legge di conservazione della massa, e la quantità di sostanza contenuta in ciascuna porzione da 5 mL vi permette di prevedere quanto solido si sarebbe dovuto formare.

Obiettivi Educativi

• Familiarizzazione con l'ambiente di laboratorio — individua la bilancia, i due distributori di reagenti, il lavandino e la spruzzetta prima di iniziare, e segui il protocollo numerato sul tablet, confermando ogni passaggio man mano che viene completato.
• Uso della bilancia analitica — pesare un contenitore vuoto e registrarne la massa prima di aggiungervi alcunché, leggere il display al centesimo di grammo e riconoscere che ogni massa riportata in questo laboratorio è la differenza tra due letture anziché una misurazione diretta.
• Misura dei volumi di liquidi — erogare 5 mL da un cilindro graduato da 10 mL, leggendo la parte inferiore del menisco all'altezza degli occhi, e sciacquare il cilindro con acqua distillata prima di riutilizzarlo per il secondo reagente in modo che nessun cloruro di calcio venga trasportato nell'ossalato.
• Preparazione e combinazione delle soluzioni dei reagenti — trasferire una soluzione dosata in un becher senza perdite, aggiungere delicatamente la seconda soluzione e mescolare con una bacchetta di vetro anziché agitando il becher.
• Osservazione di una reazione di precipitazione — descrivi il cambiamento di aspetto nel momento in cui si verifica e identifica il solido bianco come una nuova sostanza piuttosto che come reagente non sciolto.
• Interpretazione quantitativa dei risultati — elaborare un bilancio di massa dalle letture registrate, calcolare la quantità di sostanza in ciascuna porzione da 5 mL e la massa di precipitato prevista, quindi confrontare la previsione con quanto indicato dalla bilancia e giustificare qualsiasi differenza.
• Sicurezza in laboratorio e buone pratiche — maneggiare un sale ossalato solubile, che è tossico se ingerito, con guanti e protezione per gli occhi, e risciacquare la vetreria nel lavandino anziché lasciare residui sul banco.

Protocollo

1. Pesatura iniziale del becher: Pesare un becher vuoto da 50 mL e registrarne la massa.
2. Pesata iniziale del cilindro graduato: pesa un cilindro graduato vuoto da 10 mL e registra la sua massa.
3. Misurazione del cloruro di calcio (CaCl₂Utilizzando il cilindro graduato, misurare accuratamente 5 mL di soluzione di cloruro di calcio 0,2M.
4. Trasferimento del cloruro di calcio: versare la soluzione misurata di cloruro di calcio nel becher da 50 mL.
5. Risciacquare il cilindro graduato: Usa un flacone per lavare il cilindro graduato con acqua distillata.
6. Misurazione dell'ossalato di ammonio ((NH₄)₂C₂0₄) : Misurare con precisione 5 mL di soluzione di ossalato d'ammonio 0,2 M utilizzando lo stesso cilindro graduato.
7. Pesare la soluzione di cloruro di calcio: Pesare il becher contenente la soluzione di cloruro di calcio e registrare la massa.
8. Pesare la soluzione di ossalato di ammonio: Pesare il cilindro graduato contenente la soluzione di ossalato di ammonio e registrare la massa.
9. Utilizzando i dati raccolti nei passaggi precedenti, calcola la massa dei 2 liquidi.
10. Combinazione di soluzioni: Versare delicatamente la soluzione di ossalato di ammonio nel becher contenente la soluzione di cloruro di calcio.
11. Miscelazione: Mescolare delicatamente le soluzioni per 5 secondi con la bacchetta di vetro. Anotare qualsiasi cambiamento nell'aspetto.
12. Pesata finale: Pesare il becher contenente la miscela delle due soluzioni reattive.
13. Utilizzando i dati raccolti nei passaggi da 10 a 12, calcola la massa combinata dei 2 liquidi miscelati.
14. Confronta la massa dei liquidi prima e dopo averli mescolati e prendi nota delle tue osservazioni.

Risultati Previsti

Cinque masse vengono registrate durante la sessione. La tabella sottostante riporta le letture prodotte dalla bilancia della simulazione, esattamente come appaiono nel pannello dei Risultati alla fine dell'esecuzione, insieme alla quantità che ciascuna di esse viene utilizzata per calcolare.

Il confronto su cui si basa il laboratorio deriva dalle ultime tre righe. Prima della miscelazione, i due liquidi pesano (80,04 − 75,00) + (55,31 − 50,00) = 5,04 + 5,31 = 10,35 g. Dopo la miscelazione e la reazione, il becher contiene 85,35 − 75,00 = 10,35 g. La differenza è 0,00 g. Tenendo conto dei contenitori si giunge alla stessa conclusione per il sistema nel suo complesso: 80,04 + 55,31 = 135,35 g prima e 85,35 + 50,00 = 135,35 g dopo, poiché il cilindro svuotato pesa ancora la sua tara. La massa si conserva e il pannello Risultati registra il cambiamento visibile insieme ad essa, come becher da 50 mL #A / ossalato di calcio / precipitato bianco.

La reazione e le quantità coinvolte

Il cloruro di calcio e l'ossalato di ammonio subiscono una reazione di doppio scambio (metatesi): i cationi e gli anioni si scambiano i partner e uno dei due prodotti possibili è insolubile.

CaCl₂(aq) + (NH₄)₂C₂O₄(aq) → CaC₂O₄(s) + 2 NH₄Cl⁻(aq)

Solo il calcio e l'ossalato prendono parte. Eliminando gli ioni che iniziano e terminano la reazione disciolta si ottiene l'equazione ionica netta, con Cl^- e NH₄⁺ come ioni spettatori:

Ca²⁺(aq) + C₂O₄²⁻(aq) → CaC₂O₄(s)

La quantità di sostanza in ciascuna porzione deriva da n = C × V. Per il cloruro di calcio, n = 0,200 mol/L × 0,00500 L = 1,00 × 10^{meno tre} mol, e la concentrazione e il volume identici danno lo stesso 1,00 × 10^{meno tre} moli di ossalato di ammonio. L'equazione consuma i due reagenti in un rapporto 1:1, quindi le porzioni sono esattamente stechiometriche e nessun reagente è limitante — una scelta deliberata, poiché significa che il calcolo non ha reagente sprecato di cui tenere conto.

Il precipitato atteso è quindi m = n × M = 1,00 × 10^{meno tre} mol × 128,10 g/mol = 0,128 g di ossalato di calcio anidro. L'ossalato di calcio infatti cristallizza da soluzione acquosa fredda come monoidrato CaC₂O₄·H₂O (M = 146,11 g/mol), che peserebbe 0,146 g dopo la filtrazione ma non dopo l'essiccazione a 200 °C. Il 2,00 × 10^{meno tre} le moli di cloruro di ammonio così formate ammontano a 0,107 g e rimangono in soluzione, invisibili.

Perché appare un solido e perché appare completamente

Se si forma un precipitato lo si decide confrontando il prodotto ionico Q = [Ca²⁺][C₂O₄²⁻] con il prodotto di solubilità dell'ossalato di calcio, K_SP = 2,3 × 10⁻⁹ a 25 °C per il monoidrato. Nel momento in cui le due porzioni da 5 mL si incontrano, ciascun soluto è stato diluito a 10 mL, quindi entrambi gli ioni sono a 0,100 mol/L e Q = 0,100 × 0,100 = 1,0 × 10⁻². Quello è più grande di K_SP di un fattore di circa 4 × 10⁶, motivo per cui l'intorbidamento è immediato anziché graduale.

La stessa costante stabilisce la quantità di calcio che rimane. Per un sale 1:1, la concentrazione satura s è la radice quadrata di K_SP, quindi s = (2,3 × 10⁻⁹)^1/2 = 4,8 × 10⁻⁵ mol/L, quindi i 10 mL di surnatante trattengono 4,8 × 10⁻⁷ mol di calcio, ovvero 0,06 mg. Ciò corrisponde a 0,05 % di 1,00 × 10^{meno tre} mol ha aggiunto: la precipitazione è quantitativa a meglio di una parte su mille, il che è esattamente il motivo per cui la reazione viene utilizzata per le determinazioni gravimetriche del calcio e perché l'ossalato è un modo affidabile per rimuovere il calcio da un campione.

L'altro prodotto fa esattamente il contrario. Il cloruro di ammonio si dissolve fino a circa 372 g/L a 20 °C, quindi 10 mL di acqua potrebbero contenerne 3,7 g; i 0,107 g che si formano in questo caso raggiungono solo il 3 % della saturazione e non escono mai dalla soluzione. Le due regole di solubilità di cui uno studente ha bisogno sono visibili una accanto all’altra in un unico becher: gli ossalati dei metalli alcalino-terrosi sono insolubili, mentre tutti i comuni sali di ammonio sono solubili.

Perché la massa totale non può cambiare

Una reazione chimica riorganizza quali atomi sono legati a quali, e non fa nient'altro. Contare gli atomi su ciascun lato dell'equazione bilanciata dimostra il punto senza alcun ricorso all'autorità: i reagenti CaCl₂ e (NH₄)₂C₂O₄ insieme contengono 1 Ca, 2 Cl, 2 N, 8 H, 2 C e 4 O, e i prodotti CaC₂O₄ e 2 NH₄Cl contiene 1 Ca, 2 C, 4 O, 2 N, 8 H e 2 Cl. Gli stessi atomi, in diversa compagnia. Poiché ciascun atomo trasporta una massa fissa, anche la massa totale del contenuto è fissa, qualunque cosa accada al loro aspetto o al loro stato.

Il motivo per cui questa particolare reazione dimostra la legge in modo così netto è che nessuno dei suoi prodotti è un gas. Nulla può fuoriuscire da un becher aperto, quindi non sono necessari palloni, tappi o beute sigillate e i due totali possono essere confrontati direttamente. Una reazione che rilascia anidride carbonica, come quella utilizzata nel laboratorio sulla legge di conservazione della massa, sembra perdere massa su un banco aperto e deve essere eseguita in un sistema chiuso prima di poter giungere alla stessa conclusione, un utile contrasto da trarre con gli studenti che presumono che la bilancia stia semplicemente dicendo loro la verità.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

• Concentrazione: leggere una bilancia, mantenere una tabella ordinata delle masse e descrivere a parole un cambiamento chimico.
• Attività: pesa il becher vuoto e il cilindro vuoto; misura e trasferisci le due porzioni da 5 mL; registra tutte e cinque le letture; descrivi l'aspetto di ciascun liquido prima della miscelazione e della miscela successiva; sottrai le tare per trovare la massa di ciascun liquido, e dimostra che i due liquidi insieme pesano lo stesso prima e dopo la reazione; esprimi la conclusione in una sola frase, usando le parole precipitare e conservazione della massa correttamente.

Undicesimo anno

• Concentrazione: l'equazione bilanciata, i calcoli delle moli e un bilancio di massa completo.
• Attività: scrivi l'equazione molecolare e l'equazione ionica netta e nomina gli ioni spettatori; calcola n = C × V per ciascun reagente e dimostra che sono presenti nel rapporto 1:1 richiesto dall'equazione; prevedi la massa di ossalato di calcio formato (0,128 g) e la massa di cloruro di ammonio rimasto in soluzione (0,107 g); costruisci il bilancio di massa dell'intero sistema e conferma 135,35 g prima e dopo; spiega, contando gli atomi su ciascun lato dell'equazione, perché il totale era destinato a rimanere invariato.

12ª classe / Livello universitario

• Concentrazione: equilibrio di solubilità e calcolo del prodotto ionico.
• Attività: calcolare il prodotto ionico al momento della miscelazione e confrontarlo con K_SP sostenere che la precipitazione è quantitativa; determinare quale frazione del calcio rimane disciolta ed esprimerla in mg/L; ricalcolare la massa attesa di ciascuna porzione da 5 mL dalla sua concentrazione; discutere come cambierebbe la resa in soluzione acida e come dovrebbe essere eseguita una determinazione gravimetrica del calcio per essere affidabile.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Bilancia (digitale, leggibile a 0,01 g)
• Becher (50 mL)
• Provetta graduata (10 mL)
• Bastoncino di vetro
• Spruzzetta

Prodotti

• Cloruro di calcio CaCl₂ 0,2 M (soluzione, 5 mL)
• Ossalato di ammonio (NH₄)₂C₂O₄ 0,2 M (soluzione, 5 mL)
• Acqua distillata (per il risciacquo)