040 – Precipitații

Precipitarea este cel mai simplu mod de a extrage un ion dizolvat din soluție: două lichide limpezi sunt combinate, iar un compus care nu se dizolvoare apare sub formă de solid suspendat în amestec. Stațiile de epurare a apei o folosesc pentru a elimina fosfatul și metalele grele din efluenți, laboratoarele analitice folosesc chiar reacția studiată aici pentru a determina calciul gravimetric și este aceeași chimie care generează pietrele la rinichi, care sunt în mare parte oxalate de calciu. Un precipitat se formează deoarece fiecare compus ionic are o limită de solubilitate. Atunci când amestecarea a două soluții împinge produsul concentrațiilor ionilor dincolo de acea limită, excesul părăsește soluția ca solid, în timp ce ionii care se împerechează într-un compus solubil rămân dizolvați și invizibili.

Ceea ce face ca o reacție de precipitare să fie utilă pentru predare este faptul că nimic nu este creat sau distrus atunci când aceasta se produce. Substanța solidă este nouă, dar atomii ei se aflau deja în paharul de laborator; doar partenerii lor s-au schimbat. În acest laborator veți cântări un pahar de 50 mL gol și un cilindru gradat de 10 mL gol, veți măsura 5 mL de clorură de calciu 0,2 M și 5 mL de oxalat de amoniu 0,2 M, veți cântări fiecare soluție în propriul recipient, le veți turna împreună, veți amesteca timp de cinci secunde și veți privi cum apare un solid alb, apoi veți cântări paharul încă o dată. Compararea masei totale a recipientelor înainte de amestecare cu masa totală de după este un test direct al legii conservării masei, iar cantitatea de substanță conținută în fiecare porțiune de 5 mL vă permite să prevedeați cât solid ar fi trebuit să se formeze.

Obiective educaționale

• Familiarizarea cu mediul de laborator — localizați balanța, cele două dozatoare de reactivi, chiuveta și piseta înainte de a începe și parcurgeți protocolul numerotat de pe tabletă, confirmând fiecare pas pe măsură ce este finalizat.
• Utilizarea balanței analitice — cântăriți un recipient gol și înregistrați-i masa înainte de a adăuga ceva în el, citiți afișajul cu o precizie de o sutime de gram și recunoașteți că fiecare masă raportată în acest laborator reprezintă diferența dintre două citiri, mai degrabă decât o măsurătoare directă.
• Măsurarea volumelor de lichide — livrați 5 mL dintr-un cilindru gradat de 10 mL, citind partea inferioară a meniscului la nivelul ochilor și clătiți cilindrul cu apă distilată înainte de a-l reutiliza pentru al doilea reactiv, astfel încât să nu fie transportat clorură de calciu în oxalat.
• Prepararea și combinarea soluțiilor de reactivi — transferați o soluție măsurată într-un pahar de laborator fără pierderi, adăugați a doua soluție cu grijă și amestecați cu o baghetă de sticlă în loc să rotiți paharul.
• Observarea unei reacții de precipitare — descrieți modificarea aspectului în momentul în care aceasta se produce și identificați solidul alb ca fiind o substanță nouă, mai degrabă decât un reactiv nedizolvat.
• Interpretarea cantitativă a rezultatelor — construiește un bilanț de masă din citirile înregistrate, calculează cantitatea de substanță din fiecare porțiune de 5 mL și masa de precipitat așteptată din aceasta, apoi compară predicția cu ceea ce indică balanța și explică orice diferență.
• Securitatea în laborator și bunele practici — manipulați o sare de oxalat solubilă, care este toxică dacă este înghițită, cu mănuși și protecție pentru ochi și clătiți sticlăria în chiuvetă în loc să lăsați reziduuri pe bancul de lucru.

Protocol

1. Cântărirea inițială a baloanei: Cântăriți o 50 mL baloană goală și notați-i masa.
2. Cântărirea inițială a cilindrului gradat: Cântăriți un cilindru gradat gol de 10 mL și înregistrați masa acestuia.
3. Măsurare clorură de calciu (CaCl₂) : Folosind cilindrul gradat; măsurați cu precizie 5 mL de soluție de clorură de calciu 0.2M.
4. Transfer de clorură de calciu: Toarnă soluția de clorură de calciu măsurată în paharul Berzelius de 50 mL.
5. Clătirea cilindrului gradat: Clătiți cilindrul gradat cu apă distilată folosind o sticlă de spălare.
6. Măsurarea oxalatului de amoniu ((NH₄)₂C₂0₄) : Măsurați cu precizie 5 mL de soluție de oxalat de amoniu 0,2 M folosind același cilindru gradat.
7. Cântărirea soluției de clorură de calciu: Cântăriți paharul care conține soluția de clorură de calciu și notați masa.
8. Cântărirea soluției de oxalat de amoniu: Cântăriți cilindrul gradat care conține soluția de oxalat de amoniu și înregistrați masa.
9. Folosind datele colectate în etapele anterioare, calculați masa celor 2 lichide.
10. Combinarea soluțiilor: Se toarnă ușor soluția de oxalat de amoniu în vasul de sticlă ce conține soluția de clorură de calciu.
11. Amestecare: Amestecaţi uşor soluţiile timp de 5 secunde cu bagheta de sticlă. Notaţi orice schimbare de aspect.
12. Cântărirea finală: Cântăriți eprubeta care conține amestecul celor două soluții reactive.
13. Folosind datele colectate la pașii 10 până la 12, calculați masa combinată a celor 2 lichide amestecate.
14. Comparați masa lichidelor înainte și după amestecare și notați observațiile.

Rezultate anticipate

Cinci mase sunt înregistrate în timpul sesiunii. Tabelul de mai jos prezintă citirile pe care le produce balanța a științei/simulării, exact așa cum apar în panoul Rezultate la sfârșitul rulării, împreună cu cantitatea pe care fiecare este utilizată pentru a o calcula.

Comparația pe care se construiește laboratorul decurge din ultimele trei rânduri. Înainte de amestecare, cele două lichide cântăresc (80,04 − 75,00) + (55,31 − 50,00) = 5,04 + 5,31 = 10,35 g. După amestecare și reacție, paharul de laborator conține 85,35 − 75,00 = 10,35 g. Diferența este de 0,00 g. Luarea în considerare a recipientelor oferă aceeași concluzie pentru sistem în ansamblu: 80,04 + 55,31 = 135,35 g înainte și 85,35 + 50,00 = 135,35 g după, deoarece cilindrul golit își păstrează în continuare greutatea proprie (tara). Masa se conservă, iar panoul Rezultate înregistrează modificarea vizibilă alături de aceasta, ca pahar de laborator de 50 mL #A / oxalat de calciu / precipitat alb.

Reacția și cantitățile implicate

Clorura de calciu și oxalatul de amoniu suferă o reacție de dublă înlocuire (metateză): cationii și anionii își schimbă partenerii, iar unul dintre cei doi produse posibile este insolubil.

CaCl₂₂(aq) + (NH₄)₂C₂O₄(aq) → CaC₂O₄(s) + 2 NH₄Cl(aq)

Doar calciul și oxalatul iau parte. Eliminarea ionilor care încep și termină reacția în stare dizolvată oferă ecuația ionică netă, cu Cl⁻ și NH₄⁺ ca ioni spectator:

ca²⁺(aq) + C₂O₄²⁻(aq) → CaC₂O₄(s)

Cantitatea de substanță din fiecare porțiune provine din n = C × V. Pentru clorura de calciu, n = 0,200 mol/L × 0,00500 L = 1,00 × 10⁻³ mol, și concentrația și volumul identice dau același 1,00 × 10⁻³ mol de oxalat de amoniu. Ecuația consumă cei doi reactivi într-un raport de 1:1, astfel încât porțiile sunt exact stoichiometrice și niciun reactiv nu este limitativ — o alegere deliberată, deoarece înseamnă că calculul nu are niciun reactiv irosit de luat în considerare.

Prin urmare, precipitatul așteptat este m = n × M = 1,00 × 10⁻³ mol × 128,10 g/mol = 0,128 g de oxalat de calciu anhidru. De fapt, oxalatul de calciu cristalizează din soluție apoasă rece sub formă de monohidrat CaC₂O₄·H₂O (M = 146,11 g/mol), care ar cântări 0,146 g după filtrare, dar nu și după uscare la 200 °C. 2,00 × 10⁻³ molul de clorură de amoniu format alături de acesta se ridică la 0,107 g și rămâne în soluție, invizibil.

De ce apare un solid și de ce apare complet

Dacă se formează sau nu un precipitat se decide prin compararea produsului ionic Q = [Ca²⁺][C₂O₄²⁻] cu produsul de solubilitate al oxalatului de calciu, K_sp = 2,3 × 10⁻⁹ la 25 °C pentru monohidrat. În momentul în care cele două porțiuni de 5 mL se întâlnesc, fiecare solut a fost diluat la 10 mL, astfel încât ambii ioni sunt la 0,100 mol/L și Q = 0,100 × 0,100 = 1,0 × 10⁻². Acela este mai mare decât K_sp cu un factor de aproximativ 4 × 10⁶, motiv pentru care tulburarea este imediată, și nu treptată.

Aceeași constantă stabilește cât calciu rămâne în urmă. Pentru o sare 1:1, concentrația saturată s este rădăcina pătrată din K_sp, deci s = (2,3 × 10⁻⁹)^1/2 = 4,8 × 10⁻⁵ mol/L, astfel încât cei 10 mL de supernatant rețin 4,8 × 10⁻⁷ mol de calciu, sau 0,06 mg. Adică 0,05 % din 1,00 × 10⁻³ mol a adăugat: precipitarea este cantitativă la mai mult de o parte dintr-o mie, ceea ce explică exact de ce reacția este utilizată pentru determinări gravimetrice ale calciului și de ce oxalatul reprezintă o modalitate sigură de a îndepărta calciul dintr-o probă.

Celălalt produs are efectul opus. Clorura de amoniu se dizolvă până la aproximativ 372 g/L la 20 °C, deci 10 mL de apă ar putea conține 3,7 g din aceasta; cei 0,107 g formați aici ating doar 3 % din saturație și nu ies niciodată din soluție. Cele două reguli de solubilitate de care are nevoie un elev sunt vizibile una lângă cealaltă într-un singur pahar de laborator: oxalații metalelor alcalino-pământoase sunt insolubili, iar toate sărurile de amoniu obișnuite sunt solubile.

De ce masa totală nu se poate schimba

O reacție chimică rearrangează ce atomi sunt legați de care și nu face nimic altceva. Numărarea atomilor de pe fiecare parte a ecuației echilibrate demonstrează acest lucru fără a fi nevoie de vreo autoritate: reactanții CaCl₂ și (NH₄)₂C₂O₄ împreună conțin 1 Ca, 2 Cl, 2 N, 8 H, 2 C și 4 O, iar produsele CaC₂O₄ și 2 NH₄Cl conține 1 Ca, 2 C, 4 O, 2 N, 8 H și 2 Cl. Aceștia sunt aceiași atomi, dar în alte asocieri. Deoarece fiecare atom are o masă fixă, masa totală a conținutului este, de asemenea, fixă, indiferent ce se întâmplă cu aspectul sau starea lor.

Motivul pentru care această reacție particulară demonstrează legea atât de clar este că niciunul dintre produși nu este un gaz. Nimic nu poate părăsi un pahar de laborator deschis, așa că nu este nevoie de niciun balon, dop sau flacon etanș, iar cele două totaluri pot fi comparate direct. O reacție care eliberează dioxid de carbon, cum este cea folosită în laboratorul legii conservării masei, pare să piardă masă pe o masă de laborator deschisă și trebuie efectuată într-un sistem închis înainte de a se putea ajunge la aceeași concluzie — un contrast util de subliniat în fața elevilor care presupun că balanța le spune pur și simplu adevărul.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

• Concentrare: citirea unei balanțe, menținerea unei tabele ordonate a maselor și descrierea unei modificări chimice în cuvinte.
• Activități: cântăriți paharul de laborator gol și cilindrul gradat gol; măsurați și transferați cele două porțiuni de 5 mL; înregistrați toate cele cinci citiri; descrieți aspectul fiecărui lichid înainte de amestecare și al amestecului ulterior; scădeți tarele pentru a afla masa fiecărui lichid și arătați că cele două lichide împreună cântăresc la fel înainte și după reacție; formulați concluzia într-o singură propoziție, folosind cuvintele precipitat și conservarea masei corect.

Clasa a XI-a

• Concentrare: ecuația echilibrată, calculele molare și un bilanț de masă complet.
• Activități: Scrie ecuația moleculară, ecuația ionică netă și denumește ionii spectatori; calculează n = C × V pentru fiecare reactiv și arată că aceștia sunt prezenți în raportul de 1:1 cerut de ecuație; prognozează masa de oxalat de calciu formată (0.128 g) și masa de clorură de amoniu rămasă în soluție (0.107 g); construiește bilanțul masic al întregului sistem și confirmă valoarea de 135.35 g înainte și după; explică, numărând atomii de pe fiecare parte a ecuației, de ce masa totală era obligată să rămână neschimbată.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

• Concentrare: echilibrul de solubilitate și calculul produsului ionic.
• Activități: calculează produsul ionic în momentul amestecării și compară-l cu K_sp pentru a argumenta că precipitarea este cantitativă; determinați ce fracțiune din calciu rămâne dizolvată și exprimați-o în mg/L; re calculați masa așteptată a fiecărei porțiuni de 5 mL din concentrația sa; discutați cum s-ar modifica randamentul într-o soluție acidă și cum ar trebui efectuată o determinare gravimetrică a calciului pentru a fi demnă de încredere.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Cântar (digital, cu o precizie de 0,01 g)
• Pahar de laborator (50 ml)
• Cilindru gradat (10 mL)
• Baghetă de sticlă
• Sticlă de spălare

Produse

• Clorură de calciu CaCl₂ soluție 0,2 M, 5 mL
• Oxalat de amoniu (NH₄)₂C₂O₄ soluție 0,2 M, 5 mL
• Apă distilată (pentru clătire)