Práctica 10

Fórmula empírica e hidratos

10.1 Objetivos

• Determinar la formula empírica de un compuesto binario y hallar la composición porcentual del mismo. Comparar los resultados obtenidos con los datos teóricos.

• Determinar gravimétricamente la fórmula de un hidrato.

10.2 Marco teórico

10.2.1 Fórmulas químicas

Los símbolos que se utilizan para identificar a los elementos químicos, sirven también para escribir fórmulas que describen a los compuestos. La fórmula química del cloroformo es CHCl₃, lo que indica que sus moléculas se compone de 1 átomo de C, 1 átomo de H y 3 átomos de Cl. La hidrazina tiene como fórmula molecular N₂H₄, pero se puede escribir una fórmula que exprese la proporción de números enteros más sencilla, NH₂. Este tipo de fórmula se denómina empírica o mínima.

Para algunos compuestos la fórmula molecular y la formula empírica son idénticas: CCl₄, H₂SO₄, C₁₂H₂₂O₁₁. En otros compuestos, ambas fórmulas son diferentes: B₃N₃H₆, C₆H₆, C₄H₁₀, cuyas fórmulas empíricas son BNH₃, CH y C₂H₅, respectivamente.

Ejemplo 10.1 La fórmula empírica se puede determinar a partir del análisis experimental. Si 6.00 g de hierro en polvo se calcinan en un crisol y se obtienen 8.57 g de óxido de hierro. ¿Cuál es su fórmula empírica?

m_Fe = 6.00 g
m₀ = 8.57 g – 6.00 g = 2.57 g

Se calcula el número de moles de cada elemento:

n_Fe = 6.00/55.85 = 0.107 mol (menor valor)                      0.107 mol / 0.107 mol = 1.00 --> 2
n₀ = 2.57/16.00 = 0.160 mol                                                 0.160 mol / 0.107 mol = 1. 50 --> 3

Luego la fórmula empírica del óxido es Fe₂O₃.

10.2.2 Hidratos

Muchas sales se encuentran en la naturaleza formando hidratos, lo que significa que un cierto número de moléculas de agua están enlazadas a los iones en la estructura cristalina de la sal. El número de moles de agua por mol del hidrato es usualmente una constante de acuerdo con la ley de la composición definida. Por ejemplo, el cloruro férrico comercial se puede obtener como FeCl₃.6H₂O y el sulfato de sodio como Na₂SO₄.10H₂O.

Cuando los hidratos se calientan, se eliminan las aguas de cristalización y se obtiene la sal anhidra (sin agua):

CoSO₄.7H₂O    --->  CoSO₄ + 7 H2O

Ejemplo 10.2 Cuando se calientan 0.886 g de fluoruro de torio hidratado, ThF₄.xH₂O, se obtienen 0.718 g del compuesto anhidro. ¿Cuál es el valor de x?

m ThF₄ = 0.718 g
m H₂O = 0.886 g - 0.718 g = 0.168 g

n ThF₄ = 0.718 / 308.0 = 0.00233 mol
n H₂O = 0.168 / 18.00 = 0.00933 mol

x =     4 Fórmula del hidrato: ThF₄.4H₂O

10.3 Materiales y equipo

• Cu en polvo
• Hidratos: CuSO₄.xH₂O, MgSO₄. xH₂O (sal de Epsom), CaSO₄. xH₂O (yeso)
• Mechero
• Triángulo de porcelana
• Soporte universal
• Cápsula de porcelana
• Vidrio de reloj
• Agitador de vidrio
• Balanza
• Mortero

10.4 Procedimiento

10.4.1 Fórmula empírica de un compuesto binario
Lavar la cápsula de porcelana y secarla al mechero para eliminar la humedad. Dejar enfriar hasta la temperatura ambiente y pesar. Adicionar un peso exacto (5.00 g) de Cu en polvo. Colocar la cápsula sobre un triángulo de porcelana para que el calentamiento sea directo (figura 10.1). La llama del mechero debe ser azul para evitar depósitos de hollín en la cápsula. Revolver el sólido permanentemente con una varilla de vidrio. Calentar durante 30 minutos; transcurrido este tiempo se suspende el calentamiento, se deja enfriar y se pesa la cápsula con el producto obtenido. Volver a calentar durante otros 10 minutos, dejar enfriar y pesar nuevamente. Si encuentra diferencia entre las pesadas, repetir el proceso hasta peso constante.

Figura 10.1 Oxidación de Cu en polvo

10.4.2 Fórmula de un hidrato

Pesar una cápsula de porcelana limpia y seca junto con un vidrio de reloj (usar balanza digital). Adicionar 5.00 g de una de las sales asignadas, pulverizada previamente en un mortero.

Iniciar un calentamiento moderado sobre malla de asbesto, durante 30 minutos aproximadamente (figura 10.2). Después de dejar enfriar la cápsula, pesar. Para comprobar que toda el agua ha sido eliminada, se calienta durante 10 minutos más, se enfría y se vuelve a pesar. Se repite este procedimiento hasta peso constante. Una vez se haya liberado toda el agua de hidratación, se obtiene el peso de la sal anhidra.

Figura 10.2 Fórmula de un hidrato

10.5 Cálculos y resultados

Con los datos obtenidos determine la fórmula empírica del óxido de cobre formado y el número de aguas de hidratación de cada hidrato. Completar la tabla 10.1 e incluír un cálculo modelo.

Tabla 10.1 Fórmula empírica e hidratos

Sustancia	Masa inicial (g)	Masa final (g)	Fórmula
CuxO			x =
CuSO4. xH2O			x =
MgSO4. xH2O			x =
CaSO4. xH2O			x =

10.6 Discusión y conclusiones

Analizar las posibles razones por las que sus resultados no coinciden con las fórmulas conocidas para los compuestos analizados.

10.7 Preguntas

Procedimiento 10.4.1 – Fórmula empírica

• Se conocen dos óxidos del cobre: Cu₂O y CuO. ¿Cuál de ellos se debió obtener en el experimento? ¿Bajo qué condiciones experimentales se forma uno u otro óxido?

Procedimiento 10.4.1 - Fórmula de un hidrato

• ¿Cuál es el significado de los siguientes términos: higroscópico, delicuescente, eflorescente?

• ¿Las propiedades del hidrato son idénticas a las del compuesto anhidro?

• ¿Qué diferencia hay entre humedad y agua de cristalización?

• Existe un compuesto llamado hidrato de metano. ¿Cuáles son sus propiedades?

10.8 Problemas sugeridos

Trata de resolver los siguientes ejercicios

Los problemas señalados con (*) tienen un mayor nivel de dificultad. Solicite la asesoría de su Profesor.

• La manosa es un azúcar que solamente contiene C, H y O y su masa molar es de 180 g/mol. Una muestra de 2.36 g de manosa dió, al analizarla, 0.994 de C y 0.158 g de H. Determinar la fórmula molecular de la manosa.
R/. C₆H₁₂O₆ [Sorum, C. H. Cómo Resolver Problemas de Química General. Paraninfo, Madrid, 1978.]

• Una muestra de hipoclorito de bario que pesa 0.850 g se calienta en presencia de aire y se forman 0.737 g de BaCl₂. Este último se disuelve y se combina con AgNO₃ para formar 1.014 g de AgCl. Determinar la fórmula empírica del hipoclorito de bario.
R/. Ba(ClO)₂

• Un hidrato tiene la siguiente composición en peso: 16.08% de Na, 4.20% de C, 6.99% de H y 72.73% de O. Determinar su fórmula.
R/. Na₂CO₃.10H₂O

• Cierto hidrato tiene la siguiente composición en peso: 12.10% Na, 14.19% Al, 22.14% Si, 42.09% O y 9.48% H₂O. ¿Cuál es su fórmula?
R/. Na₂Al₂Si₃O₁₀.2H₂O

10.9 Lecturas recomendadas

Asimov, Isaac. Morir en el laboratorio. En: El Electrón es Zurdo y Otros Ensayos Científicos. Alianza Editorial. Madrid, 1972. pp. 237.

Wolke, Robert L. ¡Fuego!. En: Lo que Einstein no sabía. Robin Book, Bogotá, 2002. pp. 27.

10.10 Glosario

Discutir y analizar el significado de los siguientes términos: aguas de cristalización, compuesto anhidro, fórmula empírica, fórmula química, hidrato, humedad.

10.11 Referencias Internet

• http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Hall/1410/lab-C-28.html
• http://erhs.smjuhsd.k12.ca.us/jrucker/students/exp9a0001a/main.html
• http://www.chem.lsu.edu/lucid/tutorials/empiricalform.html
• http://www.chem.ualberta.ca/~ngee/Expt.C.html
• http://dwb.unl.edu/Chemistry/LABS/LABS06.html
• htt http://plato.phy.ohiou.edu/~chemclss/chem121/LabLinks/
exp_EmpiricalFormula/
• http://www.spx.org/faculty/fred/chemistry/ZincIodide.htm
• http://www.labarchive.net/labdb/get.tcl?experiment_id=38