Práctica 14

Relaciones estequiométricas (I)

14.1 Objetivos

• Aplicar las relaciones peso a peso para la deteterminación de la composición de una mezcla de clorato de potasio y cloruro de potasio.

• Aplicar la ley de Dalton a la resolución de problemas en la que intervienen gases.

• A partir de relaciones peso a volumen, analizar la estequiometría que tiene lugar en una reacción en la que se producen gases.

14.2 Teoría

En la producción industrial de algunos compuestos es frecuente obtener mezclas, lo cual hace necesario una posterior determinación de la pureza de la misma. Por ejemplo, en la preparación comercial del clorato de potasio a partir de cloro gaseoso e hidróxido de potasio, se obtiene clorato de potasio y cloruro de potasio según la siguiente reacción:

3Cl2(g) + 6KOH(aq) --> KClO3(aq) + KCl(aq) + H2O(l)

De acuerdo con la solubilidad de cada compuesto, el cloruro de potasio se podría separar del clorato de potasio por disolución en agua fría, ya que el cloruro es más soluble; sin embargo, si la solución es muy concentrada, probablemente precipitarán ambos compuestos. Esta situación hace que los métodos físicos den poco rendimiento en la separación de la mezcla. Existe la posibilidad de determinar la composición de la mezcla utilizando un cambio químico, el cual consiste en hacer reaccionar la mezcla de tal manera que uno de los reactivos reaccione en tanto que el otro compuesto permanezca inalterado. Debe tenerse en cuenta que en este caso se determinará la composición de la mezcla, pero permanece el problema de separar o aislar los dos componentes.

El KClO3 se descompone químicamente en KCl y O2 utilizando MnO2 como catalizador:

2 KClO3 (s) ---> 2 KCl(s) + 3 O2(g)
       2 x 122.5 g         2 x 74.5 g              3 x 32.00 g

Si se conoce la masa de oxígeno desprendido en la reacción, puede aplicarse una relación peso a peso para determinar la masa de clorato descompuesto y la composición de la mezcla KClO3-KCl:

             (14.1)

Ley de Dalton

Cuando un gas se recoge sobre agua se obtiene una mezcla del gas y de vapor de agua y por eso se dice que el gas está húmedo. El compuesto gaseoso ejerce una presión parcial Pgas. Análogamente, el vapor de agua ejerce una presión parcial Pagua y ésta presión depende solamente de la temperatura. Los datos de presiones de vapor del agua se encuentran tabulados (véase el Anexo 5).

De acuerdo con la ley de Dalton, la presión total del gas húmedo es la suma de las presiones parciales del gas y del vapor de agua. En un tubo recolector de gases o eudiómetro (figura 14.1) se puede hacer el siguiente balance de presiones:



Figura 14.1 Recolección de un gas sobre agua

Patm = Pgas h˙medo + Pcolumna

Patm = Pgas seco + Pagua + Pcolumna

Pgas = Patm - Pagua - Pcolumna

Pgas = Patm - Pagua - hcolumna (mm) /13.6                                                                                            (14.2)

donde: Patm = presión atmosférica
             Pagua = presión del vapor de agua a la temperatura de reacción (en tablas)
             Pcolumna = presión ejercida por la columna de agua
             hcolumna = altura de la columna de agua en mm

Una vez obtenida la presión del gas, se puede calcular la cantidad química aplicando la ecuación de estado:

                 PV = nRT

                ngas =   (PgasV ) / (RT)                                                                    (14.3)

donde: V = volumen del gas recogido
             R = constante universal de los gases = 0.082 L x atm /(mol x K)
             T = temperatura (K)

La cantidad química de gas permite realizar los cálculos estequiométricos que sean necesarios de acuerdo con el propósito del experimento.


14.3 Materiales y equipo

• Mezcla KClO3-KCl, MnO2, Mg, HCl 4.0 M
• Tubo de ensayo
• Pinza para tubo de ensayo
• Eudiómetro
• Regla graduada (traerla)
• Beaker
• Soporte universal
• Mechero
• Balanza
• Hilo y corcho


14.4 Procedimiento

14.4.1 Separación de una mezcla de KClO3-KCl

Adaptar la base de la probeta a un tubo de ensayo limpio y seco. Colocar una pizca de MnO2 en el tubo de ensayo, pesar y agregar aproximadamente 2.00 g de la mezcla asignada.

Pesar con la mayor exactitud el tubo con las sustancias y agitar para que mezcla y catalizador se pongan en contacto. Calentar el tubo de ensayo, sin su base, manteniendo las debidas precauciones (figura 14.2).



Figura 14.2 Descomposición del KClO3

Suspender el calentamiento al cabo de unos minutos cuando cese el desprendimiento de oxígeno, enfriar y pesar. Repetir el procedimiento de calentar, enfriar y pesar hasta obtener un peso constante.


14.4.2 Determinación de la pureza de una lámina de Mg

Colocar 10.0 mL de HCl 4.0 M en un eudiómetro y llenar completamente con agua; colocar en la boca del eudiómetro la cinta y el magnesio atada al cordel y al corcho. Tapar con el dedo índice e invertir rápidamente dentro de un vaso de precipitados de 400 mL. Sujetar el eudiómetro al soporte metálico (figura 14.3).



Figura 14.3 Ley de Dalton

Cuando el ácido baje hacia la boca del eudiómetro entra en contacto con el magnesio y se produce la reacción. El hidrógeno desprendido sube y desaloja el agua del eudiómetro. Cuando cesa el desprendimiento de gas, se lee el volumen ocupado por el mismo, la temperatura dentro del beaker, la presión barométrica y la longitud de la columna de agua (hH2O).

14.5 Datos y análisis de resultados

Procedimiento 14.4.1 - Separación de una mezcla de KCl-KClO3

Muestra No. _______

Masa de la mezcla KClO3–KCl: .................................. ________ g

Masa del residuo: .......................................................... ________ g

Masa de KClO3 en la mezcla: ........................................ ________ g

Porcentaje de KClO3: ________ %

Procedimiento 14.4.2 - Determinación de la pureza de una lámina de Mg

Temperatura: ................................................................... ________ °C

Volumen del gas: ............................................................ ________ mL

Presión atmosférica: ....................................................... ________ torr

Presión del vapor de agua: ............................................ ________ torr

Altura de la columna de agua: ...................................... ________ mm

Presión del H2(g): ............................................................ ________ atm

Masa de Mg que reacciona ............................................ ________ g


14.6 Discusión y análisis de resultados

Procedimiento 14.4.1 - Separación de una mezcla de KCl-KClO3

• ¿Por qué hay una disminución en el peso de la mezcla KClO3-KCl después de ser calentada?

• ¿Qué le sucede al KCl durante el calentamiento?

• ¿Cómo se verifica que todo el KClO3 se descompuso?

• Mostrar los cálculos estequiométricos para obtener la composición en peso de la mezcla KCl-KClO3.


Procedimiento 14.4.2 – Determinación de la pureza de una lámina de Mg

• ¿Cómo se puede determinar cuál es el reactivo límite en la reacción entre el Mg y el HCl?

• ¿Qué pasaría con el número de moles de H2(g) producidos en la reacción si:
a. aumenta la temperatura?
b. aumenta el volumen del gas en el eudiómetro?
c. La altura de la columna de agua se reduce a cero?
d. Si entra aire al eudiómetro al invertirlo dentro del beaker?

• Solicite al Profesor la masa de la lámina de Mg y determine su porcentaje de pureza con base en la masa de Mg que reacciona.

• ¿Por qué cuando se retira cuidadosamente el eudiómetro del beaker, mantenién-dolo vertical, el agua de su interior no se derrama?


14.7 Problemas sugeridos

Trata de resolver los siguientes ejercicios

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

• Un tubo de ensayo que contiene KClO3 se calienta hasta la descomposición total de esta sustancia. El tubo más su contenido inicial tenía una masa de 15.68 g y la pérdida de masa después del calentamiento ha sido de 0.960 g. ¿Cuál es la masa del tubo de ensayo?
R/. 19.2 g [Sienko, R. J.; Plane, R. A. Química. Ed. Aguilar, Madrid, 1966.]

? Una mezcla de los peróxidos BaO2 y PbO2 cuya masa es de 10.564 g se calienta hasta que ambos compuestos se transforman en óxidos. Al final se obtiene un residuo cuya masa es de 9.764 g. ¿Qué porcentaje de PbO2 había en la mezcla original?
R/. 68.00% PbO2 [SUPQ. Química. Ed. Universidad de Antioquia. Medellín, 1972.]

? Una mezcla de polvos de Sc y de Zn se hace reaccionar con un exceso de HCl. Determinar la composición de la mezcla a partir de los siguientes datos:

Masa de la mezcla ........................................................... 2.4478 g
Volumen del hidrógeno recogido ................................. 1248 mL
Presión atmosférica ......................................................... 753.6 torr
Temperatura del agua .................................................... 21 °C

R/. 71.6% Zn [Sienko, R. J.; Plane, R. A. Química. Ed. Aguilar, Madrid, 1966.]

14.8 Lecturas recomendadas

Wolke, Robert L. ¡Qué gran cosa es que el aire sea transparente!. En: Lo que Einstein no sabía. Robin BooK. Bogotá. 2002. pp. 168

Asimov, Isaac. Los gases. En: Breve Historia de la Química. Alianza Editorial. Madrid. 1982. pp. 54.

14.9 Glosario

Discutir y anotar el significado de los siguientes términos: gas húmedo, ley de Dalton, presión de vapor, presión hidrostática, presión parcial.


14.10 Referencias Internet

• http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/lab/techniques/gascollect.html
• http://core.ecu.edu/chem/chemlab/exper9/equipment.htm
• http://wine1.sb.fsu.edu/chm1045/notes/Gases/Volume/Gases07.htm
• http://aa.uncwil.edu/chemed/BLB/EBOOK/blb1006.html
• http://www.americandivecenter.com/deep/d01_2.htm
• http://www.fordhamprep.pvt.k12.ny.us/gcurran/dlawcalc.htm
• http://www.discoverchemistry.com/dcv2-docroot/student/0300/0302.html