Práctica 15

Relaciones estequiométricas (II)

15.1 Objetivos

• Hallar la masa molar del butano recogiendo sobre agua un volumen conocido de este gas.

• Determinar el porcentaje por peso de peróxido de hidrógeno en una solución comercial midiendo el volumen de oxígeno desprendido en la descomposición.


15.2 Teoría

15.2.1 Recolección de gases sobre agua

La ecuación de estado del gas ideal sirve como punto de partida para hacer un cálculo aproximado de la masa molar M. En efecto, una masa m conocida del gas ocupará un volumen determinado a condiciones específicas de temperatura y presión.

PV = nRT = (m / M) RT

M = (mRT / PV ) = (dRT / P)                                                          (15.1)

donde d es la densidad del gas.

El gas puede recogerse sobre agua si es insoluble (figura 15.1). En este caso, su presión P se calcula mediante la ecuación:

P = Patm - Pagua - Pcolumna                                                            (15.2)

donde: Patm= presión atmosférica
             Pagua = presión del vapor de agua a la temperatura del sistema
             Pcolumna = hcolumna (mm) / 13.6

Conocido el valor de P, se utiliza la ecuación 15.1 para determinar la masa molar.


Figura 15.1 Recolección de un gas sobre agua

Cuando el gas es producto de una reacción, se puede calcular la cantidad química y relacionarla estequiométricamente con alguno de los reactivos. Si el gas es soluble en agua se recoge en una jeringa y se determina directamente su masa y su volumen.

15.2.2 Descomposición del peróxido de hidrógeno (H2O2)

Los compuestos en los que el oxígeno tiene número de oxidación -1 se llaman peróxidos o compuestos peroxo. Los peróxidos pueden ser iónicos o covalentes. En los primeros, el anión es el ión O22- (peróxido) como existe en el peróxido de sodio, Na2O2. En los segundos, los átomos de oxígeno ligados por el enlace O-O, están también covalentemente enlazados a otros átomos como ocurre en H2O2, que es el más importante de los compuestos de este tipo.

En los procesos industriales se obtiene un preparado comercial que es una solución acuosa de H2O2 denominada de "30 volúmenes". Este término significa que es estequiométricamente equivalente a 30 L de O2 medidos a condiciones normales. Destilaciones fraccionadas repetidas rinden soluciones aún mas concentradas, pero éstas son susceptibles de descomponerse y deben ser almacenadas y manipuladas cuidadosamente.

El H2O2 puro es un líquido viscoso incoloro que hierve a 150 ºC y se congela a -0.89 ºC. Forma mayor número de puentes de hidrógeno que el agua; esto explica en parte su alta densidad, 1.46 g/mL a 0 ºC. No tiene utilidad como solvente ya que no solamente es un poderoso oxidante, sino que también es inestable con respecto a la descomposición.

2 H2O2  ---> 2 H2O + O2(g)

Las soluciones comerciales de H2O2 necesariamente contienen inhibidores para desactivar las trazas de iones metálicos que catalizan la descomposición. La reacción de descomposición del H2O2 en soluciones acuosas puede ser acelerada por la enzima catalasa contenida en la levadura activa seca en polvo. La induce un desprendimiento lento y constante de oxígeno, en un tiempo de reacción corto.

La cantidad de H2O2 que reacciona se puede calcular a partir del volumen de oxígeno producido y de la estequiometría de la reacción.

15.3 Materiales y equipo

• Butano (encendedor desechable), agua oxigenada, levadura, vaselina
• Jeringa
• Varilla de vidrio
• Tubo de ensayo
• Manguera
• Eudiómetro
• Soporte universal
• Encendedor desechable (traerlo)
• Regla graduada (traerla)

15.4 Procedimiento

15.4.1 Masa molar del butano

Disponer el montaje que se muestra en la figura 15.2. El butano se obtiene de un encendedor desechable el cual se pesa antes de extraer el gas. Debe utilizarse una balanza digital que permita obtener pesos hasta cuatro decimales. El butano se recoge sobre agua hasta obtener un volumen cercano a los 40.00 mL y se miden las condiciones de temperatura y presión. Con estos valores se hace un cálculo de la masa molar del butano aplicando las ecuaciones 15.1 y 15.2.

Después de extraer el butano, se pesa de nuevo el encendedor. La diferencia de pesos corresponde a la masa de butano.


Figura 15.2 Recolección de butano sobre agua

15.4.2 Descomposición del peróxido de hidrógeno

En la figura 15.3 se observa el sistema de generación de gas y el montaje completo del experimento.


Figura 15.3 Descomposición del peróxido de hidrógeno

Antes de insertar el tapón en el tubo de ensayo, los dos centímetros finales de la varilla de vidrio se cubren con una capa de vaselina, la cual se impregna con la levadura. Se dan ligeros golpes a la varilla con el fin de eliminar las partículas de levadura que no quedan bien adheridas. Se procede luego a tapar el tubo de ensayo en el que previamente se han puesto 2.00 g de solución comercial de H2O2.

El equipo de recolección de gas consiste de una jeringa cuyo émbolo debe poder deslizarse con suavidad. La reacción se inicia con la varilla dentro de la solución de modo que el peróxido cubra completamente la capa de levadura. Para asegurar una buena mezcla, el tubo de ensayo se sacude suavemente varias veces. Como el tiempo de reacción es corto, es posible que durante el tiempo de laboratorio el estudiante repita por lo menos tres veces el experimento. Los resultados pueden ser promediados para determinar la concentración de peróxido en la solución, expresada como porcentaje en peso.


15.5 Datos y resultados

Procedimiento 15.4.1 - Masa molar del butano

Masa inicial del encendedor ........................................... _______ g
Masa final del encendedor .............................................. _______ g
Temperatura ...................................................................... _______ °C
Presión atmosférica .......................................................... _______ torr
Volumen de gas recolectado ........................................... _______ mL
Masa de butano ................................................................ _______ g
Masa molar del butano ................................................... _______ g/mol

Procedimiento 15.4.2 - Descomposición del peróxido de hidrógeno

Masa de la solución de peróxido ................................... _______ g
Volumen de oxígeno ....................................................... _______ g
Presión atmosférica ........................................................ _______ torr
Temperatura ..................................................................... _______ °C
Presión del vapor de agua .............................................. _______ torr
Cantidad química de peróxido ...................................... _______ mol
Masa de H2O2 puro en la solución ................................ _______ g
Porcentaje en peso de peróxido ..................................... _______ %

15.6 Discusión y análisis de resultados

Procedimiento 15.4.1 - Masa molar del butano

• Mostrar los cálculos necesarios para determinar la masa molar del butano a partir de sus datos experimentales.

• Indicar al menos cuatro causas de error (recuerde que no se trata de errores personales) en este experimento.

• Se sabe que el butano contiene una masa de carbono 4.8 veces mayor que la de hidrógeno. ¿Cuál es la fórmula molecular del butano? Tenga en cuenta sus datos experimentales.

• Determinar la densidad del butano a las condiciones experimentales. ¿Por qué el butano es un líquido dentro del encendedor?

• La masa molar aceptada para el butano es de 58.0 g/mol. Utilice sus datos experimentales para determinar el valor de R en la ecuación 15.1.


Procedimiento 15.4.2 - Descomposición del peróxido de hidrógeno

• Calcular el porcentaje P/P de la solución comercial de peróxido. ¿Coincide este valor con el que aparece en el rótulo del producto? ¿A qué se deben las diferencias?

• Determinar el volumen molar del oxígeno producido en la descomposición del peróxido, medido a condiciones normales.

• ¿A cuántos "volúmenes" corresponde la solución de peróxido de hidrógeno comercial?

15.7 Problemas sugeridos

Trata de resolver los siguientes ejercicios

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

• Supóngase que se mezclan 4.20 g de N2 y 3.20 g de O2 y que la mezcla se introduce en una vasija que contiene un líquido desconocido a 25 °C. Determinar la presión de vapor de este líquido, sabiendo que el volumen de la vasija es de 7.80 L y la presión total de 619 torr.
R/. 23.8 torr [SUPQ. Química General. Ed. Universidad de Antioquia. Medellín, 1972.]

? La combustión de 2.80 L de un hidrocarburo que contiene solamente C e H produce 11.2 L de CO2(g) y 11.25 g de H2O(l). Todos los gases se midieron a CN. Hallar la fórmula molecular del hidrocarburo.
R/. C4H10


15.8 Lecturas recomendadas

Asimov, Isaac. Los talasógenos. En: El Electrón es Zurdo y Otros Ensayos Científicos. Alianza Editorial. Madrid. 1982. pp. 117.

Wolke, Robert L. Esas cosas que retumban por las noches. En: Lo que Einstein no sabía. Robin BooK. Bogotá. 2002. pp. 188.

15.9 Glosario

Discutir y anotar el significado de los siguientes términos: agua oxigenada, combustible, combustión, hidrocarburo, levadura, masa molar.


15.10 Referencias Internet

• http://dwb.unl.edu/Chemistry/DoChem/DoChem077.html
• http://www.carlton.paschools.pa.sk.ca/chemical/GasLaws/gasmass.htm
• http://stjohns-chs.org/science/honchem/labs/butanelab.html
• http://www.americandivecenter.com/deep/d01_2.htm
• http://chemmovies.unl.edu/Chemistry/DoChem/DoChem077.html
• http://www.cms.k12.nc.us/allschools/providence/keenan_files/
k_labs/MolarMassButane.htm
• http://www.cms.k12.nc.us/allschools/providence/duncan_files/
butane_lab.htm