Universidad de Guanajuato
División de Ciencias Naturales y Exactas
Biología Experimental
Agosto-Diciembre 2016
LA QUÍMICA COLOREADA DEL COBRE
Balandrán Gutiérrez Uriel Eduardo, Espinosa Lira José Iván, Muñoz Carranza Sergio Rodrigo, Gámez Ramírez Roberto y Miranda Gálvez Gabriel Vidblain,
Objetivos
- Observar algunas propiedades físicas y químicas del
cobre .
- Clasificar los cambios químicos del cobre en los
diferentes tipos de reacciones, como descomposición, desplazamiento
sencillo, desplazamiento doble y óxido-reducción.
- Determinar el porcentaje de recuperación de una muestra de cobre metálico luego de atravesar una secuencia de reacciones químicas.
Material y reactivos
- Vaso de precipitado de 250 mL
- 2 a 3 vasos de precipitado de 50 mL
- Papel filtro
- Balanza analítica
- Espátula
- Probeta de 10 mL
- Pipetas de 5 mL
- Agitador de vidrio
- Vidrio de reloj
- Placa de calentamiento
- Etanol
- Agua destilada
- Cobre
- NaOH 3M (hidróxido de sodio)
- Zinc metálico
- H2SO4 3M (ácido sulfúrico)
- HNO3 concetrado (ácido nítrico)
Procedimiento
1. Una vez pesados
aproximadamente 0.5 g de cobre, éstos se transfirieron a un vaso de
precipitados de 250 mL y se les añadieron 4 mL de ácido nítrico agitando
suavemente el recipiente para que todo el cobre reaccionara y, tras terminada
la liberación de gas, se procedió a filtrar la solución al vacío. Se determinó
el volumen del filtrado y finalmente se aforó a 50 mL.
2. Al vaso de
precipitado con el aforado se le añadieron 10 mL de NaOH agitando constatemente
el recipiente para promover la reacción entre compuestos.
3. Dentro de una campana
de extracción, usando una placa de calentamiento, se calentó el producto de la
reacción anterior hasta el hervor. Del mismo modo y en otro vaso de precipitado
se calentaron 50 mL de agua destilada y se reservaron para el paso siguiente.
4. Una vez que apareció
un precipitado negro en el fondo del vaso, éste se separó por filtración
y se tranfirió a un nuevo vaso limpio y seco. Al precipitado se le añadieron 25
mL de agua destilada calentada previamente para su lavado, dejándolo en reposo
hasta observar que nuevamente sedimentará en el fondo. El volumen de agua fue
retirado por decantación. Estos dos últimos pasos se repitieron con los 25 mL
de agua sobrante.
5. Dentro de la campana
de extracción, al precipitado lavado se le añadieron 25 mL de ácido sulfúrico
3M agitando constamente el recipiente, lo anterior con el fin de disolver todo
el precipitado. Cuando el precipitado no se disuelve por completo se procede a
calentarlo para promover la reacción.
6. Una vez conseguida la
solvatación, se añadieron 1.2 g de Zinc a la mezcla para obtener de nueva
cuenta fragmentos de cobre metálico. Cuando la mezcla no cambia del color azul
incial se añade más zinc para promover la reacción, por otra parte, cuando
quedan residuos de zinc en el fondo del vaso se añaden pocos milílitros de
ácido súlfurico para degradarlo.
7. Tras terminada la
liberación de gas de la reacción, el cobre metálico se obtuvo por decantación y
en un recipiente limpio se lavó con 20 mL de agua destilada y del mismo modo
que el paso anterior, el líquido fue retirado por decatanción. Este paso se
realizó dos veces más.
8. Tras el último
lavado, al cobre se le añadieron 5 mL de etanol y se expusó a la placa de
calentamiento para acelerar su secado. Posterioremente se pesó el cobre
resultante y se obtuvo el rendimiento de la serie de reacciones a la que fue
sometido.
Resultados
Reacción 1: Desplazamiento sencillo (sustitución simple) entre
el cobre y el nitrato (NO3) y al mismo tiempo una óxido-reducción entre
los hidrógenos desplazados y los grupos de nitratos que no participan en la
reacción de desplazamiento, donde los hidrógenos se reducen con un átomo de
oxígeno para forman agua y los nitratos se oxidan al perder un átomo de oxígeno
para formar dióxido de nitrógeno.
Reacción
2: Claramente fue una reacción de desplazamiento doble o sustitución doble.
Reacción 3: Es de óxido-reducción, donde el hidróxido de
cobre se oxida al perder los átomos de hidrogeno para formar óxido cúprico y
éstos mismos se reducen al ganar un átomo de oxígeno para formar agua.
Reacción
4: Nuevamente una reacción de desplazamiento doble.
Reacción 5: Desplazamiento sencillo entre una molécula
zinc y el grupo sulfato. Además de óxido-reducción donde una segunda molécula
de zinc se reduce con la añadidura de un átomo de oxígeno para formar óxido de
zinc y la reducción de unos de los grupos sulfatos que no participan en la
reacción de desplazamiento sencillo al perder dos átomos de oxígeno para formar
dióxido de azufre.
%Rendimiento:
(Dato experimental/Dato teórico)*100
%Rendimiento
promedio: (Dato experimental-Dato teórico/Dato teórico)*100
Masa de cobre inicial (g)
|
0.5 g
|
Masa de cobre recuperado
|
0.8 g
|
Porcentaje de rendimiento
|
160%
|
Porcentaje de rendimiento promedio
|
60%
|
Discusión
En el experimento uno, en el que se añade ácido nítrico a
0.5 g de Cu, el calor que emana la reacción proviene, quizá, de la ruptura de
enlaces en la molécula del ácido para formar dos productos resultantes: el
nitrato de cobre, o también llamado nitrato cúprico, ya que de su estado de
oxidación 0 toma un valor de 2+, y el dióxido de nitrógeno, este último en
forma de gas, por lo que durante la reacción se aprecia su liberación en forma
de estelas de humo. El producto de la reacción se colorea de verde ya que el
cobre tiende a reaccionar con la humedad del aire y formar carbonato cúprico
CuCO3, que le confiere dicho tono. El carbono tal vez puede provenir
del dióxido de carbono CO2 que exhalamos antes de trabajar dentro de
la campana.
En el experimento dos, se añade hidróxido de sodio al
nitrato de cobre, obtenido anteriormente, de esta manera toma una cloración azul debido a que el
catión Cu(2+), forma un complejo hexahidratado en contacto con el grupo
hidroxilo de la base, el cual es: Cu(H2O)6 (2+). Cuando
la concentración del hidróxido de sodio es mayor, se forma el anión cuprato CuO2
(2-) ya que pierde dos hidrógenos provenientes del grupo hidroxilo y pasa del
sufijo –ico al sufijo –ato, lo que visualmente intensifica el color azul, razón
por la que esta fase del ciclo del cobre
posee un azul más fuerte que en la parte cuatro, en donde se añade ácido
sulfúrico.
En el experimento tres, el hidróxido de cobre se calienta
para formar óxido de cobre u óxido cúprico CuO, ya que continúa con su estado
de oxidación 2+, junto al probable anión cuprato; este óxido se caracteriza por
su típica coloración negra por lo que del tono azul cambia a negro, en analogía
con el óxido cuproso Cu2O, de coloración roja, que tan solo dura unos
instantes antes de reaccionar con otra molécula de oxígeno y formar óxido cúprico. Las estelas de humo presentes
en este experimento corresponden al producto de agua que se evapora por el
calor.
En el experimento cuatro, el óxido de cobre es separado
del agua por decantación y se hace reaccionar con ácido sulfúrico, que da como
resultados dos productos: agua y sulfato de cobre, este último, aunque
físicamente se trata de un polvo cristalino incoloro, confiere a la reacción un
tono azul celeste, ya que es una sustancias higroscópica, que absorbe la
humedad del aire y de la solución, por lo que da como resultado dicha
coloración.
Finalmente, en el experimento cinco, el sulfato de cobre
reacciona con zinc, obteniendo cuatro productos: óxido de zinc, cobre en su
estado de oxidación 0 y de carácter metálico, ya que por la ruptura de su
enlace con el azufre, cede sus electrones
a una de los dos moléculas iniciales del mismo, para que este forme
sulfato de zinc y dióxido de azufre, este último se libera en forma de gas,
razón por la cual se observa efervescencia en la reacción.
Tras lavar, secar y pesar la cantidad final de cobre su
porcentaje de rendimiento determinó 160%, ya que la masa final obtenida no solo
corresponde al cobre, si no también a la masa de zinc que fue añadida en el
paso cinco, por ello tenemos un cobre metálico poco puro, realmente tenemos una
aleación de cobre y zinc.
Referencias:
Heredia Avalos Santiago. (2006). Experimentos de química
recreativa con sulfato de cobre pentahidratado. Erueka, Enseñanza y divulgación
científica. 3: 480 p.
Méndez Ángeles. Propiedades químicas del cobre.
(2010). Obtenido el 9 de Octubre del
2016 del sitio: http://quimica.laguia2000.com/quimica-inorganica/propiedades-quimicas-del-cobre
Romero Bojórquez Mario Alberto. Nomenclatura de
sustancias inorgánicas. (s/a). Obtenido el 9 de Octubre del 2016 del sitio: http://asesorias.cuautitlan2.unam.mx/inorganica/profes/asp/apuntes/nomquim.pdf
Sola de los Santos Jaime, Hernandez Pérez José
Luis y Fernando Cruz Ricardo. Enseñanza de la física y la química, educación
secundaria. (s/a). Obtenido el 9 de octubre del 2016 del sitio: http://www.heurema.com/QG51.htm