La química coloreada del cobre (Reporte)

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