Determinación De La Estequiometría De Una Reacción Química

INTRODUCCIÓN

El análisis gravimétrico nos sirve para determinar la cantidad proporcionada de un elemento, radical o compuesto presente en una muestra, eliminando todas las sustancias que interfieren y convirtiendo el constituyente o componente deseado en un compuesto de composición definida, que se pueda pesar. Hay diferentes métodos gravimétricos, estos son decantación, filtración y volatilizaión.

En esta actividad se buscará analizar los principios del análisis gravimétrico para determinar la estequiometria de una reacción química (Na2CO3 + BaCl2 2NaCl + BaCO3), o sea en base a la igualación de la reacción química poder determinar la cantidad en gramos que se debería obtener de los productos, en este caso se examinará el producto “masable” de la reacción que será el carbonato de bario puesto que su punto de ebullición y fusión son mayores y el cloruro de sodio se evaporará.

Para esto se deberá desarrollar una tabla en donde se calculará las molaridades respectivas de cada reactivo y se inferirá cual es el reactivo límite “El reactivo limitante es el reactivo que en una reacción química determina, o limita, la cantidad de producto formado, y provoca una concentración limitante a la anterior. Cuando una ecuación está balanceada, la estequiometría se emplea para saber los moles de un producto obtenidos a partir de un número conocido de moles de un reactivo. La relación de moles entre reactivo y producto se obtiene de la ecuación balanceada.” El reactivo límite en este caso será el BaCl2 por lo tanto los productos estarán en relación a este reactivo. Y el Na2CO3 será en este caso el reactivo excedente.

Con la reacción estequiométrica igualada, calculados los moles, y conociendo el peso molecular de cada compuesto se podrá calcular el rendimiento teórico de la reacción, que se refiere a la cantidad en gramos que se debería obtener de reactivos. En este caso el rendimiento teórico está subyugado al reactivo límite que esquíen dará la pauta de la mínima cantidad de producto a obtener.

Como segundo objetivo se busca presentar a los estudiantes una técnica general a seguir en el análisis gravimétrico para recoger cuantitativamente un precipitado. Para esto se hará uno de dos métodos gravimétricos que son la filtración y la volatilización.

La filtración es un proceso de separación de partículas de sólido insolubles que están en un líquido. Este proceso se puede efectuar utilizando un medio poroso (papel filtro) que deja pasar el líquido y retiene las partículas de sustancia sólida. Se utilizará filtración para extraer el BaCO3 presente en la disolución y lo que se filtrará será el cloruro de sodio.

Luego se calentaré la muestra con la intención de que el agua con cloruro de sodio se evapore para rescatar solamente el BaCO3 y de esta manera podre masarla.

Una vez obtenida su masa se comparará con la masa obtanida en el rendimiento teórico y se calculará el porcentaje de rendimiento. Y así podremos saber que ten efectiva resulta la actividad.

PROCEDIMIENTO Y ANÁLISIS

En esta segunda actividad experimental de laboratorio los materiales utilizados serán:

Para la determinación de la estequiometría en una reacción química, lo primero que se debió hacer fue marcar los 4 tubos de ensayo, enumerando cada uno de ellos. Luego se procedió a utilizar 2 pipetas diferentes para extraer cada una de las soluciones: Carbonato de Sodio (Na₂CO₃) y Cloruro de Bario (BaCl₂) y agregar las cantidades necesarias a cada tubo, como se muestra a continuación:

El esquema anterior representa los tubos de ensayos que fueron utilizados y la cantidad de solución en ml. que se agregó a cada uno.

Al tener cada tubo con la cantidad de ml señalados anteriormente. Se masó los 4 papeles filtro secos, utilizando la balanza anatlítica. Las masas obtenidas fueron las siguientes:

Ya masado el papel filtro, este fue doblado para ser puesto sobre el embudo analítico, y comenzar el proceso de filtración para cada una de las soluciones de los tubos de ensayo.

Se comenzó filtrando el primer tubo de ensayo de la siguiente manera: Se agito vigorosamente la solución para que se homogeneizara y se dejó caer en el embudo con el papel filtro, tratando de que no quedaran residuos de solución que no fuesen filtrados en el tubo. El mismo tubo de ensayo se colocó rápidamente bajo el embudo para recibir la solución filtrada. Este proceso se repitió 2 veces por cada tubo y a la tercera vez, se agregó agua destilada sobre el papel filtro para remover los posibles residuos que quedasen sobre él. Este último filtrado fue recogido en el matraz de Erlenmeyer y posteriormente fue desechado. Este proceso de filtración se repitió en los 3 tubos restantes de la misma manera descrita.

Luego de que finalizara la filtración de cada tubo, cada papel filtro fue retirado del embudo y se dispuso de manera estirada sobre los vidrios de reloj. Se observó que en los papeles quedó el exceso de soluto, tal como lo muestra la imagen 1.

Los cuatro papeles filtro sobre el vidrio reloj fueron secados en la estufa, a cien grados centígrados, durante 90 minutos aproximadamente.

Cuando los papeles estuvieron totalmente secos, fueron masados nuevamente con la balanza analítica, obteniéndose los siguientes resultados:

Papel Masa (gr)

1 0,9935

2 0,9894

3 1,0891

4 1,1879

Análisis de los pesos obtenidos del papel filtro con precipitado:

La cantidad de Carbonato de Sodio (Na2CO3) que se agregó a los tubos de ensayos fue el mismo (3 ml), pero en el caso del Cloruro de Bario (BaCI₂) no fue así, por esto la masa fue aumentando, ya que en el tubo 1 se le agregó 0,5 ml de la solución a 0,5 M de BaCl₂, al tubo 2 se le agregó 1 ml, al tubo 3, 2 ml. y finalmente, al tubo 4 se agregaron 3 ml. De acuerdo a esto, se puede deducir que mientras más ml de Cloruro de Bario se utilizó, mayor fue la masa del precipitado que quedó en el papel filtro (exceso de soluto).

 Luego de haber obtenido las masas de :

1) Papeles filtro seco.

2) Papeles filtro con precipitado.

Se calculó la masa del precipitado en sí, haciendo la diferencia entre ambos (papel filtro con precipitado menos papel filtro seco)

Fórmula estequiométrica:

Na2CO3 (ac) + BaCl2 (ac) ----> BaCO3 (ac) + 2NaCl

- Tabla de relación de moles iniciales y finales de Na2CO3 y BaCl, relación de moles de CO3/Cl y pesos de BaCO3:

Ensayo

Número Volumen

Na2CO3 (ml) Volumen BaCl2 ml Moles Na2CO3 Moles BaCl Relación. moles CO3 -/moles Cl- Peso de Carbonato de Bario

Iniciales Finales Iniciales Finales

1 3.0 0.5 0,0015 0,00125 0,00025 0 0,5 0,04925

2 3.0 1.0 0,0015 0,001 0,0005 0 0,5 0,0985

3 3.0 2.0 0,0015 0,0001 0,001 0 0,5 0,197

4

3.0 3.0 0,0015 0 0,0015 0 0,298

PORCENTAJE DE RENDIMIENTO DE LAS REACCIONES

Cuando se hacen el cálculos estequiométricos para encontrar cuanto se produce de una sustancia en una reacción química, se espera que la cantidad que se produce de la sustancia siempre va a ser menor que la cantidad de la sustancia que se espera obtener, esto sucede ya que no todo lo que reacciona se convierte totalmente en producto, es decir no todo lo que reacciona lo hace en un 100%. Debido a esto, en estequiometria se incluye el concepto de porcentaje de rendimiento, el porcentaje de rendimiento es una reacción química es la relación entre el rendimiento real y el rendimiento teórico, es decir, la relación entre los gramos que se producen realmente en la reacción y los gramos que se obtendrían si todo lo que reaccionara se transformara en producto.

Si en un problema que involucra una reacción química se refieren al término de rendimiento teórico de una reacción se refiere a que tomemos como si todo lo que reacciona se convierte en producto, en caso contrario nos estarían hablando de un rendimiento real. La ecuación que se utiliza para resolver problemas que involucran el rendimiento de una reacción química es la siguiente: % Rendimiento= (rendimiento real(g))/(rendimiento teórico(g))×100% .Si en un problema de reacción química nos dan los gramos que se producen realmente de una sustancia al reaccionar determinada cantidad de reactivo, ya sea molar o másica, se puede hallar el porcentaje de rendimiento de la reacción aplicando esta ecuación, ya que no estarían dando el rendimiento real y el rendimiento teórico se hallaría asumiendo que la sustancia reaccionara completamente.

Fórmulas: Nº de moles = Concentración Molar * Volumen

Nº de moles = masa/Masa Molecular

% de rendimiento = (rendimiento experimental/rendimiento teórico) * 100.

Reactivo limitante: Aquel reactivo que se ha consumido por completo en una reacción química se le conoce con el nombre de reactivo limitante pues determina o limita la cantidad de producto formado.

% de rendimiento tubo 1:

- Contenía Na2CO3 a 0,5 M y volumen de 3Ml, contenía 0.0015 moles, mientras que el BaCl2 a 0,5 M y volumen contenía 0.00025 moles, siendo menor por lo cual, este último resulta ser el reactivo limitante.

BaCl2 -----> BaCO3

1 mol -----> 1mol.

0.00025 moles -----> 0.00025 moles

BaCO3 (producto)

masa= n * MM

- Masa: 0,00025 mol (BaCO3) * 197 gr/mol (Masa molar)

- Masa: 0.04925 gr -----> rendimiento teórico

- El rendimiento experimental fue 0,0706 gr

- % de rendimiento = (0,04925 gr/ 0,0706 gr)*100%

% de rendimiento = 69,76%

% de rendimiento tubo 2:

- Contenía Na2CO3 a 0,5 M y volumen de 3Ml, contenía 0.0015 moles, mientras que el BaCl2 a 0,5 M y volumen contenía 0.0005 moles, siendo menor por lo cual, este último resulta ser el reactivo limitante.

BaCl2 -----> BaCO3

1 mol -----> 1mol.

0.0005 moles -----> 0.0005 moles

BaCO3 (producto)

masa= n * MM

- Masa: 0,0005 mol (BaCO3) * 197 gr/mol (Masa molar)

- Masa: 0.0985 gr -----> rendimiento teórico

- El rendimiento experimental fue 0,1247 gr

- % de rendimiento = (0,0985 gr/ 0,1247 gr)*100%

% de rendimiento = 78,99%

% de rendimiento tubo 3:

- Contenía Na2CO3 a 0,5 M y volumen de 3Ml, contenía 0.0015 moles, mientras que el BaCl2 a 0,5 M y volumen contenía 0.001 moles, siendo menor por lo cual, este último resulta ser el reactivo limitante.

BaCl2 -----> BaCO3

1 mol -----> 1mol.

0.001 moles -----> 0.001 moles

BaCO3 (producto)

masa= n * MM

- Masa: 0,001 mol (BaCO3) * 197 gr/mol (Masa molar)

- Masa: 0.197 gr -----> rendimiento teórico

- El rendimiento experimental fue 0,2146 gr

- % de rendimiento = (0,197 gr/ 0,2146 gr)*100%

% de rendimiento = 91,80%

% de rendimiento tubo 4:

- Contenía Na2CO3 a 0,5 M y volumen de 3Ml, contenía 0.0015 moles, mientras que el BaCl2 a 0,5 M y volumen contenía 0.0015 moles, es decir, la misma cantidad de moles, por lo cual no existía un reactivo limitante ni excedente, ya que ambos debieran consumirse por completo. Para que haya concordancia con los demás tubos se tomó los resultados en base al BaCl2

- BaCl2 -----> BaCO3

1 mol -----> 1mol.

0.00 15 moles -----> 0.0015 moles

BaCO3 (producto)

masa= n * MM

- Masa: 0,0015 mol (BaCO3) * 197 gr/mol (Masa molar)

- Masa: 0.2955 gr -----> rendimiento teórico

- El rendimiento experimental fue 0,2861 gr

- % de rendimiento = (0,2861 gr/ 0,2955 gr)*100%

% de rendimiento = 96,81%

DISCUSIÓN

Dentro de los temas de discusión está el porcentaje de rendimiento de cada uno de los equipos de trabajo para esto se debe saber previamente que es el porcentaje de rendimiento; para luego analizar tubo por tubo los % de rendimiento. Ya obtenidos dichos porcentajes de rendimiento se ve y compararon los resultados obtenidos.

Otro tema importante a discutir de acuerdo a esto fueron los pesos obtenidos ya secado el papel con el precipitado (de la estufa sometido a 100 grados centígrados), ya que al momento de haber pesado se pudo haber derramado cierta cantidad de gramos de precipitado, que al calcular el porcentaje de rendimiento hubiera dado un valor erróneo, habiendo otros factores que también dependen netamente, lo que es el peso del precipitado (exceso de soluto), que es la cantidad exacta de ml señalados para cada solución (en cada tubo de ensayo), que en este caso también habría una variación de porcentaje de rendimiento.

Al haber calculado correctamente: los moles iniciales y finales de cada tubo de ensayo con las soluciones que se encuentran a 0,5 M de cada solución de carbonato de sodio y cloruro de bario, como el peso del carbonato de bario y la relación de moles de CO3 y moles Cl. Siendo importante determinar el reactivo limitante de una reacción química: “reactivo que se consume primero en una reacción” (Chang, 1962). Para hacer ciertas relaciones necesarias.

CONCLUSIÓN

Respecto a la discusión inicial en relación al porcentaje de rendimiento, podemos deducir que esto se puede calcular gracias a la cantidad de gramos que fueron obtenidos del precipitado luego de cada filtración: calculado gracias al peso del papel filtro y el peso del papel más el precipitado para así poder obtener el peso en si del precipitado obtenido para cada tubo.

De acuerdo a la discrepancia de los resultados obtenidos de acuerdo a la cantidad de moles iniciales y finales de cada solución que fue utilizada: carbonato de sodio y cloruro de bario fue esencial.

Al centrarnos en las muestras obtenidas (muestra de soluciones) en cada uno de los tubos de ensayo (los 4 tubos), el tubo más importante que fue utilizado es el cuarto, ya que había más solución de cloruro de bario por lo tanto al calcular el porcentaje de rendimiento se analizó que es que el presenta mayor porcentaje de rendimiento, en comparación con los otros 3 primeros tubos de ensayo, debido que fue el tubo que se agregó una mayor solución de cloruro de barrio BaCl2 (3 ml de solución a 0,5 M de BaCl2).

Para poder obtener los datos a utilizar correctamente fue necesario realizar paso a paso las indicaciones de la guía de la actividad experimental de laboratorio (filtrando correctamente cada tubo de ensayo, con su solución. Los primeros 3 tubos de ensayos filtrándolos 3 veces cada uno y el ultimo filtrarlo una vez y dejar car la solución saturada directamente al matraz Erlenmeyer).

De acuerdo a esto podemos deducir que es necesario tener un buen rendimiento del punto de vista teorico y experimental (actividad realizada en el laboratorio).

CUESTIONARIO

1. Calcular el número de moles de Carbonato de Sodio (Na₂CO₃) y Cloruro de Bario (BaCl₂) utilizados en cada uno de los tubos.

Respuesta:

Na₂CO₃ (0,5 M) 1L ---> 0,5 moles

0,003L ---> 0,0015 moles

Esta cantidad de Na₂CO₃ se da en los 4 tubos de ensayo.

BaCl₂ (0,5 M) Tubo 1: 1L ---> 0.5 moles

0,0005L---> 0,00025 moles

Tubo 2: 1L ---> 0.5 moles

0,001L ---> 0,0005 moles

Tubo 3: 1L ---> 0,5 moles

0,002L ---> 0,001 moles

Tubo 4: 1L ---> 0,5 moles

0,003 ---> 0,0015 moles

2. Hacer un gráfico colocando en el eje de las Y los gramos de Carbonato de Bario (BaCO₃) y en el eje de la X los mililitros de Carbonato de Sodio (Na₂CO₃) adicionados.

3. De la gráfica deduzca en cuál de los tubos hay la cantidad justamente requerida de solución de Carbonato de Sodio que reacciona con todo el Cloruro de Bario. Utilizando la tabla anterior, determine la relación de moles de Carbonato de Sodio a moles de Cloruro de Bario. Con base en esta relación, deduzca la estequiometría de la reacción y la fórmula del Carbonato de Bario.

Respuesta:

La cantidad de solución de Carbonato de Sodio que reacciona con todo el Cloruro de Bario se encuentra en el tubo cuatro porque en este tubo reacciona todo el Na2CO3 (3 ml que equivalen a 0,0015 moles) al convertirse en 0,29 gramos de BaCO3 que igualmente equivalen a 0.0015 moles.

- Moles de Na2CO3 en 3 ml: 0,5 moles  1 litro

X Moles  0,003litros

X= 0,5 moles x 0,003litros = 0,0015 moles

1litro

- Moles de BaCO3 en 0,29 gr : n= 0,29gr r = 0,00146 aprox. 0,0015

197,338 gr/mol

Puesto que en la tabla nos indica que la cantidad de moles iniciales de Na2CO3 es 0,0015, y la reacción en el tubo cuatro produce 0,0015 moles de BaCl2 podemos concluir que la relación entre ambos es 1:1.

Y ya sabiendo que Na2CO3 tiene igual cantidad de moles que BaCl2 sabemos que los reactantes de la ecuación tienen factor estequiométrico 1:

1 Na2CO3 + 1 BaCl2  X BaCO3 + X NaCl2

Lo que nos faltaría conocer son los moles de los productos, pero eso se logra con el método de igualación de elementos:

1 Na2CO3 + 1 BaCl2  1 BaCO3 + 2 NaCl2

4. De acuerdo a la respuesta al punto anterior, ¿cuál es la naturaleza del filtrado? Si a este se le evapora todo el agua, ¿queda algún residuo?, ¿de qué?, ¿cuánto de él?

La naturaleza del filtrado es un Carbonato. Cuando se evapora toda el agua de éste filtrado, queda un residuo de Carbonato de Bario. La cantidad de residuo que quedó por cada tubo, se muestra en la siguiente tabla:

Tubo Residuo de Carbonato de Bario (gr)

1 0,9935

2 0,9894

3 1,0891

4 1,1879

5. Se requiere saber cuánta sal (NaCl) hay en una muestra de agua marina, para lo cual se trató 50 gr de agua con un exceso de solución de nitrato de plata (AgNO3). El precipitado de Ag Cl formado se filtró, se lavo con agua destilada y luego se secó, su peso fue de 1,23 gr. Calcule el porcentaje (peso a peso) de NaCl presente en el agua marina

Respuesta:

Porcentaje peso / peso = (gramos del soluto/gramos de la solución) * 100

NaCl + AgNO3 ---> AgCl (1,23 gr) + NaNO3

NaCl= x gramos, 58.5 gr/mol

AgCl= 1,23 gr, 143,5 gr/mol

NaCl= 0,5 gr

%= (0,5gr/50 gr de disolución) * 100

El porcentaje peso / peso del NaCl es de 1 %.

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