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Química avanzada (AP Chemistry)
Curso: Química avanzada (AP Chemistry) > Unidad 2
Lección 3: Estequiometría de reactivo limitante- Reactivos limitantes y rendimiento porcentual
- Ejemplo resuelto: Calcular la cantidad de producto formado a partir de un reactivo limitante
- Introducción al análisis gravimétrico: gravimetría por volatilización
- Análisis gravimétrico y gravimetría por precipitación
- Respuesta libre del examen AP de Química 2015, pregunta 2a (parte 1 de 2)
- Respuesta libre del examen AP de Química 2015, pregunta 2a (parte 2 de 2) y 2b
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Análisis gravimétrico y gravimetría por precipitación
Definimos la gravimetría por precipitación y damos un ejemplo de cómo usar gravimetría por precipitación para determinar la pureza de una mezcla que contiene dos sales.
¿Qué es gravimetría por precipitación?
La gravimetría por precipitación es una técnica analítica en la que se usa una reacción de precipitación para separar iones de una solución. El químico que se agrega para ocasionar la precipitación se llama precipitante o agente precipitante. El sólido precipitado puede separarse de los componentes líquidos por medio de filtración, y la masa del sólido puede usarse junto con la ecuación química balanceada para calcular la cantidad o concentración de los compuestos iónicos en solución. Es posible que en ocasiones oigas a la gente referirse a la gravimetría por precipitación solamente como análisis gravimétrico, que es una clase más amplia de técnicas gravimétricas que incluye la gravimetría por precipitación y por volatilización. Si quieres leer más sobre análisis gravimétrico en general, ve este artículo sobre análisis gravimétrico y gravimetría por volatilización.
En este artículo revisaremos un ejemplo donde encontramos la cantidad de un compuesto iónico acuoso usando gravimetría por precipitación. También discutiremos sobre algunas fuentes de error comunes en nuestro experimento, porque algunas veces las cosas en el laboratorio no resultan como esperamos y estar preparado siempre ayuda.
Ejemplo: determinar la pureza de una mezcla que contiene y
¡Oh, no! Nuestro ayudante Igor, quien muchas veces resulta ser poco útil, confundió las botellas de químicos otra vez. (En su defensa, muchos sólidos blancos y cristalinos parecen ser intercambiables, ¡pero por eso es importante leer las etiquetas!).
Como resultado de este percance, tenemos de una misteriosa mezcla que contiene y . Queremos saber la cantidad relativa de cada compuesto en nuestra mezcla, que está completamente disuelta en agua. Agregamos un excedente de nuestro agente precipitante nitrato de plata (I), , y observamos la formación de un precipitado, . Una vez que el precipitado se filtra y se seca, encontramos que la masa del sólido es de .
¿Cuál es el porcentaje en masa de en la mezcla original?
Cualquier cálculo de análisis gravimétrico es en realidad un problema de estequiometría con unos pasos de más. Como este es un problema de estequiometría, queremos empezar con una ecuación balanceada. Aquí estamos interesados en la reacción de precipitación entre y para hacer , cuando está en exceso.
Tal vez recuerdes que las reacciones de precipitación son un tipo de reacción de sustitución doble, lo que significa que podemos predecir los productos intercambiando los aniones (o cationes) de los reactivos. Podemos verificar nuestras reglas de solubilidad, si es necesario, y después balancear la reacción. En este problema ya conocemos la identidad del precipitado, . Eso significa que solo tenemos que identificar el otro producto, , y asegurarnos de que la reacción general esté balanceada. La ecuación química balanceada resultante es:
La ecuación balanceada nos dice que por cada , que es el compuesto que nos interesa cuantificar, esperamos obtener , nuestro precipitado. Usaremos esta relación molar para convertir los moles de a moles de . También vamos a hacer los siguientes supuestos:
- Todo el precipitado es
. No tenemos que preocuparnos por ningún precipitado que se forme con . - Todo el
ha reaccionado para formar . En términos de estequiometría, tenemos que asegurarnos de añadir un excedente del agente precipitante para que todo el del reaccione.
¡Ahora veamos todos los cálculos, paso por paso!
Paso 1: convertir la masa del precipitado, a moles
Como estamos suponiendo que toda la masa del precipitado es , podemos usar el peso molecular de para convertir la masa del precipitado a moles.
Paso : convertir los moles del precipitado a moles de
Podemos convertir los moles de , el precipitado, a moles de usando la relación molar de la ecuación balanceada.
Paso : convertir los moles de a la masa en gramos
Puesto que nos interesa calcular el porcentaje en masa de en la muestra original, necesitamos convertir los moles de a gramos usando el peso molecular.
Paso : calcular el procentaje en masa de en la muestra original
El porcentaje en masa de en la mezcla original se puede calcular usando la proporción de la masa de del paso y la masa de la mezcla.
Atajo: podríamos haber combinado los pasos a en un solo cálculo que implicaría revisar cuidadosamente las unidades para asegurarnos de que todo se cancela apropiadamente:
Fuentes de error potenciales
Ahora sabemos cómo usar estequiometría para analizar los resultados de un experimento de gravimetría por precipitación. Sin embargo, si estás haciendo un análisis gravimétrico en el laboratorio, puedes toparte con que hay varios factores que pueden afectar la precisión de tus resultados experimentales (y, por tanto, también tus cálculos). Algunas complicaciones comunes incluyen:
- Errores de laboratorio, tales como no secar el precipitado completamente.
- Errores de estequiometría, tales como no balancear la ecuación para la reacción de precipitación o no añadir un excedente de
.
¿Qué les pasaría a nuestros resultados en las situaciones anteriores?
Situación : el precipitado no está completamente seco
Tal vez se te acabó el tiempo en tu clase de laboratorio o el sistema de filtración al vacío no producía suficiente vacío. Probablemente no ayuda que el agua es mucho más difícil de remover por completo en comparación con los solventes orgánicos típicos porque tiene un punto de ebullición relativamente alto, así como una tendencia a mantener puentes de hidrógeno. Pensemos cómo el agua residual podría afectar nuestros cálculos.
Si nuestro precipitado no está completamente seco cuando medimos la masa, pensaremos que tenemos una mayor masa de que la que realmente tenemos (puesto que ahora estamos midiendo la masa de más el agua residual). Una mayor masa de resultará en que vamos a calcular más moles de en el paso , lo que será convertido a más moles de en nuestra mezcla. En el último paso, vamos a terminar calculando que el porcentaje en masa de es más alto de lo que en realidad es.
Consejo de laboratorio: si tienes tiempo, una forma de verificar si queda agua en tu muestra es revisar la masa unas cuantas veces al final del proceso del secado para asegurarte que la masa no esté cambiando, incluso si continúas secándolo más tiempo. Esto se llama secado a masa constante y aunque no garantiza que tu muestra esté completamente seca, ¡ciertamente ayuda! También puedes probar revolver la muestra durante el proceso de secado para romper lo que se aglutina e incrementar el área superficial. ¡Siempre asegúrate de no perforar el papel filtro!
Situación : ¡olvidamos balancear la ecuación!
¿Te acuerdas que dijimos que el análisis gravimétrico no es más que otro problema de estequiometría? Eso significa que trabajar con una ecuación sin balancear puede estropear los cálculos. En un escenario como este, estaríamos utilizando los coeficientes estequiométricos de la siguiente ecuación sin balancear:
Esta ecuación nos dice (¡incorrectamente!) que por cada mol de que obtenemos, podemos inferir que empezamos con mol de en la muestra original. Cuando usamos esa relación estequiométrica para calcular la masa de , vamos a obtener:
¡Acabamos de calcular que la masa de en nuestra mezcla es el doble de la cantidad correcta! Esto resultará en que estaremos sobrestimando el porcentaje en masa de por un factor de :
Situación : añadir un excedente de
En el último escenario nos preguntamos qué hubiera pasado si no hubiésemos añadido un excedente de . Sabemos que esto hubiera estado mal porque si no está de más, tendríamos en solución sin reaccionar. Eso significa que la masa de ya no sería una medida de la masa de en la mezcla original puesto que no estaríamos contabilizando el que todavía está en solución. Por lo tanto, estaríamos subestimando el porcentaje en masa de en la mezcla original.
Una pregunta relacionada, y quizás más importante, que nos interesaría contestar es:
¿cómo nos aseguramos de que estemos añadiendo un excedente de ?
¡Si supiéramos la respuesta a esta pregunta, podríamos estar extra seguros de nuestros cálculos! En este problema:
- Tenemos
de una mezcla que contiene algún porcentaje de . - Con nuestra ecuación balanceada también sabemos que por cada mol de
necesitamos al menos moles de .
Está bien si tenemos de más, puesto que, cuando todo el ha reaccionado, el resto de seguirá siendo parte de la solución que será filtrada.
Si no sabemos cuántos moles de hay en nuestra mezcla original, ¿cómo calculamos el número de moles de que hay que agregar? Sabemos que entre más moles de tenemos en la mezcla original, más moles de necesitamos. Por suerte, tenemos suficiente información como para estar preparados para el peor escenario posible, que es que nuestra mezcla sea . Esta el máxima cantidad posible de que podemos tener, lo que significa que es cuando necesitaremos la mayor cantidad de .
Supongamos que tenemos . ¿Cuántos moles de necesitaremos? ¡Este es otro problema de estequiometría! Podemos calcular el número de moles de convirtiendo la masa de la muestra a moles de usando la masa molecular y después convirtiendo a moles de usando la relación molar:
Este resultado nos dice que incluso si no sabemos cuánto tenemos en nuestra mezcla, será suficiente mientras agreguemos al menos .
Resumen
La gravimetría por precipitación es una técnica de análisis gravimétrico que usa la reacción de precipitación para calcular la cantidad o concentración de un compuesto iónico. Por ejemplo, podemos añadir una solución que contiene para cuantificar la cantidad de un ion haluro como . Algunos consejos útiles para los experimentos y cálculos de gravimetría por precipitación incluyen:
- Haz doble revisión de la estequiometría y asegúrate de que las ecuaciones están balanceadas.
- Asegúrate de que el precipitado fue secado a masa constante.
- Añade un excedente del agente precipitante.
¡Solo por diversión!
Digamos que empezamos con de una mezcla de y . Añadimos un excedente de y encontramos que tenemos del precipitado, .
¿Cuántos moles de y teníamos en nuestra mezcla original?
Escribe tu respuesta con cifras significativas.
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- No entendí como se relacionan las ecuaciones del ultimo ejercicio.(3 votos)
- ¿Que relacion hay en las 2 ecuaciones del ejercicio final?(2 votos)