Reacciones de precipitación más fáciles: química a microescala Teach article

Author(s): Bob Worley, Adrian Allan
Translator(s): José Luis Cebollada Gracia

Aprende sobre la química de la precipitación e inicia a tus estudiantes en en las reacciones químicas que forman nuevos productos coloridos usando métodos de química a microescala que son baratos, rápidos y fáciles de realizar

A los estudiantes les parece magia cuando ven que se forman rápidamente los precipitados (y muchos piensan que realmente lo es).[1] Mezclamos dos sales disueltas y aparece de repente un sólido. A veces el precipitado es de diferente color que las disoluciones. Si mezclamos una disolución 1 M de sulfato de cobre con otra de hidróxido de sodio aparece un sólido azul: es el hidróxido de cobre, insoluble en agua. Si usamos disoluciones de nitrato de plata o de plomo, se forman sólidos amarillos repentinamente.

Los métodos tradicionales usan tubos de ensayo y requieren bastantes reactivos. Además se genera mucho desperdicio que va por el fregadero o se guarda en botellas para residuos. En un artículo anterior sobre indicadores pH se mostró cómo realizar reacciones sobre una hoja plastificada. Las instrucciones están impresas y plastificadas y sobre ellas se trabaja, así se evitan distracciones. Estas actividades se pueden realizar con alumnos de 11 a 18 años.

Actividad 1: Leyes de solubilidad

Cuando los estudiantes realizan reacciones de precipitación en ocasiones no llegan a comprender de dónde proceden los sólidos porque suelen partir de disoluciones preparadas y no ven el proceso de disolución de las sales. Si preparan ellos las disoluciones aumenta el número de sesiones necesarias. Estos experimentos a mi proporciona una manera simple y rápida de introducir el concepto de solubilidad.

Nota de seguridad: las disoluciones presentan poco peligro. Se recomienda el uso de gafas de laboratorio y lavar las manos con agua y jabón después de los experimentos con cloruro de cobre (II) que puede causar irritación cutánea.

Materiales

  • Hoja 1 impresa (con actividad opcional sobre precipitación)
  • Funda plástica o carpeta (también se puede plastificar la hoja)
  • Cloruro de Cobre (II)
  • Carbonato de sodio
  • Agua
  • Depresores o palillos de dientes

Procedimiento

  1. Pon la hoja en una funda de plástico.
  2. Añade cristales de cloruro de cobre y carbonato de sodio en los cuadrados indicados en la hoja.
  3. Añade agua con una pipeta hasta llenar el círculo y agita con un palillo limpio para disolver el sólido.
  4. Toma con la pipeta dos gotas de disolución de cloruro de cobre del círculo y colócalas en el cuadrado central.
  5. Con otra pipeta, toma dos gotas de carbonato de sodio de la disolución del círculo de la derecha y viértelas en el cuadrado central.
  6. Remueve el contenido del cuadrado con un palillo limpio.
  7. Anota o fotografía los resultados.
  8. Limpieza: limpia la superficie del plástico con papel absorbente y deposítalo en la papelera.
Cuando mezclamos las disoluciones transparentes de cloruro de cobre (II) (izquierda) y carbonato de sodio (derecha) se forma carbonato de cobre, una sal insoluble que precipita.
Imagen cortesía de los autores

Discusión

Los resultados propician la discusión entre alumnos y profesores sobre de dónde proceden las sustancias químicas formadas y toma más sentido la ecuación química:

CuCl2 + Na2CO3 → CuCO3 + 2NaCl

La reacción funciona porque el carbonato de sodio y el cloruro de cobre son solubles en agua pero el carbonato de cobre no es muy soluble, por eso precipita. Se forma una disolución saturada de carbonato de cobre en agua.

Como los estudiantes saben que el cloruro de sodio es soluble en agua pueden completar esta tabla de resultados y observaciones.

Sales solubles en aguaSales insolubles en agua
Cloruro de cobre
Carbonato de sodio
Cloruro de sodio		Carbonato de cobre

Ampliación

Prueba las siguientes reacciones entre sales:

  1. Sulfato de cobre y carbonato de sodio
  2. Cloruro de sodio y nitrato de potasio
  3. Cloruro de sodio y nitrato de plata
  4. Sulfato de sodio y nitrato de bario
  5. Carbonato de sodio y sulfato de magnesio

La segunda reacción no producirá precipitado lo que implica que tanto el nitrato de sodio como el cloruro de potasio son solubles en agua. La quinta reacción es una reacción ‘verde’ con productos que se pueden comprar en las tiendas. El uso de tubos de ensayo exigiría un tiempo adicional de limpieza. Ahora, al usar una funda de plástico, el proceso es más rápido y permite obtener el ‘feedback’ de los alumnos sobre sus observaciones a la vez que genera muy pocos residuos.

Actividad 2: Identificación de los iones positivos

Los iones metálicos pueden identificarse en sólidos o en disoluciones 0,1 M mediante precipitación. La técnica de añadir gotas a una superficie plástica que protege las instrucciones impresas debajo es también adecuada para el estudio de los metales de transición.

Nota de seguridad: las disoluciones presentan poco peligro. Se recomienda el uso de gafas de laboratorio y lavar las manos con agua y jabón después del experimento si ha habido contacto con disoluciones de iones de metales de transición que pueden causar irritación cutánea.

Materiales

  • Copias de las  hojas 2 y 3
  • Fundas de plástico (o copias plastificadas de las hojas)
  • Disolución 0,1 M de sulfato de hierro (II) o unos pocos granos en agua
  • Disolución 0,4 M de hidróxido de sodio
  • Pipeta o recipiente con cuentagotas
  • Palillo de madera

Procedimiento

  1. Coloca la hoja 2 en la funda de plástico.
  2. Añade dos gotas de sulfato de hierro (II) en el círculo de la hoja marcado como Fe II o coloca unos granos del sólido, añade agua y remueve con un palillo limpio.
  3. Añade una gota de hidróxido de sodio 0.4 M y vuelve a agitar. Se formará un precipitado de hidróxido de hierro (III).
Cristales de sulfato de hierro (II) (izquierda), una gota de disolución de sulfato de hierro (II) transparente (centro) y el precipitado de hidróxido de hierro (II) después de añadir el hidróxido de sodio (derecha)
Imagen cortesía de los autores

Ampliación

La actividad se puede extender al estudio de los metales de transición (hoja 2) con los que se obtienen una variedad interesante de colores de hidróxidos metálicos cuando mezclamos hidróxido de sodio 0,4 M con disoluciones 0,1 M de los iones de metales de transición.

Gotas coloreadas donde se pueden ver los hidróxidos insolubles de manganeso (dorado), hierro (II) (verde oscuro), hierro (III) (rojo-marrón), cobalto (verde), níquel (verde claro), cobre (azul) y zinc (blanco).
Disoluciones de los iones de los metales de transición con una gota de hidróxido de sodio 0.4 M (fila superior) y con seis gotas de hidróxido de sonido 0.4 M (fila inferior)
Imagen cortesía de los autores

Al añadir amoniaco en disolución 2 M se obtienen diferentes precipitados con gran variedad de colores (Hoja 3).

La adición de amoniaco a los iones metálicos genera unos colores similares a los que produce la disolución de hidróxido.
Disoluciones de metales de transición con una gota de amoniaco 2 M (fila superior) y con 6 gotas de amoniaco 2 M (fila inferior)
Imagen cortesía de los autores

Actividad 3: identificación de los aniones haluro

También podemos identificar los iones negativos con la técnicas de microescala añadiendo nitrato de plata.

Nota de seguridad

Las disoluciones presentan poco peligro. Se recomienda el uso de gafas de laboratorio y lavar las manos con agua y jabón después de los experimentos en caso de contacto, las disoluciones de nitrato de plata pueden manchar la piel.

Materiales

  • Copia de la Hoja 4
  • Funda de plástico o copia de la hoja plastificada
  • Disoluciones de cloruro, bromuro, yoduro, sulfato, carbonato o sulfato de sodio o de potasio
  • Ácido nítrico 0.4 M
  • Nitrato de plata 0.05 M
  • Disolución de amoniaco 2 M
  • Frasco con cuentagotas con las disoluciones o pipetas

Procedimiento

  1. Coloca la hoja 4 en una funda de plástico. Utiliza la fila superior de cuadrados.
  2. Añade dos gotas de sales de sodio o potasio en cada cuadrado de la hoja.
  3. Añade dos gotas de ácido nítrico 0.4 M y dos gotas de nitrato de plata 0.05 M. Remueve con un palillo limpio.
  4. Anota las observaciones antes de añadir dos gotas de disolución de amoniaco 0.2 M.
Disoluciones de sales de potasio después de añadir ácido nítrico 0.4 M y nitrato de plata 0.5 M
Imagen cortesía de los autores

Discusión

Estos resultados muestran una de las fortalezas de esta técnica. Sólo tres de las seis sales generan precipitados al añadir nitrato de plata. Los otros tres aniones no muestran cambios puesto que el nitrato de plata solo reacciona con haluros. Al añadir amoniaco 2 M el cloruro de plata se redisuelve, el bromuro de plata lo hace parcialmente mientras que el yoduro no cambia.

Ampliación

Para identificar los iones carbonato en una disolución de sal añadimos dos gotas que indicador pH que vira a alcalino. Añadimos dos gotas de ácido clorhídrico 0.4 M a la muestra. Comienza el desprendimiento de burbujas de dióxido de carbono. En la fila central de la hoja 4 hay una plantilla para esta reacción.

Para identificar los iones sulfato en la disolución añadimos a la disolución del sulfato metálico (0.1 M) dos gotas de ácido clorhídrico 0.4 M y dos gotas de cloruro de bario 0.1 M. Se forma un precipitado blanco de sulfato de plata. En la fila inferior de la hoja 4 hay una plantilla para esta reacción.

Actividad 4: Una nueva mirada a las reacciones de precipitación: difusión química

No es extraño escuchar a los alumnos frases como ésta: “El curso pasado ya hicimos reacciones de precipitación”. Es importante que los profesores propongan actividades nuevas que no sólo consoliden lo estudiado en cursos anteriores sino que añadan nuevos conocimientos sobre estas reacciones. Estas actividades combinan disolución, difusión y precipitación. Conviene trabajarlo después de haber estudiado la naturaleza iónica de las sales.

Nota de seguridad: la mayoría de los sólidos usados no son peligrosos. Algunas sales metálicas de plomo, cobalto y níquel pueden estar prohibidas en algunos países. Por eso cada profesor debe atenerse a la normativa local. Sin embargo, una de las ventajas de trabajar a microescala es que la cantidad utilizada es tan pequeña que no puede causar problemas de salud y genera pocos residuos que se pueden almacenar hasta su eliminación. Debemos usar gafas de laboratorio y lavarnos las manos con agua y jabón después de los experimentos en caso de contacto.

Materiales

  • Funda de plástico o la hoja de trabajo plastificada.
  • Nitrato de plata (cristales)
  • Yoduro de potasio (cristales)
  • Agua
  • Palillos limpios

Procedimiento

  1. Añade varias gotas sobre la superficie de plástico. Coloca unos cristales de los dos sólidos (nitrato de plata y yoduro de potasio) uno a cada lado del agua.
  2. Ahora podemos seguir de dos maneras diferentes:
  • Mojar las puntas de dos palillos y tocar las sales para que se quede pegada una pequeña cantidad de sal. Empujar las sales para que queden en el agua, una en cada extremo.
  • Empujar las sales desde extremos opuestos del agua.
Palillos que empujan los cristales de nitrato de plata y yoduro de potasio hacia una gota de disolvente desde ambos lados de la gota de agua.
  1. Los sólidos se disuelven y difunden por el agua en menos de un minuto y en el lugar donde se juntan los dos reactivos se forma el precipitado.
Una gota de disolvente con granos de sal disueltos.
Se forma un precipitado amarillo claro en el centro de la gota, donde se han encontrado los dos iones.
  1. Se pueden intentar otras reacciones de precipitación por difusión:

a. Sulfato de cobre (II) e hidrogeno carbonato de sodio

b. Sulfato de hierro (II) e hidrógeno carbonato

c. Nitrato de plomo y yoduro de potasio

d. Sulfato de hierro (II) y hexacianoferrato (III) de potasio que producen hexacianoferrato (III) de hierro (II), el pigmento azul de Prusia.

Obtendremos diferentes líneas coloreadas según sean las sales metálicas: carbonato de cobre (azul pálido), carbonato de hierro (II) (verde oscuro), yoduro de plomo (amarillo) y hexaciano ferrato de hierro (II) (azul oscuro).
Ejemplos de difusión y formación de precipitados
Imagen cortesía de Bob Worley

Discusión

Cuestiones para discutir con los alumnos:

  • ¿Cómo describirías la estructura y los enlaces de las sales cristalinas?
  • ¿Están ya disueltas las sales cuando las colocamos en los extremos de la gota?
  • ¿Qué le sucede a los iones una vez que se han disuelto?
  • A la vista de los experimentos, ¿qué sales precipitan y cuáles quedan en disolución?

Si tomamos como ejemplo la reacción entre el nitrato de plata y el yoduro de potasio podemos ver que las dos sales son solubles en agua. Son compuestos iónicos con estructura en redes cristalinas. Cuando los iones abandonan la red cristalina comienza la difusión y los iones migran en sentidos contrarios hasta que se forma el precipitado, aproximadamente en el centro. Precipita el yoduro de plata y queda en disolución el nitrato de potasio.

Para realizar demostraciones de aula que se puedan ver fácilmente se puede usar un microscopio USB

References

[1] Worley B et al. (2019) Visualizing dissolution, ion mobility, and precipitation through a low-cost, rapid-reaction activity introducing microscale precipitation chemistry. Journal of Chemical Education 96: 951–954. doi: 10.1021/acs.jchemed.8b00563

Resources

Author(s)

Dr. Adrian Allan es profesor de química en Dornoch Academy, Reino Unido. Representante de su país en los encuentros de Science on Stage en 2017 y 2019. Ha dirigido webinarios de Science on Stage sobre química a microescala y usa la magia para la enseñanza de las ciencias.

Bob Worley, FRSC, es asesor (parcialmente jubilado) de CLEAPSS en el Reino Unido. Fue profesor de química durante 20 años y en 1991 se incorporó a CLEAPSS, que asesora sobre seguridad y experimentos en el aula. El desarrollo de su trabajo le llevó a interesarse por miniaturizar los experimentos y mejorar la seguridad y accesibilidad.

Review

Uno de los pilares de la química sostenible es minimizar la cantidad de reactivos. Otra es reducir el desperdicio de productos. Los experimentos con unas pocas gotas sobre una superficie plástica son una propuesta interesante que no impide realizar observaciones e investigaciones interesantes.

Ingo Eilks, Profesor de didáctica de la química en la Universidad de Bremen, Alemania.

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