Práctica: conservación de la masa y rendimiento de una precipitación

Criterios: 1.2, 2.3, 4.1, 4.2

Objetivo

Comprobar experimentalmente la ley de conservación de la masa en una reacción que desprende un gas, y explicar por qué parece no cumplirse cuando el recipiente está abierto. Medir el rendimiento de una reacción de precipitación en la que uno de los reactivos es limitante, y analizar críticamente el resultado.

Planteamiento

Antes de empezar, cada grupo escribe y justifica dos predicciones:

1. Si se hace reaccionar bicarbonato con vinagre dentro de una botella cerrada, ¿la masa de la botella aumentará, disminuirá o se mantendrá? ¿Y si después se abre?
2. Si se mezclan 1,50 g de cloruro de calcio dihidrato y 1,50 g de carbonato de sodio, ¿qué reactivo se acabará antes? ¿Qué masa de carbonato de calcio se formará como máximo?

Normas de seguridad específicas

• Gafas de seguridad obligatorias durante toda la práctica. El cloruro de calcio y el carbonato de sodio provocan irritación ocular grave (indicación de peligro H319, clasificación armonizada del Reglamento (CE) n.º 1272/2008, anexo VI: números índice 017-013-00-2 y 011-005-00-2). Guantes de nitrilo al pesar y disolver los sólidos. Si cae una salpicadura en los ojos, lavado inmediato con agua abundante durante varios minutos y aviso al profesorado.
• El bicarbonato de sodio, el vinagre de cocina, el carbonato de calcio y el cloruro de sodio no tienen clasificación de peligro, pero en el laboratorio no se prueba ni se huele ninguna sustancia.
• Parte A: solo botellas de plástico de refresco con gas (están hechas para soportar presión), nunca de vidrio ni de agua sin gas. No se supera la cantidad de 0,50 g de bicarbonato. La botella se abre despacio, girando el tapón poco a poco, apuntando hacia la pared y lejos de la cara.
• Parte B: las disoluciones se mezclan sobre la mesa, no en la mano. El filtrado (disolución de cloruro de sodio con un poco de carbonato de sodio) puede verterse por el desagüe con agua abundante. Al terminar, lavado de manos.

Procedimiento

Parte A. Conservación de la masa (sesión 1, unos 20 min)

1. Medid con la probeta 20 mL de vinagre y echadlos en la botella. Pesad 0,50 g de bicarbonato y envolvedlo en un trozo pequeño de papel de filtro, formando un paquete cerrado.
2. Poned sobre la balanza la botella con el vinagre, su tapón y el paquete de bicarbonato al lado. Anotad la masa m₁.
3. Introducid el paquete en la botella y cerrad el tapón de inmediato. El papel tarda unos segundos en empaparse, lo que da tiempo a cerrar.
4. Agitad suavemente hasta que deje de salir gas. Pesad la botella cerrada (m₂).
5. Abrid la botella despacio, siguiendo la norma de seguridad, y esperad un minuto. Volved a cerrarla y pesadla con su tapón (m₃).

Parte B. Rendimiento de una precipitación (sesiones 1 y 2)

6. Pesad 1,50 g de CaCl₂·2H₂O y disolvedlo en unos 50 mL de agua destilada en un vaso de 100 mL. Pesad 1,50 g de Na₂CO₃ y disolvedlo en otros 50 mL en el segundo vaso. Anotad las masas exactas.
7. Verted las dos disoluciones en el vaso de 250 mL y removed con la varilla durante un minuto. Anotad lo que observáis.
8. Pesad un papel de filtro seco (m_papel), dobladlo y colocadlo en el embudo. Filtrad la mezcla, arrastrando el sólido que quede en el vaso con el frasco lavador.
9. Lavad el sólido del filtro con dos porciones de unos 10 mL de agua destilada, para eliminar el cloruro de sodio disuelto.
10. Colocad el papel con el sólido en el vidrio de reloj, marcado con el nombre del grupo, y dejadlo secar: en estufa a unos 105 °C, o al aire hasta la sesión siguiente.
11. En la sesión 2, pesad el papel con el sólido seco (m_total). Si hay tiempo, volved a secar 10 minutos y pesad de nuevo: el sólido está seco cuando dos pesadas seguidas coinciden.

Tabla de datos

Tratamiento de datos y cuestiones

1. Escribid y ajustad las ecuaciones de las dos reacciones. Datos (CIAAW): H = 1,0080; C = 12,011; O = 15,999; Na = 22,990; Cl = 35,45; Ca = 40,078.
2. Parte A: comparad m₂ con m₁ y m₃ con m₁. ¿Se cumple la ley de conservación de la masa? Explicad, con el modelo de partículas, por qué la masa baja al abrir la botella. Calculad la masa máxima de CO₂ que pueden producir 0,50 g de bicarbonato y comparadla con m₁ − m₃: ¿por qué la pérdida medida es menor?
3. Parte B: calculad la cantidad de sustancia de cada reactivo, identificad el limitante y calculad la masa teórica de CaCO₃ y el rendimiento. ¿Por qué hay que usar la masa molar del dihidrato y no la del CaCl₂ anhidro?
4. Otro grupo ha obtenido un rendimiento del 112 %. ¿Es posible? Proponed al menos dos causas y cómo comprobaríais cada una.
5. ¿Por qué el procedimiento pone carbonato de sodio en exceso, en lugar de las cantidades exactas de la ecuación?
6. Comparad los resultados con vuestras predicciones iniciales. ¿Cuáles se cumplieron? Redactad el informe con la estructura de la unidad 1.

Alternativa virtual

Si no hay laboratorio disponible, la idea de reactivo limitante y reactivo en exceso puede trabajarse con la simulación Reactivos, productos y excedentes de PhET (Universidad de Colorado, en español): se eligen cantidades iniciales de reactivos y se predice qué sobra antes de ver el resultado. La simulación no permite medir masas ni rendimientos, así que las cuestiones 2 a 4 se resuelven con los datos de ejemplo que facilite el profesorado.

Rúbrica