Ciclo del cobre

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UNIVERSIDAD DE COSTA RICA

FACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA DE QUIMICA

Rúbrica de evaluación de reporte**

**Se recuerda al estudiante que a todo reporte que se encuentre en condición de plagio o que constituya una copia total o parcial del reporte de otro, se le asignará una nota de CERO.

LABORATORIO DE QUÍMICA

GENERAL I

QU-0101

I SEMESTRE AÑO 2019

INFORME DE LABORATORIO

ESTUDIANTE:

CARNÉ:

ASISTENTE:

GRUPO:

Reacciones del cobre.

INTRODUCCIÓN: El cobre es un metal, que así como el resto de elementos de transición, se caracteriza por poseer propiedades físicas características de los metales: maleabilidad, ductilidad y conductividades térmicas y eléctricas excelentes (Petrucci et al, 2011).

Además de esto dentro de sus características específicas se encuentran su coloración rojiza o en algunas ocasiones café, su baja posibilidad de desplazar a otros elementos en las reacciones, según la serie de actividad  de los metales.

El uso que le ha dado el ser humano en  diversos campos como la fabricación de tuberías o la creación de monedas y la casi nula reacción que posee con respecto a los ácidos, siendo el ácido sulfúrico y el ácido nítrico excepciones a esta particularidad.

En el experimento realizado se hace principalmente uso de las dos últimas características mencionadas en conjunto con otras para conducir al cobre a través de una serie de reacciones que permiten su transformación de cobre metálico a distintos compuestos del mismo como lo son el nitrato de cobre, hidróxido de cobre(II), óxido de cobre(II), sulfato de cobre(II) y finalmente se le da conclusión a este ciclo al volver a obtener cobre en estado sólido.

Esto permite comprender mejor como se puede hacer uso de las reacciones a conveniencia para obtener las sustancias deseadas.

SECCIÓN EXPERIMENTAL: Así como indica el Manual de Laboratorio de Química General I de la  Universidad de Costa Rica, lo primero que se realizó fue pesar los 0,3 gramos de cobre y llenar una probeta con 10 mL de HNO3  para posteriormente mezclar ambas sustancias y calentar en una plantilla mientras se agitaba. Se agregó un poco más de ácido nítrico para facilitar la disolución del cobre. Una vez disuelto se le añadió 45 mL de agua destilada. Luego se le agregó el NaOH y se agitó. La sustancia resultante se calentó nuevamente en la plantilla y se mezcló hasta que se tornó negro. El precipitado que quedó se dejó asentando para después decantar la mayor cantidad de líquido posible. Se realizaron dos lavados con 20 mL de agua destilada y luego se agregaron 10 mL de H2SO4. Posterior a esto se le añadió a la sustancia resultante 0,5 g de Zinc. Sin embargo, fue necesario añadir 0,1 gramo extra. Al precipitado que se formó se le dejó reposar y se decantó el líquido supernatante. Igual que en los lavados anteriores se realizaron 2 con 20 mL de agua destilada y se le agregó 4 mL de HCl y 5 mL de agua destilada, en ese orden. Se colocó en la plantilla una vez más hasta que dejó de burbujear y se lavó el precipitado con 5 mL de agua destilada en dos ocasiones. Después con la ayuda de una pizeta se pasó el precipitado a una cápsula de porcelana que anteriormente fue pesada. Es importante recalcar que se omitieron los lavados con acetona. Para finalizar se calentó el precipitado restante hasta que estuviera seco y se pesó la masa del cobre.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN:

Obtención de nitrato de cobre(II)

Cuadro I. Resultados de la masa inicial del cobre

En esta sección del experimento se pesó una muestra total de 0,30 g de cobre metálico y se midieron 10 mL de ácido nítrico. Una vez colocado el beaker con el cobre en la plantilla caliente y agregado el HNO3 se observó cierto tipo de burbujeo o efervescencia por parte del cobre, que posteriormente empezó a disolverse en el ácido. Además de esto se empezó a expulsar un gas sin color, que tiende a cambiar a un tono naranja o pardo, y al agitar la mezcla de estas sustancias la resultante tomó una coloración verdosa que luego cambio a azul claro o celeste. Por último al agregar los 45 mL de agua destilada a la disolución el único cambio que se pudo notar fue que esta se volvió más transparente.

La reacción ocurrente entre el cobre y el ácido nítrico es la siguiente:

Cu(s)+4HNO3→Cu(NO3)2(ac)+2NO(g) +2H2O(l)  (1)

Esta reacción es una reacción de oxidación-reducción. La oxidación se define como un proceso en el que un átomo, ión o molécula pierde electrones. La reducción es un proceso en el que un átomo, ión o molécula gana electrones. Asimismo cada reacción redox se compone de una sustancia reductora, que es la que dona los electrones y de una oxidante, que es el aceptor de electrones (Rodríguez, 2006).

En el caso de la reacción realizada el cobre es el que se oxida y se transforma en el ión cobre +2. Este hidratado es azul. (Chang y Goldsby, 2013).

Finalmente como se pudo observar en la reacción anterior el gas expulsado es monóxido de nitrógeno, el cual es incoloro. Sin embargo, su cambio de color al ser expulsado se debe a que al reaccionar con el oxígeno del entorno se transforma en dióxido de nitrógeno. Que es un gas de color café cuando se expone al aire (Chang y Goldsby, 2013).

La reacción ocurrida entre el oxígeno y el monóxido de cobre es:
2NO(g)+O2(g)→2NO2(g)   (2)

Obtención de hidróxido de cobre(II)

Al agregarle a la disolución anterior los 10 mL de hidróxido de sodio 6 mol/L y mezclar constantemente se forma una especie de precipitado de textura un tanto gelatinosa, y cambia de un color celeste a uno azul más profundo y llamativo. Este precipitado es hidróxido de cobre (II). No obstante, cuando se dejó reposar el precipitado se notó que a diferencia del mismo, el líquido supernatante no tenía color, esto porque se trata de nitrato de sodio, el cual en su forma acuosa es incoloro (Palomar, 2018).

La reacción ocurrida es la siguiente:

Cu(NO3)2(ac)+2NaOH(ac)→Cu(OH)2(s)+2NaNO3(ac)   (3)

Debido a la textura de sus productos (específicamente el Cu(OH)2) se trata de una reacción de precipitación, pero aparte de esto también es de doble desplazamiento. Este cambio químico ocurre cuando los compuestos reaccionan intercambiándose dos elementos y formando dos nuevos compuestos (Quirós y Minero, 2014).

Transformación del hidróxido de cobre (II) a óxido de cobre (II):

Al calentar y agitar el hidróxido de sodio ocurre la siguiente reacción:

Cu(OH)2(s)+∆→CuO(s)+H2O(l)   (4)

La reacción ocurrida, es de descomposición. Esta tiene lugar cuando un compuesto se descompone a la acción del calor, electricidad u otro medio físico (Hilje y Minero, 2014).

En este procedimiento el hidróxido de cobre(II) forma óxido de cobre(II) y de paso también se forma agua.

El precipitado, que es el CuO, pasa a ser negro, color característico de este compuesto del cobre.

Obtención de Sulfato de cobre (II):

En esta parte del procedimiento al añadir el ácido sulfúrico el precipitado desaparece y la sustancia se convierte en acuosa nuevamente, además vuelve a tener un color celeste como en la parte A del procedimiento, esto a causa del CuSO4 que es azul.

La reacción ocurrente es:

CuO(s)+H2SO4(ac)→CuSO4(ac)+H2O(l)   (5)

Lo que sucede aquí es que nuevamente gracias a una reacción redox, el ácido sulfúrico actúa como agente oxidante. Aunque en esta disolución, en realidad, el agente oxidante es el ion sulfato más que el protón hidratado H+(ac). (Chang y Goldsby, 2013).

Normalmente los metales del grupo 11 no reaccionan con HCl(ac), pero el Cu y el Ag reaccionan con H2SO4(ac) y HNO3. (Petrucci et al, 2011).

 Por este motivo en este apartado se utiliza un ácido, en este caso el ácido sulfúrico, para formar nuevamente un compuesto del cobre que más adelante facilite la obtención de cobre metálico nuevamente.

Obtención de cobre metálico:

Cuadro II. Resultados de la medición de masa del zinc

Al añadir los 0,54 gramos de zinc se forma un precipitado color rojo-cobrizo.

La reacción entre estas dos sustancias es:
CuSO4(ac)+Zn(s)→Cu(s)+ZnSO4(ac)   (6)

Cuando se agrega zinc metálico a una disolución que contiene sulfato de cobre(II), el zinc reduce al Cu2+ al donarle dos electrones. En el proceso, la disolución pierde el color azul que denota la presencia de iones Cu2+ hidratados. (Chang y Goldsby, 2013).

Debido a esto la reacción se clasifica como reducción-oxidación. Además de esto cuando se agregó el Zn la disolución se calentó, lo que denota que aparte de ser redox también es una reacción exotérmica, que se define como la que produce un aumento de la temperatura en un sistema aislado o hace que un sistema no aislado ceda calor a los alrededores (Petrucci et al, 2011).

Como se comentó anteriormente en este proceso se puede visualizar como gracias al Zn los iones del cobre +2 se convierten en cobre, cuyo color característico es rojizo y a esto se debe el color del precipitado.

Una vez que se le agregaron los 4 mL de ácido clorhídrico a al precipitado, este empezó a burbujear. Un punto relevante que se debe hacer notar es que el HCl es bastante útil para eliminar el exceso de Zn que pueda quedar en el precipitado. Como se puede ver en las siguientes reacciones y según la serie de actividad de los metales, el cobre no reacciona con el ácido clorhídrico, aunque el zinc sí lo hace.

HCl(ac)+Cu(s) )→No reacciona   (7)

HCl(ac)+Zn(s) )→ZnCl(ac)+H2(g)    (8)

Sin embargo, hacer los lavados respectivos antes de añadir el HCl es bastante importante para evitar que queden residuos, en este caso podría quedar un exceso de sulfato de zinc, que produzcan una reacción secundaria, que son las distintas a la principal (Petrucci et al, 2013), que pueda alterar los resultados.

Una vez que el producto final se secó completamente se determinó la masa final del cobre:

Cuadro III. Resultados de la masa final del cobre

Porcentaje de cobre recuperado y posibles causas de error:

El porcentaje de cobre que se logró recuperar es el siguiente:
(0,14÷0,30)×100= 46, 67%

Dentro de las posibles causas de error que propiciaran un rendimiento menor al esperado se encuentran:

1. Perder parte del precipitado en la decantación. En el caso del experimento realizado se notó que se perdió parte del precipitado en la decantación del óxido de cobre (II).
2. El rendimiento puede disminuir por la aparición de subproductos, sustancias que aparecen en lugar de los productos deseados porque hay otras reacciones distintas a la principal. (Petrucci et al, 2013).
3. Al convertir el CuO en CuSO4 se notó que habían quedado dos pequeñas partículas de cobre metálico (de la parte A del procedimiento) que no se disolvieron y pudieron ser causantes del bajo rendimiento.
4. En la parte E del procedimiento, al agregar el zinc, aunque se haya agregado 0,1 g de zinc de más, que era lo máximo permitido, la disolución de ZnSO4 seguía teniendo una leve coloración celeste, que puede indicar que aún quedaba algo de cobre ahí.

CONCLUSIONES:
1. No en todas las reacciones químicas se necesita la participación de dos o más reactivos. De esta forma se pueden  obtener sustancias como el óxido de cobre a partir de hidróxido de cobre mediante el uso de calor.

2. Como se comprobó en el experimento los elementos, en este caso el cobre, pueden pasar de un estado de agregación a otro gracias a la aplicación de diferentes métodos y reacciones. Asimismo es posible su recuperación si las últimas se realizan en el orden correcto.

3. Uno de los aspectos vistos en la clase de teoría es como se puede identificar si una reacción sucedió o no mediante indicativos como el cambio de temperatura o de color en una sustancia. En este experimento se pudo aplicar este conocimiento al saber cuándo los diversos pasos de la práctica estaban correctamente realizados mediante los aspectos previamente mencionados.

BIBLIOGRAFÍA:

1. Bissonnette, K; Herring, F; Madura, J; Petrucci R. Química General. Principios y aplicaciones modernas, décima edición; Pearson: España, 2011; p. 139, 248, 1055.
2. Chang,R;Goldsby,K. Química, undécima edición; McGrawHill:México, 2013; p. 399, 983, 1002.
3. Instituto Europeo del cobre (Copper Alliance). https://copperalliance.es (accesado Junio 15, 2019 a las 6:56 pm)
4. Rodríguez, J. Química y análisis químico; Cano Pina, S.L. Ediciones Ceysa: España, 2006; p. 242.
5. Palomar, R. Ácidos y Nitratos. Nitrato de sodio. https://acidosynitratos.es (accesado Junio 18, 2019 a las 4: 45 pm).