Determinación de la cantidad de bicarbonato de calcio (NaHCO ) presente en el Alka Seltzer R
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Sebastian Federico Vasquez Leon1 Diego Hernando Ramirez Melo2
RESUMEN
puestos permanecen constantes después de los R experimentos. El Alka Seltzer es un producto antiácido que se compone de Bicarbonato de sodio(NaHCO3) 1,976 g, Ácido Cítrico(C6 H8 O7 ) 1,000 g, Ácido Acetilsalicílico(C9 H8 O4 ) 0,324 g. Al diluirse el Alka Seltzer en agua (solución acuosa) reacciona de tal manera que se forma una sal, agua y se desprende gas carbónico. La siguiente es la ecuación química de la reacción que se lleva a cabo en ambas actividades.
En esta práctica se desarrollaron dos métodos experimentales útiles para determinar la cantidad y la concentración concentración de bicarbonato de sodio (NaHCO 3 ) presente en el Alka Seltzer. El primer método utilizado fue el de recolección de CO 2 sobre agua. El segundo fue el de la disolución directa del Alka Seltzer Seltzer en el agua, determinando la cantidad de masa, CO 2 ; desprendida en el proceso. Teniendo en cuenta los resultados de la actividad se determina determina una diferenc diferencia ia sustanci sustancial al entre entre los datos experimentales obtenidos y la cantidad R , esto registrada en el empaque del Alka Seltzer debido a que el contenido del empaque reacciona con el agua y tras la reacción que allí se genera, una porción de la materia de la sal se libera en forma de Bi-oxido de Carbono CO 2 . La reacción del Alka Seltzer que podemos decir que es una base, reacciona con los ácidos para disminuir su alcalinidad, dado que: los ácidos permiten la conducción de cargas eléctricas al momento de ser diluidos en agua debido al carácter iónico de estos, los ácidos gástricos reaccionan provocando que el carácter de acidez desaparezca, pero la única característica que no desaparece es la conductividad eléctrica; de esta manera y al entrar en contacto con las sales o bases del A-S, las cuales podemos decir tienen un sabor cáustico o amargo, neutralizan las reacciones que allí se desencadenan.
+ + NaHCO3(s 3(s) + H3 O !Na(ac) ac) + 2H2 O +CO2 "
La reacción produce un gas debido a la descomposición del bicarbonato de sodio, situación provocada por la acción de los acidos presentes en la reacción. El gas se encarga de producir el desplazamiento de la columna de agua en la probeta. Teniendo en cuenta que el gas que se produce en la reacción es el dióxido de carbono (CO2 ); basta con calcular calcular la cantidad cantidad de gas para determinar la cantidad y concentración de bicarbonato de sodio presente en la pastilla. Es importante resaltar además que parte del gas se disuelve en el agua de acuerdo a la ley de Henry. Además se debe mencionar que de acuerdo al principio de conservación de la energía, cuando se produce la reacción los componentes de la pastilla no se convierten totalmente en materia sino que se libera energía en forma de calor hacia la solución acuosa y el ambiente. INTRODUCCIÓN De los resultados obtenidos mediante los dos En la naturaleza se puede comprobar lo que métodos experimentales se determina que la conse conoce como la ley de conservación de la centración de bicarbonato de sodio di…ere basmateria, según la cual las masas de los com- tante de lo registrado en el empaque. Para el 1 Licenciado 2 Licenciado
en Física UPN. E-mail:
[email protected]. Maestría en ciencias exactas y naturales. UN en Física UPN. E-mail:
[email protected]. Maestría en ciencias exactas y naturales. UN
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FIGURA 1
primer método se obtuvo una concentración de 28.14%; mientras que para el segundo se obtuvo una concentración del 18.96%. Si se tiene en cuenta que la concentración dada por el empaque es aproximadamente del 60 % los datos experimentales di…eren bastante de este valor. ¿Qué puede estar causando que di…era tanto la concentración?, ¿Como se comporta el valor de la concentración teniendo en cuenta los datos de los demás grupos? ¿Por qué motivo los datos de cada uno de los grupos di…eren, sise trabajo en las mismas condiciones ambientales y de procedimiento?. Se procurara responder de la mejor forma estas preguntas en el desarrollo del informe.
universal. Se toma el balón y se introduce 100 cm3 de agua, secando el cuello del balón despúes de haber sido llenado. Se determina la masa de alka Seltzer con el empaque mediante la balanza. A continuación se mide la masa de la pastilla sin el empaque. Se registran los datos. Después se parte la pastilla en cuatro pedazos procurando manipularla en las menores condiciones de humedad posibles. Cada uno de estos cuatro pedazos serán utilizados para introducirlos por a parte dentro del balón de tal manera que hagan contacto con el agua. Es importante ajustar bien y lo más rapidamente posible el tapón a la boca del balón para que no haya escapes al entorno. Se debe agitar bien la mezcla consiguiendo que se diluya completamente el trozo de pastilla. Por último se debe resgistrar los valores de volumen y altura obtenidos. METODO 2. El estado inicial y …nal del sistema se muestran en la …gura 2 y Figura 3 respectivamente. Inicialmente se mide la masa del beaker, 100 ml de agua, el cristal de reloj y el Alka seltzer sin diluir (ver FIGURA 2). A continuación se mide la masa del sistema beaker, 100 ml de agua, cristal de reloj y el Alka seltzer ya diluido.
METODOLOGÍA
METODO 1. El montaje experimental se muestra en la FIGURA 1. Es necesario llenar la probeta de tal manera que al dejarla bocabajo sobre la cubeta de agua la presión atmosferica equilibre la columna de agua dentro de la probeta sin que haya ningún volumen de aire ni burbujas en el interior de la probeta. Esto se consigue introduciendo la probeta en la cubeta por la parte inferior provocando que el agua ingrese a la probeta y esta se vaya hundiendo lentamente hasta llenarla. Después de llenada se procede a dejar la probeta bocabajo, asegurandola con la nuez montada en el soporte 2
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
h P c = 13;6
MÉTODO 1. Para el registro de resultados se va a tener en cuenta que hay unos datos que son tamados directamente de la actividad experimental y otros que son calculados a partir de formulas dadas en la literatura cienti…ca. En la Tabla 1 se registran los parámetros ambientales del laboratorio, los cuales se obtuvieron de tablas encontradas en bibliografía cientí…ca (química) o en tablas suministradas directamente en el laboratorio donde se realizo el experimento. Estos datos se asumen constantes al nivel de la ciudad de Bogotá. La Tabla 2 registra los datos medidos directamente de la práctica experimental. La masa del Alka seltzer y la de cada uno de los trozos (los cuales se procuran del mismo tamaño) se midieron mediante una balanza electrónica tarada (calibrada) previamente ; el volumen de gas que se mueve del balón de fondo plano hacia la probeta, desplazando la columna de agua en el interior de esta hacia el exterior debido a la diferencia de presiones entre la Patm y la del interior de la probeta Pint, se midió utilizando una probeta en posición invertida y que contiene la columna de agua; y la altura h existente entre el nivel superior de agua en la probeta y el nivel de agua en la cubeta cuya medida fue tomada con una regla. En la Tabla 3 se consigna los datos calculados a partir de formulas dadas en la guía de laboratorio. En el caso de la presión de la columna de agua, teniendo en cuenta la altura h, se calcula a partir de la formula
Para la presión de gas generado por el CO2 se empleo la siguiente ecuación. P CO = P A P v P c 2
donde P A es la presión atmosférica del laboratorio donde se desarrollo el experimento y P v corresponde a la presión de vapor de agua que contribuye a incrementar el volumen medido de gas. Los cálculos de las magnitudes registradas en la Tabla 3 se encuentran en el ANEXO. Es necesario mencionar que como se hace el estudio de un gas con…nado a un recipiente con un volumen V , una presión P , y una temperatura T podemos hablar de la ley del gas ideal. Si el gas se mantiene a muy baja presión (o baja densidad), se encuentra experimentalmente que la ecuación de estado que relaciona estas tres variables es sencilla. La mayor parte de los gases a temperatura ambiente y presión atmosférica se comportan como si fueran gases ideales. Gracias a que las condiciones de presión y temperatura del laboratorio son aproximadas a las necesarias para aplicar la ecuación de estado, se utiliza en el análisis hecho en el METODO 1. La ecuación es la siguiente. P V = nRT
Donde R es una constante que tiene el valor de R = 0;821L atm=M K , si se expresa la presión 3
Tabla 1. Parámetros ambientales del laboratorio Presión atmosférica Presión de vapor de agua Temperatura del Temperatura del agua (mmHg) (mmHg) laboratorio (oC) (o C) 560 14,530 17o C
Tabla 2. Datos tomados experimentalmente. Número de ensayo Alka Seltzer (g) Volumen (mL) Altura h (mm) (1) 1 42 99 (2) 1,254 54 80 (3) 1,145 42 99 (4) 1,068 39 107 Tabla 3. Datos calculados. Número de ensayo Presión de la columna de agua Presión del gas carbónico (mmHg) (mmHg) (1) 7,3 538,170 (2) 5,9 539,570 (3) 7,3 538,170 (4) 7,8 537,670 en atmosferas (atm) y el volumen en litros que depende de la naturaleza del gas, la tem(L). El valor n corresponde al número de moles peratura y el líquido. El valor de la constante de la sustancia en cuestión. utilizada fue tomado de la guía de laboratorio trabajada, kH = 3;4 10 2 M=atm 1 , para el El parrafo anterior es util para conocer de CO2 y valores de temperatura de 298 K. donde se establece el número de moles de dioxiLos datos obtenidos para el método 1 fueron do de carbono obtenidas tras la reacción del Alka seltzer en la disolución acuosa. Por lo tanto los siguientes. el número de moles de CO2 se cálcula de la siEnsayo 1. guiente expresión. nCO = 3;66 10 3 M = 0;3074g que corresponde a una concentración de 30;744%: P V n = RT Ensayo 2. nCO = 4;02 10 3 M = 0;3377g que corresponde a una concentración de 26;7930%: Otra cuestión importante al realizar el esEnsayo 3. tudio tiene que ver con la ley de Henry. EsnCO = 3;66 10 3 M = 0;3074g que corresta fue formulada en 1803 por William Henry ponde a una concentración de 26;847%: y establece que a una temperatura constante, Ensayo 4. la cantidad de gas disuelta en un líquido es dinCO = 3;563 10 3 M = 0;2993g que corresrectamente proporcional a la presión parcial que ponde a una concentración de 28;02 %: ejerce ese gas sobre el líquido. Matemáticamente se representa de la siguiente forma. La forma en que se obtuvieron los anteriores resultados se desarrolla con detalle en el c = k P ANEXO.
2
2
2
2
donde P es la presión parcial del gas, c es la conEl resultado obtenido mediante el método 2 centración del gas y k es la constante de Henry es de 0;6014 g de NaHCO3 esto es 18. 296% 4
Tras realizar el cálculo de las masas moleculares para el bicarbonato de sodio y bióxido de carbono se encontró que: NaHCO3 = 84 g/M CO2 = 44 g/M Los cuales son datos necesarios para realizar los cálculos en cada uno de los ensayos.
La presión atmosférica incide en la temperatura del agua, en la presión del gas con…nado en la probeta determinando directamente el volumen de gas en el interior de la probeta. La humedad en el ambiente incide directamente en la temperatura del agua por convección térmica. El aumento de temperatura disminuye la solubilidad de gases (oxígeno) y aumenta generalmente la de las sales. También se debe tener en cuenta que las aguas naturales pueden tener pH ácidos por el CO2 disuelto desde la atmósfera o proveniente de los seres vivos; por ácido sulfúrico procedente de algunos minerales, por ácidos húmicos disueltos del mantillo del suelo. La principal substancia básica en el agua natural es el carbonato cálcico que puede reaccionar con el CO2 formando un sistema tampón carbonato/bicarbonato. La aguas contaminadas con vertidos mineros o industriales pueden tener pH muy ácido. El pH tiene una gran in‡uencia en los procesos químicos que tienen lugar en el agua, actuación de los ‡oculantes, trataminetos de depuración, etc.
En seguida se presentan los datos experimentales en porcentajes aportados por los demás grupos para el METODO 1. 72,0 18,6 11,1 10,9 7,7 24,0
71,0 19,1 10,2 10,4 6,3 21,7
68,3 9,5 37,7 18,2 24,5 20,9
26,0 10,7 26,5 6,7 26,5 53,6
El promedio de los datos sumistrados por todos los grupos es 25,9% con una desviación estandar de 18,9%. Es decir el valor de la concentración de NaHCO3 es de 25,918; 9 %, esto Por otro lado la reacción que se genera encorresponde al intervalo [7; 44;8] :Este intervalo ni siquiera alcanza a incluir el valor aproximado tre dos masas o compuestos y libera parte de su energía como calor hacia el exterior se denomide 60% dado por el empaque. na exotérmica. La consecuancia es una variación Los datos para el METODO 2 son: negativa de entalpía y un incremento de la entropía del sistema. La reacción exotérmica se da 4,0 6,0 5,4 13,7 principalmente en reacciones de oxidación. 8,9 9,3 10,8 11,2 La contaminación térmica se produce cuan18,3 20,1 8,5 6,0 do en un proceso se altera la temperatura del 5,6 7,5 medio de forma indeseada o contraproducente. El promedio y la desviación estándar en este Los medios más habituales donde se producen caso son 10,2% y 5,2% respectivamente. Por lo son en el agua y el aire, pero el aire disipa más fátanto el valor de la concentración es 10,25,2%, cilmente este tipo de exceso energético o de calor. que en la notación de intervalo es [5; 15;4] : Inter- Las temperaturas al momento de incrementarse valo de valores aún más alejado que en el primer hacen descender la concentración de oxígeno dicaso. suelto en el agua, para el caso de la presente A continuación se tratara de dar justi…cacion actividad experimental se afecta los datos que a la diferencia entre el dato teórico y los datos ex- se recolectan, pues al incrementar la temperatuperimentales. Existen una serie de variables que ra del medio se ve afectada también la expresión afectan el experimento y no es posible controlar- para hallar el número de moles de CO2 que delas, como son la presión atmosférica, la humedad pende de la temperatura. en el ambiente, la temperatura del ambiente junMÉTODO 2. Se midio la masa del sistema to con la temperatura del agua. beaker, cristal de reloj, Alka seltzer(con y sin 5
Masa (g)
Masa (g)
Masa (g)
a g u a + va s o
a g u a + va s o + v id r i o
170,287
206,785
TABLA 4
Masa (g)
Masa (g)
a g u a + va s o + v id r i o+ A S c o n e n vo l tu r a
a g u a + va s o + vi d r io + A S s i n e n vo l t ur a
a g u a + va s o + v id r io + A S d i lu i d o
210,667
210,088
209,773
empaque), 100 ml de agua de la forma en que se indica en la Figura 2. A continuación se midio la masa del mismo sistema, pero ya con el Alka seltzer diluido en el agua como se mustra en la Figura 3. Los datos obtenidos son consignandos en la Tabla 4. La diferencia de masas antes y después de la experiencia indica que tras la reacción química, parte de la energía contenida en la tableta se libera en forma de calor tanto al ambiente como al agua. Además el contenido de la materia que existe en la tableta se transforma tras la reacción H2 O + Alka Seltzer; en donde el material más denso se deposita en el fondo del beaker que contiene la solución acuosa y el excedente es liberado en forma de dióxido de carbono CO2 + calor. Después de realizar esta experiencia se midio la cantidad de materia existente en el sistema tras la reacción H2 O + Alka Seltzer encontrando que la masa …nalmente es menor a la inicial como se indica en la Tabla 4. Como el NaHCO3 tiene 84 g/M que corresponde a su peso molecular, y el CO2 44 g/M, y tras colocar a reaccionar el H2 O + Alka Seltzer se libero una porción de la materia contenida en la tableta en forma de gas se asume que son equivalentes en cantida de sustancia. Se encontró que la diferencia entre las masas antes y después de la reacción es de 0,315 g los cuales corresponden a la materia disipada al ambiente en forma gaseosa y de calor.
concuerda con el teórico, dado que el Alka Seltzer adquiere humedad al momento de almacenarlo. Una posible causa de esto también es dada por la temperatura, pues puede llegar a incidir en el compuesto. El agua que se trabajo no es completamente pura y puede llegar a contener muchas trazas (cantidades muy pequeñas) de sales, es decir exceso de iones que impiden que el agua reaccione completamente con el bicarbonato de calcio. La cantidad de reactante (agua) no es la su…ciente para el reactivo (Alka Seltzer), pues en el fondo del balón siempre queda un residuo o precipitado. El calor descompone los carbonatos y los bicarbonatos. La solubilidad en agua es de 10,3g/100g de H20, la cual es una propiedad química. El precipitado es de acido acetilsalicílico al igual que acido cítrico. ANEXO
Procedimientos de datos calculados METODO 1
Presión de la columna de agua resión del gas carbónico Ensayo 1.
CONCLUSIONES
P c =
h 13;6
=
P c =
h 13;6
=
P c =
h 13;6
=
P c =
h 13;6
=
Ensayo 2.
La comparación y recolección de los datos de todos los grupos tiene como objeto: veri…car y contrastar los resultados, para saber si los resultados obtenidos son o no validos y pues concuerdan con los datos de control dados por los demás.
Ensayo 3. Ensayo 4.
El dato del porcentaje experimental no
99 13;6
= 7: 2794 7;3
80 13;6
= 5: 8824 5;9
99 13;6
= 7: 2794 7;3
107 13;6
= 7: 8676 7;9
Presión del gas carbónico 6
Ensayo 1.
x=
P CO = P A P v P c = 560 14;530 7;3 = 538: 170
0;02411100 1000
= 2: 411 10 3 M
2
nTOTAL = n1 + n2 = 1;609 10 3 + 2: 411 10 3 = 4 ;02 10 3 M 84g=M = 0;3377g
Ensayo 2.
P CO = P A P v P c = 560 14;530 5;9 = 539: 570 2
1;254g 0;3377g
Ensayo 3. P CO = P A P v P c = 560 14;530 7;3 = 538: 170 2
x=
Ensayo 4. P CO = P A P v P c = 560 14;530 7;9 = 537: 570
100% x
0;3377100 1;254
= 26: 930%
2
Ensayo 3.
P CO 2 V
(0;708) (0;042) n1 = R T = (0;082) (290;15) 3 = 1: 2498 10 1;250 10 3 M
Cantidad y concentración de NaHCO3 presente en Alka Seltzer
n2 = K H P CO = 3;4 10 2 0;708 = 2: 4072 10 2 2: 41 10 2 M
2
Ensayo 1.
P CO 2 V RT
(0;708) (0;042) = (0;082) n1 = (290;15) = 1: 2498 10 3 1;250 10 3 M
0;0241M x
n2 = K H P CO = 3;4 10 2 0;708 = 2: 4072 10 2 2: 41 10 2 M
1000ml 100ml
2
0;0241M x x=
0;0241100 1000
x=
1;145g 0;3074g
x=
100% x
0;3074100 1;145
= 26: 847%
Ensayo 4.
P CO 2 V
(0;707) (0;039) n1 = R T = (0;082) (290;15) 3 = 1: 1589 10 1;159 10 3 M
= 30: 74 %
Ensayo 2.
n2 = K H P CO = 3;4 10 2 0;707 = 2: 4038 10 2 2: 404 10 2 M
2
(0;709)(0;054) (0;082)(290;15) 3
= n1 = = 1: 6092 10
1;609 10
3
0;02404M x
2
n2 = K H P CO = 3;4 10 0;709 = 2: 4106 10 2 2: 411 10 2 M 2
M
1000ml 100ml
x= 0;02411M x
100% x
0;3074100 1;000
= 0;002 41 = 2;41 10 3 M
P CO 2 V RT
nTOTAL = n1 +n2 = 1;25010 3 +2;4110 3 = 3: 66 10 3 M 84g=M = 0;3074g
x=
= 0;002 41 = 2;41 10 3 M
nTOTAL = n1 +n2 = 1;25010 3 +2;4110 3 = 3: 66 10 3 M 84g=M = 0;3074g
1000ml 100ml
1;000g 0;3074g
0;0241100 1000
1000ml 100ml
0;02404100 1000
= 2: 404 10 3 M
nTOTAL = n1 + n2 = 1;159 10
3
7
+ 2: 404 10
3
BIBLIOGAFÍA
= 3: 563 10 3 M 84g=M = 0;2993g
1;068g 0;2993g x=
100% x
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NaHCO3
0;315gCO 2 84g=MNaHCO3 44g=MCO2
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8
