OBTENCION DE SUSTANCIAS GASEOSAS 1. OBJETIVOS
Desarrollar habilidades en la aplicación técnica de producción de sustancias sustancias gaseosas.
Identificar algunas propiedades físicas y químicas de compuestos gaseosos.
Verificar las reacciones de identificación de hidrógeno, dióxido de carbono carbono y cloro.
Preparar algunas cantidades de hidrógeno, oxígeno, hidróxido de carbono, etc.
2. FUNDAMENTO TEORICO
En estado gaseoso las moléculas se mueven más rápidamente que en el estado líquido y ocupan un volumen total del recipiente que los contiene. Las interacciones de las partículas son muy débiles y elásticas. El nitrógeno, el hidrógeno y el oxígeno
se venden en cilindros cilindros de metal de alta presión. En el
laboratorio, como se requiere solamente pequeñas cantidades con fines estudio conviene obtenerse el gas por medio de alguna reacción química. La generación de productos gaseosos en el laboratorio puede conseguirse mediante el empleo de equipos sencillos y reactivos de fácil disponibilidad. GENERADOR DE GASES.
El generador de gases es un recipiente que contiene el gas desprendido en la reacción y un tubo de salida para el gas. El aparato puede ser un tubo de ensayo con un tapón de corcho atravesado por un tubo de vidrio que puede conectarse a una manguera, uno más complicado resulta consta de un matraz con salida lateral, conectada a una man guera y un embudo de separación. RECOLECTOR DE GASES
Una vez que se haya generado el gas, se requiere recolectarlo y/o medir su volumen, hay algunos métodos para medir su volumen, por ejemplo, por desplazamiento de aire, por desplazamiento de agua y por desplazamiento de mercurio.
MEDICION DE SUSTANCIAS GASEOSAS
A diferencia de los líquidos los gases pueden comprimirse, la densidad de un gas varía en función de la presión y de la temperatura. De acuerdo a la ecuación de los gases ideales.
P
₁
T
₁
V
₁
=P
V
₂
T
₂
₂
HIDROGENO
El hidrógeno con número atómico y peso atómico 1,008, es el elemento más simple de los elementos conocidos. En el estado atómico el hidrógeno tiende a combinarse para formar hidrógeno molecular a través de una reacción exotérmica. H + H
H
₂
Hº = 438.4 KJ
El hidrógeno molecular es un gas incoloro, e inocuo que hierve a – 252,9 EC. El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, constituyendo el 70% de la masa total. Es el tercer elemento en abundancia en la corteza terrestre. La producción de hidrógeno en el laboratorio es un proceso simple, existen dos métodos conocidos.
1. Metal activo más agua:.) Algunos de los metales más activos ( litio, sodio, potasio, cesio, calcio) reaccionan con agua fría, el magnesio reacciona con agua caliente, un ejemplo de tal reacción es: Ca + 2 H 0
Ca(0H)
₂
+ H
₂
₂
2. Metal activo más ácido diluido: En general los metales son más activos que el hidrógeno reaccionan con ácidos diluidos para producir hidrógeno gaseoso y una sal ejemplo: Zn + H S0 ₂
₄
ZnS0
₄
+ H
₂
El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica. En condiciones normales es un gas incoloro, inodoro e insípido, compuesto de moléculas diatómicas H , el ₂
átomo de hidrógeno con símbolo H consta de un núcleo atómico con una carga positiva y un electrón, tiene número atómico 1 y peso atómico de 1,00797. Es uno de los componentes principales del agua y de la materia orgánica y está distribuido tanto en la tierra como por todo el universo. Existen tres isótopos de hidrógeno: protio, con masa 1 (se encuentra en más del 99.98% del elemento natural), el deuterio con masa 2 ( se encuentra en la naturaleza en 0,02%) se emplea en aplicaciones nucleares como constituyente del agua pesada y el tritio de masa 3, que aparece en pequeñas cantidades en la naturaleza, pero que puede producirse artificialmente por medio de varias reacciones nucleares. Este elemento tiene una función importante en el universo ya que mediante la fusión estelar ( combinación de átomos de hidrógeno del que resulta un átomo de helio) proporciona ingentes cantidades de energía. El tritio se produce en las reacciones nucleares y se emplea en la construcción de bombas de hidrógeno. También se emplea como como fuente de radiación en pinturas luminosas y como marcador en las ciencias biológicas El hidrógeno es el elemento más abundante, constituye el 75% de la masa y el 90& de los átomos del universo. Se encuentra en abundancia en las estrellas y en los planetas gigantes gaseosos , sin embargo en la naturaleza terrestre se encuentra tan sólo en la fracción de 1 ppm en volumen.
CLORO
El cloro con un número atómico 17 y masa atómica 35,45, es un gas incoloro, de olor irritante y altamente tóxico ( en grandes cantidades ). El cloro se usa ampliamente como agente blanqueador de papeles y textiles, el blanqueador utilizado en actividades domésticas, contiene el ingrediente activo hipoclorito de sodio ( un 5% de masa) que se prepara con la reacción de cloro gaseoso con una solución fría de hidróxido de sodio. Cl
₂
+ 2 NaOH
2
NaCl
+
H 0 ₂
El cloro gaseoso se prepara en forma industrial por electrólisis del cloruro de sodio NaCl fundido o por electrólisis de una solución acuosa concentrada de NaCl 2NaCl + 2 H 0 ₂
2 Na0H
+
H
₂
+ Cl
₂
En el laboratorio se puede preparar cloro gaseoso a escala reducida con fines demostrativos a partir de dióxido de manganeso y ácido clorhídrico, según la reacción: Mn0
₂
+
HCl
MnCl
₂
+ H 0 + Cl ₂
₂
El cloro es un elemento abundante en la naturaleza y esencial para muchas formas de vida. En la naturaleza se encuentra no se encuentra en estado puro debido a que reacciona con facilidad con muchos elementos y compuestos químicos, si no que se encuentra formando cloruros y cloratos sobre todo en forma de cloruro de sodio, en las minas de sal y disuelto en suspensión en el agua de mar. El cloruro de sodio se llama sal común o sal de mesa. El cloro se emplea para potabilizar el agua de consumo humano, disolviendo en la misma. También tiene otras aplicaciones como blanqueador, oxidante y desinfectante. El cloro gaseoso es muy tóxico ( neurotóxico) y se usó como gas de guerra en la primera y segunda guerra mundial. DIOXIDO DE CARBONO
El dióxido de carbono es un gas incoloro, no es tóxico a diferencia del monóxido de carbono. Este gas se encuentra presente en el aire en una proporción aproximada de 0,04% en volumen. Se produce cuando se quema cualquier tipo de carbón o de compuestos que contengan carbono, en un exceso de oxígeno. Muchos carbonatos desprenden C0
₂
cuando se calientan y desprenden C0 cuando se tratan con ₂
ácidos. CaC0
Ca0 +
₃
CaC0
+ 2 HC
₃
CaCl
C0
₂
+ H0
₂
+
₂
C0
₂
El dióxido de carbono es un sub producto de la fermentación del azúcar CH 0 ₆
₁₁
2 C H 0H
₆
₂
+
₅
2 C0
₂
El dióxido de carbono se usa en las bebidas, en los extinguidores de fuego y en la manufactura de polvo para hornear Na0HC0 . El dióxido de carbono sólido, llamado ₃
hielo seco se usa como refrigerante. El dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero que contribuye a que la tierra tenga una temperatura habitable siempre y cuando se mantenga en un rango determinado. Sin dióxido de carbono la tierra sería u bloque de hielo. Por otro lado un exceso acentúa el efecto invernadero, reduciendo la emisión de calor al espacio y provocando un mayor calentamiento del planeta. En los últimos años el efecto invernadero a aumentado mucho y eso contribuye al calentamiento global del clima planetario. ACETILENO
El acetileno se obtiene: CaC
+ H0
₂
CH
₂
₂
Ca(0H)
₂
₂
El acetileno tiene muchos usos en la industria, debido a su alto calor de combustión 2C H ₂
KJ
₂
+5 0
₂
4 C0
₂
+ 2H 0 ₂
+
Hº = - 2599
El acetileno es un gas inflamable, un poco más ligero, incoloro que el aire. El acetileno se obtiene por quenching ( enfriamiento rápido) de una llama de gas natural o de fracciones volátiles del petróleo con aceites de elevados punto de ebullición. El gas es utilizado directamente en planta como producto de partida en síntesis (p. ejem.) de acetaldehído por hidratación, viniléteres por adición de alcoholes, etc, o vendido disuelto en acetona, así se baja la tensión necesaria para poder transportarla ya que a altas presiones el acetileno es explosivo. En el laboratorio el proceso de síntesis, es la reacción de agua con carburo de calcio ( CaC ). Se forma hidróxido de calcio y acetileno . el gas formado en esta reacción ₂
tiene un olor característico a ajo debido a las trazas de fosfina que se forman del fosfuro de calcio presente como impureza. 3. MATERIALES Y REACTIVOS MATERIALES:
Tubos de ensayo,
Tapón de jebe
Pinza de tubos de ensayo
Pipeta
Vasos de precipitación
REACTIVOS
Ácido clorhídrico
Zinc en granallas
Dióxido de manganeso
Agua destilada
Jabón Solución de
NaOH Carbonatos
clorato de potasio
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL EXPERIMENTO Nº 01: OBTENCION DE HIDROGENO
1. Instale un equipo generador de gases
Fenoltaleína
2. Agregue al matraz Kitasato o al tubo de ensayo 2 gramos de Zn en granallas 3. Llene el embudo de separación con una solución de ácido clorhídrico 6M y abra la llave para que caiga el ácido dentro del matraz gota a gota. 4. Note si se produce un gas y observe también su velocidad relativa a la producción. Escriba la reacción química balanceada: Reacción:
5. Hacer burbujear el hidrógeno en una solución jabonosa. Procurar formar burbujas de jabón, que se suspenderán en el aire debido a la diferencia de densidad entre el aire y el hidrógeno. Acercar la llama del mechero a las burbujas de hidrógeno. Anote las observaciones. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------EXPERIMENTO Nº 02: OBTENCION DE DIOXIDO DE CARBONO
1. Instale un equipo generador de gases. 2. En un tubo de ensayo agregue 2 gramos de carbonato de calcio, luego 5 ml de agua destilada y agite. Observe la solubilidad del carbonato . 3. vierta unos pocos ml de HCl 6M e inserte un tapón. Burbujee el C0 producido en un tubo de ensayo que contenga 10 ml de agua, dos gotas de Na0H al 10% y dos gotas de fenoltaleína . Anote los resultados. Describa las reacciones . ₂
4.- Burbujee el C0₂ producido dentro de un tubo de ensayo que contenga 5 ml de
agua destilada. Observe lo que sucede. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5. Retire el tubo de ensayo con agua y burbujee C0₂ dentro del tubo de ensayo
agua de cal Ca(0H) . Observe y describa los resultados. La formación de un ₂
precipitado lechoso indica la presencia del C0 . La solución de hidróxido calcio preparada al disolver la cal (Ca0) en agua, se conoce como agua de cal. ₂
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------EXPERIMENTO Nº 03: OBTENCON DE ACETILENO
1. Instale un equipo generador de gases. 2. Dentro de un matraz kitasato agregue 5 gramos de carburo de calcio en granallas 3. Llene un embudo de separación con agua destilada y abra la llave para que caiga el agua dentro del matraz gota a gota. 4. Escriba la reacción química del experimento.
5. Conecte el gas producido en un tubo de ensayo. Anote las observaciones. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------EXPERIMENTO Nº04: OBTENCION DE CLORO
1. Instale un equipo generador de gases 2. En un tubo de ensayo limpio y seco, colocar una pequeña cantidad de dióxido de manganeso, adicionar unos ml de HCl 6M. De ser necesario calentar ligeramente. Observe el desprendimiento del cloro, .anotar las observaciones. Escriba la reacción: 3. Hacer burbujear cloro en un tubo de ensayo conteniendo agua destilada hasta conseguir la saturación. ¿Se produce reacción química? ¿Cuál es?
4. Hacer burbujear cloro en un tubo de ensayo conteniendo una solución de hidróxido de sodio. La solución final obtenida es una lejía y posee propiedades blanqueadoras.
Escriba la reacción química.
5. Colocar en los tubos de ensayo 3 y 4 materiales orgánicos coloreados tales como pétalos de flores, telas, papel impreso, etc Comparar el poder decolorante de las soluciones. 5.ESQUEMAS O DIBUJOS
6. CONCLUSIONES DE LA PRACTICA
Escriba las principales conclusiones de los experimentos realizados.
7. REFERENCIAS BIBLOGRAFICAS CUESTIONARIO
1. ¿Qué otras sustancias gaseosas se podría obtener a nivel de laboratorio?. Indique las reacciones. Gas hidrogeno. Dióxido de nitrógeno Obtención de amoniaco 2. Investigue cómo se prepara industrialmente el hidrógeno gaseoso. En la actualidad, se emplea tres métodos:
La conversión de metano (gas natural) que, hoy en día, suministra el tonelaje más importante, osea, alrededor del 70%; La extracción de gases de coque; La electrolisis del agua.
La conversión del metano se puede efectuar con vapor de agua sobre un catalizador según las reacciones endotérmicas siguientes: CH4 + CH4+2H2O
H2O
---------> -------------->
CO
+
3H2 CO2+4H2
Los gases de coque son un subproducto de la fabricación del coque metalúrgico. Su composición es de alrededor del 50% de H2, 25% de CH4; 10% de CO; 7% de N2, con un poco de etano, etileno, CO2 y H2S, etc. Después de la eliminación de las impurezas empleando métodos químicos con la ayuda absorbentes apropiados, o físicamente por licuefacción parcial, se utiliza la mezcla de H2―N2 después del ajuste de las proporciones para la síntesis del amoníaco. Asimismo, es posible quemar ese gas a fin de recuperar energía.
Electrolisis de agua, en soluciones acuosas, permite, obtener hidrógeno puro pero costoso. Ésta se práctica en Noruega con soluciones de aproximadamente 30% de hidróxido de sodio o de potasio (2.2 V, alrededor de 100° C, 4.7 kWh por m 3 de H2 en el cátodo). La electrolisis de soluciones de cloruro de sodio también produce en el cátodo H2, subproducto de Cl2. El hidrógeno se puede almacenar en estado liquido o en estado gaseoso comprimido entre 150 o 200 bar, en tubos de acero. En algunos casos, es posible transportarlo a través de gaseoductos. 3. Mencione las principales propiedades físicas y químicas que presenta el cloro. PROPIEDADES FISICAS 1) el estado natural: gaseoso
2) aspecto: amarillo verdoso 3) grupo: halógenos PROPIEDADES QUIMICAS: 1)punto de fusión: 171,6 grados Kelvin 2)punto de ebullición: 239,11 grados Kelvin 3) Electronegatividad: 3.0 4. Describa el color y el olor del dióxido de carbono. Gas sin color ni olor. Es un producto de desecho producido por el cuerpo. El dióxido de carbono circula en la sangre desde los tejidos del cuerpo hasta los pulmones. La respiración limpia el dióxido de carbono de los pulmones. 5. ¿ Cómo se demuestra químicamente la presencia del C0 Si lo que quieres es demostrar la presencia de Dióxido de Carbono (CO2) en un cierto lugar lo que puedes hacer en crear artificialmente lluvia Acida. Recordemos que el Dióxido de Carbono se forma por la unión química del Carbono y el Oxígeno, esto es, de la unión de un no metal con el Oxígeno, por lo que a este tipo de compuestos se les conoce con el nombre de óxidos No metálicos, Óxidos Básicos o simplemente Anhídridos. Ahora un Anhídrido cuando reacciona con el agua (H2O) forma lo que se co noce como Acido, en este caso el Ácido que se formaría sería el Ácido Carbónico teniendo la siguiente reacción: ₂
CO2
+
H2O
=
H2CO3
Esto es dos hidrógenos, u carbono y tres oxígenos, si nos fijamos está perfectamente balanceada, ya que la valencias de los dos hidrógenos juntos son de +2, la del carbono en este caso es de +4 y las de los tres oxígenos juntos son de -6, si sumamos tenemos +2 +4 -6 = 0, por lo que el Ácido es neutro y está totalmente balanceado. Ahora todo acido tiene una capacidad corrosiva por lo que al tocar un cuerpo se origina una reacción que hace que el cuerpo parezca que se está quemando o descomponiendo, entonces lo que tendrías que hacer sería escoger el lugar que quieres comprobar que hay CO2 y vertir agua en forma de lluvia, ya que lo has hecho deberás de tener a la mano un medidor de pH
y entonces tomar la muestra de la sustancia que cae al suelo, para comprobar si en verdad tiene un pH acido, si este va de 1 al 6 entonces se demostrara que es Acido, y entonces que en ese lugar existe la presencia de CO2, aunque te advierto que deberá de haber una cantidad grande de CO2 para que se pueda producir esto, y que yo no he comprobado que funcione pero en teoría esto debería de funcionar. Además de que te puedo decir que la presencia de CO2 se genera en cualquier desprendimiento de calor en una reacción de combustión, por lo que si quemas cualquier cosa, como la basura, ten por seguro que de la reacción obtendrás CO2, lo mismo pasa con tu respiración, ya que quemas Oxigeno y generas CO2. 6. Mencione las principales propiedades que presenta el acetileno. Gas Incoloro Inodoro Más ligero que el aire Punto de ebullición -57ºC Punto de fusión -81ºC Presión de vapor 4460kPa a 20ºC Densidad relativa 0.907 Solubilidad en agua 1.66g/100ml a 20ºC Peso molecular 26 uma
7. De los gases producidos en la práctica . indique usted cómo se podría producir las mismas sustancias, pero con otros reactivos comunes a nivel de laboratorio.
8. ¿Cómo se miden los moles en una sustancia gaseosa? Mediante la fórmula P·V=nRT presión· volumen = número de moles · constante R(0.082)·temperatura(en grados kelvin)
9. Una sustancia en estado gaseoso y en l atmósfera anhidra puede presentar carácter: ¿ácido, básico o neutro? No, la acidez está directamente relacionada a soluciones, se mide en referencia al aporte de H+ y/o OH- del solvente 10.¿Dónde encontramos dióxido de carbono en la naturaleza? El CO2, producto de los procesos de combustión, es el más importante de los gases menores, involucrados en un complejo ciclo. Sus principales fuentes naturales son la respiración, la descomposición de materia orgánica y los incendios forestales naturales, entre otras. De manera natural, el CO2 es un paso fundamental en el ciclo del carbono: los productores primarios fijan este compuesto mediante la fotosíntesis para la producción de carbohidratos, los cuales son asimilados por organismos heterótrofos y devueltos a la atmósfera mediante la respiración. Por ello los bosques y las áreas verdes son lugares de almacenamiento de carbono. De igual forma, los ecosistemas marinos tienen una labor muy importante en los niveles de carbono ambientales, ya que es asimilado por organismos marinos para la elaboración de sus estructuras esqueléticas en forma de carbonatos y bicarbonatos, como los corales. 11. Aplicaciones del dióxido de carbono por los humanos? Los seres humanos usamos el dióxido de carbono de muchas formas diferentes. el ejemplo más familiar es el uso en bebidas refrescantes y cerveza, para hacerlas gaseosas. el dióxido de carbono liberado por la levadura hace que la masa se hinche. algunos extintores usan dióxido de carbono porque es más denso que el aire. el dióxido de carbono puede cubrir un fuego, debido a su pesadez. impide que el oxígeno tenga acceso al fuego y como resultado, el material en combustión es privado del oxígeno que necesita para continuar ardiendo. el dióxido de carbono también es usado en una tecnología llamada extracción de fluído supercrítico que es usada para descafeinar el café. la forma sólida del dióxido de carbono, comúnmente conocida como hielo seco, se usa en los teatros para crear nieblas en el escenario y hacer que cosas como las “pociones mágicas” burbujeen.
12. El papel del dióxido de carbono en los procesos ambientales. El dióxido de carbono juega un papel importante en los procesos vitales de plantas y animales, tales como fotosíntesis y respiración. A continuación explicaremos brevemente estos procesos.
Las plantas verdes transforman el dióxido de carbono y el agua en compuestos alimentarios, tales como glucosa y oxígeno. Este proceso se denomina fotosíntesis. La reacción de la fotosíntesis 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2
es
como
sigue:
Las plantas y los animales, a su vez, transforman los componentes alimentarios combinándolos con oxígeno para obtener energía para el crecimiento y otras funciones vitales. Este es el proceso de respiración, el inverso de la fotosíntesis. La reacción de la respiración es como sigue: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O La fotosíntesis y la respiración juegan un papel muy importante en el ciclo del carbón y están en equilibrio entre sí. 13.¨¿Cómo se controla los gases que se producen los gases que se producen en el relleno sanitario? Los gases que se producen en un releno sanitario se han de canalizar y conducir a un lugar en que se les pueda dar un destino adecuado. Para poder hacer esto hay que ir introduciendo tuberías horizontales a medida que se realiza el depósito de residuos; después estas tuberías se van conectando verticalmente y, al llegar al llenado final del relleno sanitario, estas tuberías verticales tienen salida al exterior. Las salidas pueden conectarse a válvulas de seguridad que dan salida a estos gases y en las que se pueden quemar para que no produzcan explosiones o se pueden conectar con depósitos en los que estos gases se almacenan y se utilizan para las propias instalaciones del relleno o se lleva a otros lugares. 14. ¿Qué es el gas natural ? EL Gas natural, mezcla de gases entre los que se encuentra en mayor proporción el metano. Se utiliza como combustible para usos domésticos e industriales y como materia prima en la fabricación de plásticos, fármacos y tintes. La proporción en la que el metano se encuentra en el gas natural es del 75 al 95% del volumen total de la mezcla (por este motivo se suele llamar metano al gas natural). El resto de los componentes son etano, propano, butano, nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, helio y argón. Antes de emplear el gas natural como combustible se extraen los componentes más pesados, como el propano y el butano. Aunque existen yacimientos que proporcionan exclusivamente gas natural,
éste va casi siempre asociado al petróleo en sus yacimientos, y sale a la superficie junto a él cuando se perfora un pozo. Sin embargo, el desarrollo del gas natural se realizó con posterioridad al uso del petróleo. El gas natur al que aparecía en los yacimientos se quemaba como un residuo más, ya que, a pesar de su enorme poder calorífico, no se podía aprovechar por los problemas que plantea su almacenamiento y transporte. No puede ser licuado simplemente bajo presión porque su temperatura crítica, 190 K, es muy baja y, por tanto, debe ser enfriado hasta temperaturas inferiores a ella antes de licuarse Una vez licuado debe ser almacenado en contenedores muy bien aislados, y su transporte se realiza por tuberías fabricadas con materiales y soldaduras especiales para resistir grandes presiones. El gas natural se utiliza como combustible doméstico e industrial, además de por su gran poder calorífico, porque su combustión es regulable y produce escasa contaminación. También se emplea como materia prima en la industria petroquímica en la obtención de amoníaco, metanol, etileno, butadieno y propeno.
15. ¿Es el hidrógeno una fuente de energía ?
