Instituto Universitario de tecnología Industrial Rodolfo Loero Arismendi Maturín-Edo Monagas Sec: 3DQ Cátedra: Lab. De Química Inorgánica
Prof: Ronal Marquez
Bachilleres: Boada Regulo C.I: 20.001.219 Anaya Juan C.I: 18.097.285 Herrera Ricardo C.I: 24.868.930
Maturín, noviembre de 2014
Contenido
Introducción_______________________________ (1)
Marco Teórico _____________________________ (2) Objetivos de la práctica Procedimientos
Parte Experimental__________________________ (3) Descripción de cada actividad realizada Resultados y análisis
Conclusiones______________________________ (4)
Recomendaciones_________________________ (5)
Anexos___________________________________ (6)
Bibliografía________________________________ (7)
Introducción El Flúor, el Cloro, el Bromo y el Yodo son elementos no metálicos, de los cuales los cuatro primeros son los más estudiados, poseen un comportamiento químico que se relaciona completamente con la teoría electrónica de la valencia. Todos ellos son muy tóxicos, por lo que evite inhalarlos o que le toque la piel. Tanto para el contacto con la piel como para los ojos, puede usarse una solución diluida
de
tiosulfato
de
sodio
para
destruirlos.
El cloro, cuyo nombre deriva del griego “cloros” (que significa “verde”) es un elemento gaseoso, de color amarillo verdoso, que cuando se encuentra libre está formado
por
moléculas
diatómicas,
de
fórmula
Cl 2.
El cloro es una sustancia muy corrosiva tóxica que irrita los ojos y el tracto respiratorio. Su olor característico y penetrante nos permite percibirlo en dosis mucho
más
pequeñas
que
aquellas
en
que
puede
ser
peligroso.
Es un elemento que difícilmente se encuentra libre en la naturaleza (se encuentra en cantidades muy pequeñas en los gases volcánicos), pues es muy reactivo y se combina prácticamente con todos los elementos. Forma una gran variedad de compuestos,
de
los
más
conocidos
es
el
NaCl
o
sal
de
mesa.
Entre los usos más importantes de algunos compuestos, se encuentran: blanqueo de fibras en las industrias textil y del papel; los blanqueadores caseros; la desinfección del agua, como germicida, y en la fabricación de diversas sustancias químicas. En el cuerpo humano existe en el estómago en forma de ácido clorhídrico (HCl), forma parte de los jugos gástricos
(1)
Marco Teórico El grupo de los halógenos es el grupo 7 de la tabla periódica, y está formado por los siguientes elementos: flúor, cloro, bromo, yodo y ástato (este último, radioactivo y poco común). La palabra Halógeno proviene del griego y significa formador de sales. En forma natural se encuentran como moléculas diatómicas. Para llenar por completo su último nivel energético necesitan un electrón más, por lo que tienen tendencia a formar un ionmono negativo, X-. Este ion se denomina haluro al igual que las sales que lo contienen. Poseen una electronegatividad " 2,5 en la escala Pauling, presentando el flúor la mayor electronegatividad. Son elementos oxidantes,. Todos los miembros del grupo tienen una valencia de -1 y se combinan con los metales para formar haluros, así como con metales y no metales para formar iones complejos.
CLORO El cloro es un elemento químico de número atómico 17 situado en el grupo de los halógenos (grupo 7) de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Cl. En condiciones normales y en estado puro es un gas amarillo-verdoso formado por moléculas diatómicas, Cl2, unas 2,5 veces más pesado que el aire, de olor desagradable y venenoso.
FLÚOR Elemento químico, el más ligero de los halógenos. El flúor en estado libre es un gas, formado por moléculas diatómicas, sumamente reactivo y tóxico al ser respirado. Sus principales aplicaciones tecnológicas son la síntesis de determinados polímeros especiales, como el teflón, y la de freones o derivados halogenados de los hidrocarburos.
(2)
BROMO Elemento químico perteneciente a la familia de los halógenos. En estado puro forma moléculas diatómicas, y se presenta en forma de líquido volátil de color pardo y olor fuerte. Sus propiedades químicas son similares a las del flúor y el cloro, aunque su reactividad química está más atenuada. Sus compuestos tienen diversas aplicaciones, siendo uno de sus usos más habituales su utilización para las emulsiones fotográficas en blanco y negro, en forma de sales de plata.
YODO Elemento químico, el más pesado de los halógenos a excepción del inestable y raro ástato. El yodo puro forma moléculas diatómicas que se presentan en forma de un sólido cristalino de color violáceo, soluble en agua y en otros disolventes. Aunque las propiedades químicas del yodo son similares a las del resto de los halógenos, en éste están mucho más atenuadas. El yodo es una sustancia bastante abundante en la naturaleza, encontrándose principalmente en el agua del mar. El yodo tiene distintas aplicaciones, tales como su uso como desinfectante (tintura de yodo, yodo disuelto en alcohol), y también es necesario para la vida; un déficit de yodo en la alimentación provoca alteraciones en la glándula tiroides, situada en el cuello, con la aparición de bocio . En cambio es mucho más soluble en presencia de ioduros, debido a la formación del anión triioduro, dando soluciones de color marrón intenso:
I2(s) + I –(ac) → I3 –(ac) Ástato El ástato recibe su nombre del griego "inestable". De hecho, es un elemento radioactivo. El ástato se origina en la serie radioactiva del manera colateral:
235
U, pero de una
Se preparó por primera vez mediante la reacción en un ciclotrón, entre el 209Bi y partículas a:
No se conocen bien propiedades físicas del elemento debido a que los isótopos del At poseen vidas medias de sólo horas.
LOS HALÓGENOS Los elementos halógenos son aquellos que ocupan el grupo 17 del Sistema Periódico. Los halógenos F, Cl, Br, I y At, son elementos volátiles, diatómicos y cuyo color se intensifica al aumentar el número atómico. El flúor es un gas de color amarillo pálido, ligeramente más pesado que aire, corrosivo y de olor penetrante e irritante. El cloro es un gas amarillo verdoso de olor penetrante e irritante. El bromo a la temperatura ambiente es un líquido de color rojo oscuro, tres veces más denso que el agua, que se volatiliza con facilidad produciendo un vapor rojizo venenoso. El yodo es un sólido cristalino a temperatura ambiente, de color negro y brillante, que sublima dando un vapor violeta muy denso, venenoso, con un olor picante como el del cloro. El Astato es un elemento muy inestable que existe sólo en formas radiactivas de vida corta, y que aparece en el proceso de desintegración. Todos los átomos poseen una configuración que difiere de la de gas noble en un electrón, de forma que los elementos tienden a formar especies negativas, X ¯ , o a formar enlaces covalentes simples. La química de estos elementos y sus compuestos cambian con el tamaño de los mismos.
Como es esperable, los puntos de fusión y ebullición aumentan al descender en el grupo. Las energías de ionización de los halógenos presentan valores muy altos que van disminuyendo al aumentar el número atómico. Las afinidades electrónicas son elevadas como consecuencia de la tendencia a ganar un electrón y conseguir así la configuración de gas noble.
Propiedades físicas de los halógenos Elemento
Flúor
Cloro
Bromo
Yodo
Configuración
[He]2s p
[Ne]3s p
[Ar]3d 4s p
[Kr]4d 5s p
Masa Atómica (uma)
18,9984
35,4527
79,904
126,90447
53,6
172,18
265,9
386,7
85
239,2
331,94
457,5
Densidad (kg/m³)
1516
2030
4050
4930
Calor de Fusión (kJ/mol)
1,0
6,4
10,8
15,3
Calor de Vaporización (kJ/mol)
6,5
20,4
29,6
42,0
Calor de Atomización (kJ/mol de átomos)
79,0
121,0
112,0
107,0
Estados de Oxidación
-1
-1, +1, +2, +3 , +4, +5, +6, +7
-1, +1, +3 , +4, +5, +7
-1, +1, +3 , +5, +7
1ª Energía de Ionización (kJ/mol)
1681
1251,1
1139,9
1008,4
2ª Energía de
3374,1
2297,3
2103,4
1845,8
Punto de Fusión (K) Punto de Ebullición (K)
Ionización (kJ/mol) 3ª Energía de Ionización (kJ/mol)
6050,3
3821,8
3473,4
3184
Afinidad Electrónica (kJ/mol)
328
349
324,7
295,2
Radio Atómico (Å)
0,57
0,97
1,12
1,32
Radio Covalente (Å)
0,72
0,99
1,14
1,33
Radio Iónico (Å)
F- = 1,31
Cl- = 1,81 Å Cl+7 = 0,26 Å
Br - = 1,95 Br +7 = 0,39
I- = 2,16 I+7 = 0,50
Volumen Atómico (cm³/mol)
17,1
22,7
23,5
25,74
Polarizabilidad (ų)
0,6
2,2
3,1
5
Electronegatividad (Pauling)
3,98
3,16
2,96
2,66
Abundancia Natural Debido a su reactividad, ninguno de los halógenos se encuentra en estado libre en la naturaleza. Generalmente, se encuentran en forma de haluros (X ¯ ), siendo el fluoruro el más abundante en la corteza terrestre. Además de la gran cantidad de depósitos minerales de haluros, particularmente NaCl y KCl, existen una cantidad enorme de cloruro y bromuro en las aguas de los océanos. La Figura 1 muestra un diagrama con las cantidades relativas de estos elementos.
¿Cómo varia el carácter acido de los oxácidos de los halógenos? El carácter acido de los oxoácidos se debe a la polarización que M provoca en el enlace O-H , lo que permite la eliminación mas o menos sencillas de H+. Esta polarización será tanto mayor, cuanto mayor sea la electronegatividad de M. Este razonamiento simple nos permite comprender las siguientes tendencias observadas en la fuerza acida de los oxoacidos: a. Manteniendo constante el estado de oxidación, la fuerza acida aumenta al desplazarnos hacia la derecha. b. Manteniendo constante el el estado de oxidación, la fuerza decrece al bajar en un grupo. c. La acida aumenta al aumentar el estado de oxidación.
Cuestiones previas 1. Consultando la tabla de potenciales normales ¿Seria Posible preparar Cl2 por adición de HCl sobre KMnO4, o PbO2? ¿Porque cree que el HCl comercial con MnO2 solido tiene un comportamiento anómalo? Si seria posible preparar Cl2 por adición ya que se prepara habitualmente en el laboratorio por la acción de agentes oxidantes como el MnO 2 sobre el HCl al igual que el agente oxidante KMnO4 ya que tiene un comportamiento anómalo al añadir acido clorhídrico al dióxido de manganeso que ocurre una reacción exotérmica de color gris evaporando gases fuertes de cloro que son dañinos para la salud. 2. ¿Que reacción se verifica entre Cl2 o Br 2 y una disolución de I- / Almidón? Un método útil para detectar Cl2, es poner sobre el recipiente, que se sospecha lo contiene, una tira de papel filtro impregnada con una disolución I- / almidón. Este reactivo se utiliza como detector de gases oxidantes, ya que I- se oxidaría a I2, que forma un complejo azul morado con el almidón.
3. ¿Qué Ph esperaría en una disolución acuosa de Cl2, Br 2, o I2? Cl2 y Br2 son moderadamente solubles en agua, mientras que I2 es muy poco soluble. Dependiendo del halógeno se verifica el siguiente equilibrio en disolución acuosa: 2 X2(aq) + 2 H2O4 X-(aq) + 4 H+(aq) + O2 4. ¿Por qué los halógenos son mas solubles en disolventes orgánicos que en agua? Esto se debe a su naturaleza apolar. 5. ¿Qué haluros pueden ser oxidados por cada halógeno? Estos aniones derivados de los halógenos (F-, Cl-, Br- y I-) son los denominados haluros y pueden ser oxidados por KCl, KI, KIO 3, KMnO4, KBrO3. Etc. 6. Solubilidades en agua de los halógenos? Todos los compuestos de los halógenos son sales solubles en el agua, de tal manera que sus iones se encuentran presentes en el agua de mar. Cerca del 75% de los sólidos disueltos en el agua de mar es sal común o Cloruro sódico. La sal común puede ser preparada por cristalización en las salinas mediante evaporación solar Aunque el Flúor se halla solo en pequeña cantidad en el agua de mar, porque sus compuestos son limitadamente solubles comparados con los otros halógenos, es sin embargo el veinteavo elemento por orden de abundancia, se encuentra en el Espato flúor (Ca F2), que es utilizado ampliamente como fundente en la industria del acero, y la Criolita (AlNa3), que fundida, se emplea como disolvente en la preparación electrolítica del aluminio.
Objetivos de la Práctica
Obtener cloro gas y disoluciones de éste en el laboratorio.
Comportamiento de los halógenos en agua, en disolución alcalina y en disolventes orgánicos.
Estudio de su poder oxidante.
Reacciones de precipitación de haluros.
Reacciones de halatos con ácidos.
Procedimientos a) Preparación
de cloro en el laboratorio
Colocar una pequeña cantidad de dióxido de manganeso (punta de espátula) en el fondo de un tubo de ensayo. Añadir 1 ml de HCl concentrado.
Colocar una pequeña cantidad de permanganato potásico (punta de espátula) en el fondo de un tubo de ensayo. Añadir 1 ml de HCl concentrado.
En ambos casos comprobar la evolución de un gas colocando en la boca del tubo de ensayo una tira de papel de filtro humedecido con una disolución de yoduro/almidón. Se procedió a tomar una gradilla con tres tubos de ensayo
Seguidamente se comenzó agregar una pequeña cantidad de Dióxido de manganeso con una espátula en el fondo del tubo de ensayo.
Luego le añadimos 1 ml de HCL concentrado obteniendo una reacción leve que torno a un color gris oscuro desprendiendo un gas mínimo que desapareció enseguida.
En el segundo paso tomamos un tubo de ensayo en el cual le añadimos una cierta cantidad de permanganato potásico.
El cual llevamos hacia la campana donde están los ácidos y le añadimos 1 ml de HCl.
Se observo una reacción exotérmica muy fuerte el cual torno a un color marrón espejo y luego violeta desprendiendo gases de Cl2 muy fuertes.
En el tercer paso al comprobar la evolución del gas se coloco en la boca de los tubos de ensayos una tira de papel de filtro humedecido con una disolución de yoduro/almidón.
Se observo que las reacciones dispersaron gases y con el papel de filtro humedecido con yodo/almidón este se torno a un marrón/violeta oscuro con el permanganato potásico.
B. Reaccionesde los halógenos en disoluciones alcalinas
Se coloco en tres tubos de ensayo 2 ml de las disoluciones de Cl2, Br 2 y I2 respectivamente. Añadimos a cada una de ellas, gota a gota, unos 2 ml de una disolución 2 M de NaOH. Añadimos ahora unas gotas de disolución I - / almidón. Se Observo que se produjo cambios de color
Se preparo de nuevo una disolución de cloro en NaOH, añadiendo unas gotas de HCl concentrado y por último unas gotas de disolución de I - / almidón.
C. Reaccionesde los haluros alcalinos 1. Se introdujo en tres tubos de ensayo una pequeña cantidad de KCl, KBr y KI respectivamente. En cada uno de ellos se añadió una pequeña cantidad
de MnO2. Seguidamente se Mezclo ambos sólidos con una varilla y se añadió con precaución unas 10 gotas de H2SO4 concentrado, agitando el tubo tras la adición de cada gota. Para Identificar los gases desprendidos en cada caso se realizaron las siguientes pruebas:
I.
Se coloco un papel indicador humedecido con agua destilada en la boca del tubo sin tocarla.
II.
Se coloque una tira de papel de filtro humedecida con una disolución acidificada de dicromato potásico cerca de la boca del tubo.
III.
Se repetio la prueba anterior humedeciendo la tira con una disolución de acetato de plomo.
IV.
Se Coloco una tira de papel de filtro impregnada de I - / almidón.
2. Se Repitió todas las experiencias anteriores sin añadir MnO 2. 3.- Se Repitio con acido fosfórico en lugar de H2SO4 las experiencias del apartado 1 (sin añadir MnO2). 4.- Se coloco en tres tubos de ensayo 1 ml de disoluciones 1 M de KCl, KBr y KI respectivamente. A continuación, añada 1 ml de disolución de AgNO3 y agite. Anote sus observaciones. 5.- Se repito la experiencia anterior añadiendo disolución de Pb(NO3)2 en lugar de AgNO3.
Parte experimental a. Descripción de la actividad realizada En las actividades realizadas en el laboratorio de la práctica de las reacciones y comportamiento químico de los halógenos se fueron realizando con detalle cada procedimiento con el fin de obtener los requerimientos exigidos, y de estudiar cada compuesto químico con la guía del profesor.
b. Análisis de Resultados
Los resultados obtenidos son los siguientes: Primero la disolución es de color transparente claro, pero después, conforme avanza la reacción, toma color morado oscuro. Esto es debido a que el bromato en medio ácido oxida al yoduro (I -) que pasa a formar yodo (I 2), el cual reacciona con el almidón dando el color característico de dicha reacción. Concuerda con lo predicho por la teoría, ya que en medio ácido el HIO da I2 según la reacción: HIO + H+ + e ! H 2O + ½ I2 ; Eº = 1.45 V
La disolución primero toma color marrón, y luego va pasando a amarillento, hasta que finalmente el color de la disolución es amarillo muy pálido. Lo que ha sucedido, ah sido que el bromato, en exceso, ha oxidado al I2, que daba ése color morado con el almidón, a estados de oxidación más altos (+1,+3,+5,...), quitando ése I2 inicial del almidón, y haciendo así que la disolución pierda el color. Concuerda con lo predicho por la teoría. Primero la disolución es de color Rojo anaranjado (debido al I 3-), luego se empieza a formar un precipitado de color negro (I2 para estas condiciones), y finalmente el color de la disolución es amarillo muy pálido. Esto es debido a que de acuerdo con los valores de los potenciales normales de los halógenos, cada uno es más oxidante que los siguientes en el grupo. Por esta causa el cloro produce iodo elemental en las disoluciones de yoduros, y si se sigue burbujeando cloro a través de la disolución el yodo va adquiriendo estados de oxidación cada vez más altos (+1, +3, +5, +7). Esto último corresponde con el color amarillo pálido de la disolución: ½ Cl2 + I- ! Cl- + ½ I2
El medio se alcaliniza para que la reacción suceda más deprisa, ya que en medio alcalino aumenta mucho el poder reductor del cloro según la reacción: ClO- + H2O + e ! 2 OH- + ½ Cl 2 ; Eº = 0.52 V
Lo que aquí sucede es que el cloro va oxidando al yodo en estado sólido, y formando sus óxidos correspondientes a medida que va aumentando el estado de oxidación del yodo: I2(s) + Cl2 (g) + O2 2 Cl- (l) + 2 IO - (l) + Cl2 (g) + O2 4 Cl- (l) + 2 IO 2- (l)
Reacciones de los halogenos 1. Reaccionan fácilmente con los metales y a veces con violencia, formando haluros iónicos:
2Al + 2Cl2 ------------------------ 2AlCl 3
2Sb + 3Br 2 ----------------------- 2SbBr 3
Zn + I2 ------------ ---------------- ZnI 2
2. Con los no metales reaccionan vigorosamente con el fósforo amarillo, formando los trihaluros en primer lugar y luego los pentahaluros:
2P + 3Br 2 -------------------- -----2PBr 3
PBr 3 + Br 2------- -----------------PBr 5
Con el Azufre el Flúor forma el hexafluoruro de azufre gaseoso, por su parte el Br y el Cl reaccionan a elevadas temperaturas con el Azufre para formar el monohaluro correspondiente:
S + 3F2 ---------------------------SF 6
2S + Cl2 -------------------------Cl 2S2
3. Con hidrogeno todos los Halógenos reaccionan con el H2 para formar los correspondientes hidrácidos.
H2 +F2 ----------------------------2HF
H2 + Cl2 --------------------------- 2HCl
H2 + Br 2 ------------------------- -2HBr
H2 + I2 ------2HI
Los Halógenos no se combinan directamente con el Oxígeno, Nitrógeno y el Carbono.
La reacción global con MnO seria: 2
MnO2 + 4HCl___________________ MnCl2 + Cl2 + H2O
Reacción global con KMnO4:
2 KMnO4 + 16 HCl _______________________ 2 MnCl2 + 5 Cl2 + 8 H2O + 2 KCl
Reacción del Cl2 con I- / almidón
2I – + Cl2 _________________________________ I2 + 2Cl
Conclusiones Los halógenos son elementos muy reactivos capaces de oxidar a gran cantidad de elementos y formar así una gran diversidad de compuestos. Forman sobre todo sales metálicas, principalmente con los metales alcalinos debido a su gran potencial como agentes reductores. Los halógenos son muy buenos agentes oxidantes debido a su configuración electrónica en la que sólo les falta un electrón en la capa de valencia, lo que les brinda una gran estabilidad y tendencia a ganar electrones. El elemento más electronegativo y el agente reductor más poderoso de este grupo es el Flúor, por ser el más pequeño, tener una densidad electrónica considerable y ser “estable” en términos de su configuración electrónica, es seguido por el cloro, que también tiene una gran diversidad de compuestos y es incluso muchas veces más utilizado en aplicaciones por ser menos reactivo que el flúor y más fácil de manejar. Estas propiedades de los halógenos, disminuyen al descender en el grupo. Es fundamental en el laboratorio saber identificar los halógenos, así como conocer la importancia de éstos. Pues a pesar de su uso común, en el caso del cloro como desinfectante, nos dimos cuenta de su uso indirecto siendo fundamental en la síntesis y reacciones de otras moléculas y compuestos. Sin olvidar mencionar se pueden observar sus propiedades en general y realizar cálculos estequiométricos para la obtención de los mismos.
(4)
Recomendaciones:
Tener datos previos de nuestro laboratorio.
Seguir al pie de la letra las indicaciones brindadas por el docente a cargo, ya sea en el caso de seguridad con los reactivos que pueden ser de alto riesgos.
Prestar mucha atención a los cambios producidos en la experimentación.
Tener cuidado con los reactivos a la hora de la práctica, ya que podría ocasionar daños perjudiciales.
Antes de comenzar la práctica, verificar que todos los instrumentos se encuentren en buen estado y contar con todos los reactivos que se usaran.
Armar correctamente los equipos a utilizar en el experimento. Mezclar correctamente los compuestos a utilizar en cada experimento.
Al obtener el Cloro en recipientes, cerrar bien para evitar fugas.
Una vez utilizada cada reactivo con la pipeta, lavar está para evitar estropear el experimento.
(5)
Anexos
(6)
Bibliografía
(7)
