Determinación de la composición de una mezcla de cobre y cinc.

En esta experiencia determinaremos la composición que presenta una mezcla de tipo heterogénea de dos metales. Para ellos será necesario medir los distintos volúmenes de los gases y las disoluciones. Es por ello que conviene que recordemos las formas en las que se puede expresar las concentraciones en disoluciones.

Cuando hablamos del término concentración “c”, estamos indicando la cantidad de una sustancia (el nº de moles “n”), que se encuentra disuelta por cada unidad de volumen en la disolución.

c = nº de moles de soluto / volumen de disolución

La unidad que se utiliza para dar la concentración suele ser mol/l o mol/dm3, lo que es igual a la concentración molar o “M” (molaridad).

Para expresar la composición con la que cuenta una disolución existe otra forma, la cual no cambia con la temperatura. Esta es la molalidad, “m”, la cual nos indica cuanta sustancia ( nº de moles) hay disuelta por cada unidad de la masa del disolvente. Suele venir expresada en mol/Kg:

m = nº de moles de soluto/ nº de Kg del disolvente

Las disoluciones comerciales suelen encontrarse expresadas en % de masa, es decir, los gramos que se encuentran disueltos en 100 g. de disolución. Dichas disoluciones suelen estar más concentradas que las que se usan más comúnmente en los laboratorios; es por ello que por lo general se preparan disoluciones bastante más diluidas partiendo de las primeras.

En las mezclas de tipo heterogéneas cuando hablamos de metales, cada uno de ellos conserva totalmente sus propiedades, tanto físicas como químicas; pero en aleaciones, aparecen propiedades que por lo general, difieren de los elementos metálicos en estado puro.

Hay casos en los que se puede llegar a conocer la composición de una mezcla de metales en porcentual, si se tienen en cuenta los diversos comportamientos químicos que presentan los metales con determinados ácidos.

Debemos saber que los metales se comportan de manera diferente cuando se encuentran frente a disoluciones acuosas de ácidos diluidos, esto es debido al distinto poder reductos de cada uno. Por ejemplo, ciertos metales como puede ser el caso del magnesio o el aluminio, reaccionan con HCl diluido con desprendimiento de hidrógeno, dando paso a una disolución de sal iónica del metal. Pero, otros metales como puede ser la plata por ejemplo, no reaccionan con el HCl, pero sí que lo hace con otros ácidos que tienen mayor poder oxidativo, como puede ser el HNO3 concentrado.

• Observación cualitativa del experimento:

Se usarán dos tubos de ensayo; en el primero de ellos introducimos una cantidad mínima de cinc y en el segundo una cantidad parecida de cobre. A cada uno de ellos seguidamente, se le añade un volumen de unos 2 ml aproximadamente de HCl, con una concentración de 5 mol/l.

• Diseño del experimento y desarrollo:

Aprovecharemos el diverso comportamiento que presentan el cobre y el cinc frente al ácido utilizado, se hace posible poder identificar la cantidad de cada uno de dichos metales en una mezcla de tipo heterogénea. Para esto tan sólo necesitaremos conocer la cantidad de hidrógeno que se ha desprendido, pues dicho elemento procede de manera exclusiva de la reacción existente entre el cinc y el HCl.

El hidrógeno, a temperatura ambiente, se presenta en estado gaseoso, por lo cual, el número de moles que se obtenga se encontrará relacionado con el volumen que éste ocupe en las condiciones en las que se lleve a cabo el trabajo. En el diseño de nuestro experimento, debemos tener en cuenta por lo tanto, la forma en la que se debe recoger y medir el volumen de hidrógeno generado.

• Material y reactivos a utilizar:

-Balanza, termómetro y barómetro.

-Matraz para la reacción con salida de gases y embudo.

– Probeta graduada, cristalizador.

-Cobre y Cinc.

-HCl (disolución) 5 M.

• Medidas de la masa de la muestra ( para nuestro ejemplo):

Medimos la masa de la muestra en una balanza con una apreciación de 0,01 g. El valor de nuestra masa es de 1,32 +/- 0,01 g.

• Procedimiento de reacción:

En un matraz hacemos que reaccione el HCl (entre 10 y 15 ml) con la masa de nuestra muestra. El ácido lo añadiremos en exceso para podernos asegurar que todo el metal de la muestra reacciona. El hidrógeno que se desprenda se recogerá sobre el agua haciendo uso de una probeta graduada.

• Datos e interpretación de resultados:

– Masa de la muestra: 1,32 g.

– Presión atmosférica: 748 mm Hg.

– Temperatura: 23ºC

– Presión de vapor de agua a 23ºC: 21,0 mm Hg.

– Presión parcial de hidrógeno: 727 mm Hg.

– Volumen total de gas: 156 ml.

Si analizamos los datos observaremos que se han desprendido un total de 156 ml de hidrógeno, lo que corresponde a un número de moles igual a:

n = PV/ RT = (727 / 760 atm . 0,156 l ) / ( 0,0821 atm . l/mol . K . 296 K ) = 0,00615 moles de hidrógeno.

Los 0,00615 moles de hidrógeno proceden de la reacción del HCl con el cinc de la mezcla. Si tenemos en cuenta la estequiometría que presenta la reacción tenemos que:

Zn (s) + 2 HCl ( ac) → ZnCl2 (ac) + H2 (g) ; deducimos que la cantidad de cinc que se encuentra presente en la muestra es de 0,00615 mol . 65,4 g/mol = 0,402 g.

Por lo tanto, el porcentaje que tendremos en la muestra de cinc es de:

(0,402 / 1,32) . 100 = 30,5 %.