LABORATORIO DE QUÍMICA INORGÁNICA
ESTEQUIOMETRÍA DE UNA REACCIÓN. MÉTODO DE JOB
OBJETIVO Continuar practicando el método científico iniciado en las prácticas de laboratorio de la asignatura Química general, presentando ahora el problema de la determinación de la ecuación correspondiente a una reacción química, para lo cual se usará el método desarrollado por Job (1928), también conocido por Método de las Variaciones Continuas (MVC). El conocimiento de esta técnica reviste especial importancia por la gran aplicabilidad que tiene en el estudio de diferentes sistemas químicos.
GENERALIDADES Cuando se trata de encontrar la estequiometría de una reacción química se organizan los datos químicos que se tienen del sistema en diferentes formas, pero, todas ellas tendientes a encontrar la relación molar de los reactantes con la máxima veracidad. A menudo se ha encontrado, sobre todo en el estudio de la formación de complejos, que el MVC, también llamado Método de Job, es muy útil para este tipo de investigaciones, especialmente en aquellos casos en que la reacción procede casi enteramente hacia los productos. En otros casos, el método a emplear se diseña sobre la base de titulaciones químicas convencionales. Es evidente que la menor o mayor exactitud del método empleado dependerá del conocimiento de la química del proceso, o del cuidado que se ponga en considerar todos los factores químicos que puedan enmascarar la verdadera estequiometría de la reacción en estudio. El MVC consiste en variar progresivamente las cantidades de los reactantes, pero conservando su suma constante. Así se variará también la extensión de la reacción, la cual pasará por un máximo, correspondiente al punto estequiométrico.
El estudio se hace gráficamente, disponiendo en el eje de las abscisas la cantidad de los reactantes, que podrá ser expresada en unidades de volumen, masa o moles, de uno de los reactantes (recuerde que la cantidad total es constante).
Rxn: aA + bB → AaBb Propiedad
nA Punto Estequiométrico
En el eje de las ordenadas se coloca cualquier manifestación mensurable de la reacción, que lógicamente depende del producto formado y mide, entonces, la extensión de la reacción. Entre las manifestaciones más usuales tenemos: a) b) c) d)
Color: uso el espectrofotómetro Masa: pesada de un precipitado Temperatura: uso de un termómetro con graduaciones cuando mucho de 0,2 °C. Conductividad: uso de un puente Serfass
EXPERIMENTACIÓN Se trabajará en grupos de dos o más alumnos. Cada grupo recibirá un problema químico, que será un par de reactivos cuya naturaleza no es necesario saber. Desígnelas simplemente A y B. Propiedad a medir: Masas. Usará una balanza electrónica, por lo que deberá poner mucha atención cuando se le explique su uso. Es muy fácil malograr una de estas balanzas sólo por no conocer su uso.
Tome 9 papeles de filtro y numérelos del 1 al 9. Dóblelos de modo que queden listos para usar en el embudo de filtración y péselos al 0,1 mg. Cuide, luego, de no ensuciarlos ni manosearlos. Numere 9 tubos de ensayo de 16 x 150 del 1 al 9. Agregue tantos mL de uno de los reactantes, como indique el número de cada tubo. Utilice para esto una pipeta volumétrica de 10 mL. Luego agregue el otro reactivo de modo de sumar 10 mL totales cada vez. Agite bien cada tubo, con su bagueta de vidrio por espacio de dos minutos, luego filtre, sobre un vaso, usando el papel de filtro cuyo número corresponda al del tubo. Enjuague tres veces con unas 15 gotas de agua. Puede usar el vacío si estuviera disponible, pero abra lentamente la llave para evitar roturas en el papel de filtro. Luego saque, con cuidado el papel de filtro y llévelo a secar a la estufa eléctrica, a no más de 110 °C por unos 30-40 minutos. Finalmente péselo y obtenga la masa del precipitado. Construya su gráfico y determine el punto estequiométrico.
MÉTODO DE LAS VARIACIONES CONTINUAS Este método puede emplearse para encontrar la estequiometría y las constantes de formación para los complejos. Este se conoce como el método de las variaciones continuas, o método de Job, en honor a su creador. Supóngase que se lleva a cabo una reacción entre el metal incoloro M y el ligando también incoloro L para dar un complejo bastante colorido, MmLn.
mM + nL → M m L n
Kf =
[M m L n ] [M ]m [L]n
Si se forma únicamente un complejo, y si Kf es alta, el método de Job es útil para determinar n/m y Kf. El método funciona así: Se prepara una serie de matraces en los cuales la suma del número de moles de ligando más la suma del número de moles del metal se mantiene constante. (número de moles de M) + (número de moles de L) = constante Mientras la suma permanezca constante, los agregados pueden variar. Se prepara una serie de soluciones del metal de fracción molar variable y se grafican sus absorbancias contra la fracción molar del metal o del ligando.
Fracción molar de M = X M = Fracción molar de L = X L =
(número de moles de M) (número de moles de M ) + (número de moles de L )
(número de moles de L ) (número de moles de M ) + (número de moles de L ) XM + XL = 1
La gráfica resultante es una curva en forma de montículo, como la que se muestra en la figura . Las porciones de línea recta de la curva se extrapolan. El punto sobre la abscisa correspondiente a su intersección se llama XMINT, que es la fracción molar de m en la que la máxima cantidad de complejos que se deba formar, se logra y es también donde se observa la máxima absorbancia posible. La disociación explica la curvatura.
n X LINT = m X MINT X LINT= 1 - X MINT n 1 - X MINT = m X MINT Pero ¿cómo se encuentra Kf?
Carmody da un buen ejemplo de la aplicación del método de Job a un sistema químico. Alrededor de 500 nanómetros, ni el Fe3+ en una solución de ácido nítrico ni el ion tiocianato, SCN–, absorben mucho. Cuando los dos se combinan en estas condiciones, reaccionan para formar un complejo color rojo brillante, el cual tiene una absorbancia molar razonable a 500 nanómetros.
mFe3 + + nSCN Kf =
→
[Fe m (SCN )n ]3m− n
[Fem (SCN )n ]
[Fe ] [SCN ] 3+ m
-n
Carmody preparó las soluciones que se enlistan en la siguiente tabla y midió sus absorbancias en una celda de 2,50 centímetros a aproximadamente 500 nanómetros. A partir de estos datos se pueden determinar n/m y Kf para el complejo. ¿En qué forma se puede hacer esto? DATOS SOBRE EL COMPLEJO Fe3+ – SCN– PARA EL EMPLEO DE MÉTODO DE JOBa. Número de soluMililitros de Mililitros de KSCN ción Fe(NO3)3 1x10-3 M 1x10-3 M 1 24,00 0,00 2 22,00 2,00 3 20,00 4,00 4 18,00 6,00 5 16,00 8,00 6 14,00 10,00 7 12,00 12,00 8 10,00 14,00 9 8,00 16,00 10 6,00 18,00 11 4,00 20,00 12 2,00 22,00 13 0,00 24,00 a Con la autorización de W.R. Carmody, J. Chem. Educ., 41,615 (1964).
A
0,000 0,125 0,237 0,339 0,415 0,460 0,473 0,460 0,424 0,344 0,254 0,152 0,000
INFORME El gráfico obtenido en la parte experimental se recortará convenientemente para pegarlos en su hoja de informe. Calcule los coeficientes estequiométricos de la reacción entre A y B. Indique las características del instrumental empleado. Sea concreto y ordenado en la exposición de sus datos y en sus conclusiones. En la segunda parte, determine los coeficientes m y n y la constante de formación del complejo.