Supuesto 10

Tema 61 · Modelo ·

Por Adrián Peinado, profesor de Física y Química en Secundaria

El análisis químico cualitativo responde a la pregunta de qué especies hay en una muestra, paso previo a cualquier determinación cuantitativa. Esta práctica plantea una marcha analítica sencilla que combina ensayos a la llama para cationes con reacciones de precipitación selectiva para aniones, y cierra con una confirmación gravimétrica que aporta datos numéricos para el tratamiento de errores. Su fundamento es que cada ion presenta reacciones y propiedades espectrales características que permiten identificarlo de forma prácticamente inequívoca.

Enunciado

En el laboratorio de un centro de Secundaria se entrega una muestra sólida problema, presuntamente una sal soluble en agua. Se pide identificar los iones presentes y confirmar cuantitativamente el anión mayoritario.

Objetivos concretos:

a) Identificar cationes mediante el ensayo a la llama.
b) Identificar aniones (carbonato, sulfato y cloruro) por reacciones de precipitación y de desprendimiento gaseoso, justificándolas con la reacción química.
c) Confirmar cationes de transición por formación de complejos coloreados.
d) Cuantificar el sulfato por gravimetría y expresar el resultado con su incertidumbre.

Material e instrumentos. Mechero Bunsen, hilo de nicrom o platino, ácido clorhídrico concentrado (limpieza del hilo), vidrio de cobalto, tubos de ensayo y gradilla, vasos de precipitados, embudo y papel de filtro sin cenizas (o crisol filtrante), estufa o desecador y balanza analítica de sensibilidad $\pm 0{,}0001\ \mathrm{g}$ . Reactivos: HCl diluido, disoluciones de $\mathrm{BaCl_2}$ , $\mathrm{AgNO_3}$ , $\mathrm{NH_3}$ diluido, $\mathrm{KSCN}$ , oxalato amónico y agua de cal.

Desarrollo

Fundamento del ensayo a la llama

Al aportar energía térmica, los electrones de valencia de los cationes ascienden a estados excitados; al relajarse emiten fotones de longitud de onda característica, según la relación de Planck:

E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}

Para la línea amarilla del sodio ( $\lambda = 589\ \mathrm{nm}$ ), con $h = 6{,}63\times 10^{-34}\ \mathrm{J\,s}$ y $c = 3{,}00\times 10^{8}\ \mathrm{m\,s^{-1}}$ :

E = \frac{(6{,}63\times 10^{-34})(3{,}00\times 10^{8})}{589\times 10^{-9}} = 3{,}38\times 10^{-19}\ \mathrm{J} \approx 2{,}11\ \mathrm{eV}

El color observado identifica el catión (siempre limpiando el hilo con HCl entre ensayos para evitar contaminaciones):

Litio: rojo carmín. Sodio: amarillo intenso y persistente.
Potasio: violeta, que se observa a través de vidrio de cobalto para filtrar el amarillo del sodio.
Calcio: rojo anaranjado. Estroncio: rojo carmesí. Bario: verde amarillento. Cobre(II): verde azulado.

Marcha analítica de aniones por precipitación

Sobre porciones independientes de la disolución problema se realizan tres ensayos.

Carbonato, con HCl diluido, produce efervescencia por desprendimiento de gas:

\mathrm{CO_3^{2-} + 2\,H^+ \to H_2O + CO_2\uparrow}

El gas confirma su identidad al enturbiar el agua de cal:

\mathrm{CO_2 + Ca(OH)_2 \to CaCO_3\downarrow + H_2O}

Sulfato, con $\mathrm{BaCl_2}$ en medio ácido, da un precipitado blanco insoluble en HCl, lo que lo distingue del carbonato de bario:

\mathrm{Ba^{2+} + SO_4^{2-} \to BaSO_4\downarrow}

Su insolubilidad se justifica por el bajísimo producto de solubilidad del sulfato de bario, $K_{ps} \approx 1{,}1\times 10^{-10}$ , que gobierna el equilibrio:

\mathrm{BaSO_4(s) \rightleftharpoons Ba^{2+}(aq) + SO_4^{2-}(aq)}

Cloruro, con $\mathrm{AgNO_3}$ en medio $\mathrm{HNO_3}$ , da un precipitado blanco caseoso:

\mathrm{Ag^+ + Cl^- \to AgCl\downarrow}

El ensayo confirmativo es su redisolución en amoníaco por formación del complejo diamminplata, que lo diferencia de otros haluros:

\mathrm{AgCl + 2\,NH_3 \to [Ag(NH_3)_2]^+ + Cl^-}

Confirmación de cationes de transición

Los cationes que no colorean la llama de forma diagnóstica se confirman por complejos coloreados. El hierro(III) forma el tiocianato rojo sangre; el cobre(II), el amoniacal azul intenso; y el calcio se corrobora con oxalato cuando el color de llama es ambiguo:

\mathrm{Fe^{3+} + SCN^- \to [Fe(SCN)]^{2+}}

\mathrm{Cu^{2+} + 4\,NH_3 \to [Cu(NH_3)_4]^{2+}}

\mathrm{Ca^{2+} + C_2O_4^{2-} \to CaC_2O_4\downarrow}

Procedimiento gravimétrico

Se pesa con exactitud la muestra, se disuelve en agua, se acidula con HCl y se precipita el sulfato en caliente con exceso de $\mathrm{BaCl_2}$ . Tras una digestión que favorece cristales grandes y filtrables, se filtra, se lava el precipitado, se seca a peso constante y se pesa el $\mathrm{BaSO_4}$ .

Tratamiento de datos y errores

Datos de una experiencia tipo, con la balanza analítica ( $\pm 0{,}0001\ \mathrm{g}$ ; cada masa se obtiene por diferencia, luego $\Delta m = 0{,}0002\ \mathrm{g}$ ):

m_m = 0{,}2500\ \mathrm{g}, \qquad m_p = 0{,}4103\ \mathrm{g}

siendo $m_m$ la masa de muestra y $m_p$ la del $\mathrm{BaSO_4}$ seco. El factor gravimétrico relaciona la masa de precipitado con la de sulfato mediante las masas molares $M(\mathrm{SO_4^{2-}}) = 96{,}06\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$ y $M(\mathrm{BaSO_4}) = 233{,}39\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$ :

f = \frac{M(\mathrm{SO_4^{2-}})}{M(\mathrm{BaSO_4})} = \frac{96{,}06}{233{,}39} = 0{,}4116

La masa de sulfato en la muestra y su porcentaje en peso son:

m(\mathrm{SO_4^{2-}}) = f\,m_p = 0{,}4116\times 0{,}4103 = 0{,}1689\ \mathrm{g}

w = \frac{f\,m_p}{m_m}\times 100 = \frac{0{,}4116\times 0{,}4103}{0{,}2500}\times 100 = 67{,}55\ \%

Propagación de incertidumbre. Como $w$ es un producto y cociente de magnitudes medidas (el factor $f$ se toma como constante exacta), se combinan las incertidumbres relativas en cuadratura:

\frac{\Delta w}{w} = \sqrt{\left(\frac{\Delta m_p}{m_p}\right)^2 + \left(\frac{\Delta m_m}{m_m}\right)^2} = \sqrt{(4{,}88\times 10^{-4})^2 + (8{,}00\times 10^{-4})^2} = 9{,}37\times 10^{-4}

\Delta w = 67{,}55\times 9{,}37\times 10^{-4} = 0{,}06\ \%

Expresión final. Redondeando la incertidumbre a una cifra significativa y ajustando el valor a su misma posición decimal:

w = (67{,}55 \pm 0{,}06)\ \%

El valor teórico para el sulfato de sodio anhidro puro es $w_\text{teo} = 96{,}06/142{,}04 = 67{,}63\ \%$ . La pequeña diferencia respecto al dato experimental, algo mayor que la incertidumbre aleatoria estimada, sugiere una ligera pérdida sistemática de precipitado durante el filtrado y no un error de medida: es una discusión valiosa sobre la distinción entre error aleatorio y sistemático.

Comentario didáctico

La práctica encaja en el Tema 61 (análisis químico cualitativo) y se dirige a Química de 2.º de Bachillerato, aunque los ensayos a la llama y de precipitación son adaptables a la ESO por su fuerte componente visual. Desarrolla la competencia científica en su dimensión experimental: observar, registrar, justificar cada identificación con su reacción y expresar un resultado numérico con su incertidumbre y sus cifras significativas.

Entre los errores y precauciones típicos: un hilo mal limpiado arrastra sodio y enmascara el resto de colores; conviene no confundir la turbidez del sulfato de bario con la del carbonato de bario, que se disuelve en HCl con efervescencia; y en la gravimetría, filtrar antes de la digestión o lavar en exceso provoca pérdidas que sesgan el resultado. Debe insistirse en la seguridad con ácidos concentrados y en la gestión de residuos de plata y bario. Honestamente, dominar esta marcha no garantiza resolver cualquier muestra real —las interferencias entre iones complican los casos completos—, pero sí asienta el razonamiento químico que el tribunal valora.

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