obtención de iodo (p8)

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Química Inorgánica
OBTENCIÓN DE IODO (P8)
Objetivo
-
Estudio descriptivo del iodo
Adquisición de conocimiento básico sobre operaciones de secado de sólidos en el
laboratorio
Realización de la síntesis y purificación de un halógeno
Realización de control analítico de la pureza del producto
Introducción
Los halógenos (flúor, cloro, bromo, iodo y astato) constituyen el grupo 17 de la
Tabla Periódica. En esta familia de elementos la semejanza en sus propiedades físicas y
químicas es muy marcada y, en cierto modo, se podría decir que las propiedades de
cualquier miembro resumen o ejemplifican las de los demás integrantes de la familia.
Por otra parte, la variación de cualquiera de estas propiedades es excepcionalmente
regular, de manera que se encuentra una transición gradual de las mismas al descender
en el grupo.
La configuración electrónica del iodo es [Kr] 4d105s25p5. Todos los halógenos
presentan siete electrones en su capa de valencia, uno menos que el gas noble siguiente.
Por esta razón, los átomos de los halógenos aceptan fácilmente un electrón adicional
para dar los iones haluro o halogenuro cuando forman compuestos de tipo iónico, o bien
completan el octeto compartiendo electrones con otro átomo en un enlace covalente
simple. Los compuestos de los halógenos con metales en bajos estados de oxidación
son de naturaleza iónica, mientras que sus compuestos con no metales o con metales en
estados de oxidación elevados son de carácter esencialmente covalente.
Estado natural y obtención
En la tabla I se muestran las abundancias de los halógenos en la corteza terrestre.
No se ha incluido al astato en esta lista, dado que todos sus isótopos son radiactivos y se
halla en la naturaleza en cantidades ínfimas. Por lo tanto, de los halógenos estables el
iodo es el elemento menos abundante.
Los halógenos son elementos muy reactivos y por esta razón nunca se
encuentran en la naturaleza en estado libre. Sus compuestos más comunes son sales
simples en las que el halógeno presenta estado de oxidación –1. La obtención del
elemento consiste entonces en la oxidación del halogenuro por distintos métodos que
dependerán del halógeno en particular.
Tabla I
Abundancia promedio de los halógenos en la corteza terrestre (en ppm)
F
544
Cl
126
Br
2,5
I
0,46
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A diferencia de lo que ocurre con el cloro o el bromo, la cantidad de ioduro en el
agua del mar es muy baja (0,05 ppm). Algunos organismos marinos y ciertas clases de
algas absorben el ioduro del agua y de este modo lo concentran (1000-3000 ppm).
El procedimiento más antiguo de obtención de iodo consistía justamente en su
extracción de algas marinas. Las algas se dejaban secar y luego se quemaban. La masa
fundida de sales de las cenizas se extraía con agua. Este extracto –que contiene ioduro
además de sulfatos, cloruros, etc. se trataba luego con ácido sulfúrico y dióxido de
manganeso:
2I– + MnO2 + 4H+ → I2 + Mn2+ + 2H2O
(1)
En algunos lugares como por ejemplo Japón o los Estados Unidos, se encuentran
salmueras naturales en las que la concentración de ioduros puede llegar a valores de 50100 ppm, lo que hace posible su explotación comercial. En estos casos, el proceso de
extracción del iodo consiste en tratar las aguas con gas cloro:
2I– + Cl2 → I2 + 2Cl–
(2)
La otra fuente comercialmente importante de iodo es el iodato de sodio, que se
encuentra como impureza en los depósitos naturales de nitrato de sodio en Chile. El
salitre se disuelve en agua y el NaNO3 se separa puro por cristalización. El iodato, más
soluble, se concentra en las aguas madres, que pueden contener de un cinco a un veinte
por ciento de NaIO3. Esta solución concentrada se divide en dos partes: la primera se
trata con bisulfito de sodio, que reduce el iodato a ioduro; luego, esta solución se
mezcla con la porción no tratada para dar iodo libre, que se filtra y se purifica por
sublimación:
2IO3– + 6HSO3– → 2I– + 6SO42– + 6H+
(3)
5I– + IO3– + 6H+ → 3I2 + 3H2O
(4)
Propiedades del iodo
A temperatura ambiente el iodo es un sólido de color casi negro y sus cristales
en forma de láminas rómbicas tienen brillo metálico. Se ha determinado, por difracción
de rayos X, que el sólido está constituido por moléculas diatómicas discretas I2 que se
mantienen unidas por fuerzas de London (dipolo instantáneo-dipolo inducido).
Si el sólido se calienta en un recipiente abierto a la atmósfera el iodo sublima sin
fundir, lo que permite separarlo fácilmente de otras sustancias no volátiles. La presión
de vapor del sólido es elevada aún a temperatura ambiente (3 mmHg a 55°C) y por esta
razón el iodo se volatiliza lentamente si se deja expuesto al aire, observándose vapores
de color violeta y un olor característico.
La solubilidad del iodo en agua pura es muy baja (0,33 g/l a 25°C). 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)
(5)
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A su vez, el iodo es bastante soluble en solventes apolares como CS2 y
cloroformo, formando soluciones violetas. También es soluble en alcohol, éter, acetona
e hidrocarburos insaturados, pero en estos solventes las soluciones son de color marrón.
Tabla II
Potenciales de reducción estándar E° (en voltios) para la semirreacción:
X2(estado estándar) + 2 e– → 2 X–(ac)
F
+2,87
Cl
+1,40
Br
+1,09
I
+0,62
El iodo se parece al cloro y al bromo en sus propiedades químicas pero es algo
menos enérgico. Como se ve en la Tabla II, el iodo es el menos oxidante de los
halógenos. Esto explica que en solución acuosa tanto el cloro como el bromo puedan
desplazar al iodo de los ioduros, como se vio en la ecuación (2).
El iodo no se combina directamente con el oxígeno y con el hidrógeno la
reacción es muy lenta excepto en presencia de catalizadores. Reacciona además
directamente con flúor, cloro, fósforo y enérgicamente con la mayoría de los metales.
Otra diferencia con el resto de los halógenos es que el iodo no es capaz de oxidar
al agua según:
I2 + H2O → 2I– + ½O2 + 2H+
(6)
El ∆G° (298 K) para esta reacción es de +105 kJ/mol de iodo, con lo cual la reacción
espontánea es la opuesta. De hecho, las soluciones ácidas de ioduros expuestas al aire
son inestables y se oxidan por el oxígeno atmosférico para dar iodo. Esta reacción es
además catalizada por la luz.
Usos
Aproximadamente la mitad del iodo producido en el mundo se destina a la
síntesis de varios compuestos orgánicos, como por ejemplo el iodoformo CHI3 y el
ioduro de metilo CH3I.
El iodo es un elemento esencial en la dieta humana. La glándula tiroides
produce tiroxina, una hormona que contiene iodo y es responsable de la regulación del
crecimiento. Cuando la tiroides no consigue el iodo suficiente, aumenta de tamaño.
Pequeñas cantidades de ioduro de potasio añadidas a la sal de mesa (sal iodada)
proporcionan el iodo necesario para prevenir el bocio.
Una solución de I2 y KI en alcohol, denominada tintura de iodo, fue durante
muchos años el tratamiento casero más común para tratar heridas externas pequeñas,
debido al efecto antiséptico del iodo.
El AgI es usado en fotografía. En el laboratorio, el iodo se usa como reactivo
en análisis volumétrico y uno de sus compuestos, el K2[HgI4] (reactivo de Nessler) se
usa para detectar amoníaco.
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Procedimiento experimental
El procedimiento de obtención consiste en la reducción de iodato por bisulfito
según:
2IO3– + 5HSO3– → I2 + 5SO42– + 3H+ + H2O
(7)
Es importante en este caso mezclar las soluciones de iodato y bisulfito en la relación
estequiométrica correcta, cuidando que no haya un exceso de agente reductor, ya que
entonces ocurriría la reacción (3): parte del iodato se reducirá hasta ioduro y el iodo
presente se disolverá para dar I3–.
El iodo sólido se filtra, se lava con agua fría para disminuir las pérdidas por
volatilización y se seca por contacto con placa porosa. En este procedimiento de secado
ocurre un fenómeno análogo al que se observa cuando se coloca un sólido mojado sobre
un papel absorbente: el agua del sólido difunde hacia el papel simplemente por
capilaridad.
La purificación del iodo se realiza por sublimación. Antes de sublimar es
necesario quitar la mayor cantidad posible de agua del sólido, ya que con el
calentamiento el agua se evaporaría y condensaría junto con el iodo sublimado. Para
esto, el sólido se mezcla íntimamente con óxido de calcio. El CaO reacciona con el
agua para dar el hidróxido, no volátil.
CaO + H2O → Ca(OH)2
(8)
Finalmente se determina la pureza del iodo luego de la sublimación. Para ello se
determina el contenido de iodo en una muestra por titulación con una solución de
tiosulfato de sodio de concentración exactamente conocida, usando almidón como
indicador:
I2 + 2S2O32- → 2I– + S4O62-
(9)
Para disolver el iodo se agrega un exceso de ioduro. Además, la valoración debe
realizarse en medio ácido, debido a que en medio alcalino las soluciones de iodo dan
oxidaciones parciales de tiosulfato a tetrationato y sulfato.
Si no hay otras sustancias coloreadas en el medio de reacción, el iodo puede
usarse como autoindicador. Igualmente, si se desea obtener un viraje más pronunciado
en el punto final se puede usar almidón. En este caso, se observará la desaparición del
color azul del complejo iodo-almidón.
Es importante no agregar el almidón hasta justo antes de alcanzar el punto final.
Una buena indicación de la proximidad del mismo es la disminución del color amarillo
del iodo.
Las fuentes de error características de una titulación iodométrica son la
oxidación de ioduro a iodo por el oxígeno del aire (ver reacción 6) y la volatilización del
iodo de la muestra.
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Técnica
Obtención y purificación
1. Verter 100 mL de una solución saturada de KIO3 (d = 1.07 g/mL) en un vaso de
Bohemia de 250 mL.
2. Enfriar la solución anterior en baño de hielo y agregar lentamente y con agitación
constante (para evitar excesos locales) la cantidad estequiométrica de una solución
de NaHSO3 de concentración aproximada de 1.5 M
3. Filtrar el iodo formado por embudo de placa y descartar las aguas madres. Lavar el
sólido con dos porciones de 5 mL de agua fría.
4. Secar el iodo sobre una placa porosa durante unos minutos.
5. Mezclar íntimamente el iodo junto con 10 g de cal calcinada (CaO) en un vaso de
Bohemia seco de 1000 mL.
6. Colocar una mezcla agua-hielo en un matraz de fondo redondo.
Secar
cuidadosamente la pared exterior del matraz y colocarlo sobre el vaso de Bohemia
que contiene el iodo .
7. Poner todo el sistema sobre una plancha calefactora y calentar suavemente.
8. Una vez terminada la sublimación colocar el iodo en un vidrio de reloj previamente
pesado. Determinar el rendimiento del proceso.
9. Apartar dos tomas de aproximadamente 0,1 g cada una, para determinar la pureza
del iodo obtenido.
Determinación de la pureza
1. Pesar aproximadamente 1 g de KI ppa y colocarlo en un matraz Erlenmeyer.
Agregar 1 mL de HCl 0,1 M medidos con una pipeta graduada.
2. Pesar exactamente una porción de aproximadamente 0.1 g de iodo.
3. Transferir el iodo pesado a el matraz que contiene el KI y HCl y agitar hasta que se
disuelva completamente.
4. Agregar 25 mL de agua.
5. Valorar con solución de tiosulfato de sodio. Cuando la solución tenga color
amarillo pálido agregar dos gotas de almidón y titular hasta desaparición del color.
Operaciones de secado
El secado consiste en quitar agua de una sustancia, que puede encontrarse en
cualquier estado de agregación. En esta oportunidad se hará referencia exclusivamente
al secado de sólidos.
Las formas de secado son muy variadas y ello se debe principalmente a las
distintas formas en las que se puede presentar el agua en la sustancia que se quiere
secar. A su vez, la mayor o menor facilidad con que el agua puede ser quitada
dependerá de la fuerza con la que esté retenida:
a) el agua puede simplemente estar adherida a las partículas sólidas, en forma de
humedad. Esto ocurre, por ejemplo, cuando el sólido se obtiene por precipitación
en una solución acuosa. En estos casos, el precipitado se filtra y luego del lavado
correspondiente, una forma sencilla de remover el agua consiste en arrastrarla con
porciones de un solvente miscible, como alcohol seguido de éter o acetona. El
solvente orgánico, más volátil, se deja evaporar al aire extendiendo el sólido sobre
un papel de filtro. El papel absorbe el solvente residual o incluso trazas de agua.
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b) en la superficie de algunos sólidos como sílice y gel de alúmina, el agua puede
encontrarse adsorbida, es decir, formando una capa que se mantiene unida a la
superficie por interacciones electrostáticas (Figura 1). Generalmente, no es posible
eliminar el agua adsorbida utilizando el procedimiento a), y es necesario entonces
calentar el sólido en una estufa a una temperatura adecuada que depende de cada
caso particular. Esto será posible siempre que el compuesto sea estable
térmicamente a esa temperatura.
c) cuando un sólido cristaliza de una solución acuosa, es posible que quede agua
ocluída, retenida mecánicamente en cavidades de los cristales. Esta agua puede
eliminarse sólo por calentamiento.
d) también es posible encontrar agua enlazada químicamente al catión o al anión del
compuesto considerado, como en el caso de los hidratos. Por ejemplo, en la
estructura del sulfato de cobre Cu(SO4)·5H2O, de color azul, las moléculas de agua
se encuentran unidas directamente al catión Cu2+. Por calentamiento es posible
obtener la sal anhidra CuSO4 de color blanco.
La fuerza con que el agua es retenida en las sustancias consideradas aumenta en el
orden en que han sido enumeradas las distintas posibilidades de encontrarla en ellas. Es
muy fácil quitar el agua adsorbida o que se presenta como humedad, pero se requieren
condiciones más drásticas para extraer el agua ocluída o enlazada químicamente. En la
mayoría de los casos se debe secar en estufa o mufla, hasta peso constante, a
temperaturas que varían mucho según la sustancia de que se trate.
Figura 1
Esquema de la adsorción de las moléculas de un solvente polar sobre la superficie de un
cristal iónico AB.
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Gestión de residuos.
Solución madre de obtención
Diluir con abundante agua y descartar por la pileta
CaO
Descartar en recipiente rotulado “RESIDUOS DE CaO”
Yodo obtenido
Descartar en recipiente rotulado YODO OBTENIDO EN CLASE
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ASIGNATURA: Química Inorgánica
FECHA
INFORME
I8
GRUPO
OBTENCIÓN DE
IODO
INTEGRANTES
DATOS Y CÁLCULOS
moles de KIO3 utilizados
______________mol
volumen de solución de NaHSO3 utilizado
________________mL
masa de I2 a obtener (teórica)
________________g
masa de I2 obtenida
________________g
rendimiento
________________%
Control de obtención de I2
Concentración de la solución de Na2S2O3
________________M
m I2 (g)
Gasto (mL)
Pureza (%)
1
2
Pureza de I2 obtenido
________________%
Observaciones _________________________________________________________
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