Química General Grupo 1A Práctica 9. Acidez de cationes López Carrillo Alan Ignacio, Marquez Aviles Jesus Centro de Nanociencias y Nanotecnología UNAM. Km. 107 Carretera Tijuana-Ensenada, 22800 Ensenada B.C. México g9_lopezc@ens.cnyn.unam.mx, g9_marquez@ens.cnyn.unam.mx, 1. Introducción Atendiendo el concepto de la acidez de los cationes metálicos, se interpreta de forma más general en términos de acidez de Lewis. La disolución de un soluto en un disolvente tiene como fuerza motriz las interacciones estabilizantes que se establecen entre las moléculas o iones del soluto y las moléculas del disolvente. Este proceso recibe el nombre genérico de solvatación o, en el caso específico de que el disolvente sea agua, de hidratación. Tales interacciones pueden implicar fuerzas de van der Waals (dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido o London) u otras de atracción electrostática (ion-dipolo), pero también enlaces de hidrógeno o, incluso, enlaces covalentes. Los iones y el agua establecen interacciones que pueden describirse generalmente en términos de interacción ion-dipolo con el oxígeno, en el caso de los cationes, o con los hidrógenos del agua, en el caso de los aniones. Sin embargo, las interacciones entre el catión y las moléculas de agua de la primera esfera de hidratación (la más próxima al ion) pueden ser de naturaleza esencialmente covalente en el caso de cationes de metales menos electropositivos y, muy especialmente, de los metales de transición . Este enlace covalente es el resultado de la donación del par solitario del oxígeno del agua, que actúa como una base de Lewis, a un orbital del metal, que actúa como ácido de Lewis. [1] Lo anterior es útil para explicar la reacción de hidrólisis, que propone lo siguiente: [𝑀(𝐻2 𝑂)6 ]𝑛+ → [𝑀(𝑂𝐻2 )5 (𝑂𝐻)]𝑛−1 + (𝐻3 𝑂)+ Ec. 1 Donde M es el metal que posee cierta carga y, en contacto con las moléculas de agua, dependiendo de sus propiedades como electronegatividad, radio y carga, produciría la reacción de hidrólisis. Por otro lado, para explicar una reacción de precipitación, en conjunto con las propiedades de los cationes metálicos y la ley de acción de masas (la cual menciona que si 1 Química General Grupo 1A aumenta la concentración de los productos, el equilibrio tenderá a desplazarse hacia los reactivos) se propone la existencia de un pH de precipitación, en donde se agrega una sustancia como NaOH para disminuir la solubilidad del metal, esto por acción de los iones OH liberados en el proceso de disociación del hidróxido de sodio y la creación de hidróxido. [2] 2. Hipótesis Entre mayor número de oxidación tenga un catión, mayor carga posee y más polarizante será. 3. Objetivos ● Identificar las propiedades de los cationes metálicos para determinar su acidez. ● Determinar un pH de precipitación para las disoluciones con cationes metálicos, y proponer razones por las cuales existe o no. 4. Desarrollo (Materiales y Métodos) Primeramente se lavó arduamente con agua destilada el material con el que se iba a trabajar, por la reactividad que los residuos pudieran tener en las reacciones. Se añadió a cada uno de cuatro tubos 1 ml de agua destilada y se midió el pH usando papel indicador, para verificar que tuvieran el mismo. Al ser así se agregó a cada uno 2 ml de disolución de los cationes de Li+, Mg2+, La3+, Na+ (los aniones son cloruros o nitratos, que no poseen propiedades ácidobase detectables) y se analizaron las disoluciones midiendo el pH. Posteriormente se repitió el experimento pero ahora con los cationes de K+, Pb2+, Hg2+, Fe3+ y Sn4+. Se lavó de nuevo el material y se prepararon 8 tubos de ensayo. Se ordenaron de mayor a menor las sustancias según su fuerza ácida y se colocó 2 ml de cada catión por tubo de ensayo. Después se agregó gota a gota, la disolución de NaOH 1M y se agitó después de cada adición, hasta que se formó un precipitado. Luego se midió el pH. Con los iones metálicos menos ácidos se utilizó NaOH 3M. 5. Resultados y Discusiones Tabla I. pH de cationes en disolución 2 Química General Grupo 1A Catión pH de su disolución Mg2+ 6 Na+ 5.6 Li+ 5.7 La3+ 5 Tabla II. pH de cationes en disolución Catión pH de su disolución Pb2+ 4.8 Ag+ 4 K+ 5.5 Fe3+ 2 Hg2+ 5 Todas las sustancias partieron de un pH del agua de 4.5. Por hipótesis se supondría que entre mayor sea la carga del catión, más ácida se volvería la disolución, pero esto no se cumple. Con el hierro pasó según lo esperado, siendo la carga más alta con el pH más ácido, pero con el Lantano, que posee la misma carga, su pH no se vio tan afectado; lo cual indica que hay otro factor que está relacionado con las reacciones de las sustancias. El factor determinante fue la diferencia de electronegatividad, el hierro con mayor, por lo que su pH es menor. Plomo y mercurio que tienen un número de oxidación 2+ y están muy cerca el uno del otro presentan un pH muy similar. A diferencia del Magnesio que tiene el mismo número de oxidación, pero se encuentra en la familia 2, muy alejado de los otros. Esto está relacionado directamente a la electronegatividad ya que el plomo y mercurio tienen mayor electronegatividad, son considerados ácidos más fuertes. 3 Química General Grupo 1A Por su parte, los cationes K+ Na+ Li+ y Mg2+ no presentan un comportamiento ácido, esto es por que los metales del grupo 1 y 2 (metales alcalinos y alcalinotérreos) siempre son los que presentan menor fuerza ácida, esto debido a su gran radio iónico y a que son poco electronegativos. Brown T. (2004), menciona que los iones de metales alcalinos y de los metales alcalinotérreos más pesados no reaccionan con el agua y, por tanto, no influyen en el pH. [3] Tabla III. pH de cationes después de NaOH Catión pH de su precipitado Fe3+ 2 Ag+ 5.5 Pb2+ 5.5 La3+ 12 Hg2+ 7 K+ No precipitó a 14 Na+ No precipitó a 14 Li+ No precipitó a 14 Mg2+ 9 La tabla se encuentra ordenada del catión con mayor carácter ácido al menor. Los cationes de mayor fuerza ácida, precipitan a pH más bajos. La relación entre la carga y el radio del catión influye bastante, pero lo que realmente determina cada caso, es la propiedad de la electronegatividad. Los cationes más polarizantes (más pequeños y de mayor carga) retiran más carga del oxígeno y polarizan en mayor medida el enlace O–H, por lo que son más ácidos. Así, por ejemplo, el catión hierro(3+) es más ácido que el catión Hg(2+). Por otra parte, los cationes 4 Química General Grupo 1A del bloque d y bloque p suelen ser más ácidos de lo esperado mediante este modelo iónico. [4] De acuerdo a la tabla II, los cationes K+ Na+ Li+ no se precipitaron a pesar de agregar mucho NaOH. Esto es debido a que se forma un hidróxido que es soluble en agua (una propiedad de los metales alcalinos). Según la Universidad de Rosario (2019) precipitan a valores de pH por encima de sus valores de pKa, lo que es equivalente a decir, que lo harán en soluciones muy fuertemente básicas. [5] 6. Conclusiones La presencia de cationes metálicos disueltos en agua provoca una mayor cantidad de protones que acidifican el medio debido a las reacciones de hidrólisis. Por su parte, se afirma que la acidez de cada especie depende de tres factores: la carga eléctrica, el radio atómico y la electronegatividad. En general, usando estos parámetros se concluye que: mayor carga, menor radio y mayor electronegatividad implica mayor acidez. 7. Referencias y Bibliografía [1] Brown, T.L., LeMay, H.R. Jr., Bursten, B.E., Química. La Ciencia Central, Séptima edición, Pearson Ed. 1998 [2] Brunatti, C. (s.f). EQUILIBRIO DE PRECIPITACIÓN. Facultad de Ingeniería. Universidad de Buenos Aires. Recuperado de: http://materias.fi.uba.ar/6305/download/EQUILIBRIO%20DE%20PRECIPITACION.pdf [3] Brown, T (2004). Química. La ciencia central. PEARSON EDUCACIÓN, México, 2004. Pag. 642 [4] Alcañiz, E. (2019). Fundamentos de reactividad inorgánica. Química Inorgánica I. Curso 2019/2020. Universidad de Alcalá. Recuperado de: http://www3.uah.es/edejesus/resumenes/QI/Tema_3A.pdf [5] Universidad de Rosario (2019) .2da. GUÍA DE COLOQUIOS Y PROBLEMAS. FACULTAD DE CIENCIAS BIOQUÍMICAS Y QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA. FARMACÉUTICAS. Recuperado de: https://www.fbioyf.unr.edu.ar/evirtual/course/index.php?categoryid=7 Anexo Ejercicios 1.- Divide a todos los cationes en cinco categorías según su carácter ácido, usando como criterio el pH de precipitación; luego ubícalos en cada categoría según su carga y posición en la tabla periódica. Grupo (pH de precipitación) Ejemplos observados durante Tipo de cationes (carga y la práctica bloque de la tabla periódica 5 Química General Grupo 1A en la que se encuentran) Cationes no ácidos (pH>14) K+ Na+ Li+ Carga +1 Bloque s Cationes muy débilmente ácidos (12 < pH < 14) La3+ Carga +3 Bloque f Cationes débilmente ácidos (8 > pH < 12) Mg2+ Carga +2 Bloque s Cationes moderadamente ácidos (3 < pH < 8) Hg2+ Pb2+ Ag+ Cargas +2 y +1 Bloques: d; Pb: p Cationes muy ácidos (pH < 3) Fe3+ Carga +3 Bloque d 2.- Usando como primer criterio la carga y como segundo la electronegatividad, ordena a los siguientes cationes en orden de fuerza ácida creciente: Cr3+, Al3+, Li+, Tl+, Ce4+, Ti4+, Mn2+, K+, Ca2+, Y3+ y Fe2+. K+<Li+<Ti+<Ca2+<Mn2+<Fe2+<Al3+<Cr3+<I3+<Ce4+<Ti4+ 6
