TEORÍA ATÓMICA DE LA MATERIA

2. DESARROLLO DEL MODELO ATÓMICO-MOLECULAR DE LA MATERIA

 

 

 

2.4. Determinación experimental de la fórmula empírica de un compuesto

 

 

 

Sabemos que a partir de la fórmula empírica y de la masa molecular de un compuesto, es posible obtener su fórmula molecular.

A.35. ¿Qué interés puede tener conocer las fórmulas de los diferentes compuestos químicos?

Además de que la fórmula de un compuesto permite identificarlo y diferenciarlo de muchos otros, su conocimiento, junto con los valores de las masas atómicas relativas de los elementos que lo forman, nos permite también saber en qué proporción se hallan dichos elementos en el compuesto.
Por otra parte, como veremos en el tema de reacciones químicas, el conocimiento de las fórmulas moleculares de los compuestos es imprescindible para realizar cualquier estudio cuantitativo de los cambios químicos (por ejemplo, qué cantidad de tal o cual producto se va a obtener en una reacción).

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En este trabajo práctico vamos a investigar cómo obtener la fórmula empírica de un compuesto que, para simplificar, supondremos formado únicamente por dos elementos que llamaremos Q y R. En el tema hemos visto ya que la ley de las proporciones constantes era una consecuencia de la naturaleza atómico-molecular de la materia. De acuerdo con dicha ley sabemos que cuando dos elementos Q y R se combinan para dar un compuesto QxRy, la razón entre las masas que se combinan de Q y R es siempre constante, es decir:


Según el modelo atómico-molecular de la materia, si conocemos el valor de C y las masas atómicas relativas de Q y de R (AQ y AR respectivamente) es posible determinar los valores enteros más sencillos de "x" y de "y " y, por tanto, la fórmula QxRy buscada.

En efecto, si llamamos mQ a la masa de un solo átomo de Q, mR a la masa de un solo átomo de R y mH a la masa de un átomo de hidrógeno, podemos escribir que para cualquier cantidad del compuesto que contenga N unidades QxRy se cumplirá que:



Dividiendo ahora el numerador y el denominador de la última fracción por el menor de ellos, podremos obtener finalmente (como ya se vio en un ejercicio anterior) la proporción de números enteros más sencilla entre "x" e "y" y, por tanto, la fórmula empírica QxRy.


Así pues, la determinación de la fórmula empírica de cualquier compuesto QxRy pasa por obtener primero el valor de la constante C de proporcionalidad de la ley de las proporciones constantes.

ELABORACIÓN DEL DISEÑO EXPERIMENTAL

A.36. Proponed alguna experiencia concreta, fácil de llevar a cabo en el laboratorio, que nos permita determinar el valor de la constante C de la ley de las proporciones constantes, correspondiente a un compuesto dado como, por ejemplo, el cloruro de cinc.

En principio podríamos pensar en descomponer diferentes cantidades de cloruro de cinc, medir la masa de cloro y de cinc en cada caso y determinar el cociente entre ambas (valor de la constante C).
Sin embargo, se trata de un procedimiento un tanto complejo ya que habría que realizar una electrólisis a alta temperatura. Análogamente ocurre con el procedimiento inverso o síntesis del cloruro de cinc (sólido) a partir de cloro (gas) y cinc (sólido) ya que resultaría una reacción química heterogénea sin unos criterios claros para saber cuando se habría consumido todo el cinc.

A.37. Hemos de pensar pues en un procedimiento alternativo para la obtención de un compuesto de cloro y de cinc que no tenga los inconvenientes anteriores.

Un procedimiento más sencillo consiste en obtener cloruro de cinc a partir de la reacción entre cinc (sólido) con exceso de una disolución concentrada de ácido clorhídrico de acuerdo con la reacción:


Zn(s) + HCl (aq) = ZnxCly + H2 (g)


El procedimiento se puede concretar en una serie de pasos, como los siguientes:
- Utilizando una balanza, ponedla a cero colocando en ella un pequeño erlenmeyer. A continuación introducir en el recipiente una pequeña cantidad de cinc comprendida entre 0'5 g y 1 g y determinar el valor de dicha masa de cinc.
- Quitad el erlenmeyer de la balanza y añadid clorhídrico 1 molar en cantidad suficiente para que reaccione todo el cinc. A continuación eliminad el pequeño exceso de disolución de HCl calentando suavemente el erlenmeyer (conviene no excederse en la calefacción para no vaporizar parte de cloruro de cinc formado).
- Determinad mediante la balanza la masa del cloruro de cinc formado (conviene hacerlo rápidamente, en caliente, tras haber eliminado el exceso de HCl por simple calefacción, ya que el cloruro de cinc es higroscópico y puede hidratarse con el vapor de agua ambiental alterando las medidas).
- Obtened la masa de cloro presente en el cloruro de cinc formado, por simple resta entre los valores medidos para la masa de cloruro de cinc y del cinc.

Esencialmente se trata de repetir el procedimiento anterior con el fin de obtener distintos valores (es suficiente con cuatro) con los que proceder a construir una tabla como la siguiente:

Con los datos anteriores se procede a construir la gráfica de la masa de cloro frente a la masa de cinc que, de acuerdo con la ley de las proporciones constantes, ha de conducir a una línea recta que pase por el origen y cuya pendiente representará la constante de proporcionalidad C de la ley de las proporciones constantes, es decir, los gramos de cloro existentes por cada gramo de cinc, en el compuesto cloruro de cinc:

C = masa Cloro/masa Zinc

REALIZACIÓN DEL EXPERIMENTO

A.38. Proceded a la realización del experimento sugerido y obtened el valor de la constante C de la ley de las proporciones constantes correspondiente al cloruro de cinc.

La realización del experimento ha de permitir elaborar una tabla como la anterior y la construcción de la gráfica a que nos hemos referido anteriormente. La pendiente de dicha gráfica permite obtener (dentro de los márgenes de error) un valor de la constante próximo a C = 0’92

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

La técnica propuesta además de permitir la contrastación experimental de la ley de las proporciones constantes es también un procedimiento para establecer las fórmulas de los compuestos.

A.39. Obtenida la relación entre las masas de cloro y de cinc en el compuesto cloruro de cinc y conocidas sus masas atómicas relativas (ArCl = 35’5 y ArZn = 65’4), estableced la fórmula del compuesto ZnxCly buscada.

La realización de los cálculos que se demandan lleva a la conclusión de que la fórmula empírica correspondiente al cloruro de cinc viene dada por ZnCl2.

INFORMACIÓN:

Una variante de este experimento consiste en utilizar zinc en exceso. Cogeríamos una cierta cantidad de zinc y le añadiríamos una pequeña cantidad de ácido clorhídrico concentrado, dejando que transcurra la reacción pero sin agotar el zinc. Puedes ver la experiencia en este vídeo.