What happens when copper reacts with nitric acid in this lab?

Solid copper is oxidized by nitric acid to form copper nitrate, water, and NO2 gas. The copper nitrate dissociates into copper(2+) ions and nitrate anions in water. The reddish-brown fumes confirm NO2 gas production, while a greenish-blue tint indicates the presence of copper ions in solution.

How is copper oxide formed from copper(II) hydroxide?

Copper(II) hydroxide precipitate forms when a base is added to the copper solution, creating a blue color. When heated to 85°C, the copper(II) hydroxide undergoes decomposition, removing water and producing black copper oxide precipitate. This thermal decomposition converts the unstable hydroxide into the more stable oxide form.

What role does zinc play in recovering solid copper from copper oxide?

Zinc acts as a reducing agent in a single displacement reaction with copper sulfate solution. When zinc is added, copper(2+) ions are reduced to solid copper while zinc is oxidized to zinc(2+) ions. The solution becomes colorless once all copper ions are reduced, indicating complete copper recovery.

Why is hydrochloric acid added after the zinc displacement reaction?

Hydrochloric acid dissolves excess zinc remaining in the solid copper precipitate through a neutralization reaction that produces bubbling. Adding acid in increments ensures complete removal of unreacted zinc without over-dissolving the copper product, leaving pure copper for final collection and weighing.

How do you determine if the final copper product is pure?

Test for methanol using an indicating desiccant that changes from blue to turquoise if present. Drop 6 M HCl on the product; bubbling indicates residual NaOH contamination. Pure copper appears as dark-red granules. Black color suggests incomplete conversion and the presence of copper oxide instead.

What does percent yield calculation reveal about the copper recovery experiment?

Percent yield is calculated by dividing the final copper mass by the initial copper mass and multiplying by 100. Yields exceeding 100% indicate calculation errors or residual moisture on the product. This metric shows how efficiently copper was recovered through the oxidation and reduction sequence.

Why is methanol used in the final drying step instead of water?

Methanol is used because it evaporates more readily than water at room temperature, ensuring thorough drying of the copper precipitate without heat damage. Multiple methanol washes followed by extended vacuum application remove residual moisture and impurities, preparing the copper for accurate final mass measurement.

Reacciones redox

Conceptos Preparación del instructor Protocolo del estudiante

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Redox, que es la abreviatura de reducción-oxidación, es un tipo de reacción química clasificada por la transferencia neta de electrones. En esta reacción, una molécula pierde electrones, lo que se denomina oxidación, y la otra molécula gana electrones, lo que se denomina reducción.

Para ayudarlo a diferenciar entre los dos, recuerde la frase 'OIL-RIG', que significa 'la oxidación es perder, la reducción es ganar'. La molécula que se oxida se llama agente reductor porque reduce el otro reactivo. Del mismo modo, la molécula que se reduce se denomina agente oxidante porque oxida a la otra molécula.

Ahora que tenemos la terminología ordenada, veamos un ejemplo de una reacción redox, la formación del mineral óxido de magnesio. Durante la reacción, cada átomo de magnesio pierde dos electrones. Por lo tanto, el magnesio se oxida. Cada átomo de oxígeno gana dos electrones; Por lo tanto, el oxígeno se reduce.

Sin embargo, no todas las reacciones son reacciones redox. Por ejemplo, la reacción del óxido de calcio con el dióxido de carbono para formar carbonato de calcio no es una reacción redox. Entonces, ¿cómo podemos identificar una reacción redox?

Para ello, realizamos un seguimiento del número de oxidación de cada elemento a medida que pasa de reactivo a producto. El número de oxidación es la carga hipotética que tendría un átomo si sus enlaces a diferentes elementos fueran iónicos, lo que significa que los electrones se asignan al átomo más electronegativo. La suma de los números de oxidación en una molécula es igual a su carga total.

Echemos un vistazo al óxido de magnesio. Es un compuesto neutro, por lo que la suma de los números de oxidación del magnesio y el oxígeno es igual a cero. El magnesio puede dar dos electrones, por lo que su número de oxidación es más dos. El oxígeno puede aceptar dos electrones, por lo que su número de oxidación es menos dos.

¿Qué tal la reacción? Los compuestos elementales neutros puros tienen un número de oxidación de cero. Por lo tanto, tanto el magnesio como el oxígeno comienzan con números de oxidación de cero. Los números de oxidación del magnesio y el oxígeno cambiaron durante la reacción, por lo que se trata de una reacción redox.

Ahora, veamos la reacción del carbonato de calcio que vimos anteriormente. Ambos reactivos son neutros, por lo que la suma de los números de oxidación de ambos compuestos es cero. Como vimos con el óxido de magnesio, el calcio tiene un número de oxidación de más dos y el oxígeno menos dos. Entonces, el carbono en la molécula de dióxido de carbono tiene un número de oxidación de más cuatro y cada oxígeno menos dos.

¿Qué te parece el producto? El calcio es más dos y el carbono más cuatro, al igual que en los reactivos. Cada oxígeno es menos dos, totalizando menos seis, con el número de oxidación neta cero. Dado que ninguno de los números de oxidación ha cambiado, no se trata de una reacción redox.

Ahora vamos a presentar los cuatro tipos de reacciones redox. La primera es una reacción de desplazamiento único, en la que un átomo desplaza a otro. Verás esto en una reacción de termita, donde un metal se reduce y el otro metal se oxida.

El siguiente tipo es una reacción de combustión, que se produce entre un combustible y un oxidante para formar productos oxidados y calor. Esto se ve en el laboratorio durante la combustión de metano con oxígeno cuando se usa un quemador Bunsen.

La tercera es una reacción de síntesis, en la que dos reactivos se combinan para formar un solo producto, como en la síntesis de amoníaco, donde el nitrógeno se combina con el hidrógeno para formar amoníaco.

Finalmente, el cuarto tipo es una reacción de descomposición, donde un reactivo absorbe suficiente energía para romper sus enlaces y formar compuestos más pequeños. Esto es lo que sucede con los fuegos artificiales, donde el clorato de potasio se descompone en cloruro de potasio y oxígeno después de calentarse.

En este laboratorio, realizará e identificará varios tipos de reacciones redox que transforman el cobre sólido en óxido de cobre y luego nuevamente en cobre sólido.

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Fuente: Smaa Koraym de la Universidad Johns Hopkins, MD, EE.UU.

Haciendo Cobre Sólido
En la primera mitad de este laboratorio, harás cobre sólido. En esta reacción, el cobre sólido es oxidado primero por el fuerte agente oxidante, el ácido nítrico, para formar agua y el nitrato de cobre salado. El nitrato de cobre se disocia rápidamente en los iones, cobre (2+) y nitrato, en el agua. Los aniones de nitrato se reducen a gas_NO2, lo que se confirma por la presencia de humos de color marrón rojizo. La presencia de iones de cobre se indica con un tinte azul verdoso. Agregar una base a la mezcla cambia el color a azul a medida que se forma el precipitado de hidróxido de cobre (II). El hidróxido de cobre (II) es relativamente inestable; Por lo tanto, cuando se introduce calor, se produce una reacción de descomposición. En esta reacción, el agua se elimina para producir óxido de cobre, que aparece como un precipitado negro.
- Antes de comenzar el experimento, ponte equipo de protección personal, incluyendo una bata de laboratorio, guantes y gafas protectoras contra salpicaduras de productos químicos.
- Pesa entre 0,45 y 0,55 g de granalla de cobre y registra la masa exacta. Este experimento debe realizarse en el capó, así que lleve el disparo de cobre a su estación de trabajo.
  Tabla 1. Determinación del rendimiento porcentual
  
  Masa_{Cu inicial}(g)
  Masa_{Cu final} (g)
  Rendimiento porcentual
  Haga clic aquí para descargar la Tabla 1
- Etiquete un cilindro graduado de 10 mL como 'Ácido nítrico 8 M' y mida 8 mL de la solución proporcionada por su instructor. Cubra el cilindro con un vidrio de reloj cuando transporte la solución de regreso a su campana.
- Para comenzar el experimento, coloque el cobre en un vaso de precipitados de 50 ml.
- Agregue lentamente los 8 mL de ácido nítrico 8 M mientras agita con una varilla de agitación. nota: Si el cobre no se disuelve completamente, coloque el vaso de precipitados en una placa calefactora a 30 °C durante aproximadamente 2 minutos, mientras se agita continuamente. Aquí, el cobre sólido reacciona con el ácido nítrico para formar nitrato de cobre, agua y gas NO₂. No sobrecaliente la solución o el ácido nítrico se evaporará.
- Una vez que el cobre esté completamente disuelto, retire el vaso de precipitados de la placa calefactora y ajuste la temperatura de la placa calefactora a 85 °C.
- Mida 150 mL de agua desionizada usando un cilindro graduado de 50 mL y transfiera el agua a un vaso de precipitados de 400 mL.
- Lentamente, y mientras revuelve, vierta la solución de cobre en el vaso de precipitados de 400 ml que contiene agua.
  nota: Si queda solución de cobre en el vaso de precipitados, use una pipeta para enjuagar el resto de la solución en el vaso de precipitados más grande.
- Etiquete un cilindro graduado de 50 mL con '3 M NaOH' y obtenga de su instructor 20 - 30 mL de 3 M de NaOH. Cubra el cilindro graduado con un vidrio de reloj mientras lo lleva con cuidado de regreso a su capó.
- Agregue 10 mL de NaOH al vaso de precipitados de 400 mL mientras revuelve.
- Pruebe el pH de la solución utilizando papel de pH. Continúe agregando NaOH hasta que la solución sea básica o tenga un pH aproximado de 10. Aquí, el nitrato de cobre reacciona con el NaOH para formar el precipitado azul, el hidróxido de cobre (II) y el nitrato de sodio.
- Coloque el vaso de precipitados de 400 ml en la placa calefactora y use un termómetro de vidrio para controlar la temperatura. Una vez que la solución alcance los 85 °C, déjela reposar allí durante 10 minutos. Revuelva lentamente con la varilla de agitación, ya que esto distribuirá el calor de manera uniforme sin interrumpir la formación de cristales.
- Después de 10 minutos, apague la placa calefactora y retire el vaso de precipitados. Deje que el vaso de precipitados se enfríe a temperatura ambiente. A medida que la solución se enfría, aparecerá un precipitado oscuro en la parte inferior del vaso de precipitados, mientras que un líquido claro e incoloro, el sobrenadante, se separará hacia la parte superior. Los cristales son el óxido de cobre.
- Una vez que la solución se haya enfriado completamente, etiquete un nuevo vaso de precipitados como 'residuo acuoso' y retire el sobrenadante vertiéndolo cuidadosamente en el contenedor de residuos. Trate de no perder el precipitado en la parte inferior del vaso de precipitados.
- Configure el sistema de filtración conectando el tubo de silicona entre la aspiradora doméstica y el matraz de vacío. Coloque un embudo Büchner en el matraz de vacío con un adaptador de goma. Ahora, coloque un papel de filtro en el embudo Büchner y mójelo con agua desionizada.
- Enciende la aspiradora. Vierta el precipitado en el embudo Büchner y diríjalo hacia el centro con la varilla de agitación. Use agua desionizada para enjuagar todo el precipitado en el embudo. Cuando todo el precipitado esté fuera del vaso de precipitados, apague la aspiradora.
- Retira el papel de filtro con el precipitado y colócalo en el vaso de precipitados. El precipitante oscuro del papel de filtro es el óxido de cobre, que debe dejarse secar durante uno o dos días antes de que se use en la siguiente reacción.
- Limpia del experimento. En primer lugar, vacíe el líquido del matraz filtrante en el vaso acuoso de residuos. A continuación, pruebe los residuos acuosos con papel de pH. nota: Cualquier residuo que tenga un pH superior a 10 debe neutralizarse con ácido cítrico. Cualquier residuo por debajo de pH 4 debe neutralizarse con bicarbonato de sodio.
- Neutraliza el NaOH no utilizado con ácido cítrico y luego échalo por el desagüe con abundantes cantidades de agua. Cualquier cosa que contenga partículas negras indica la presencia de óxido de cobre y debe desecharse en el contenedor del tambor de metal pesado.
Haciendo óxido de cobreexpandir
El óxido de cobre producido en la sección de laboratorio anterior es insoluble en agua, pero puede disolverse en ácido sulfúrico. Cuando esto ocurre, los cationes de cobre (2+) y los aniones de sulfato se reintroducen a través de una reacción de doble desplazamiento. Cuando se agrega zinc en el paso final, los iones de cobre (2+) se reducen a cobre sólido a través de una reacción de desplazamiento único.
- Ponte el equipo de protección adecuado, como una bata de laboratorio, guantes y gafas antisalpicaduras de productos químicos.
- Obtenga el óxido de cobre seco que se preparó en el último ejercicio de laboratorio y elimine la mayor cantidad posible de óxido de cobre del papel de filtro utilizando un policía de goma. Vuelva a colocar el sólido y el papel de filtro en el mismo vaso de precipitados de 400 ml en el que se almacenó.
- Etiquete un cilindro graduado de 10 mL como '5.93 M de ácido sulfúrico' y obtenga 8 mL de ácido sulfúrico del instructor. Cubra el cilindro graduado con un vidrio de reloj y lleve con cuidado el ácido sulfúrico a su capó. nota: Realice el siguiente paso del experimento en el capó.
- Utilice una pipeta de plástico para añadir unos 5 mL de ácido sulfúrico directamente sobre el papel de filtro en el vaso de precipitados.
- Luego, sostenga el papel de filtro con pinzas y use una espátula de metal para raspar la mayor cantidad de sólido posible sin rasgar el papel de filtro. Use la menor cantidad de ácido sulfúrico posible para enjuagar el óxido de cobre, ya que el exceso de ácido sulfúrico requerirá más zinc más adelante.
- Enjuague el óxido de cobre del papel de filtro con 2 mL de agua desionizada y agregue un poco más de agua desionizada al vaso de precipitados. Una vez que se haya eliminado el óxido de cobre del papel de filtro, deséchelo como residuo sólido.
- Revuelve la solución hasta que el óxido de cobre se disuelva por completo. Si el sólido no se disuelve, coloque el vaso de precipitados en la placa calefactora y caliéntelo a unos 60 °C.
- Agregue de 3 a 5 mL de agua y revuelva para disolver. Tenga cuidado de no superar esta temperatura, ya que el líquido podría evaporarse dejando un precipitado de sulfato de cobre.
- Pesa 1,2 g de zinc y registra la masa exacta en tu cuaderno de laboratorio.
- Añade lentamente la mitad del zinc a la solución. Triture y revuelva el zinc con la varilla de agitación para disolver completamente todas las partículas. La solución debe ser incolora. Si el color aún está presente, agregue más zinc hasta que el color desaparezca.
- Una vez que el color desaparezca por completo, pesa el zinc restante en la bandeja de pesaje y réstalo de la masa original para obtener la masa del zinc utilizado. Aquí, el zinc ha reaccionado con el sulfato de cobre para formar sulfato de zinc y cobre sólido.
- Decanta el sobrenadante de tu solución en el contenedor etiquetado como 'residuo acuoso'. A continuación, precaliente la placa calefactora a 40 °C. Obtenga 10 mL de ácido clorhídrico 6 M de su instructor en un cilindro graduado etiquetado. Cubra la abertura del cilindro con un vidrio de reloj y lleve el ácido de regreso a su capó.
- Agregue 5 mL de ácido clorhídrico al precipitado restante para disolver cualquier zinc presente dentro del cobre sólido.
- Coloque el vaso de precipitados en la placa calefactora precalentada y caliente la solución durante 2 min. El burbujeo observado aquí es la reacción de neutralización que tiene lugar para disolver el zinc. Asegúrese de que la reacción no hierva. Luego, apague el ajuste de calor en la placa calefactora.
- Una vez que el burbujeo disminuya, agregue 2 - 3 mL de ácido clorhídrico adicional. Continúe agregando ácido en incrementos de 1 ml hasta que el burbujeo se detenga por completo.
- Decantar el sobrenadante, lavar el precipitado con 5 - 10 mL de agua y decantar cualquier sobrenadante restante. nota: Si las partículas de cobre son demasiado pequeñas para decantar el líquido sin perderlas, instale un aparato de embudo Büchner con papel de filtro y sin vacío. Vierta la solución a través del embudo para que las partículas se retengan en el papel de filtro, luego devuelva las partículas al vaso de precipitados. Repita los pasos de lavado y decantación dos veces más.
- Reemplace el papel de filtro en el embudo de Büchner por uno nuevo y humedézcalo ligeramente con agua. Luego, encienda la aspiradora por un momento para ayudar a que el filtro se asiente en su lugar.
- Agregue aproximadamente 5 mL de agua al precipitado de cobre y luego viértalo en el embudo en el centro del papel de filtro. Revuelva el cobre suavemente para eliminar las impurezas teniendo cuidado de no rasgar el papel de filtro.
- Enciende la aspiradora y déjala funcionar durante 2 min.
- Cierre la aspiradora y desconecte el tubo del matraz. Retire el embudo y deseche el líquido en el contenedor de residuos acuosos.
- Vuelva a conectar la configuración del embudo de Büchner y vuelva a conectar el tubo de vacío.
- Obtenga unos 10 mL de metanol y vierta 3 mL sobre el cobre en el embudo. Luego, enciende la aspiradora y deja que el cobre se seque durante 2 minutos.
- Seque el precipitado con metanol dos veces más, haciendo funcionar la aspiradora después de cada lavado. Durante la última fase de secado, coloque un tapón de goma grande en el embudo Büchner y deje correr la aspiradora durante 5 minutos. Luego, cierre la aspiradora y desconecte el tubo de vacío.
- Retira el tapón grande y deja que el cobre se seque al aire durante 30 min.
- Etiqueta un vaso vacío como 'residuo orgánico' y vierte el líquido del matraz de filtro en el contenedor de residuos orgánicos.
- Tare un plato de pesaje vacío y transfiera la mayor cantidad posible de cobre del papel de filtro a él. Pesa el cobre y registra su masa.
- Limpiar del ejercicio de laboratorio. Deseche los residuos orgánicos y el exceso de metanol en el contenedor de residuos orgánicos. Pruebe los residuos acuosos con papel de pH y neutralícelos con ácido cítrico para un pH muy básico o bicarbonato de sodio para el pH ácido.
- Deseche el líquido sobrenadante en el contenedor de residuos del tambor de metal pesado porque contiene zinc. El ácido sulfúrico y el ácido clorhídrico no utilizados deben neutralizarse con bicarbonato de sodio y luego lavarse con abundante agua por el fregadero.
Resultadosexpandir
- Determina si el producto es puro. Extienda una parte del producto en un desecante indicador para comprobar la presencia de metanol. El desecante cambiará de azul a turquesa si hay metanol presente.
- Deja caer unas gotas de HCl 6 M sobre el producto para ver si reacciona con cualquier NaOH que pueda quedar. Si el NaOH está presente, verá burbujeo.
- Si el producto es de cobre, debería verse como gránulos de color rojo oscuro. Si el producto es negro, no ha podido fabricar cobre y, en cambio, ha fabricado óxido de cobre.
- Calcula el rendimiento porcentual utilizando la masa inicial y final de cobre. El rendimiento porcentual es la relación entre el rendimiento real, en este caso, la masa final de cobre, y el rendimiento teórico, o la masa inicial del cobre, multiplicado por 100. Es imposible obtener un rendimiento porcentual superior a 100. Si esto ocurre, hubo un error en el cálculo, o el producto aún estaba húmedo, lo que agregó más peso.