Estrategia-DidAíctica-QuAmica-III-Juan-Manuel-Morales-Mosco

Vista previa del material en texto

1 
 
 ESTRATEGIA DIDÁCTICA PARA QUÍMICA III 
OBTENCIÓN DEL COBRE 
Colegio de Ciencias y Humanidades 
Plantel Naucalpan 
Programa de Estudios Actualizado 2016 
I.Q. Juan Manuel Morales Mosco 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 
 
 
 
 
 
 
 
 
Unidad 2 De los minerales a los metales: procesos químicos, usos e importancia. 
 
Tema del programa que Apoya. 
¿Cuáles son los recursos naturales con los que cuenta México y cómo podemos 
aprovecharlos 
Temática: 
 Procesos para la obtención de metales. 
 Reacción de óxido reducción en la obtención de metales. 
 Recursos naturales en México y su aprovechamiento como materia prima para la 
industria química. 
Aplicación de los conceptos 
 Concentración del mineral, oxidación- reducción, número de oxidación, agente 
oxidante y reductor, ecuaciones químicas, sistema, estabilidad química, reactividad y 
energía involucrada en una reacción química. 
 
Aprendizajes para lograr 
El alumno 
A3. (C, H) Identifica los principales procesos en la obtención de metales y comprende 
que éstos pueden ser físicos y químicos, al analizar información documental y al 
experimentar. (N2). 
A4. (C, H) Utiliza la serie de actividad y el conocimiento de las propiedades periódicas 
para predecir reacciones de desplazamiento entre metales y explicar la presencia de 
metales libres en la naturaleza. (N3) 
A5. (C, H) Relaciona la actividad química de los metales y la estabilidad de sus 
minerales, con los procesos de reducción utilizados para la obtención del metal, al 
analizar información sobre los diferentes métodos de reducción de metales y la energía 
involucrada en dichos procesos. (N2). 
 
A6. (C/H) Identifica a las reacciones de obtención de metales como reacciones redox, y 
utiliza el lenguaje simbólico para representar los procesos mediante ecuaciones, a partir 
del análisis e interpretación del trabajo experimental. (N3). 
 
Actividad Experimental para Química III 
Obtención de Cobre Mediante la Reducción con Hidrógeno del 
Óxido de Cobre. 
3 
 
A7. (C, H) Reconoce una reacción redox por el cambio en los estados de oxidación de 
las especies participantes, e identifica al agente oxidante y al agente reductor, al escribir 
y analizar las ecuaciones químicas de los procesos de obtención de metales. (N3). 
A. Maneja con destreza y precaución las sustancias, el material y equipo de laboratorio al 
realizar los experimentos. (Tomado del programa de Química III-2004) 
Breve antecedente del Marco Teórico 
La calcinación es un proceso que consiste en el calentamiento del mineral en ausencia 
de aire con el fin de lograr su descomposición. Un ejemplo típico es la descomposición de los 
carbonatos a alta temperatura. Este proceso sirve para preparar al compuesto metálico para 
la reducción, proceso con el cual se obtendrá el metal libre (Cárdenas, 2001). 
 
La reducción es el proceso químico a través del cual se va a obtener el metal en su 
estado libre. Tal reducción se puede llevar a cabo de diversas formas por ejemplo utilizando 
un agente reductor como el Hidrógeno. El método por seguir depende de las características 
del mineral que sirve de materia prima y del propio mineral a obtener. Si el mineral es muy 
estable, es difícil de hacer reaccionar químicamente, se emplean métodos drásticos como los 
electrolíticos. En contraste, si es poco estable, un simple calentamiento puede servir para 
liberar al metal. La estabilidad química de un compuesto puede ser medida a través de la 
energía libre de formación de Gibbs. El diagrama de Ellingham muestra la variación de esta 
energía libre con la temperatura de los óxidos. Entre más negativa sea esta energía serán 
más estables los compuestos, en caso contrario los que tienen energías positivas son más 
inestables y pueden reaccionar fácilmente (Cárdenas, 2001). 
 
La serie electroquímica hace un ordenamiento de elementos del menos al más 
reductor. Predice si la reacción será espontanea. Esto es, cualquier elemento de la serie 
desplazará a otra que se encuentre debajo de ella. Por lo tanto, los metales arriba del 
hidrógeno lo desplazarán del agua o de un ácido. Mientras que los metales abajo del 
hidrógeno no reaccionarán ni con el agua ni con los ácidos (Chang, 2010). 
 
El hidrógeno es un agente reductor, el cual se encuentra arriba del cobre en la tabla 
de la serie electroquímica por lo que es más reactivo y desplazará al cobre de su óxido, 
produciendo el cobre en estado nativo y vapor de agua. 
 
El hidrógeno generado en la reacción del ácido clorhídrico y el cinc, se forma porque el 
Zn es un metal que está arriba del hidrógeno la tabla de la serie electroquímica y es más 
reactivo por lo que desplaza al hidrógeno del ácido. 
 
 
Problema 
¿Cómo se obtiene el cobre por el proceso de reducción con el hidrogeno? 
 
 
 
4 
 
Objetivo general 
Comprobar con la calcinación del carbonato de cobre para obtener el óxido de cobre y con la 
reducción por hidrógeno para la obtención del cobre. 
 
Objetivos particulares 
 Entender la reacción del óxido de cobre con el hidrógeno y la de desplazamiento del 
hidrógeno del ácido clorhídrico con el cinc. 
 Comprender la utilidad de la tabla de la serie electroquímica de los metales. 
 Identificar una reacción de oxido-reducción, en donde se manifiesta el agente oxidante 
y el reductor. 
 Hacer cálculos estequiométricos para obtener el rendimiento real de una reacción. 
 
Hipótesis 
La calcinación de carbonato de cobre produce el óxido de cobre y desprende dióxido de 
carbono, de acuerdo con el diagrama de Ellingham, el óxido de cobre es poco estable a alta 
temperatura, entonces en presencia del hidrogeno como agente reductor se podrá obtener el 
cobre metálico. 
 
Obtención del cobre. 
 
Material y Sustancias 
Por equipo 
Cantidad Material Sustancias cantidad 
1 balanza digital CuCO3, carbonato de cobre 1g 
1 espátula ácido clorhídrico 
concentrado (37% masa) 
10 mL 
1 pieza de papel aluminio 10 cm 
x10cm 
Zinc en tiras de 3cm x1cm 10 piezas 
2 soporte universal completo solución saturada de 
Ca(OH)2 “agua de cal” 
200 ml 
1 pinza de 3 dedos con 
asegurador y mariposa 
indicador azul de 
bromotimol 
I gotero 
1 pinza de 2 dedos con 
asegurador y mariposa 
 
1 mechero de gas 
1 tubo de ensayo Kimax de 25 
mm diámetro, 200 mm largo 
 
1 matraz Erlenmeyer de 125 mL 
1 vaso de precipitado de 100 mL 
1 tapón monohoradado de hule 
para el tubo 
 
1 tapón bihoradado de hule para 
el matraz 
 
2 mangueras de hule para 
colocar tubos de vidrio 
 
5 
 
1 jeringa de plástico desechable 
de 25 mL con aguja 
 
1 pipeta de 10 mL 
2 pinzas Mohr 
 
Procedimiento 1 
 Armar el dispositivo que se muestra en la figura 1 
 
 
Figura 1 
 
 Agregar 80 mL de solución saturada de agua de cal en el vaso de precipitado de 100 
mL y colocar 4 gotas del azul de bromotimol. 
 Poner las 10 tiras de cinc dentro del matraz Erlenmeyer de 125 mL y colocar el tapón 
monohoradado de hule (Figura 2). 
 
 
Figura 2 
 
 Asegurarse de colocar previamente la pinza de Mohr a la manguera que conecta al 
tubo para evitar que entre al Erlenmeyer el CO2 que desprende la calcinación del 
CuCO3. 
6 
 
 Con la pipeta, agregar 10 mL de ácido clorhídrico a la jeringa y proceder a colocarle el 
émbolo para su posterior inyección al matraz. 
 Colocar 1 g de carbonato de cobre en el papel aluminio y ponerlo a calentar dentro de 
del tubo Kimax. Observar el cambio de aspecto del polvo introducido (Figura 3). 
 
 
Figura 3 
 
 Dejar calentar hasta que no se observe más cambio de color y el burbujeo de CO2 en 
el agua de cal, disminuya sensiblemente. Dejar enfriar. 
 Coloque a la brevedad posible, la otra pinza Mohr en la manguera que conecta el tubo 
con el agua de cal del vaso de precipitado, para evitar que haya succión del líquido al 
interior del tubo. 
 Antes de introducir el ácido clorhídrico al matraz Erlenmeyer,para generar el agente 
reductor (hidrógeno), quitar la pinza Mohr que conecta éste con el tubo y se vuelve a 
calentar el óxido de cobre. Una vez hecho lo anterior, quitar también la otra pinza de 
ensaye para que fluya el hidrogeno residual y vapor de agua de la reacción (Figura 4). 
 Observa la reacción. ¿Cuál es la apariencia del producto? 
 
Resultados 
 
 
 
 
Figura 4 
Cobre 
7 
 
 
 Una vez obtenido el cobre, cierra la llave del gas y deja enfriar el tubo. 
 Pesar el producto de la reacción (Figura 5). 
 
 
Figura 5 
 
 Observa el fondo del vaso de precipitado que contiene el agua de cal (Figura 6) 
¿Qué observas? ¿La solución mantuvo su color inicial? 
 
 
Figura 6 
 
 Neutralizar los residuos de la reacción del HCl y el Zn con el agua de cal no utilizada 
(Figura 7). 
 
 
Figura 7 
Cobre 
8 
 
 
 Almacenar y disponer el residuo liquido en el lugar indicado por tu profesor. Enjuagar 
las tiras residuales de Zn, las cuales se pueden reusar en el futuro (Figura 8) 
 
 
Figura 8 
 
 
 
 
Cuestionario de evaluación 
 
 
1.- Escribe la reacción química de la calcinación del carbonato de cobre. 
__________________________________________________________________________ 
 
 
2.- ¿Cómo compruebas que el gas desprendido en la reacción es CO2? Escribe la reacción 
química correspondiente. 
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
3.- ¿Cuál es la reacción química con la que se obtiene el cobre metálico? 
__________________________________________________________________________ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
4.- De acuerdo con la serie electroquímica de los metales, ¿Por qué a altas temperaturas el 
hidrógeno desplaza al cobre de su óxido? ¿Por qué el Zn desplaza al hidrógeno del ácido 
clorhídrico? 
9 
 
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________ 
 
 
5.- Escriba la reacción química con la cual se obtuvo el hidrógeno Escriba cual es la reacción 
de oxidación y cual la reacción de reducción. ¿Cuál es el agente reductor y cuál es el agente 
oxidante? 
 __________________________________________________________________________ 
 __________________________________________________________________________ 
 __________________________________________________________________________ 
 __________________________________________________________________________ 
 __________________________________________________________________________ 
 
 
6.- ¿Cuál es la cantidad teórica de óxido de cobre y cobre metálico que se obtiene? ¿Cuál es 
el rendimiento de la reacción? 
 __________________________________________________________________________ 
 __________________________________________________________________________ 
 __________________________________________________________________________ 
 __________________________________________________________________________ 
 __________________________________________________________________________ 
 
Conclusión de acuerdo con la evaluación de los resultados 
 
Indicar: 
 Se logró o no el objetivo y porque 
 La hipótesis fue falsa o verdadera y porque 
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________ 
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________ 
10 
 
 
 
 
 
Bibliografía. 
 Cárdenas, A. (2001). Introducción a la química en la industria. México: CCH 
Naucalpan-UNAM. 
 Chang, R. (2010). Fundamentos de química. México: McGraw-Hill Interamericana 
Editores.