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OBTENCIÓN DE IODO

P 8 Química Inorgánica OBTENCIÓN DE IODO (P8) Objetivo ...

Enviado* el 31/12/2010 18:26
P 8                                                                                                                          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] 4 d10 5 s2 5 p5 .  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 1
P 8                                                                                                                          Química Inorgánica 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-  +  MnO 2  +  4H+  ?   I 2  +  Mn2+  +  2H 2 O (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 50- 100 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-  +  Cl 2  ?   I 2  +  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 NaNO 3 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 NaIO 3 .  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: 2IO 3 -  +  6HSO 3 -   ?   2I-  +  6SO 4 2-  +  6H+  (3) 5I-  +  IO 3 -  +  6H+   ?   3I 2  +  3H 2 O   (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 I 2 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: I 2 (s)  +  I- (ac)  ? I 3 - (ac)       (5) 2
P 8                                                                                                                          Química Inorgánica A su vez, el iodo es bastante soluble en solventes apolares como CS 2 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: X 2 (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: I 2  +  H 2 O  ?   2I-  +  ½O 2 +  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 CHI 3 y el ioduro de metilo CH 3 I. 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 I 2 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 K 2 [HgI 4 ] (reactivo de Nessler) se usa para detectar amoníaco. 3
P 8                                                                                                                          Química Inorgánica Procedimiento experimental El procedimiento de obtención consiste en la reducción de iodato por bisulfito según: 2IO 3 -  +  5HSO 3 -  ?   I 2  +  5SO 4 2-  +  3H+  +  H 2 O (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 I 3 - . 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  +  H 2 O  ?   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: I 2  +  2S 2 O 3 2-  ?   2I-  +  S 4 O 6 2-   (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. 4
P 8                                                                                                                          Química Inorgánica Técnica Obtención y purificación 1. Verter 100 mL de una solución saturada de KIO 3 (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 NaHSO 3 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. 5
P 8                                                                                                                          Química Inorgánica 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(SO 4 )·5H 2 O, de color azul,  las moléculas de agua se encuentran unidas directamente al catión Cu2+.  Por calentamiento es posible obtener la sal anhidra CuSO 4 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. 6
P 8                                                                                                                          Química Inorgánica 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 7
P 8                                                                                                                          Química Inorgánica ASIGNATURA: Química Inorgánica FECHA     GRUPO INFORME I 8 OBTENCIÓN  DE IODO INTEGRANTES DATOS Y CÁLCULOS moles de KIO 3 utilizados                                                              ______________mol volumen de solución de NaHSO 3 utilizado                                   ________________mL masa de  I 2 a obtener (teórica)                                                       ________________g masa de  I 2 obtenida        ________________g rendimiento        ________________

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