3.1: Separación de cationes del grupo I

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La precipitación selectiva de un conjunto del grupo I, es decir, plomo (II) (\(\ce{Pb^{2+}}\)), mercurio (I) (\(\ce{Hg2^{2+}}\)) y plata (I) (\(\ce{Ag^{+}}\)) se basa en la regla #3 de iones solubles en las pautas de solubilidad en la sección 1.1 que establece “Las sales de cloruro (\(\ce{Cl^{-}}\)), bromuro (\(\ce{Br^{-}}\)) y yoduro (\(\ce{I^{-}}\)) son solubles, excepto cuando el catión es Plomo (\(\ce{Pb^{2+}}\)), Mercurio (\(\ce{Hg2^{2+}}\)) o Plata (\(\ce{Ag^{+}}\)). La mejor fuente de\(\ce{Cl^{-}}\) para precipitar cationes del grupo 1 a partir de una solución de prueba es\(\ce{HCl}\), debido a que es un ácido fuerte que se disocia completamente en la producción de agua\(\ce{Cl^{-}}\) y\(\ce{H3O^{+}}\) los iones, ambos no se involucran en ninguna reacción indeseada bajo las condiciones.

La\(\ce{K_{sp}}\) expresión se utiliza para calcular\(\ce{Cl^{-}}\) que será suficiente para precipitar cationes del grupo 1. La concentración molar de iones cloruro es decir, [\(\ce{Cl^{-}}\)], en moles/litro en una solución saturada del compuesto iónico se puede calcular reordenando su respectiva\(\ce{K_{sp}}\) expresión. Por ejemplo, para la\(\ce{AgCl}\) solución,\(\mathrm{K}_{\mathrm{sp}}=\left[\mathrm{Ag}^{+}\right]\left[\mathrm{Cl}^{-}\right]\) se reorganiza para:

\[\left[\mathrm{Cl}^{-}\right]=K_{s p} /\left[\mathrm{Ag}^{+}\right]\nonumber\]

y para la\(\ce{PbCl2}\) solución, K _sp = [Pb ² ⁺] [Cl ^-] ² se reorganiza a:

\[\left[C l^{-}\right]=\sqrt{K_{s p} /\left[P b^{2+}\right]}\nonumber\]

La concentración de iones en la muestra desconocida son ~0.1 M. El taponamiento en el valor de 0.1M para\(\ce{Pb^{2+}}\) en la ecuación anterior muestra que [\(\ce{Cl^{-}}\)] en una solución saturada que tiene 0.1M\(\ce{Pb^{2+}}\) es 1.3 x 10 ^-2 M:

\[\left[C l^{-}\right]=\sqrt{K_{s p} /\left[P b^{2+}\right]}=\sqrt[2]{1.6 \times 10^{-5} / 0.1}=1.3 \times 10^{-2} \mathrm{M}\nonumber\]

Significa que\(\ce{Cl^{-}}\) una concentración de hasta 1.3 x 10 ^-2 M no causará precipitación a partir de la\(\ce{Pb^{2+}}\) solución 0.1M. Al aumentar\(\ce{Cl^{-}}\) por encima de 0.013M se eliminará\(\ce{Pb^{2+}}\) de la solución como un\(\ce{PbCl2}\) precipitado. Si se desea una eliminación del 99.9%, entonces se\(\ce{Pb^{2+}}\) dejará 1.0 x 10 ^-4 M en la solución y el [\(\ce{Cl^{-}}\)] tendrá que elevarse a 0.40 M:

\[\left[C l^{-}\right]=\sqrt[2]{K_{s p} /\left[P b^{2+}\right]}=\sqrt[2]{1.6 \times 10^{-5} / 1.0 \times 10^{-4}}=0.40 \mathrm{M}\nonumber\]

La solubilidad de\(\ce{Hg2Cl2}\) y\(\ce{AgCl}\) es menor que la de\(\ce{PbCl2}\). Entonces, un 0.40M\(\ce{Cl^{-}}\) eliminará más del 99.9% de\(\ce{Hg2^{2+}}\) y\(\ce{Ag^{+}}\) de la solución.

Una muestra de 20 gotas de la solución acuosa es de aproximadamente 1 mL. En estos experimentos, se recogen ~15 gotas de la solución de ensayo en un tubo de ensayo y\(\ce{HCl}\) se mezclan de 3 a 4 gotas de 6M con la solución. Esto da como resultado aproximadamente 0.9 mL de solución total que contiene de 1 a 1.3 M\(\ce{Cl^{-}}\), que es más del doble de la concentración necesaria para precipitar 99.9% de los cationes del grupo 1.

Se utiliza un reactivo concentrado (6M\(\ce{HCl}\)) para minimizar la dilución de la muestra de prueba debido a que la solución se centrifuga y se emplea el sobrenadante que se separa por decantación para analizar los cationes restantes. Un 12M\(\ce{HCl}\) está disponible, pero no se usa porque es un reactivo más peligroso por ser ácido fuerte más concentrado y también porque si la\(\ce{Cl^{-}}\) concentración se eleva a 5M o más en la solución de prueba, puede volver a disolverse\(\ce{AgCl}\), formando soluble en agua [\(\ce{AgCl2}\)] ^- ion complejo.

La adición de\(\ce{HCl}\) causa precipitación del catión del grupo 1 como suspensión blanca lechosa como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) y por las ecuaciones de reacción química a continuación. Los precipitados se pueden separar por filtración por gravedad, pero se puede lograr una separación más efectiva sometiendo la suspensión a centrífuga en un tubo de ensayo. La fuerza centrífuga obliga a que la suspensión sólida se asiente y se empaque en el fondo del tubo de ensayo del cual se puede verter la solución transparente, llamada sobrenadante, -un proceso llamado decantación. El precipitado se resuspende en agua pura agitando con una varilla de vidrio limpio, se centrifuga y se decanta de nuevo para lavar cualquier impureza residual. El precipitado lavado se usa para separar y confirmar los cationes del grupo 1 y el sobrenadante se guarda para el análisis de los cationes del grupo 2, 3, 4 y 5.

\[\ce{ Pb^{2+}(aq) + 2Cl^{-}(aq) <=> PbCl2(s)(v)}\nonumber\]

\[\ce{Hg2^{2+}(aq) + 2Cl^{-}(aq) <=> Hg2Cl2(s)(v)}\nonumber\]

\[\ce{ Ag^{+}(aq) + Cl^{-}(aq) <=> AgCl(s)(v)}\nonumber\]

Precipitados blancos de cationes del grupo I — Figura\(\PageIndex{1}\): Precipitados de cationes del grupo I formados como una suspensión tras la adición de\(\ce{HCl}\) gotas a la muestra de ensayo (izquierda), el precipitado se separó como un sedimento en el fondo del tubo de ensayo por centrifugación con un sobrenadante transparente en la parte superior (centro), y el precipitado resuspendido en lavado líquido (derecha).

El precipitado se separó por centrifugación del sobrenadante — Figura\(\PageIndex{1}\): Precipitados de cationes del grupo I formados como una suspensión tras la adición de\(\ce{HCl}\) gotas a la muestra de ensayo (izquierda), el precipitado se separó como un sedimento en el fondo del tubo de ensayo por centrifugación con un sobrenadante transparente en la parte superior (centro), y el precipitado resuspendido en lavado líquido (derecha).