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RESUMEN
Las reacciones entre el carburode calcio y el hidruro de
calcio(hidrolita) frente a una sustanciatan comn como el agua,
consti-tuyen un interesante recurso didc-tico para la enseanza de
laQumica en los niveles preuniversi-tarios. Para ello se proponen
unaserie de experiencias secuenciadascon la finalidad de poner de
mani-fiesto y comprender algunos de losprincipios fundamentales de
laQumica a travs de la observaciny anlisis de fenmenos especficos,
de la toma demedidas cuantitativas y del cumplimiento de las
normasde seguridad con sustancias inflamables.
Entre los objetivos que se pretenden conseguir figuranel conocer
las propiedades y aplicaciones de dos pro-ductos industriales,
obtener dos combustibles connumerosas aplicaciones en la industria
qumica yanalizar algunas propiedades caractersticas delacetileno y
el hidrgeno.
INTRODUCCIN
Dos compuestos de calcio, el hidruro y el carburo, sir-ven para
poner en prctica importantes contenidosincluidos en el actual
currculo del Bachillerato: los cam-bios materiales y energticos en
procesos qumicos, laimportancia de las reacciones qumicas en la
sociedad,la aplicacin de la qumica del carbono en la industria,la
obtencin de sustancias en el laboratorio , el estudiode reacciones
de combustin, la valoracin de sustan-cias cido-base y el estudio de
un combustible no con-taminante como el hidrgeno.
Otro aspecto a considerar es el papel del agua en
estasreacciones, generalmente conocida por suspropiedades
refrigerantes y de disolvente universal,pero menos como
reactivo.
Se analizar tambin la capacidad que tienen tanto elcarburo como
el hidruro de calcio de servir como ge-neradores de combustible
cuando reaccionan con elagua, produciendo acetileno e hidrgeno
respectiva-mente. El hidrgeno lanzar en este siglo una nueva
revolucin industrial, tan poderosaen sus impactos comercial,
social ypoltico como el carbn y el vaporen el siglo XIX, y el
petrleo y elmotor de combustin interna en elXX. La preocupacin por
obtenernuevas fuentes de energa respe-tuosas con el medio ambiente
esgrande y en este sentido se estexperimentando, entre otras,
conpilas de combustible alimentadascon hidrgeno
I. EL CARBURO DE CALCIO EN ELLABORATORIO
En 1862 Friedich Wholer obtuvo por primera vez el car-buro de
calcio y su aplicacin para obtener acetileno,que ya haba sido
producido en 1836 por Edmond Davy.En 1897 se empezaron a utilizar
las primeras lmparasde carburo en bicicletas y en exploracin de
minas ycuevas, hasta que en la dcada de 1930 fue sustituidopor
sistemas de iluminacin elctrica y en los 40 su usoya era
considerado obsoleto, excepto en espeleologa,donde todava se
utiliza debido a las caractersticas dela luz que proporciona el
acetileno producido. El "car-burero" es un reactor que consta de 2
compartimentos,uno superior para el agua y otro inferior para el
carburoclcico. El superior tiene un tornillo regulador del flujode
agua, una salida de respiracin y otra para el gasque se conecta
mediante un tubo de plstico al casco.Un instrumento semejante es
utilizado por los poceroscomo sistema de alarma cuando la falta de
oxgenoapaga la llama.
El carburo de calcio es un producto industrial que seprepara por
reaccin directa del calcio o de su xidocon carbn de coque a
temperaturas del orden de2000 en horno elctrico:
EL CARBURO DE CALCIO Y LA HIDROLITA COMO GENERADORES DE
COMBUSTIBLE EN EL LABORATORIO
Foto 1 y 2. "Carburero" con casco de espeleologa y Seccinde un
"Carburero"
Jos L. de Luis GarcaDpto. Fsica yQumica. IES.
ROSA CHACEL.Colmenar Viejo
(MADRID):[email protected]
Fernando I.de Prada Prez de
AzpeitiaDpto. Fsica y
Qumica. IES. LASLAGUNAS. Rivas-
Vaciamadrid, [email protected]
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CaO + 3C ==>CaC2 + CO H=452 kJ
El carburo de calcio puro es una sustancia cristalina,incolora,
constituida por iones Ca 2+ y (C C)2-, pre-senta caractersticas
inicas, su estructura es de tipoNaCl, pero de simetra tetragonal en
vez de cbica, yaque la forma del anin origina un alargamiento de
unade las aristas del cubo. Es una sal de acetileno que sehidroliza
con facilidad. La hidrlisis es una reaccin deprotlisis en la que un
cido diprtico dbil (acetileno)se forma a partir de su base
conjugada (ion acetiluro),la cual acepta 2 protones de un cido ms
fuerte(agua).
Ca 2+ (C C)2- + 2H2O ==> HC CH + Ca(OH)2Midiendo el volumen
ocupado por el gas, en las condi-ciones de la experiencia, se puede
deducir la cantidadde acetileno producido, y a partir de aqu la
cantidad decarburo de calcio que lo origin. El acetileno es
ligera-mente soluble en agua (1040 mL/L a 20 C) por lo quese debe
recoger en disolucin acuosa de cloruro desodio en la que es menos
soluble.
En el laboratorio, esta reaccin se puede realizar fcil-mente,
aunque tomando algunas precauciones. Si par-timos del producto
bruto, el acetileno se obtiene conta-minado con trazas de hidruros
de fsforo, arsnico yazufre, que son los que le dan el olor
desagradable ca-racterstico.El acetileno es el primer compuesto de
la serie de losalquinos y el nico importante desde el punto de
vistaindustrial. Actualmente se obtiene a partir de derivadosdel
petrleo, como el metano, mediante oxidacin par-cial a elevada
temperatura (1500C):
6CH4 + 2O2 ==> 2C2H2 + 2CO2 + 10H2Es explosivo cuando se
calienta o comprime:
2C2H2 + 5 O2 ==> 4CO2 + 2H2O + 2599,2 KJ
La energa libre estndar de formacin es positiva(209,2 kJ/mol),
lo que significa que la molcula esinestable y tiene tendencia a
descomponerse.
La llama de oxgeno y acetileno alcanza elevadas tem-peraturas,
ms de 3000 C, la mayor de todos los com-bustibles, debido a la
cantidad de calor que se liberaen la descomposicin del acetileno, a
la que hay quesumar el calor de combustin del carbono y
delhidrgeno. En el aire arde con llama luminosa muyhumeante, con
deposito de negro de humo, debido a lacombustin incompleta del
carbono.
Aplicaciones del carburo de calcio:
El carburo de calcio se ha utilizado tradicionalmentepara la
obtencin de acetileno, uno de los productosintermedios ms
importantes en la industria qumica. Elacetileno o etino es un
reactivo de partida de un gran
nmero de productos para sntesis orgnica industrial(aunque est
siendo sustituido por el etileno en algunoscasos) : cloruro de
vinilo para plsticos, cianamida cl-cica, caucho neoprnico, acetato
de vinilo, disolventes,teres y esteres vinlicos y tambin para
soldaduraautgena y cortado de metales. En el proceso de fabricacin
del acero, el carburode calcio ha experimentado un desarrollo muy
impor-tante en los ltimos aos: mejora la colabilidad ylimpieza del
acero, restringe los humos y evita la reoxi-dacin de las
ferroaleaciones, debido a ser un fuertereductor y desoxidante que
disminuye eficazmente losxidos como FeO y MnO. En la determinacin
del contenido de agua de un ali-mento y medir de manera rpida el
contenido dehumedad en mezclas y pastas de suelos, arena, arcillau
otros materiales granulares. El mtodo se basa en lacantidad de gas
producido que es directamente propor-cional a la cantidad de agua
presente en la muestra. Elporcentaje de humedad se obtienen
mediante unmanmetro que mide la presin producida por el gas. En la
obtencin de cianamida clcica, utilizada comoabono nitrogenado, por
el mtodo de Frank-Caro: CaC2+ N2 ==> CaN(CN) + C producto que
reacciona con lahumedad del suelo hidrolizndose a amoniaco:
CaN(CN) + 3H2O ==>CaCO3 + 2NH3 En algunos pases, como Camern,
se utiliza el car-buro de calcio como mtodo de induccin floral, con
elfin de obtener cosechas durante todo el ao de pro-ductos muy
perecederos, como la pia, que no es posi-ble almacenarlos con
vistas a abastecer el mercadoregularmente. El Reglamento de la C.E.
prohbe estaprctica y obliga a seguir una floracin natural.
EXPERIENCIAS DIDCTICAS CON EL CARBURO DECALCIO
Material y reactivos
Embudo con llave, soporte con pinza de matraz, matrazde
destilacin de 250 mL, matraz erlenmeyer de 100mL, globo de plstico,
pinza metlica, mechero de gas,tapn de goma, tapn perforado, tubo
dedesprendimiento, probeta graduada, termmetro,barmetro,
cristalizador, cpsula de porcelana, embudoy frasco lavador.
Foto 3. Montaje para la determinacin de la pureza del car-buro
de calcio
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COMBUSTIBLE EN EL LABORATORIO
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Carburo de calcio, agua, cloruro de sodio, agua de cal(disolucin
saturada de hidrxido de calcio).
A) Determinacin de la pureza del carburo de calciopor
gasimetra
Procedimiento experimental
Realizar el montaje de la foto 3, ajustando los cie-rres para
que no se produzca perdida del gas. Llenar el cristalizador con
disolucin saturada decloruro de sodio en agua Se aaden 15 mL de
agua al embudo con la llavecerrada Se aade al matraz unos trozos de
carburo previa-mente pesados (0,5 g) procurando que est el
mnimotiempo en contacto con el aire, y se cierra rpidamente. Se
deja caer lentamente, gota a gota, el agua sobreel carburo de
calcio. El gas desprendido circula por el tubo lateral hastallegar
a la probeta invertida desplazando al agua.Cuando haya cesado el
desprendimiento de gas, seesperan unos cinco minutos para que la
probetaadquiera la temperatura ambiente. Se mide la temperatura y
presin en el momento dela experiencia. El volumen es preferible
medirlo a igualpresin interior y exterior (los mismos niveles
dentro yfuera de la probeta). Para determinar la presin parcialdel
acetileno seco hay que tener en cuenta que el gasrecogido en la
probeta es en realidad una mezcla deacetileno y de vapor de agua,
por lo que la presin totaldebida a ambos gases es igual a la
ambiente, obtenidaen un barmetro. A esta presin le restamos la del
vaporde agua saturada de cloruro de sodio.
Completar la tabla de datos y obtener el % de purezadel carburo
de calcio
Tabla de Datos:
B) Propiedades del acetileno
Se comprueban dos propiedades caractersticas delacetileno:
Inflamabilidad : utilizando una cpsula de porcelana conagua,
aadir un trozo de carburo de calcio y con unacerilla observar las
caractersticas de la llama.
Colocando encima de la llama de la cpsula de porce-lana un
embudo conectado mediante una goma a unfrasco lavador con disolucin
de agua de cal, se obser-var que despus de burbujear unos segundos
se pro-duce un enturbiamiento debido a la formacin de car-bonato de
calcio, que si se deja burbujear ms tiempose vuelve transparente
debido a la formacin de bicar-bonato de calcio.
Reaccin de combustin:
C2H2 + 5/2 O2 ==> 2 CO2 + H2O
Reconocimiento del CO2:
CO2 + Ca(OH)2 ==> CaCO3 + H2O
Formacin de bicarbonato:
CaCO3 + CO2 + H2O ==> Ca(HCO3)2
Explosin con aire: Se aade un trozo pequeo (deltamao de una
lenteja) de carburo de calcio en unmatraz erlenmeyer de 100 mL con
agua.Inmediatamente se ajusta un globo a la boca delmatraz. El
globo se hinchar a medida que se va pro-duciendo el acetileno. Una
vez terminada la reaccin seestrangula el globo para que no escape
el gas y se haceun nudo. Se aproxima el globo sujeto con una pinza
ala llama de un mechero tomando las precaucionesnecesarias y se
comprueba la detonacin del acetilenocon el aire.
Tabla 1. Presin mxima de vapor de agua sobre disolu-ciones
saturadas de NaCl
t C h mmHg
t C h mmHg
t C h mmHg
t C h mmHg
11 7,4 15 9,7 19 12,4 23 15,9
12 7,9 16 10,3 20 13,2 24 16,9
13 8,5 17 11,0 21 14,1 25 17,9
14 9,1 18 11,7 22 15,0 26 19,0
CaC2(g)
Vol.C2H2 T.Amb.C
PresinAmb.
PresinC2H2
PurezaCaC2%
Foto 4. Reconocimiento del CO2 producido en la combustindel
acetileno
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Clculos y cuestiones:
Formular y ajustar la reaccin de obtencin deacetileno Se podra
utilizar este mtodo para obtener la masamolecular del hidrocarburo?
Escribir y ajustar las reacciones correspondientes ala combustin
del acetileno hasta dixido de carbono yagua, y a la combustin
incompleta con cantidad deoxigeno insuficiente. Explica el proceso
de reconocimiento del dixido decarbono producido en la combustin
del acetileno Realiza los clculos para determinar la pureza
delcarburo de calcio inicial Qu volumen de acetileno medido en
condicionesnormales se podra obtener a partir de 1 g de carburode
calcio puro? Cul es el origen de las impurezas que presenta
elcarburo de calcio?
II. EL HIDRURO DE CALCIO EN EL LABORATORIO
El nombre comercial ms extendido del hidruro de cal-cio es el de
" hidrolita". Es un slido cristalino, blanco ogrisceo, no natural
que al reaccionar con agua, a tem-peratura ambiente, genera
hidrgeno. Esta reaccin sepuede utilizar didcticamente, bien
mediante la valo-racin del hidrxido obtenido o con la medida del
volu-men de hidrgeno desprendido para deducir el metalque forma
parte del hidruro metlico y comprobar algu-nas propiedades
caractersticas del hidrgeno.
Sntesis: El calcio reacciona directamente con elhidrgeno entre
200C y 400C formando hidruro decalcio, compuesto estable en oxgeno
seco a tempe-raturas elevadas, constituyendo un excelente
agentereductor.
Se produce con especial violencia cuando la reaccinse ha
iniciado, prosiguiendo a travs de todo el metaldebido al calor de
la reaccin que se libera, sin necesi-dad de aportar ms energa
exterior:
Ca + H2 ==> CaH2 + 174,5 KJ/mol
Propiedades:
El hidruro de calcio presenta carcter inico comoqueda confirmado
por la concordancia entre el valor dela energa reticular calculado
y el obtenido de datosexperimentales mediante el ciclo de
Born-Haber. Laestructura es la del PbCl2 en la que los iones
metlicosforman una estructura, aproximadamente, hexagonalcompacta,
con distancia Ca-Ca (3,60 ) ms corta queen la estructura cbica
compacta del metal (3,93).Energa reticular = - 2424 KJ/mol
Punto de fusin: 816 C (bajo gas hidrgeno).Temperatura de
descomposicin: 675 C .Excepto elLiH que funde a 680 C con
descomposicin parcial,todos los hidruros alcalinos y alcalinotrreos
se
descomponen por debajo de la temperatura de fusin.Sin embargo,
ha sido posible realizar la fusin delCaH2, disuelto en un eutctico
formado por LiCl-KCl,que funde a 360 C. Esta temperatura es
suficiente-mente baja para permitir la electrlisis del CaH2
disuel-to, y determinar la cantidad de H2 desprendido en elnodo,
sin la indeterminacin producida por eldesprendimiento de hidrgeno
en toda la masa pordescomposicin trmica del hidruro. Densidad: 1700
Kg/m3. Solubilidad en agua: se descompone por el agua. Solubilidad
en disolventes orgnicos: se descom-pone por cidos orgnicos y
alcoholes de baja masamolecular. No conductor en estado slido Con
el agua reacciona violentamente condesprendimiento de hidrgeno
formndose cal apaga-da. La liberacin de hidrogeno es mucho ms
violentaque la que se produce en la reaccin del calcio conagua.
CaH2 + 2H2O ==> Ca(OH)2 + H2
El hidruro de calcio produce por tomo de calcio doblecantidad de
hidrgeno que el calcio metlico. Por estarazn se emplea en algunos
casos como generador dehidrgeno. Tericamente 42 gramos de hidruro
de cal-cio desprenden 4 gramos de hidrgeno (44,8 litros degas en
condiciones normales de presin y temperatu-ra). En la prctica 1
kilogramo de hidruro de calcio pro-duce cerca de un metro cbico de
hidrgeno.
Es un reductores enrgico. El in H- posee un poderreductor
elevado, por ello los hidruros alcalinos yalcalinotrreos reaccionan
con el agua condesprendimiento de hidrgeno. H- + H+ = H2Potencial
de semireaccin: H2 + e- = H- (aq)Eo= -2.25v
El cloruro de sodio puede ser reducido a sodio conhidruro de
calcio y el monxido de carbono a metanal.
Foto 5. Estructura del hidruro de calcio
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Aplicaciones:
Agente desecante. Reactivo analtico en Qumica orgnica. Agente
reductor fuerte. Limpiador de obstrucciones en pozos de petrleo. El
hidruro de calcio acta como catalizador de hidro-genacin en la
conversin del etileno en etano. Mtodo de anlisis para la
determinacin del agua enmuestras de lquidos y slidos. Generador
porttil de hidrgeno en aeronutica ymeteorologa. Los globos
meteorolgicos de hidrgeno("pilot balloon") se emplean para
determinar la veloci-dad del viento a varias altitudes y la altura
de las nubes,pudiendo incorporarse en algunos modelos unradiosonda
para medir la temperatura y humedad.
EXPERIENCIAS DIDCTICAS CON EL HIDRURO DECALCIO
Material y reactivos
Probeta de 250 mL, bureta, pipeta, embudo, agitadormagntico,
matraz erlenmeyer, vaso de precipitados,cristalizador, vidrio de
reloj, tapn perforado, tubo degoma, guantes y gafas de
seguridad.
Hidruro de calcio ("hidrolita"), agua destilada,
indicadorcido-base, cido clorhdrico, papel azul de cloruro
decobalto y sulfato de cobre (II) anhidro.
A) Identificacin del metal de un hidruro
Se puede determinar el metal que acompaa alhidrgeno en un
hidruro mediante la reaccin con aguasegn: XHn + nH2O ==> X(OH)n
+nH2
N moles XH2 = N moles X(OH)2
Masa de hidruro/Masa molecular = N moles X(OH)n
Conocida la masa inicial de hidruro, y el nmero demoles de
X(OH)n se puede determinar la masa molecu-lar del hidruro utilizado
y en consecuencia, averiguar
cul es la naturaleza del metal alcalinotrreo. El nmerode moles
del hidrxido se determina a partir del puntode equivalencia en su
neutralizacin utilizando una vo-lumetra con cido clorhdrico 1,5
M.
Procedimiento experimental
Realizar el montaje de la fotografa n 3. Pesar con exactitud una
masa del orden de 0,15gramos del hidruro. Anotar la masa y tener en
cuenta lapureza de que se parte. Aadir el agua gota a gota sobre el
hidruro hasta quereaccione totalmente. Tomar 25 mL de la disolucin
resultante de X(OH)n,verter en un erlenmeyer de 100 mL con unas
gotas dedisolucin de fenolftalena. Llenar la bureta con una
disolucin 1,5 M de cidoclorhdrico. Dejar que el cido clorhdrico
caiga de la buretalentamente en el erlenmeyer que contiene la
disolucinde hidrxido metlico hasta que se alcance el punto
deequivalencia, detectable al volverse la disolucin incol-ora.
Repetir la valoracin con otra muestra de igual volu-men.
B) Propiedades del hidrgeno
Esta misma reaccin es susceptible de ser utilizadapara medir el
volumen de hidrgeno desprendido. A par-tir de la ecuacin de los
gases ideales, se calcula elnmero de moles de hidrgeno obtenidos y
teniendo encuenta la estequiometra de la reaccin podemos llegarpor
otra va a la determinacin del metal que forma elhidruro.
El hidrgeno se reconoce por ser un gas incoloro,inodoro, no
txico ni corrosivo, incomburente, menosdenso que el aire (14 veces
ms ligero que el aire), for-mar mezcla detonante con el oxgeno,
originar agua ensu combustin y por su llama azulada muy calorfica.
Aigualdad de peso es el combustible de tipo ordinario
Foto 6. Generador de hidrgeno para cargar globos
meteo-rolgicos
Foto 7. Valoracin con cido clorhdrico
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ms eficiente de todos. Estas propiedades se puedencomprobar a
partir del hidrgeno recogido en la probe-ta invertida dentro del
cristalizador.
En primer lugar, se da la vuelta a la probeta y se acer-ca a la
boca una cerilla encendida. Se produce unapequea detonacin del
hidrgeno con el oxgeno delaire formndose gotitas de vapor de agua y
producien-do un sonido caracterstico denominado "armnicaqumica". As
mismo se puede comprobar que elhidrgeno al ser menos denso que el
aire ha per-manecido en el interior de la probeta invertida. La
re-accin es exotrmica, liberndose energa en forma decalor, luz y
sonido:
2 H2(g) + O2(g) ==> 2 H2O (g) H= - 245 KJ/mol
El hidrgeno y el aire explotan cuando la mezcla con-tiene entre
un 4% y un 75% de hidrgeno. Fuera deeste rango la llama arde
silenciosamente. Esto se expli-ca por la dependencia exponencial de
la velocidad dereaccin con la temperatura. Cuando la energa de
unareaccin exotrmica no puede disiparse, la temperaturade la
reaccin se incrementa y sta se acelera.
Se puede comprobar antes de realizar la combustindescrita que
aunque la temperatura del hidrgeno esprxima a la del aire, sin
embargo se siente fro en lamano. Esto es as porque el hidrgeno es
mejor con-ductor del calor que el aire y absorbe calor de la manoms
rpidamente.
En segundo lugar, se recogen algunas gotas del lquido for-mado y
se comprueba que es agua utilizando papel azul decloruro de cobalto
o colocando en un vidrio de reloj unasgotas sobre sulfato de cobre
(II) anhidro, que se volver azul
Clculos y cuestiones:
1. Realiza los clculos indicados anteriormente paradeterminar la
masa molecular del hidruro e identificar elmetal que forma parte
del hidruro.2. Escribe la reaccin ajustada entre el hidruro de
calcioy el agua, y la que tiene lugar durante la valoracin.
3. Calcula utilizando la ecuacin general de los gaseslos moles
de hidrgeno obtenidos y a partir de la este-quiometra determina la
masa molecular del hidruro.4. Compara el valor obtenido mediante el
mtodovolumtrico con el obtenido con el mtodo gasimtrico.Qu mtodo es
ms preciso?5. Al tratar con agua un hidruro metlico de 0,84 g
seliber 896 mL de H2 en c.n. Cul es la masa molecu-lar del hidruro?
6. Para neutralizar la disolucin obtenida como resulta-do de la
reaccin del CaH2 con agua se gasto 43,67 mLde masa con la parte en
masa de HCl igual a 29,2%y densidad 1,145 g/mL. Qu volumen de H2
medido encondiciones normales se desprendi?.
Precauciones y tratamiento de residuos
Los reactivos de calcio utilizados en contacto con elagua
producen sustancias inflamables. Debe tenersecuidado de realizar
las experiencias en un lugar ventila-do o en vitrina. El hidruro de
calcio es corrosivo y combustible.Frases de riesgo : R11, R15, R34.
Tanto las mezclas de acetileno-aire y hidrgeno-oxgeno son
explosivas en un amplio intervalo de con-centraciones, por lo que
han de tomarse las debidasprecauciones, no debiendo existir ninguna
llama a unadistancia menor de 3 m del generador de combustible. A
elevadas concentraciones el acetileno puedecausar asfixia por
desplazamiento de aire. Sin efectopara la piel y los ojos. Frases
de Riesgo y seguridad:R5, R12, S9, S16, S33. En caso de incendio
originado por el carburo clcicoo el hidruro de calcio no utilizar
agua para intentar apa-garlo, utilizar extintores de polvo qumico,
tierra o arenaseca. Cuando se ha terminado la experiencia, se lleva
elmatraz generador a la vitrina y se aade agua hastaque el exceso
del reactivo de calcio utilizado se halladescompuesto totalmente. A
continuacin se aadecido clorhdrico para disolver el residuo y se
lava elmaterial en el sumidero con gran cantidad de agua. .
1) BREWER, R. y col. "Curso prctico de Qumica Orgnica".Ed.
Alhambra.
Madrid. 19822) GUTIERREZ ROS, E."Qumica Inorgnica". Ed. Reverte.
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SHAKHASHIRY B.Z. "Chemical Demostration" Vol.I .Ed.The University
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Wisconsin Press. 19836) TED LISTER. The Royal Society of
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