PRACTICA #1: “PROPIEDADES “PROPIEDADES MOLARES PARCIALES”
OBJETIVO: Obtener la gráfica de volumen molar contra N 2 (fracción molar) de mezcla y por el método de los interceptos determinar volúmenes parciales molares para varias concentraciones.
MARCO TEÓRICO: “PROPIEDADES MOLARES PARCIALES”
Una solución binaria es aquella que está formada solo por un soluto y un disolvente. Aun cuando en química se encuentran soluciones con muchos componentes, las más comunes son las binarias, formadas por dos componentes. Algunas propiedades o características de las soluciones binarias son: -Son mezclas homogéneas, es decir, que las sustancias que la conforman ocupanuna sola fase, y presentan una distribución regular de sus propiedades físicas y químicas, por lo tanto al dividir la disolución en n partes iguales o distintas, cada una de las porciones arrojará las mismas propiedades físicas y químicas. -La cantidad de soluto y la cantidad de disolvente se encuentran en proporciones que varían entre ciertos límites. Por ejemplo, 100 g de agua a 0 ºC es capaz de disolver hasta 37,5 g de NaCl, pero si mezclamos 40 g de NaCl con 100 g de agua a la temperatura señalada, quedará un exceso de soluto sin disolver. -Sus propiedades físicas dependen de su concentración. concentración. -Sus componentes se separan por cambios de fases, como la fusión, evaporación, condensación, etc. -Tienen ausencia de sedimentación, es decir al someter una disolución a un proceso de centrifugación las partículas del soluto no sedimentan debido a que el tamaño de las mismas son inferiores a 10 Angstrom (ºA ). Las soluciones binarias se pueden clasificar de acuerdo con el estado físico del soluto y el solvente. Las soluciones pueden estar formadas por cualquier combinación de sustancias en los tres estados físicos de la materia, líquido, sólido o gaseoso, pero siempre constan de una sola fase. La solución tendrá siempre un solo estado físico que será determinado por el componente más abundante (solvente). Las propiedadesparciales molares son de gran utilidad en el estudio de soluciones, en donde el sistema depende también de la concentración de los distintos componentes de la solución. En principio será necesario tener claros los conceptos y fundamentos teóricos en los que se basa nuestro estudio; así como la información que se obtendrá de las magnitudes determinadas. El volumen de una disolución es una magnitud extensiva, depende de la temperatura, T, la presión, P, y de la composición ni ( i = 1, 2, ..., n). V = V ( T, P, n1, n2, ..., nn) La diferencial total de V es: dV= ( δV/δT )P, njdT + ( δV/δP)T,njdP + ( δV/δn1)T,P,njð1 dn1 + ...+ ( δV/δnn)T,P,njðndnn δV/δnn)T,P,njðndnn (0)
Se define volumen molar parcial, ðVi , de una sustancia i en una disolución como: ðVi = ( δV / δni)T, P,niðj (1)
Los volúmenes molares parciales son función de la temperatura, la presión y la composición fraccionaria, son magnitudes intensivas. Dada su definición los volúmenes molares parciales intervienen en la diferencial del volumen total a temperatura y presión constantes. dV = ð ðVidni (2) En otras palabras, el volumen molar parcial es la velocidad de cambio del volumen al aumentar la cantidad de sustancia i, manteniendo constante la presión, la temperatura y , las cantidades de los demás componentes. La definición implica que cuando se altera la composición al agregar una cantidad dnj de j, y una cantidad dni de i, el volumen total de la mezcla cambia. (Con jði). La integración de la ecuación (2) a temperatura, presión y composición constante conduce a la relación: V = ð ni ðVi (3) Si se considera una mezcla binaria de dos componentes (A y B), se comprueba que: Los volúmenes molares parciales de los componentes de una mezcla varían con la composición, debido a que en el entorno de cada molécula cambia cuando la composición cambia desde A puro a B puro. El volumen ocupado por un determinado número de moléculas depende de las moléculas que las rodean. El volumen de mezcla se define como: ðVmez (T, P, n1, ..., nn) = V - V* (4) Siendo V el volumen de la disolución y V* la suma de los volúmenes de los componentes puros. V* = ð ni ðV*i (5) Siendo ðV*i el volumen molar del componente puro. Teniendo en cuenta esta última expresión y la (3), se puede expresar el volumen de mezcla, sustituyendo en (4) como: ðVmez = ð ni ( ðVi - ðV*i ) (6) El volumen molar de mezcla será: ððVmez = ðVmez / n = ðV - ð xi ðV*i (7) También es interesante definir el volumen molar promedio de la disolución: ðV = V/n = V / (ðni) = ð xi ðVi (8)
donde se ha hecho uso de la ecuación (3) y de la definición de las fracciones molares. Sustituyendo (8) en (7): ððVmez = ð xi (ðVi -ðV*i) (9) En general, las magnitudes de mezcla informan sobre las interacciones intermoleculares existentes en la disolución en comparación con las existentes en los componentes puros. Normalmente después de la mezcla de dos líquidos se observa que el volumen de la disolución es distinto de la suma de los volúmenes de los componentes puros. Esto es debido a la diferencia entre las fuerzas intermoleculares y, a las diferencias entre el empaquetamiento de las moléculas en la disolución y su empaquetamiento en los componentes puros (debido a las diferencias de tamaño y forma de las moléculas que se mezclan). En nuestro caso, mezcla binaria de etanol y agua, los cambios de volumen de mezcla se deben totalmente a las variaciones de las interacciones moleculares. Para determinar el comportamiento del volumen de mezcla frente a la composición, se debe determinar primero la variación del volumen molar frente a la composición (véase gráfica 1). Cuando ya se conoce el volumen molar para cada fracción molar, aplicamos la fórmula (9) para calcular el volumen molar de mezcla. La determinación de los volúmenes molares parciales se hace a partir de las dos curvar anteriormente obtenidas. Se utilizan para ello dos métodos de cálculo: -Método de las tangentes, se emplea la representación de ðV frente a la fracción molar de etanol (x2). -Método de las intersecciones, se emplea la representación del ðððVmez frente a x2.
MATERIAL:
-Picnómetro -Matraz aforado de 50 ml (5) -Gotero o jeringa hipodérmica de 3 ml -Vaso de precipitados de 50 ml (2)
SUBSTANCIAS:
-Etanol -Agua destilada
EQUIPO:
-Balanza analítica
PROCEDIMIENTO:
Antes de iniciar el trabajo de campo, deberá hacer estimaciones (cálculos) sobre una base supuesta de aproximadamente 30 gr de peso total para cada mezcla (Esto es debido a que los picnómetros regularmente son de alrededor de 25 c.c.) Reparta las fracciones molares para el soluto entre 0 y 100%. Por ejemplo si A y B representan las especies solvente y soluto respectivamente, entonces para NA=0.15 y NB=0.85.Si se considera una mol de mezcla como base se tendrá que la misma pesa, en el caso de alcohol etílico-agua: (0. 15)(18)+(0.85)(46) = 41.8 gr. También se puede establecer que n A/nB=0.15/0.85 =0.1764, o sea nA=0.1764nB.
Ahora bien puesto que wi=niMi entonces por sustituciones podemos determinar cuanto debería tener en peso para cada constituyente en los 30 gramos de mezcla ya mencionados. Destare en cada caso los matraces aforados de 50 ml y por medio de un gotero o jeringa prepare lo más aproximado posible las soluciones. No es indispensable que tenga la fr acción molar prevista, sino que al existir aproximación vuelva a recalcular las fracciones molares en base a los pesos registrados. El picnómetro es un frasco pequeño cuyo volumen a sido determinado por el fabricante a una temperatura dada; dicho volumen está especificado en el frasco, así como un número de identificación que está en el frasco y en el tapón correspondiente. Si el frasco está sin daño alguno puede tomar el volumen del picnómetro dado por el fabricante, en caso contrario, o bien que el registro del tapón no coincida con el del frasco, deberá determinar con agua destilada (Consulte las tablas de densidad del agua a la temperatura existente en el medio ambiente). Pese el picnómetro vacío en la balanza analítica y registre este como Wpic. El picnómetro debe estar limpio y seco al iniciar su primera llenada, la cual debe hacerse hasta un punto solo ligeramente más alto de la parte más estrecha del picnómetro (ligeramente arriba del cuello del picnómetro) con el fin de que, al colocar el tapón se produzca un ligero derrame de líquido a través del capilar que tiene el tapón. Este exceso debe retirarse por medio de un papel suave absorbente o algodón, sin absorber el líquido del capilar. Pese ahora el picnómetro lleno con la mezcla y registre como Wpic+soln Siga el procedimiento descrito para cada mezcla, enjuagando con un mínimo de solución que se empleará al picnómetro.
RESULTADOS:
1. CALIBRACIÓN DEL PICNÓMETRO. Debido a que el picnómetro se encontraba quebrado de la tapa fue necesario calibrarlo determinado su volumen real.
*DATOS: W1 = Peso del picnómetro vacío= 16.7605 g W2 = Peso del picnómetro con agua destilada = 26.6838g Volumen del picnómetro establecido por el fabricante=10.098cm3 ρ del agua a temperatura ambiente de 21˚C = 0.997992
MASA DEL PICNÓMETRO= W2 – W1 MASA DEL PÍCNÓMETRO= 26.6838g – 16.7605g =9.9233g ρ=
VOLUMEN REAL DEL PICNÓMETRO =
VOLUMEN REAL DEL PICNÓMETRO =
= 9.9432 cm
3
2. DETERMINACIÓN DE LOS PESOS DEL SOLVENTE Y SOLUTO PARA LAS FRACCIONES MOLARES PROPUESTAS. *MEZCLA: AGUA (H2O) – ETANOL (C2H5OH) *FRACCIONES MOLARES PROPUESTAS PARA EL ETANOL (N 2 ):
SOLUCION 1: 0.2, SOLUCION 2: 0.4, SOLUCION 3: 0.6, SOLUCION 4: 0.8, SOLUCION 5: 0.95. N2= moles de soluto N1 =moles de solvente *Base 15g de mezcla (M1)(N1)+ (M2)(N2)=15g SOLUCION 1: N1 + N2 =1.0 N1 =0.8 N2 = 0.2
W = 1
W2= 15g – 9.1523g =5.8477g de etanol SOLUCION 2: N1 + N2 =1.0 N1 =0.6 N2 = 0.4
W = 1
W2= 15g – 5.5483g =9.4517g de etanol SOLUCION 3: N1 + N2 =1.0 N1 =0.4 N2 = 0.6
W = 1
W2= 15g – 3.1030g =11.897g de etanol SOLUCION 4: N1 + N2 =1.0 N1 =0.2 N2 = 0.8
W = 1
W2= 15g – 1.3352g =13.6648g de etanol SOLUCION 5: N1 + N2 =1.0 N1 =0.05 N2 = 0.95
W = 1
W2= 15g – 0.3025g =14.6975g de etanol
*TABLA CON PESOS CALCULADOS Y OBTENIDOS EN LA PRACTICA: PESOS CALCULADOS (g) AGUA ETANOL 9.1523 5.8477 5.5483 9.4517 3.1030 11.897 1.3352 13.6648 0.3025 14.6975
SOLUCION 1 2 3 4 5
PESOS OBTENIDOS (g) AGUA ETANOL 9.1620 5.841 5.5765 9.4356 3.1546 11.8473 1.4412 13.5704 0.4820 14.5303
*TABLA CON PESOS DEL PICNÓMETRO PESOS DEL PICNÓMETRO CON SOLUCIONES SOLUCION PESO (g) 1 26.1003 2 25.5763 3 25.2115 4 24.8844 5 24.7295
3. DETERMINACIÓN DE LA FRACCIÓN MOLAR REAL DEL SOLUTO Y DISOLVENTE SOLUCIÓN 1
0.8003
Moles Totales =0.6352 mol SOLUCIÓN 2
Moles Totales =0.5142 mol
SOLUCIÓN 3
Moles Totales =0.4322 mol SOLUCIÓN 4
Moles Totales =0.3747 mol SOLUCIÓN 5
Moles Totales =0.3422 mol
4. DENSIDAD DE LAS SOLUCIONES: WSOLUCION =WPICNÓMETRO CON SOLUCION – W picnómetro vacío SOLUCION 1
SOLUCION 2
SOLUCION 3
SOLUCION 4
SOLUCION 5
5. MOLALIDAD DE LA MEZCLA:
Solución 1
Solución 2
Solución 3
Solución 4
Solución 5
6. VOLUMEN ESPECIFICO DE LA SOLUCIÓN:
7. PESO MOLECULAR DE LA MEZCLA:
8. VOLÚMENES MOLARES DE LA MEZCLA
RESULTADOS FINALES:
SOLUCION
N2
1 2 3 4 5
0.1996 0.3982 0.5950 0.7867 0.9219
ρ
0.9393 0.8866 0.8499 0.8169 0.8014
MOLALIDAD
21.7856 71.4067 188.6134 545.845 1912.6556
PM Volumen ( ) molar 1.0646 1.1279 1.1766 1.2241 1.2478
23.6129 29.1797 34.6960 40.0693 43.8590
25.1382 32.9117 40.8233 49.0488 54.7272
Grafico de volumen molar vs N2 60 50 ) s o c i b ú c40 m c ( R A30 L O M N E20 M U L O V10
y = 3.6088x2 + 36.998x + 17.602 R² = 1
0 0
0.2
0.4
N2
0.6
0.8
1
OBSERVACIONES
-Debido a que el picnómetro se encontraba en malas condiciones fue necesario realizar una nueva calibración. -El picnómetro tenía un volumen establecido por el fabricante de 10.098 cm3 equivalente a su peso por lo que fue necesario tomar una base de cálculo de 15g y no de 30g como lo indica el procedimiento de la practica.
CONCLUCIONES
En esta practica recordamos como se lleva a cabo la calibración del picnómetro. A partir de mezclas binarias de agua y etanol con diferentes valores elegidos de fracciones molares para los cuales se calculó su peso,pudimos llevar a cabo la practica en el laboratorio y así obtener los valores experimentales de fracción molar real, densidad, molalidad, volumen específico, pesos moleculares de las mezclas, y a su partir de estos datos se obtuvo el valor del volumen molar. Una vez obtenidos estos valores realizamos la gráfica del volumen molar contra fracción molar real y el factor de regresión obtenido fue de 1 lo que nos indica que los valores obtenidos durante la experimentación de volumen molar para las diferentes fracciones molares elegidas tienen una correlación entre si y pueden ser aceptables para las mezclas de etanol y agua.
BIBLIOGRAFÍA:
http://www.buenastareas.com/ensayos/Propiedades-Molares-Parciales/3579899.html
DIAGRAMA DE FLUJO:
*CALIBRACIÓN DEL PICNÓMETRO
1.Pesar el picnómetro vacío y registrar su peso
2. Llenar con agua destilada hasta ligero exceso y tapar
*OBTENCIÓN DE MEZCLAS DE AGUA-ETANOL:
1.Seleccionar substancias2.Según los pesos calculados en este caso agua y etanol pesar las cantidades requeridas de agua-etanol en balanza analítica
3. Pesar el picnómetro lleno y registrar su peso
3.Realizar las pesadas para cada mezcla a cada normalidad de soluto establecida
