DETERMINACIÓN DE CONSTANTES FÍSICAS
PRÁCTICA Nº 3 DETERMINACIÓN DE CONSTANTES FÍSICAS OBJETIVOS a) Apli Aplica carr la dete determ rmin inac ació ión n de co cons nsta tant ntes es físi física cass co como mo criterio de pureza. b) Determinar Determinar la identid identidad ad de una muestra muestra problema problema a partir partir de la medición de su punto de fusión o ebullición, corrrelac co elacio ion nándo ándola lass co con n los los valo valorres repo eportado tadoss en la bibliografía.
I.
PRINCIPIO IOS S TEÓRICOS Cada especie química o sustancia pura posee un conjunto de propiedade propiedadess físicas físicas y químicas químicas propias propias por las cuales cuales puede puede caracterizarse. De ellas son las constantes físicas las que nos perm permit iten en es esta tabl blec ecer er la iden identi tida dad d de un co comp mpue uest sto o puro puro,, considerándolas como criterio de pureza. Entre ellas tenemos la determinación del punto de fusión en un sólido y el punto de ebullición en un líquido. TEMPERATURA TEMPERATURA DE FUSIÓN: Al ca cale lent ntar ar un só sóli lido do cris crista tali lino no,, sus sus átom átomos os vibr vibran an co con n má máss energía. En cierto momento alcanzará una temperatura a la que estas vibraciones alteraran el orden de la estructura cristalina, los átomos pueden deslizarse unos sobre otros, el sólido pierde su forma definida y se convierte en una sustancia líquida. Este proces proceso o es denomi denominad nado o fusión y la tem temper peratur atura a a la que que suced sucede e es la temp temper erat atur ura a de fusi fusión ón.. El proc proces eso o inve invers rso, o, la conversión de un líquido en sólido, se llama solidificación o congelación y la temperatura a la que sucede temperatura de congelación. El punto de fusión de un sólido y el punto de solidificación de un líquido son idénticos. A la temperatura de fusión el sólido y el líquido coexisten en equilibrio. La determinación de la temperatura de fusión de una sustancia orgánica cristalina, está dada por la temperatura a la cual dicha sustancia sólida pasa a estado líquido, lo cual permite formarse una idea bastante exacta de su grado de pureza. Por lo general, la temperatura se mide con un termómetro, que consiste de un tubo capilar conectado en un extremo a un bulbo de paredes delgadas, el cual está lleno con un cierto líquido (com (común únme ment nte e me merc rcur urio io). ). A me medi dida da que que la temp temper erat atur ura a del del 1 UTP | Laboratorio de Química
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bulbo se eleva, el líquido se expande y sube por el capilar. La altura que alcanza el líquido en el capilar depende proporcionalmente de la temperatura. Los termómetros más usados para dicho fin son: Termómetros de Mercurio. Son los de uso más corriente pues miden las temperaturas ordinarias. Pueden registrar temperaturas en el rango de -39 °C a +350 °C. •
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Termómetros para baja temperatura. El mercurio se sustituye por otros líquidos, generalmente coloreados. Los líquidos más utilizados son: alcohol (-110 °C a +40 °C), toluol (-90 °C a 110 °C) y éter de petróleo (-200 °C a +20 °C).
Las principales causas de error en las lecturas de temperatura se deben a descalibración del termómetro la cual puede ser causada por diferentes factores tales como: • •
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Contracción del vidrio por envejecimiento Resistencia que opone el capilar al movimiento del mercurio Evaporación del mercurio cuando las temperaturas son altas Dilatación no uniforme del mercurio
El sistema para determinar la temperatura de fusión de un sólido se prepara introduciendo una pequeña cantidad de muestra en un tubo capilar, sellándolo y atándolo a un termómetro justo a la mitad del bulbo de este y se calienta lentamente dentro de un tubo de Thiele provisto con un baño de aceite. Las sustancias puras funden regularmente a intervalos de máximo 1 °C, mientras que las mezclas lo hacen en intervalos de hasta 20 °C. Para colocar la muestra en el capilar sellado, se coloca dicha sustancia en una luna de reloj formando un cerrito y luego presionando el capilar sobre ella. Luego se voltea el capilar y se pasa a través de un tubo de vidrio largo, soltándolo con cuidado para que no se rompa, de tal forma que la muestra se compacte en la base del capilar.
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Un punto de fusión fijo puede indicar que: a. La sustancia es químicamente pura b. La sustancia es una mezcla eutéctica de dos o más compuestos, la cual es una mezcla sólida cuyo punto de fusión es inferior al de cada uno de los componentes por separado. Un punto de fusión indefinido puede indicar que: a. La sustancia es impura b. La sustancia es pura pero el producto puede haber sufrido una descomposición, luego los productos resultantes actúan como impurezas y bajan el punto de fusión c. La sustancia es una mezcla azeotrópica de dos o más compuestos. TEMPERATURA DE EBULLICIÓN: La energía cinética de las moléculas de un líquido, está cambiando continuamente a medida que chocan con otras moléculas. En cualquier momento, algunas de las moléculas de la superficie adquieren suficiente energía para superar las fuerzas de atracción y escapan a la fase gaseosa ocurriendo la evaporación. La velocidad de evaporación aumenta a medida que se eleva la temperatura del líquido. La temperatura de ebullición normal de un líquido se define como la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido se iguala a la presión atmosférica. En este punto, el vapor no solamente proviene de la superficie sino que también se forma en el interior del líquido produciendo burbujas y turbulencia que es característica de la ebullición. La temperatura de ebullición permanece constante hasta que todo el líquido se haya evaporado. Cuando se habla de la temperatura de ebullición se debe especificar la presión (siempre que sea posible referirse a 760 mmHg), dado que la temperatura de ebullición de un líquido varía notablemente con la presión. El procedimiento para medir un punto de ebullición consiste en colocar dentro de un tubo de vidrio de aproximadamente 7 cm de longitud por 3 - 5 mm de diámetro, una pocas gotas de la sustancia problema a medir, y en colocar dentro de este tubo, un capilar con su extremo superior sellado al calor. Se ata 3 UTP | Laboratorio de Química
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entonces este sistema a un termómetro y se procede como en el caso anterior. La temperatura de ebullición se determina del promedio de valores cuando del tubo capilar comienza a brotar una rápida sucesión de burbujas (T 1) y al retirar la llama del mechero, al momento de ingresar el líquido al capilar (T2). Un punto de ebullición definido indica que el líquido es puro o que se trata de una mezcla azeotrópica de dos o más compuestos, la cual es una mezcla líquida cuyo punto de ebullición es constante y la composición en el vapor es idéntica a la composición en el líquido. Un punto de ebullición no preciso indica que la sustancia es impura. El estudio de las presiones de vapor y por consiguiente de los puntos de ebullición es la base de la operación de destilación. Ejemplos de muestras a las cuales se les ha determinado su punto de fusión o ebullición: Sustancia Sólida Naftaleno Fenol Ácido Benzoico
Punto de Fusión 80,0 °C 42,0 °C 121 °C
Ácido Cítrico Glucosa Urea Furano Dioxano
100 °C 90 °C 132 °C 32 °C 102 °C
Sustancia Líquida Acetato de Etilo Cloroformo Alcohol Isopropílico Ciclohexano n-Hexano Tolueno Acetona benceno
Punto de Ebullición 77 °C 61 °C 83 °C 80 °C 68 °C 111 °C 56 °C 80 °C
Algunas de las recomendaciones para un buen trabajo en el laboratorio con respecto a este último tema son: Calentamiento uniforme, que evite un sobrecalentamiento y una posible descomposición de la muestra. Capilares limpios y secos. Empacar firmemente el capilar, asegurándonos que no quede vacíos en la muestra. Anotar la presión atmosférica a la cual se trabaja para el caso del punto de ebullición. Verificar el termómetro con el que se va a trabajar. •
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II.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: 4 UTP | Laboratorio de Química
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a) Materiales: - Vaso de precipitados - Tubo de Thiele - Termómetro - Tubo de prueba - Capilares de 5cm de largo - Liga o pita - Soporte universal - Pinza con nuez - Plancha eléctrica
b) Reactivos Muestras sólidas: - Ácido benzoico - Ácido Oxálico Muestras líquidas: - Acetona - Alcohol etílico Baños: - Agua - Aceite
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c) Procedimiento PUNTO DE FUSIÓN: Método del Tubo Capilar o de Fusión Lenta Una sustancia seca se pulveriza en un mortero o con una espátula sobre una luna de reloj. El polvo es introducido en un tubo capilar (uno de cuyos extremos debe haber sido cerrado a la llama) de modo que conforme una capa de 2 mm de altura más o menos, esto se logra presionando el extremo abierto del capilar sobre la muestra varias veces con golpes suaves. Después se adhiere el capilar al termómetro de manera que la muestra quede junto al bulbo del termómetro y en conjunto se introducen en un tubo Thiele con baño de aceite. Se inicia el calentamiento con una llama mediana manteniendo el mechero inclinado y moviéndolo continua y lentamente para que el calentamiento sea uniforme. Si la sustancia tiene un punto de fusión alto, puede calentarse al principio rápidamente hasta las proximidades del punto de fusión, disminuyendo entonces la calefacción para que la temperatura ascienda lentamente. Cuando la materia se reblandece y empieza a fundir tornándose transparente, anotar la temperatura (T1) .Cuando toda la sustancia se funde anotar la temperatura (T2).
PUNTO DE EBULLICIÓN Se coloca 1 mL de la sustancia en el tubo de ensayo y se sumerge en el líquido, un tubo capilar de 5 cm. de largo con el extremo cerrado invertido (hacia arriba). Se sujeta el tubo al termómetro mediante un trocito de jebe, alambre o hilo y todo el conjunto se sumerge en un baño adecuado (agua o aceite). Se calienta lentamente hasta que la muestra hierva desprendiendo un hilo de burbujas continuo, anotar la temperatura (T1) en el instante en que el liquido empiece a ascender en el tubo capilar anotar la temperatura (T2). 6 UTP | Laboratorio de Química
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Nota: Para ambos casos, de acuerdo a la tabla disponible identifique el compuesto, por su punto de fusión o ebullición, calcule el porcentaje de error.
(° C)
SUSTANCIA
PUNTO DE EBULLICIÓN
Benceno Acetona Alcohol etílico Cloroformo n-hexano Metanol
80.1 56.0 78.5 65.0
SUSTANCIA
PUNTO DE FUSIÓN (° C)
Anhídrido ftálico A-Naftol Ácido benzoico Ácido oxálico Acetanilida Urea
III.
IV.
61.0 81.4
130,8
96,0 121,7 101,5 113,4 132,0
TABLA DE RESULTADOS Muestra
Punto Fusión Teórico
Punto Fusión Experimental
Porcentaje de Error
Muestra
Punto Ebullición Teórico
Punto Ebullición Experimental
Porcentaje de Error
CUESTIONARIO 1.
¿Por qué es importante: a) empacar firmemente la muestra en el capilar, b) calentar lenta y moderadamente el líquido del baño cerca al punto de fusión, c) usar capilares limpios y secos?
2.
Explicar por qué el tubo de Thiele tiene esa forma para determinar el punto de fusión. 7 UTP | Laboratorio de Química
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3.
Explique el método semimicro de Siwoloboff en el punto de ebullición.
4.
¿Cuál es la teoría molecular que sustenta el mayor o menor punto de ebullición de un compuesto con respecto a otro?
5.
Defina que es la constante Ebulloscópica y la constante Crioscópica.
6.
¿Qué otras constantes físicas se pueden utilizar para establecer la identidad de una sustancia sólida?
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