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ÍNDICE
……………………………………………………………..3
1.
RESUMEN
2.
INTRODUCCION……………………………………………………………. 4
3.
PRINCIPIOS TEÓRICOS…………………………………………………… 5
4.
DETALLES EXPERIMENTALES …………………………………
5.
TABULACIÓN DE DATOS……………………………………………….. 10
6.
EJEMPLOS DE CÁLCULOS……………………………………………….. 16
7.
ANALISIS Y DISCU SIÓN DE RESULTADOS……………………….. 20
8.
CONCLUSIONES…………………………………………………………….. 21
9.
RECOMENDACIONES…………………………………………………….. 21
10.
BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………….. 22
11.
APÉNDICE……………………………………………………………………… 23
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2
RESUMEN El objetivo de esta experiencia fue determinar la conductividad de soluciones acuosas de electrolitos fuertes y débiles y su relación con la concentración y temperatura. Las condiciones de laboratorio en las que se trabajó fueron presión: 756 mmHg, temperatura: 23°C y humedad relativa: 98%.
En esta experiencia, primero se preparó una solución de KCl 0.01 M. Luego se halló la normalidad corregida del NaOH previamente valorada con biftalato de potasio, y se usó este para hallar la normalidad corregida del HCl y CH3COOH, para después preparar soluciones diluidas de estos 2 compuestos compuestos al 0.01 N, 0.002 N y 0.00064 N. Terminado de preparar las distintas soluciones, se procedió a medir la conductividad eléctrica de cada solución preparada, para ello se calibró el instrumento haciendo uso de la solución estándar de H17030, luego se midió la conductividad de cada solución empezando por el , y luego los ácidos.
Una conclusión es que, se puede decir que, para los electrolitos débiles, su conductividad equivalente aumenta considerablemente con la dilución. Mientras que, para los electrolitos fuertes, su conductividad equivalente aumenta con la dilución, aunque en menor cantidad comparándolo con el de los electrolitos débiles.
Es recomendable realizar el adecuado calibramiento del conductimetro según la temperatura a la que se encuentra la solución que ayudara en el calibramiento para obtener resultados deseados.
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3
INTRODUCCION
En este experimento determinaremos la conductividad de las soluciones electrolíticas que determinaremos en laboratorio de soluciones acuosas y determinaremos como es que influye o se relaciona con la concentración y temperatura. La primera medición de la conductividad eléctrica que se realizó, se utilizó la corriente alterna. la conductividad de las soluciones desempeña un importante papel en las aplicaciones industriales de la electrólisis, ya que el consumo de energía eléctrica en la electrólisis depende en gran medida de ella. Las basicidades de los ácidos pueden ser determinadas por mediciones de la conductividad. El método conductimétrico puede usarse para determinar las solubilidades de electrólitos escasamente solubles y para hallar concentraciones de electrolitos en soluciones por titulación. La base de las determinaciones de la solubilidad es que las soluciones saturadas de electrólitos escasamente solubles pueden ser consideradas como infinitamente diluidas. Midiendo la conductividad específica de semejante solución y calculando la conductividad equivalente según ella, se halla la concentración del electrolito, es decir, su solubilidad. Un método práctico importante es el de la titulación conductimétrica, o sea la determinación de la concentración de un electrolito en solución por la medición de su conductividad durante la titulación. Este método resulta especialmente valioso para las soluciones turbias o fuertemente coloreadas que con frecuencia no pueden ser tituladas con el empleo de indicadores.
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PRINCIPIOS TEÓRICOS CONDUCTIVIDAD La conductividad es la capacidad que tienen las sustancias para conducir la corriente eléctrica, esta conducción puede llevarse a cabo mediante electrones, iones en disolución o iones gaseosos. La conductividad en disoluciones se pue de expresar como:
CONDUCTANCIA ELÉCTRICA La conductancia eléctrica puede clasificarse según los siguientes tipos: •
Conductancia Metálica, la cual es el resultado de la movilidad de los electrones. Los
conductores metálicos se debilitan a temperaturas elevadas ya que es más difícil para los electrones atravesar la estructura cristalina cuando los elementos que forman la estructura están en un movimiento térmico más activo.
•
Conductancia Electrolítica, la cual es el producto de la movilidad de los iones. Los
conductores electrolíticos se vuelven mejores conductores al elevarse la temperatura, ya que los iones pueden moverse a través través de la solución más rápidamente a temperaturas más elevadas cuando la viscosidad es menor y hay menos solvatación de los iones.
•
Semiconductores, son los sólidos que contienen iones junto con vacíos iónicos, los
cuales se mueven bajo la influencia de un campo. Los vacíos iónicos, en la estructura cristalina, se llaman huecos. Cuando se llena un hueco con un ion, se crea otro hueco en otra posición, y de este modo, el hueco se mueve y contribuye a la conductividad del sólido. Los semiconductores se vuelven mejores conductores a temperaturas más altas, en donde más cantidad de iones tienen la energía de activación necesaria para moverse a otra posición dentro de la estructura. La conductancia de los semiconductores aumenta exponencialmente con la temperatura absoluta.
•
Conductancia eléctrica en los gases, por medio de iones gaseosos y electrones.
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5
La resistencia R de un conductor uniforme es directamente proporcional a su longitud l e inversamente proporcional a la superficie de su sección A.
CONDUCTIVAD ELÉCTRICA (L): La conductividad eléctrica se define como la inversa de la resistencia ofrecida por una solución al paso de la corriente eléctrica. Su unidad es el .
Donde
es la resistivi resistividad dad y
es la conductividad conductividad específica específica , la cual depende de la
naturaleza del electrolito y su concentración, y se expresa en
; y
depende de
aspectos geométricos relacionados con la celda de conductividad. Ordenando adecuadamente la ecuación (2) se tiene:
La relación
se denomina constante de celda, donde: es distancia entre los electrodos y
área de los mismos.
CONDUC CONDUCTIV TIVIDA IDAD D EQUIV EQUIVALE ALENTE NTE ( ): Es la conductividad generada por cada
de los iones en disolución. Se
expresa en
Donde N es la normalidad de la solución. El significado de la conductancia equivalente puede captarse, imaginando una celda de 1cm cuadrado y de una altura indefinida. Dos de las paredes opuestas son de metal y actúan como electrodos. Cuando se llena la celda a una altura de 1cm, el valor recíproco de la resistencia es la conductividad específica. Cuando se llena la celda con un volumen V determinado, de
6
6 solución que contenga 1 equivalente-gramo de un electrolito disuelto, la solución alcanzará una altura de V centímetros en la celda, y el valor reciproco de la resistencia medida será la conductancia equivalente.
COND CO NDUC UCTI TIVI VIDA DAD D EQUI EQUIVA VALE LENT NTE E A DILU DILUCI CIÓN ÓN INF INFIN INIT ITA A(
:
Es el valor al cual tiende la conductividad equivalente de todas las soluciones electrolíticas al aumentar la dilución. De acuerdo al valor de la conductividad, los electrolitos se pueden clasificar en: A)
Fuertes: Los que poseen una conductividad eléctrica elevada y ligero aumento de ésta
con la dilución. Ej.: B)
Débiles: Los que se caracterizan por poseer conductividad eléctrica baja y gran
aumento con la dilución. Ej.: Si se relaciona la conductividad equivalente de un electrolito fuerte con la raíz cuadrada de la conc concen entr trac ació ión, n,
, se se obti obtien enee una una líne líneaa rect rectaa que que ext extra rapo pola lada da a conc concen entr trac ació ión n igu igual al a
cero, da un valor exacto de la conductividad equivalente límite, cumpliéndose con la Ley de Kohlrausch:
IONIZACIÓN DE LOS ELECTROLITOS DÉBILES Los electrolitos débiles no cumplen con la Ley de Kohlrausch. El proceso de disociación de un electrolito débil puede ser representado por
y eligiendo los estados de
referencia adecuados, se tiene la siguiente expresión para la constante de equilibrio del proceso de disociación:
Arrhenius sugirió que el grado de disociación de un electrolito débil, como el ácido acético, podría calcularse basándose en la conductancia con ductancia ya medida del electrolito y en la conductancia equivalente a dilución infinita. Si el cambio en la conductancia de los iones a causa de la concentración, se considera despreciable y se supone que la única influencia de la dilución
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7 sobre la conductancia equivalente de un electrolito débil consiste en el aumento de la disociación de los iones. El electrolito no disociado, no tiene conductancia porque no está cargado. Si en la solución se tiene 1 equivalente de electrolito, habrá α equivalentes de cada ion.
La constante de disociación para electrolitos débiles, también se puede expresar en función al grado de disociación:
Combinando las ecuaciones (5) y (6) y reordenando los términos adecuadamente se obtiene la Ley de dilución de Ostwald:
Esta ecuación es lineal, donde
son magnitudes constantes, y el gráfico de
, permite calcularlas.
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8
DETALLES EXPERIMENTALES MATERIALES Y REACTIVOS: Materiales: Conductímetro, Erlenmeyers de 250mL, Pipetas de 2, 5, 10,20mL, Fiolas de 100mL, Bureta, Probeta, Vasos, Bagueta, Papel filtro.
Reactivos: , , H17030, Biftalato de potasio.
,
,Fenolftaleína, Solución estándar
Para realizar este experimento se comenzó lavando todos los materiales de vidrio y poniendo a la estufa solo las pipetas, se comenzó preparando preparando 100 mL de una solución solución de KCl 0.01M, luego se preparamos 250 mL de soluciones 0.01, 0,002 y 0.00064 N de H Ac y HCl a partir de 0.05 N, valoramos las soluciones de NaOH, HAc y HCl, se usara BHK como patrón primario, calibraremos el conductimetro con una solución estándar a la temperatura a la que se encuentra en el laboratorio, medir las soluciones preparadas realizando el lavado del conductimetro antes de cada medición, en la probeta con una pequeña cantidad de muestra a calcular.
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TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS Tabla N°1: Condiciones de laboratorio
P(mmHg)
T(°C)
H.R.(%)
756
23
98
Tabla N°2: Datos experimentales Tabla N°2.1.: Estandarización de soluciones Tabla 2.1.1.: Valoración del
NaOH ≅ 0.01N con Biftalato de Potasio (BHK)
(g) (g/mol) (N) Tabla 2.1.2: Valoración del
NORMAILDAD(N)TEORICA
0.02033 9.2 204.22 0.0108
HCl ≅ 0.05N;0.01N; 0.002 Ny 0.00064N con NaOH ≅ 0.01N 0.05
0.01
0.002
0.00064
2
10
20
40
9.75
9.4
3.65
2.65
10
10
(N)
Tabla 2.1.3: Valoración del
NORMAILDAD(N)TEORICA
(N)
0.0526
0.0102
0.00197
0.00072
HAc ≅ 0.05N;0.01N; 0.002 Ny 0.00064N con NaOH ≅ 0.01N 0.05 N
0.01 N
0.002 N
0.00064 N
2
10
20
40
9.1
9.0
3.55
2.6
0.04914
0.00972
0.00192
0.0007
Tabla N°2.2: Medidas de las conductividades de las soluciones. Tabla N°2.2.1: para el HCl
μS)
(N)
Conductividad(
0.0526
19730
0.0102
3970
0.00197
719
0.00072
256
Tabla N°2.2.3: para el CH3COOH
μS)
(N)
Conductividad(
0.04914
11800
11
11 0.00972
291
0.00192
97.9
0.0007
51.3
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Tabla N°3: Datos teóricos Tabla N°3.1 : Datos de las constantes de ionización y de conductividad específica.
KCl
K(25°c) 1.413 x10-6 S/cm
HAc
HCl
Ki
ʌoo
1.8x 10-5
390.6 s.cm2.eq-1
ʌoo 426 s.cm2.eq-1
Tabla N°4: Resultados y porcentajes de error. Tabla N°4.1: Conductividades específicas. Tabla 4.1.1: Conductividades específicas obtenidas para el
N(N) 0.0526 0.0102 0.00197 0.00072
HCl
Constante de celda cm− 1.00355 1.00355 1.00355 1.00355
kμS/cm 19800.04 3984.09 721.55 256.91
13
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Tabla 4.1.2: Conductividades específicas obtenidas para el
HAc
(N) 0.04914 0.00972 0.00192 0.0007
Constante de celda cm− 1.00355 1.00355 1.00355 1.00355
kμS/cm 11841.89 292.03 98.25 51.48
Tabla N°4.2: Conductividades equivalentes obtenidas Tabla 4.2.1.: Conductividades equivalentes obtenidas para el
(N)
.. −
HCl /
0.0526
377.763
0.229
0.0102
391.984
0.101
0.00197
367.569
0.044
0.00072
358.086
0.027
Tabla 4.2.2: Conductividades equivalentes obtenidas para el
HAc
(N)
.. −
0.04914
241.838
0.222
0.00972
30.151
0.099
0.00192
51.354
0.044
0.0007
73.754
0.026
/
14
14
Tabla N°4.3: datos para graficar CH3COOH
ΛS.cm. eq−
1/
Λ.N
0.00414
11.8839
0.0332
0.2931
0.0195
0.09860
0.0136
0.05163
Tabla N°5 : errores Tabla N°5.1: porcentaje de error -Límite para el
HCl y el HAc
∞ S.cm. eq− HCl
364
Tabla N°5.1: porcentaje de error -Límite para el
% 14.59
HCl y el HAc %
K IONIZACION(EXPERI) IONIZACION(EXPERI) CH3COOH
7.427x10-7
95
15
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EJEMPLO DE CALCULOS a) Obtenga la constante de celda a partir de las medidas para el
.
k = L Dónde: k a 25°C = 1,413×10− S/cm L = 1408 μS Se sabe que:
Reemplazando los valores se obtiene el valor de la constante de celda:
l( ) = k = 1,413 × 10− = 1.00355cm− A L 1408×10− Para hallar la conductividad específica (uS) :
conductividad para el HCl 0.005002N ∶ constante de celda x Kdel laboratorio 1.00355 19730 = 19800.04
b)
Del mismo modo para las otras concentraciones concentraciones de HCl y para el CH 3COOH ver tablas 4.1.1 y 4.1.2
Determine las concentraciones exactas de las soluciones y diluciones.
Preparación de la solución de 100ml de
W = 0.0780g PF = 74.5g/mol 0.0780g M = 74.5g/mol 0.1L = 0.0104M → M = 0.01N Estandarización del
≅ .
≅ . con biftalato de potasio
16
16
W = 0.02033g PEBHK PE BHK = 204.22g/mol V = 9.2ml Sabemos que: N = × 0.02033 g N = 204.22g/mol ×9.2×10− → N = 0.0108N ≅ . . utilizando V × N = V × N 2mlN = 9.75ml0.0108N → N = 0.0526N ≅ . . utilizando Estandarización del Estandarización del
V × N = V × N 10mlN = 9.4ml0.0108N → N = 0.0102N
Se procede de la misma forma para el CH 3COOH -ver tabla Tabla 2.1.2 y Tabla 2.1.3
c) Calcule para cada una de las soluciones su conductividad específica (
y su
conductividad equivalente ( ):
Para la solución de
HCl 0.0526N
k = L (Conductividad específica) específica) k = 19800.04x10 19800.04x10− S 1.00355 cm− = 0.019870 0.019870 S.cm S. cm− 1000 ) = 377.763 Λ = k 1000 = 0.019870 S( S. cm. eq− N 0.0526 377.763 S.cm Se procede de la misma forma para las demás soluciones-ver tabla Tabla N°4.2.1 y Tabla N°4.2.2
d) Grafique
√ para el y para el , y / . :
Ver Gráficas N°1, N°2, N°3
e) Calcule la conductividad límite y la constante de ionización del conductividad límite para el
, de los gráficos obtenidos:
A partir de la gráfica N°1 se obtiene la conductividad límite del recta hasta que la concentración sea igual a cero.
∞ = .. − Para calcular la constante de ionización se usa para el
HAc:
1 + 1 = ΛN Λ ∞ ∞^ De la gráfica N°3 Kionización= 7.427 x10-7
y la
HCl prolongando la
18 5) Compare los resultados experimentales con los datos teóricos, para la constante de ionización del
, la ∞ ∞ :
Para la constante de ionización del CH 3COOH:
K = 7.427×10− −. %error = .×.× × 100% = 95.87% Para la
∞: %error = |426.16364 100% = 14.5 14.59% 9% 426.16 | × 100%
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ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS En el experimento realizado Después que terminamos de encontrar las conductividades eléctricas de las soluciones preparadas. Pasamos Pasamos a calcular lo demás , encontramos encontramos que con las conductividades halladas se pudo demostrar, que los electrolitos fuertes son mayores que los electrolitos débiles. Según nuestras nuestras gráficas se determinó la conductividad eléctrica a dilución infinita para el HCl y el ácido acético, luego comparando al HCl Uno de los errores más importantes fue el de una medición inexacta de los volúmenes gastados al realizar las titulaciones, por lo tanto nuestros nuestros gráficos salieron con mucho error y por ende los resultados también. también. Otro error importante que que nos pudo pudo haber haber pasado en la experiencia es en la medición de la conductividad eléctrica del KCl, pudo haber haber presencia de aire, (burbujas) (burbujas) en la celda, esto produce produce una medición simultanea de la conductividad del aire; además también de las soluciones soluciones de HVl y CH3COOH entonces, el valor que se lea en la pantalla del instrumento, no será el correcto y ya que los demás cálculos dependen de este valor, se arrastra hasta el final este error.
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CONCLUSIONES
Podemos notar que La conductividad equivalente y la conductividad equivalente límite de cualquier electrolito son directamente proporcionales a la temperatura y también a la concentración de la solución.
En la gráfica 2 los electrolitos débiles nos deberían salir curvas bruscas, por por lo cual no pueden ser dibujadas para una dilución infinita, en este caso graficamos linealmente.
La conductividad equivalente límite delos electrolitos fuertes, dan curvas con regresión lineal podemos notar que es una recta, si lo llevamos a concentración cero entonces tendremos la conductividad equivalente límite del electrolito.
RECOMENDACIONES
Lavar la parte del conductimetro que se introduce a la solución con la solución a medir.
Realizar el adecuado calibramiento del conductimetro según la temperatura a la que se encuentra la solución que ayudara en el calibramiento. .
Al momento de realizar las mediciones si empieza a medir el pH de los ácidos terminar para todos los ácidos y pasar al siguiente.
Para la preparación de los buffers trabajar con las sustancias que se encuentran en la campana ya que esas son las sustancias a trabajar, usar guantes.
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BIBLIOGRAFIA
Pons Muzzo. Fisicoquímica Fisicoquímica 8º Edición. Editorial Editorial Universo S.A. Páginas 356-380
Samuel Glasstone ‘Fundamentos de Fisicoquímica’ Fisicoquímica’ Páginas 534 534 - 539.
Maron y Pruton: conductividad y equilibrio ionico.
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APENDICE CUESTIONARIO 1. Explique sobre cada uno de los factores que influyen en la conductancia de una solución. Variación de la conductividad con la concentración.concentración.- Tanto la conductividad especifica como la equivalente de una solución varían con la concentración. Para electrolitos fuertes con concentraciones de hasta varios equivalentes por litro, K aumenta al incrementarse la concentración. En contraste, las conductividades de electrolitos débiles comienzan en valores bajos en soluciones diluidas y crecen mucho más gradualmente. Así el aumento de la conductividad con la concentración se debe al incremento en el número de iones por volumen de solución. L a conductividad
de una solución varia ligeramente con la presión: debiéndose
al efecto principalmente a la variación de la viscosidad del medio y por consiguiente la alteración de la velocidad. Por tanto, en la conductividad de los iones la viscosidad de una diluida solución disminuye gradualmente con un aumento de presión, ello va acompañado por un aumento en la conductividad equivalente.
La conductividad con la temperatura de solución aumenta marcadamente con el aumento de temperatura, este aumento se debe principalmente a la disminución de la viscosidad del medio. La variación de la conductividad lími te con temperatura se puede representar por: (T) = 25 ºC (1 + (T – (T – 25)) 25))
Explique la influencia del movimiento de iones de una disolución sobre la conductividad.
2.
La influencia del movimiento de iones de una solución sobre la conductividad es que cuando la separación promedio de iones es grande, como en soluciones muy diluidas, su movimiento está determinado (además de los impactos de las moléculas de disolvente) por el campo eléctrico aplicado, y su movimiento neto consiste en un desplazamiento uniforme hacia uno u otro de los electrodos. La evidencia más directa de la existencia de iones en solución es constatar el hecho de que la solución puede conducir una corriente eléctrica. Esto se explica por el movimiento de iones con carga positiva (cationes) hacia los electrodos e lectrodos con carga negativa, y por iones con carga negativa (aniones) hacia los electrodos positivos. Es por eso que la forma más simple de estudiar el movimiento de iones en solución es a través de su conductividad, su capacidad para conducir electricidad. Por ejemplo las anormales grandes velocidades de los iones H3O+ H3O+ y OH- se manifiestan sólo en soluciones acuosas, resaltándose el hecho que son iones del
23 propio disolvente. Cada ión H3O+ H3O+ formado intercambia su protón al azar con una de de las moléculas de agua que lo rodean. Sin embargo, al crearse una diferencia de potencial surge además un movimiento dirigido: una buena parte de los protones empiezan a moverse por las líneas de fuerza del campo, hacia el cátodo, transportando electricidad. Gracias al salto de los protones, aumenta mucho la conductividad conductividad eléctrica de la solución, ya que no tienen que recorrer todo el camino hacia el cátodo, sino sólo la distancia entre una y otra molécula de agua. Es un tipo de conductividad de relevo. Análogamente se explica la alta movilidad de los i ones hidroxilos, con la diferencia que en este caso el salto es de una molécula de agua al ión OH-, lo que determina un desplazamiento aparente de los iones OH- hacia el ánodo. Pero, la velocidad del ión H3O+ es mayor porque el número de saltos de los protones es más grande, debido a que el estado energético del hidrógeno en la molécula de agua corresponde a un mínimo más pronunciado de la energía potencial.
Explique qué tipo de corriente (c.a. ó c.c.) se utiliza en la determinación de la conductancia.
3.
La conductividad de las soluciones se mide con un puente de corriente alterna (ca). Con frecuencias de ca en el intervalo i ntervalo de audición, de 1000 a 4000 Hz, la dirección de la corriente cambia con tanta rapidez que se s e elimina la acumulación de la carga c arga en los electrodos (polarización). El punto de equilibrio (balance) del puente se indica en el osciloscopio de rayos catódicos. Tan pronto se contó con datos confiables sobre la conductividad, fue evidente que las soluciones de electrólitos siguen la ley de Ohm. La conductividad es independiente de la diferencia de potencial. Toda teoría de la conductividad habrá de explicar este hecho: el electrólito siempre está listo para conducir electricidad, y esa capacidad no es algo producido por el campo eléctrico aplicado. Desde este punto de vista, no era aceptable la ingeniosa teoría que Grotthus propuso en 1805. Supuso que las moléculas del electrólito eran polares, con extremos positivos y negativos. Un campo aplicado las alinea en una cadena y luego hace que las moléculas situadas al final fi nal de ella se disocien, liberándose en los electrodos el ectrodos los iones libres que se han formado. No obstante sus limitaciones, la teoría de Grotthus sirvió para subrayar la necesidad de tener iones libres en las soluciones y poder así explicar la conductividad observada. Tenemos los siguientes conductores: Conductores electrónicos (metales sólidos o fundidos y ciertas s ales) : hay una emigración directa de electrones a través del conductor y bajo una influencia de potencial. Conductores electrolíticos: incluyen soluciones de electrolitos fuertes y débiles, sales fundidas y algunas sales sólidas como NaCl y AgNO 3, hay una migración iónica positiva y negativa hacia los electrodos, no solo hay transferencia de electricidad sino de materia de una parte u otra del conductor y cambios químicos en los electrodos, característicos de la sustancia que compone compone el conductor y el electrodo.
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