Determinación de la entalpía de mezcla en fluidos binarios Félix C. Muñoz Álvarez†. Jane A. Neira Dulcey†* Escuela de Química, Facultad de ciencias, Universidad Industrial de Santander, Carrera 27 Calle 9, Bucaramanga, Colombia. E-mail: †
[email protected] †*
[email protected] [email protected] PALABRAS CLAVE: Entalpía, calorimetría, entalpía molar diferencial de mezcla, entalpía molar integral de mezcla. RESUMEN: Se determinó la entalpía integral molar y la entalpía diferencial de la mezcla agua-acetona en función de fracción molar, a temperatura y presión constante, para conocer el efecto de las interacciones moleculares en la entalpía de la mezcla.
INTRODUCCIÓN: Una disolución es una mezcla homogénea (una fase), pero con más de un componente 1. Cuando los componentes son dos se conocen como soluciones binarias, nombrados como soluto y disolvente. La interacción entre solutos y disolventes son investigados
mediante funciones termodinámicas ΔV,ΔH,ΔU,ΔCp de mezclas, y todos se deben por completo a cambios en las interacciones intermoleculares (energéticas como 2 estructurales) . Estas cantidades proveen información acerca de las interacciones intermoleculares en la disolución según se comparen con aquellas en los componentes puros. ΔH mezcla = . La cantidad de calor intercambiado por mezclar es denominado entalpía integral de la mezcla ( ) y se denota por la siguiente formula en función de la fracción molar3:
calentamiento y la sonda de temperatura. En un Erlenmeyer se agregó una cantidad determinada del otro líquido y una segunda sonda de temperatura. Se ajustaron las temperaturas de los dos líquidos, se mezclaron, se registró la temperatura de la mezcla y se inició la medición suministrando a 10V. Cuando el aumento de la temperatura fue equivalente al cambio de temperatura al mezclar los dos líquidos, se apagó el calentamiento y se continuó con la medición durante otros 3 minutos. 3
(̅ − ,∗ ) + ̅ − ∆
,∗
∆ ℎ ∆ = +
1
∆ℎ : Los valores valores de entalpía individual, se calculan por: ∆ℎ = = ∆∆ = W el ∆∆ 2 Para mezclas binarias, la proporción de mezcla normalmente está caracterizada por la fracción molar.
= + = +
3 4
∆ ) de cada sustancia se debe tener en cuenta δ la cual representa la desviación Para la entalpía molar diferencial (
Figura 1. Montaje experimental. RESULTADO Y DISCUSIÓN: Las sustancias empleadas en la práctica y los datos de literatura se presentan en la tabla 1, se determinó la fracción molar experimental, usando ecuación 3 y 4, en el rango de 0 a 0,9, mediante los gramos pesados de cada uno, los datos se presentan en la tabla2. Para calcular la entalpía integral y entalpía diferencial molar de mezcla de dos líquido para las disoluciones de diferente composición. Los resultados para cada líquido, se introdujeron en la tabla 3 y 4, para realizar los respectivos diagramas que se muestra en la figura 2 y 3.
Tabla 1.Datos de la literatura para agua y acetona.
estándar de la variable y se calcula mediante 3:
∆ = ∆ xB + ∆ ∆ = ∆ xA + ∆
5 6
SECCIÓN EXPERIMENTAL: El experimento se realizó a partir del montaje de la figura 1. Se configuró el programa, “Measure”, en el el que se se reportaron las mediciones. Par a iniciar el experimento fue necesario calibrar el equipo bajo parámetros de temperatura ambiente y humedad relativa. Se insertó determinada cantidad de líquido (cálculos previos) en el calorímetro en contacto con la bobina de
Componente
Sustancia
Masa (g/mol)
ρ (g/mL)
liquido puro 1
Agua
18,01
1
liquido puro 2
Acetona
58,08
0,791
Tabla 2.Datos de preparación de mezcla y mol calculadas. N°
g agua
g acetona
n agua
n acetona
n a+b
X exp exp
1
432,78
154,50
24,04
2,66
26,70
0,10
2
432,78
349,06
24,04
6,01
30,05
0,20
7
16,00
464,06
0,89
9,27
10,16
0,91
6
36,03
464,06
2,00
7,99
9,99
0,80
5
96,03
464,06
5,33
7,99
13,33
0,60
4
145,03
464,06
8,06
7,99
16,05
0,50
3
217,03
464,06
12,06
7,99
20,05
0,40
Tabla 3. Cálculos de entalpía integral de mezcla, usando las ecuaciones 1 y 2. X
V
A
Δ
t (s)
Q (J)
0,10
10,68
4,80
330,00 16917,12
36,51
36,67
16843,31 630,75
0,20
10,59
4,73
90,00
4508,16
37,59
37,59
4508,16
150,01
0,90
10,60
4,26
60,00
2709,36 25,33
25,82
2657,94
261,73
0,80
10,90
5,10
82,00
4558,38 24,16
24,09
4571,63
457,54
0,60
10,67
5,09
80,00
4344,82 27,28
27,28
4344,82
326,07
0,50
10,65
4,83
95,00
4886,75 30,15
30,11
4893,24
304,93
0,40
10,63
5,03
100,00
5346,89 33,53
33,49
5353,28
267,03
4781,89
156,67
Δ
T exp
Δ
T cal
Δ
Desv
Mh
0,90
0,09
0,91
742,53
307,85
0,80
0,20
0,80
878,90
563,10
0,60
0,40
0,60
642,02
537,03
0,50
0,50
0,50
567,28
569,49
0,40
0,60
0,40
477,04
583,94
Desv
0,30
0,30
200,60
240,72
ΔMHl
Para la determinación de entalpía integral primero se calcula el Q experimental con los datos de voltaje, corriente y el tiempo en que transcurrió el experimento.
1200.00 a l c 1000.00 z e m e 800.00 d l ) a l i c o n 600.00 m e r / J e ( f i d 400.00 a i p l a t 200.00 n E
0.00 0.00 Agua
700
0.10
0.20 Ac et ona
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
Fraccion molar (X)
Figura 3. Entalpía molar diferencial de la mezcla agua-
e 600 d l a r 500 ) g l e t o n 400 m i / r ( J a a l o l c300 m z e a 200 í m p l a t 100 n E
acetona en función de la composición.
0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Fracción molar (X)
Se observa que existe un cambio del valor de la entalpía molar de mezcla cuando hay diferentes proporciones de acetona lo cual se debe a las interacciones con el agua y con otras moléculas de acetona. Cabe resaltar que las posibles fuentes de error experimentales son atribuidas en la medición de la cantidad de sustancia, toma de datos, observación de las temperaturas de mezclado y de cada sustancia.
Figura 2. Entalpía molar integral de mezcla en función de
CONCLUSIONES: Se observó tanto para la gráfica de la
la fracción molar.
entalpía molar integral, como para la entalpía molar diferencial, un cambio en la entalpía de mezcla cuando se varía la fracción molar de la mezcla binaria agua-acetona, debido a que no hay factores de medición que pueda influir en el cambio de entalpía , este cambio se puede deber al efecto a las interacciones intermoleculares de las moléculas de acetona-agua, agua-agua y acetona-acetona, las cuales estarán en mayor o menor proporción según la mezcla. En la fracción molar 0,5 se observa que la entalpía de mezcla es muy similar en la mezcla acetona-agua, esto es debido a que se encuentran en cantidades iguales.
Al mezclar moles de soluto con moles de solvente para obtener moles de mezcla, se debe tener en cuenta que los líquidos que participan en la mezcla poseen una entalpía inicial, donde a partir de las proporciones en mezcla poseen una entalpía variable, que es equivalente a la variación de la entalpía en estado final e inicial, es decir, en solución y en estado puro. Antes de realizar la mezcla de los líquidos la entalpía de la mezcla es cero, tras realizar el proceso, la entalpía observada es equivalente a la suma de los cambios de entalpía que se producen al realizar el proceso por efecto de las interacciones entre moléculas.
Tabla 4. Cálculos de entalpía molar diferencial agua y acetona, usando las ecuaciones 5 y 6. X
X (agua)
X (acetona)
ΔMHagua
ΔMHacetona
0,10
0,90
0,10
683,24
1105,18
0,20
0,80
0,20
255,38
571,55
REFERENCIAS Castellan, G.W. Fisicoquímica, Adisson-Wesley. 3 ra edición. Iberoamericana: México, DF. (2) Ira. N Levine. (2004).Principios de fisicoquímica. Fisicoquímica, Mc Graw Hill. (3) Manual Prácticas de Laboratorio de Fisicoquímica I y II. Escuela de química, Facultad de Ciencias, Escuela de Química. paginas.116-126. (1)
