Guia de Laboratorio de Fisicoquimica - UNI

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PRIMERA PRACTICA DE LABORATORIO TERMODINÁMICA DE GASES INTRODUCCIÓN En esta experiencia se estudiará a los gases desde el punto de vista termodinámico. Ahora se debe tener en cuenta que las mediciones deberán ser hechas lo más cuidadosas que sean posibles (al 0.1 ml). Nuestra muestra gaseosa lo trataremos igualmente como que tiene comportamiento de gas ideal, y que además es un sistema cerrado y por lo tanto su energía y masa son constantes. OBJETIVO Verificar la Ley de Boyle o el proceso isotérmico de la primera experiencia de los gases y el cero absoluto; y comprobar la Ley de Gay Lussac, evaluando las experiencias desde el punto de vista de la termodinámica. FUNDAMENTO TEÓRICO

Como muchas disciplinas, la termodinámica surge de los procedimientos empíricos que llevaron a la construcción de elementos que terminaron siendo muy útiles para el desarrollo de la vida del hombre. Creemos que la termodinámica es un caso muy especial debido a que sus inicios se pierden en la noche de los tiempos mientras que en la actualidad. Los estudios sobre el perfeccionamiento de las máquinas térmicas siguen siendo de especial importancia, mas aun si tomamos en cuenta la importancia que revisten temas de tanta actualidad como la contaminación. El origen fue sin lugar a dudas la curiosidad que despertara el movimiento producido por la energía del vapor de agua. Su desarrollo fue tomando como objetivo principal el perfeccionamiento de las tecnologías aplicadas con el fin de hacer más fácil la vida del hombre, reemplazando el trabajo manual por la máquina que facilitaba su realización y lograba mayor rapidez, estos avances que gravitaban directamente en la economía, por ello el inicio se encuentra en el bombeo de aguas del interior de las minas y el transporte. Más tarde se intensificaron los esfuerzos por lograr el máximo de rendimiento lo que llevó a la necesidad de lograr un conocimiento profundo y acabado. De Las leyes y principios que regían las operaciones realizadas con el vapor. El campo de la termodinámica y su fuente primitiva de recursos sé amplia en la medida en que se incorporan nuevas áreas como las referentes a los motores de combustión interna y últimamente los cohetes. Ing. ARTURO LOBATO

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En resumen: en el comienzo se partió del uso de las propiedades del vapor para succionar agua de las minas, con rendimientos insignificantes, hoy se trata de lograr las máximas potencias con un mínimo de contaminación y un máximo de economía. Para realizar; una somera descripción del avance de la termodinámica a través de los tiempos la comenzamos identificando con las primitivas máquinas térmicas y dividimos su descripción en tres etapas, primero la que dimos en llamar empírica, la segunda la tecnológica y la tercera la científica. Hoy se ha llegado a un interesante perfeccionamiento de las máquinas térmicas, sobre una teoría basada en las investigaciones de Clausius, Kelvin y Carnot, cuyos principios están todavía en vigencia, la variedad de máquinas térmicas va desde las grandes calderas de las centrales nucleares hasta los motores cohete que impulsan los satélites artificiales, pasando por el motor de explosión, las turbinas de gas, las turbinas de vapor y los motores de retropropulsión. Por otra parte la termodinámica como ciencia actúa dentro de otras disciplinas como la química, la biología, etc. Para comprender mejor las transformaciones o procesos termodinámicos de un gas es necesario definir algunos términos. SISTEMA TERMODINÁMICO - Porción de universo que se encuentra separado del medio o sus alrededores mediante límites del sistema. Un sistema termodinámico puede ser abierto cuando hay intercambio de materia y energía con el medio exterior, cerrado si el sistema realiza intercambio de energía, mas no de materia; y aislado cuando no hay intercambio de materia ni energía. CALOR (Q) - Energía absorbida o liberada durante un proceso termodinámico. Cuando el calor es liberado por el sistema se considera negativo y cuando es absorbido se considera positivo. TRABAJO (W) - Variación experimentada, en su volumen, durante una expansión o comprensión del sistema en un proceso termodinámico. Es positivo cuando es realizado por el sistema y negativo cuando es sobre el sistema. ENERGIA INTERNA (E) - Energía que poseen las moléculas de un gas. Constituida por la energía cinética, energía potencial, energía de rotación, etc. La variación de la energía interna depende únicamente de la temperatura absoluta y es independiente de la trayectoria o proceso que sufre el gas. ENTALPIA (∆H) - Calor absorbido o liberado durante una reacción química, manteniendo la presión constante. Para sólidos y líquidos la ∆ H es igual a la variación de energía interna. Para los gases se tiene: ∆H= ∆E + P∆V = Qf

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ENTROPÍA (S) - Medida del estado de desorden de un sistema. En todo sistema aislado tiende siempre a un estado de mayor desorden o mayor entropía. La variación de entropía para un gas es mayor que para un líquido y éste para un sólido.

d S = d Q / T proceso reversible Proceso Reversible.- Es toda transformación en que el sistema se encuentra infinitamente próximo a un estado de equilibrio. Los procesos: Isotérmico, isobárico, adiabático son procesos reversibles. Una de las más fundamentales manifestaciones, en la naturaleza, es la energía que acompaña a todos los cambios y transformaciones. La forma más frecuente en que aparece energía y a la que tiende todas las demás es el calor, además la energía mecánica, eléctrica, química, radiante, que se encuentran almacenadas en todas las sustancias. De esta interrelación de diversas formas de energía, en un sistema, constituyen el objeto de la termodinámica. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La ley expresa, que para cierta cantidad de una forma de energía que desaparece, otra y otras formas de éstas tendrán que aparecer de manera que su suma es exactamente igual a la que desapareció. En términos más concretos el calor servirá para aumentar la energía interna del sistema; y también para realizar algún trabajo exterior que el sistema pueda efectuar con resultado de la absorción del calor. EFECTO DEL TRABAJO Y DEL CALOR EN LAS CONDICIONES INTERNAS DE UN SISTEMA El cambio de energía interna de un cuerpo será igual a la cantidad de calor agregado (Q) y la cantidad de trabajo (W) ejercido sobre él. Este es otro planteamiento matemático de la 1ra Ley Termodinámica. Debido al desarrollo histórico de la 1ra Ley se anuncia en forma más convencional. Por convención normal, si se ejerce trabajo sobre un sistema por parte de sus alrededores, el trabajo se considera negativo. Si el trabajo es producto por un sistema sobre sus alrededores, se considera positivo. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA En todos los niveles de la experiencia humana se observa que los procesos naturales están acompañados por un aumento en el desorden, por una tendencia natural hacia Ing. ARTURO LOBATO

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una mezcla en todos los sistemas. Todos los sistemas aislados tienden a un desorden máximo y todo proceso espontáneo se presenta en un sistema aislado está acompañado por un aumento del desorden. Cuando un sistema aislado se encuentra en un punto de máximo desorden, dejará de cambiar a nivel macroscópico; la presión, temperatura, índice de refracción y todas las demás propiedades observables se harán constantes, se dice que el sistema está en equilibrio. Se ha colocado el grado de desorden en una escala cuantitativa al idear una cantidad denominada Entropía (∆S). La Entropía de un sistema aislado tiende a un máximo. Las reacciones dentro de un sistema aislado tienen que estar acompañadas por un aumento de Entropía. TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La 3ra Ley afirma que la Entropía de un sólido perfectamente cristalino a O 0 K, es cero, ósea S0 = O. A medida que se eleva la temperatura de una sustancia cristalina pura, su Entropía aumenta. La 3ra Ley no es una Ley en el mismo sentido que la 1ra y la 2da, la 3ra no puede comprobarse experimentalmente porque se puede alcanzar al cero absoluto.

∆S0 = 0

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Materiales:  Tubo Neumométrico

 Balón

 Ampolla de nivel  Tubo de goma



Soporte universal  Pinzas

 Termómetro

 Vaso

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 Tubos capilares

 Probeta

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: 1.

PROCESO ISOTÉRMICO

Una vez montado el equipo, se dejan unos mililitros de aire (opcional) en el tubo neumométrico y se cierra con una pinza el conector de goma. Luego se sube y baja la ampolla de nivel para expulsar las burbujas de aire que pueden encontrarse en los tubos de goma. Es muy importante que no haya escapes de aire en el equipo. Para asegurarse de que todas las uniones estén bien cerradas se hace descender la ampolla de nivel y se observa si el nivel en el tubo neumometrico permanece constante. De haber algún escape lo más probable es que tenga que reemplazarse el empalme de goma. Luego debe dejarse el aparato hasta que el agua se ponga a la temperatura ambiente. Se coloca la ampolla de nivel a una altura conveniente para que el agua que contiene enrase con el agua del tubo (con un error menor de 0.1 ml). Levante la ampolla hasta que la diferencia de niveles sea de 10, 20, 30, 40, 50 Y 60 cm. (esto es referencial). Respectivamente, registre el volumen en cada caso. Registre la temperatura del agua y la presión atmosférica 2. PROCESO ISOCORO: Con el balón completamente seco, arme el equipo. Antes de ajustar el tapón de la ampolla de nivel, vierta agua a esta, HASTA EL CUELLO DE LA AMPOLLA DE NIVEL Y ajustar bien los tapones. En ningún momento los tapones del tubo capilar deben estar en contacto con el agua liquida. Luego vierta agua fría del grifo en el vaso, procurando que el balón quede sumergido hasta la altura del tapón. Agite el agua del vaso, hasta que la temperatura del gas dentro del balón, permanezca constante. Ajuste los niveles de agua del tubo neumometrico con el de la ampolla de nivel abriendo y cerrando la pinza del empalme de goma, pero manteniendo la posición vertical de la pinza en el empalme de goma, hasta que ambos niveles sean iguales. Registre la lectura del volumen de gas en el tubo neumometrico, gas A con un error menor de 0.1 ml, la temperatura del gas dentro del balón y la presión barométrica. Coloque verticalmente la plancha de asbesto entre el mechero y la ampolla de nivel y encienda el mechero.

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Aquí es conveniente hacer notar que, nuestro gas en consideración, ahora es el aire que esta encima de la superficie de agua en la ampolla de nivel y el que ocupa el balón. El volumen que ocupa dicho gas que lo llamaremos B, lo mediremos al final de la experiencia ayudándonos con la probeta que dispone enrasada con agua, por lo que debemos marcar con un lápiz el extremo inferior de los tapones. En el tubo capilar el gas experimenta un enfriamiento y se considera que el aire contenido en el, con el de la ampolla de nivel. Regístrese simultáneamente, el volumen de gas A en el tubo y la temperatura del gas B. Repita esta operación hasta que el agua del vaso llegue a su temperatura de ebullición Al final mida el volumen muerto del tubo neumometrico (la zona no graduada) desajustando el tapan desalojando el agua e invirtiendo el tubo. Enrase una probeta con agua y mida con ella el volumen de su tubo neumometrico. Haga lo mismo para medir el volumen del gas B, considerando el termómetro dentro de el. HOJA DE DATOS:

PARTE 1. Posiciones de la ampolla de nivel: I)

Ambos niveles iguales ........................ .

II)

Nivel de la ampolla ………cm. mas alto que en el tubo……….

III)

Nivel de la ampolla………cm. mas alto que en el tubo……….

IV)

Nivel de la ampolla……… cm. mas bajo que en el tubo……….

V)

Nivel de la ampolla .................. cm. mas bajo que en el tubo ................ .

Temperatura del agua en la ampolla de nivel ........................ °C Volumen muerto del tubo neumometrico ..................... mI. Presión Barométrica ....................... Torr

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PARTE 2. 

temperatura gas B

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Vol. (ml) del gas A ………….. mI.



Vol. Inicial del gas A* (a la Temp.…..Ambiente) ………ml



Vol. Muerto…………mI.



Vol. Del gas en el balón……….mI.



Presión barométrica ……….Torr



Sin considerar el volumen muerto

°C

Vol. Muerto en la ampolla…………mI. Vol. muerto del tubo capilar……….mI.

INFORME PROCESO ISOTÉRMICO Muestre por cada uno de sus cálculos la formula usada y todas las operaciones indicadas con sus respectivas unidades, para cada uno de las posiciones de la ampolla de nivel, según sus datos, siguiendo el orden I, II, III, IV, V Y I es decir ciclo completo. Formulas a considerar aparte de las que UD. Crea conveniente.

q = W = nRT ln V2/V1 = nRT ln P1/P2

∆S = (q/ T) nRT ln V2/V1 = nRT ln P1/P2 ; R/Vm

∆E = ∆H = 0

(dS/dP)T = R/P ; (dS/dVm)T = -

∆G = nRT ln P1/P2 = H – TS  ∆A = nRT ln V1/V2 = nRT ln P2/P1 = - W

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CUESTIONARIO 1. Verificar la ley de Boyle, para lo cual seguiremos los siguientes pasos: a) Conversión de las presiones manométricas de columna de agua a columna de Hg (Torr). b) Presiones absolutas (Torr) c) Presión del gas seco (Torr) d) Volumen del gas seco = Volumen del gas húmedo. e) Determinación de los valores del producto PV del gas seco y las desviaciones porcentual respecto a la media. f) Graficar P vs. V mostrando con una x los puntos experimentales (así como su ecuación ajustada) 2.

Número de moles (mol - gr.) para cada etapa y desviación estándar respecto a la media.

3.

Trabajo en Joules para cada etapa.

4.

Calor (cal) para cada etapa. experimentalmente?

5.

∆H y ∆E (cal) para cada etapa.

7. Calculo de ∆A (Joules).

¿Cómo

interpreta

el

negativo

6. Calculo de ∆S para cada etapa

8. Calculo de ∆G (cal).

PROCESO ISOCORO 1.- Verificar la Ley de Gay Lussac. 2.- Número dé moles (mol - gr.) para cada etapa y desviación estándar respecto a la media. 3.- Trabajo en Joules para cada etapa. 4.- Calor (cal) para cada etapa. 5.- ∆H Y ∆E (cal) para cada etapa. 6.- Cálculo de ∆S para cada etapa. Asuma que ∆S en sus condiciones iniciales es cero. 7.- Grafique que sus incrementos de S en el eje x y las temperaturas correspondientes en el eje y, enumere sus puntos a partir de sus condiciones iniciales. ¿Cómo varia la ∆8 cuando aumenta T y como aumenta P?

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RECOMENDACIONES 

Montar correctamente el equipo para evitar lecturas erróneas de los datos experimentales.

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Mejorar las mediciones utilizando una regla de mayor precisión.

BIBLIOGRAFIA  http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Boyle-Mariotte  http://www.monografias.com/trabajos/leydeboyle/leydeboyle.shtml  http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Charles_y_Gay-Lussac

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SEGUNDA PRACTICA DE LABORATORIO DIAGRAMA DE FASES OBJETIVO.Conocer como construir un diagrama de fases, el punto eutectico, curva de sólidos, líquidos, etc. Trazar el diagrama de equilibrio del sistema Plomo - Estaño a partir de composiciones diferentes en peso. Se utilizara el método del análisis térmico.

GENERALIDADES.- Cuando un metal sufre un cambio de estado la, transformación va acompañada de una absorción de calor o un desprendimiento de calor, si se trata de un calentamiento o enfriamiento respectivamente. Estos fenómenos térmicos se deben a las diferentes entalpías de la fase que se forma a partir de la primitiva y los correspondientes efectos térmicos se suelen designar como calores latentes de fusión y vaporización. Muchos metales experimentan cambios de fase cuando ya se encuentran en estado solidó tratándose de metales puros, tales cambios son alotrópicos y en las aleaciones son cambios de fase, como por ejemplo, la descomposición de una solución sólida en otras fases, la formación de una solución sólida a partir de 2 o mas fases existentes, la precipitación de constituyentes secundarios para satisfacer los limites de equilibrio de la solubilidad, etc. Estos cambios en el estado sólido suelen ir acompañados de efectos térmicos (no siempre puestos de manifiesto por el análisis térmico) y por cambios de volumen que son más fáciles de comprobar midiendo las correspondientes dilataciones o contracciones de una probeta de forma adecuada. 1. REGLA DE LAS FASES El diagrama de fase es la representación gráfica del estado de una aleación. Si varía la composición de la aleación, su temperatura, presión y el estado de la aleación también cambia, esto se refleja gráficamente en el diagrama de estado. El diagrama de fases muestra los estados estables, es decir, los estados que en unas condiciones dadas poseen el mínimo de energía libre. Por esto el diagrama de fases también puede llamarse diagrama de equilibrio, ya que indica las fases en equilibrio Ing. ARTURO LOBATO

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que existen en unas condiciones dadas. De acuerdo con esto, los cambios de estado reflejados en el diagrama también se refieren a las condiciones de equilibrio, es decir, en ausencia de sobrecalentamiento o subenfriamiento. Sin embargo, las transformaciones en equilibrio, es decir, las transformaciones en ausencia de subenfriamiento o sobrecalentamiento, no pueden realizarse en realidad, por lo cual el diagrama de fases representa un caso teórico y en la práctica se utiliza para estudiar las transformaciones a pequeñas velocidades de calentamiento o enfriamiento. Las regularidades generales de la existencia de las fases estables que responden a las condiciones teóricas del equilibrio pueden expresarse en forma matemática por medio de la llamada regla de las fases o ley de Gibbs. La regla de las fases da la dependencia cuantitativa entre el grado de libertad del sistema y el número de fases y componentes. Las palabras "fase" y "componente" se utilizan, al estudiar la regla de las fases, hay que definir estos conceptos de un modo más exacto. Se llama fase a la parte homogénea de un sistema separada de las demás partes del mismo (fases) por una superficie de separación, al pasar la cual la composición química o la estructura de la sustancia varia bruscamente. Por consiguiente, un líquido homogéneo será un sistema de una fase, y una mezcla mecánica de dos tipos de cristales, un sistema de dos fases, puesto que cada cristal se diferencia del otro por su composición o por su estructura y están separados el uno del otro por una superficie de separación. Se llaman componentes a las sustancias que forman el sistema. Por lo tanto, un metal puro será un sistema de un solo componente, una aleación de dos metales, será un sistema binario o de dos componentes. Los compuestos químicos sólo pueden considerarse como componentes si no se disocian en las partes que los componen en los intervalos de temperatura que se analizan. Por número de grados de libertad de un sistema se entiende el número de factores externos e internos (temperatura, presión y concentración) que pueden cambiarse sin que varíe el número de fases del sistema. Si el número de grados de libertad es igual a cero (sistema invariante), es evidente que será imposible cambiar los factores externos o internos del sistema (temperatura, presión o concentración) sin que esto provoque una variación del número de fases. Si el número de grados de libertad es igual a uno (sistema monovariante), será posible cambiar dentro de ciertos limites uno de los factores enumerados, y esto no hará que aumente o disminuya el número de fases. La regla de las fases es la expresión matemática de las condiciones de equilibrio del Ing. ARTURO LOBATO

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sistema, es decir, la ecuación de la regla de las fases indica la dependencia cuantitativa entre el número de grados de libertad del sistema c y el número de componentes k y de fases f: c== k-f + 2. La ecuación de la regla de las fases se deduce basándose en los razonamientos siguientes: Supongamos que hay un sistema de varios componentes, que forman varias fases, que está en equilibrio. Para los sistemas que se encuentran en equilibrio, el potencial termodinámico (nivel de energía libre) de cada componente en todas las fases es el mismo. Si existen dos componentes en dos fases, el potencial termodinámico de un componente en la primera fase es igual al potencial termodinámico de este mismo componente en la segunda fase. El sistema de las dos ecuaciones que acabamos de dar es indeterminado. Ya que en ellas hay cuatro variables. A dos de las variables puede dársele un valor cualquiera, y sólo entonces el sistema se hace determinado. Para nuestro caso, en que con dos componentes tenemos dos fases, el sistema tiene dos grados de libertad (el número de grados de libertad es igual a la diferencia entre el número de variables y el número de ecuaciones). Supongamos que el sistema consta de k componentes y I fases. Si está en equilibrio, los potenciales termodinámicos de los componentes primero, segundo, etc. en todas las fases, serán iguales entre si, es decir, en el caso contrario se produciría la transformación de la fase cuyo componente tiene el potencial termodinámico más elevado. Para el primer componente Z11 = Z21 = Z31 =………… = Zf1 Para el segundo componente Z12 = Z22 = Z32 =………… = Zf2 Para el componente k Z1k = Z2k = Z3k =………… = Zfk ¿A qué es igual el número de grados de libertad en este sistema de ecuaciones? En cada renglón hay / - 1 ecuaciones y en total hay k renglones, por lo tanto, se tienen en total (/-\)k ecuaciones. En nuestro sistema las variables son la temperatura, la presión y la concentración. Suponiendo que en cada fase entran todos los componentes, en ellas se podrá cambiar la concentración de f- 1 componentes (porque la concentración del último se determina por la diferencia). Como en total tenemos / fases, la cantidad de variables será: Por la concentración………… (k-1)f Por la temperatura…………… 1 Por la presión……………….. 1 Ing. ARTURO LOBATO

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Variables en total ((k-1) f + 2 Como el número de grados de libertad c es igual a la diferencia entre el número de variables y el número de ecuaciones, C = ( k-1)f + 2 –(f - 1)k o bien C = kf – f + 2 – kf + k es decir

C=k–f+2

Al deducir la ecuación de la regla de las fases se partió de que el potencial termodinámico de cada componente en todas las fases existentes era el mínimo, por esto el sistema no tiende a ninguna variación y se encuentra en estado de equilibrio. La regla de las fases y todas las deducciones relacionadas con ella sólo son justas para el estado de equilibrio. Las variables independientes de la ecuación de la regla de las fases son la concentración, la temperatura y la presión. Si admitimos que en el metal todas las transformaciones se producen a una presión constante, el número de variables disminuye en una unidad (porque la presión es constante) y la ecuación de la regla de las fases toma la forma siguiente: C=k–f+1 Esta es la expresión de la regla de las fases que vamos a aplicar a los sistemas metálicos en equilibrio, considerando que la presión es constante en todos los procesos. Veamos cómo varía el grado de libertad de un sistema de un solo componente ( k = 1) en el caso de la cristalización de un metal puro. Cuando el metal se encuentra en estado líquido, es decir, f = 1 (hay una fase, la líquida), el número de grados de libertad es igual a 1 (c = k - f + 1 = 1 - 1 + 1 = 1). La temperatura puede variarse en este caso sin cambiar el estado de agregación. En el momento de la cristalización f = 2 (hay dos fases, la sólida y la líquida), c = k- f -{- I = 1 - 2 -j-+ 1 = 0. Esto significa que las dos fases se encuentran en equilibrio a una temperatura rigurosamente determinada (la temperatura de fusión), y ésta no puede cambiarse hasta que una de las fases desaparezca, es decir, hasta que el sistema se haga mono-variante (c = 1). DIAGRAMA DE ESTADO DE LAS ALEACIONES CON DISOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO SÓLIDO (TIPO 11) Ambos componentes son completamente solubles en los estados líquido y sólido y no forman compuestos químicos, componentes: A y B. Si los dos componentes se disuelven totalmente en los estados líquido y sólido, sólo pueden existir dos fases: la solución líquida L y la solución sólida a. Por consiguiente, no puede haber tres fases, la cristalización a temperatura constante no se observa y en el diagrama no hay línea horizontal. Ing. ARTURO LOBATO

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o 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 B, %-

Fig. 1. Diagrama de estado (solubilidad total en estado sólido)

El diagrama, que se representa en la fig. 1, consta de tres regiones: líquido, líquido + solución sólida y solución sólida. La línea AmB es la de líquido, la AnB, la de sólido. El proceso de cristalización se representa por medio de la curva de enfriamiento de la aleación. El punto 1 corresponde al principio de la cristalización y el 2, a su fin. Entre los puntos / y 2 (es decir, entre las líneas de líquido y de sólido) la aleación se halla en un estado de dos fases. Cuando los componentes son dos y las fases también dos, el sistema es monovariante (c = k - f + 1 = 2-2 + 1 =1), es decir, si la temperatura cambia, también cambia la concentración de los componentes en las fases: a cada temperatura le corresponden unas composiciones "determinadas rigurosamente de las fases. La concentración y la cantidad de las fases que hay en la aleación que se encuentra entre las líneas de sólido y de líquido se determinan por medio de la regla de los segmentos. Así, la aleación K. (véase la fig. 1) en el punto a está constituida por las fases líquida y sólida. La composición de la fase líquida se determina por la proyección del punto b, que se encuentra en la línea de líquido, y la composición de la fase sólida, por la proyección del punto c, que se halla en la línea de sólido. La cantidad de fase líquida y de fase sólida se determina por medio de las relaciones siguientes: la cantidad de fase líquida es igual a ac/bc, y la de fase sólida, a ba/bc. Llamemos la atención sobre el hecho de que en todo el intervalo de la cristalización (desde el punto 1 hasta el punto 2), de la aleación líquida, cuya concentración inicial era K., se desprenden cristales más ricos en el componente de temperatura de fusión más alta. La composición de los primeros cristales se determina por la proyección del punto s. La cristalización de la aleación K. debe terminar en el punto 2, cuando la última gota de líquido, cuya composición es α se solidifica. El segmento que indica la cantidad de fase sólida era igual a cero en el punto 1, cuando la cristalización sólo empezaba, y a la cantidad total de aleación en el punto 2, cuando la cristalización terminó. La composición del líquido varía siguiendo la curva / -1, Y la composición de los cristales, Ing. ARTURO LOBATO

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siguiendo la curva s - 2, y en el instante en que finaliza la cristalización, la composición de los cristales es la misma que tenía el líquido inicial.

DIAGRAMA DE ESTADO DE LAS ALEACIONES CON SOLUBILIDAD PARCIAL EN ESTADO SÓLIDO (TIPO III) Ambos componentes son solubles totalmente en estado líquido, parcialmente en estado sólido y no forman compuestos químicos. Componentes: A y B Fases: L, α, β. En las aleaciones de este tipo es posible la existencia de: fase líquida, solución sólida del componente B en el A, que llamaremos solución α, y solución sólida del componente A en el B, que llamaremos β. En estas aleaciones es posible el equilibrio invariante cuando existen al mismo tiempo las tres fases: L, α, β. En dependencia de qué reacción se desarrolla en las condiciones de existencia de las tres fases, puede haber dos tipos de diagramas: un diagrama con eutéctica y otro con peritéctica. Diagrama con eutéctica

Fig. 2. Diagrama de estado con eutéctica En este sistema no se forman fases que sean componentes puros. Del líquido sólo se pueden desprender soluciones sólidas α o β. Por consiguiente, junto a las verticales A y B (fig. 2), correspondientes a los componentes puros, se encuentran las regiones de existencia de las soluciones sólidas α o β. La solubilidad límite del componente B en el A se determina por la línea DF, y la solubilidad límite de A en B, por la línea CG. Las aleaciones que se encuentran entre estas dos líneas se hallan fuera de los límites de solubilidad y son de dos fases, formadas por α + β. La línea AEB es en este diagrama la de líquido, y la AOCB, la de sólido. Conociendo la regla de las fases y la regla de los segmentos puede seguirse el proceso de cristalización de cualquiera de las aleaciones. Ing. ARTURO LOBATO

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Cristalización de la aleación 1. Por encima del punto f la aleación se encuentra en estado líquido. En el punto 1 empieza el proceso de la cristalización. Se desprenden cristales de la solución sólida α, cuya concentración varía siguiendo la curva a-- 2, y la composición del líquido cambia siguiendo la curva 1 - b. En el punto 2 termina la cristalización y los cristales obtenidos de solución sólida deben tener (para que la cristalización .sea en equilibrio) la concentración que tenía el líquido inicial. Estos cristales no sufren variación hasta el punto 3, que se encuentra en la línea de solubilidad límite. Por debajo de este punto la solución sólida α. está sobresaturada y segrega los cristales sobrantes. Estos cristales son de solución sólida β, lo que se determina aplicando la regla de la palanca para la aleación que se encuentra dentro de la región de dos fases α + β (es decir, para la aleación que hay por debajo de la línea DF). La composición de la solución sólida α varía siguiendo la curva 3 - F, debido al desprendimiento de cristales α de concentración G. La cantidad de cristales β aumenta durante el enfriamiento. La cantidad de estos cristales que se desprende de la aleación I está caracterizada por el segmento que va de la vertical I a la línea 3-F. La curva de enfriamiento y los esquemas de las estructuras de esta aleación a distintas temperaturas se muestra en la fig. 3. Los cristales β que se separan de la solución sólida se llaman cristales secundarios y se designan frecuentemente con el símbolo β11 para distinguirlos de los cristales β primarios que se desprenden del líquido. El proceso de separación de los cristales secundarios de la fase sólida se llama cristalización secundaria, para diferenciarlos del proceso de cristalización primaria, en el cual los cristales (primarios) se forman en la fase líquida

Fig. 3. Curva de enfriamiento y esquema de las estructuras: o, aleación que al cristalizar da solución sólida, que después precipita fase secundaria; β, aleación hipoeutéctica Ing. ARTURO LOBATO

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Hay que advertir que en la aleación cuya concentración se encuentre a la izquierda del punto F no habrá segregaciones secundarias de cristales β. Como la línea CG, a diferencia de la FD, está representada en la fig. 2 por una vertical, es decir, la solubilidad del componente A en el B no depende de la temperatura, no hay segregaciones secundarias de cristales α, pero las habría si la línea CG estuviera inclinada hacia la derecha, o sea, si la solubilidad disminuyera al descender la temperatura. El punto D para la solución sólida α. indica la solubilidad máxima del componente B en el componente A en las condiciones más favorables. Cristalización de la aleación II. Cuando cristaliza esta aleación, a diferencia de la anterior, cuando llega a la línea horizontal DEC empieza la reacción invariable. Se encuentran en equilibrio tres fases: el líquido E, los cristales α. de composición D y los cristales β de composición C. Introduzcamos signos convencionales: el subíndice que añadimos al símbolo que designa la fase indicará la composición de ésta. Por ejemplo, ac significará que la solución sólida α. tiene la composición determinada por el punto D. Al llegar a la temperatura correspondiente a la horizontal DEC comienza la reacción eutéctica, del líquido se desprenden cristales de ambas soluciones sólidas: L  DE + EC En una forma más general, la reacción eutéctica puede escribirse así: L α + β Esta reacción es invariante, ya que siendo dos los componentes, participan en la reacción tres fases (c=k – f+1 = 2 – 3+1 = 0). Las tres fases que toman parte en la reacción tienen composiciones determinadas (las proyecciones de los puntos E, D y C) y temperatura de transformación constante. Como resultado de la cristalización de la aleación II además de los cristales α primarios (segregados durante el enfriamiento desde el punto 1 hasta el punto 2), se forma también eutéctica α + β Si sigue el enfriamiento, debido a la variación de la solubilidad, los cristales α segregan cristales secundarios β y a la temperatura normal tendrán (tanto los cristales α primarios como los que entran en la eutéctica) la composición que responde al punto F. La curva de enfriamiento de la aleación II y las estructuras de esta aleación se representan en la fig. 3. La segregación de los cristales secundarios por las componentes eutécticas no suele Ing. ARTURO LOBATO

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descubrirse al hacer el análisis microscópico, porque las segregaciones secundarias se unen a la fase (igual que ellas) de la eutéctica. A pesar de la diversidad de los componentes estructurales, la aleación enfriada definitivamente sólo contiene dos fases, α y β, a la regla de las fases, si se aplica por debajo de la línea DE, dará la cantidad total de las fases α y β independientemente de la forma estructural en que se encuentren.

Diagrama con peritéctica

Fig. 4. Diagrama de estado con peritéctica En la transformación eutéctica el líquido cristaliza formando dos fases sólidas. También es posible otro tipo de transformación invariante (equilibrio de tres fases), en la cual el líquido reacciona con los cristales segregados antes y forma un nuevo tipo de cristales. La reacción de este tipo se llama peritéctica. Un diagrama con transformación peritéctica se muestra en la fig. 4. En este diagrama pueden verse tres regiones de una fase: la del líquido L y las soluciones sólidas α y β. La línea ACB es la de líquido, la APDB, la de sólido. Cristalización de la aleación I. La cristalización comienza en el punto 1 (fig. 4), cuando del líquido se desprenden cristales de solución β cuya composición es la determinada por el punto b. Después, a medida que desciende la temperatura, la concentración del líquido varía siguiendo la línea de líquido desde el punto 1 hasta el punto c y la concentración de los cristales β, siguiendo la línea de sólido desde el punto b hasta el punto D. Al llegar a la horizontal peritéctica CPD, la composición del líquido responderá al punto C, y la composición de los cristales, al punto D. Estas dos fases reaccionan y dan la tercera fase α, cuya concentración la determina el punto P, tercero en la horizontal. La reacción peritéctica se representa del modo general Ing. ARTURO LOBATO

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L+βα Ya que los puntos D y P indican la concentración límite de las soluciones sólidas β y α. (para simplificar, las líneas de solubilidad límite se dan verticales). La relación cuantitativa de las fases en la reacción peritéctica, necesaria para la formación de la fase α., se determina por la regla de los segmentos Cantidad de β = CP Cantidad de L PD En la aleación que consideramos, la cantidad de cristales β y de líquido que participan en la reacción peritéctica se determina por la relación es decir, en este caso existe un exceso de fase α en comparación con la cantidad para necesaria la formación de los cristales α. Cantidad de β = C2 Cantidad de L 2D

Fig. 5. Curva del enfriamiento de la aleación, una vez terminada la reacción peritéctica en que hay exceso de α, solución sólida; β, fase liquida. Por esto, cuando la reacción termina quedan cristales β sobrantes. Por consiguiente, en la estructura estarán los productos de la reacción peritéctica (es decir, los cristales α) y los cristales β primarios que sobran. Cuanta más cerca del punto P esté el punto 2, tanto menor será, el exceso de cristales que quede en la reacción. Para la aleación que responde al punto P por su concentración, la relación entre el líquido y los cristales β que reaccionan en la transformación peritéctica es tal, que resulta exactamente suficiente para la formación de cristales α. de concentración límite. En la Fig. 5, se muestra la curva de enfriamiento de la aleación I; en los esquemas se dan las estructuras correspondientes a algunos instantes de la cristalización. Para la cristalización peritéctica (esquema del centro) es característico que la nueva fase α aparece en el limite entre el líquido y los cristales β que reaccionan. Para la aleación I el proceso de cristalización finaliza en la reacción peritéctica. Ing. ARTURO LOBATO

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Cristalización de la aleación II (fig. 5). La cristalización de esta aleación se diferencia de la cristalización de la aleación I en que a la temperatura peritéctica hay un exceso de fase líquida en comparación con la cantidad que hace falta para la formación de cristales α de concentración β. Por esto la transformación peritéctica finaliza cuando se acaba la solución sólida β, y el líquido restante cristaliza, en el intervalo entre los puntos 2'-3, en la fase α Al mismo tiempo la concentración del líquido varía siguiendo la curva C - a, y la concentración de los cristales α. que se forman, siguiendo la curva P-3 (fig.4).

La regla de las fases propuesta por Gibbs establece que: F=C-P+2 donde F es el número de variables físicas independientes llamadas grados de libertad de un sistema de C componentes y P fases cuando la temperatura y la presión son las únicas variables de la concentración. Para estudiar las relaciones de punto de fusión de un sistema binario se considera que la presión es constante. 1 atmósfera y que el sistema está condensado; esto es que no existe la fase de vapor. Para un sistema de dos componentes de este tipo, la regla de las fases se reduce a: F=3-P

Por consiguiente, cuando coexisten tres fases. La temperatura ha de ser constante, y si coexisten dos fases habrá un grado de libertad. Se puede tomar como tal la temperatura o la composición. La regla de las fases se aplicará mas adelante para interpretar los datos de la curva de enfriamiento. El procedimiento que se utiliza para establecer los diagramas de fases se llama análisis térmico. Este consiste en obtener las curvas de enfriamiento de cierto número de mezclas de los dos componentes. Los datos para dichas curvas se obtienen dejando enfriar lentamente una mezcla fundida de composición conocida y registrando la temperatura a intervalos regulares. En la figura 20 se muestra una curva de este tipo para una sustancia pura. En ella se puede apreciar la temperatura constante del cambio de fase y los cambios en las pendientes durante el enfriamiento del líquido y del sólido. En cada región se analizará los grados de libertad del sistema.

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Figura 2': Curva de enfriamiento de una sustancia pura La curva de enfriamiento de una mezcla característica de dos componentes se representa en la figura 3. En este sistema no hay formación de compuesto. La parte de la curva comprendida entre a-b corresponde al enfriamiento de la fase liquida, en ella solo existe una fase y la pendiente está determinada por el calor específico del fundido y la diferencia de temperaturas entre la masa líquida y su alrededor. Cuando comienza la cristalización del sólido aparece un cambio en la pendiente (punto b). La presencia del sólido hace más lento el proceso de enfriamiento. Esto se observa en el cambio de la pendiente de la línea b-c. A medida que continúa la cristalización, a masa líquida se hace mas rica en el otro componente ocasionando un descenso continuo de la temperatura. A lo largo de esta zona existen dos fases: sólido-líquido y un grado de libertad, bien sea la composición o la temperatura. Mientras coexisten las dos fases, la temperatura varía y el enfriamiento continúa hasta llegar al punto c que corresponde a la temperatura en que aparece el segundo sólido. Ahora se tienen tres fases, sin ningún grado de libertad, y por lo tanto, la temperatura de la mezcla es constante como puede ver en la gráfica (tramo c-d).

Figura 3: Curva de enfriamiento de una mezcla

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A esta temperatura los dos sólido cristalizan a la vez a una razón igual a sus concentraciones molares en el líquido. Cuando el sistema se ha solidificado por completo, se vuelve a un sistema de dos fases y la temperatura desciende nuevamente La temperatura a la que coexisten dos sólidos en presencia del líquido se llama temperatura eutéctica y su composición se mantiene constante en ambas fases. EQUIPO A USAR: A.- 1 horno de laboratorio a gas. B.- 1 crisol de grafito, carburo de silicio o porcelana de 50 ml de capacidad. C.- 1 termómetro de -10 a 420°C D.- 1 pinza para sujetar el crisol, y cronómetro. E.- ....... gr. de Pb puro, ............gr. de Sn puro, y una balanza. F.- 1 mechero de gas, 1 bagueta. G.- 1 soporte universal y 1 pinza para sujetar el termómetro. H.- 1 lingotera. PROCEDIMIENTO.- Preparar una serie de aleaciones de Pb y Sn, las cuales son completamente solubles una en otro en el estado líquido, completamente insolubles entre si en el estado sólido y forman un eutectico. Las aleaciones por preparar son, sobre un total de 50 gr. Por aleación: 1.- 20% Pb – 80% Sn (pesar 10 gr. de Pb y 40 gr. de Sn) 2.- 40% Pb - 60% Sn (pesar 20 gr. de Pb y 30 gr. de Sn) 3.- 600/ó Pb – 40 % Sn (pesar 30 gr. de Pb y 20 gr. de Sn) 4.- 80% Pb - 20% Sn (pesar 40 gr. de Pb y 10 gr. de Sn) 5.- ...................Otros porcentajes que el profesor fije. Colocar cada una de estas aleaciones pesadas en el crisol grafito o porcelana, luego montar el crisol en el horno, introducir el termómetro dentro del crisol, de tal manera que solo la punta metálica del termómetro puede chocar con la aleación fundida, prender el horno hasta que la aleación este por lo menos 30 °C por encima de su punto de fusión, agitando el baño con la bagueta, una vez alcanzada la temperatura adecuada apagar el horno, enfriar la aleación dentro del horno anotando la temperatura a intervalos de 15 segundos. Realizar esta misma operación para cada una de las aleaciones (el numero que el profesor fije). Medir las temperaturas hasta 120 °C aproximadamente. Luego de enfriadas las aleaciones volver a fundirlas y lingotearlas en la lingotera. La agitación del baño se realiza, a fin de asegurar una mezcla completa e intima de los componentes. La superficie del metal fundido se cubre con una capa de grafito o carbón de madera para evitar su oxidación (no necesario en este caso). ........... % Pb ...................................................... %Sn

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TIEMPO ( s )

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TEMPERATURA (0C)

TIEMPO ( s )

TEMPERATURA (0C)

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CUESTIONARIO 1.Adjuntar los datos de los diferentes grupos de trabajo (temperatura vs. Tiempo). 2.Graficar temperatura vs. tiempo de todos los grupos indicando los cambios. 3.Graficar el diagrama de fase del Pb - Sn experimental y compararlo con el teórico. 4.Aplicaciones del Pb ,Sn y aleaciones. 5.Otros métodos experimentales para construir un diagrama de fases. 6.Descripción de los diagramas de fases. 7.Observaciones y conclusiones.

BIBLIOGRAFIA: FISICOQUIMICA, Ira N. Levine, Mc Gaw-Hill (1996) INTRODUCCION A LA METALURGIA Física, Sydney H. Avner THE ELEMENTS OF PHYSICAL CHEMISTRY, P.W. Akins, Oxford University Press (1995) MODERO PHYSICAL CHEMISTRY, G.F. Liptrot, J.J. Thompson, G.R. Walker. Be" and Hyman Limited, London (1982)

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TERCERA PRACTICA DE LABORATORIO EQUILIBRIO EN LAS SOLUCIONES (METODO COLORIMETRICO) OBJETIVOS  

Determinación y análisis cualitativo y cuantitativo de sustancias por medio de un método calorimétrico basado en la propiedad que poseen todas las sustancias de absorber la emisión de luz Adiestramiento en el buen uso de un aparato de medición de intensidad de una sustancia estudiada, colorímetro.

FUNDAMENTO TEÓRICO El método colorimetrico es un método basado en la propiedad que tienen todos los cuerpos de absorber la radiación solar para lo cual previamente el alumno debe revisar algunos conceptos. Una sustancia en solución absorbe cierta cantidad de energía de la radiación electromagnética, esta varia directamente proporcional a la concentración de la sustancia; cuando esta absorción es en la región visible del espectro, el análisis se denomina colorimetrico debido a esta absorción podemos saber que tan concentrada es una solución por medio de su coloración por supuesto con la ayuda de un espectrofotómetro. Radiación electromagnética: es una forma de energía que se transmite por el espacio a velocidades muy altas por medio de ondas sinusoidales. Espectro electromagnético: Es el conjunto de distintos tipos de radiación electromagnética que abarca las distintas longitudes de onda. Luz visible Una parte del espectro electromagnético cuyas longitudes de onda pueden ser percibidas por la vista humana. También es conocida como luz blanca, esta radiación esta compuesta por los siguientes colores: Color Rojo Naranja Amarillo Verde Azul

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I

Longitud de onda(manómetros) 750-620 620-590 590-570 570-500 500-400

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Estos colores son los que son percibidos por la vista humana. El color de una sustancia se debe al rango de longitud de onda que absorbe, por ejemplo el sulfato de cobre es azul en solución debido a que absorbe todos los colores menos el azul que es el color que la vista capta. Por lo tanto una característica de las sustancias es la longitud de onda que absorbe y no la luz que emite.

Uso del espectrofotómetro ultravioleta / visible: ESPECTROFOTOMETRO Escala de T%

Compartimiento de celta

Selector de longitud

T 0% Ajuste de T 0%

T100 % Ajuste de T 100%



Para cada medición se debe calibrar el espectrofotómetro a 100% usando una solución incolora debido a que la maquina es muy sensible a las variaciones de temperatura y corriente eléctrica.



El selector de longitud de onda como su mismo nombre lo dice permite seleccionar la longitud de onda en este experimento se debe fijar en 620 nm.



La escala que se ve nos muestra el porcentaje de transmitancia de la muestra.



En el compartimiento de celda se introduce la muestra a analizar.

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Parte experimental:

A) Preparación de la solución estándar (1000 mgr / l) Pesar exactamente 1 g. de cobre electrolítico. Luego disolver el cobre con ácido nítrico ( HNO3) 16N después se añadirá 2 o 5 gotas de hidróxido de amonio (NH 4OH) verter la solución en una fiola de 1000ml y enrasar con agua destilada y finalmente mezclar homogéneamente obteniéndose la solución patrón.

B) Determinación de la curva de trabajo A partir de la solución patrón, preparar soluciones en las fiolas de 50 o 100 ml con las siguientes concentraciones o sino el profesor les proporcionara los datos: Concentración (mgr/l) 50 100 300 450 600 800

Para hallar las concentraciones pedidas se usara la relación de C1V1= C2V2

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Ej. Preparación de C2 = 50 mgr / I en una fiola de 100ml 1000 x V1 = 100 x 50 Donde V1 = 5ml Por lo tanto se necesitaran 5ml de la solución patrón.

Luego de obtener todas las concentraciones pedidas sacar una muestra de cada una de ellas en los tubos de ensayo para obtener el porcentaje de transmitancia de cada muestra. ESPECTROF OTOMETRO Compa rtimien to de T celta Ajuste

T

d e T 0 %

Escal a de T% Sele ctor de Ajuste delong 0 1 Titud %

0 1 0 0 0 % %

Para cada medida se debe llevar el espectrofotómetro al 100 % usando la solución incolora de agua destilada debido a que el colorímetro es muy sensible a las variaciones en temperatura y en la corriente eléctrica. Ajustar el selector de longitudes de onda a 620nm. Luego en un papel milimetrado o en Excel realizar la grafica A vs. C C) Análisis de la muestra problema Pesar 0.5 gr. de cobre luego disolverlo en 10ml de HCI y 5 ml de HN03 después de ello se observará la formación de un precipitado, luego se filtrara la solución y se desechara el precipitado. Añadir de 5 a 10 ml de NH4OH enrasar la solución en una fiola de……. ml mezclar homogéneamente encontrándose la solución problema y luego hallar su transmitancia. El alumno debe calcular la concentración de la muestra problema utilizando la grafica A VS. C anterior ya sea por interpolación o hallando la ecuación de la grafica. Para hallar el % de cobre se usara la siguiente formula: Ing. ARTURO LOBATO

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% Cu = Wcu / W0 x 100

Donde

Wcu = C x V

V: volumen de la solución C: Concentración de la solución Nota: V y C deben estar en las unidades correctas Usando los conocimientos de la parte teórica calcular las absorbancias para cada concentración. Ley de Beer: Cuando un haz de radiación monocromática atraviesa una solución que contiene una especie absorbente, la energía radiante de haz se reduce progresivamente como consecuencia de la absorción de parte de la energía de las partículas de dicha especie química, la disminución de la energía radiante depende de la concentración de la sustancia responsable de la absorción así como la longitud de recorrido del haz a través de la solución. Beer relaciona:

A  log Iinicial / Ifinal  EBC

Donde: Lo: Es la intensidad de la radiación (es la energía radiante que incide sobre una superficie unidad por unidad de tiempo) de un haz que incide sobre una sección de una solución que contiene "C" moles de una sustancia absorbente por litro. f: Es la intensidad de haz después de atravesar la capa de dicha solución de " B " cm. de espesor donde I f <<< lo A: Absorbancia de la solución o densidad óptica &: Constante, llamada absortividad molar o coeficiente de absorción molar. Además se denomina Trasmitancia (T) a: T

I I0

T (%) 

I x100 I0

→

A  log(

100 ) %T

Espectrómetro de absorción: Un espectrómetro posee cuatro componentes básicos: un foco productor del haz de radiación o de partículas que se va a investigar; un analizador que separa el haz de acuerdo con las propiedades que se desea analizar; un detector que mide su cantidad y un elemento que registra los resultados en forma de gráfica, diagrama o fotografía.

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Los espectrómetros son instrumentos que generan, analizan y registran espectros. Aquí se ilustra el uso de un espectrómetro de absorción para determinar el espectro creado por una sustancia desconocida. Las lentes del instrumento enfocan la luz, mientras que un prisma central la divide en el espectro de los colores que la constituyen. Los colores que aparecen en la pantalla representan las longitudes de onda no absorbidas por la muestra CUESTIONARIO: 1. Describa en forma básica las partes de un fotómetro y como funciona. 2. Una solución X que contiene de 1.54 x 10-4 M tiene una transmitancia de 0.0874 cuando se mide en una celda de 2 cm. Que concentración de X permitirá tener una transmitancia 3 veces mayor si se utiliza una celda de 1 cm. 3. Trate sobre la importancia de las soluciones coloreadas para un químico analítico. 4. Defina los siguientes términos: Transmitancia, Absorbancia, Absortividad y Absortividad Molar. 5. Que principio general trata la ley de Beer 6. En cuanto al Equipo usado Que controles son los mas importantes ( calorímetro usado: spectonic-20 Bauseh y Lom )

Datos: N0 Muestra

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Concentración

Transmitancia

Absorbancia

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BIBLIOGRAFIA:       

Sydney H. Avner Introducción a la Metalurgia Física Cap. VI Adamson Química Física Gilbert W. Castellan Físico – Química Gilbert H.Ayres , análisis cuantitativo-segunda edición. R.A.Day.J yA.L.Underwood,química analítica cuantitativa-quinta edición.

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CUARTA PRACTICA DE LABORATORIO CINETICA DE REACCION PARA EL COBRE

INTRODUCCIÓN Las velocidades de las reacciones químicas constituyen el campo de estudio de la cinética química, por experimentación se encuentra que la velocidad de una reacción depende de la temperatura, la presión y las concentraciones de las especies implicadas. La presencia de un catalizador o inhibidor puede cambiar la velocidad en varias potencias de diez. A partir del estudio de la velocidad de una reacción y de su dependencia de todos estos factores, se puede aprender mucho acerca de las etapas detalladas por medio de las que los reactivos se convierten en productos. El cobre es el primer metal de cuyo uso por parte del hombre tenemos noticia. El cobre fue usado en diversos campos solo, o en aleación con estaño para formar bronce. Durante mucho tiempo se le dejo de lado hasta que la industria eléctrica comenzó a usarlo debido a que es un excelente conductor y su precio es relativamente bajo. FUNDAMENTO TEÓRICO

Cinética química: El estudio de una reacción química puede hacerse desde el punto de vista termodinámico o desde el punto de vista cinético. Cuantitativamente la posición de equilibrio viene definida por la constante de equilibrio: Ing. ARTURO LOBATO

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A+B ↔ C+D

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K = aC aD aA aB

El valor de la constante es una indicación de la extensión en la que se producirá la reacción. Sin embargo, no da ninguna información relacionada con la duración del proceso. La cinética química trata dos aspectos básicos: la descripción del mecanismo de reacción o conjunto de pasos y estados intermedios que se producen durante la reacción, y la formulación de una ley de velocidad que describa adecuadamente y en detalle la velocidad de la reacción. Mecanismos de reacción: Desde el punto de vista termodinámico, en una reacción química, los reactivos constituyen el estado inicial y los productos el estado final. Al pasar del estado inicial, al estado final, se produce un cambio de la energía libre. Cuando el cambio es negativo, se dice que la reacción es espontánea y no existe impedimento termodinámico para que la reacción no se produzca, sin embargo este enfoque solo tiene en cuenta las propiedades de reactivos y productos, y no toma en cuenta los posibles problemas que pueden existir durante la reacción. El análisis cinético suele ser complicado y exige a menudo cierto grado de ingenio en la interpretación de los datos, ya que hay las mismas probabilidades de que el mecanismo sea complicado o no lo sea. A menudo acontece que no es posible decidir solo a partir de los datos cinéticos cual de los diferentes mecanismos razonables es el mecanismo de la reacción. El problema del mecanismo de una reacción química empieza con la resolución de la reacción postulando una secuencia de reacciones elementales (se producen con la formación de un solo complejo activado y superando una sola barrera de energía de activación). El conjunto de procesos elementales de una reacción se denomina mecanismo de reacción. Ley de la velocidad y orden de una reacción: La extensión en la cual ha progresado una reacción se conoce como grado de avance de la reacción, E para las reacciones puede definirse como: E = Ci (t) – Ci0 Ri En esta expresión Ci (t) es la concentración del componente i que hay en el tiempo t, Cio, la inicial y ri el coeficiente estequiométrico con su signo (positivo para productos y negativo para reactivos). EI grado de avance es independiente de la especie que se mida, por ello la velocidad de reacción se puede definir como la variación del grado de avance con el tiempo: dE = 1 x dCi (t) dt ri dt Ing. ARTURO LOBATO

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La división por los coeficientes estequiométricos es necesaria para unificar el concepto de velocidad de reacción, haciéndola independiente de la especie química considerada. Además, asegura que la velocidad de reacción sea siempre positiva, tanto si se considera un reactivo como un producto. La expresión que relaciona la velocidad de la reacción con las concentraciones de los compuestos que forman parte en ella se denomina ley de velocidad o ecuación de velocidad. En el caso de un proceso elemental, la velocidad es proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos elevadas a sus correspondientes coeficientes estequiométricos. A + B → P v= k (A)(B) 2A → P v= k (A)2 Donde k es la constante de velocidad o constante cinética. Para reacciones complejas, la ecuación no es tan sencilla, y depende del mecanismo de reacción. De todas formas, para muchas reacciones la velocidad es proporcional a potencias de las concentraciones de los reactivos. nA + mB → P

v= k (A)n(B)m

Donde n es el orden de reacción respecto a A, m es el orden de reacción respecto a B, y además que la sumatoria de n + m + .... , de los reactivos, es el orden global de la reacción. El orden de la reacción gobierna la forma matemática de la ley de la velocidad y, por tanto, la variación de la concentración de todas las especies con el tiempo. El orden de la reacción para varias especies debe de obtenerse por experimentación. La determinación experimental del orden de reacción respecto a las varias sustancias que toman parte, es uno de los primeros objetivos de una investigación cinética.

OBJETIVO   

Tener en cuenta las experiencias del laboratorio anterior el uso del colorímetro y la medición de la transmitancia . Observar el comportamiento de la cinética de reacción para el cobre. Calcular la concentración del cobre según va reaccionando.

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MATERIALES:

         

Balanza. 11 tubos de ensayo. Un cronometro. 2 vasos de precipitados. Una gradilla. Colorímetro (espectrómetro 20). 1 Piceta ..... g de Cobre electrolítico (lo que el profesor le indique). Acido Nítrico (HNO3) (lo que el profesor le indique). Agua destilada(lo que el profesor le indique).

PROCEDIMIENTO: 1. Pesar por ejemplo 4g de cobre electrolítico en la balanza y colocarlo dentro de un vaso de precipitado lleno con 100 ml de agua destilada. 2. Medir por ejemplo 120 ml de HNO3 en otro vaso de precipitado y verterlo en el vaso que contiene el cobre. 3. Observar la reacción, tomando a partir de su inicio el tiempo cada un cierto intervalo, hasta que el cobre se disuelva completamente. 4. Separar las muestras obtenidas para intervalos de tiempo diferentes y colocarlas en un tubo de ensayo. 5. Colocar cada una de las muestras en el colorímetro y leer las transmitancias A continuación a cada muestra tomada le medimos el % T y construimos la tabla. Tiempo (min.)

%T

A

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Tiempo (min.)

Concentración

CUESTIONARIO 1)Calcular el porcentaje de Transmitancia. 2)Obtener la gráfica C vs. A. 3)Graficar la cinética y escribir su ecuación que gobierna 4)Observaciones y conclusiones. 5)Bibliografía. RECOMENDAC IONES 

Se recomienda calibrar el colorímetro al 100% antes de empezar a trabajar.



El colorímetro debe estar a una longitud de onda de 620nm.



Se debe limpiar los tubos con las muestran antes de hacer la medición.



Luego de cada medición se debe comprobar que el colorimetro siga al 100% con un tubo que contenga agua destilada.

BIBLIOGRAFÍA “Química Física”, Walter Moore, Barcelona, 1953. “Físico Química”, Atkins, 1986. “Química”, Mahan, 1968. “Elementos de Fisicoquímica”, Samuel Glasstone, 1952. “Físico química”, Castellan

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QUINTA PRÁCTICA DE LABORATORIO CONDUCTIVIDAD, POTENCIAL (REDOX), PH y TEMPERATURA DEL AGUA DE MINA, DE RIO RIMAC, AGUA POTABLE Y AGUA RESULTADO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO (UNITRAR). OBJETIVO Realizar las mediciones de los parámetros del agua como la conductividad, potencial (Redox), Ph y temperatura, etc., de diferentes procedencias como son las aguas de mina, agua del río Rimac, agua potable y agua resultado de las plantas de tratamiento; para luego analizar las diferencias de los diferentes tipos de clases de agua. FUNDAMENTO TEÓRICO CONDUCTIVIDAD La Conductividad es la habilidad de una solución para conducir electricidad. Pequeñas partículas cargadas eléctricamente, llamadas iones, pueden llevar una corriente eléctrica a través de soluciones. Estos iones provienen principalmente de los ácidos y sales de la solución de fuente. Entre más concentrado de solución de fuente sea añadido a la solución, el número de iones se incrementa, junto con la conductividad. Conductividad y Concentración de la Solución

Potencial químico (Redox) Ing. ARTURO LOBATO

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El potencial químico de un sistema termodinámico es el cambio de energía que experimentaría el sistema si fuera introducida en éste una partícula adicional, con la entropía y el volumen mantenidos constantes. Si un sistema contiene más de una especie de partículas, hay un potencial químico diferente asociado a cada especie, definido como el cambio en energía cuando el número de partículas de esa especie se incrementa en una unidad. El potencial químico es un parámetro fundamental en termodinámica y se asocia a la cantidad de materia. El potencial químico es particularmente importante cuando se estudian sistemas de partículas que reaccionan. Consideremos el caso más simple de dos especies, donde una partícula de la especie 1 puede transformarse en una partícula de la especie 2 y viceversa. Un ejemplo de un sistema de esta clase sería una mezcla supersaturada de agua líquida (especie 1) Y vapor de agua (especie 2). Si el sistema está en equilibrio, los potenciales químicos de las dos especies deben ser iguales. De lo contrario, cualquier incremento en un potencial químico produciría emisión neta e irreversible de energía del sistema en forma de calor1 cuando esa especie con el potencial incrementado se transformara en la otra especie, o una ganancia neta de energía (de nuevo en forma de calor) si tuviera lugar la transformación reversible. En las reacciones químicas, las condiciones de equilibrio son generalmente más complicadas ya que intervienen más de dos especies. En este caso, la relación entre los potenciales químicos en el equilibrio viene dada por la ley de acción de las masas. Puesto que el potencial químico es una cantidad termodinámica, es definido independientemente del comportamiento microscópico del sistema, es decir, de las propiedades de las partículas que lo constituyen. Sin embargo, algunos sistemas contienen importantes variables que son equivalentes al potencial químico. En los gases y líquidos de Fermi, el potencial químico en el cero absoluto de temperatura es equivalente a la energía de Fermi. En los sistemas electrónicos, el potencial químico está relacionado con el potencial eléctrico eficaz. Definición Considere un sistema termodinámico que contiene n especies constitutivas. Su energía interna total U se postula como una función de la entropía S, el volumen V, y la cantidad de materia (o de sustancia) de cada especie n1……,nn U = U(S,V, n1……,nn ) Refiriéndonos a U como la energía interna, remarcamos que las contribuciones de energía resultantes de las interacciones entre el sistema y los objetos externos están excluidas. Por ejemplo, la energía potencial gravitacional del sistema con la Tierra no está incluida en U. El potencial químico de la especie i del sistema, µ1 se define como la derivada parcial:

µ1 = ( әU / әni )S,V, n Ing. ARTURO LOBATO

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Donde los subíndices indican simplemente que la entropía, el volumen, y la cantidad de materia de las otras especies deben ser mantenidos constantes. En sistemas reales, generalmente resulta difícil mantener la entropía constante, ya que esto implica un buen aislamiento térmico. Por lo tanto, es más conveniente definir la energía libre de Heimholtz A, que es una función de la temperatura T, el volumen, y la cantidad de materia2 A=A( T,V, n1……,nn ) El potencial químico definido a partir de la energía libre de Heimholtz sería:

µ1 = ( әA / әni ) T,V,njǂi Los experimentos de laboratorio se realizan a menudo bajo condiciones de presión y temperatura constantes. En estas condiciones, el potencial químico es la derivada parcial de la energía libre de Gíbbs respecto a la cantidad de materia:

Una expresión similar para el potencial químico puede ser escrita a partir de la derivada parcial de la entalpía, bajo condiciones de entropía y presión constantes

PH de una SOLUCION Es una unidad de medida aceptada y común como un "metro" es una medida de la longitud, y un "litro" es una medida de volumen fluido El pH es una medida de la acidez o de la alcalinidad de una sustancia. Es necesario porque, dado que en ciertos casos no es suficiente decir que el agua está caliente, o no es suficiente decir en ciertos casos que el jugo del limón es ácido, al saber que su pH es 2,3 nos dice el grado exacto de acidez. Necesitamos ser específicos. Al decir que el agua está en 910 C o 196°F expresamos exactamente lo caliente que está. Por lo tanto la medición de la acidez y la alcalinidad es importante

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Temperatura La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia. Como lo que medimos en su movimiento medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por ejemplo, la temperatura de un cazo de agua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, a pesar de que la olla sea mucho más grande y tenga millones y millones de moléculas de agua más que el cazo. Nosotros experimentamos la temperatura todos los días. Cuando hace calor o cuando tenemos fiebre sentimos calor y cuando está nevando sentimos frío. Cuando estamos hirviendo agua, hacemos que la temperatura aumente y cuando estamos haciendo polos o paletas de helado esperamos que la temperatura baje.

FLOTACION-SEDIMENTACION

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Una operación que posibilita un pretratamiento adecuado y alta eficacia. Da solución a problemas hasta ahora irresolubles en el campo de la ingeniería sanitaria. Es un sistema simple de bajo mantenimiento fácil de operar y de óptimos resultados.

La flotación y sedimentación son operaciones unitarias utilizadas para separar partículas sólidas de una fase líquida. La separación por gravedad es un método económico y de alta eficiencia en el tratamiento de efluentes siendo frecuente su utilización para separar flotantes contaminantes que por su densidad ascienden a la superficie de la masa líquida o para sedimentar los de mayor peso. En la mayoría de los casos los separadores son construidos en forma de tanques rectangulares, siendo la eficiencia de estos tanques una función directa de la superficie del mismo y del caudal a tratar. La eficiencia de la separación está determinada por el área horizontal del tanque y es independiente de la profundidad, siendo generalmente el área requerida para una instalación de tipo convencional muy elevada o de dimensiones exageradas respecto al rendimiento adecuado. Los varios inconvenientes que presenta el sistema convencional para separación por gravedad de agua – aceite, agua – grasa llevaron a desarrollar estudios que posibilitaron la construcción de un sistema compacto, eficiente y de bajo costo, basándose el mismo en el hecho de que el aumento del área de separación también pueda obtenerse superponiendo varios planos en el interior del tanque, y si estos planos están inclinados el material separado entre placas es removido por gravedad. Los planos inclinados constituyen el núcleo principal del equipo, y se encuentran ubicados uno sobre otro a regular distancia conformando el bloque de placas, alojadas en una caja de resina poliéster reforzada con fibra de vidrio. Las placas tienen forma ondulada para favorecer el aglutinamiento de las partículas de grasa, aceite o elementos flotantes interceptados y al mismo tiempo está inclinada para favorecer su transferencia a través del bloque. Si además de aceite, grasa o flotantes hubiera en el líquido material sedimentable, este será colectado y agrupado en los valles de las ondulaciones de tal manera que se deslizara lenta y suavemente hasta el fondo del tanque. De esta manera las partículas de pequeñísimo diámetro podrán ser separadas del líquido, ya que los factores adversos que actúan en un sistema convencional se anulan prácticamente por completo.

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Turbidez La turbidez se refiere a lo clara o turbia que pueda estar el agua. El agua clara tiene un nivel de turbidez bajo y el agua turbia o lodosa tiene un nivel alto de turbidez. Los niveles altos de turbidez pueden ser causados por partículas suspendidas en el agua tales como tierra, sedimentos, aguas residuales y plancton. La tierra puede llegar al agua por la erosión o el escurrimiento de tierras cercanas. Los sedimentos pueden ser revueltos por demasiada actividad en el agua, ya sea por parte de los peces o los humanos. Las aguas residuales son el resultado de las descargas de agua y los altos niveles de plancton pueden deberse a nutrientes excesivos en el agua. Si la turbidez del agua es alta, habrá muchas partículas suspendidas en ella. Estas partículas sólidas bloquearán la luz solar y evitarán que las plantas acuáticas obtengan la luz solar que necesitan para la fotosíntesis. Las plantas producirán menos oxígeno y con ello bajarán los niveles de Oxígeno Disuelto (OD). Las plantas morirán más fácilmente y serán descompuestas por las bacterias en el agua, lo que reducirá los niveles de OD aún más. Las partículas suspendidas en el agua también absorberán calor adicional de la luz solar lo cual ocasionará que el agua sea más caliente. El agua caliente no es capaz de guardar tanto oxígeno como el agua fría, así que los niveles de OD bajarán, especialmente cerca de la superficie. Las partículas suspendidas también son destructivas para muchos organismos acuáticos tales como los macro invertebrados que se encuentran en el agua. Pueden obstruir las branquias de los peces e interferir con su habilidad para encontrar alimento. También pueden enterrar las criaturas que viven en el fondo y los huevos. Las partículas suspendidas pueden transportar contaminantes en el agua.

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Water test Water Test is the smallest portable water testing laboratory in the world! It provides quick and reliable measurement of the four most important variables in water analysis: pH, ORP, conductivity and temperature. The lightweight and compact package makes it perfect for use in the plant as well as the field. Superior in design and construction, Water Test is made of rugged VALOX® material which provides excellent protection from typical environmental conditions. Water Test is engineered with such simplicity that even non-technical personnel can use it: Fill the base of Water Test with the sample to be measured, press "RANGE" to select the mode and then simply read your measurement! The rugged construction and simple operation make Water Test perfect for use in the fields of water treatment analysis, waste water tests, ecological studies, aquaculture and hydroponic applications. Range 0.0 to 14.0 pH, ±1000 mV, 0 to 1999 µS/cm, 0.0 to 60.0°C Resolution 0.1 pH, 1 mV, 1 µS/cm, 0.1°C Accuracy (@20°C/68°F) ±0.2 pH, ±5 mV, ±2% Full Scale, ±1°C Typical EMC Deviation ±0.4 pH, ±2 mV, ±2% Full Scale, ±1°C Calibration Manual 2 points pH, Manual 1 point EC Battery Type / Life 3 x 1.4V / 200 hours approx. continuous use Environment 0 to 50°C (32 to 122°F); RH 95% Dimensions 190 x 85 x 85 mm (7.4 x 3.3 x 3.3") Weight 260 g (9.2 oz.)

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MATERIALES Y EQUIPOS - Equipo Water Test - 10 vasos de 200 ml cada uno - muestras de agua PROCEDIMIENTO 1) Establecer las estaciones de monitoreo o puntos de monitoreo de calidad de agua:

MUESTRA

TEMPERATURA (0C)

CONDUCTIVIDA D (uS / cm)

pH

POTENCIAL REDOX (mV)

Agua salida de bocamina Agua UNITRAR Agua potable Agua Destilada Agua de Río Rimac Agua de Río Chillón Agua de Pabellón Central Agua de Docimasia

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2) Los grupos formados tendrán un vaso de 200ml 3) Cada grupo medirá los parámetros del agua procedente de diferentes estaciones de monitoreo 4) El equipo water test medirá los siguientes parámetros Temperatura en 0C, conductividad (uS/cm), pH, potencial redox (mV) 5) Llenar a cada vaso un volumen de 100 ml de muestra, tener cuidado de no exceder este volumen porque mojaría la batería del wáter test. 6) Introducir el wáter test al vaso 7) Para iniciar la medición digitar ON/OFF (encendido/apagado) 8) Digitar Range (rango) 9) Medir con el equipo de wáter test la Temperatura en grados centígrados (0C) anotar valores 10) Medir con el equipo de wáter test la conductividad en micro cien (uS/cm) anotar valores 11) Medir con el equipo de wáter test r el pH anotar valores 12) Medir con el equipo de wáter test el potencial redox en milivoltios (mV) anotar valores CUESTIONARIO 1. Cual es el objetivo de determinar la conductividad, pH, temperatura, potencial redox, turbidez, sedimentación, DBO, DRB, STD, SSI, coliformes fecales, coliformes sulfatos. 2. Cuales son los parámetros para determinar la contaminación del agua(agua de río) 3. Cuales son los limites máximos permisibles de los parámetros (L.G.A) 4. Cuando se dice que el agua esta contaminada 5. Comparación de las aguas analizadas en el laboratorio

MUESTRA

TEMPERATURA (0C)

CONDUCTIVIDA D (uS / cm.)

pH

POTENCIAL REDOX (mV)

Agua salida de bocamina Agua UNITRAR Agua potable Agua Destilada Agua de Río Rimac Agua de Río Chillón Agua de Pabellón Central Agua de Docimasia

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RECOMENDACIONES 

Enjuagar cada vez que se usa el Water Test

Bibliografía http://ciberandes.com/uploads/media/RioRamis_Documento_Original.pdf http://sisbib.unmsm.edu.pe/BibVirtualData/publicaciones/ing_quimica/Vol4_N2/estudio_calidad .pdf http://www.unesco.org.uy/phi/libros/guiasubterranea/Pagina5/pagina5a.htm http://www.digesa.minsa.gob.pe/rio_ramis.asp http://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtml

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