UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL
Práctica de Laboratorio
CURSO
:
FISICO QUIMICA
TEMA
:
CONDUCTIMETRÍA
PROFESOR
:
OSWALDO CAMASI PARIONA
ALUMNO
:
TAPIA VILLARAN ALAN KENNEDY ARTEAGA SUCARI NANCY RUBI
CALLAO, JULIO del 2014
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BELLAVISTA INTRODUCCIÓN
La determinación conductimétrica es una técnica ampliamente difundida para las determinaciones de control de calidad. Estas determinaciones sencillas, económicas y tienen una serie de aplicaciones. En primer lugar está el control de la calidad del agua, ya sea potable o de uso industrial, seguido por la determinación de la conductividad de las soluciones en aplicaciones industriales tales como en las electrólisis; ya que el consumo de energía eléctrica durante la electrólisis depende en gran medida de ella. Asimismo, las determinaciones conductimétricas se usan ampliamente en los laboratorios de análisis ; por ejemplo, para determinar el contenido de salino de soluciones durante la evaporación de agua en calderas, la determinación de las solubilidades de electrólitos y sus concentraciones, y las constantes de los ácidos y bases. Algunas determinaciones son del tipo indirecto, tales como la determinación de CO2 en agua expuesta a atmósferas cargadas del gas [1] y la determinación de SO2 atmosférico absorbido en soluciones de peróxido de hidrógeno. Un método práctico muy importante es la titulación conductimétrica, es decir, la determinación de la concentración de un electrolito en solución, sea este fuerte o débil, por medio de la medición de su conductividad durante la titulación. Este método resulta especialmente valioso para este propósito cuando las soluciones son turbias o fuertemente coloreadas y que con frecuencia no pueden ser tituladas con el empleo de indicadores. Las aplicaciones prácticas de estas medidas pueden ser agrupadas en tres tipos: a) análisis directo, b) seguimiento de la composición de flujos y c) valoraciones conductimétricas. Este es último es un método práctico sumamente importante y resulta especialmente valioso para las soluciones turbias o fuertemente coloreadas que con frecuencia no pueden ser tituladas con el empleo de indicadores. i ndicadores.
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OBJETIVOS
Determinación de la conductividad específica y conductividad equivalente equivalente de soluciones.
Determinación del grado de disociación y la constante de equilibrio de ácidos débiles por mediciones de conductimetría.
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CONDUCTIMETRÍA Uno de los problemas teóricos fundamentales en electroquímica es explicar cómo las soluciones de electrolitos conducen la corriente eléctrica. Se sabe que los conductores metálicos obedecen la ley de Ohm:
(1)
Donde: I: Es la intensidad de corriente (amperios) E: la fuerza electromotriz o diferencia de potencial eléctrico (voltios) R: constante de proporcionalidad, llamada resistencia (ohmios) y la resistencia R, depende de las dimensiones del conductor:
(2)
Donde: l: longitud A: área de la sección transversal
: resistencia específica o resistividad Las soluciones electrolíticas cumplen la ley de Ohm, que los conductores metálicos. El reciproco de la Ec. (2), viene ser:
Donde: -1 : Conductancia (mhos o ohms ) -1 -1 -1 : Conductancia específica o conductividad (Ls) mhos cm o ohmc cm 2
A: área de los electrodos planos paralelos (cm )
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l: distancia entre electrodos (cm) o sea:
(3)
CONDUCTANCIA Facilidad que tienen las soluciones electrolíticas de dejar pasar la corriente eléctrica.
CONDUCTANCIA ESPECÍFICA 2
Es la facilidad con que una columna de 1cm de altura y 1cm de sección transversal, de solución electrolítica deja pasar la corriente. La conducción eléctrica en las soluciones depende de la concentración de los iones y también de la naturaleza de estos (según su carga y movilidad) y la conductancia como función de la concertación varía según la condición fuerte o débil de los electrolitos. Los conductores electrolíticos se vuelven mejores conductores al elevarse la temperatura, ya que los iones pueden moverse a través de la solución más rápidamente a temperaturas más elevadas cuando la viscosidad es menor y hay menos solvatación de los iones.
CONDUCTANCIA EQUIVALENTE ( )
Es la conductancia real de un volumen de solución que contiene un peso equivalente del soluto entre electrodos paralelos con un cm. de separación y un campo eléctrico uniforme entre ellos. 3
Si llamamos V al volumen en cm , de solución que contiene 1 peso equivalente de soluto
(4)
Si la solución mantiene una normalidad N
Sustituyendo en la Ec. (4):
(5)
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(6)
CONSTANTE DE CELDA (K) Las celdas de conductancia usuales no satisfacen los requerimientos para la determinación directa de la conductancia específica, pero es posible determinar el valor de una constante y factor característico K, denominado constante de celda, tal que:
Donde:
Osea que:
(7)
ECUACION DE KOHLRAUSCH Sobre las bases de sus conductividades, podemos distinguir dos clases de electrolitos:
1) Electrolitos fuertes Tales como los ácidos: clorhídrico, nítrico y sulfúrico y sus sales que tienen conductividad equivalente alta, la cual aumenta moderadamente con el aumento de dilución.
2) Electrolitos débiles Tales como el ácido acético y otros ácidos orgánicos y amoniaco acuoso tienen conductividades equivalentes muy bajas a altas concentraciones, pero estas aumentan grandemente con el incremento de dilución.
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1/ 2
C
De acuerdo a este comportamiento al graficar,
1/ 2
vs C
, solamente es posible la
extrapolación para el caso de los electrolitos fuertes, obteniéndose la ecuación lineal. Ec. de Kohlrausch En donde: o
: ordenada en el origen (constante)
: pendiente de la recta Es definida como la conductancia equivalente a dilución infinita y es el valor de extrapolado a concertación cero.
En donde:
: ordenada en el origen (constante) : Pendiente de la recta Es definida como la conductancia equivalente a dilución infinita y es el valor de extrapolado a concertación cero.
(8)
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LEY DE KOHLRAUSCH La conductancia equivalente a dilución infinita del electrolito es la suma de dos términos independientes, uno característico del catión y el otro del anión. Así:
(9)
En donde:
: Conductancia equivalente a dilución infinita del catión : Conductancia equivalente a dilución infinita del anión La ley de Kohlrausch es útil para determinar la conductancia equivalente a dilución infinita, de un electrolito débil, ya que en este caso la conductancia equivalente a dilución infinita no puede determinarse por extrapolación directa.
Ecuación de Onsager Partiendo de la teoría de Deybe Huckel, acerca de las soluciones electrolíticas, Onsager dedujo una ecuación similar a la de Kohlrausch aplicable a soluciones diluidas, que poseen concentraciones menores a 0.02M, y es de la forma:
Donde:
y β: son constantes que dependen
Temperatura absoluta de la solución
Carga de los iones
Carga eléctrica
Constante dieléctrica del solvente
(10)
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:
Depende de los faraday de carga
Viscosidad
Depende de las conductancias iónicas equivalentes a
β:
disolución infinita Esta ecuación expresa acertadamente la pendiente límite correcta en un gráfico de vs
.
TEORÍA DE ARRHENIUS: Arrhenius opinó que el grado de disociación de un ele ctrolito débil, tal como el ácido acpetico puede determinarse de acuerdo a la siguiente ecuación:
(11)
Siendo el electrolito débil AB, este se disocia según la ecuación:
AB
En la ecuación (11): : grado de
disociación (ionización)
: conductancia equivalente a dilución infinita (todo el electrolito se halla disociado ) : conductancia equivalente del electrolito débil
La ecuación (11) es satisfactoria para electrolitos débiles y no puede aplicarse a los electrolitos fuertes en los cuales la disociación es prácticamente total.
(I)
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CONSTANTE DE EQUILIBRIO: De un electrolito débil. El electrolito débil se disocia según la ecuación: (i) Inicialmente:
C : concentración de AB : grado de
disociación por mol AB
En el equilibrio (después de la disociación) AB :
C -
:
:
La constante de equilibrio para la ecuación (I)
[][ ] []
(II)
sustituyendo en la ecuación (II), las concentraciones de las sustancias en equilibrio:
(12)
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EQUIPOS Y MATERIALES
Conductímetro modelo
Celda de conductividad
Termostato
Pinzas y soportes
Fiola de 100 ml.
Cinco fiolas de 250 ml
Una bureta de 10 ml
Tubo especial para maestros.
REACTIVOS
Solución 0.01M de KCl
Solución 0.1M de HCl
Solución 0.1M de CH3COOH
Solución 0.1M de NaCl
Solución 0.1M de CH3COOHNa
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Este seguro que el conductímetro este en su correcto selecto de voltaje (220V) y conéctelo a la línea de fuerza. Poner el switch en la posición de encendido “ON” y dejar
que el instrumento se caliente, mínimo por 30 minutos. Seguidamente note la celda de conductividad y conecte. Colocar el switch de medida calibrado en la posición de calibrado y normalizar el conductímetro y normalizar el conductímetro con agua de conductividad.
Agua conductividad
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El agua destilada de uso común no sirve para este experimento por que tiene elevada conductancia producida por el CO2 disuelto procedente del aire. Este C02 se elimina hirviendo el agua destilada y colocándola, mientras esta muy caliente, en un frasco, que es lleno totalmente y se tapa con un capuchón. También puede utilizarse agua destilada pasado por una resina de intercambio iónico para desionizarla. Luego se procede a medir las conductancias con sumo cuidado y precaución, calibrando para cada medición, habiéndose colocado antes el switch de medida calibrado en la posición de medida (Importante: iniciar la medición por el valor más alto de conductancia).
SOLUCIONES: 1) -0.01M
KCl
8) -0.1M
NaCl
2) -0.1M
HCl
9) -0.01M
NaCl
3) -0.01M
HCl
10) -0.001M NaCl
4) -0.001M
HCl
11) -0.1M
NaAc
5) -0.1M
CH3COOCH
12) -0.01M
NaAc
6) –0.01M
CH3COOCH
13) -0.001
NaAc
7) -0.001M CH3COOCH
PROCEDIMIENTO DE DILUCIÓN: Se lava la fiola de 100 ml y la bureta de 10 ml y se enjuagan con agua de conductividad. Se enjuaga la fiola y la bureta con dos o tres pequeñas porciones de la solución madre. Se toman 10 ml de la solución madre a 100 ml con agua de conductividad y se mezcla bien, de esta forma se tiene una solución 0.1 (solución madre). Las operaciones descritas se
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repiten para obtener las diluciones necesarias, lo que ha de hacerse con todo cuidado porque los errores de dilución se acumulan. Nota: Antes de cada medición enjuagar la celda de conductividad con una porción de la solución, cuya conductancia se va a determinar. Cuando ni use la celda de conductividad, debe ser guardada en agua destilada limpia. Si se ha de guardada en agua destilada limpia. Si se ha de guardar por largo tiempo , es conveniente guardarlo seco, después de enjuagarlo con sumo cuidado con agua destilada.
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CÁLCULOS Y RESULTADOS (1) Cálculo de la constante de celda (K)
(2) Conductancia de las soluciones (L)
CONCENTRACION []
CONDUCTANCIA HCl NH4Cl (milimhos) (milimhos)
KCl (milímhos)
0.1 M 0.01 M 0.001 M
9.15 1.32 0.21
Ls KCl
36.1 11.8 1.75
Ls HCl
CH3COOH (micromhos)
9.1 1.37 0.23
Ls
87 84.5 78
Ls
0.009794659 0.03879109 0.0097783635 93.129545 0.001412999 0.012679636 0.0014721272 90.453409x 0.0002247954 0.008804545 0.0008918727 83.495454x
√ 0.316227 0.1 0.0316227
Ac
Kc
Β
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(3) Conductancia especifica ( )
KCl (0.1 M)
KCl (0.01 M)
KCl (0.001 M)
HCl (0.1 M)
HCl (0.01 M)
HCl (0.001 M)
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NH4Cl (0.1 M)
NH4Cl (0.01 M)
NH4Cl (0.001 M)
CH3COOH (0.1 M)
CH3COOH (0.01 M)
CH3COOH (0.001 M)
(4) Conductancias equivalentes (∆)
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HCl (0.1 M)
HCl (0.01 M)
HCl (0.001 M)
CH3COOH (0.1 M)
CH3COOH (0.01 M)
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CH3COOH (0.001 M)
En forma análoga se hicieron los demás cálculos:
SOLUCION HCL CH3COOH NH4Cl KCL
CONDUCTANCIAS EQUIVALENTES
0.1M 386.4340907 0.9312954542 97.4113636 97.9465908
0.01M
0.001M
1263.136363 9.045340905 146.6522727 141.299999
1873.295454 83.49545451 246.20454 224.79545
(5) Grafica ∆ vs √ (6) Calculo de la conductancia equivalente a dilución infinita ( ) :
:
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(7) Grado de disociación del acido acético (α)
CH3COOH (0.1 M)
CH3COOH (0.01 M)
CH3COOH (0.001 M)
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(8) Calculo de Kc para el acido acético
CH3COOH (0.1 M)
CH3COOH (0.01 M)
CH3COOH (0.001 M)
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(9) Ecuacion de Onsager para el acido acético
CH3COOH (0.1 M)
CH3COOH (0.01 M)
CH3COOH (0.001 M)
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CONCLUSIONES
La conductividad en los electrólitos fuertes como el HCl es mucho mayor que la conductividad de los electrólitos débiles como el ácido acético.
La conductancia equivalente, en la cual se considera (N=M), nos permitirá poder hallar la conductancia equivalente a dilución infinita ya sea a través de extrapolación, por medio grafico para electrolitos fuertes o utilizando la ecuación de Kohlrausch para los electrolitos débiles.
El grado de disociación planteado por Arrhenius, es aplicable para electrolitos débiles, ya que para los electrolitos fuertes su disociación es prácticamente total.
La constante de equilibrio de un electrolito débil que se va a disociar, es la razón de la concentración que se va a producir y la concentración disociada.
En la ecuación de Onsager, aplicable a soluciones diluidas, que poseen concentraciones menores a 0.02M, interviene la expresión , la cual es una constante que depende de las conductancias iónicas equivalentes a dilución infinita.
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RECOMENDACIONES
Recomendamos tener a la mano Tablas de conductancia de las soluciones para facilitar la determinación de la constante de celda.
Manejar los cambios de unidades para el buen resultado de nuestro laboratorio.
Un factor muy importante es la correcta preparación de la disolución para obtener buenos resultados.
Se recomienda tener los conceptos y formulas respectivas a la mano para poder realizar este laboratorio con total confianza.
Uso adecuado de los materiales de laboratorio.
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BIBLIOGRAFIA
1. MOORE, Walter J. “Physical Chemistry” fourth edition, Longmans Geen and Co. Ltd. London, 1962, p.323. 2. Castellan, Gilbert W. “Pshysical Chemistry” (first edition). Aderson Wesley Publishing Company, Inc.Tokyo, 1964, p.584. 3. Shoemaker, David P, Garland, Carld W., “Experimentos de Fisico-Quimica” la ed.en español, Union Tipografica ed. Hispano-americana. Mexico, 1968, p.253.
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PREGUNTAS Y PROBLEMAS
1) Se conectan en serie tres células para electrodeposición. Las tres con soluciones de , y , respectivamente. Si en la primera célula se deposita 1 gr de cobre. Calcule el peso de plata y de cromo depositados a la vez en cada una de las otras células.
Donde es el
número de electrones transferidos.
+2
+3NO
+
Aplicando la 2da Ley de Faraday:
Entonces:
= 0.603 g = 1.393 g
2) Suponga que los metales siguientes pueden depositarse, en las células cuando se aplica a través de la célula un voltaje de 1.85 voltios y se usa una corriente de 150 amperios. Si el costo de la electricidad es 0.23 centavos por Kw-h. ¿Cuánto deberá costar producir 1 kg de cada uno de los siguientes metales: a) Pb a partir de , b) Cu a partir de c)Cd a partir de , d) Pt a partir de Pt .
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1000 w/h = 1.85 voltios * I I = 540.54 A/h
a) Pb a partir de
+
I = 258.74 A 0.23
540.54 A
X
258.74 A
X = S/. 0.11
b) Cu a partir de
+
2
I = 843.64 A 0.23
540.54
X
843.64 A
A
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X = S/. 0.36 c) Cd a partir de
+
I=476.92 A 0.23
540.54
X
476.92 A
A
X = S/.0.20
d) Pt a partir de Pt Pt
+
I=994.01 A 0.23
540.54 A
X
994.10 A
X = S/. 0.42
3) A 25°C una celda llena con una solución KCL 0.01 normal ofrecía una resistencia de 484.0 ohmios. En la misma celda con soluciones de NaCl se obtuvieron a 25°C los datos siguientes:
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Normalidad
Resistencia (ohmios)
0.0005
10.910
0.0010
5.494
0.0020
2.772
0.0050
1.129
a) Calcular para el NaCl en cada concentración b)Evaluar graficando contra √ y extrapolando a dilucuón infinita. R = 484 ohm Ls = 1.4129 *
Conseguimos la siguiente tabla para el NaCl
N (normal)
R (ohm)
Ls = k/ R ( )
A =1000 Ls / N (
0.0005 0.0010 0.0020 0.0050
10.910 5.494 2.772 1.129
0.06268 0.12447 0.24669 0.60570
125360 124470 123345 121140
√ 0.02236 0.03162 0.04472 0.07071
4) A partir de las condiciones equivalents a dilución infinita tomarlas a 18°C encontrar el valor para :
: = 228.8 Ba : =120.3 : =129.8
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Para el caso particular del , tenemos que:
228.8 + 129.9 =
358.7 =
358.7 =
358.7 =
358.7 = (120.3) +
= 283.3
5) A 25°C, la conductividad específica de soluciones de amoniaco a diferentes concentraciones son: a) b)
¿Calcular el grado de disociación para ambas concentraciones y el valor de la constante de disociación?
+
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Con una concentración de 0.0109 N
Hallando ………….(1)
1ro:
+
= 73.5
= 73.5 = 199.1
En (1) =
4.105869*
Hallando constante de disociación Kc
+
0.0109
Entonces
Kc = 1.55248 *
