Informe de Práctica de Laboratorio FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES
PROPIEDADES COLIGATIVAS. DESCENSO DEL PUNTO DE CONGELACION Natalia Hernández, Katherine Cendales, Héctor Fabio Hernández (
[email protected];
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[email protected]) Fecha de presentación
04/04/2017
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Resumen Los objetivos de esta práctica fueron: 1) Trabajar con soluciones binarias, para reconocer las propiedades coligativas, como efecto de la presencia de un segundo componente. 2) Determinar el peso formula de una sustancia desconocida mediante el método crioscópico. Para esta práctica se comprobó el descenso del punto de congelación por la presencia de un segundo componente (soluto) en una solución. Se utilizo como solvente 5 gr (+/- 0.1g) de alcohol cetilico C16H34O, se sometió a baño maría hasta llegar su total fundición, se tomaron las temperaturas cada 30 segundos. Cuando se solidificó en su totalidad se paró la toma de temperaturas y se anotó la temperatura final, que fue de 59°C (+/- 0.01°C). Posteriormente se agregó 0.5g (+/- 0.1g) de la sustancia X a nuestra solución anterior, para realizar el mismo procedimiento ya mencionado con un resultado de 58°C (+/- 0.01 °C). Luego, ya con los datos experimentales obtenidos se procedió a realizar los cálculos, los cuales serán mencionados a medida que se avance en el informe.
Palabras Clave: soluciones binarias, propiedades coligativas, presión de vapor, disolución, volátil, sustancia pura, punto de congelación, punto de ebullición, calor molar, constante molal. ____________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________
1. Introducción. Las propiedades coligativas de las Soluciones son aquellas propiedades físicas que presenta una solución, y estas no dependen de la naturaleza del soluto sino de la concentración del este en la solución, o del número de partículas de soluto presentes en la solución.
establecer que la adición de un soluto no volátil lleva a una disminución de la presión de vapor del disolvente. Esto se debe a que en una solución el número de partículas de disolvente se reduce debido a la presencia del soluto. “Dicho equilibrio se alcanza cuando la velocidad que el líquido emplea para evaporarse sea igual a la velocidad con la que el vapor se condensa.” [2].
Estas propiedades son características para todas y cada una de las soluciones y no dependen tampoco de las características del solvente.
Esto se explica a través de la ley de Raoult:
Entre las propiedades tenemos la presión a vapor, dada la temperatura, la presión de vapor de un líquido puro, depende de la fracción de moléculas de la superficie, donde hay mucha energía cinética, para escapar de la atracción.
P1 = presión parcial del solvente en la fase vapor X1 = fracción molar del solvente en la solución P1˚ = presión de vapor del solvente puro
P1= X1P1˚ [ ec. 1]
“Esta propiedad surge del análisis de la relación solvente/soluto de la solución en la que estemos trabajando. Es una consecuencia de la disminución de la concentración efectiva del solvente, por la presencia de las partículas del soluto. La presión de vapor es la presión ejercida por un vapor en equilibrio con su líquido.” [1]. Por ejemplo, Cuando se añade un soluto no volátil a un disolvente puro, la presión de vapor del disolvente es menor en esa solución que si el disolvente es puro. Con esto se puede
1
3. Resultados y análisis de resultados
Tabla No. 1 Peso del tubo de ensayo con y sin 5 g de muestra.
Tubo de ensayo solo Tubo de ensayo + 5 g muestra
Peso (g) 17.15 22.19
Tabla con los pesos del tubo de ensayo con una muestra y sin ella. Figura No. 1 Diagrama de fases de una sustancia pura 2. Metodología Experimental 2.1 Determinación del punto de congelación del alcohol esteárico puro. Se obtuvo un tubo de ensayo de 20 mm de diámetro por 120 mm de largo y se ajustó un tapón bihoradado.se inserto un termómetro por uno de los orificios, que se debe lubricar con un poco de agua jabonosa .en el otro orificio se coloco un alambre de cobre de unos 30 cm de largo, que es el agitador. Se ajusto la altura del termómetro de forma que el rango de temperatura entre 60 y 90˚C. Se peso el tubo de ensayo, limpio y sin tapón. Se agrego aproximadamente 5 g de muestra y se volvió a pesar con aproximación al 0.1 g. se anoto los valores obtenidos. En el vaso de precipitado de 250 mL, se coloco agua caliente para hacer baño maría en el experimento. El agua se dejo a una temperatura cerca de 90˚C. Se coloco el tapón en la boca del tubo de ensayo, se fijo el tubo mediante una pinza apropiada al soporte. Sumerja el tubo de ensayo en el baño de agua caliente. Cuando el naftaleno se fundió, se aflojo la llave de la pinza que sostiene el tubo de ensayo. Se tomo las lecturas de tiempo y temperatura cada 30 segundos, se agito el sistema moviendo el alambre de arriba abajo. La temperatura llego a 50˚C.
2.2 Determinación del punto de congelación de la solución Con la sustancia problema se peso alrededor de 0.5 g con aproximación de 0.1g .Se transfirió la sustancia al tubo de ensayo que contiene alcohol. Se fundió el contenido del tubo. Se agito vigorosamente la mezcla hasta obtener una solución. Se determino el punto de congelación de la solución.
Tabla No. 2 Tiempo y temperatura del alcohol esteárico puro. tiempo (s)
Temperatura (˚C)
30
71
60
69
90
66
120
63
153
61
180
59
210
59
240
59
270
59
300
59
330
59
Tabla de temperatura en (˚C) tomada cada 30 segundos.
del alcohol esteárico puro,
Tabla No. 3 Tiempo y temperatura del alcohol esteárico + sustancia x.
tiempo (s)
Temperatura (˚C) 30
74
60
69
90
66
120
63
2
153
60
180
58
210
58
240
58
270
58
300
58
330
58
Tabla de temperatura en (˚C) del alcohol esteárico + sustancia x, tomada cada 30 segundos.
Tabla No. 4 Temperatura de fundición sin sustancia y con ella.
Temperatura punto de fundición: 71˚C Temperatura punto de fundición + sustancia: 74˚C
Se tomó las temperaturas de fundición del alcohol con sustancia y sin dicha sustancia. 4. Discusión de los resultados Como sabemos el punto de congelación es la temperatura ala cual la presión de vapor del líquido y del solido se iguala, y este punto de congelación en una solución se logra cuando la energía cineteca de las moléculas disminuye por el descenso de la temperatura, a raíz de ello las soluciones se cristalizan. Primero determinamos el punto de congelación del naftaleno (C10H8), es decir; el solvente puro, por lo que es mas fácil de obtener ya que hay solo un componente y habrá un solo equilibrio solido-liquido. Como se puede ver en la Tabla (Figura No. 2) su punto de congelación fue aproximadamente de 59 °C lo que no se asemeja con la literatura esperada que seria de unos 48 °C. Posteriormente, a nuestro solvente puro (naftaleno (C10H8)) se le añadió una porción de un soluto desconocido, por tanto cambio nuestros resultados anteriores, esta vez descendió solamente en un grado (1 °C) en comparación con la solución del solvente puro, es decir; 58 °C. La razón de este descenso de temperatura es porque: 1). Cuando se agrega un soluto no-volátil al líquido, la tendencia de transición de las moléculas del solvente de líquido a sólido disminuye, mientras que la tendencia de pasar de sólido a líquido queda sin afectarse 2). Esto también ocurre porque a medida que se va congelando el solvente, la concentración del soluto en solución va aumentando, lo que hace que la temperatura de congelación sea menor.
Obtuvimos una molalidad experimental de 0.002 m, un error bastante grande si se le compara con el resultado teórico. Es posible, entonces, analizar las posibles fuentes de error para el experimento realizado en el laboratorio. La primera que salta a la vista es que el termómetro que se utilizó tenía una escala relativa que puede variar el dato según la persona que lo utilice. Otra fuente de error radica en la fórmula usada para la determinación del peso molecular de los solutos. Esta fórmula utiliza aproximaciones considerando que se trata de una mezcla ideal, cuando en realidad es fácil observar que entre solvente y soluto pueden haber diversas interacciones que afecten los parámetros tomados. De esta manera, los valores obtenidos no serán tan próximos a los verdaderos. Una fuente de error bastante importante, que se descubrió mientras se realizaba la experiencia, fue que el alcohol estaba impuro. El punto de congelación obtenido en el laboratorio fue de 59°C, mientras que el real está en 49°C. Es importante resaltar que todos los grupos que realizaron este experimento obtuvieron una temperatura parecida a la obtenida de manera experimental, de manera que se puede concluir que el compuesto tenía impurezas. El error radica en que la fórmula de densidad usada era para el alcohol cetilico puro, por lo que al haber otras sustancias contaminantes en el alcohol cetilico ya no se cumpliría esta ecuación. De esta manera, se obtendría un peso errado del alcohol cetilico utilizado en el laboratorio, que llevaría a errores, finalmente, en la determinación del peso molecular del soluto deseado. Otros errores, aunque menores, son que el tubo podría no haber estado bien tapado, lo que llevaría a una volatilización de los compuestos y por ende a una pérdida en la masa, y también en el cálculo final. Además, está la falta de homogenización de la muestra; es decir, la falta de agitación constante de la muestra conforme desciende la temperatura; la falta de perpendicularidad del termómetro dentro del tubo que contenía la muestra; en otras palabras, puede que el termómetro no haya estado completamente en contacto con la solución, sino con parte de las paredes del tubo, las cuales, a pesar de encontrarse expuestas aun ambiente de “vacío”, transmiten por convección algo de calor del entorno en donde se trabajó.
5. Preguntas 5.1 Elabore una gráfica de temperatura como función del tiempo, con los datos obtenidos en el enfriamiento tanto del reactivo puro, como de la solución conteniendo la sustancia desconocida. En su grafica determine los puntos de congelación del alcohol y de la solución. Ignore posibles regiones de sobre enfriamiento. Marque sobre las curvas, los puntos de congelación mostrando el ∆T f.
R/
3
T vs t Alcohol cetílico Conociendo esta ecuación, podemos despejar la m para hallar la molalidad, obteniendo:
80 60
m= Tf / Kf. ec 4
40
m=
20
= 0.0028
0 0
100
200
300
400
5.3 determine el peso formula de la sustancia desconocida. R/
Figura No. 2 PM=W/n ec. 5 Con esta ecuación calculamos el peso formula de la sustancia desconocida.
T vs t Alcohol cetilico + Sustancia X 80
PM=
= 250g/mol
60 40 20
6. Preguntas.
0 0
100
200
300
400
Temperatura (°C)
Figura No. 3
5.2 Determine la molalidad de la solución problema utilizando el valor de ∆Tf encontrado experimentalmente y el valor Kf de la literatura. Compare sus resultados con el obtenido teóricamente ¿Cuál es su conclusión? Kf=RMT2/∆Hf
ec.. 2
Utilizando esta ecuación crioscópica del solvente.
Kf =
Kf: 353.28°C/m Tf= Kf*m
ec 3
hallamos la
constante
molal
6.1 ¿Mediante que otros métodos podría determinarse el peso formula de una sustancia, sabiendo que se comporta como un soluto no-volátil? R/ Podemos usar también las propiedades coligativas, como la fracción molar y la molaridad, esto depende del sistema con el cual estemos trabajando, ya que a veces nos dan el peso de la solución o la cantidad en litros, por lo cual se debe prestar atención sobre cual propiedad coligativa podemos usar. 6.2 ¿Qué propiedades deben tener las sustancias que se utilizan como solventes en los experimentos de descenso del punto de congelación y elevación de la temperatura de ebullición? R/ Cuando se va a realizar el experimento de la elevación del punto de ebullición el soluto debe ser una sustancia no-volátil y el solvente respecto a este debe ser volátil. Y cuando se trata del experimento del descenso del punto de congelación el soluto no tiene restricción por lo tanto las propiedades del solvente dependen del soluto que se escoja. 6.3 El descenso en el punto de fusión de una sustancia ∆T f, se puede relacionar con la fracción molar o la molalidad de la solución, ¿Por qué la forma usual de expresar la concentración, moles por litro, no se usa en este caso? R/
4
Es importante entender la selección de las unidades de concentración en este caso la temperatura de la disolución no es constante, por lo tanto, no es posible expresar la concentración en unidades de molaridad (Moles/L) ya que esta cambia con la temperatura [2] 6. 4 Utilizando los datos de la tabla 1, calcule las constantes Kf y Ke y compárelas con los valores aceptados ¿Qué concluye? R/
- Fenol (masa molar 94.11 g/mol) K f:
=6.78°C/m
K e:
=
Naftaleno (masa molar 128.17 g/mol) K f:
=7.01°C/m
K e:
=
Nitrobenceno (masa molar 123.10 g/mol) Tabla No. 5 comparación de resultados
K f: m (Kg/mol-1)
Tf (˚C)
Te (˚C)
∆H˚f (Kj/mol-1)
Kf
Ke
Agua Ácido acético
0,0180
0,00
100,0
6,01
1,86
0,51
0,6000
16,60
118,3
11,60
3,90
3,07
Alcanfor
0,1522
178,40
2,1
40,00
5,95
Benceno
0,0781
5,450
80,2
10,60
5,12
2,53
Dioxano
0,0881
11,700
101,7
12,90
4,71
Fenol
0,0941
41,30
118,8
11,40
7,27
3,04
Naftaleno
0,1283
80,60
218,0
19,00
6,98
5,80
Nitrobenceno
0,1231
5,70
219,0
11,70
7,00
5,24
Solvente
- Agua (masa molar 18g/mol) K f: K e:
=6.80°C/m
=
1.86°C/m
=1.37°C/m
- Ácido acético (masa molar 60.02g/mol) K f:
=3.60°C/m
K e:
=
- Alcanfor (masa molar 152.12g/mol) K e: K f:
= 40.00°C/m
K e:
=
- Benceno (masa molar 78.11 g/mol) K f:
=4.74°C/m
K e: - Dioxano (masa molar 88.1 g/mol) K f:
=4.60°C/m
K e:
=
=
7. Conclusiones 1. Si utilizamos el descenso del punto de congelación para hallar el peso formula de una sustancia determinada debemos tener en cuenta que siempre se trabajará con molalidad y no con molaridad porque esta última se ve afectada por la temperatura. 2. En nuestro experimento logramos probar que la sustancia X afecta el punto de congelación del solvente, aunque se obtuvieron temperaturas muy similares en ambas lecturas, y distan en gran medida del proporcionado en la guía. 3. hay varios factores que pudieron haber afectado como el calor suministrado, o la cantidad de soluto y solvente utilizada.
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Bibliografía: Internet [1] Ricardo A. Espitia T., propiedades coligativas de las soluciones, universidad Carabobo, 2013 http://lacienciadelfuturo.galeon.com/contenido.htm. [2] Ricardo A. Espitia T., propiedades coligativas de las soluciones, universidad Carabobo,2013 http://lacienciadelfuturo.galeon.com/contenido.htm.
Textos [1] Profesores departamento de química, propiedades coligativas. Descenso del punto de congelación, universidad del valle 2015. [2] Química general, Raymond, 11° edición pág. 539
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