Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Industrial y Sistemas
Informe de Laboratorio 6 Química Básica Profesores: grdgdrdg
Alumnos: gdrdrgdr
Lima 3 de Julio
2013
Objetivos:
Estudiar algunas de las propiedades físicas de los líquidos y de las soluciones binarias. Determinar el peso molecular de una sustancia no volátil por crioscopia.
MARCO TEÓRICO Líquidos: El estado líquido es un estado de agregación de la materia intermedio entre el estado sólido y el gaseoso. Las moléculas de los líquidos no están tan próximas como las de los sólidos, pero están menos separadas que las de los gases. Las moléculas en el estado líquido ocupan posiciones al azar que varían con el tiempo. Las distancias intermoleculares son constantes dentro de un estrecho margen. En algunos líquidos, las moléculas tienen una orientación preferente, lo que hace que el líquido presente propiedades anisótropas (propiedades, como el índice de refracción, que varían según la dirección dentro del material). Los líquidos presentan tensión superficial y capilaridad, generalmente se dilatan cuando se incrementa su temperatura y pierden volumen cuando se enfrían, aunque sometidos a compresión su volumen es muy poco variable a diferencia de lo que sucede con otros fluidos como los gases. Los objetos inmersos en algún líquido son sujetos a un fenómeno conocido como flotabilidad.
Presión de Vapor: Todos los sólidos y líquidos producen vapores consistentes en átomos o moléculas que se han evaporado de sus formas condensadas. Si la sustancia, sólida o líquida, ocupa una parte de un recipiente cerrado, las moléculas que escapan no se pueden difundir ilimitadamente sino que se acumulan en el espacio libre por encima de la superficie del sólido o el líquido, y se establece un equilibrio dinámico entre los átomos y las moléculas que escapan del líquido o sólido y las que vuelven a él. La presión correspondiente a este equilibrio es la presión de vapor y depende sólo dela naturaleza del líquido o el sólido y de la temperatura, pero no depende del volumen del vapor; por tanto, los vapores saturados no cumplen la ley de Boyle-Mariotte.
La presión de vapor en los líquidos crece rápidamente al aumentar la temperatura; así, cuando la presión de vapor es igual a 1 atmósfera, el líquido se encuentra en su punto de ebullición ya que el vapor, al vencer la presión exterior, se puede formar en toda la masa del líquido y no sólo en su superficie.
Cuando un soluto no volátil se disuelve en un líquido disminuye la presión de vapor del disolvente, pues las moléculas de soluto, al ser de mayor volumen, se comportan como una barrera que impide el paso de las moléculas de disolvente al estado de vapor.
Punto de ebullición: El punto de ebullición es aquella temperatura en la cual la materia cambia de estado líquido a estado gaseoso, es decir hierve. Expresado de otra manera, en un líquido, el punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión del medio que rodea al líquido. En esas condiciones se puede formar vapor en cualquier punto del líquido. La temperatura de una sustancia o cuerpo depende de la energía cinética media de las moléculas. A temperaturas inferiores al punto de ebullición, sólo una pequeña fracción de las moléculas en la superficie tiene energía suficiente para romper la tensión superficial y escapar. Este incremento de energía constituye un intercambio de calor que da lugar al aumento de la entropía del sistema (tendencia al desorden de las partículas que lo componen).
Viscosidad La viscosidad es la resistencia que tiene un líquido a fluir; está relacionada con las fuerzas intermoleculares de atracción, con el tamaño y las formas de los constituyentes de las partículas. La viscosidad puede medirse utilizando un viscosímetro, en el cual se mide el tiempo que un volumen de líquido tarda en fluir a través de un pequeño embudo de tamaño conocido, a una temperatura dada. Las interacciones intermoleculares, y por consiguiente la viscosidad, disminuyen al aumentar la temperatura, mientras no exista cambios en la composición.
Tensión superficial Las moléculas que se encuentran bajo la superficie de un líquido sufren atracciones desde todas las direcciones, pero las que están en la superficie son atraídas solamente hacia el interior. Las interacciones “tiran” de la capa superficial hacia adentro. Desde el punto de vista energético, la situación más estable es aquella en que la superficie es mínima; por esta razón las gotas de los líquidos tienden a ser esféricas. La tensión superficial es una medida de las fuerzas internas que deben vencerse para expansionar la superficie de un líquido.
Capilaridad Todas las fuerzas que tienden a mantener unido un líquido se denominan fuerzas cohesivas. Las fuerzas de atracción entre un líquido y otra superficie se denominan adhesivas. El agua moja un tubo de vidrio aumentando su superficie y ascendiendo por los lados del tubo debido a las grandes fuerzas adhesivas entre el agua y el vidrio cuya estructura es similar. En la superficie del agua, el menisco, adquiere una forma cóncava en contacto con el vidrio. Por el contrario el mercurio no moja el vidrio, porque sus fuerzas cohesivas son mucho mayores que su atracción por el vidrio, por lo tanto, su menisco es convexo. La capilaridad ocurre cuando el extremo de un tubo de vidrio capilar, o sea un tubo de vidrio de pequeño calibre (sección), se sumerge en un líquido. Si las fuerzas adhesivas son mayores que las cohesivas, el líquido ascenderá por el tubo hasta que se neutralicen entre sí las fuerzas adhesivas y el peso del líquido.
Evaporación La evaporación o vaporización es un proceso por el que las moléculas de la superficie de un líquido escapan hacia la fase gaseosa. Para poder hacerlo, las moléculas deben poseer una energía cinética mínima, el producto de su masa por el cuadrado de la velocidad de escape. La velocidad de vaporización aumenta con la temperatura. Cuando una molécula de líquido se vaporiza, puede colisionar con una molécula de aire, cae de nuevo a la superficie del líquido y es atrapada por él. Este proceso es inverso al de la vaporización y se denomina condensación.
Destilación Los líquidos tendrán diferentes presiones de vapor y hervirán a diferentes temperaturas, porque tienen distintas fuerzas cohesivas. Por ello, los componentes de una mezcla de líquidos con puntos de ebullición bastantes distintos suelen separarse mediante un proceso llamado DESTILACIÓN. En este procedimiento, la mezcla se calienta lentamente hasta que la temperatura alcanza el punto de ebullición del componente más volátil, pudiendo ser separados por columnas de refrigerantes.
Transferencia de calor entre líquidos A un líquido puede suministrársele calor para aumentar su temperatura, el calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para aumentar en 1 grado centígrado (o 1 kelvin) la temperatura de 1 gramo, sin que cambie su estado físico (calor específico = cal/gramo · ºC, o bien joules/gramo · ºC). La capacidad calorífica molar (kcal/mol · ºC, o bien kilojoules/mol · ºC) de un líquido es la cantidad de calor que debe suministrarse a un mol del mismo para que su temperatura aumente un grado Celsius. Si al líquido se le aporta calor a velocidad constante, la temperatura aumentará en forma constante hasta alcanzar su punto de ebullición. Al llegar a él, permanecerá constante hasta que se haya suministrado suficiente calor para que hierva todo el líquido. El calor molar de vaporización de un líquido es el número de kilocalorías o kilojoules de calor que debe suministrarse a un mol de dicho líquido en su punto de ebullición para convertirlo en vapor, sin cambios en la temperatura. Los calores de vaporización pueden expresarse también en calorías por gramo o joules por gramo. El calor de vaporización del agua es 540 cal/g, que corresponde a 9,73 kcal/mol o 40,7 kJ/mol. Las quemaduras causadas por vapor de agua a 100 ºC son más peligrosas que las causadas por agua líquida a 100 ºC, porque la cantidad de calor que comunican es mayor debido a la condensación del vapor. La condensación es el proceso inverso de la evaporación. El calor que debe eliminarse de un vapor para que condense (sin cambios en la temperatura) se denomina CALOR DE
Condensación. El calor de condensación de un líquido es igual en magnitud, pero de signo opuesto, al calor de vaporización y es liberado por el vapor durante la condensación. En un proceso de calentamiento o enfriamiento de una fase, sin cambio de estado, el calor involucrado viene dado por: . Durante un cambio de estado que ocurre a temperatura fija, el calor involucrado viene dado por Dónde: m = masa de sustancia; C = calor específico; = cambio de temperatura; L = calor latente y Q = calor, que puede medirse en calorías (cal), Joules (J), erg., etc.
Soluciones: Una disolución (del latín disolutio), también llamada solución, es una mezcla homogénea a nivel molecular o iónico de una o más sustancias, que no reaccionan entre sí, cuyos componentes se encuentran en proporción que varía entre ciertos límites. Describe un sistema en el cual una o más sustancias están mezcladas o disueltas en forma homogénea en otra sustancia. Un ejemplo común podría ser un sólido disuelto en un líquido, como la sal o el azúcar disuelto en agua; o incluso el oro en mercurio, formando una amalgama.
Concentración: La concentración de una disolución es la proporción o relación que hay entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolvente, donde el soluto es la sustancia que se disuelve, el disolvente la sustancia que disuelve al soluto, y la disolución es el resultado de la mezcla homogénea de las dos anteriores. A menor proporción de soluto disuelto en el disolvente, menos concentrada está la disolución, y a mayor proporción más concentrada ésta.
Molaridad: La molaridad (M), o concentración molar, es la cantidad de sustancia (n) de soluto por cada litro de disolución. Por ejemplo, si se disuelven 0,5 moles de soluto en 1000 mL de disolución, se tiene una concentración de ese soluto de 0,5 M (0,5 molar). Para preparar una disolución de esta concentración habitualmente se disuelve primero el soluto en un volumen menor, por ejemplo 300 mL, y se traslada esa disolución a un matraz aforado, para después enrasarlo con más disolvente hasta los 1000 mL.
Molalidad: La molalidad (m) es el número de moles de soluto que contiene un kilogramo de disolvente. Para preparar disoluciones de una determinada molalidad, no se emplea un matraz aforado como en el caso de la molaridad, sino que se puede hacer en un vaso de precipitados y pesando con una balanza analítica, previo peso del vaso vacío para poderle restar el correspondiente valor.
La principal ventaja de este método de medida respecto a la molaridad es que como el volumen de una disolución depende de la temperatura y de la presión, cuando éstas cambian, el volumen cambia con ellas. Gracias a que la molalidad no está en función del volumen, es independiente de la temperatura y la presión, y puede medirse con mayor precisión. Expresado en función de los pesos del soluto y solvente, además de la masa molecular del soluto. ( (
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Propiedades Coligativas Descenso crioscopico El soluto obstaculiza la formación de cristales sólidos, por ejemplo el líquido anticongelante de los que hacen descender su punto de congelación.
ΔTf = Kf · m
m es la molalidad. Se expresa en moles de soluto por kilogramo de disolvente (mol/kg). ΔTf es el descenso del punto de congelación y es igual a Tf - T donde T es el punto de congelación de la solución y Tf es el punto de congelación del disolvente puro. Kf es una constante de congelación del disolvente. Su valor, cuando el solvente es agua es 1,86 °C kg/mol.
Aumento ebulloscópico Al agregar moléculas o iones a un solvente puro la temperatura en el que éste entra en ebullición es más alto. Por ejemplo, el agua pura a presión atmosférica embulle a 100 °C, pero si se disuelve algo en ella el punto de ebullición sube algunos grados centígrados.
ΔTb = Kb · m
m es la molalidad. Se expresa en moles de soluto por kilogramo de disolvente (mol/kg). ΔTb es el aumento del punto de ebullición y es igual a T - Tb donde T es el punto de ebullición de la solución y Tb el del disolvente puro. Kb es una constante de ebullición del disolvente. Su valor cuando el solvente es agua es 0,512 °C kg/mol.
Presión osmótica La ósmosis es la tendencia que tienen los solventes a ir desde zonas de menor concentración hacia zonas de mayor concentración de soluto. El efecto puede pensarse como una tendencia de los solventes a "diluir". Es el pasaje espontáneo de solvente desde una solución más diluida (menos concentrada) hacia una solución menos diluida (más concentrada), cuando se hallan separadas por una membrana semipermeable. La presión osmótica (π) se define como la presión requerida para evitar el paso de solvente a través de una membrana semipermeable, y cumple con la expresión:
n es el número de moles de partículas en la solución. R es la constante universal de los gases, donde R = 8.314472 J · K-1 · mol-1. T es la temperatura en Kelvin.
Teniendo en cuenta que n/V representa la molaridad (M) de la solución obtenemos:
Al igual que en la ley de los gases ideales, la presión osmótica no depende de la carga de las partículas.
Descenso de la presión de vapor Cuando se prepara una solución con un solvente volátil y un soluto no volátil (que no se transformará en vapor) y se mide su presión de vapor, al compararla con la presión de vapor de su solvente puro (medidas a la misma temperatura y presión atmosférica), se observa que la solución es menor que la del solvente. Esto es consecuencia de la presencia del soluto no volátil. El fenómeno observable es un aumento del punto de ebullición de la disolución.
Este efecto es el resultado de dos factores:
La disminución del número de moléculas del disolvente en la superficie libre. La aparición de fuerzas atractivas entre las moléculas del soluto y las moléculas del disolvente, dificultando su paso a vapor.
Uso de indicadores Indicador de pH: Un indicador de pH es una sustancia que permite medir el pH de un medio. Habitualmente, se utilizan como indicador de las sustancias químicas que cambian su color al cambiar el pH de la disolución. El cambio de color se debe a un cambio estructural inducido por la protonación o desprotonación de la especie. Los indicadores Ácido-base tienen un intervalo de viraje de unas dos unidades de pH, en la que cambian la disolución en la que se encuentran de un color a otro, o de una disolución incolora, a una coloreada. Los más conocidos son el naranja de metilo, que vira en el intervalo de pH 3,1 - 4,4, de color rojo a naranja, y la fenolftaleína, que vira desde un pH 8 hasta un pH 10, transformando disoluciones incoloras en disoluciones con colores rosados / violetas.
Datos y Observaciones Experimento 1
Se observa que el alcohol hierve antes que el agua. Se coloca el tubo a 1cm para que absorba una mayor cantidad de calor. La primera burbuja sale aproximadamente a 76 ºC La ultima burbuja sale a la temperatura de 78 ºC
Experimento 2:
Se obtuvo una lectura en el densímetro, esta fue de 1.075 g/cm3.
Experimento 3:
Se obtiene como temperatura de congelamiento 78 ºC. Se observa que el naftaleno actúa como solvente. Se necesitó que hierva el agua para provocar el cambio de estado.
Experimento 4: Solución HCl NaOH NH4Cl CH3COONa Na2CO3 NaHCO3
Fenolftaleína Incoloro Grosella oscuro Incoloro Incoloro Grosella oscuro Grosella claro
Anaranjado de Metilo Rojo oscuro Rojo claro Naranja
Papel indicador 1 13 4 7 13 9
Cálculos y resultados: Experimento 2: Usando la tabla: Densidad a 20 °C 1.0707 1.0857
Porcentaje en peso NaCl 10 12
Interpolando el resultado de 1.010
X= 10.5733 Se concluye que la solución tiene 10.57 % masa de NaCl
Experimento 3: El naftaleno actúa como solvente. Del experimento obtuvimos:
Temperatura de congelación 58°C Masa del naftaleno: 8g Masa de la sustancia desconocida: 2g
Basándonos en la tabla de constantes molares de puntos de congelación obtenemos los siguientes datos:
Kf del naftaleno = 6.9 Punto de congelación = 80,3 °C
Usando la ecuación de descenso crioscopico:
ΔTf = Kf · m
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Sobre la molalidad sabemos que: (
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Remplazando los datos obtenidos ( ) ( (
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Conclusiones Experimento 1: Se obtuvo como temperatura de ebullición del alcohol etílico 76 °C Siendo el punto de ebullición del etanol 78°C, se deduce un error producido quizá por alguna impureza. Se concluye que el punto de ebullición del alcohol es menor al del agua.
Experimento 2: Analizando la densidad pudimos calcular el % en masa de una solución. Se concluye que la densidad de una solución es directamente proporcional al % en masa de esta. Se obtuvo como % en masa de la solución de NaCl: 10.57
Experimento 3: Se concluye que el naftaleno tiene el papel del solvente. Este experimento demoro mucho más que el primero, al principio no se entregó la sustancia correcta. La masa molecular de la sustancia desconocida es de 77.4 g/mol. Se concluye que es posible estudiar sustancias desconocidas aprovechando las propiedades Coligativas de las soluciones.
Experimento 4: Según los resultados, obtuvimos 3 bases y 3 ácidos. Se concluye que se puede estudiar la acidez de una solución mediante indicadores como la fenolftaleína o el anaranjado de metilo además del papel indicador, pero no con uno solo debido a que cada uno actúa en cierto rango o viraje.
Cuestionario ¿En qué momento empieza a hervir el líquido? Hierve cuando la presión de vapor iguala a la presión atmosférica, esto sucede debido a un incremento de temperatura.
¿A qué se debe la presencia de burbujas en un líquido en ebullición? Las burbujas son moléculas acumulaciones de moléculas en estado gaseoso que al poseer menor densidad ascienden a la superficie, estas moléculas han pasado al estado gaseoso en el interior del líquido.
¿Cuál será la molaridad de la solución de cloruro de sodio (o sacarosa) estudiada en la práctica? Tomando 1075 g como la masa de la solución; entonces hay un volumen de 1000ml < > 1l El % masa es 10.57, la masa de la solución sería 105.7 g
Sabiendo que
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Tomando en consideración el experimento Nº3, ¿Cuál será el descenso de la temperatura de congelación para una sustancia cuyo peso molecular es 400? (
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Usando la ecuación de descenso crioscopico:
ΔTf = Kf · m (
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El descenso será: 4.3°C
Calcular la molalidad de la solución del experimento Nº3 Sobre la molalidad sabemos que: ( (
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Remplazando los datos obtenidos ( ) ( ) ( ) (
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Sugiera el nombre del soluto del experimento Nº3 Podemos consideras que se trata de un compuesto orgánico no exactamente saber el nombre pero puede tratarse de un compuesto aromático por la elevada masa molecular que presenta, ya que es soluble ante el naftaleno que es una sustancia polar entonces esta también lo es.
¿Por qué una solución de cloruro de amonio es ligeramente ácida? Esto se puede fundamentar por las teorías ácido base ya que en el cloruro de amonio encontramos los iones Cl- que formaron parte de una base fuerte como el HCl el cual es un ácido fuerte y por tanto esta sal sería una base débil. Ahora esta solución también posee iones NH4+ provenientes del NH3 que es base débil y por ello este ion tendría carácter de ácido fuerte. Es por ello que en la solución predomina ligeramente el carácter ácido.
Qué indicador es más apropiado para una titulación con punto de equivalencia de pH = 4
La elección de un indicador para una solución en particular se basa en que su punto de equivalencia se encuentre cerca al intervalo de pH en el viraje del indicador para así notar un cambio brusco del color de su forma ácida a su forma básica y el indicador que es idóneo para un pH = 4 sería el anaranjado de metilo cuyo intervalo se encuentra entre 2.9 y 4.1 exactamente.
Bibliografía:
Chang, R. “Química”. McGraw-Hill Interamericana de México, S.A. http://www.cespro.com/Materias/MatContenidos/Contquimica/QUIMICA_INORG ANICA/soluciones.htm http://www.ehu.es/biomoleculas/agua/coligativas.htm http://dta.utalca.cl/quimica/profesor/urzua/cap5/e_materia/estados.htm
