LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA FISICOQUÍMICA I
CONTENIDO 1. CONTENIDO ........... ....................... ........................ ....................... ....................... ........................ ....................... ...................... ................ ........ ... 1
EQUILIBRIO QUÍMICO HOMOGÉNEO EN FASE LIQUIDA 1. OB OBJE JETI TIVO VOS: S: Estudiar de los los procesos dinámicos dinámicos del equilibrio equilibrio químico en fase liquida. Determinar la constante de equilibrio en una reacción de esterificación, esterificación, e interpretar su significado significado y su relación con la la velocidad de reacción.
2. FUNDAME FUNDAMENTO NTO TEÓRICO TEÓRICO:: El equilibrio es un estado en el que no se observan cambios durante el tiempo transcurrido. Cuando una reacción química llega al esta estado do de equi equili libr brio io,, las las conc concen entr trac acio ione nes s de reac reacti tivo vos s y prod produc ucto tos s perm perman anec ecen en cons consta tant ntes es en el tiem tiempo po,, sin sin que que se produzcan cambios visibles en el sistema. Sin embargo, a nivel molecular existe una gran actividad debido a que las moléculas de reactivos siguen formando moléculas de productos, y estas a su vez reaccionan para formar moléculas de reactivos. El término equilibrio homogéneo se aplica a las reacciones en las que todas las especies especies reactivas reactivas se encuentran encuentran en la misma fase. El equil equilibr ibrio io químic químico o se alcan alcanza za cuando cuando las las veloci velocidad dades es de las reacciones directa e inversa se igualan y las concentraciones netas de reactivos y productos permanecen contantes.
Constante de equilibrio K:
LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA FISICOQUÍMICA I La constante de equilibrio se calcula: Siendo la siguiente reacción [C ][ D ] K equilibrio = A + B ↔ C + D . , donde [ A] = conc concen entr trac ació ión n del del [ A][ B ] compuesto.
La contante de equilibrio ayuda a predecir la dirección en la que se proc proced eder erá á una una mezc mezcla la de reac reacci ción ón para para logr lograr ar el equi equili libr brio io y tamb tambié ién n perm permit ite e calc calcul ular ar las las conc concen entr trac acio ione nes s de reac reacti tivo vos s y productos una vez alcanzado el equilibrio. equilibrio.
Cociente de reacción Q: Para las reacciones que no han logrado el equilibrio, al sustituir las conc concen entr trac acio ione nes s iníc inícia iale les s en la expr expres esió ión n de la cons consta tant nte e de equilibrio se obtiene un cociente de reacción (Q), en lugar de la constante de equilibrio. equilibrio. Para determinar en qué dirección procederá la reacción neta para llegar al equilibrio, se comparar los valores de Q y K. Esto da lugar a tres posibles situaciones. Q>K: La relación entre las concentraciones iníciales del producto y del reactivo es muy grande. Para alcanzar el equilibrio, los productos deben transformarse en reactivos, de modo que el sistema procede de derecha a izquierda (los productos se consumen y se forman los reactivos). Q=K: Las concentraciones iniciales son las concentraciones del equilibrio. equilibrio. El sistema está en equilibrio. equilibrio. Q
Factores que modifican la posición del equilibrio: Sólo el cambio de la temperatura modifica el valor de la constante de equilibri equilibrio. o. Los cambios cambios en concentració concentración, n, presión presión y volumen volumen pueden cambiar las concentraciones en el equilibrio en la mezcla de reacción, pero no modifican las constante de equilibrio en tanto que la temperatura no cambie. Un catalizador puede acelerar el proceso pero no tiene efecto sobre la constante de equilibrio. equilibrio.
3. DATOS: OS: 3.1.
DATOS EXPERIMENTALES:
Tabla 1: Mezclas de reactivos para la reacción Volúmenes de reactivos en ml Muestra HCl CH3COO C2H5O Nº 3.0N H H 1 2
5.0 2.5
4.0 3.0
1.0 2.0
LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA FISICOQUÍMICA I 3 4
5.0 5.0
2.0 1.0
3.0 4.0
Tabla 2: Volumen gastado NaOH Frasco Nº
3.2.
Volumen de NaOH (ml) 1
32.4
3
18
4
7.2
DATOS BIBLIÓGRAFICOS:
Tabla 3: densidad y masa molecular de reactivos utilizados Densidad a 21ºC (g/ml)
Sustancia CH3COOH C2H5OH CH3COOC2H5 H2O
Masa Molar (g/mol)
0.9979 0.997 0.8962 0.09989
60 46 88 18
4. TRATAMI TRATAMIENT ENTO O DE DATOS: DATOS: Ecuaciones que se utilizarán en los cálculos: m
n
ρ ×V …ecuación
=
=
m M
I
… ecuación II
Donde: ρ
n
=
; V
densidad
numero
=
eq CH
de moles
3COOH
Donde:
;
volumen
=
.
eq HCl
+
eq
=
M =masa
NaOH
molecular
;
m
…ecuación III
=
masa ( g ) ;
LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA FISICOQUÍMICA I eq
N × V = nθ ,
=
N=normalidad; N=normalidad; V= volumen, n= numero de moles; de electrones transferidos en una reacción.
θ =
el numero
Cálculos para la muestra Nº4 Para las masas iniciales de los reactivos se calculan teniendo en cuenta la tabla Nº1 de volúmenes de reactivos y la tabla Nº3 de densidades, se calculan del siguiente modo modo con la ecuación ecuación I. m inicial CH 3 COOH
=
1ml × 0.9970
g
=
ml
0.997 g
Para calcular el número de moles iniciales se emplea la ecuación II n inicial CH 3 COOH
=
0.9979 g 60 g / mol
=
0.0166 mol
Para las masas de los reactivos después de la reacción, primero se calcularan las moles finales donde se tiene en cuenta la ecuación III, el volumen de NaOH se dan en la tabla de datos experimentales (tabla Nº2) eq CH 3 COOH
+
(n ×θ )CH 3 COOH
eq HCl +
=
eq NaOH
( N ×V ) HCl
=
( N ×V ) NaOH
0.5 N × ( 7.2 ×10
nfinalCH 3 COOH
=
nfinalCH 3 COOH
=−
3
−
) L
−
3 N × (5 ×10
3
−
L )
1 0.0114 mol
Así con la ecuación II se hallan las masas finales mfinalCH
3
COOH
=
n × M
mfinalCH
3
COOH
=−
0.0114 mol × 60 g / mol
=
0.684 g
Así se obtienen los siguientes resultados para las muestras 1, 2, 4.
Tabla 4: Masa calculada de reactivos
CH3COOH
Muestra 1
Muestra 3
Muestra 4
Masa inicial( g)
Masa final( g)
Masa inicial( g)
Masa final( g)
Masa inicial( g)
Masa final( g)
3.99
0.072
1.998
-0.36
0.997
-0.684
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C2H5OH CH3COOC2H5 H2O
0.9982
-2.001
2.99
1.182
3.988
2.700
-
2.746
-
3.458
-
2.464
-
1.175
-
1.175
-
0.504
Tabla 5: Moles calculados de los reactivos Muestra 1
Muestra 3
Muestra 4
Moles inicial es (mol)
Moles finale s (mol)
Moles inicial es (mol)
Moles finale s (mol)
Moles inicial es (mol)
Moles finale s (mol)
0.0665
0.001 2
0.0333
-0.006 0.0166
0.0114
0.0217
0.043 6
0.0166
0.025 7
0.0867
0.0587
-
0.065 3
-
0.039 3
-
0.0280
-
0.065 3
-
0.039 3
-
0.0280
CH3COOH
C2H5OH CH3COOC2H5 H2O
Cálculo del cociente de reacción Q para la muestra 4:
Según la siguiente reacción CH 3 COOH ( l )
Inicio: Reacción: Final:
+ C 2 H 5 OH ( l ) ↔ CH 3 COOC 2 H 5 ( l ) + H 2 O( l )
0.0166mol 0. 0.0867mol x
x
0.0166 – x 0.0867 – x
-
-
x
x
x
x
LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA FISICOQUÍMICA I nfinalCH 3 COOH x
Q
=
=
0.0166
−
x
0.0280 mol
=
CH 3COOC 2 H 5( l ) H 2O( l )
[CH COOH ( l ) ][C H OH ( l ) ] 3
Q
0.0114 mol
= −
=
2
5
( 0.0274 mol mol / L ) × ( 0.0274 mol mol / L ) mol / L ) × ( 0.0593 mol mol / L) ( − 0.0114 mol
= −1.111 111
El cociente de reacción para las muestras se muestran en la tabla Nº6:
Tabla 6: Cociente de reacción Nº de muestras Q
1 23.6 5
3 10.02
4 1.111
Esterificación y el equilibrio La esterificación es una reacción de equilibrio, catalizada por un ácido mineral. La reacción inversa recibe el nombre de hidrólisis de un ester. Se ha formulado la reacción del ácido con el alcohol con el signo de reversibilidad, porque efectivamente el agua formada actúa sobre el éster hidrolizándolo y recuperando el ácido y el alcohol. Se puede favorecer la esterificación empleando un exceso de alguno de los reactivos o eliminando alguno de los productos; a veces, es suficiente emplear un gran exceso de alcohol para aseg asegur urar arse se un buen buen rend rendim imie ient nto o en éste éster; r; El hech hecho o que que la esterificación involucra un equilibrio fue establecido en 1862 por M. P. E. Berthelot en su estudio del sistema alcohol etílico - ácido acético. Si reaccionan 1 mol de alcohol etílico y 1 mol de ácido acético, al lograr lograr el equilibr equilibrio, io, estan estan presentes presentes,, a temperatur temperatura a ambiente, ambiente, 2/3 de mol de acetato de etilo y 2/3 de mol de agua, junto con 1/3 de mol de alcohol y 1/3 de mol de ácido. Estos valores pueden sustituirse en la ecuación de equilibrio: equilibrio:
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K =
C H 3 COOC H 5 ( l ) H 2 O( l ) 2
[CH COOH ( ) ][C H O H ( ) ] 3
l
2
5
l
De esta forma se obtiene, para K= 4. Siempre que la temp temper erat atur ura a no se alte altere re volu volunt ntar aria iame ment nte, e, este este valo valorr es constante para el alcohol etílico y el ácido acético; independientemente de las concentraciones inicial de ácido y de alcohol, el valor 4 se mantiene siempre constante. La velocidad de esterificación depende de la catálisis (aplicación de un ácid ácido o fuer fuerte te); ); el méto método do habi habitu tual al de cons conseg egui uirr más rápidamente el equilibrio consiste en la adición de un 3% (en masa) asa) de clo cloruro uro de hid hidróg rógeno eno anhi anhid dro, ácido cido sul sulfúr fúrico concentrado o trifluoruro de boro. Si se calientan los reactivos en presencia de un catalizador, generalmente se puede alcanzar el equilibrio equilibrio en 2 o 3 horas.
El acet acetat ato o de etil etilo o es un solv solven ente te indu indust stri rial al volá voláti til, l, usad usado o particularmente particularmente en la formulación de blanqueadores.
5. DISCUSIÓ DISCUSIÓN N DE RESUL RESULTADO TADOS: S: El número de moles obtenido resulta negativo, esto se debe a que la concentración del HCl no ha sido la adecuada, ya que difiere mucho con la concentración del NaOH. Otro motivo que originó dichos resultados negativos es que la reacción no alcanzo el equilibrio, ya que al mezclar las soluciones, inmediatamente se paso a titular y por consulta bibliográfica bibliográfica se sabe que para esta reacción de esterificación el equilibrio puede tardar semanas, incluso con la presencia de un buen catalizador.
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6. CONCLU CONCLUSIO SIONES NES:: No se pudo determi determinar nar la constan constante te de equil equilibr ibrio io tan solo solo de cociente de reacción; que indica el grado de avance de la reacción. Teóri Teóricam cament ente e en el caso caso de reacc reaccion iones es de esteri esterific ficaci ación ón para para sistemas ácidos en alcoholes la constante de equilibrio tiende a variar levemente. El estado de equilibrio de una reacción química se evalúa con la constante de equilibrio cuyo valor depende de la estequiometria de la reacción y de la temperatura. Esta Esta reacción reacción estudi estudiada ada por Berthe Berthelo lott tiene tiene una constant constante e de equi equili libr brio io de 4, esto esto quie quiere re deci decirr que que tien tiene e un rend rendim imie ient nto o favorable en la reacción directa.
7. RECOM RECOMEN ENDAC DACION IONES ES:: La termodinámica establece que la dependencia de la constante de equilibrio con la temperatura viene dada por la expresión: d ln K dt
=
∆ H
RT 2
Sin embargo, durante la realización de la práctica no se controló la temp temper erat atur ura a y no es posi posibl ble e sabe saberr si la temp temper erat atur ura a camb cambió ió dura durant nte e expe experi rime ment nto, o, para para esto esto se debe deberí ría a hace hacerr uso uso de un termómetro para calcular dicha diferencia. Es indisp indispens ensabl able e utili utilizar zar los los guante guantes s de nitri nitrilo lo al traba trabajar jar con ácidos concentrados como el ácido acético glacial. Para Para esta esta reac reacci ción ón en part partic icul ular ar ser será conv conven enie ient nte e prep prepar arar ar sema semana nas s de anti antici cipa paci ción ón y así así se tend tendrá rá la segu seguri rida dad d que que la reacción alcanzo el equilibrio y tener resultados aceptables.
8. ANEXO: XO: James lovelock y el equilibrio atmosférico. El Dr. Dr. Jame James s Love Lovelo lock ck,, un quím químic ico o brit britán ánic ico o espe especi cial aliz izad ado o en cien cienci cia as de la atmó atmósf sfer era, a, inven nventó tó un det detecto ectorr de captu apturra electrónica, capaz de seguir la traza de cantidades extremadamente pequeñas de materia en gases y que fue usado para estudiar los efectos del CFC en la formación del agujero de la capa de ozono en nuestra atmósfera en los tempranos 1970. Una déca década da desp despué ués, s, la NASA NASA y el labo labora rato tori rio o de Prop Propul ulsi sión ón JET, JET, requ equirieron eron la pres resenci encia a de Love Lovellock para ara su proye royect cto o de investigación de evidencias de vida en Marte.
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En colabo colaborac ració ión n con otros otros inves investig tigado adores res,, Lovelo Lovelock ck predi predijo jo la ausencia de vida en Marte basado en consideraciones sobre su atmó atmósf sfer era a y su esta estado do de equi equili libr brio io quím químic ico o muer muerto to.. Como Como cont contra rast ste, e, la atmó atmósf sfer era a terr terres estr tre e es desc descri ript pta a en un esta estado do químico muy alejado de ese equilibrio. equilibrio. Al desa desarr rrol olla larr equi equipo pos s de dete detecc cció ión n de vida vida en Mart Marte e jame james s lovelock dijo: “yo intentaría buscar una reducción de la entropía. Esto quiere quiere decir que el equilibrio equilibrio químico químico de la atmósfera posee un índice muy alto de entropía, de desorden. Y que cuando se encuentra una atmósfera con una entropía baja, en la que hay dema demasi siad ado o meta metano no,, o dema demasi siad ado o oxíg oxígen eno, o, o cual cualqu quie ierr otro otro ordenamiento químico anómalo, eso indica la presencia de vida. Porque es la vida la que altera el equilibrio químico y lo ordena. Esa idea de la vida como generadora de orden es muy bella”. El raro balance de gases atmosféricos en la Tierra es único en nuestro sistema solar. Este hecho, podría ser claramente visible para cualquier observador extraterrestre, por comparación de las imágenes de los planetas Venus, La Tierra y Marte. Y esto pudo ser concretado en las últimas décadas del segundo milenio: el hombre recorre el espacio interplanetario y a través de una una tecn tecnol olog ogía ía de imág imágen enes es,, ¡se conv convie iert rte e de hech hecho o en un observador extraterrestre!
La coca cola altera el equilibrio del cuerpo. Según la AMEDEC ( Asociación Mexicana de Estudios para la Defensa del Consumidor.), el refresco de Cola “constituye la mas grave distorsión de nues nuestr tros os hábi hábito tos s de alim alimen enta taci ción ón,, pues pues adem además ás llev lleva a a la ingestión de calorías vacías, es decir, con cero proteínas, vitaminas y minerales”. El 10% de cada botella, da la sensación de energía, sin embargo no se puede decir que la Coca Cola sea una bebida nutritiva, es la azúcar mas que la cafeína lo que provoca la adicción, al recibir cinco cucharadas de azúcar en un trago de refresco, el páncreas debe enviar mucha insulina a la sangre para contrarrestar ese feroz ataque, el irónico resultado es un drástico descenso del nivel de azúcar en la sangre, seguido de una necesidad de más azúcar. La gran cantidad de azúcar combinada con el acido fosfórico altera el equilibrio de calcio y fósforo en el cuerpo e impide la adecuada absorción de hierro, lo que provoca malnutrición y anemia.
9. BIB BIBLI LIOGR OGRAF AFÍA: ÍA: Raymond Raymond Chang, Chang, “Química “Química”, ”, México, México, séptima McGraw – hill hill 2002, Pág. 559 –584.
edición, edición, editori editorial al
http://plantdesign.iespana.es/P http://plantdesign.iespana.es/Procesunit/Ester. rocesunit/Ester.htm htm
LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA FISICOQUÍMICA I http://www.geocities.com/jojo http://www.geocities.com/jojoel99/principal el99/principal/cax.html /cax.html http://www.paginadigital.com.ar/articulos/2 http://www.paginadigital. com.ar/articulos/2007/2007prim/tecnolo 007/2007prim/tecnologi gi a13/Lovelock-v-180507.asp http://www.ecoportal.net/conteni http://www.ecoportal.net/contenido/temas_especiales/ do/temas_especiales/educacion_a educacion_a mbiental/dia_de_la_tierra_ mbiental/dia_de_la_tierra_la_hipotesis_ la_hipotesis_de_gaia de_gaia
