UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PATAGONIA AUSTRAL SAN JUAN BOSCO Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química
LABORATORIO Nº1
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DETERMINACIÓN DE VOLUMENES MOLARES PARCIALES Autor: Díaz Juan Ignacio Fech !e re"#$c#%&: 8/04/15 Fech "'(#te !e e&tre): 15/04/15 OBJETIVOS •
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Determinar los volúmenes molares parciales de los componentes puros en una solución binaria a dierentes dierentes concentraciones manteniendo constantes la presión ! temperatura" #omo consigna particular$ se pretende calcular el volumen parcial de etanol puro para una solución acuosa al 50% p/p ! compararlo con el valor !a tabulado" #omo las interacciones moleculares se encuentran presentes en las soluciones reales$ comparar las magnitudes de los componentes puros en la mezcla$ osea$ las contribuciones &ue 'ace cada volumen parcial (de los componentes puros) al volumen total de la solución para veri*car e+perimentalmente e+perimentalmente &ue el volumen no es aditivo"
MARCO TEÓRICO #onceptualmente$ una propiedad (o magnitud) molar parcial representa la ,contribución- de una cantidad de sustancia de alguna especie (i)$ a la propiedad e+tensiva (.) de una mezcla &ue se est estudiando" sta contribución se analiza a partir de un agregado dierencial de ,dni moles-$ manteniendo las variables de $ 2 ! la cantidad de moles de las otras especies constantes (n3)" s importante aclarar &ue estaremos 'ablando de ,propiedades molares parciales- siempre ! cuando ! 2 sean constantes$ !a &ue las propiedades e+tensivas cambian (al mezclar los componentes) *3ando solo estas variables" 2ara la *3ación de las dems variables$ solo se 'ablar de una derivada parcial)" clarado esto$ matemticamente tenemos
Dic'o de otro modo$ podemos describir a la propiedad molar parcial como una ,unción de respuesta-$ es decir$ &ue nos dar una medida de la respuesta de la propiedad e+tensiva ante la adición de esa cantidad dierencial ,dni- a una cantidad fnita de solución" 2or otro lado$ 'asta antes de este curso$ solo 'emos tenido en cuenta sistemas de masa ! composición constante (cerrados)" 'ora bien$ considerando el caso en &ue las propiedades pueden variar si cambia la composición del sistema (sistemas abiertos)$ tendremos la siguiente relación uncional para la propiedad total . $ donde la derivada total &uedaría
raba3ando raba3ando sobre esta esta e+presión$ e+presión$ se se puede llegar llegar a dos ecuaciones ecuaciones undamentales undamentales para acilitarnos el estudio de las propiedades molares parciales$ ellas son FISICOQUÍMICA
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1* Re)" !e " !#t#+#!!: 2ermite el clculo de la propiedad total de la mezcla a partir de las propiedades molares parciales"
,* Ecuc#%& !e G#--./Duhe(: n este caso$ ubicndonos en el marco de una mezcla bisica con ! 2 constantes$ la ecuación indica &ue si la composición en nuestro sistema varia (+ i)$ las propiedades parciales no cambiaran independientemente sino &ue lo 'arn de manera con3unta ! relacionada" ! 2 cttes
#ombinando estas dos ecuaciones ! empleando un desarrollo matemtico6gr*co 1 se puede demostrar de orma gen7rica &ue en un diagrama de ,. vs +i- (siempre ! cuando 'ablemos de sistemas binarios)$ las intersecciones de las dos ordenadas (xi=0 y xi=1 con la recta tan!ente "ue #asa #or la cur$a en un #unto cual"uiera% dar&n de manera directa los $alores de las dos #ro#iedades #arciales. E.te (0to!o e. e"
2ue .e ut#"#$r e& e" trt(#e&to !e "o. !to. !e" 3re.e&te #&4or(e5
'bser$ando el !r&fco% las intersecciones con los ees ordenados son las #ro#iedades #arciales de ).
Vo"6(e&e. (o"re. 3rc#"e. #ambiando el nombre de las variables por convención$ pero manteniendo el mismo criterio$ el volumen molar parcial de una sustancia o especie J para una mezcla binaria$ se de*ne como +pandiendo ( ! 2 cttes)
n este caso$ el volumen molar parcial ser la pendiente de la representación del volumen total rente a la variación de moles de la especie J$ manteniendo las variables indicadas constantes (2 ! )" a e+presión indica &ue si se conocen los volúmenes parciales de los dos componentes$ se puede calcular el 9 total (como se mencionó anteriormente)" l estar 'ablando de ,pendientes-$ el volumen parcial puede tomar un valor negativo en algún punto$ esto signi*ca &ue el agregado de cierta cantidad de sustancia implicara una disminución en el volumen global del sistema" :ormalmente$ podemos encontrar &ue despu7s del mezclado$ el volumen 9 de la disolución no es igual a las contribuciones de cada sustancia lo cual &ueda FISICOQUÍMICA
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PATAGONIA AUSTRAL SAN JUAN BOSCO Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química evidenciado mezclando por e3emplo 50ml de etanol con 50ml de agua a 1atm ! ;0 o#$ dando una disolución cu!o volumen es de <=ml ! no 100ml" sta dierencia se puede 3usti*car adecuadamente mediante un anlisis de empa&uetamiento ! ,organizaciónmolecular &ue no viene al caso proundizar" 1" *l desarrollo matem&tico+!r&fco se omite en el #resente in,orme #or ,alta de es#acio% no obstante se encuentra dis#onible en la biblio!ra,-a utilizada (mith /an Ness% 7ma edición% a#itulo 11% ección 11.
MATERIALES 7 SUSTANCIAS • • • • • • • •
2icnómetro de 10ml >alanza analítica ermostato 2ipetas ! buretas (de los volúmenes necesarios) .atraz aorado 2ro pipeta$ piseta ! termómetro tanol <=% en peso (?@0"A8< gr/ml) agua destilada (?@0"<
PROCEDIMIENTO Bna vez &ue se tiene el material limpio ! seco$ se procede a la preparación de las dierentes soluciones acuosas de etanol con un 5$ 10$ 15$ ;0$ ;5$ C0$ C5$ 40$ 45$ 50$ 55$ =0$ =5$ A0$ A5$ 80$ 85$ <0$ <5$ 100% en peso" os clculos para preparado de dic'as soluciones$ se realizan tomando como base de clculo de ;5gr de solución" l procedimiento para la solución al 5% en peso es el siguiente ;50"<5 )r8,O@m1 ;5gr Fn ;50"05 )rMeO8@m; ;<@(<=/100)9 .eGH100%
V9@m1/?E 9alc"100%@m;/?.eGH
VMeO8
Nota: 2ara el clculo de las restantes soluciones se realiza un procedimiento anlogo" #omo se puede observar en el clculo$ la solución al 100% (pura) corresponde a etanol al <=% en peso" Bna vez obtenidas los volúmenes de etanol ! agua para cada solución$ se colocan en matraces rotulados para su identi*cación" #on respecto a la t7cnica para el preparado$ tener en claro &ue tipo de pipeta ! bureta utilizar en cada una de las mediciones$ para minimizar lo ms posible el error por medición (por e3emplo$ no tiene sentido medir ;ml de agua destilada en una bureta de 5ml) ! &ue la altura del ,menisco- tendr &ue estar alineada con los o3os del operario" Bna vez obtenidas las soluciones$ los matraces se trasladarn al termostato &ue contiene agua a ;5o# durante un periodo apro+imado de ;0 minutos$ para asegurar &ue el pesa3e de estas se eectúen a dic'a temperatura" 2ara el picnómetro de 10ml$ inicialmente 'aremos dos pesa3es el primero ser de 7ste vacío ! el segundo con agua destilada (previamente sumergida en el termostato por los motivos e+puestos anteriormente)" a t7cnica en cuanto a la utilización del picnómetro consiste en medir el volumen de la sustancia &ue se desea pesar (en este caso 10 ml de agua por&ue el picnómetro es de esta capacidad) ! colocar su tapón$ de orma tal &ue el volumen e+cedente rebalse a trav7s de este de3ando así los 10ml &ue necesitamos" ener presente &ue al momento del pesa3e$ el picnómetro debe encontrarse seco e+teriormente" Fe continuar con el FISICOQUÍMICA
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PATAGONIA AUSTRAL SAN JUAN BOSCO Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química trasvasado de cada una de las soluciones (de la ms diluida a la ms pura) al picnómetro para su posterior pesa3e$ de la cual se encarga un solo alumno para disminuir el error sistemtico (mientras ms personas realicen el pesa3e$ ma!or error sistemtico 'abr)"
TABULACIÓN DE DATOS .o"uc#%& +. ?et&o"*
Gr=co I5 Cur+ !e re)re.#o& >+o"u(e& e.3ec#=co
1@ So"uc#o&e.
1"C 1";
(+) @ 6 0"15+; 0"CA+ 1"01 KL @ 0"<<
1"1 1 0"< 0"8 0
0"1 0"; 0"C 0"4 0"5 0"= 0"A 0"8 0"<
1
T-" I5 9olumen especi*co de las dierentes soluciones
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T-" III5 ma!or concentracion$ la densidad ! masa de la sn decaen"
T-" II5 9olumen molar parcial del etanol para dierentes concentraciones
T-" IV5 partir de los volúmenes obtenidos de las especies puras$ se puede observar &ue el volumen no es una propiedad aditiva" (odas las soluciones tratadas tienen un volumen de 10ml debido al picnómetro)
DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS 1) l valor e+perimental de la densidad del etanol al <=% ue cercano al de la eti&ueta$ teniendo un error relativo de ;"5=% lo &ue representa una medición ms o menos buena" >5;* 5, )@c( (Densidad e+perimental de etanol puro al <=% en •
peso) •
et&o" 5 )@c( (9alor de eti&ueta)
;) a gra*ca mostrada muestra los valores de volúmenes molares parciales de etanol ! agua a ;5o# ! 1 atm así &ue se implementara como patrón de reerencia para la medición &ue obtuvimos en el laboratorio" l volumen molar parcial a calcular en la consigna de esta e+periencia es para una solución acuosa de etanol al 50% en peso (Metanol@0";81;)"
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PATAGONIA AUSTRAL SAN JUAN BOSCO Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química C 9alor patrón@ 5=";5 cm /mol (gr" Iz&") C 9alor e+perimental@ 58"A;08 cm /mol rror relativo@ 4"4% apro+" .3. 4t5ins 6ta *d .a#itulo 7% ección 7.1
C) #omo se di3o anteriormente$ en este sistema (solución acuosa de etanol) el volumen no es una propiedad aditiva" #omo podemos observar en la tabla I9$ el volumen real de la solución (10ml) es distinto a la suma de los volúmenes contribu!entes de las sustancias puras" n el tratamiento de datos (ad3untos en planilla +cel)$ para 1=/18 mezclas realizadas (los e+tremos no cuentan) &ue van desde 5 a 85% en peso$ los 10 ml de las soluciones contenidas en el picnómetro (mezcla real)$ ueron menor a la suma de las contribuciones individuales de cada especie (volúmenes parciales)$ veri*cando así e+perimentalmente lo &ue dice la teoría$ para un 8<% de las soluciones preparadas en el laboratorio"
Co&c"u.#o&e.: I)
n las soluciones acuosas de etanol$ el volumen de la mezcla real es menor a la suma de las contribuciones individuales de cada especie pura" (abla I9) a densidad ! el peso de la mezcla disminu!en a medida &ue se aumenta la concentracion de etanol" (abla III) Fegún el tratamiento de datos$ el volumen molar parcial del etanol es ma!or al volumen molar parcial del agua para cual&uier concentracion (abla I9)" Kespecto a la consigna de este laboratorio l tratarse de una primera apro+imación$ se obtuvo una buena medida (4"4% de error) del volumen molar parcial de etanol para la solución al 50% en peso" :o obstante$ en el caso de &ue se desee una estimación muc'o ms precisa$ se tendr &ue repetir este procedimiento la cantidad de veces necesarias para realizar posteriormente el tratamiento estadístico adecuado a los datos obtenidos"6
II) III) I9)
BIBLIOGRAFIA
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Fmit' 9an :ess" Introducción a la termodinmica en Ingeniería Nuímica" Ama edición" ditorial .cOraE6Hill" Po ;005" 2"Q tRins" Nuímica Sísica" =ta edición" diciones Gmega F"" Po 1<<<" Ira :" evine" Sisico&uímica volumen 1" 5ta edición" ditorial .cOraE6Hill" Po ;00;"
ANE?OS FISICOQUÍMICA
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PATAGONIA AUSTRAL SAN JUAN BOSCO Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química os datos crudos ! el tratamiento de estos se encuentran ad3untados 3unto al inorme en una planilla de +cel"
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