INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CELAYA Laboratorio Laboratorio de Fisicoquímica Práctica 1: “Calor Diferencial de Solución” Ingeniería Bioquímica Lara García Cynthia Teresa Mendoza Hernández Cristina Ortiz Leal Daniel Pérez Olamendi Isaac Samuel Ramírez Rocha Marlene Rodríguez Gutiérrez Javier Fecha de elaboración de la práctica: 30/Septiembre/2016
Catedrático: Cristina Pérez Pérez
ANTECEDENTES
El calor diferencial de solución es el calor de solución de un mol de soluto en una cantidad de volumen de solución tan grande, que la adición de un mol más de soluto no cambia la concentración apreciablemente. El calor diferencial de solución depende de la concentración de la solución. No es apropiado determinar el calor diferencial de solución directamente, pero se puede calcular a partir de los datos sobre los calores integrales de solución. El calor requerido en la formación de una solución conteniendo n moles de soluto y 1Kg de solvente es n∆H, en donde ∆H es el calor integr al de solución
por mol de soluto. Al llevarse esta cantidad a una gráfica junto con el número de moles de soluto, la pendiente de la gráfica a cierta concentración dada será el efecto calorífico por mol de soluto o el calor diferencial de solución d(n∆H)/dn, a esa concentración.
Se determina conociendo la solubilidad de una sustancia a distintas temperaturas. La relación que se utiliza es una extensión a la ecuación de Clausius y Clapeyron: ()
=
Δ 2
Donde Ks= ∗ , as es la actividad del soluto en la solución saturada y a s* es la actividad del soluto sólido. La alternativa para que el estado estándar del soluto puro a la temperatura y presión está envuelto haciendo a s*=1. La actividad A s se relaciona a la modalidad por medio del coeficiente de actividad y función de la T, P y composición.
Luego Ks =[as]=ms= ys ms donde el subscrito s indica que la reacción aplica a la solución saturada. Al integrar y considerando ∆H s independiente de temperatura, se obtiene la siguiente ecuación: Ln (Ks) =
RT
¿Qué es el Ácido Benzoico?
El ácido benzoico es un ácido aromático, sólido y poco soluble en agua fría pero con buena solubilidad en agua caliente o disolventes orgánicos. Su acidez es ligeramente superior a la de los ácidos alifáticos sencillos. Su presentación es en estado sólido, en forma de polvo o cristales de color blanco y con un ligero olor agrio. Algunas otras características físico-químicas del ácido benzoico son: Presión de vapor: 133 Pa a 96ºC Densidad relativa de vapor (aire=1): 4.2 Solubilidad en agua: 0.29 g/ 100 ml a 20ºC Punto de ebullición: 249ºC Punto de fusión: 122ºC (la sublimación empieza a los 100ºC). Peso molecular: 122.1
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OBJETIVO
Encontrar el calor diferencial de una solución en una reacción dada. Aplicación de las constantes de equilibrio, y ver cómo afecta el calor a dicha reacción.
HIPÓTESIS
En cierta reacción dada, si el calor diferencial que se aplica es mayor a la temperatura de ebullición; la solubilidad se verá directamente afectada.
MATERIALES Y MÉTODOS
Material 6 Matraces Erlenmeyer de 250 mL 2 Pipetas volumétricas de 25 mL y 50 mL 1 Vaso de Precipitados de 400 mL 1 Bureta de 25 mL 1 Probeta de 100 mL 1 Pinza para bureta 4 Tapones para matraz 1 Matraz aforado de 100 mL 1 Termómetro 1 Perilla 2 Vidrios de reloj
Reactivos Hidróxido de sodio Ácido Benzoico Fenolftaleína Papel filtro
Se utilizó una solución estandarizada de NaOH 0.5M y se preparó una Solución de Ácido Benzoico 0.05 M. Se colocaron 0.25 g de C 6H5-COOH en dos matraces y en otros dos 0.625 g, agregándoles 50 mL de H 2O destilada en cada uno y se calentaron hasta ebullir manteniéndoles así por diez minutos. Se enfriaron los dos matraces de 0.25 g a 30 ˚C y los de 0.625 a 50 ˚C. Se dejaron llegar al equilibrio térmico, agitando de vez en cuando por 20 min, los matraces enfriados a 30 ˚C llegaron a 25 ˚C y los enfri ados a 50 ˚C llegando a 45 ˚C. (Para mantener la temperatura se utilizó una placa de calentamiento a razón necesaria). Se filtró los contenidos de los matraces con papel filtro, tomando alícuotas de 5 mL de cada matraz. Por último se tituló con NaOH a 0.5 M, con fenolftaleína como indicador.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la práctica se obtuvieron los siguientes resultados realizados con los cálculos que a continuación se muestran: Cabe resaltar que el método que utilizamos para obtener el Calor Diferencial de Solución utiliza la solubilidad del soluto en la solución acuosa en la que fue disuelto, creando un modelo matemático con el que se obtuvieron los siguientes gráficos que representan el comportamiento simulado solamente a dos mediciones experimentales, recreado en el Software Geogebra™:
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Gráfico 1. Comportamiento en el Matraz 1
Gráfico 2. Comportamiento en el Matraz 2
Gráfico 3. Comportamiento en el Matraz 3
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Gráfico 4. Comportamiento en el Matraz 4
Como se puede apreciar, la cantidad de calor aplicado al sistema fue una cantidad muy grande, debido a que los matraces no fueron tapados, dando como resultado pérdida grande del volumen de la Solución Saturada y un gasto energético mayor en cuanto a la cantidad de calor aplicada al sistema. Por la forma de la ecuación se puede demostrar que el diferencial de entalpía a temperaturas dadas es directamente proporcional al logaritmo natural de la solubilidad del componente soluble en el solvente. Los mL de NaOH gastados en el proceso de titulación del ácido nos permite cuantificar la presencia del ácido aún presente en la muestra. Se puede predecir pues que, en una reacción dada, el calor diferencial de reacción a Temperaturas por arriba de la T° de Ebullición nos dará como resultado un cambio directo en la solubilidad de la sustancia, esto de igual forma se pudo demostrar de manera física, ya que cuando se prepararon los matraces con las respectivas soluciones fue difícil, e incluso no completamente, disolver el ácido benzoico en el agua destilada. Con este procedimiento experimental podemos predecir un modelo con el cual es fácil predecir los diversos escenarios con sustancias varias en cualquier proceso controlado a distintas temperaturas manteniendo la presión constante.
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Para el cálculo de estos valores se ocuparon las siguientes fórmulas: ()
Molaridad = (ó) ()
Molalidad = () () Moles de ácido titulados = ∗ 0.5
n = m*PM Solución Saturada = ( )/1000 Temperatura = .+°
Solubilidad = ∗ 1000 2−
Pendiente = 2− Hs = Pendiente(R*∆T)
CONCLUSIONES
Dados los resultados obtenidos en la práctica podemos concluir primeramente que el calor de solución obtenido en las pruebas realizadas concuerda correctamente con la teoría estudiada previamente. Como es conocido, la solubilidad de un sólido en una solución aumenta proporcionalmente al aumento de la temperatura, lo cual se pudo notar al momento de colocar el ácido en agua
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a temperatura ambiente el cuál no se disolvió completamente a comparación con el agua en su temperatura de ebullición. Por último pudimos concluir que la entalpía de la solución no cambia con respecto a la temperatura (a menos que contribuyan factores externos como la presión y que el diferencial de temperaturas sea demasiado elevado.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Castrejón-González, O. (2012) Determinación de Calor Diferencial de Solución. México: Departamento de Ing. Química-ITC. Recuperado de: http://www.iqcelaya.itc.mx/~omar/Docencia_files/P2_CalorDifSol.pdf Gómez, A. (1986) Calores de solución y Propiedades Termodinámicas relacionadas: Un Método Gráfico General de Cálculo. Revista Colombiana de Quimica. Núm. XV,33-50 Urquiza. (1974) Experimentos de Fisicoquímica. México: Limusa. Pp. 58-59
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