Informe 4: Estudio Termodinámico de Equilibrio Químico
Nombre: David López Carrera: Licenciatura en Química Profesor: Juan Sebastin !ómez "ec#a: $% de noviembre& $'()
Introducción Los ob*etivos prcticos de +a e,periencia se pueden resumir en dos ptos: •
•
Determinar +as funciones termodinmicas de+ e-ui+ibrio de disociación de+ cido ac.tico / sus derivados c+orados en so+ución acuosa0 Discutir +os resu+tados obtenidos en re+ación a +a estructura e+ectrónico1mo+ecu+ar de +os cidos0
2n 3-ui+ibrio de Ionización es a-ue+ en e+ -ue e+ desp+azamiento de+ e-ui+ibrio de +a reacción est en directa sini5cancia con +a capacidad e+ectro+ítica -ue tena e+ cido o +a base para disociarse en sus respectivos iones [1]0 La ionización de+ cido ac.tico& cido C+oroac.tico / Dic+oroac.tico en so+uciones acuosas est representada por +as siuientes ecuaciones: +¿ −¿+ H (¿ac ) ¿
HOA O A ( ac )
6(7
Donde +a Constante de 3-ui+ibrio 687 -ue representa esta reacción se puede representar como: −¿ ¿
OA
¿ +¿
¿
H
¿ ¿ K =¿
6$7
Donde podemos ca+i5car e+ rado de acidez de +a so+ución despe*ando +a concentración de iones positivos / ap+icndo+e un operador p 69+o7& -ueda e,presada de +a siuiente manera:
+¿¿
H
¿ −¿
OA
¿
6%7
¿ ¿ ¿ ¿
−log ¿ −¿¿
OA
¿ ¿
pH = pK + p ¿
647 De estas e,presiones& es fci+mente observab+e -ue cuando +as concentraciones en +a fracción de 647 se iua+an& e+ factor +oarítmico se #ace cero por +o -ue e-uiva+entemente e+ p es iua+ a+ p8 6esto corrobora e+ e-ui+ibrio dado por 6$770 La r5ca de p vs ;o+umen de+ Neutra+izador re!7 es +a enería =ti+ para -ue una reacción sea ++evada a cabo& o en este caso& -ue +a reacción a+cance e+ e-ui+ibrio [2]0 2na e,presión mu/ =ti+ -ue nace de +as re+aciones de ?a,@e++ asociadas a +os cambios en >! es +a siuiente: ∆ G 0=− RTLn ( K )
6A7 Donde e+ subíndice de+ 6>!7 se asocia a+ estado de 3-ui+ibrio de +a reacción& o a+ estado donde e+ cambio de producto / reactivo es cero0 Btra variab+e -ue mide e+ cambio -ue e,perimenta e+ cido& es +a 3nta+pía de Neutra+ización 6 ∆ H N 7 -ue determina e+ ca+or asociado a+ momento en -ue se a+canza e+ e-ui+ibrio para +a reacción o en -ue +as +¿ −¿ concentraciones de H ¿ / O A ¿ se iua+an0 Para +a e,periencia& +a 3nta+pía ser medida uti+izando +as siuientes e,presiones& como resu+tado de +as mediciones dentro de un ca+orímetro& por ende& +a consideración inicia+ es conocer +a Constante de+ Ca+orímetro 68c7:
( T − T 2 ) − M 1 C ( T 1−T )
K c = M 2 C
6)7 Donde M 1 / M 2 son +as masas de ua Ca+iente estabi+izada / ua fría respectivamente& T 1 / T 2 son +a emperatura de ua Ca+iente / fría& C es e+ Ca+or especí5co de+ aua 6( ca+1EC mo+7 / es +a temperatura de e-ui+ibrio0 |¿| Q N =−Q ¿
6F7 Siendo
Q N
e+ ca+or de neutra+ización /
|¿| −Q ¿
e+ ca+or absorbido por e+
Ca+orímetro0
(
[
+ M acido ] ) ∙ ∆T
|¿|= K + C M
NaOH
Q¿
6G7 Para ∆ T representando e+ cambio inicia+ / 5na+ de emperatura de +a mezc+a en e+ ca+orímetro0 Las masas respectivas son ca+cu+adas usando +as respectivas densidades de +os compuestos0 ∆ H N =
Q N n
6H7 Donde n es +a fracción de cada cido -ue est sin disociar previo a +a neutra+ización0 +¿¿
Para +a e,periencia& +a 3nta+pía de Ionización de +os iones de H ser uti+izada como 9(%&%4 8ca+1mo+ / asumiendo -ue no e,iste cido ionizado antes de +a neutra+ización& +a 3nta+pía de Ionización a partir de +a Le/ de ess [3] se e,presa como: ∆ H I =∆ H N + 13,34 Kcal / mol
6('7
3+ cambio 3ntrópico de Ionización es una medida -ue asocia e+ comportamiento espontneo sobre e+ cua+ ocurre un incremento en +a enería de Ionización de +as mo+.cu+as a medida -ue avanzan #acia e+ 3-ui+ibrio& / es fci+mente posib+e ++ear a e++a sabiendo +as variab+es anteriormente medidas0 T ∆ S I = ∆ H I −∆ G0
6((7
n+isis de Kesu+tados (E Parte: 2sando +os resu+tados brutos& /a sean +as mediciones / sus respectivas tab+as& es posib+e representar e+ comportamiento de+ e-ui+ibrio -uímico& a trav.s de una curva -ue re
Gráfco 2: Valoracin para !cido %c$tico
Gráfco 3: Valoracin para !cido Tri#cloroac$tico
Donde se desprende -ue e+ cido ac.tico es e+ -ue a+canza primero +a condición de e-ui+ibrio en +a neutra+ización& mientras -ue e+ cido tric+oroac.tico presenta una va+oración ms e,iida& en t.rminos de +a cantidad necesaria de idró,ido ap+icado0 Los ;o+=menes correspondientes a +as Neutra+izaciones vienen dados por e+ punto m,imo en +a curva de +os r5cos0 • • •
Mcido mono9c+oroac.tico (H&A mL Mcido ac.tico (F mL Mcido ri9c+oroac.tico $' mL
Lueo& se obtienen +as correspondientes Constantes de 3-ui+ibrio a trav.s de+ siuiente procedimiento para e+ cido mono9c+oroac.tico: V pK =
19,5 mL 2
= 9,75 mL
Se uti+iza +a tab+a para observar e+ punto de e-uiva+encia para p / p80 3n este caso e+ correspondiente es $&%' apro,imadamente0 Posteriormente& se ca+cu+a 8 aadiendo +a función anti+oaritmo a +a ecuación 647 en e+ punto de e-uiva+encia: −2,30
K =10
=5,0 ×10−3
Se arupan +as Constantes a continuación: Ácido ?ono9c+oroac.tico
K
5,0 ×10
c.tico
4,6 × 10
−3
−5
ri9c+oroac.tico
0,17
Bbteniendo +as Constantes& es posib+e obtener e+ ∆ G0 de cada reacción uti+izando +a ecuación 6A7& teniendo en cuenta una emperatura de $HGE8& +a Constante de +os !ases idea+es como G&%(4 J18 mo+ / e+ factor de conversión O( J '&$4 8ca+7 Ácido
∆ G0
?ono9c+oroac.tico c.tico ri9c+oroac.tico
(Kcal/mol) %&( 8ca+1mo+ A&G 8ca+ 8ca+1mo+ (&( 8ca+1mo+
$E Parte: Los datos brutos con +os cua+es se procedió a medir +os distintos e-ui+ibrios en e+ Ca+orímetro fueron: •
•
• •
? ua Ca+iente 6
M 1
) ? ua "ría 6 M 2 ) $' mL
ua Ca+iente 3stabi+izada 6 T 1 ) %)EC ua fría 6 T 2 ) $AEC NaB $FEC inicia+ cido mono9c+oroac.tico $A&A EC 5na+ %$EC
• •
inicia+ cido ac.tico $F EC 5na+ %(EC inicia+ cido tri9c+oroac.tico $FEC 5na+ %$&AEC
partir de +as cantidades respectivas de ua fría / Ca+iente se procedió a encontrar +a emperatura de 3-ui+ibrio de +a mezc+a en e+ Ca+orímetro0 Con +os datos brutos reistrados& se ++eó 5na+mente a una emperatura de 3-ui+ibrio 67 de va+or %(&AEC& veri5cada con e+ promedio de +as emperaturas inicia+es independientes de ua 6%'&A %(&A70 Junto con esto& se procedió a encontrar +a Constante de+ Ca+orímetro& uti+izando 6)7: K =20
(
g∗1 cal 31,5° C −25 °C ∗ g °C 36° C −31,5 °C
)−
20
g∗1 cal g °C
K = 8,9cal / g
Consecuentemente& se procedió a ca+cu+ar +os Ca+ores de Neutra+ización uniendo +as ecuaciones 6F7 / 6G7& como se re
(
Q N =− 8,9 cal / g + 1
)
cal × ( 42,6 g + 21 g ) ∙ ( 31−25 [ ° C ] ) g ° C Q N =−435 cal
Se consideró e+ mismo Ca+or especí5co para e+ ua debido a -ue +as concentraciones de +os cidos fueron re+ativamente ba*as0 dems& se observó -ue e+ sino neativo es una evidencia de+ carcter e,ot.rmico de una reacción de neutra+ización0 Para obtener +a 3nta+pía& uti+izamos +a ecuación 6H7& sabiendo -ue todos +os cidos se encuentran en una concentración inicia+ de ( ?0 Por +o tanto& e+ nE de mo+es -ue se encuentra sin disociar es '&'$0 ∆ H N =
−−435 cal =−21,75 Kcal / mol 0,02 moles
Lueo& se arupan +os va+ores de ∆ H N para todos +os cidos: Ácido
∆ H N
(Kcal/mol)
c.tico ?ono9c+oroac.tico ri9c+oroac.tico
9$(&FA 9(A&%G 9(F&(H
Para obtener +a 3nta+pía de Ionización& se despe*a +a ecuación 6('70 continuación& se tabu+an +os resu+tados para +os correspondientes c+cu+os: Ácido
∆ H I ( Kcal / mol )
c.tico ?ono9c+oac.tico ri9c+oroac.tico
9G&4( 9$&'4 9%&GA
Con estos =+timos datos / +a 3nería +ibre de !ibbs /a conocida& es posib+e obtener +a 3ntropía de Ionización para una dada emperatura 6 ∆ S I 7 usando +a ecuación 6((70 Se tabu+an +os resu+tados a continuación: Ácido c.tico ?ono9ac.tico ri9c+oroac.tico
( T ∆ S I ) (Kcal/mol) 9((&A( 9F&G4 94&HA
Discusión 3+ producto iónico de una reacción e,presado a trav.s de +a Constante nos permitió #acer dos observaciones0 Primero& -ue #abía una re+ación directa entre +a natura+eza e+ectro+ítica de+ cido / +a Constante de Ionización de este& /a -ue se evidenciaba -ue mientras aumentaba e+ punto de e-uiva+encia para e+ p& e+ cido re
d.bi+ / +a disociación en protones era menor& /a -ue #abía una e-uiva+encia entre +a concentración de+ cido / +a Rase Con*uada0 3n seundo +uar& se observó -ue +a "uerza de+ cido aumentaba para a-ue+ -ue tenía ms rupos c+orados& en este caso e+ ric+oro& -ue poseía +a ma/or Constante de Ionización& esto& evidenciado en +a capacidad de atraer #acia sí mismo +a nube e+ectrónica de+ compuesto / ais+ar e+ Protón de +a disposición espacia+ de +a mo+.cu+a por ende& e+ cido ac.tico& a+ no presentar nin=n e+emento mu/ e+ectroneativo tenía +a capacidad de mantener su nube e+ectrónica muc#o me*or distribuida sobre toda +a mo+.cu+a& por +o -ue +e fue ms difíci+ desprenderse de su Protón / su Constante fue +a menor0 ambi.n se desprendió de +os r5cos -ue e+ punto de in
Mcido ac.tico: 9(%&H 8ca+1mo+ Mcido ?ono9c+oroac.tico: 9(A&) 8ca+1mo+ Mcido ri9c+oroac.tico: 9(A&4 8ca+1mo+
Por consiuiente& se arupan +os errores e,perimenta+es 6T7 asociados a +as mediciones de 3nta+pía de Neutra+ización:
Ácido c.tico ?ono9c+oroac.tico ri9 c+oroac.tico
Error Experimental A)&AT (&4T ((&)T
Se observó -ue para e+ cido ac.tico / tri9c+oroac.tico #a/ un error ma/or asociado& no así para e+ mono9c+oroac.tico donde este es casi discrepab+e0 3sta variación de errores es consecuencia de -ue +as mediciones #a/an sido e*ecutadas por distintos a+umnos en +a e,periencia0 Dentro de +os errores -ue pueden destacarse estn e+ementa+mente e+ ma+ uso de+ aparata*e instrumenta+ 6no #aber medido correctamente +as cantidades de ;o+=menes o no #aber +eído correctamente e+ bu+bo en e+ ermómetro7 / +a ma+a t.cnica de+ estudiante en +a e,perimentación 6no aitar +a mezc+a& tener e,puesto e+ sistema ms tiempo de +o norma+ o no preocuparse de medir en +os interva+os de tiempo e,iido70 Como +as mediciones para +os va+ores de 3nta+pía partieron desde +as #ec#as en e+ ca+orímetro& es posib+e asociar +os errores a +os datos obtenidos& como +a constante de+ ca+orímetro -ue pudo diferir en ran manera de +a rea+& enerando un error en cadena0 Sin embaro& como +os va+ores rea+es mantienen una proporción con +os va+ores teóricos& +a e,periencia mantiene su va+idez aadi.ndo+e e+ error correspondiente0
Conc+usiones (7 La va+idez de +as titu+aciones se apo/a en e+ efecto tenido en e+ punto de e-uiva+encia& donde e+ va+or de 8 tiene un sini5cado cua+itativo& representando +a "uerza de+ cido0 $7 Como efecto de +a capacidad para disociarse& +os va+ores de ∆ G0 & ∆ H N & ∆ H I / ∆ S I entrean un estudio termodinmico de +a reacción para observar si e+ e-ui+ibrio se desp+aza #acia e+ producto 6disociación7 o no 6cido sin disociar70 %7 3+ error asociado a +a 3nta+pía de Neutra+ización para e+ cido ac.tico& mono9c+oroac.tico / tri9c+oroac.tico viene dado corre+ativamente por A)T& (&4T / ((&)T0
47 Los errores se basan en posib+es errores t.cnicos asociados a+ mane*o de+ instrumento / a errores en cuanto a+ reistro de datos o irresponsabi+idades propias de+ estudiante0
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