LABORATORIO DE FISISCOQUIMICA. GUIA 3 Propiedades coligativas I. Aumento ebulloscópico y descenso crioscópico

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1 LABORATORIO DE FISISCOQUIMICA GUIA 3 Propiedades coligativas I. Aumento ebulloscópico y descenso crioscópico I. El Problema: Como determinar la temperatura de equilibrio del estado líquido-sólido para un líquido puro?. Cual es la influencia de un soluto en el punto de congelación? Cual es la influencia de la concentración del soluto en el punto de congelación? Que es una constante crioscopia y como se determina. Cual es la influencia del soluto no volátil en el punto de ebullición? II. Fundamento teórico: En una solución binaria ( que tiene dos componentes), se puede separar uno de los dos como fase sólida, si esta fase es el soluto o sea esta en menor proporción puede considerarse que la composición de la solución determina la saturación a presión y temperatura ambiente. Si la fase sólida que se separa es el solvente se dice que la temperatura es el punto de congelación de la solución. El descenso en el punto de congelación de una solución con respecto al solvente hace parte de una serie de propiedades de las soluciones denominadas propiedades coligativas ( dependen de la colección), la aplicación y generalización de estas propiedades radica en analizar las modificaciones que sufre el potencial químico del solvente líquido por la presencia del soluto, para el caso más simple deben plantearse dos restricciones: El soluto es no volátil y en consecuencia no aparece en la fase vapor El soluto no se disuelve en el solvente sólido Sin embargo, el análisis puede ser ampliado a sistemas que no estén sujetos a estas condiciones. Aplicando la ecuación de Gibbs y considerando la composición del soluto como fracción molar, se obtiene: lnx i = H f ecuación 1 T RT 2 p Esta es ecuación de la variación de la solubilidad en fracción molar, con la temperatura, si el subíndice i se refiere al soluto o a la variación del punto de congelación con la composición y siendo H f el calor de fusión de i, expresado en calorías por mol. a la temperatura y presión dadas. Puesto que en general todas la soluciones obedecen la ley de Raoult, puede asumirse que la ecuación 1 es aplicable al punto de congelación de una solución diluida en equilibrio con el solvente sólido puro independiente de si a concentraciones más altas su comportamiento es o no ideal y como es obvio, a cualquier solución ideal. Pág. No 1

2 Al integrar la ecuación 1 y asumiendo que H f independiente de la naturaleza se tiene que: LnX i = H f T - To ecuación 2 R T*To Siendo X i la fracción molar del solvente, puesto que para una solución diluida la diferencia entre la temperatura de congelación de la solución T y la del solvente puro To, es pequeña, es válido hacer las siguientes aproximaciones: Ln(1-X 2 ) -X 2 ecuación 3 Siendo X 2 la fracción molar del soluto (1-X 2 ) X o 1 ecuación 4 T o*t To 2 ecuación 5 Llamando (To-T) el descenso crioscópico o el punto de congelación Θ de la solución se tiene: Ln(1 - X 2 ) = - H f * Θ_ ecuación 6 R T o 2 O bien X 2 = H f * Θ ecuación 7 R T o 2 Dada la relación entre el descenso crioscópico y la fracción molar del soluto es posible evaluar los pesos moleculares de los solutos empleando n 1 +n 2 n 1 donde n indica el número de moles y los subíndices 1 y 2 se refieren al solvente y al soluto, respectivamente, se tiene: X 2 n 2 = W 2 /M 2 ecuación 8 n 1 W 1 /M 1 En la ecuación 8 W indica el peso en gramos y M el peso molecular, reemplazando X 2 en la ecuación 7 y multiplicando y dividiendo por 1000 resulta: Θ = RT o 2 M 1 * 1000W H f W 1 +M 2 ecuación 9 Puede verse que en la ecuación 9 el término en verde indica la molalidad de la solución y el término en negro es una constante para el solvente dado, en consecuencia la ecuación puede escribirse como: Θ = K c * m ecuación 10 en la cual K c es la constante crioscópica del solvente y está dada por: Pág. No 2

3 K C = RT o 2 M 1 ecuación H f Estas ecuaciones solamente son validas para soluciones infinitamente diluidas, puesto que la composición de la solución se expresa en molalidad y una de las aplicaciones de la medida del descenso crioscópico es la determinación de actividades, es importante definir el estado de referencia. Este estado equivale a una solución 1 molal en la cual el soluto tiene una propiedades molares parciales de la solución a dilución infinita, A alta dilución la molalidad de una solución es directamente proporcional a su fracción molar de modo que para las soluciones en que la actividad del soluto es igual a su molalidad, se cumple la ley de Henry y como consecuencia la desviación de la unidad del coeficiente de actividad es una desviación de la ley de Henry. Para el solvente, sea líquido o sólido el estado de referencia corresponde a un líquido puro o a un sólido puro a una atmósfera de presión a la temperatura del sistema. En consecuencia la actividad del solvente líquido puro o sólido puro se toma como la unidad a cada temperatura y presión atmosférica, se debe definir el coeficiente de actividad para el solvente III. Búsqueda de información Los subrayados en el texto anterior Traer los cálculos de preparación de soluciones hechos Cual es la importancia de la medida del descenso crioscópico? Que es un termómetro Beckman? Que es un termistor y como se usa en la medida de la temperatura? Cuáles son los puntos de solidificación del benceno y el ciclohexano? Consulte el método de K,. Rast para la medida del descenso crioscópico. Que son Solutos asociados o solutos disociados? Que le ocurre al punto de ebullición de un solvente cuando le agrega un soluto no volátil? Cuáles son las ecuaciones que representan el ascenso ebulloscopico? Qué relación puede encontrar entre el ascenso ebulloscópico y el descenso crioscópico? IV. Materiales y equipo: Material por grupo de trabajo: Dos tubos de ensayo pequeños con tapón horadado para termómetro Dos tubos de ensayo más anchos que los anteriores 1 Una vaso de 400 ml Un termómetro de 10 a 50 o C Un termómetro hasta 200 o C Un espátula Un vidrio de reloj Dos balones aforados de 100 ml Tres Capilares para puntos de ebullición y fusión Un tubo de hemólisis Dos vasos de 250 ml Un agitador de vidiro Un tubo de thiel Una pinza para el tubo de thiel 1 Consultar al profesor sobre el montaje de la práctica. Pág. No 3

4 Una pinza para bureta, pequeña Una pipeta de 10ml graduada Un pipeteador. Un gotero Reactivos de uso general por grupo: Benceno Ciclohexano Naftaleno Alcanfor Tolueno Acetato de etilo Aceite mineral Hielo Cloruro de sodio Ácido benzóico V. Procedimiento: 1. Determinación del punto de congelación del solvente Dejar fundir el solvente 2 en el tubo 0,5 o C por encima de la temperatura de fusión T f y añadir una cantidad exactamente pesada de soluto, determinar por duplicado la temperatura de fusión y repetir el procedimiento agregando cantidades sucesivas de soluto 3 exactamente pesadas y efectuando cada determinación por duplicado. 2. Determinación del descenso crioscópico de un soluto no disociado 2.1 Constante crioscópica del benceno y grado de asociación o disociación del soluto. Determinar la temperatura de fusión del benceno puro y del ciclohexano puro. Preparar por pesada 100 ml de soluciones de naftaleno en benceno que contengan respectivamente 0,1g ;0,2g; 0,3g ; 0,4g; 0,5g de naftaleno y determinar para cada caso el punto de congelación. T f Repita el mismo procedimiento anterior pero coloque ciclohexano como solvente Preparar por pesada 100 ml de soluciones de ácido benzóico en benceno que contengan respectivamente 0,1g ;0,2g; 0,3g ; 0,4g; 0,5g de ácido y determinar para cada caso el punto de congelación. T f 3. Coeficiente de actividad En este caso dada la importancia de la precisión experimental, todas las soluciones se preparan por pesada y de manera independiente en vez de hacer adiciones sucesivas. Preparar soluciones por pesada cuyas concentraciones sean las siguientes: 2,5m ; 2,0m; 1,5m; 1,0m; 0,7m; 0,5m; 0,3m. De naftaleno en benceno y determinar la temperatura de congelación. 4 Determinación de descenso crioscópico por el método K Rast. 2 Los solventes pueden ser benceno, ciclohexano o agua. Consulte al profesor sobre cual usará en la práctica. 3 Los solutos pueden ser naftaleno, ácido benzoico para los solventes orgánicos o azúcar, urea o ácidos si el solvente es agua. Pág. No 4

5 Como el método fue consultado en la literatura, solamente se informa que la determinación se realizara con naftaleno alcanfor. Traer el diseño experimental. 5. Determine el punto de ebullición de los compuestos puros y las mezclas que le asignará el profesor a cada grupo, utilizando el tubo de thiel. VI. VII. Tablas de datos: Diseñe la tabla de datos. Hipótesis 1. Un soluto no volátil hará descender el punto de congelación de un solvente puro 2. El descenso del punto de congelación estará determinado por la cantidad de soluto presente. 3. El descenso del punto de congelación permite determinar la constate crioscópica, del benceno y el ciclohexano. 4. Un soluto no volátil eleva el punto de ebullición de un solvente puro 5. El punto de fusión del alcanfor disminuye por la adición de naftaleno, que es un soluto no volátil. VIII. Resultados esperados y variables: Debe construir este ítem para el Preinforme IX. Para el análisis de la práctica CALCULOS Y GRAFICAS 1. Calculo de la constante crioscópica Construir una gráfica de Θ (descenso crioscópico) vs concentración de soluto de peso molecular conocido (urea en el caso del agua y naftaleno en el caso del benceno). A partir de la pendiente de la gráfica calcular K c (ver ecuaciones 9 y 10). 2. Calculo de los pesos moleculares relativos Construir una gráfica de Θ (descenso crioscópico) vs molalidad de la solución que contiene un soluto de peso molecular desconocido. Esta grafica corresponde a una recta que pasa por el origen. A partir de la pendiente de la gráfica y el valor de Kc del solvente empleado calcular el peso molecular del soluto ( ecuaciones 9 y 10) que corresponde a un valor relativo, si el soluto no se asocia o será equivalente al peso molecular verdadero si se disocia el soluto. Los valores Kc están en la tabla 1. Tabla No 1 Solvente T o f C K o f Kg/mol Acido acético Benceno Nitrobenceno Agua ciclohexano 16,6 5,4 5,3 0,0 6,5 3,900 5,120 7,200 1,858 20,0 3. Calcule el punto de ebullición del solvente puro a la presión de Bogotá y compárelo con el obtenido en el laboratorio. 4. Que puede decir de los puntos de ebullición de las mezclas? Pág. No 5

6 X. Bibliografía: Ball W David Thomson México. Catellan G.W Pearson. México Glastone S. termodinámica para químicos. Aguilar 1963 Atkins P.W., Fondo educativo interamericano Daniel F. Experimentos en fisicoquímica Mc Graw Hill, Pág. No 6