UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA CATEDRA DE QUIMICA GENERAL

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1 UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA CATEDRA DE QUIMICA GENERAL TRABAJO PRACTICO - PUNTO DE FUSION OBJETIVO: Determinar el punto de fusión (o solidificación) de una sustancia pura. PRINCIPIOS TEÓRICOS: La materia existe en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. El estado en que se presenta una sustancia depende de su temperatura y la presión a la cual esté sometida. En un sólido, sus unidades estructurales (moléculas, átomos o iones) no pueden moverse libremente en forma caótica irregular como lo hacen las moléculas de los gases y de los líquidos, sino se encuentran vibrando alrededor de posiciones fijas distribuidas ordenadamente en las tres direcciones del espacio, conformando lo que se denomina la estructura cristalina del sólido. En la naturaleza hay solamente siete tipos de sistemas cristalinos en los cuales las moléculas, átomos o iones se ubican (o vibran) alrededor de un punto fijo de esa estructura (puede ser en un vértice, en el centro de una cara o en el centro del cuerpo). Estos sistemas cristalinos son: Sistema cúbico Sistema tetragonal Sistema monoclínico Sistema triclínico Sistema ortorrómbico Sistema romboédrico Sistema hexagonal Dentro de cada sistema se pueden presentar diferentes estructuras cristalinas, según posean átomos o iones centrados en las caras, en el cuerpo o en las bases. De esta manera se obtienen 14 estructuras cristalinas cuya representación se puede observar en la Figura 1. En el estado sólido las moléculas están unidas por fuerzas de atracción o enlaces (en forma simplista, estos enlaces se pueden representar como resortes), al agregar calor se produce un aumento en el movimiento respecto a las posiciones del equilibrio molecular. Si se agrega suficiente calor como para dar la energía necesaria para Página 1

2 romper los enlaces intermoleculares, el sólido experimenta un cambio de estado y pasa a líquido. Si se suministra calor al sólido, éste elevará su temperatura, las unidades estructurales incrementarán su energía cinética y, por consiguiente, las vibraciones se harán cada vez más intensas, (ver figura 2 a). Si se continúa entregando calor al sólido Figura 2 llegará un momento en que, debido a un nuevo incremento de la energía cinética, las vibraciones serán tan fuertes que algunas de sus unidades estructurales escaparán de sus posiciones fijas en el cristal transformando su oscilación cerrada (fija) en una oscilación abierta (libre) característica del estado líquido, es decir, el cristal comenzará a fundir, (ver figura 2 b). Cuando se calienta un sólido cristalino puro pasa a líquido a una determinada temperatura llamada punto de fusión. Por lo tanto el punto de fusión es la temperatura a la cual una sustancia pasa del estado sólido al estado líquido. A la temperatura del punto de fusión coexisten las dos fases: sólida y líquida. Si ahora al líquido se lo enfría, este vuelve a pasar al estado sólido (solidificación) a la misma temperatura a la cual se la denomina punto de solidificación. Por lo tanto, en una sustancia pura el punto de fusión y el de solidificación o congelación son idénticos. Página 2

3 Las moléculas de un sólido están unidas por enlaces, en consecuencia un sólido tiene forma y volumen definido (Fig. 2 a). Las moléculas de un líquido son relativamente libres de moverse, de modo que un líquido tiene volumen definido, pero toma la forma del recipiente (Fig. 2 b). Las moléculas de un gas están separadas por distancias relativamente grandes, de modo que un gas no tiene forma ni volumen definido (Fig. 2 c). Figura 2 En general estos dos puntos son iguales, pero pueden diferir ligeramente. Temp D t B = t C B C t A A Calor sensible Calor latente Q [Cal] Figura 3 El punto de fusión depende de la presión externa. Para la mayoría de las sustancias un aumento de presión produce un aumento del punto de fusión, debido a que la mayoría de las sustancias aumentan de volumen al fundir, es decir, ocupan mayor volumen al estado líquido que al estado sólido. En el caso particular del agua, como al fundir disminuye de volumen, un aumento de presión produce un descenso en el punto de fusión del hielo. El efecto de la presión sobre el punto de fusión es en general muy pequeño por lo que no se lo tiene en cuenta en las determinaciones. Por ejemplo, un aumento de presión de una atmósfera produce un descenso del punto de fusión del hielo de 0,0075 o C. Página 3

4 Si representamos gráficamente la variación de temperatura en función de la cantidad de calor recibida por el sólido durante el calentamiento de éste, se obtiene una curva como la indicada en la Figura 3. Al calentar un sólido, su temperatura aumenta desde t A hasta t B, (lo que está representado por la curva AB). La cantidad de calor suministrada para que el sólido eleve su temperatura desde t A hasta t B pero sin cambiar de fase, se denomina calor sensible que en la figura está representado por el segmento AB. Se denomina calor sensible al calor suministrado a una sustancia mientras se eleva su temperatura sin que se produzca ningún cambio de fase en ella. Su unidad es la caloría (en el Sistema Internacional, el Joule). Al llegar al punto B el sólido comienza a fundir y durante todo el proceso de fusión (rama BC de la gráfica), la temperatura permanece constante. Sin embargo, para que todo el sólido pase a líquido, hay que seguir calentando, es decir, el proceso de fusión se realiza con absorción de calor. Se denomina calor latente de fusión (segmento BC en la figura) a la cantidad de calor necesaria para producir la fusión del sólido. Al llegar al punto C todo el sólido se ha fundido y si se continúa calentando, ahora aumenta la temperatura del líquido (rama CD). En otras palabras, en la rama AB de la gráfica de la Figura 3, se tiene una sola fase, la sólida, cuya temperatura va aumentando. Al llegar al punto B comienzan a producirse las primeras gotas de líquido y, a temperatura constante pero continuando el suministro de calor al sistema, a medida que nos desplazarnos de B en dirección a C, disminuye la cantidad relativa de sólido y aumenta proporcionalmente, la cantidad de líquido. Por lo tanto, en la rama BC se tienen dos fases que coexisten en equilibrio, sólido y líquido. Mientras coexistan ambas fases la temperatura permanecerá constante y su valor será el punto de fusión de esa sustancia. Al superar el punto C todo el sólido se ha transformado en líquido y, por consiguiente, en la rama CD de la gráfica se tiene una sola fase, líquida, cuya temperatura va aumentando si continuamos suministrando calor al sistema. Similarmente se puede enfriar una sustancia pura al estado líquido hasta su solidificación y trazar la curva de enfriamiento del líquido determinando el punto de solidificación o congelación. El punto de fusión es una constante física para una sustancia pura. Cuando la sustancia es impura, el punto de fusión es inferior al del compuesto puro, porque las impurezas actúan prácticamente como sustancias disueltas en el compuesto que la impurifican. Asimismo, la temperatura de congelación de una disolución es siempre inferior a la del disolvente puro. MÉTODOS DE LABORATORIO PARA DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE FUSIÓN 1) Método de contacto directo: Este método se basa en la medición de temperaturas de un sólido que se calienta hasta fusión o de un líquido que se enfría hasta solidificar, trazando las curvas de calentamiento o enfriamiento respectivamente. La medición se Página 4

5 realiza por contacto directo del bulbo del termómetro con la sustancia. Este método es poco preciso porque el termómetro difícilmente esté registrando la temperatura donde coexisten las dos fases. Generalmente, registra la temperatura existente en una sola fase, la sólida o la líquida. Para reducir errores, el procedimiento debe hacerse mediante calentamiento y enfriamiento muy suave (lento). 1.1) Trazado de la curva de calentamiento de un sólido. Materiales: vaso de precipitación de 200 ml, tubo de ensayo, dos pinzas de madera para tubos, mechero, trípode, tela de amianto, agitador, termómetro º C, reloj con segundero, sustancia a ensayar: naftaleno. Técnica operatoria: 1. Verter en un tubo de ensayo aproximadamente 3 cm 3 de naftaleno. 2. Colocar un termómetro en el seno del naftaleno, de manera tal que éste no toque ni las paredes ni el fondo del tubo. 3. Colocar el tubo en un vaso de precipitados con agua, sujetar el tubo con dos pinzas de madera de forma que aquel no toque ni las paredes ni el fondo del vaso. El agua del baño debe superar levemente el nivel del naftaleno en el interior del tubo. (ver figura 4). 4. Calentar suavemente el conjunto sobre tela de amianto. 5. Agitar el baño mientras dura la experiencia. 6. Registrar las temperaturas a intervalos de 30 segundos hasta 90ºC (desde 75ºC). 7. Construir una tabla con los datos obtenidos y luego graficar en un sistema de coordenadas, temperatura en función del tiempo. 8. Determinar el punto de fusión del naftaleno. (valor experimental) Figura 4 Página 5

6 DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS: TABLA GRAFICA Tiempo (seg) Temperatura (ºC) Sustancia... Fórmula... Temperatura de fusión según experiencia... (t). Temp. de fusión según bibliografía... (Buscar en bibliografía) (t ) (1). Error absoluto: E abs : t, t =... Figura 5 1.2) Trazado de la curva de enfriamiento de un líquido.- Materiales: vaso de precipitado, tubo de ensayo, termómetro 0º C -100º C, reloj con segundero, mezcla frigorífica (hielo molido con sal), sustancia a ensayar: ciclohexano, agitador, pipeta graduada de 5 cm 3. Técnica operatoria: 1. Verter en un tubo de ensayo 3 cm 3 de ciclohexano. 2. Colocar el tubo en el medio de un vaso de precipitado y rodearlo con la mezcla frigorífica hasta cubrir el nivel del ciclohexano en el tubo (ver Figura 5). 3. Introducir el termómetro en el ciclohexano evitando que Página 6

7 tome contacto con las paredes o el fondo del tubo. 4. Agitar suavemente el ciclohexano con el termómetro mientras dura la experiencia. 5. Registrar las temperaturas a intervalos de 30 segundos hasta 4 ºC. 6. Construir una tabla con los datos obtenidos y luego graficar la temperatura en función del tiempo. 7. Determinar el punto de solidificación del ciclohexano. (valor experimental). DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS: TABLA GRAFICA Tiempo (seg) Temperatura (ºC) Sustancia... Fórmula... Temperatura de solidificación según experiencia... (t). Temp. de solidificación según bibliografía... (Buscar en bibliografía) (t ) (2). Error absoluto: E abs : t, t =... 2) Método del tubo capilar: Se basa en que la sustancia sólida pulverizada es opaca y al fundirse se vuelve translúcida, lo que se puede apreciar muy bien cuando se coloca Página 7

8 una pequeña porción de la misma en un tubito de paredes delgadas y de calibre casi capilar. Tiene la ventaja de que para realizarlo solo se requiere una pequeña muestra de sustancia. Éste es el método más utilizado. Materiales: tubo capilar de mm cerrado en un extremo, tubo de ensayo, vaso de precipitado, termómetro ºC, anillo de goma, trípode, tela de amianto, mechero, pinzas de madera para tubos, sustancia a ensayar: difenilamina. Técnica operatoria: Figura 6: Dispositivo para la determinación de puntos de fusión por el método del tubo capilar 1. Pulverizar la difenilamina y colocarla en un tubo capilar hasta ocupar mm de altura. 2. Sujetar el tubo capilar a un termómetro mediante anillo de goma de modo que la sustancia quede a la altura del bulbo del termómetro. 3. Colocar el conjunto capilar - termómetro en un tubo de ensayo con agua, de forma tal que la boca superior del tubo capilar quede por encima del nivel de agua, pero a. su vez, el nivel de la sustancia quede debajo del nivel del líquido, (ver Figura 6). 4. Sumergir el tubo en un vaso de precipitado con agua. Calentar el baño suavemente y agitar el agua suavemente mediante agitador. 5. Cuando en la masa opaca aparezcan puntos translúcidos, indicio de aparición de la fase líquida, se lee rápidamente la temperatura. No se debe esperar (para leer la temperatura) que toda la masa esté translúcida, ya que esto indica que tenemos solamente líquido, (hemos superado el punto C de la figura 3) y por definición, sabemos que deben coexistir las dos fases (sólida y líquida), para obtener el punto de fusión correcto. La temperatura determinada es el valor experimental. Página 8

9 DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS: Sustancia... Fórmula... Temperatura de fusión según experiencia... (t). Temperatura de fusión según tablas... (Buscar en bibliografía) (t ) (3). Error absoluto: E abs : t, t =... CONCLUSIONES En este ítem se deben colocar aquellas observaciones respecto de los resultados obtenidos, como por ejemplo, comparar el error absoluto obtenido con la apreciación del instrumento de medición (en este caso el termómetro), etc. BIBLIOGRAFÍA * Fuente de información de la temperatura (real) de fusión del naftaleno. * Fuente de información de la temperatura (real) de fusión del ciclohexano. * Fuente de información de la temperatura (real) de fusión de la difenilamina. Página 9

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