• Categories
• Gases
• Calor
• Líquidos
• Temperatura
• Capacidad térmica

Citation preview

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América)

FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FISICOQUÍMICA

GUÍA DE PRÁCTICAS LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I CÓDIGO:IQO032 SEMESTRE ACADÉMICO:2019-I

PARA ESTUDIANTES DE INGENIERÍA QUÍMICA

CIUDAD UNIVERSITARIA, MARZO 2019

REEDITADO POR LOS PROFESORES BERZOY LLERENA , Claudia FIGUEROA TAUQUINO, Aníbal GARCIA V,Victor MONTOYA ROSSI, Eduardo MUÑOZ HUILLCAS, Patricio PANTOJA C.,Angérico REYES YANES , Andreina TORRES DÍAZ , Francisco

MARZO DEL 2019

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

INDICE PAG. INTRODUCCION .............................................................................

I

INSTRUCCIONES GENERALES .....................................................

I

NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO

II

INSTRUCCIONES PARA LOS CALCULOS....................................

III

SECUENCIA DE PRACTICAS..........................................................

IV

USO DE EQUIPOS……………………………………………………..

1

Balanza Analítica Electrónica (OHAUS/PIONEER)…………. Refractómetro de ABBE DIGITAL…………………………...... PRÁCTICA N° 1.- Gases....................................................................

1 3 4

Determinación de densidad – Víctor Meyer. Determinación de la relación de capacidades caloríficas.

PRÁCTICA N° 2.- Termoquímica.......................................................

9

Capacidad calorífica del calorímetro Calor de neutralización

PRÁCTICA N° 3.- Presión de Vapor……………..............................

13

Método Estático

PRÁCTICA N° 4.- Viscosidad y Densidad de Líquidos...................

17

Método del Viscosímetro Stormer Método del Picnómetro

PRÁCTICA N° 5.- Tensión Superficial.............................................

22

Método de la elevación capilar

PRÁCTICA N° 6.- Determinación Crioscópica del Peso Molecular...

26

Determinación del peso molecular de un soluto en solución Normas para la calibración del Termámetro Beckman

PRÁCTICA N° 7.- Refractometría ......................................................

30

Índice de refracción de mezcla orgánica Índice de refracción de soluciones de sacarosa

PRÁCTICA N° 8.- Diagrama de Solubilidad…………………………

33

Determinación de la Curva de Solubilidad Valoración de solución de NaOH Determinación de la Línea de Reparto

CUESTIONARIOS ................................................................................

37

BIBLIOGRAFIA ...................................................................................

39

4

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

INTRODUCCIÓN Los experimentos que se presentan en la presente GUÍA DE LABORATORIO, tienen como finalidad ayudar a los estudiantes a complementar sus conocimientos adquiridos en las aulas y en los textos, dirigidos a la comprobación de las leyes y principios de la fisicoquímica. La descripción y desarrollo de las prácticas de laboratorio comienza fijando los objetivos en primer término, luego se hace una breve introducción teórica, seguida por una relación de materiales y reactivos. Posteriormente se procede a explicar el procedimiento o técnica experimental, finalizando con las indicaciones para realizar los cálculos, empleando los datos experimentales, para alcanzar los objetivos de la práctica.

INSTRUCCIONES GENERALES

a) b)

c)

d) e)

f) g)

h)

Al ingresar al laboratorio se debe tener presente que es un lugar de trabajo que requiere de mucha atención, orden, disciplina y responsabilidad. La puntualidad es parte de la evaluación, pasados 5 minutos del horario de entrada, la asistencia del estudiante será considerada como tardanza, siendo 15 minutos la tolerancia máxima para la entrada al laboratorio. En caso de inasistencia, el estudiante tendrá derecho a recuperar máximo una práctica del total, previa coordinación con su profesor(a) El material a utilizar en cada práctica se encuentra en las gavetas con su correspondiente listado, los cuales deben ser revisados cuidadosamente, comunicando al profesor cualquier irregularidad. Este material debe limpiarse, y secarse sólo en caso necesario. Para cumplir con los objetivos, es importante conocer el objetivo, los fundamentos teóricos y el procedimiento de cada práctica antes de ingresar al laboratorio, Durante el desarrollo de la práctica se debe mantener limpio el área de trabajo (mesa, lavatorio o vertedero y piso), en caso de derrame de alguna sustancia limpiar con una esponja humedecida con agua. Al finalizar la práctica, se debe entregar los materiales según listado, en caso de rotura o desperfecto, se debe comunicar al profesor y firmar el cargo respectivo. Antes de abandonar el laboratorio, el estudiante presentará al profesor su HOJA DE REPORTE con los datos experimentales obtenidos, tabulados en lo posible, para el visto bueno del profesor. El informe deberá ser entregado al inicio de la siguiente clase, solicitando de inmediato al profesor su firma en la relación de informes recepcionados. 5

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO REGLAS BÁSICAS: 1. Toda sustancia desconocida o mezcla de las mismas se debe asumir como tóxica. 2. Toda sustancia volátil o que involucre desprendimiento de gases debe manipularse dentro de una campana extractora. 3. Los reactivos deben permanecer en su sitio original, no sobre las mesas de trabajo. Estos están clasificados y colocados de acuerdo con el grado de toxicidad, de corrosividad, de inflamabilidad, y de reactividad. 4. Cualquier trabajo rutinario que no necesite uso de campana extractora deberá hacerse con ventilación adecuada del área de trabajo. Abra ventanas y puertas si fuera necesario. 5. Cualquier derrame de sustancia química debe ser limpiado de inmediato, siguiendo las instrucciones del profesor. 6. No debe abandonar una reacción u operación química, si tuviera que retirarse brevemente del laboratorio, comunicar este hecho al profesor, para que otra persona controle el experimento. 7. Cualquier incidente producido durante el desarrollo del trabajo comunicar inmediatamente al profesor, quién llevará un cuaderno de contingencias. PROTECCION PERSONAL: 1. Utilizar lentes de seguridad siempre que ingrese al laboratorio. 2. El uso de guardapolvo es obligatorio, éste de preferencia debe ser de algodón con botones a presión y con mangas largas. 3. Siempre que sea necesario deberá llevar guantes de protección; este debe ser elegido según la necesidad, asegurándose de la calidad y el buen estado del mismo. 4. Siempre que sea necesario se debe utilizar una mascarilla de protección, sobre todo cuando se trabaja con sustancias tóxicas. 5. Trabajar siempre con el cabello recogido, sobre todo si es largo. 6. Es obligatorio el uso de bombillas o pro-pipetas para succionar líquidos. 7. Antes de salir del laboratorio, lavarse escrupulosamente las manos. PROHIBICIONES: 1. Está prohibido succionar con la boca cualquier sustancia. 2. Está prohibido beber, comer o fumar dentro de los laboratorios. 3. Está prohibido el uso de pulseras ó joyas dentro del laboratorio, por que éstas pueden ser causa de accidentes, sobre todo si se trabaja cerca de llamas o máquinas en funcionamiento. 4. Es preferible no utilizar cosméticos cuando se trabaje con sustancias químicas. 6

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

5. 6. 7. 8.

No utilizar lentes de contacto por que se amplifican riesgos oculares. Nunca manipule una sustancia química no identificada. De preferencia no usar sandalias, ni pantalones cortos dentro de los laboratorios. Está prohibido que una sola persona realice trabajos en el laboratorio, se requiere mínimo de dos personas para tal fin. 9. No botar los desechos (productos de reacciones, reactivos sobrantes) en los lavaderos. Consulte con el profesor el procedimiento a seguir. INSTRUCCIONES PARA LOS CÁLCULOS Los cálculos deben ser ordenados y concisos, teniendo cuidado en el uso de las unidades tanto en los cálculos intermedios como en los finales. Los resultados deben expresarse con una exactitud no mayor del dato menos exacto que interviene en el cálculo, dichos resultados serán tabulados en cuadros, indicando las unidades respectivas. En el uso de las cifras significativas se debe tener en cuenta las siguientes reglas: a) En el abandono de las cifras superfluas, aumentar en 1 la última cifra retenida, si la cifra abandonada es 5 o mayor. Ejemplo : 2,3417, si solo es necesario cuatro cifras significativas quedaría 2,342 b) En las sumas y restas mantener sólo tantos decimales como se dan en el número que tiene menos decimales. Ejemplo: 0,588 + 4,21 + 9,5628 ; se puede operar como : 0,59 + 4,21 + 9,56 c) En la multiplicación y división retener el número de cifras significativas totales (enteros y decimales) que produzcan en cada factor un porcentaje de error que no sea mas grande que el factor con menos cifras significativas , pudiendo retenerse una más ( se aclara que los ceros entre cifras del 1 al 9 son significativas) .Ejemplo: 0,0082 x 34,02 x 5,726 ; se puede operar como: 0,0082 x 34,0 x 5,73, ya que 0,0082 tiene dos cifras significativas por tanto en los otros factores se puede retener cuanto más tres cifras significativas. En los cálculos con logaritmos, retener en la mantisa del logaritmo sólo el número de cifras que hay como significativas en los factores. La característica no se considera como cifra significativa por que ésta indica la magnitud.

7

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

SECUENCIA DE PRÁCTICAS

1.- Gases. 2.- Termoquímica. 3.- Presión de vapor 4.- Viscosidad y Densidad de líquidos. 5.- Tensión Superficial 6.- Crioscopía 7.- Refractometría 8.- Diagrama de solubilidad

GRUPO SEMANA

A-B

C-D

E-F

1 2 3 4

1 2 3 4

2 3 4 1

3 4 1 2

5 6 7 8

5 6 7 8

6 7 8 5

7 8 5 6

RELACIÓN DE INFORMES RECEPCIONADOS

PRÁCTICA: FECHA: FIRMA:

1 ……………… ………………

2 ……………… ……………… 8

3 ……………… ………………

4 ……………… ………………

UNMSM – FQIQ

PRÁCTICA: FECHA: FIRMA:

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

5 ……………… ………………

6 ……………… ………………

7 ……………… ………………

8 ……………… ………………

USO DE EQUIPOS I. A.

BALANZA ANALÍTICA ELECTRÓNICA (SHIMADZU LIBROR AEG ). COMPONENTES: Se observan numerados e identificados en la Figura N° 1:

1. Platillo

8. Cámara de pesado

2. Suspensorio de platillo

9. Caja lateral

3. Anillo de convección preservante

10. Conexión al mecanismo periférico

4. Indicador de nivel

11. Conexión de salida y entrada de datos

5. Lámpara de atención

12. Portador de fusible

6. Tornillo nivelador

13. Conexión a la fuente de energía

7. Puerta de vidrio

Figura N° 1

9

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

B.- PROCEDIMIENTO DE PESADA

1.- Preparación para el pesado. Mantener encendida la balanza por 1 hora y media con la finalidad de

estabilizar y

obtener buenas lecturas

2.- Aplicación de la energía. a) Pulsar el botón ON/OFF, luego toda la extensión se ilumina, chequear si alguno de los sectores no se iluminan, debe observarse lo siguiente:



888.8.8.88

%

b) Pulsar el botón TARE y debe aparecer en el despliegue ceros como: 0,0000

3.- Pesada. a) Colocar la portamuestra en el platillo, si tuviera, después que la marca de estabilidad aparece pulsar el botón TARE b) Chequear que los ceros aparecen en el despliegue tal como:

0,0000

c) Colocar la muestra y esperar que aparezca la marca de estabilidad y luego leer el resultado.

C.- PRECAUCIONES QUE DEBE TENERSE 1.

Evitar el contacto de la balanza con agua, pasadores de metal u otras sustancias.

2.

No dejar abierta la caja de la balanza (cámara de pesada).

3.

No dejar sustancias u objetos sobre el platillo.

4.

Evitar movimientos bruscos del platillo.

5.

Evitar transportar o desconectar la balanza cuando aparece “CAL” en el despliegue.

10

UNMSM – FQIQ

II.

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

REFRÁCTÓMETRO DE ABBE DIGITAL

Este equipo consiste esencialmente en dos prismas de vidrio, ópticamente densos, telescopio de foco corto y prismas de Amici. Tiene la ventaja de que su escala está graduada en índices de refracción, para la luz de sodio a 20ºC y requiere de poca muestra. Su uso debe seguir ciertas reglas: a) Se debe conservar limpio. b) Las superficies de los prismas deben ser limpiadas cuidadosamente después de cada determinación, para evitar posible rayaduras. En presencia de una muestra, se observa en el ocular dos zonas divididas, una oscura y otra luminosa como en la siguiente figura.

Figura No 2: Vista a través del ocular

Uso del Refractómetro a) Abra el prisma superior y limpie ambos prismas con algodón

humedecido en alcohol

(puede ser acetona en caso de haber utilizado aceite). b) Coloque dos gotas de muestra sobre la superficie del prisma inferior, cierre con el prisma superior con lo cual quedará una fina capa de líquido entre los prismas. c) Encienda el aparato, ilumine con la lámpara el prisma superior, observe con el ocular y mueva el macrométrico (derecha del aparato), hasta obtener una zona sombreada, luego con el micrométrico, coloque la división de las zonas en la intersección de los filamentos cruzados, si la división no fuera nítida, gire el botón frontal de ajuste de temperaturas hasta lograr nitidez. 11

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

d) Oprima READ y lea directamente en la pantalla.

PRÁCTICA N° 1 GASES 1.0

OBJETIVO Estudiar las principales propiedades de los gases, tales como capacidad calorífica, y densidad.

2.0

PRINCIPIOS TEÓRICOS 2.1

Gas.- Se denomina así, a aquel fluido que no tiene forma ni volumen definido. Se clasifican como: a) Gases Ideales.- Son aquellos en los cuales el volumen ocupado por las moléculas, es insignificante respecto al volumen total y siguen la Ley de los Gases Ideales: PV= nRT

(1)

b) Gases Reales.- Presentan fuertes atracciones intermoleculares, siendo el volumen de las moléculas significativo respecto al total. Estos gases no siguen la ecuación (1). Existen una serie de ecuaciones llamadas ecuaciones de estado, que corrigen las desviaciones de la idealidad, entre ellas tenemos la de Berthelot: P V = n R’ T

 9 T P  6 T 2  m  C 1  C  PV   TR 1    M   128 PCT  T 2     En las ecuaciones (2 ) y (3) M = Peso molecular de la muestra m = Masa del la muestra R = Constante de los gases ideales R’ = Corrección para desviación de idealidad P, V, T = Presión, volumen y temperatura del gas. PC ,TC = Presión y Temperatura críticas del gas. 12

(2) (3)

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

Los vapores de sustancias que no son gases a temperaturas ordinarias suelen encontrarse en este tipo.

2.2

Densidad de Gases a)

Densidad Absoluta.- Relación entre la masa por unidad de volumen.

b) Densidad Relativa.- Relación de la densidad de una sustancia con respecto a la de un gas de referencia. c) La densidad ()de un gas se puede obtener a partir de la relación:  = m/V = P M/R’ T

2.3

(4)

Relación de Capacidades Caloríficas de los Gases Capacidad Calorífica de Gases.- Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una sustancia en un grado. Hay 2 tipos de capacidad calorífica: a presión constante y a volumen constante. La relación entre ambas, conocida como  depende de si el gas es mono, di o poliatómico y puede ser determinada experimentalmente mediante el método de Clément y Desormes. Mediante este método, en un sistema a presión superior a la atmosférica, se realiza una expansión adiabática, y luego un calentamiento a volumen constante; para un sistema de este tipo se cumple:

ln P1 CP = C V ln P 1

ln P0 ln P2

(5)

Y si el cambio de presión es pequeño, sabiendo que p = gh:

= 3.0

Cp Cv

=

h1 h1 _ h2

(6)

MATERIALES Y REACTIVOS 3.1

Materiales.- Equipo de Víctor Meyer para densidad de vapor, equipo para relación de capacidades caloríficas por el método de Clément y Desormes, regla, bulbos pequeños, vasos de 50, 200, 600 mL, pipetas.

3.2

Reactivos.- Líquido orgánico volátil. 13

UNMSM – FQIQ

4.0

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

PROCEDIMIENTO 4.1

Determinación de la Densidad de Gases por el Método de Víctor Meyer a) Instale el equipo como se muestra en la Fig. (1) b) Coloque en un vaso agua de caño, hasta 2/3 de su volumen (A), y dentro de éste el tubo de vaporización (B), manteniendo cerrada la llave de la bureta F y abierto el tapón E. Lleve al agua a ebullición durante 10 min. Mientras se esté calentando el agua, pese una ampolla de vidrio hasta las 10 milésimas de g. Caliente la ampolla, retire e introduzca el capilar en un vaso que contenga una pequeña porción de líquido orgánico volátil, enfríe y repita la operación hasta introducir de 0,1 a 0,2 g de muestra, pese y si ha logrado el peso adecuado al pesar, selle el capilar, déjelo enfriar y péselo nuevamente con exactitud. c) Abra la llave de la bureta, nivele el agua hasta la marca inicial con la pera. d) Coloque el tapón E, iguale los niveles, lea la bureta y anote. Retire el tapón E y haga que el nivel llegue nuevamente al nivel inicial. e) Repita d) hasta que todo el volumen desalojado de agua no fluctúe en más de 0.2 mL respecto a la lectura anterior. f) Rompa el extremo de la ampolla, introdúzcala rápidamente en el tubo de vaporización y coloque inmediatamente el tapón E. A medida que baja el nivel del agua en la bureta iguale el de la pera, hasta que el nivel del agua deje de bajar. g) Cierre rápidamente la llave F, espere 10 minutos y tome la temperatura del agua en la pera, lea el nivel del agua en la bureta, tomando como referencia la lectura realizada en (d).

4.2

Relación de Capacidades Caloríficas por el Método

de Clément y

Desormes. a) Arme el equipo mostrado en la Fig. (2) de forma que todas las uniones queden herméticamente cerradas.

14

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

b) Manteniendo cerrado B, abra A permitiendo el paso de gas por el balón hasta tener un desnivel aproximadamente de 10cm en el manómetro de agua, cierre B y lea la diferencia de altura exacta (h1). c) Abra rápidamente B y ciérrela en el momento en el que ambas ramas del manómetro se crucen. d) Deje que se estabilice el líquido manométrico y lea la nueva diferencia de alturas (h2). e) Repita con diferencias de alturas iniciales de aproximadamente 15, 20 y 25 cm. 5.0

CÁLCULOS 5.1

Densidad de Gases a) Corrija la presión barométrica usando:

' P b

=

P _ b

_ (100 h ) F 100

(7)

Donde: Pb , P’b : Presión barométrica y presión barométrica corregida. F

: Presión de vapor del agua a temperatura ambiente.

H

: % de humedad del aire.

b) Corrija el volumen del aire desplazado a condiciones normales (CN), 00 C y 1 atm. c) Determine la densidad teórica del vapor a CN, usando la ecuación de Berthelot. d) Determine la densidad experimental del vapor a CN, dividiendo la masa entre el volumen corregido. 5.2

Relación de Capacidades Caloríficas a) Determine la relación de capacidades caloríficas para cada altura inicial. b) Determine  promedio para cada gas. c) A partir del valor promedio de , calcule los CP y CV y experimentales.

5.3

Calcule los porcentajes de error para cada experimento. 15

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

16

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

PRÁCTICA N° 2 TERMOQUÍMICA 1.0 OBJETIVO Determinar el cambio térmico que acompaña a las reacciones químicas. 2.0 PRINCIPIOS TEÓRICOS 2.1

Termoquímica.Es la rama de la Fisicoquímica que determina la cantidad de calor absorbida o liberada en una transformación física o química. Siempre que se lleva a cabo una transformación química, hay un cambio térmico, dependiendo éste de la naturaleza, condición física y cantidad de reactantes.

2.2

Tipos de Reacciones Termoquímicas.Se pueden clasificar bajo dos conceptos: a) De acuerdo al calor involucrado, se clasifican en reacciones exotérmicas, en las que hay liberación de calor, y reacciones endotérmicas, en las que se presenta absorción de calor. b) De acuerdo al proceso involucrado, el calor puede ser de neutralización, solución, hidratación, dilución, formación, reacción, combustión, etc.

2.3

Calor de Reacción.Todas las reacciones químicas, van acompañadas de un efecto calorífico. Este efecto puede ser medido a presión o a volumen constante, en el primer caso se mide el trabajo y la variación de energía interna, en tanto que en el segundo caso sólo se mide la variación en energía interna. El calor de una reacción exotérmica, tiene convencionalmente signo (-), y el de una endotérmica signo (+). Los calores de reacción se miden en calorímetros a presión ó a volumen constante. En ellos se aplica un balance de calor: Q ganado = - Q perdido Q = m Ce ΔT Donde:

m : masa de sustancia Ce: calor específico de la sustancia ΔT: cambio de temperatura de la sustancia 17

UNMSM – FQIQ

2.4

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

Calor de Neutralización Un tipo de calor de reacción es el de neutralización de ácidos y bases. Cuando se usa soluciones diluidas de ácidos y bases fuertes, la única reacción que se produce es la formación de agua a partir de los iones H+ y OH-, de acuerdo a la ecuación: Na+OH-(ac) + H+Cl(ac)

H2O(l)

+

Na+ Cl-

(ac)

ΔH18 = -13,7 kcal/mol ΔH25 = -13,36 kcal/mol

Cuando alguno de los electrolitos no es fuerte y/o cuando se usan soluciones concentradas, este valor varía ya que intervienen los calores de ionización y de dilución. 3.0 MATERIALES Y REACTIVOS 3.1 Materiales.- Frasco termo con tapón de corcho y agitador, termómetro de 0 a 100°C, bureta, vasos, erlenmeyers, probetas de 100 y 250mL, pipetas. 3.2. Reactivos.- Solución de NaOH  0,2N, solución de HCL  0.8N, biftalato de potasio, fenolftaleína. 4.0 PROCEDIMIENTO 4.1

Capacidad Calorífica del Calorímetro a) Arme el equipo que se muestra en la Fig. 4 b) Coloque 150 mL de agua de caño en el termo y el mismo volumen de agua helada (entre 2 y 8°C) o agua tibia (entre 30 y 40°C) en la pera. c) Tome las temperaturas exactas de ambas aguas, e inmediatamente abra la llave de la pera y deje caer el agua helada, mida la temperatura cada 10 segundos, agitando constantemente, anote la temperatura cuando ésta tome un valor constante.

4.2

Calor de Neutralización de Solución  0,2N de NaOH con Solución  0,8N de HCl a) Determine las concentraciones exactas de ambas soluciones, valorando la base con biftalato de potasio y el ácido con la base. Calcule las concentraciones corregidas. b) Calcule los volúmenes de las soluciones de hidróxido y de ácido necesarios para producir la neutralización, tales que sumados de 300ml(use las concentraciones calculadas en a) 18

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

c) Secar por completo el frasco termo y colocar en éste, el volumen de base calculado, y en la pera el volumen de ácido. Mida las temperaturas exactas de ambas soluciones, deje caer el ácido sobre la base, y mida la temperatura como en 4.1. c). 5.0

CÁLCULOS 5.1

Determinación de las temperaturas de equilibrio Grafique temperatura versus tiempo con los datos obtenidos en 4,1 ( c ) y en 4,2 ( c ).

5.2

Capacidad Calorífica del Sistema a) Agua fría (termo) con agua helada (pera) La cantidad de calor ganada por el agua helada, debe ser igual a la cantidad de calor perdida por el agua fría, el frasco termo, agitador, termómetro y alrededores. Si C’ es la capacidad calorífica de todo el sistema que está perdiendo calor; m, Ce y Th la masa, calor específico y temperatura del agua helada; Tf y Te las temperaturas del agua fría y del equilibrio, aplicando el balance de calor se tendrá: m Ce (Te - Th) = C’ (Tf – Te)

(1)

b) Agua fría (termo) con agua tibia (pera) El sistema gana calor y el agua tibia lo pierde; aplicando el balance de calor: m Ce (Tc – Te) = C’ (Te– Tf)

(2)

c) La capacidad calorífica de todo el sistema incluyendo el agua helada o el agua tibia, estará dada por C: C = C’ + m Ce

5.3

(3)

Calor de Neutralización.Se puede calcular a partir de la ecuación:

Q 

C ( T T ) 2 1 n

Donde: 19

(4)

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

T2 : Temperatura de equilibrio T1 : Promedio de las temperaturas del ácido y la base n : # de moles de ácido o de base que intervienen en la reacción.

5.4

Calcule el porcentaje de error respecto a los valores teóricos de 5.3

Fig. 4: CALORÍMETRO F Fig. 1: Calorímetro

20

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

PRÁCTICA N° 3 PRESION DE VAPOR 1.0

OBJETIVO Determinar la presión de vapor de los líquidos a temperaturas mayores que la ambiental mediante el Método Estático, y luego calcular el calor molar de vaporización del líquido.

2.0

PRINCIPIOS TEÓRICOS 2.1 Presión de Vapor.Es la presión a la cual el líquido y el vapor se encuentran en equilibrio. Esta presión llamada también de saturación, es función de la temperatura e independiente de las cantidades relativas de líquido y de vapor presentes. Cada líquido tiene una presión de vapor característica a una temperatura dada; en el caso de mezclas de líquidos y soluciones, la presión de vapor depende de la naturaleza y las proporciones relativas de la sustancia en la solución a una temperatura dada. En la práctica sólo consideramos sistemas de un solo componente, en los cuales el líquido y el vapor tienen la misma composición y existe una presión para una temperatura fija. 2.2 Variación de la Presión de Vapor con la Temperatura.La presión de vapor de un líquido es directamente proporcional a la temperatura. Esta relación se observa mediante la ecuación de Clausius – Clapeyron:

H H dp V V   dT (Vg  V ) T T V l

(1)

Donde:

Hv

:

Entalpía ó calor de vaporización

Vl , Vg

:

Volúmenes de líquido y gas respectivamente (vapor saturado)

dp/dT

: Relación de la presión de vapor con la temperatura.

Si se asume que Vl es despreciable en comparación con Vg, que Vg = R T/P , y que H es constante, se tiene la siguiente ecuación:

21

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

H v dP = dT P RT 2

(2)

( H ) v  C RT

(3)

Integrando se tiene:

ln P  

Al plotear ln P vs 1/T, se obtiene una línea recta cuya pendiente es – (Hv / R), y a partir de ésta se halla HV . Para algunos líquidos, integrando entre los límites aproximados y asumiendo HV constante en el rango de temperatura de la experiencia, de la ecuación (2) se obtiene la segunda ecuación de Clausius - Clapeyron.  P  H  T  T  v  2 1 2.3 log 2   P R  T .T   1  2 1 

(4)

La presión de vapor también se puede expresar como una función de la temperatura mediante la ecuación

ln P = A/T + BT + CT2 + DT3 + ...

(5)

Los coeficientes A, B, C y D se ajustan para las unidades de presión. 2.3

Calor Latente de Vaporización (λv) .- Calor necesario para el cambio de estado de liquido a gas por cada gramo se sustancia, que se obtiene generalmente a 1 atm de presión. Para una mol se expresa como HV. Este calor se relaciona con el cambio de energía interna mediante:

 U = H -  (PV)

22

(6)

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

Donde a presiones moderadas el V es el volumen del vapor formado, ya que el volumen del líquido puede despreciarse, el volumen del vapor puede calcularse mediante la ley del gas ideal: n RT/P 3.0

MATERIALES Y REACTIVOS 3.1

Materiales.- Equipo para determinar presión de vapor por el método estático, consistente de un matraz con tapón bihoradado, termómetro, manómetro, llave de doble vía, cocinilla.

3.2 4.0

Reactivos.- Agua destilada.

PROCEDIMIENTO 4.1

Método Estático a) Instale el equipo de la Fig. 1 b) Llene el matraz con agua

destilada hasta 1/3 de su volumen total,

manteniendo la llave abierta al ambiente. La presión dentro del matraz, es igual a la atmosférica, por lo tanto el nivel de mercurio en cada rama del manómetro es el mismo. a) Caliente el agua hasta ebullición, la temperatura no debe exceder de 100°C. b) Retire inmediatamente la cocinilla para evitar sobrecalentamiento y paralelamente invierta la posición de la llave, de forma que el manómetro quede conectado con el balón. Inicialmente el nivel de mercurio en ambas ramas debe ser igual, de lo contrario nivele. c) A partir de 99°C anote las temperaturas y presiones manométricas hasta llegar a 80°C. Tome sus lecturas en intervalos de 1°C. Debido al enfriamiento en el matraz, el vapor empieza a condensarse, y crea un ligero vacío dentro de él, por lo tanto la columna conectada al balón sube en tanto que la abierta al ambiente baja. d) Terminado el experimento cierre la llave conectada al balón y déjela abierta al ambiente, de esta forma evitará que el mercurio pueda pasar al balón.

5.0

CÁLCULOS 23

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

a) Con los datos de presión de vapor y temperatura, construya una gráfica de log P vs 1/T. b) Calcule el calor molar de vaporización de la muestra, empleando la Ec. de Clausius-Clapeyron y los datos de la gráfica en a). c) Establezca una expresión matemática de variación de la presión de vapor con la temperatura.

24

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

PRÁCTICA N° 4 VISCOSIDAD Y DENSIDAD DE LÍQUIDOS 1.0

OBJETIVO Determinación experimental de la viscosidad y densidad de líquidos utilizando los métodos de Ostwald y del Picnómetro respectivamente.

2.0

PRINCIPIOS TEÓRICOS 2.1 Viscosidad.a) La viscosidad puede expresarse como: - Viscosidad absoluta ().- Fuerza por unidad de área necesaria para mantener un gradiente de velocidad entre dos planos separados por una distancia unitaria. Se expresa en poises: g cm-1 s-1 .

=



(1)

dv dx

- Viscosidad Cinemática (D).- es la viscosidad absoluta dividida entre la densidad del líquido. Se expresa en stokes: cm2 s-1. D = / 

(2)

- Fluidez ().- Se define como la inversa de la viscosidad

absoluta. Se

expresa en rhes: cm.s. g-1.  = 1/

(3)

- Viscosidad Relativa (rel).- Se define como la relación entre la viscosidad de una sustancia y un líquido de referencia. No tiene unidades.

rel =  sust./ ref. b) La dependencia entre la  de una sustancia pura y la T(K),

(4) obedece a una

ecuación de la forma siguiente: Log  = A/T + B

c) Medición de Viscosidad.- Existen muchos métodos para

(5) determinar la

viscosidad de los líquidos, entre ellos se encuentra el del Viscosímetro Stormer. Este aparato mide el tiempo o número de revoluciones de una hélice o rotor 25

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

introducido en la muestra y cuyo giro se impulsa mediante pesas variables. Para convertir la viscosidad de la muestra desde segundos por 100 revoluciones a viscosidad absoluta y reportar el valor en centipoises, se usa la siguiente expresión:  = K m (t–a)

(5)

Donde: 

: viscosidad absoluta expresada en centipoises

K

: factor constante del instrumento

m

: masa impulsora en g

t

: tiempo en segundos, para 100 revoluciones.

a

: factor de tiempo para la corrección mecánica del aparato.

Al trazar una gráfica de  /m vs t, se determinan las constantes K y a del aparato.

2.2 Densidad.a) Para los líquidos se puede definir los siguientes conceptos: -

Densidad Absoluta.- Se define como la masa por unidad de volumen de una sustancia. Depende de la temperatura y presión, para los líquidos y sólidos la temperatura se indica como un exponente: t.

-

Densidad Relativa o Gravedad Específica.- Se denomina así a la relación existente entre las densidades absolutas o las masas específicas de las sustancias, una de las cuales se toma como patrón. También se llama así a la relación entre las masas de volúmenes iguales de una sustancia y la sustancia patrón. Para los sólidos y líquidos se toma como sustancia patrón el agua pura a 4ºC.

26

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

b) Determinación de la Densidad de Líquidos.- El método más exacto para determinar las densidades de líquidos y sólidos es el del picnómetro, el cual consiste en pesar el mismo volumen de muestra y líquido de referencia (generalmente agua); para los sólidos el procedimiento se modificará incluyéndose pesadas del sólido y del sólido decantado con agua. Para lograr resultados mejores se deberá realizar una corrección de pesos. 3.0

MATERIALES Y REACTIVOS 3.1 Materiales.- Viscosímetro de Stormer, (ASTM-D-856, tomo 29) con pesas de 25 a 500 g, vaso de 250 mL, termómetro, cronómetro, picnómetro, cocinilla, vaso de 100 mL. 3.2 Reactivos.- Muestra: Muestra patrón de glicerina, solución problema de glicerina, agua desionizada.

4.0

PROCEDIMIENTO 4.1 Medición de la Viscosidad de Líquidos con el Viscosímetro Stormer. a) Compruebe que el viscosímetro se encuentre en una posición horizontal fija sobre una mesa o estante. b) Llene en un vaso seco  200 mL de la muestra patrón (glicerina pura) y llévela a 25ºC, coloque el vaso en el soporte del equipo y fíjelo a una altura tal que la muestra llegue a la marca de la hélice, la cual debe quedar en el centro del vaso de tal manera que no roce ni con la base ni con las paredes del vaso. c) Coloque las pesas necesarias en el porta pesas, para obtener las revoluciones en un tiempo determinado, en este caso 100 g (incluyendo el peso del porta pesas). d) Con el cronómetro en la mano, libere el freno y simultáneamente observe el movimiento del puntero y mida el tiempo necesario para completar 100 revoluciones. Repita este procedimiento 3 veces más, a fin de tener un promedio de 4 tiempos. e) Repita c) y d) para otros 3 juegos de pesas equivalentes a 125, 150, y 175 g. f) Repita b), c) y d) para la solución problema, en este caso sólo requiere un juego de pesas, el cual debe elegir a fin de obtener una lectura de tiempo adecuada. 27

UNMSM – FQIQ

4.2

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

Determinación de la densidad de la glicerina mediante el

método del

Picnómetro. a) Lave el picnómetro con solución sulfocrómica o detergente, enjuague con agua de caño y agua destilada y seque en la estufa. b) Deje enfriar el picnómetro. Humedeciéndolo previamente con un papel de filtro húmedo y secándolo con papel seco, pese el picnómetro (W1). c) Llene cuidadosamente el picnómetro hasta el capilar con agua desionizada y sumérjalo en un baño de agua a 25°C, después de 5 minutos retire el picnómetro del baño, séquelo exteriormente y péselo (W2). d) Retire el agua del picnómetro, séquelo en la estufa, deje enfriar y vuelva a pesar como en b) (W3). e) Repita c) usando glicerina pura en lugar de agua (W4). 5.0

CÁLCULOS a) Con los datos teóricos de la , en cp, de la muestra patrón trace una gráfica de



/ m vs t, determine las constantes K y a. b) Usando la Ec. (5) determine la  de la solución problema. c) Con los datos obtenidos mediante el método del picnómetro, calcule la densidad de la glicerina, haciendo uso de las siguientes ecuaciones (7) y (8):

W W T 4 3 Ge 1  T W W 1 2 1

T

T

 T   1  T  agua

 1  Ge41  GeT1

(7)

(8)

1   4  

 Tx A = _

agua

 To A

1  (To _ Tx )

d) Determine los % de error. 28

(9)

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

29

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

PRÁCTICA Nº 5 TENSIÓN SUPERFICIAL 1.0

OBJETIVOS Estudiar la determinación de la Tensión Superficial de los líquidos y su variación con la temperatura.

2.0

PRINCIPIOS TEÓRICOS 2.1 Definición.- La tensión superficial () es una manifestación de las fuerzas atractivas que mantienen unidas a las moléculas de un líquido o sólido. La superficie o intersuperficie en la que existe la tensión, se encuentra entre el líquido y su vapor saturado en el aire, por lo general a la presión atmosférica. En líquidos no miscibles existe, además, lo que se conoce como la tensión interfacial. 2.2

Método de la elevación capilar.- Cuando el extremo de un tubo capilar se sumerge verticalmente en un líquido, una película de éste asciende por la pared del capilar, siendo la superficie libre del líquido en el capilar de forma cóncava. La causa de la elevación del líquido en el capilar puede explicarse por la diferencia de presión a través del menisco o por la tendencia del líquido a presentar la menor área superficial posible. Un líquido se mantiene arriba del capilar por la acción de la tensión superficial que es una fuerza ascendente igual a: F1 = 2  r  cos 

(1)

la fuerza descendente debida a la gravedad que actúa sobre el líquido en el capilar por encima de la superficie exterior es: F2 =  r2  h g

(2)

Donde: = Densidad del líquido

 =Tensión Superficial (dina/g)

g= Gravedad

r =Radio del capilar

h= Altura del líquido en el capilar.

30

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

Cuando se alcanza el equilibrio, la fuerza ascendente y la descendente se igualan, por lo tanto de (1) y (2):

 = h  g r / 2 cos 

(3)

Y para  muy pequeño, cos  = 1, obteniéndose:

 =h g r/2 2.3

(4)

Tensión Superficial de Soluciones.- El comportamiento de la Tensión Superficial de las soluciones con respecto a la concentración, se puede expresar mediante las siguientes gráficas:

Fig.1: Variación de la  con la concentración.

- La curva I muestra el comportamiento de los electrolitos fuertes . En estas soluciones la adición del soluto implica un aumento relativamente pequeño de la tensión superficial. - La curva II demuestra el comportamiento de los electrolitos débiles o no electrolitos en el agua. La adición del soluto a las soluciones implica una ligera disminución de la tensión superficial. - La curva III representa el comportamiento de las soluciones acuosas de jabón, ácidos sulfónicos, sulfonatos, y otros tipos de compuestos orgánicos. A estos compuestos se les llama agentes activos superficiales, ya que tienen la capacidad de disminuir la tensión del agua a valores muy bajos, aún a concentraciones muy pequeñas. 31

UNMSM – FQIQ

2.4

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

Tensión Superficial como una función de la Temperatura. La relación entre la temperatura t, y la tensión superficial de un líquido normal o no asociado está representada con toda exactitud por la Ec. de RamsayShield-Eötvos:

 (M/) 2/3

= 2,12 (tc - 6°- t)

(5)

donde:

= Densidad M= Peso molecular

tc = Temperatura crítica (M/)2/3 =Energía superficial libre molar. 2.5

Tensión Superficial relativa.- Para determinar la tensión superficial, usando un líquido de referencia, la Ec. (4) se puede expresar en la forma:

 1 h1 1 =  2 h2  2 3.0

(6)

MATERIALES Y REACTIVOS 3.1

Materiales.- Aparato para medir la tensión superficial por el método del ascenso capilar, termómetro, bombilla de jebe, probeta, vasos.

3.2

4.0

Reactivos.- Agua desionizada, líquido orgánico.

PROCEDIMIENTO 4.1

Líquido de referencia.a)

Lave cuidadosamente el capilar y el recipiente para la muestra con detergente, enjuague varias veces con agua de caño y al final con agua desionizada, finalmente séquelos en la estufa.

b) Instale el equipo experimental. (Fig. 1) c) Llene el recipiente con agua desionizada hasta un volumen adecuado de forma que el capilar quede sumergido 1cm. dentro del líquido, mida el volumen usado. Coloque la escala de lectura y el termómetro. 32

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

d) Coloque el recipiente dentro de un baño de temperatura a T1 (°C). Sin retirar del baño, usando la bombilla de jebe, eleve la altura del líquido dentro del capilar, retire la bombilla, anote la altura, y repita el procedimiento hasta obtener h constante; anote esta altura. Repita el procedimiento a T2 y T3. e) Retire el agua, luego seque el capilar y el recipiente en la estufa. 4.2

Muestras Líquidas y/o Soluciones.a) Repita todo el procedimiento 4.1 para el líquido orgánico, a las temperaturas de trabajo.

5.0

CÁLCULOS a) Mediante la Ec. (6), calcule la tensión superficial experimental de las muestras usando los datos teóricos de γ y ρ el agua. b) Con los datos teóricos del líquido de referencia, aplicando la Ec (4), calcule el radio del capilar. c) Plotee (M/)2/3 vs. (tc- 6°- t) para el líquido orgánico Compare la pendiente de la recta con la constante de Eötvos. Interprete

PRÁCTICA N° 6 DETERMINACIÓN CRIOSCÓPICA DEL PESO MOLECULAR 1.0

OBJETIVO 33

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

Determinar el peso molecular de un soluto disuelto en un solvente mediante el método crioscópico o del descenso del punto de congelación. 2.0

PRINCIPIOS TEÓRICOS El punto de congelación de un solvente disminuye cuando una sustancia se disuelve en él, esta disminución es proporcional a la concentración molal de la sustancia disuelta, según la ecuación: ΔT = Kf m

(1)

Donde la concentración molal (m) está dada por la expresión:

m=

1000 W2 W1 M

(2)

Teniendo en cuenta las ecuaciones (1) y (2), es posible calcular el peso molecular del soluto cuando un peso conocido de éste se disuelve en un peso conocido de solvente, mediante la siguiente ecuación:

M=

1000 K f W2

(3)

W1 T

Donde: M = Peso molecular del soluto.

K f = Cte. crioscópica

W1 = Peso en g del solvente.

W2 = Peso en g del soluto

T = Descenso del punto de congelación. La constante crioscópica Kf, depende de las características del solvente y se calcula utilizando la siguiente ecuación:

R M s T f2 Kf = 1000 H f Donde: Ms : Peso molecular del solvente. R : constante universal de los gases Tf : Temperatura de fusión del solvente en grados absolutos. ΔHf : Entalpía molar de fusión del solvente. 34

(4)

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

TABLA N° 1 SOLVENTE

PUNTO DE CONGE-

K (K.kg Solv.Mol-1)

LACION (°C)

CALOR LATENTE DE FUSION (cal/g)

AGUA

0,0

1,86

79,1

ACIDO ACÉTICO

16,7

3,90

43,1

BENCENO

5,5

5,00

30,1

NITROBENCENO

6,0

7,00

22,3

BENZOFENONA

48,1

9,80

23,7

AZOBENCENO

89.0

8,30

27,9

3.0

MATERIALES Y REACTIVOS 3.1

Aparatos.- Aparato crioscópico de Beckmann, termómetro, pipetas volumétricas de 5 y 25 mL, vasos.

3.2

Reactivos.- Solvente: agua, soluto: compuesto orgánico, sal común (traer ½ kg por grupo)

4.0

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1

Determinación del Peso molecular de un soluto en solución. a) Calibre el termómetro Beckmann a una escala de temperatura adecuada, de acuerdo al punto de congelación del solvente, utilizando para ello un baño de temperatura adecuada. b) Arme el equipo de la figura 1 con los tubos A y C limpios y secos. c) Vierta 25 mL del solvente en el tubo A y coloque el termómetro Beckmann calibrado y un agitador. El solvente debe cubrir totalmente el bulbo del termómetro. d) Coloque el tubo A dentro del tubo C (chaqueta de aire). e) Sumerja todo este conjunto en el baño de enfriamiento que debe encontrarse a una temperatura 8° menor que la temperatura de cristalización del solvente. Observe el descenso del Hg en el termómetro.

35

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

f) Cuando la temperatura esté próxima a la de congelación, lea la temperatura cada 30 segundos, hasta obtener varios valores constantes, que corresponden al punto de congelación del solvente puro. g) Retire la chaqueta de aire y funda el solvente, mediante calentamiento con las manos. h) Pese de 0,4 a 0,8 g de soluto y agregue al tubo A, utilizando el lado B. i) Agite el solvente hasta disolver completamente el soluto y luego coloque el tubo A en la chaqueta de aire. j) Determine el punto de congelación de la solución, repitiendo e) y f). Tenga presente que la solución no congela a temperatura constante. k) Al terminar el experimento retire cuidadosamente el termómetro Beckmann de la solución, y deje el equipo completamente limpio. 4.2

Normas para la Calibración del Termómetro Beckmann a)

Sumerja un termómetro de grados en un vaso con agua, luego agregue trozos de hielo hasta obtener una temperatura cercana a la de congelación del solvente a usar.

b) Sumerja el termómetro Beckman en el baño y calíbrelo para dicha temperatura. c)

Si hay poco mercurio en el bulbo invierta el termómetro hasta que la columna de mercurio entre en contacto con el extremo superior, luego voltee el termómetro suavemente y sumerja en el vaso con agua. Repita la operación hasta añadir al bulbo suficiente mercurio.

d) Si la columna de mercurio está alta, caliente el bulbo con la mano y haga pasar el mercurio gota a gota hasta el reservorio teniendo en cuenta la equivalencia entre una gota y un grado. e)

Calibre el termómetro a una temperatura adecuada en la escala Beckmann (Punto de congelación del solvente).

f)

Al introducir el termómetro ya calibrado en el interior del tubo con muestra, ésta debe estar a baja temperatura, para evitar que el termómetro se descalibre.

5.0

CÁLCULOS 36

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

a) Grafique en papel milimetrado los datos de temperatura en función del tiempo para el soluto y la solución, estas serán las curvas de enfriamiento. b) De los gráficos anteriores, determine los puntos de congelación del solvente (T1y la solución T2, y el T correspondiente. c) Calcule el peso molecular del soluto disuelto usando la Ec. (3). d) Calcule el % de error de este valor con respecto al valor teórico.

37

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

PRÁCTICA No 7 REFRACTOMETRÍA 1.0

OBJETIVO Determinar el índice de refracción de diversas sustancias.

2.0

PRINCIPIOS TEÓRICOS 2.1

Refracción de la Luz.- Es el cambio de dirección que experimentan los rayos luminosos al pasar de un medio (1) a otro medio (2), de densidad diferente. El ángulo formado por el rayo incidente (I) y la normal (N) al límite de ambos medios (L) se conoce como ángulo de incidencia (i). Cuando este ángulo es igual a 90ºC, se produce reflexión total. Cuando el rayo incidente se refracta, el rayo refractado (R ) forma un ángulo de refracción (r) con la normal, tal como se observa en la figura 1. I

N

i

L

1 2

R r

Figura 1

2.2

Índice de Refracción Absoluto.- Es el cuociente entre la velocidad de la luz cuando el primer medio es el vacío con respecto a la velocidad de la luz en un medio determinado.

2.3

Ley de Snell.- Relaciona los ángulos de incidencia (i) y de refracción (r):

n1 Sen i = n2 Sen r

(1)

donde: n1 y n2 son los índices de refracción absolutos de los medios que atraviesa la luz. 38

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

Si el medio 1 es el vacío, siendo entonces n1= 1 y 2 es el medio cuyo índice de refracción se desea medir:

n2 abs = Sen i/ Sen r 2.4

Refracción Específica.- Lorentz y Lorentz definieron este valor para líquidos puros, siendo utilizado como criterio de pureza. Está dada por:

n  _1 r= n2 + 2

2.5

(2)

×

1 d

(3)

Donde d es la densidad de la sustancia. Refracción Molar.- Es una propiedad aditiva y constitutiva, producto de la refracción específica por el peso molecular.

n 2 _1 M R= × n2 + 2 d

(4)

2.6 Índice de refracción de Mezclas.- Si 0 es la mezcla y 1 y 2, los componentes, y P es el % en peso:

_ 100(no _ 1) P1 (n1 _ 1) (100 P1 ) (n 2 _ 1) = + do d1 d2 2.7

(5)

Refracción Molar de Mezclas.- Experimentalmente está dada por:

_ no2 _ 1 x1M 1 + (1 x1 ) M 2 R exp = × 2 do n +2 o

Siendo x1 = fracción molar del componente más volátil. Cuando se emplea la propiedad aditiva: 39

(6)

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

n12 _ 1 M 1 R add = x1 × + (1 _ x1 ) n12 + 2 d1 3.0

n 22 _1 M 2 × n 22 + 2 d 2

(7)

MATERIALES Y REACTIVOS 3.1

Materiales.- Refractómetro de Abbe, pipetas graduadas de 1, 2 y 5 mL, tubos con tapón de corcho, algodón.

3.2 4.0

Reactivos.- n-propanol (A), agua deionizada (B), soluciones de sacarosa.

PROCEDIMIENTO 4.1

Medida del Índice de Refracción de soluciones de líquidos orgánicos.a) Prepare 3 mL de soluciones que contengan 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80 y 100% en volumen de A en B. Mida la temperatura de los componentes puros. b) Mida el índice de refracción de cada una de las mezclas preparadas en (a).

4.2

Medida del índice de refracción de soluciones de sacarosa en agua a) Prepare 10 mL de solución acuosa de sacarosa al 10 y 20% en peso. b) Mida los índices de refracción y los % de sacarosa de las soluciones preparadas. b) Mida la temperatura de las soluciones.

5.0

CÁLCULOS a) Calcule el % en peso teórico de A en cada mezcla, a partir de los volúmenes de cada componente b) Calcule la fracción molar del componente más volátil en cada mezcla. c) Usando la ecuación (5), determine el % en peso experimental de A en cada mezcla. d) Trace una gráfica de índice de refracción de las mezclas en función de la fracción molar del componente más volátil e) Determine las refracciones experimentales de las mezclas usando la ecuación (6) f) Utilizando la ecuación (7), calcule las refracciones molares teóricas de las mezclas.

40

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

PRÁCTICA No 8 DIAGRAMA DE SOLUBILIDAD 1.0

OBJETIVO Determinar el diagrama de solubilidad en un sistema líquido de tres componentes.

2.0

PRINCIPIOS TEÓRICOS 2.1

Solubilidad.- Es la capacidad de 2 ó más sustancias para formar espontáneamente y sin reacción química, una dispersión homogénea, molecular o coloidal.

2.2

Sistemas de 3 Componentes.- Las relaciones de solubilidad de un sistema de 3 componentes, se representan fácilmente en un diagrama de triángulo equilátero, ya que en él se puede plotear el % de cada componente en la misma escala, correspondiendo cada vértice del triángulo a los componentes puros, y cada lado a un sistema de dos componentes, a temperatura y presión constantes. a) Curva de Solubilidad.- La figura 1, representa los límites de solubilidad para un sistema de tres componentes, en el que dos de ellos son totalmente miscibles en un 3º, en tanto que entre si solo son parcialmente miscibles. Para establecer un punto (figura 2), se traza desde el punto de composición del componente A, a , una línea paralela al lado BC, desde el punto b, una paralela al lado AC y desde el punto c, una paralela a AB, la intersección de las 3 rectas dará el punto d, que representará a la muestra ternaria. La curva S, determina los límites de solubilidad del sistema, una mezcla cualquiera bajo el área de la curva formará dos fases líquidas.

100 % A 41

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

%C

%A S P

FIGUR

d a 100% B

c b 100% C

%B FIGURA 2

FIGURA 1

CH3COOH

% CH3COOH

% C4H9OH

N H2O

M

C4H9OH % H2O FIGURA 3

b) Línea de Reparto.- Representada por MN, es la línea que une dos soluciones ternarias inmiscibles, llamadas soluciones conjugadas.

42

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

c) Punto de Doblez o Punto Crítico.- Es el punto en el que las soluciones conjugadas tienen la misma composición y las dos capas se vuelven una sola. (Pto. P, Fig. 1).

3.0

MATERIALES Y REACTIVOS 3.1

Materiales.- Erlenmeyers de 125 mL con tapón, erlenmeyers de 100 mL con tapón, buretas de 25 mL, vasos de 100 mL, pera de decantación, tubos medianos con tapón, pipetas de 1, 5, y 10 mL, gradilla.

3.2 4.0

Reactivos.- n-butanol, ácido acético, solución de NaOH  1 N, fenolftaleína.

PROCEDIMIENTO 4.1

Determinación de la Curva de Solubilidad a) Lave y seque en la estufa todo el material de vidrio. b) En erlenmeyers de 125 mL, prepare 10 mL de soluciones que contengan 10, 15, 20 y 25%

en volumen de ácido acético en agua. Mida la

temperatura de cada componente puro c) Titule dichas soluciones con n-butanol, agitando constantemente, después de cada agregado, hasta la primera aparición de turbidez. Mantenga tapados los erlenmeyers durante la valoración. d) De la misma forma, prepare 10 mL de soluciones que contengan 10, 20, 30 y 40% en volumen de ácido acético en n-butanol y titúlelas con agua destilada, hasta la primera aparición de turbidez. 4.2

Valoración de Solución de NaOH  1N.- Para determinar el título de la base con ácido acético, pese 1 erlenmeyer de 100 mL (con tapón y seco), mida 1 mL de ácido acético, tape, pese nuevamente con exactitud. Titule el ácido con la solución de NaOH  1N, usando indicador de fenolftaleína.

4.3

Determinación de la Línea de Reparto a) En la pera de decantación seca, prepare 20 mL de una mezcla que contenga exactamente 10% de ácido acético, 45% de n-butanol y 45% en volumen de agua.

43

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

b) Agite bien la mezcla durante 2 minutos, luego separe cada una de las fases en un tubo con tapón, desechando las primeras gotas y la interfase. Denomine A a la fase acuosa (inferior) y O a la fase orgánica (superior) c) Pese un erlenmeyer de 100 mL, limpio y seco con tapón y mida en él, 5 mL de una de las fases, tape rápidamente y vuelva a pesar. Empleando como indicador la fenolftaleína, valore dicha muestra con la solución de NaOH 1N , hasta coloración grosella. d) Repita (c ) con la otra fase. 5.0

CÁLCULOS a) Con los datos de 4.1, calcule los % en peso de cada componente en cada una de las mezclas, usando para ello las densidades de los componentes a la temperatura de trabajo. b) Represente en un diagrama triangular los resultados de (a) y trace la curva de solubilidad. c) Determine el Título de la soda en g de HAc/mL de NaOH. d) Para trazar la línea de reparto, represente en el diagrama, los % en peso de cada componente, en la mezcla preparada en 4.3 (a), este punto determina la composición global de la mezcla. e) Con los datos de 4.3 c) y d), calcule los % en peso de ácido acético en cada una de las fases. Represente el % de ácido acético en la fase acuosa en el lado del agua de la curva y proceda de la misma forma para la fase orgánica. Una con una recta los dos puntos de forma que pase por la composición global de la mezcla. f) Analice del gráfico, la curva de solubilidad, y la línea de reparto, e indique el significado de cada una de ellas en el comportamiento del sistema estudiado.

44

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

CUESTIONARIOS PRÁCTICA NO 1: GASES

1.-

En que consiste el método de Regnault para la determinación de los pesos moleculares de las sustancias gaseosas.

2.-

Describa por lo menos dos métodos experimentales para la determinación de pesos moleculares de gases.

3.-

Indique las características principales de una isoterma para gases reales. PRÁCTICA NO 2: TERMOQUÍMICA

1.-

¿Cuáles son las reglas que se deducen de la ley de Hess? Dar ejemplos.

2.-

Establezca la relación entre ΔH y ΔU para una reacción en fase gaseosa, y determine el ΔH y ΔU para la obtención del amoniaco a partir de sus elementos en fase gaseosa.

3.-

Indique el procedimiento a seguir para determinar el ΔH de una reacción a temperaturas diferentes de la estándar. PRÁCTICA NO 3: PRESIÓN DE VAPOR

1.-

Analice la relación que existe entre los valores del calor molar de vaporización y la naturaleza de la sustancias.

2.-

Explique la relación entre el punto de ebullición de un líquido y su presión de vapor.

3.-

Defina: vapor saturado, punto de ebullición, punto de ebullición normal. PRÁCTICA NO 4: VISCOSIDAD

1.-

¿En qué procesos industriales es importante la medición de la viscosidad de líquidos?

2.-

Explique el uso de nomogramas para estimar la viscosidad de una sustancia.

3.-

Indique otros métodos experimentales para la determinación de la viscosidad de líquidos, dando una breve explicación. 45

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

PRÁCTICA NO 5 : TENSIÓN SUPERFICIAL

1.-

Explique por lo menos dos métodos experimentales para la determinación de la tensión superficial de líquidos.

2.-

Explique las características de los líquidos asociados y no asociados.

3.-

Explique la acción de las sustancias tensoactivos en el proceso de limpieza. PRÁCTICA NO 6: CRIOSCOPÍA

1.-

Defina el concepto general de una propiedad coligativa.

2.-

Explique la diferencia de las propiedades coligativas entre soluciones de electroliticas y no electroliticas.

3.-

¿Qué limitaciones tiene el método crioscópico en la determinación de pesos moleculares.

. PRÁCTICA NO 7: REFRACTOMETRÍA

1.-

¿Cuáles son los tipos de refractómetros?. Describa en forma breve el refractómetro Abbe (partes esenciales, escalas, tipo de luz, etc).

2.-

¿Cuál es el efecto de la variación de la temperatura y de la presión en la refracción específica y en la refracción molar de los líquidos?

3.-

Importancia del uso del refractómetro en la industria alimenticia. PRÁCTICA NO 8: DIAGRAMA DE SOLUBILIDAD

1.-

Indicar las ventajas y desventajas que ofrece el diagrama de Roozeboom.

2.-

Describa 3 procesos químicos a nivel industrial, donde tiene aplicación los criterios del diagrama de solubilidad.

3.-

Explique la regla de Tarasenkov. BIBLIOGRAFÍA

46

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

-

Alberty R., Daniels F., “Fisicoquímica ”, versión SI, 1ra ed, Cia Ed. Continental, México, 1984.

-

Atkins P.W., “ Fisicoquímica”, 2da ed., Ed. Addison Wesley, Iberoamerican, México, 1988

-

Barrow G., “Química Física”, Tomos I y II, 3ra ed., Ed. Reverté, Barcelona, 1975

-

Castellan G., “Fisicoquímica “, 1ra ed, Fondo Educativo Interamericano, México, 1978.

-

CRC, “ Handbook of Chemistry and Physics”, 54 th ed., Ed CRC Press., 1975.

-

Crockford H., Nowell J., “Manual de Laboratorio de Química Física”, 1ra ed., Ed. Alhambra, Madrid, 1961.

-

Maron S., Landó J., “Fisicoquímica Fundamental”, 1ra ed., Ed. Limusa, México, 1978.

-

Norbert Adolph Lange “ Handbook of Chemistry”, Ed. Mc Graw Hill, Cleveland.

-

Palmer W.G., “Química Física Experimental”, Ed. Eudeba, Buenos Aires, 1966.

-

Reid R., Sherwood T., “Propiedades de los Gases y Líquidos”, 1ra ed., Ed. UTEHA, México.

-

Shoemaker D., Garland F., “Experimentos de Fisicoquímica “, 1ra ed., Ed. UTEHA, México.

-

Hobart H. Willard, “ Métodos Instrumentales “, Cuarta ed., Edit. Continental S.A., 1971.

-

Pons Muzzo, Gastón, “ Fisico-quimica “, Primera ed., Edit. Universo S.A. 1969

-

Lange, “Handboof of Chemistry”, Ed. Mc Graw Hill.

-

CRC. “Handbook of Chemistry and Physics”

47

UNMSM – FQIQ

DPTO. ACAD. DE FISICOQUÍMICA

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA HOJA DE DATOS PRÁCTICA: RESPONSABLE: FECHA: GRUPO:

Nº: P (mm Hg): T (ºC) %HR: DATOS EXPERIMENTALES

-----------------------------Vº Bº PROFESOR

48