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DENSIDAD E INDICE DE REFRACCION DE SISTEMAS BINARIOS LIQUIDOS A DIFERENTES TEMPERATURAS QUISPE BAUTISTA WILMER

Fisicoquímica Ingº. PEREZ CHAUCA, Fernando AYACHUCHO – PERÚ

2009

 

Determinar las densidades de las mezclas de sistemas binarios por picnometría a diferentes temperaturas Determinar los índices de refracción de mezclas de sistemas binarios de líquidos a diferentes temperaturas.

     

Construir graficas patrón de densidad versus composición a diferentes temperaturas Construir graficas patrón de índice de refracción versus composición a diferentes temperaturas Determinar la composición de la muestra problema conociendo su índice de refracción Calcular los volúmenes de cada solvente empleado para preparara la muestra problema Calcular la refractividad molecular de los solventes puros con la ecuación de Lorentz-lorentz Calcular el índice de refracción de las mezclas y comprarlas con las experimentales

II. RESUMEN DE LA REVISION BIBLIOGRAFICA El ojo humano es sensible a la radiación electromagnética (luz) con la longitud de onda en el rango 4000-7500 pero no hay limite ni superior ni inferior para los valores de longitud de onda y de frecuencias de una onda electromagnética . La luz se refracta al pasar de un medio a otro ,la luz siempre se propaga mas lentamente en un medio material que en el vació un rayo de luz que pasa del aire al agua cambia bruscamente de dirección en la superficie la figura N º 1.2. Normal

normal

Angulo De refracción

Aire Agua

vidrio aire Angulo

Ángulo de

De incidencia incidencia

Nótese que losa rayos pasan el agua al aire en un caso y del aire al vidrio en otro caso. La trayectoria de la luz mostrada es reversible. los dos ángulos importantes son el Angulo de incidencia y de refracción que se miden entre los rayos luminosos y la normal .cuando la luz pasa del vidrio o del agua hacia el aire , se desvía alejándose de la normal , debido al fenómeno de refracción por ello el agua parece tener menos profundidad que la verdadera,. Todas las frecuencias de l radiación electromagnética viajan a la misma velocidad c = 3 x 10 10 cm. / seg. en el vació. Sea CB la velocidad de la luz en la sustancia B depende de la naturaleza de la luz. La relación c /CB para una frecuencia dada de luz es el índice de refracción de la sustancia B para esa frecuencia. nB =

C

CB Los químicos orgánicos usan el índice de refracción como una propiedad conveniente medida para ayudar a caracterizar un líquido. Cuando un haz luminoso pasa oblicuamente de una sustancia a otra, se tuerce o refracta debido a la diferencia de velocidades en las dos sustancias.l cantidad de refracción depende de la relación de velocidades de la luz en las dos sustancias y por tanto de los índices de refracción de las sustancias . El índice de refracción es la relación de dos velocidades. Esta demostrando que la velocidad de la luz en el aire es alrededor de 1.3 veces mayor que el agua. A esta relación se llama índice de refracción del agua comparado con el aire. Se puede medir el índice de refracción entre dos sustancias transparentes. n = velocidad de la luz en el vació Velocidad de la luz en la muestra

= C Vm

La velocidad de la luz en el aire es aproximadamente 0.03% menor que l velocidad en el vació y como algunos datos especialmente para gases, el índice de refracción es referido al aire y no al vació la relación entre ellos es: nvacio = 1.00027 n aire La velocidad de la luz en el aire es casi tan grande como la velocidad de la luz en el vació .por lo tanto, se puede atribuir que el índice de refracción es prácticamente n = velocidad de la luz del aire = Velocidad de la luz en la muestra

Va Vm

REFRACTOMETRIA: Es un método experimental que permite la distinción de diferentes sustancias y teniendo en cuenta su índice de refracción a una determinada temperatura y con luz de determinada longitud de onda. Para los trabajos analíticos todos los índices de refracción deben ser medidos a una misma temperatura y con luz de la misma longitud de onda. En la práctica la temperatura usual es de 25ºC y la longitud de onda es de 5890 ºA, correspondiente a la línea D del sodio. Refractividad o refracción molecular (R M).Se determina con la ecuación de Lorentz-Lorentz:

RM =

n2 –1 n2 +2

M p

Donde: RM : es la refractividad o refracción molecular en m 3 /Kmol n: es el índice de refracción para los rayos de la luz visible M: es el peso molecular de la sustancia P: es la densidad de la sustancia a la temperatura de medición de índice de refracción. Índice de refracción de mezclas (n m) En el caso de soluci0nes ,cuto comportamiento es aproximado por las soluciones reales diluidas , es posible calcular el índice de refracción de la solución a partir d los índices de refracción y del os volúmenes de cada componente ambos a determinada temperatura , con la ecuación .

nm

=

n 1V1 + n 2 V 2

V1 +V2 III. MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS. a) Materiales:  2 termómetros  2 buretas de 25 ml  2 soportes universales  2 embudos pequeños  2 beakers de 50ml  10 fiolas de 50ml  04 fiolas de 25ml  01 balanza analítica  03 picnómetros de 5ml  02 pisetas  08 micro pipetas. b) Equipos:  2 refractómetros de Abbe, nomo binoculares provistos de termómetro  2 termostatos de temperatura regulable c) Reactivos:  02 líquidos con índice de refracción y densidades diferentes no menor de orden de 0.04  Papel tisu para lentes, franela fina.

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1. Preparación de muestra Se prepara las muestras con volúmenes especificados en la tabla Nº 2.1 medidos a una determinada temperatura ambiente al a cual se le conoce la densidad de los componentes puros. 4.2. Medición del índice de refracción y de las densidades de las 8 muestras a la temperatura 1. a)

Manejo del refractómetro de Abbe

- Conecte las terminales de la chaqueta de los prismas del refractómetro al baño termostatito. - Verifique La instalación del termómetro en el refractómetro. b) Colocación de la Muestra - No tocar los prismas con la pipeta gotero o con sus dedos - Asegúrese de que los prismas estén limpios y secos. - Colocar uno o dos gotas de muestra sobre el prisma inferior con una pipeta o gotero. - Rote el prisma superior y ajuste la posición. Haga esta operación rápidamente para evitar la perdida excesiva de muestra por evaporación. c)

Lectura del índice de refracción

- Usar una bombilla de sodio de 25-100 watts si esta disponible. - Ajustar el espejo para logras la máxima iluminación del ampo. - Ajustar el área observada de tal manera que se tenga una precisa imagen de la cruz formada por los filamentos .girar el manubrio hasta que la línea de división entre el campo oscuro y claro coincida con la intersección filamentosas cruzados. - Limpiar los prismas después de cada uso - Leer el índice de refracción.

V. DATOS EXPERIMENTALES, BIBLIOGRAFICOS, CALCULOS, RESULTADOS Y/O GRAFICOS 5.1 Con Los Datos De Las Tablas Nº1 Y 2.1 Efectuar Los Siguientes Cálculos: Tabla nº1: Datos bibliográficos de los componentes COMPONENTE formula Isopropanol isobutanol

PM: g/mol C3H8O 60.1 C4H10O 74.12

% de pureza 99.9 99

ρ : g/ml 20ºC 0.785 0.80

ηD 1.378 1.396

TABLA Nº 2.1 Datos experimentales de la preparación de muestras, índice de refracción y cálculos de densidad de cada muestra problema “8” Muestra

volumen (ml)

nD º

Wp g

Wp+w1 g

Wp+m1 g

ρ ml/g

Isopropanol isobutanol 50 0 40 10 35 15 25 25 15 35 10 40 0 50

1 2 3 4 5 6 7 “8” Temperatura 20ºC

1,3710 1,3753 1,3774 1,3822 1,3857 1,3899 1,3942 1.3809

14.1341 14.1341 14.1341 14.1341 9.1313 9.1313 9.1313

24.258 24.258 24.258 24.258 19.459 19.459 19.459

22.1113 22,1382 22.1586 22.2454 17.3859 17.4020 17,4290

 Hallamos la densidad de los componentes: ρ0 = ( WP+s - Wp ) x ρ0.9971(agua) (Wp+w -WP) Tabla nº 3.1 Experimentales cálculos de %V, % W y X de las muestras para la muestra problema 8 a la TEMPERATURA t1 = 20 ºC

Muestra ρ g/ml 1 0,7868 2 0,7892 3 0,7926 4 0,7998 5 0.7979 6 0,7994 7 0,8020 “8” 0.7981

ηD 1,3710 1,3753 1,3774 1,3822 1,3857 1,3899 1,3942 1.3809

%V 100% 80% 70% 50% 30% 20% 0% 55.3

%W X1 100% 1.0000 79.8% 0.83 69.6% 0.74 49.527% 0.55 32.9% 0.34 19.7% 0.26 0 0 53.3 0.58

 Cálculos : a.

Determinar el % de volumen del Componente 1.

%V/V = Vsolut x 100 Vsoluc DATOS: Vsoluc = 50ml %V1 = 50/50 x100 =100%

%V2= 40/50 x100 =80%

%V3=35/50 x100 =70%

%V4=25/50 x100 =50%

%V5=15/50 x100 =30%

%V6=10/50 x100 =20%

0,7868 0,7892 0,7926 0,7998 0.7979 0,7994 0,8020

%V7=0/50 x100 =0% b.

Determinar el w% de peso

del Componente 1.

 Aº  V Aº  Aº  V Aº   Bº  V Bº 0.785  50 %W1   100% 0.785  50  0.8  0 0.785  40 %W2   79.695% 0.785  40  0.8  10 0.785  35 %W3   69,6% 0.785  35  0.8  15 0.785  25 %W4   49.527% 0.785  25  0.8  25 %W 

0.785  15  32.9% 0.785  15  0.8  35 0.785  10 %W6   19.7% 0.785  10  0.8  40 0.785  0 %W7   0% 0.785  0  0.8  50 %W5 

c.

Determinar la fracción molar Componente 1. X1 =

n1 n1 + n2

Hallando n1 : n1 = ρ x V / PM (Isopropanol) n1 = 0.785x 50/60.1 = 0.67 

n2= ρ x V / PM (isobutanol) n2.1 = 0.80 x0/74.12 = 0 -Hallando X1: X1 = 0.67 0.67+0

= 1

Hallando n2 : n1 = ρ x V / PM (Isopropanol) n1 = 0.785x 40/60.1 = 0.5225 

n2= ρ x V / PM (isobutanol ) n2.2 = 0.80 x10/74.12 = 0.108 -Hallando X2: X2 

0.52  0.83 0.52  0.108

Hallando n3 : n1 = ρ x V / PM (Isopropanol) n1 = 0.785x 35/60.1 = 0.46 

n2= ρ x V / PM (isobutanol) n2.2 = 0.80 x15/74.12 = 0.2159 -

Hallando X3: X2 

0.46  0.74 0.46  0.162

Hallando n4 : n1 = ρ x V / PM (Isopropanol) n1 = 0.785x 25/60.1 = 0.3265 

n2= ρ x V / PM (isobutanol) n2.2 = 0.80 x25/74.12 = 0.2698 -Hallando X4: X4 

0.3265  0.5475 0.3265  0.2698

Hallando n5 : n5 = ρ x V / PM (Isopropanol) n1 = 0.785x 15/60.1 = 0.131 

n2= ρ x V / PM (isobutanol) n2.2 = 0.80 x35/74.12 =0.378 -Hallando X5: X5 

0.196  0.4465 0.196  0.378

Hallando n6 : n1 = ρ x V / PM (Isopropanol) n1 = 0.785x 10/60.1 = 0.1306 

n2= ρ x V / PM (isobutanol) n2.2 = 0.80 x40/74.12 = 0.4317 -Hallando X6: 0.1306  0.26 0.1306  0.4317

X6 

Hallando n7 :  n1 = ρ x V / PM (Isopropanol) n1 = 0.785x 0/60.1 = 0 n2= ρ x V / PM (isobutanol) n2.2 = 0.80 x50/74.12 = 0.5397 -Hallando X7: X7 

0 0 0  0.5397

DE IGUAL MANERA SE TEMPERATURA DE 30ºC

HACEN

LOS

CALCULOS

PARA

LA

TABLA Nº 2.1 DATOS EXPERIMENTALES DE LA PREPARACION DE MUESTRAS , INDICE DE REFRACCION Y CALCULOS DE CADA MUESTRA Y DE LA MUESTRA PROBLEMA “8” ALA TEMPERATURA DE 30 ºC MUESTRA 1 2 3 4 5 6

Volumen ,ml. (1) (2) 50 40 35 25 15 10

0 10 15 25 35 40

nD

WP , g

1.3710 1.3753 1.3774 1.3822 1.3857 1.3899

14.1314 14.1314 14.1314 14.1314 9.1313 9.1313

WP  m , g

24.258 24.258 24.258 24.258 19.4590 19.4590

 m , g / ml.

0.7869 0.7929 0.7917 0.7944 0.7865 0.7933

7 8

0 ---

50 ----

1.3942

9.1313

19.4590

0.7954

TABLA Nº 3.1 DATOS EXPERIMENTALES,CALCULOS DE %V1 , %M 1 , % X 1 DE LAS MUESTRAS Y PARA LA MUESTRA PROBLEMA “8” ALA TEMPERATURA DE 30 ºC MUESTRA  m , g / ml. nD %V %W1 X1 1 2 3 4 5 6 7 “8” “8”

0.7868 0.7892 0.7912 0.7998 0.7976 0.7994 0.8020 0.7944

1.0615 0.8518 0.7472 0.5395 0.3229 0.2157 0 1.3781

100 80 70 50 30 20 0 51.5

100 79.8 69.6 49.5 32.9 19.7 0 51

 Hallamos la densidad de los componentes: ρ0 =

( WP+s - Wp ) x ρ0.9971(agua) (Wp+w -WP)

A 30º C ρ1 =

(22.0844 -_14.1341) x 0.9956756 24.2040 – 14.1341

0.7869 ρ1 = g/ml

ρ2 =

(22.1455 -_14.1341) x 0.9956756 24.2040 – 14.1341

0.7929 ρ2 = g/ml

ρ3 =

(22.1332 -_14.1341) x 0.9956756 24.2040 – 14.1341

0.7917 ρ3 = g/ml

ρ4 =

(22.1606 -_14.1341) x 0.9956756 24.2040 – 14.1341

0.7944 ρ4 = g/ml

ρ5 =

(17.2427 -_9.1313) x 0.9956756 19.4030 – 9.1313

0.7865 ρ5 = g/ml

ρ6 =

(17.3148 -_9.1313) x 0.9956756 19.4030 – 9.1313

0.7933 ρ6 = g/ml

1 0.83 0.74 0.55 0.34 0.26 0 0.551

ρ7 =

(17.3337 -_9.1313) x 0.9956756 19.4030 – 9.1313

0.7954 ρ7 = g/ml

II) CALCULO DE % DE VOLUMEN DE LAS MUESTRAS

%VM 

%V 

0ml . * 100  0% 50ml.  0ml.

%V 

10ml. * 100  20% 40ml.  10ml.

%V 

15ml. *100  30% 30ml.  20ml.

%V 

25ml. * 100  50% 25ml.  25ml.

%V 

35ml. * 100  70% 20ml.  30ml.

%V 

40ml. * 100  80% 10ml.  40 ml.

%V 

50ml. * 100  100% 0ml.  50ml.

VM *100 VT

III) CALCULO DEL % EN PESO DE LAS MUESTRAS

%WM  WM  V * 

WM * 100 WT

  0.80 gr. / ml.

T º  30º C

%W1 

0.00ml. * 0.79 gr. / ml. *100  0% (50ml. * 0.79 gr. / ml.)  (50ml. * 0.801gr. / ml.)

%W2 

10ml. * 0.79 gr . / ml. * 100  19.78% (10ml. * 0.79 gr. / ml.)  (40ml. * 0.801gr. / ml.)

%W3 

15ml. * 0.79 gr. / ml. * 100  69.70% (15ml. * 0.79 gr. / ml.)  (35ml. * 0.801gr. / ml.)

%W4 

25ml. * 0.79 gr. / ml. * 100  49.53% (25ml. * 0.79 gr. / ml.)  (25ml. * 0.801gr. / ml.)

%W5 

35ml. * 0.80 gr. / ml. * 100  69.71% 35ml. * 0.80 gr. / ml .)  (15ml. * 0.80 gr. / ml .)

%W6 

40ml. * 0.79 gr. / ml. * 100  79.78% ( 40ml. * 0.79 gr. / ml.)  (10ml. * 0.801gr. / ml.)

%W7 

50ml. * 0.79 gr. / ml. *100  100% (50ml. * 0.79 gr. / ml.)  (0ml. * 0.801gr. / ml.)

V) HALLANDO LA FRACCION MOLAR DE LAS MUESTRAS A Tº 30 Cº

 º A *V º A MA Xi   º A *V º A  º B *V º B  MA MB ENSAYO 1) 0.801gr / ml. * 0ml. 74.12 gr. / mol Xi   0mol / gr. 0.801gr / ml. * 0ml. 0.79 gr. / ml. * 50ml.  74.12 gr. / mol. 60.10 gr. / mol.

ENSAYO 2)

0.801gr / ml. * 10ml. 74.12 gr. / mol Xi   0.83mol / gr. 0.801gr / ml. * 10ml. 0.79 gr. / ml. * 40ml.  74.12 gr. / mol. 60.10 gr. / mol.

ENSAYO 3) 0.801gr / ml. * 15ml. 74.12 gr. / mol Xi   0.74mol / gr. 0.801gr / ml. * 15ml. 0.79 gr . / ml. * 35ml.  74.12 gr. / mol. 60.10 gr. / mol.

ENSAYO 4) 0.801gr / ml. * 25ml. 74.12 gr. / mol Xi   0.55mol / gr. 0.801gr / ml. * 25ml. 0.79 gr. / ml. * 25ml.  74.12 gr. / mol . 60.10 gr. / mol .

ENSAYO 5) 0.801gr / ml. * 15ml. 74.12 gr. / mol Xi   0.34mol / gr. 0.801gr / ml. * 35ml. 0.79 gr. / ml. * 15ml.  74.12 gr. / mol. 60.10 gr. / mol.

ENSAYO 6) 0.801gr / ml. * 40ml. 74.12 gr. / mol Xi   0.26mol / gr. 0.801gr / ml. * 40ml. 0.79 gr. / ml. * 10ml.  74.12 gr. / mol. 60.10 gr. / mol.

ENSAYO 7)

0.801gr / ml. * 50ml. 74.12 gr. / mol Xi   1mol / gr. 0.801gr / ml. * 50ml. 0.79 gr. / ml. * 0ml.  74.12 gr. / mol. 60.10 gr. / mol.

VI. CONCLUSIONES:  Se determino la densidad por picnometria de las mezclas binarias: (0,7868; 0,7892; 0,7926; 0,7998; 0.7979; 0,7994; 0,8020), esto a 20 ºC.  las muestras problemas fueron halladas mediante las graficas, el isopropanol tiene aproximadamente 10ml y el isobutanol 40ml respectivamente.  En la determinación de los índices de refracción de las mezclas binarias se observan que a mayor temperatura las lecturas de IR van disminuyendo, siendo estas: 1,3710; 1,3753; 1,3774; 1,3822; 1,3857; 1,3899; 1,3942; 1.3809. todo esto a 20 ºC  En la grafica de índices de refracción versus composición se observa una curva que a medida aumenta la composición aumenta el índice de refracción hasta un punto constante de IR. Donde ellos son 53.3 % en masa, 55.3% en volumen y 0.58 en la fracción molar a 20 ºC.  Se calculo los volúmenes de cada solvente empleado para preparar la muestra problema llegando a obtener: 100%, 80%, 70%, 50%, 40%, 20%, 0%; para los ensayos (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).

VII. BIBLIOGRAFIA: 1. SEMISHIN, V, “PRACTICAS DE QUIMICQ GENERAL INORGANICA”. Editorial. Mir Moscu. 1967 2. LAIDLER, K.J MEISER “FISICOQUIMICA”Edit. CECSA.Mexico 1997