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{ñUNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES INGENIERÍA AMBIENTAL

LABORATORIO N° 5 SOLUBILIDAD

JUAN PABLO SUÁREZ BAUTISTA, 20181180043 WILLIAM DAVID NEIRA ÁLVAREZ, 20181180067 GRUPO 542

FISICOQUÍMICA

FREDDY LEONARD ALFONSO MORENO

SEPTIEMBRE DE 2019

1. INTRODUCCIÓN Se entiende por solubilidad a la magnitud que indica la cantidad máxima de soluto que puede disolverse en una cantidad de solvente a una temperatura establecida, este laboratorio tiene como objetivo representar esta propiedad mediante la construcción de una curva de solubilidad para el nitrato de sodio (NaNO3), usando agua como solvente para cuatro mediciones de 0,25 g, 0,5 g, 0,75 g, y 1 g del soluto mencionado en 1 ml de agua cada uno y contenidos en cuatro tubos de ensayo rotulados para su manipulación. La temperatura afecta a la solubilidad en la mayoría de las sustancias. En este informe se examinará, la variación de la solubilidad de los sólidos con respecto a la temperatura. Al aumentar la temperatura de cada una de las soluciones rotuladas respectivamente, se logró establecer la temperatura a la cual solubiliza cada una de ellas, sin embargo hubo dificultad para medir sus respectivos puntos de cristalización, los cuales se deben obtener al descender la temperatura de cada solución hasta el punto de congelación, con la aplicación de los datos obtenidos se logró graficar la curva de solubilidad del nitrato de sodio en agua destilada. Es importante tener en cuenta para futuras experiencias, que algunas variables como la pureza de los reactivos empleados, pueden afectar en forma mayúscula los resultados que se obtienen a partir de la metodología. Además es de suma importancia manipular los materiales de forma adecuada y responsable para disminuir los errores que puedan encaminar a realizar una lectura errónea y un posterior análisis que no encierre en realidad los fenómenos que se tienen como objeto de estudio. 2. OBJETIVOS Objetivo general - Realizar la curva de solubilidad del nitrato de sodio, usando diferentes concentraciones a diferentes temperaturas. Objetivos específicos - Comprender la incidencia de la temperatura sobre la solubilidad de un soluto no volátil. - Relacionar la importancia de la solubilidad en procesos físico químicos y la ingeniería ambiental . - Proponer estrategias para mejorar la comprensión del comportamiento de la solubilidad. 3. MARCO CONCEPTUAL La cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad determinada de un disolvente es limitada. De hecho, la cantidad máxima en la que ambos componentes se pueden mezclar formando una fase homogénea depende de la naturaleza de ambos y de la temperatura. El azúcar, por ejemplo, es soluble en agua, pero si en un vaso de agua añadimos cada vez más y más azúcar, llegará un momento en el que ésta ya no se disuelva más y se deposite en el fondo. Además, se disuelve más cantidad de azúcar en agua caliente que en agua fría. La cantidad máxima (en gramos) de cualquier soluto que se puede disolver en 100 g de un disolvente a una temperatura dada se denomina solubilidad de ese soluto a esa temperatura. Así, la solubilidad se expresa en gramos de soluto por 100 g de disolvente. La solubilidad de

una sustancia pura en un determinado disolvente y a una temperatura dada es otra de sus propiedades características (Petrucci, Harwood & Herring, 2003). Cuando una disolución contiene la máxima cantidad posible de soluto disuelto a una temperatura dada, decimos que está saturada a esa temperatura. En este caso, si añadimos más soluto, éste se quedará sin disolver. Por tanto, de acuerdo con la solubilidad del soluto, se pueden preparar soluciones diluidas, saturadas y sobresaturadas (Petrucci et al, 2003). -Disolución diluida: Contiene una pequeña cantidad del soluto disuelta en el disolvente y esta cantidad es más pequeña que la cantidad límite en la disolución saturada. -Disolución saturada: Es aquélla que no disuelve más soluto; es decir, la solubilidad de soluto llegó a su límite. Esta disolución se encuentra en un equilibrio dinámico. -Disolución sobresaturada: Contiene mayor cantidad de soluto que la disolución saturada. Corresponde a una situación de no equilibrio, metaestable. En general, la solubilidad de una sustancia en un determinado disolvente aumenta a medida que se eleva la temperatura. Si se mide la cantidad de un soluto que se disuelve en 100 g de agua a diferentes temperaturas, al representar estos datos gráficamente se obtienen unas gráficas llamadas curvas de solubilidad, que obviamente dependen de la naturaleza del soluto y del disolvente (Petrucci et al, 2003). Solubilidad ideal La solubilidad ideal es la máxima cantidad de A que puede disolverse en una masa de un líquido dado a una determinada presión y temperatura en la que se cumplen las siguientes condiciones: 1. la solución resultante es ideal (cumple con la ley de Raoult) 2.

la solubilidad es independiente de la naturaleza del líquido B en la que se disuelve A, es decir, xA es siempre la misma y sólo depende de las propiedades de A.

Como la solución cumple con la ley de Raoult, debemos hacer algunas consideraciones. En primer lugar, si se mezclan A y B como líquidos, entonces no deberían observarse ni cambios de volumen ni de entalpía al formarse la solución ideal. Pero resulta que el componente A es sólido. Sin embargo, podemos imaginar el siguiente proceso para analizar qué factores influyen sobre la solubilidad ideal. Este proceso involucra pasar por el estado de A(l) a la misma temperatura y presión del proceso en estudio, tal como se esquematiza a continuación:

Figura 1. Solubilidad ideal. Adaptado de Caparelli (2013), p 562.

El cambio de volumen en la disolución de A(c) coincide con el aumento de volumen durante la fusión. De manera similar, el aumento de entalpía del proceso global coincide con la entalpía de fusión. (Caparelli, 2013). Dependencia de la solubilidad con la temperatura y la presión. Cuando una sustancia sólida se disuelve en otra líquida, la extensión del proceso queda limitada por su solubilidad, es decir la máxima cantidad de este sólido que es admitido por una masa determinada de líquido a una determinada presión y temperatura. En general, la solubilidad cambia con la temperatura y la presión y con la naturaleza del líquido en la que se disuelve la sustancia sólida a saturación. Consideremos un sistema formado por dos componentes A y B, y analicemos el proceso en la que A sólido cristalino se disuelve en una cantidad de B líquido hasta saturación (xA). (Capparelli, 2013). A(sc) + n B(l) A(xA) sc=sólido cristalino Este proceso va acompañado de cambios térmicos y de volumen. Solubilidad molar y solubilidad Hay dos formas de expresar la solubilidad de una sustancia: como solubilidad molar que es el número de moles de soluto en un litro de un disolución saturada (mol/L), y como solubilidad, que es el número de gramos de soluto en un litro de una disolución saturada (g/L). Obsérvese que todas estas expresiones se refieren a la concentración de disoluciones saturadas a una temperatura dada ( que suele ser 25°C) (Chang et al, 2002).

Figura 2. secuencia de pasos a) para el cálculo de Kps, a partir de los datos de solubilidad y b) para calcular la solubilidad a partir del valor de la Kps. tomada de Chang et al. (2002) pág 674. Producto de solubilidad Un tipo de particular importancia de equilibrio heterogéneo es el comprendido en la solubilidad de sales poco solubles en agua. Cuando una sal de esta naturaleza, por ejemplo el sulfato

bárico, se agita en agua hasta saturación, se establece el equilibrio entre la fase sólida y la sal totalmente disociada (Maron & Prutton, 2006), es decir, se tiene: 𝐵𝑎𝑆𝑂4 (𝑆) = 𝐵𝑎++ + 𝑆𝑂4−− en este proceso la constante de equilibrio es

𝐾𝑝𝑠 = 𝑎𝐵𝑎++ 𝑎𝑆𝑂4−− que podemos expresar así, en cualquier solución saturada con sulfato de bario: el producto de la actividades de los iones bario y sulfato es constante e igual a

𝐾𝑝𝑠 .

A ésta se le

denomina constante de producto de solubilidad, o simplemente producto de la solubilidad, de la sal, que es característico de cada sustancia (Maron & Prutton, 2006). Esta constante de producto de solubilidad se usa para diversas sales de baja solubilidad, sin embargo las sales solubles, como el NaCl y el 𝐾𝑁𝑂3 , que tienen valores de 𝐾𝑝𝑠 muy grandes, no se tienen en cuenta. 4. MATERIALES Y REACTIVOS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Beaker 4 Tubos de ensayo Agitador de vidrio Banda elástica Placa de calefacción Termómetro Balanza analitica 2,5 g NaNO3 Agua destilada

5. METODOLOGÍA

Obtención “Solubilidad y Cristalización para el nitrato de potasio”

1)Tome un beaker de 250 ml, llénelo con agua hasta la mitad. A su vez tome una de plancha de calentamiento y enciendala

6) Luego de completar el paso 5, retire el beaker con los tubos, déjelos enfriar y apague la plancha de calentamiento .

7) Observe el proceso de cristalización para cada uno de los tubos. Registre la temperatura y tiempo a la cual se da la cristalización del soluto .

2) Tome 4 tubos de ensayo, atelos a un agitador y llene cada uno con 1 ml de H2O. Enumere los tubos de 1 a 4

3) Pese 0.25, 0.50, 0.75 y 1 gr de KNO3 en una balanza analiticia, y deposite las cantidades pesadas de menor a mayor peso en los tubos previamente enumerados de 1 a4

5) Observe el proceso de solubilidad de manera individual para cada tubo. Registre la temperatura y el tiempo a la cual se evidencia el mismo.

4) introduzca los tubos en el beaker y sometalos a un baño de maria

8) Después de completado el paso 7, deseche los reactivos de manera adecuada y lave los materiales de laboratorio previamente usados

9) Por último realice una gráfica de solubilidad vs cristalización con los datos tomados durante la práctica.

NOTA. Utilice hielo para el proceso de cristalización o descenso crioscópico si es necesario.

6. RESULTADOS En la Tabla 1 se presentan los datos obtenidos experimentalmente en el desarrollo de la metodología, las temperaturas de solubilización se midieron sin problema, sin embargo en la medición de las temperaturas de cristalización se presentaron inconsistencias en los dos 2 últimos tubos, donde a pesar de utilizar hielo y disminuir la temperatura por debajo de los 0°C no se obtuvieron los resultados esperados.

Tabla 1. Datos experimentales Tub o

NaNO3 (g)

T° Solubilización (°C)

T° Cristalización (°C)

Solubilidad (g/ml)

1

0.25

22

-

0.25

2

0.5

28

-

0.5

3

0.75

35

-5

0.75

4

1

49

10

1

Fuente: Autores Grafica 1. ???

Nota la solubilidad Teórica fue tomada de: (Garcés M, s/f)

Grafica 2. ???

7. CÁLCULOS

8. DISCUSIÓN

Curva de solubilidad Dada la naturaleza del soluto, una sal inorgánica el proceso de solución ocurre por resultado de la disociación de la sal en su parte aniónica y catiónica (Brown, LeMay Jr, Bursten, & Burdge, 2004), es decir que la sal se disocia en el anión nitrato(de valencia menos uno) y en el catión sodio (de valencia más uno), en ese punto los iones van a verse atraídos por los iones hidronio e hidroxilo disueltos naturalmente en el agua. Es evidente el comportamiento directamente proporcional frente a la temperatura, es decir entre mayor sea la temperatura del solvente mayor será la masa de soluto que puede disolver, lo anterior ocurre debido a que la energía liberada en la reacción de disolución es menor que la energía requerida para disociarse, es decir una reacción endotérmica, por lo tanto el adición de más energía en forma de calor facilita la reacción de disociación proveyendo la energía requerida para romper los enlaces en el soluto permitiendo así que se disocie (Ophardt, 2003) Conforme con la información obtenida se reporta que la curva de solubilidad hallada está por debajo de la curva teórica, lo que quiere decir que para todas las temperaturas siempre se disolvió una cantidad menor de soluto, lo anterior debería atribuirse a los cambios de presión dado que lo más probable es que la curva de solubilidad haya sido calculada a una atmósfera de presión, contrario a las condiciones de laboratorio con una presión de 0,73 atmósferas, sin embargo conforme con Ophardt (2003) para soluciones con solvente líquido y soluto sólido la presión no afecta de manera significativa la solubilidad, lo que llevaría a pensar que es probable que la diferencia se atribuya a la incertidumbre dada la metodología utilizada en tanto al mantener una fuente de calor la temperatura está en aumento constantemente por lo que es posible que las temperaturas reportadas sean distintas a la temperatura precisa sobre la cual se disolvio la sal, este comportamiento tambien se materializó en una modelación matematica distinta en tanto la solubilidad experimental es mas próxima a una curva logaritmica mientras que la teórica se asemeja a una recta 9. CONCLUSIONES -

Con base en observado, retomando lo consultado y lo analizado, se puede afirmar que se

-

Como resultado del análisis se logró evidenciar que la temperatura y la presión juegan un papel importante en los procesos de solubilidad, la temperatura como variable permite modificar el punto de solubilidad para diferentes solutos principalmente sales, esto confiere una gran ventaja para la manipulación y conservación de soluciones en circunstancias no ideales o adversas de temperatura y sin que sufran modificación alguna. La presión como constante en los procesos de solubilidad permite un ahorro de energía para llevar a cabo dicho desarrollo, ya que a una menor presión atmosférica se tiene una menor fuerza en la unión de enlaces de cada compuesto ( solutos y solvente), a su vez se requerirá una menor fuente de energía para romper estos enlaces atómicos y así generar una solución (homogénea o heterogénea) a condiciones no ideales. Estos aspectos pueden llegar a tener grandes aplicaciones en los campos de la ingeniería y la industria principalmente.

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Bajo las condiciones de laboratorio, se evidenció

-

Como propuesta para mejorar el entendimiento de los fenómenos relativos a la solubilidad, se plantean estrategias encaminadas a mejorar el procedimiento experimental y a cumplir a cabalidad las buenas prácticas de laboratorio. Durante la experimentación resultó infructuoso medir los puntos de cristalización en los dos últimos tubos de ensayo, se atribuye que la pureza de los reactivos, así como la manipulación y limpieza de los instrumentos pudieron haber afectado notablemente la lectura de los datos obtenidos, aunque la temperatura para lograr la cristalización se llevó muy por debajo (-4°C) de la temperatura inicial con la cual se inició el proceso, no se llevó a cabo el fenómeno esperado en la sultimas 2 muestras, sin embargo fue muy tedioso hacer que la temperatura descendiera aún más en las condiciones de laboratorio, por ende también se debería contar con un mecanismo que pueda facilitar esta labor para contrastar adecuadamente los resultados y el análisis.

-

Desde la ingeniería ambiental se concluye que, los conceptos de solubilidad son de relativa importancia en los procesos de descontaminación y el tratamiento de aguas residuales. En estos procesos deben considerarse la solubilidad y la cristalización, especialmente cuando las aguas residuales contienen sales muy solubles que deben ser eliminadas, por medio del conocimiento de estas técnicas físico químicas se puede emplear un tratamiento primario sin tener que someter los efluentes a procesos más complejos y generando un elevado grado de eficiencia a partir de la aplicación de estas propiedades de las soluciones. Adicionalmente, este método no necesita del uso de reactivos químicos, ya que sólo se necesita modificar la temperatura, haciendo aún más práctico su uso. La solubilidad o cristalización a diferentes temperaturas va a permitir a las industrias con aguas residuales que contengan sales muy solubles alcanzar altos estándares de descontaminación en sus vertimientos, mientras mantienen o disminuyen incluso los costes operacionales en comparación con anteriores opciones.

10. BBFA Capparelli, A. (2013). FISICOQUÍMICA BÁSICA. 1st Ed. La Plata, Buenos Aires, Argentina: Editorial de la Universidad de La Plata, pp.561-565 Chang, R., College, W., Ramiŕ ez Medeles, M. and Lanto Arriola, M. (2002). Quim ́ ica. 7th Ed. México: McGraw-Hill, pp.672,673,674. Levine, I. (2013). Principios de fisicoquimica. 5th Ed. City university of New York Brooklyn, New York: Mcgraw-Hill Interamerican, pp.453-455. Maron, S. and Prutton, C. (2006). Fundamentos de fisicoquim ́ ica. México, D.F.: Limusa/Noriega, pp. 467. Petrucci, R.; Harwood, W., & Herring, F. (2003). Química General. Enlace químico y estructura de la materia. 8ª Ed. México DF: Prentice Hall. Brown, T. L., LeMay Jr, E., Bursten, B. E., & Burdge, J. R. (2004). Química. La ciencia central. (G. Mendoza Trujano, Ed.) (9a ed.). México D.F: Pearson Educación. Garcés M, I. (s/f). Nitrato de sodio. Antofagasta: Universidad de Antofagasta. Recuperado de

http://intranetua.uantof.cl/salitre/Nitrato Na.pdf Ophardt, C. E. (2003). Temperature/Pressure on Solubility. Recuperado el 14 de octubre de 2019, de http://chemistry.elmhurst.edu/vchembook/174temppres.html