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CONTENIDO I. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………………….2 II.OBJETIVOS………………………………………………………………………………………………………………………3 III.FUNDAMENTO TEÓRICO……………………………………………………………………………………………4 DEFINICIÓN………………………………………………………………………………………………………………………4 IV. METODOLOGÍA………………………………………………………………………………………………………………6 REQUERIMIENTOS……………………………………………………………………………………………….……………..7 RECOLECCIÓN DE DATOS…………………………………………………………………………………………………..8 V. RESULTADOS…………………………………………………………………………………………………………………….9 VI.CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………………………………….23 VII. RECOMENDACIONES………………………………………………………………………………………………..23 VIII. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA…………………………………………………………………………….24

Laboratorio de Fisicoquímica II

I.

INTRODUCCIÓN

Hablamos de Equilibrio Químico cuando se llega al punto en que las velocidades de las reacciones directa e inversa se igualan, lo que tiene como consecuencia que las cantidades de reactivos y productos presentes sean constantes a través del tiempo. Queda claro que el estado de equilibrio es dinámico, esto quiere decir que las reacciones continúan llevándose a cabo. Entonces, dado este estado en el que se encuentra una reacción, puede establecerse lo que llamamos una constante de equilibrio que representa la proporción de los reactivos y productos de la reacción. Hablamos de equilibrio homogéneo cuando la o las reacciones con las que trabajamos se producen en una misma fase; con el mismo razonamiento, llamamos a equilibrio heterogéneo cuando encontramos más de una fase en nuestro sistema. Teniendo estos conocimientos, nos parece importante para este trabajo citar un principio muy importante en el que se basan gran parte de las deducciones y conclusiones del presente trabajo. El mismo es llamado el Principio de Le Chatelier y establece lo siguiente: si a un sistema en equilibrio, se le provoca una perturbación, el sistema se ajusta de modo de reducir dicha perturbación, alcanzando luego un nuevo estado de equilibrio. Durante nuestra experiencia realizaremos numerosas perturbaciones, o modificaciones a nuestros sistemas en equilibrio, y evaluaremos a partir de este principio los resultados obtenidos.

2

ING. IPANAQUE MAZA CALIXTO

Laboratorio de Fisicoquímica II

II.

OBJETIVOS

 Determinar la constante de equilibrio K e, de una muestra homogénea a una determinada temperatura.

3

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Laboratorio de Fisicoquímica II

III.

FUNDAMENTO TEÓRICO

DEFINICIÓN EQUILIBRIO QUÍMICO Todas las reacciones químicas son en realidad sistemas en equilibrio dinámico, que a veces se desplazan por completo en un determinado sentido, es decir, aparecen como irreversibles debido a las condiciones en que se realizan. No obstante, se puede actuar sobre estas reacciones de modo que se invierta el proceso, aunque este efecto sea difícil de conseguir y apreciar en algunas reacciones que se consideran comúnmente irreversibles. Por esta razón es frecuente poner en las reacciones químicas, en vez de una sola flecha, una doble flecha indicando los dos sentidos de la reacción. La flecha de mayor longitud indica que la reacción se encuentra desplazada en ese sentido. Una reacción del tipo:

Tiene una constante de equilibrio Kc a una determinada temperatura expresada por:

En la que los símbolos  

indican

concentraciones

molares de las sustancias. Tanto del estudio matemático de la constante de equilibrio como del enunciado del principio de Le Chatelier se deduce que un aumento de la concentración de A o de B desplaza el equilibrio hacia la derecha, y si aumenta C ó D o se hace disminuir A ó B (por ejemplo por precipitación), el Tómese como ejemplo la reacción a ver en esta práctica que sería la de esterificación.

REACCIÓN DE ESTERIFICACIÓN – EQUILIBRIO HOMOGÉNEO 4

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Laboratorio de Fisicoquímica II Definiendo sintéticamente la esterificación podríamos decir que se trata de la formación de un Ester por la unión de un alcohol y un ácido, mediante una reacción que es lenta a temperatura ambiente, de punto bajo de ebullición. Para acelerar la reacción hay que utilizar pequeñas cantidades de un catalizador que puede ser un ácido sulfúrico, clorhídrico o bencesulfónico y elevar a temperatura en la reacción.

Si reaccionan 1 mol de alcohol etílico y 1mol de ácido acético, al lograr el equilibrio, están presentes, a temperatura ambiente, 2/3 de molde acetato de etilo y 2/3 de mol de agua, junto con 1/3 de mol de alcohol y 1/3 de mol de ácido. Estos valores pueden sustituirse en la ecuación de equilibrio:

5

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Laboratorio de Fisicoquímica II

METODOLOGÍA

IV.

 En 5 tubos de ensayo se agregarán las siguientes concentraciones según la siguiente tabla: Tubo

1 2 3 4 5 6 7 8

HCl(3 M )

CH 3 COOH

CH 3 OH

CH 3 COOC H 3

H2O

Ke

4ml

-

-

5ml

-

K1

4ml

-

-

3ml

2

K2

4ml

-

-

2ml

-

K3

4ml

1ml

4ml

-

-

K4

4ml

2ml

3ml

-

-

K5

4ml

3ml

2ml

-

-

K6

4ml

4ml

1ml

-

-

K7

4ml

-

1ml

4ml

-

K8

 Luego de realizar las siguientes mezclas de muestras homogéneas como se podrán apreciar en las imágenes.

 F

i

n

a

l reacción

m

e

n

t

e entre

s 6

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Laboratorio de Fisicoquímica II las muestras homogéneas alcancen el equilibrio, para luego Titularlo con NAOH y determinar las moles esterificadas para cada Tubo.

REQUERIMIENTOS MATERIALES Y EQUIPOS       

02 pipetas de 5ml 8 tubos de ensayo con tapa Bureta Gradilla Probeta Vaso precipitado Picnómetro

REACTIVOS  Agua destilada  Ácido clorhídrico(HCl)  Metanol(CH3OH)  Hidróxido de Sodio(NaOH)  Fenolftaleína  Ácido acético

MATERIALES Y EQUIPOS 7

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Pro pipeta

Piceta

Pipeta

Vaso de precipitado

Picnómetro

Tubo de ensayo

REACTIVOS

Metanol

Agua destilada

Ácido clorhídrico

8

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Ácido acético

ρ H O (T=20 ° C) =0.99808 2

ρ Metcanol =0.79 C H 3 OH (T=20 ° C)

C H 3 COOH ( T=20 ° C )

ρ

COOH

=60

Éster CH 3 COO CH 3 ( T =20 ° C )

´ CH M

3

gr cm3

=74

ρ HCl=1.0378

% pureza H 2O =100 %

´ H O =18.02 gr M mol 2

´ CH % purezaC H OH =99.8 % M 3

3

OH

=32.9

gr mol

% purezaC H COOH =99.98 % 3

gr mol

=0.932

COOCH 3

gr cm3

gr cm3

ρ Acido acético=1.05

3

Hidróxido de Sodio

RESULTADOS:

V.

´ CH M

Fenolftaleína

gr cm 3

% purezaC H COO CH =99.5 % 3

3

gr mol

gr cm 3

% pureza HCl=99 %

9

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Laboratorio de Fisicoquímica II

´ HCl =35.5 gr M mol De los datos de la tabla podemos determinar las cantidades de moles iniciales utilizadas en cada muestra.

Tubo

1 2 3 4 5 6 7 8

CH 3 COOH

HCl(3 M )

CH 3 OH

CH 3 COOC H 3

H2O

Ke

4ml

-

-

5ml

-

K1

4ml

-

-

3ml

2

K2

4ml

-

-

2ml

-

K3

4ml

1ml

4ml

-

-

K4

4ml

2ml

3ml

-

-

K5

4ml

3ml

2ml

-

-

K6

4ml

4ml

1ml

-

-

K7

4ml

-

1ml

4ml

-

K8

Para el número de moles:

Para el agua: n H O= 2

ρH O x V H ´ HO M 2

2

O

2

Para el éster: nC H

3

COOCH 3

=

ρCH COO CH x V CH COO CH x % purezaC H ´ CH COOCH M 3

3

3

3

3

3

COO CH 3

3

Para el ácido acético: nC H

3

COOH

=

ρCH COOH x V CH COOH x % purezaC H COOH ´ CH COOH M 3

3

3

3

Para el Metanol: 10

ING. IPANAQUE MAZA CALIXTO

Laboratorio de Fisicoquímica II nC H

3

OH

=

ρ CH OH x V CH OH x % purezaC H ´ CH OH M 3

3

3

OH

3

Recordemos que el agua esta dispersada tanto en el ácido acético, ácido clorhídrico y en el éster utilizando la siguiente fórmula.

CH COOH COOCH ntotales +nCH +n HCl H O =nH O H O H O 3

2

3

2

3

2

2

Antes de proceder a los cálculos con respecto de cada muestra primero determinaremos la densidad del NaOH. Estandarizando el NaOH con el biftalato de Sodio. Datos: ´ Biftalato =204.23 gr M mol

W Biftalato =0.29442771 gr

V Gastado de NaOH =6.7 ml NaOH =6.7 x 10−3 L NaOH

Realizando los cálculos:

¿≡. NaOH =¿≡. Biftalato N NaOH . V NaOH =¿≡. Biftalato N NaOH = N NaOH = N NaOH =

¿≡. Biftalato V NaOH

Masa Biftalato x Valencia ´ Biftalato x V NaOH M

(0.294427 gr )(1) gr (204.23 )(6.7 x 10−3 L) mol

N NaOH =0.215066

mol L

N NaOH =0.215066 N ING. IPANAQUE MAZA CALIXTO

11

Laboratorio de Fisicoquímica II Concentración de HCl =1.66M

Después de una semana se extrae 1.5ml de cada tubo y se realizará la titulación para obtener la normalidad de la muestra homogénea. Se procederá a calcular con las ecuaciones dadas para cada Tubo:

TUBO N°5: Rx: HCl CH 3 OH +CH 3 COOH ⇋ CH 3 COO CH 3 + H 2 O Datos:

V Hcl=4 ml ρ Hcl=1.0378

V C H COOH =1ml

;

;

3

gr ml

ρC H COOH =1.05 3

gr ml

% purezaC H COOH =99.98 % 3

V C H COOC H =0 ml 3

3

ρC H COOC H =0.798 3

3

gr ml

% purezaC H COO C H =99.5 % 3

3

V H O =0 ml

;

2

ρ H O =0.998 2

gr ml

Calculando los # de moles de C H 3 COO H :

nC H

3

COO H

=2 ml x

1.05 gr C H 3 COO H 99.98 1 mol C H 3 COO H x x 1 ml C H 3 COO H 100 60 gr C H 3 COO H

nC H

3

COO H

=0.034993 moles C H 3 COO H

Calculando los # de moles de C H 3 O H :

12

ING. IPANAQUE MAZA CALIXTO

Laboratorio de Fisicoquímica II nC H

3

OH

=3 ml x

0.79 gr C H 3 O H 99.98 1 mol C H 3 O H x x 1 ml C H 3 O H 100 32.9 gr C H 3 O H nC H

3

OH

=0.072022moles C H 3 O H

Calculando los # de moles de H 2 O : Aplicando: CH COOH COOCH ntotales +nCH +n HCl H O =nH O H O H O 3

2

3

2

3

2

2

COO CH nCH = 0 mol H 2 O H O 3

3

2

SOLUCIÓN PURO n HCl - n HCl = H O = n HCl 2

n HCl H O = 3.908 gr H 2 O x 2

4 ml x 1.0378 gr 4 ml x 1.66 mol 36.5 gr HCl − x =3 . 908 gr 1 ml 1000 ml 1 mol

1mol H 2 O = 0.21715778 mol H 2 O 18,02 gr H 2 O

n H O=0 mol H 2 O 2

COOH nCH = 2 ml x H O 3

2

OH nCH = 4 ml x H O 3

2

1.05 gr C H 3 COO H 0.5 1 mol H 2 O x x = 5.8333 x 10−4 mol H 2 O 1 ml C H 3 COO 100 18 gr H 2 O

0.79 gr C H 3 COO H 0.5 1 mol H 2 O x x = 8.7777 x 10−4 mol H 2 O 1 ml C H 3 COOH 100 18 gr H 2 O

−4 −4 ntotales H O =0.21715778+ 8.7777 x 10 +5.8333 x 10 2

ntotales H O =0.2186188 mol H 2 O 2

13

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Laboratorio de Fisicoquímica II

En el tubo N° 5 Se utilizará un volumen de 15 ml de Na0H para titular 1.5ml de la mezcla homogénea, ¿Cuánto V NaOH se necesitará para titular 9 ml de la mezcla homogénea?

15 ml Na0H

1.5ml muestra (Tubo N°5)

V Na0H

9

ml muestra

Vteórico NaOH =0.03 L de NaOH

Como tenemos nuestra normalidad dada que es:

N NaOH =0.21506 N Calculamos el número de moles del ácido acético que se disocia: ¿≡. NaOH =¿≡. HCl+¿≡. C H 3 COOH ¿ X =¿ X =( 0.21506 ) ( 0.03 )−(

1.66 )(4 ) 1000

X =0.0127154 mol C H 3 COOH … … … …(α ) De la Rx:

CH 3 OH +CH 3 COOH ⇋ CH 3 COO CH 3 + H 2 O In° Rx Eq.

0.0720 -X 0.0720−X

0.034993 -X 0.034993−X

+X X

+X X 14

ING. IPANAQUE MAZA CALIXTO

Laboratorio de Fisicoquímica II

Hallando la constante de equilibrio: K eq =

[ CH 3 COO CH 3 ][ H 2 O ] [ CH 3 COOH ][ CH 3 OH ]

Reemplazando: K eq =

(X )(X ) (0.034993−X )(0.0720− X )

Reemplazando el valor hallado en (α ¿ :

K eq =

(0.0127154)(0.0127154) (0.034993−0.0127154)(0.0720−0.0127154)

K eq =0.12241926

TUBO N°6: Rx: HCl CH 3 OH +CH 3 COOH ⇋ CH 3 COO CH 3 + H 2 O Datos:

V Hcl=4 ml ρ Hcl=1.0378

;

gr ml

V C H COOH =2 ml

;

3

ρC H COOH =1.05 3

gr ml

% purezaC H COOH =99.98 % 3

;

V C H COOC H =0 ml 3

3

ρC H COOC H =0.798 3

3

gr ml

% purezaC H COO C H =99.5 % 3

3

V H O =0 ml 2

15

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Laboratorio de Fisicoquímica II ρ H O =0.998 2

gr ml

Calculando los # de moles de C H 3 COO H :

nC H

3

COO H

=3 ml x

1.05 gr C H 3 COO H 99.98 1 mol C H 3 COO H x x 1 ml C H 3 COO H 100 60 gr C H 3 COO H

nC H

3

COO H

=0.0524895 moles C H 3 COO H

Calculando los # de moles de C H 3 O H :

nC H

3

OH

=2ml x

0.79 gr C H 3 O H 99.98 1 mol C H 3 O H x x 1 ml C H 3 O H 100 32.9 gr C H 3 O H nC H

3

OH

=0.04801471moles C H 3 O H

Calculando los # de moles de H 2 O : Aplicando: CH COOH COOCH ntotales +nCH +n HCl H O =nH O H O H O 3

2

2

3

2

3

2

COO CH nCH = 0 mol H 2 O H O 3

3

2

SOLUCIÓN PURO n HCl - n HCl = H O = n HCl 2

n HCl H O = 3.908 gr H 2 O x 2

4 ml x 1.0378 gr 4 ml x 1.66 mol 36.5 gr HCl − x =3 . 908 gr 1 ml 1000 ml 1 mol

1mol H 2 O = 0.21715778 mol H 2 O 18,02 gr H 2 O 16

ING. IPANAQUE MAZA CALIXTO

Laboratorio de Fisicoquímica II

n H O=0 mol H 2 O 2

COOH nCH = 3 ml x H O 3

2

OH nCH = 2 ml x H O 3

2

totales O 2

nH

1.05 gr C H 3 COO H 0.5 1 mol H 2 O x x = 8.75 x 10−4 mol H 2 O 1 ml C H 3 COOH 100 18 gr H 2 O

0.79 gr C H 3 COO H 0.5 1 mol H 2 O x x = 4.38888 x 10−4 mol H 2 O 1 ml C H 3 COO 100 18 gr H 2 O

−4

−4

=0.21715778+ 4.38888 x 10 +8.75 x 10 mol H 2 O ntotales H O =0.218471668mol H 2 O 2

En el tubo N° 6 Se utilizará un volumen de 22.4 ml de Na0H para titular 1.5ml de la mezcla homogénea, ¿Cuánto V NaOH se necesitará para titular 9 ml de la mezcla homogénea?

22.4 ml Na0H V Na0H

1.5ml muestra (Tubo N°1) 9 ml muestra

Vteórico NaOH =0.1344 L de NaOH

Como tenemos nuestra normalidad dada que es:

N NaOH =0.21506 N Calculamos el número de moles del ácido acético que se disocia: ¿≡. NaOH =¿≡. HCl+¿≡. C H 3 COOH 17

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Laboratorio de Fisicoquímica II ¿ X =¿ X =( 0.21506 ) ( 0.1344 ) −(

1.66 )(4) 1000

X =0.022264064 mol C H 3 COOC H 3 … … … …(α )

De la Rx:

CH 3 OH +CH 3 COOH ⇋ CH 3 COO CH 3 + H 2 O In° Rx Eq.

0.0480 -X 0.0480−X

0.0524895 -X 0.0524895−X

+X X

+X X

Hallando la constante de equilibrio: K eq =

[ CH 3 COO CH 3 ][ H 2 O ] [ CH 3 COOH ][ CH 3 OH ]

Reemplazando: K eq =

( X )(X ) (0.0524895−X )(0.04801471−X )

Reemplazando el valor hallado en (α ¿ :

K eq =

( 0.022264064)(0.022264064) (0.0524895−0.022264064)(0.04801471−0.022264064)

K eq =0.1106825023

18

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TUBO N° 7: Rx: HCl CH 3 OH +CH 3 COOH ⇋ CH 3 COO CH 3 + H 2 O Datos:

V Hcl=4 ml

V C H COOH =0 ml

;

ρ Hcl=1.0378

;

3

gr ml

ρC H COOH =1.05 3

gr ml

% purezaC H COOH =99.98 % 3

V C H COOC H =4 ml 3

3

ρC H COOC H =0.798 3

3

gr ml

% purezaC H COO C H =99.5 % 3

3

V H O =0 ml

;

2

ρ H O =0.998 2

gr ml

Calculando los # de moles de C H 3 COOC H 3:

nC H

3

COOC H 3

=4 ml x

0.79 gr C H 3 COO C H 3 99.5 1 mol C H 3 COO C H 3 x x 1 ml C H 3 COOC H 3 100 74 gr C H 3 COO C H 3

nC H

3

COOC H 3

=0.04248918 moles C H 3 COO C H 3

Calculando los # de moles de C H 3 O H : 19

ING. IPANAQUE MAZA CALIXTO

Laboratorio de Fisicoquímica II

nC H

3

OH

=1 ml x

0.79 gr C H 3 O H 99.98 1 mol C H 3 O H x x 1 ml C H 3 O H 100 32.9 gr C H 3 O H

nC H

3

OH

=0.024000 moles C H 3 O H

Calculando los # de moles de H 2 O :

Aplicando: CH COOH COOCH ntotales +nCH +n HCl H O =nH O H O H O 3

2

COO CH nCH =4 ml x H O 3

3

2

2

3

2

3

2

0.932 gr CH 3 COO CH 3 0.5 1 mol H 2 O x x = 1.03555 x 10−3 mol H 2 O 1ml CH 3 COOCH 3 100 18 gr H 2 O

SOLUCIÓN PURO n HCl - n HCl = H O = n HCl 2

n HCl H O = 3.908 gr H 2 O x 2

4 ml x 1.0378 gr 4 ml x 1.66 mol 36.5 gr HCl − x =3 . 908 gr 1 ml 1000 ml 1 mol

1mol H 2 O = 0.21715778 mol H 2 O 18,02 gr H 2 O

n H O=0 mol H 2 O 2

COOH nCH = 0 mol H 2 O H O 3

2

OH nCH = 1 ml x H O 3

2

0.79 gr C H 3 COO H 0.5 1 mol H 2 O x x = 2.194444 x 10−4 mol H 2 O 1 ml C H 3 COO 100 18 gr H 2 O 20

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Laboratorio de Fisicoquímica II

−4 −3 ntotales H O =0.21715778+ 2.194444 x 10 +1.03555 x 10 2

ntotales H O =0.2184127 mol H 2 O 2

En el tubo N° 7 Se utilizará un volumen de 34.4 ml de Na0H para titular 1.5ml de la mezcla homogénea, ¿Cuánto V NaOH se necesitará para titular 9 ml de la mezcla homogénea?

34.4 ml Na0H V Na0H

1.5ml muestra (Tubo N°1) 9 ml muestra

Vteórico NaOH =0.2064 de NaOH

Como tenemos nuestra normalidad dada que es:

N NaOH =0.21506 N

Calculamos el número de moles del Éster que se disocia: ¿≡. NaOH =¿≡. HCl+¿≡. C H 3 COOC H 3 ¿ X =¿ X =( 0.21506 ) ( 0.2064 ) −(

1.66 )(4) 1000 21

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Laboratorio de Fisicoquímica II X =0.037748384 mol C H 3 COOC H 3 … … … …(α )

De la Rx:

CH 3 OH +CH 3 COOH ⇋ CH 3 COO CH 3 + H 2 O In° Rx Eq.

+X X

0.04248918 -X 0.04248918−X

+X X

0.024000 -X 0.024000−X

Hallando la constante de equilibrio: K eq =

[ CH 3 COO CH 3 ][ H 2 O ] [ CH 3 COOH ][ CH 3 OH ]

Reemplazando: K eq =

(0.04248918−X )(0.024000− X) (X )( X )

Reemplazando el valor hallado en (α ¿ :

K eq =

(0.04248918−0.037748384)(0.024000−0.037748384) (0.037748384)(0.037748384)

K eq =−0.045741 Finalmente con los datos obtenidos y acoplados de otros grupos podemos completar la siguiente tabla: Tubo

HCl(3 M )

CH 3 COOH

CH 3 OH

CH 3 COOC H 3

H2O

1

4ml

-

-

5ml

-

8.422

2

4ml

-

-

3ml

2

2.4312

3

4ml

-

-

2ml

-

1.263

4

4ml

1ml

4ml

-

-

0.5642

Ke

22

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Laboratorio de Fisicoquímica II 5

4ml

2ml

3ml

-

-

0.1221

6

4ml

3ml

2ml

-

-

0.1042

7

4ml

4ml

1ml

-

-

0.0425

8

4ml

-

1ml

4ml

-

-0.0457

Se puede observar como la constante de equilibro Ke decrece.

CONCLUSIONES

VI. 

El equilibrio químico es espontáneo porque se establece en un determinado tiempo.



Se comprobó que existen diversos factores capaces de modificar el estado de equilibrio de un proceso químico, como son la temperatura, presión y efecto de la concentración.



Un aumento en la concentración de los reactivos, hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de productos y viceversa.

VII.

RECOMENDACIONES



Tener cuidado al usar los reactivos concentrados.



Calibrar la balanza antes de pesar sustancias.



Secar bien el picnómetro para tener buenos resultados.



Al llenar los tubos taparlos bien para evitar perdida de muestra en los días siguientes.



Al Terminar la experiencia limpiar el área de trabajo.

23

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Laboratorio de Fisicoquímica II

VIII.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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ING. IPANAQUE MAZA CALIXTO