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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMATICAS DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUIMICAS Y AMBIENTALES

LAB. FÍSICO-QUÍMICA

VOLUMEN MOLAR PARCIAL

INTEGRANTES: Ericka Arelys Alava Menoscal Jessica Maribel Buñay Buñay Sebastián Mendoza Castillo

PROF: Ing. Bernardo Humberto Mora Andrade

Paralelo: 1

Guayaquil- Ecuador

VOLUMEN MOLAR PARCIAL 1.- OBJETIVO GENERAL Determinar experimentalmente el volumen molar parcial de componentes

2.- OBJETIVO ESPECIFICO 

Utilizar el método del picnómetro para determinar el volumen molar parcial



de componentes puros. Utilizar mezclas binarias de composición conocida para determinar el



volumen molar parcial de la misma. Afianzar los conocimientos adquiridos en clases.

3.- INTRODUCCIÓN Dentro del estudio de las propiedades que caracterizan a los sistemas termodinámicos se aborda el concepto de propiedades intensivas y extensivas, siendo las propiedades intensivas aquellas que no dependen de la cantidad de materia, y las extensivas aquellas que dependen de la cantidad de materia. La densidad es una propiedad intensiva, cuya magnitud en una mezcla líquida varía por lo general en una forma no lineal con su composición. Como ejemplo tenemos que si se deseara preparar 100 cm 3 de una bebida alcohólica mezclando 30 cm3 de etanol con 70 cm 3 de agua, solamente 97.3 cm 3 de mezcla y no con 100 requeridos (volumen ideal). Esto sucede debido al empaquetamiento molecular de la mezcla cambia con respecto al de los componentes puros, es decir, los volúmenes molares parciales de los componentes puros en una mezcla cambian con la composición debido a que el entorno de cada molécula también lo hace, al variar la composición desde A puro hasta B puro. El volumen molar parcial del componente A en una mezcla binaria se define como: V A=

∂Vm ∂ nA

O sea, expresa el cambio en el volumen de la mezcla Vm al aumentar la cantidad de moles del componente A (��), manteniendo constantes la cantidad de moles del otro componente (��), la temperatura y la presión. Por tanto, el volumen de la mezcla a cualquier composición molar x es: Vm=n A V´ A + nB V´ B La composición molar se expresa por: XA=��/��, XB=1- XA, en donde �� es el número total de moles de A y de B en la mezcla, por tanto el volumen molar de mezcla se expresa como:

Vm=X A V´ A + X B V´ B

Puesto que en mezclas etanol-agua �� y �� cambian con la composición, el volumen total para cualquier valor de x debe calcularse por el método gráfico de las ordenadas al origen, mediante el trazo de la tangente sobre la curva del volumen molar de mezcla �̅� ��. Composición molar, en la composición deseada ��, correspondiendo las interacciones de la tangente con los ejes verticales, a los volúmenes molares parciales �� y �� que se deben sustituir en la ecuación anterior.

4.- MARCO TEÓRICO Las magnitudes termodinámicas como la entropía S, energía interna E, volumen V o entalpía H son magnitudes extensivas, que dependen de la cantidad de Sustancia. Es conveniente introducir magnitudes termodinámicas que no dependan de la masa y tengan un valor determinado en cada punto del sistema. En otras palabras, hemos de cambiar las variables extensivas en intensivas. Esto se hace dividiendo por la masa (El cociente entre dos magnitudes extensivas es

una magnitud intensiva). Así aparecen las magnitudes molares y, para una mezcla de componentes, se define la magnitud molar parcial. Se cumple que toda propiedad extensiva, X, de una mezcla viene dada por:

X  X 1n1  X 2 n2  ......  X i ni Donde

es la magnitud molar parcial del constituyente i. Dicha magnitud

representa la contribución por mol del componente i a la propiedad total X del sistema y se define así:

 X i   X   n i 

T , P,n j  i

Vi Así, por ejemplo, el volumen molar parcial,

, expresa el aumento que

experimenta el volumen del sistema en la adición, a P y T ctes de un mol de i a una cantidad tan grande de aquel que no produce cambio apreciable en la

Vi concentración. El valor de

variará, naturalmente con la concentración de i. En

Vi una mezcla ideal,

, es igual al volumen molar

V 0i

de la sustancia pura.

Para determinar volúmenes molares parciales en mezclas binarias es adecuado el método de las ordenadas en el origen. Consideremos, por ejemplo, una mezcla binaria con un total de un mol de ambos componentes, cuyas fracciones molares son x1 y x2.

Por tanto:

x1  x 2  1  dx1  dx 2  0

Como:

V  V1 x1  V2 x 2 dV  V1 dx1  V2 dx2

dx1  dx 2 dV  V2  V1  dx 2 Si los volúmenes de mezclas de distinta composición, pero con una molaridad total unidad, se representan frente a las fracciones molares del componente 2, (Fig. 1), entonces las ordenadas en el origen BD y AC de la tangente a la curva en la fracción molar x2, son iguales a V2 y V1, para dicha composición. Sea α el ángulo formado por la tangente y la línea V=0; teniendo en cuenta la ecuación 2, se verificará:

tg   dV / dx 2   V2  V1 Ahora, bien:

BD  V  x1tg  V1 x1  V2 x 2  x1 V2  V1  BD  V2  x 2  x1   V2 Análogamente:

AC  V  x 2 tg  V1

Figura 1.- Método de las intersecciones para calcular magnitudes molares parciales.

Así mismo, las intersecciones sobre los ejes de coordenadas de las tangentes a la curva que resulta de representar la inversa de las densidades frente al % en peso, dan los volúmenes específicos parciales; si estos los multiplicamos por la respectiva masa molecular dan los volúmenes molares parciales.

5.- MATERIALES Y REACTIVOS

           

3 probetas graduadas de 25 ml 3 pipetas graduadas de 10 ml 1 picnómetro 1 agitador 3 vasos de precipitación 1 balanza analítica 1 bomba de vacío Papel tisú o secante 1 termómetro Agua destilada Etanol Acetona

6.- PROCEDIMIENTO 1.- Volumen del picnómetro 

En la balanza analítica pese el picnómetro vacío con su tapón. Es necesario



que el picnómetro este completamente seco. Llenar la probeta de 25 ml con agua destilada, registrar su temperatura y vaciar su contenido en el picnómetro, posicione el tapón esmerilado, seque perfectamente el agua que haya rebosado con papel secante o tisú y volver



a pesar. Consultar la densidad del agua a la temperatura registrada. La diferencia en pesos dividida entre la densidad del agua corresponde al volumen del picnómetro:

Vpicnometro=

Picn .lleno de agua−pic . vacio ρ H2O

2.- Densidad del etanol

(C H 3 C H 2 OH )



Vaciar unas gotas de acetona en el picnómetro, esto servirá para acelerar el



proceso de secado del picnómetro con la bomba de vacío. Llenar el picnómetro de etanol utilizando otra probeta de 25 ml y pesar en la



balanza analítica. Puesto que el volumen ya se lo determino en la parte I, la densidad del etanol se calcula dividiendo la diferencia de pesos del picnómetro lleno y vacío, entre el volumen del picnómetro: Picn .lleno de etanol− pic . vacio ρ(C H 3 C H 2 OH )= volumen del picnómetro

3.- Densidad de mezclas: 

Preparar distintas mezclas de etanol-agua con diferentes concentraciones, las mismas que detallan en la tabla 1, para ello utilizar una pipeta para medir el volumen de agua y otra para medir el volumen del alcohol. La



suma de estos dos volúmenes corresponden al volumen ideal de la mezcla. Con un agitador mezclar ambos volúmenes en una probeta de 25 ml, leer el volumen de cada mezcla y registrar su valor.



Vaciar el contenido de la probeta al picnómetro, taparlo, secarlo con l papel tisú, en caso de que la mezcla se haya sobrepasado del nivel del picnómetro.



Determinar el volumen de la mezcla ρm=

(ρm)

con la siguiente ecuación.

Picn . lleno de mezcla− pic . vacio Volumen del picnómetro

4.- Volumen específico molar de mezcla

Vm

se calcula a partir del inverso de

la densidad psicométrica M: masa molar

( M ETOH × n ETOH ) +( M H O∗n H O ) ~ V m ρic= ρm 2

2

V pic ~ V= m nt

7.- CÁLCULOS Calculo del volumen del picnómetro

Vpicnometro=

Picn .lleno de agua−pic . vacio ρ H2O

Vpicnometro=

51.0190 g−25.6911 g 0.9966 g /ml

Vpicnometro=25.41 ml Calculo de la densidad del etanol

(C H 3 C H 2 OH )

ρ(C H 3 C H 2 OH )=

Picn .lleno de etanol−Pic . vacio Volumen del picnómetro

ρ(C H 3 C H 2 OH )=

46.0123 g−25.6911 g 25.41 ml

ρ ( C H 3 C H 2 OH )=0.7997 g /ml

Calculo del peso de

H2O

1. 20 ml de

ρ=

H2O

m v

m=ρ × v m=( 0.9966 g/ ml )( 20 ml )=19.932 g 2. 15 ml

ρ=

H2O

m v

m=ρ × v m=( 0.9966 g/ ml )( 15 ml )=14.949 g 3. 10 ml

ρ=

H2O

m v

m=ρ × v m=( 0.9966 g/ ml )( 10 ml )=9.9660 g

Calculo del peso de

C H 3 C H 2 OH

1. 5 ml de

ρ=

C H 3 C H 2 OH

m v

m=ρ × v m=( 0.7997 g/ ml )( 5 ml )=3.9985 g 2. 10 ml

ρ=

C H 3 C H 2 OH

m v

m=ρ × v m=( 0.7997 g/ml )( 10 ml )=7.9970 g 3. 15 ml

ρ=

m v

C H 3 C H 2 OH

m=ρ × v m=( 0.7997 g/ ml )( 15 ml )=11.995 g

Calculo del

n ETOH C H 3 C H 2 OH

1. 5 ml de

n=

2. 10 ml

C H 3 C H 2 OH n=

3. 15 ml

2

H2O n=

m 19.932 g = =1.1073 mol PM g 18 mol

H2O n=

3. 10 ml

m 11.995 g = =0.2608mol PM g 46 mol

nH O

1. 20 ml de

2. 15 ml

m 7.9970 g = =0.1738 mol PM g 46 mol

C H 3 C H 2 OH n=

Calculo del

m 3.9985 g = =0.0869 mol PM g 46 mol

m 14.949 g = =0.8305 mol PM g 18 mol

H2O n=

m 9.9660 g = =0.5537 mol PM g 18 mol

Calculo de 1.

X ETOH

nt =n H O+ n ETOH 2

nt =1.1073 mol+0.0869 mol=1.1942 mol 2.

X ETOH =

nETOH 0.0869 mol = =0.0728 nt 1.1942 mol

X ETOH =

nETOH 0.1738 mol = =0.1731 nt 1.0043 mol

X ETOH =

nETOH 0.2608 mol = =0.3202 nt 0.8145 mol

nt =n H O+ n ETOH 2

nt =0.8305 mol+ 0.1738mol=1.0043 mol 3.

nt =n H O+ n ETOH 2

nt =0.5537 mol+ 0.2608 mol=0.8145 mol

Calculo de la densidad de las mezclas: 1.

ρm=

pic .lleno de mezcla− pic. vacio Volumen picnómetro

ρm=

49.1649 g−25.6911 g =0.9242 g /ml 25.41ml

ρm=

pic .lleno de mezcla− pic. vacio Volumen picnómetro

2.

ρm=

46.1816 g−25.6911 g =0.8064 g /ml 25.41ml

3.

ρm=

ρm=

pic .lleno de mezcla− pic. vacio Volumen picnómetro

43.4826 g−25.6911 g =0.7002 g/ml 25.41ml

Calculo del

Vmpic

1.

V m pic=

V m pic=

( M ETOH∗n ETOH ) +(M H O∗nH O ) 2

2

ρm

( 46 g/mol∗0.0869 mol )+(18 g∗1.1073 mol) =25.891 ml 0.9242 g/ml

2.

V m pic=

V m pic=

( M ETOH∗n ETOH ) +(M H O∗nH O ) 2

2

ρm

( 46 g/mol∗0.1738 mol )+(18 g∗0.8305mol) =28.452 ml 0.8064 g/mll

3.

V m pic=

V m pic=

( M ETOH∗n ETOH ) +(M H O∗nH O ) 2

2

ρm

( 46 g/mol∗0.2608 mol )+(18 g∗0.5537 mol) =31.367 ml 0.7002 g/ml

Calculo del volumen específico molar de la mezcla 1.

V pic ~ V= m nt ~ 25.891ml V= =21.681ml /mol 1.1942mol

2. V pic ~ V= m nt ~ 28.452ml V= =28.330 ml /mol 1.0043mol 3.

V pic ~ V= m nt ~ 31.367 ml V= =38.511 ml /mol 0.8145 mol

GRÁFICA

VOLUMEN MOLAR PARCIAL VS COMPOSICION MOLAR 45 40 35 30 25 VOLUMEN MOLAR (ml/mol)

20 15 10 5 0 0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

COMPOSICIÓN MOLAR (etanol) Valores Y

0.35

TABLA DE RESULTADOS

X ETOH (mole s)

n ETOH (mol es)

Peso ETOH m=nM (g)

Peso H O 2

m=n M (g)

V ETOH V H m/

m/

ρ

ρ

(ml )

(ml )

5

2

O

ρm

V pic ~ V= m nt

V m pro

V m pic

(ml)

(ml)

20

27.76

25.891

0.9242

21.681

(g/ml )

(ml/mol)

0.0728

0.0869 3.9985

19.932

0.1731

0.1738 7.9970

14.949 10

15

29

28.452

0.8064

28.330

0.3202

0.2608 11.995

9.9660 15

10

28.45

31.367

0.7002

38.511

8.- ANÁLISIS DE RESULTADOS De acuerdo a la gráfica tenemos que el volumen molar del etanol aumenta al aumentar la

concentración de este en la mezcla y esto se debe a que los

volúmenes molares parciales de los componentes de una mezcla varían con la composición ya que el entorno que rodea a cada tipo de molécula varía al cambiar la composición de etanol puro a agua pura. Este entorno molecular cambiante, y la consecuente modificación de las fuerzas intermoleculares, es el que produce la variación de las propiedades termodinámicas de una mezcla al cambiar de composición. Además podemos decir que el volumen molar parcial del etanol en la mezcla muestra el cambio en el volumen de la mezcla al aumentar la cantidad de moles de etanol, manteniendo la cantidad de moles de agua, temperatura y presión constantes.

9.- OBSERVACIONES El agua y el etanol son compuestos polares mezclables entre sí. La densidad de la solución disminuye conforme continua la mezcla. Las figuras 2, 3, 4 y 5 muestran que efectivamente el valor del volumen molar parcial de cada componente varía al cambiar las concentraciones de la solución.

El picnómetro asignado se rompió por descuido de los estudiantes La práctica es corta y fácil de realizar.

10.- CONCLUSIONES Mediante esta práctica hemos determinado de manera experimental el volumen molar parcial de una mezcla de etanol y agua, y establecemos de manera comprobada que esta medida aumenta a razón de que su concentración también lo haga. Podemos concluir que esta propiedad intensiva es prácticamente fácil de hallar en el laboratorio; sin embargo, se requiere de un alto grado de precisión al momento de realizar las medidas de los pesos y las densidades. los resultados obtenidos nos indican que a medida que la solución se encuentra más diluida el volumen parcial molar del solvente va decreciendo y a su vez el volumen parcial molar del soluto aumenta. En el volumen molar parcial quedan expresadas las diferentes interacciones moleculares que determinan el empaquetamiento de varias moléculas de solvente en torno a las moléculas de soluto. Este efecto es llamado solvatación.

11.- RECOMENDACIONES No agitar el picnómetro para secarlo cuando tiene la tapa puesta. El picnómetro debe estar completamente seco al momento de pesarlo en la balanza. El agua que se ha rebosado del picnómetro debe ser secado cuidadosamente con papel tisú. El picnómetro debe ser secado en una bomba de vacío y se debe utilizar acetona para este proceso. El picnómetro debe ser utilizado con cuidado, ya que es caro.

12. - BIBLIOGRAFÍA  Francis W. Sears, Mark W. Zemansky, Hugh D. Young, Roger A. Freedman. Física Universitaria con Física Moderna. Undécima edición, Pearson Educación, México, 2005.  Paul A. Tipler, Gene Mosca. Física para la Ciencia y la Tecnología, volumen 1. Reverté, Barcelona, 2005.  Harris, D. C. Análisis Químico Cuantitativo. 3ª ed. Capítulo 18. Ed. Reverté, 2007.