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Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Química Fisicoquímica 2

VOLUMEN MOLAR PARCIAL OBJETIVOS C2 H 5 OH



Determinar el volumen parcial molar en una mezcla binaria de



agua a un determinado % peso. Ve Realizar una gráfica de (volumen específico) de la solución vs. % peso con



los datos experimentales. Determinar la densidad de los líquidos empleando el picnómetro.

y

FUNDAMENTO TEORICO

Sea una solución constituida por moléculas A y B y en la cual los tamaños moleculares y las atracciones intermoleculares de los pares A-A, B-B y A-B son iguales; en estas condiciones se puede esperar un comportamiento lo más simple posible de la solución, esta se consideraría una solución ideal ya que existe uniformidad total de fuerzas intermoleculares que son consecuencia de un tamaño molecular y una estructura molecular semejante. Analizando una propiedad de la solución como volumen, para una solución ideal: Vm =VA + VB Donde: Vm: es el volumen de la mezcla VA: Es el volumen del componente A puro VB: es el volumen del componente B puro.

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Al estudiar soluciones reales, se observa desviaciones del comportamiento ideal debido a que se tiene componentes con tamaños moleculares diferentes entre moléculas del sistema no son iguales. Por ejemplo, al mezclar 50 ml de agua con 50 ml de metanol, el volumen de la solución es de 95ml. V m ≠ V A+ V B Al estudiar este tipo de casos, no hay manera de determinar que parte de la concentración se debe al agua y que parte se debe al alcohol, dificultades semejantes se observan en otras propiedades termodinámicas. Para resolver este problema y emplear un método para manejar composiciones variables, Lewis inventó las cantidades molares parciales, aplicables a cualquier propiedad termodinámica extensiva como entalpía, energía interna, energía de Gibbs o el volumen. DETERMINACIÓN DE MAGNITUDES MOLARES PARCIALES Existen dos métodos para determinar por vía experimental cualquiera de las Propiedades molares parciales: i) ii)

método de la pendiente método de la intersección de las ordenadas en el origen

Consideramos una disolución de dos componentes, disolvente (1) y soluto (2). El volumen total de la disolución será: P,T Constante

i) Método de la pendiente. Para medir el volumen molar parcial del Componente 2, se preparan disoluciones con el mismo número de moles del disolvente (1) (n1= cte) pero variando el número de moles del componente (2), trabajando a presión y temperatura constantes (esto es fácil, vale con hacerlo a

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temperatura ambiente en el laboratorio). Se mide el volumen total de las diferentes disoluciones y se hace la siguiente tabla de los resultados experimentales. Una vez obtenidos los volúmenes totales se representa V de la disolución frente al número de moles del componente 2 de la siguiente forma:

Fig.

1.

Volúmenes totales medidos para una serie de disoluciones dondelas mezclas tienen el mismo número de moles de disolvente pero diferente número de moles de soluto, a p y T constantes.

Según se deduce de la ecuación [2], la pendiente de la recta tangente a la curva a cualquier composición será el volumen molar parcial del componente 2,V2. Y una vez obtenidoV2 será fácil conocer el volumen molar parcial del disolvente, utilizando la ecuación:

Recuerda el significado de la pendiente de la tangente a una curva: si se

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representa la variable del numerador de una derivada en el eje y, y la variable

el denominador de la derivada en el eje x, SIEMPRE, la pendiente de la tangente en un punto será la magnitud que defina esa derivada. Para este caso será:

ii) Método de las ordenadas en el origen: Se prepara una serie de disoluciones a diferentes fracciones molares de 1 (Xi) y 2 (X2), y se representan los volúmenes molares medidos para estas disoluciones, (V = V/n, siendo n = n1+ n2) frente a la fracción molar de uno de los componentes, X2.

Fig. 2. Volúmenes molares medidos para una serie de disoluciones donde las mezclas tienen diferente fracción molar. MATERIALES:

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Secar bien el picnómetro en el secador para poner a pesar correctamente (limpio y seco)

m1

=

masa

picnometro

Llenar con agua destilada el picnómetro luego pesar

m2 ¿ masa picnometro+ H O 2

Calcular el volumen del picnómetro con la relación a una temperatura dada, en este caso

T H O=17 ° C 2

ρH O = 2

17 ° C

m2−m1 volumen picnometro

Determinar la densidad del

C2 H 5 OH /agua

a una determinada concentración por

ejemplo, .a 40% p/p primero debemos de pesar la solución. Será una m3=masa picnometro+C H 2

5

OH 4 0

por lo tanto la

masaC H 2

5

OH 4 0

=m3

-

m1

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ρ4 0

Luego calculamos

Con la siguiente relación

masaC H

porque tenemos

ρ4 0 =

2

5

OH 4 0

y

volumen picnometro

masaC H OH volum en picnometro 2

5

40

CALCULOS Y RESULTADOS Calculando los volúmenes molares para el alcohol etílico a 40%,50%,60% 70%,80% y 90% en concentración: PARA 40%: masa picnometro =36.2555 g masa picnometro +H O =60.5184 g 2

masa picnometro+C H 2

5

ρ H O =0.99886 2

17 ℃

ρH O = 2

17 ℃

OH

=59.0660 g

g ml

masa picnometro+ H O−masa picnometro volumen picnometro 2

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0.998 86=

60.5184−36.2555 volumen picnometro

volumen picnometro=24.29059

ρ4 0 =

masa picnometro+C H OH −masa picnometro volumen picnometro

ρ4 0 =

59.066−36.2555 =0.939067 g /ml 24.29059

2

5

1 =1.064884 ml/ g ρ4 0 PARA 50% ρ5 0 =

masa picnom etro+ C H OH −masa picnometro volumen picnometro

ρ5 0 =

58.608−36.2555 =0.920212 g /ml 24.29059

2

5

1 =1.086706 ρ5 0 PARA 60% ρ6 0 =

masapicnometro +C H OH −masa picnometro volumen picnometro

ρ6 0 =

58.4095−36.2555 =0.91204 g/ml 24.29059

2

5

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1 =1.096443 ml/ g ρ6 0 PARA 70% ρ7 0 =

masapicnometro +C H OH −masa picnometro volumen picnometro

ρ7 0 =

58.5954−36.2555 =0.9 19693 g/ml 24.29059

2

5

1 =1.0 87319 ρ7 0 PARA 80% ρ8 0 =

masapicnometro +C H OH −masa picnometro volumen picnometro

ρ8 0 =

58.2849−36.2555 =0. 90691 g /ml 24.29059

2

5

1 =1.102645 ml /g ρ8 0

PARA 90% ρ9 0 =

masapicnometro +C H OH −masa picnometro volumen picnometro

ρ9 0 =

57.9254−36.2555 =0.89211 g /ml 24.29059

2

5

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1 =1.120938 ml/ g ρ9 0 Graficando en data studio: Con los resultados obtenidos debemos de realizar una grafica: concentración % p/p vs volumen especifico de solución) Ingresando datos: X (concentración) y Y (volumen especifico de la solución)

Ahora debemos calcular los

volúmenes específico del agua y del alcohol. El valor del volumen especifico del agua es la intersección de la recta tangente con el eje y y la intersección con x= 1 es el volumen especifico del alcohol etílico. Con los datos del volumen específico hallamos la ecuación: Y = 8.4125x10-3 X2 + 0.080196 X + 1.0372288 La derivada de esta función será la ecuación de la recta tangente. Y´ = 0.016825 X + 0.080196 Hallamos los volúmenes parciales: Para 0%

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Y´ = 0.016825 (0) + 0.080196 = 0.080196 ml / g etanol Solo habrá, Vagua = (0.080196 mL agua/ g agua ) x (18 g agua / 1 mol agua) = 1.443528 ml /mol agua Para 40% Y´ = 0.016825 (0.4) + 0.080196 = 0.086926 ml / g mezcla (0.086926 ml / g mezcla ) x (1g mezcla / 0.4 g etanol) x46 =9.99649 ml/mol etanol (0.086926 ml / g mezcla ) x (1g mezcla / 0.6 g agua)x18 =2.60778 ml / g agua Para 50% (0.088608 ml / g mezcla ) x (1g mezcla / 0.5 g etanol)x46 =8.151936 ml / mol etanol (0.088608 ml / g mezcla ) x (1g mezcla / 0.5 g etanol)x18 =3.189888 ml / mol agua Para 60% (0.090291 ml / g mezcla ) x (1g mezcla / 0.6 g etanol)x46 =6.92231 ml / mol etanol (0.086926 ml / g mezcla ) x (1g mezcla / 0.4 g etanol)x18 =4.063095 ml / mol agua Para 70% (0.091973 ml / g mezcla ) x (1g mezcla / 0.7 g etanol)x46 =6.04394 ml / mol etanol (0.091973 ml / g mezcla ) x (1g mezcla / 0.3 g etanol)x18 =5.51838 ml / mol agua Para 80% (0.093656 ml / g mezcla ) x (1g mezcla / 0.8 g etanol)x46 =5.38522 ml / mol etanol (0.093656 ml / g mezcla ) x (1g mezcla / 0.2 g etanol)x18 = 8.42904 ml / mol agua Para 90%

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(0.095338 ml / g mezcla ) x (1g mezcla / 0.9 g etanol)x46 =4.872831 ml / mol etanol (0.095338 ml / g mezcla ) x (1g mezcla / 0.1 g etanolx18) =17.16084 ml / mol agua Para 100% Y´ = 0.016825 (1) + 0.080196 = 0.097021 ml / g mezcla V100% = (0.097021 mL / g etanol) x (46 g etanol/ 1 mol etanol) = 4.462966 ml/mol etanol.

RECOMENDACIONES

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 

Revisar que la balanza este seca y limpia para no obtener errores en los cálculos. Tener cuidado al llenar el picnómetro. Este no tiene que rebalsar.  Se recomienda utilizar la estufa para asegurarnos que nuestros materiales estén 



completamente secos. También debemos evitar el contacto innecesario con el picnómetro ya que

estamos impregnando de grasa al tocarlo con las manos. Debemos secar la parte exterior del picnómetro antes de llevar a la balanza electrónica. CONCLUSIONES Se determinó la densidad del alcohol a diferentes porcentajes (densidad de la solución) empleando el picnómetro a temperatura ambiente, obteniéndose menos error. El volumen específico de la solución es la inversa de la densidad de la solución. De la gráfica mostrada se obtuvo una curva que nos ayuda a determinar el volumen específico del agua y el volumen específico del etanol. A partir del volumen especifico que es la inversa de la densidad, se calcula el volumen molar en L/MOL para hallar el volumen molar parcial, para el agua y el etanol que conforman esta mezcla. Notamos que la densidad disminuye al aumentar el porcentaje en peso, lo cual hace que el volumen parcial del etanol aumente al aumentar el porcentaje en peso de este. Vemos que el volumen molar parcial de cada componente generalmente cambia cuando se mezclan los componentes a diferentes proporciones, es decir, el volumen molar parcial del alcohol de composición 20% en peso, será diferente del volumen molar parcial del alcohol de composición 90% en peso. Lo mismo ocurre para el agua. En la gráfica es fácil ver que efectivamente el valor del volumen molar

parcial

de cada componente varía con la composición. BIBLIOGRAFIA 

Fisicoquímica,

P

.

W. Atkins

IBEROAMERICANA; 1991

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Editorial

ADDISON-WESLEY

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R. Portillo

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Editorial