trabajo termoquimica ii

Descenso CrioscòpicoTERMODINAMICA QUIMICA II 

Ponentes:

Barrios Quant Aníbal José Benavides Cárdenas Gabriel Rubén Caballero Argüelles Santiago Andrés Romero Estrada Álvaro Rafael

Autores de la practica:

Carrillo Palomino Roodney Alberto JESUS DAVID ARIZA ROYETH

García Lora Vanessa María DIEGO ARMANDO CABRALES Meza Castro Ismael Fernando JOHN ROBERT CARPINTERO Rada Gil Aura María GERMAN ALFONSO NAVARRO

Resumen

En el presente trabajo se comprueba experimentalmente las relaciones del la disminución del punto de fusión denominado descenso crioscópico con la concentración del soluto, para lo cual se trabajó con el alcohol Terbutílico y con el benceno como solventes y naftaleno como soluto, medidos en diferentes concentraciones para así hallar su tendencia.

Introducción

A finales del siglo XIX el químico francés Francois Raoult explicara a partir de sus observaciones y experimentos que: al adicionar un soluto en un solvente puro se reduce la presión de vapor del disolvente al igual que sus puntos de congelación, y que esta variación solo es proporcional a la cantidad de soluto disuelto y no depende de su naturaleza.

El descenso del punto de congelación de un solvente en una solución con respecto a su punto de congelación puro a la misma presión se denomina descenso crioscòpico.

Marco teórico-Descenso Crioscòpico: entre la fase solida-liquida.Causas y efectos en un sistema de mezcla.

Ciertas propiedades de las disoluciones que depende de la concentración de las partículas disueltas, y no de la naturaleza química de estas, se denominan propiedades coligativas.Propiedades coligativas:• Disminución de la presión de vapor• Presión osmótica• Aumento del punto de ebullición• Descenso Crioscópico.

• la fase liquido-solido: el cambio de un estado a otro.

La solidificación es una transformación que se produce discontinua. Se produce por la nucleación y crecimiento de un solido en el seno de un liquido.Podemos seguir proceso de solidificación mediante la figura 1.

Si T>Tf, fase liquida es mas estableSi T<Tf, fase solida es mas estable Tf=temperatura de fusion.

La temperatura de fusión es el punto donde Gs=GlGs= energía libre de gibbs fase liquidaGl= energía libre de gibbs fase solida

• Punto de fusión y de solidificación.

La temperatura de fusión y de solidificación siempre son iguales.

El cambio de solido a liquido se denomina fusión. El proceso inverso (de liquido a solido) se denomina solidificación.

• Principio del descenso Crioscòpico: concepto teórico.

Se conoce como descenso Crioscópico a la disminución de la temperatura del punto de congelación que experimenta una disolución con respecto a la del disolvente puro.

= magnitud del descenso Crioscópico.=temperatura de congelación del disolvente puro=temperatura de congelación de la disolucion.

Figura 2: diagrama de fase del agua pura y en soluciónIRA N. LEVINE fisicoquímica quinta edición (2004)

Todas las propiedades coligativas son consecuencias de la disminución del potencial químico del disolvente provocado por la presencia de un soluto.

μ*A(s)=μ*A(l) + RT ln xA

Donde μ*A(s) es el potencial químico del solvente sólido, μ*A(l) es el potencial químico del solvente líquido del mismo y xA es la fracción molar de solvente.

Reorganizando la expresión podemos escribir:

Ln

Pero = Donde es la energía de Gibbs de fusión del

solvente puro A.

Para encontrar un relación entre un cambio en la composición y un cambio en la temperatura de fusión;

Por la relacion de Gibbs-Helmholtz, tenemos:

= -

= - = - dT

Integramos desde :

= Del lado derecho integramos asumiendo que es independiente de T para pequeños intervalos de

temperaturas utilizadas

= ( - )Queremos expresar la dependencia de T en función de la concentración de soluto= ( - )Asumimos una cantidad de soluto B muy pequeña tal que luego = ( - )

Como asumimos que T - =

Podemos reorganizar para obtener = , sabiendo que =

diagrama potencial químico vs temperatura

• Ecuaciones- Disoluciones diluidos de no electrolitos:

disoluciones con solutos que no se disocian (no electrolitos).

: diferencia entre la temperatura de congelación del disolvente puro y la temperatura de congelación de la disolución.: constante crioscopica.: molalidad de la disolucion

- Disoluciones diluidas de electrolitos: se introdujo el factor de van't Hoff (). de esta forma la nueva ecuaciones para el descenso Crioscópico toma la siguiente forma:

Donde:

Y se define como el cociente entre el valor experimental de la propiedad coligativa media y el valor teórico que se deduce de las ecuaciones de Raoult.

• Constante Crioscópica

Donde son temperatura de fusión, entalpia de fusión y peso molecular del solvente.

Disolvente Fórmula Masa molarg/mol

Entalpía de fusiónkJ/mol

Temperatura de fusión

°C

kf

°C·kg·mol-1

Ácido acético C2H4O2 60,05 11,54 16,6 3,63

Agua H2O 18,02 6,01 0,0 1,86

Anilina C6H7N 93,13 10,56 -6,0 5,23

Benceno C6H6 78,11 9,95 5,5 5,07

Ciclohexano C6H12 84,16 2,63 6,6 20,8

Ciclohexanol C6H12O 100,16 1,76 25,4 42,2

Dietanolamina C4H11O2N 105,14 25,09 28 3,16

Etilenglicol C2H6O2 62,07 11,23 -13 3,11

Fenol C6H6O 94,11 11,29 40,9 6,84

Glicerol C3H8O3 92,09 8,48 18,2 3,56

Tolueno C7H8 92,14 6,85 -94,9 3,55

p-xileno C8H10 106,17 16,81 13,2 4,31

Tabla 1 algunas constantes crioscópicas y su relación con el punto de fusión de ciertas sustancias seleccionadas

• Algunas aplicaciones- Anticongelantes.- Determinación de la masa molecular de

sustancias.- Análisis clínico de sangre, orina, etc,.- Conservación de la “cadena” de frio de algunos

medicamentos.

• Causas del descenso Crioscópico

Analizando desde la entropía de un una sustancia en estado solido(s) y liquido(l) en comparación con una solución (dis) tenemos que:

Para este caso en especial entre la transición de fase de un disolvente puro() y la solución ( será:

A partir de la definición entropía la funcionalidad entre la entalpia del proceso reversible entre la temperatura de dicha transición:

Reemplazando en la ecuación anterior obtendremos que: 

Objetivos

• General:analizar el descenso del punto de fusión de un disolvente puro con respecto a un soluto presente para determinar y comparar la constante crioscopica obtenida experimentalmente con la constante repostada en la literatura.

• específicos:- Identificar las propiedades coligativas y de que manera

influyen en los disolventes empleados para la determinación de los puntos de congelación de las disoluciones.

- Conocer las utilidades del punto de congelación de una sustancia, viendo sus aplicaciones en nuestra vida cotidiana.

- Reconocer gráficamente el descenso en el punto de congelación, consiguiendo una adecuada interpretación de un diagrama de temperatura Vs tiempo.

- Analizar como la concentración puede alterar y diferenciar las disoluciones en los puntos de congelación de diferentes sustancias.

Metodología Experimental

Para esta práctica se utilizaron los siguientes materiales:

1 Erlenmeyer de 500ml1 Erlenmeyer de 1000mlTermómetro digitalTermómetro de precisión2 CorchosCronómetroVidrio reloj2 EspátulasBalanza digital

2 Probetas1 Agitador4 Tubos de ensayo1 Pipeta1 Equipo de destilación1 Mechero bunsenSoportes, pinzas, nueces y manguerasBomba auxiliar

En cuanto a los reactivos tenemos:

• Alcohol terc butílico

• Hielo• Naftaleno

• Benceno• Agua destilada

1) Inicialmente se lavaron los materiales de trabajo.2) Se midieron 10ml de terc-butanol con ayuda de las probetas y se depositó en un tubo de ensayo.3) Se preparó un baño de agua fría utilizando el hielo en un erlenmeyer de 1000ml.4) Se utilizó el termómetro para medir la temperatura del reactivo. Inicialmente se registro una temperatura inicial para un tiempo igual a cero

5) Seguidamente se colocó el tubo de ensayo dentro del baño de agua fría y se procedió a medir la temperatura para el tubo. Con un cronómetro se controló el tiempo desde que apareció el primer cristal hasta que se cristalizó toda la sustancia. Se tomó un intervalo de tiempo específico el cual fue de 10 segundos y observar su cristalización parcial en cada intervalo de tiempo. El tiempo total fue de 1:20minutos.

6) Se pesaron 0.1g de soluto (naftaleno) y se mezcló por separado con los solventes (terc-butanol y benceno) produciendo las siguientes mezclas:Terc-butanol + naftalenoBenceno + naftalenoPosteriormente se procedió como en el punto 5)7) Se procedió a depositar las mezclas en los respectivos depósitos de desechos.

Resultados Los resultados obtenidos reflejaran los datos del

cambio de temperatura respecto al tiempo en una transición de fase. Se presentarán divididos en dos partes, una parte comprendida por los solventes puros y la otra por la mezcla de los solventes con los solutos.

Discusión de resultados

En el documento se calculan las constantes crioscópicas del solvente puro a partir del punto de fusión obtenido en la experiencia y a partir del descenso de la temperatura de fusión debido a las concentraciones del soluto en el solvente puro, es decir, debido a la molalidad.

• Terc-butanol PuroLa tabla presenta el cambio de temperatura respecto al tiempo para un intervalo de tiempo de 10 segundo.

 Tiempo (s)

1er registro de datos

2er registro de datos

Promedio de Temperaturas

Temperaturas (°C)

Temperaturas (°C)

0 32 32.5 32.25

10 31.8 32.4 32.1

20 31.5 32.2 31.85

30 31.2 32 31.6

40 31 31.6 31.3

50 30.5 30.9 30.7

60 30 30.5 30.25

70 29.5 30.2 29.85

80 29 29.8 29.4

Aparición de los primeros cristales

30.2 30.5 30.35

0 10 20 30 40 50 60 70 8029

29.5

30

30.5

31

31.5

32

32.5Alcohol Ter-butilico puro

tiempo(s)

Tem

pera

tura

(°c

)

data 1

• Terc-butanol con diferentes concentraciones de soluto (Naftaleno)

En la tabla se muestra el cambio de temperatura con intervalos de tiempo de 10 segundos habiendo agregado con anterioridad 0.12g de naftaleno. 

Tiempo (s)1er registro de datos

2er registro de datos

Promedio de TemperaturasTemperaturas

(°C)Temperaturas (°C)

0 31.5 32 31.75

10 31.4 31.8 31.6

20 30.2 31.5 30.85

30 30.6 31 30.8

40 29.5 30.2 29.85

50 28.6 29.4 29

60 27.5 28.4 27.95

70 26.8 27.4 27.1

80 25.8 26.6 26.2

Aparición de los primeros cristales

29.5 29.6 29.55

0 10 20 30 40 50 60 70 8026

27

28

29

30

31

32

tiempo(s)

Tem

pera

tura

(°c

)

Alcohol Ter-butilico con 0,12g de Naftaleno

data 2

En la tabla se muestra el cambio de temperatura con intervalos de tiempo de 10 segundos agregando 0.11g mas de naftaleno a los 0.12g anteriormente adicionados. Tiempo (s)

1er registro de datos

2er registro de datos

Promedio de Temperaturas

Temperaturas (°C)

Temperaturas (°C)

0 32 31.8 31.9

10 31 31.6 31.3

20 30.5 31 30.75

30 29.4 29.5 29.45

40 28.5 28 28.25

50 27.3 26 26.65

60 26 25.5 25.75

70 24.9 24.8 24.85

80 23.7 23.6 23.65

Aparición de los primeros cristales

27.5 28 27.75

0 10 20 30 40 50 60 70 8023

24

25

26

27

28

29

30

31

32

tiempo(s)

Tem

pera

tura

(°c

)

Alcohol Ter-butilico con 0,23g de Naftaleno

Se halla el descenso crioscópico de las temperaturas promedios de congelamiento del disolvente puro y de las disoluciones de la siguiente manera:∆T = Tf

PURO – Tf SLN

∆T1 = (30.35 + 273.15)K – (29.55 + 273.15)K

∆T1 = 0.8K

∆T2 = (30.35 + 273.15)K – (27.75 + 273.15)K

∆T2 = 2.6K

Para determinar la molalidad, se calcula la masa del Alcohol terc-butílico utilizada en la experiencia, obteniéndose que a la temperatura ambiente la densidad sea aproximadamente 0.786 g/ml.w = v*ρw = 0.786 *10 ml*1Kg/1000g = 7.86x10-3 Kg (CH3)3COH

Se calculan los moles de soluto en cada una de las disoluciones, teniendo en cuenta que el peso molecular del Naftaleno es 128.18 g/mol.n = n = = 9.36x10-4 mol C10H8

n = = 1.79x10-3 mol C10H8

Con los datos anteriores, es posible calcular la molalidad de cada disolución: = = 0.119 m

= = 0.227 m

Según siguiente la ecuación podemos hallar la constante crioscópica del alcohol terc-butílico graficando ΔT vs b. Kc = 16.667 K*Kg/mol

0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.240

0.5

1

1.5

2

2.5

3

b(mol/kg)

desc

enso

(°k)

descenso crioscópico vs molalidad

y = 16.667*x - 1.1833

Para hallar la constante crioscópica, teniendo en cuenta los datos del solvente; se utiliza la siguiente ecuación: Kc =

Donde M, Tf y corresponden al peso molecular, temperatura de fusión y entalpia de fusión del solvente. Por lo tanto:Kc = =

= 8.47 K*Kg/mol

Teniendo el valor teórico para la constante crioscópica del Alcohol terc-butílico igual a 9.1°C/m, se halla el porcentaje de error para así realizar una comparación entre ambos y analizar las posibles causas del error. % Error = *100% Error = *100% Error = 6.92 %

• Benceno puroLa tabla presenta el cambio de temperatura respecto al tiempo para un intervalo de tiempo de 10 segundos.

t (s) T (°C)

0 25

10 20

20 15

30 12

40 10

50 9

60 8

70 7

80 6

90 5

100 5

110 5

120 4

Aparición de los primeros cristales

5

0 10 20 30 40 50 60 70 804

6

8

10

12

14

16

tiempo(s)

Tem

pera

tura

(°c

)

Benceno puro

• Benceno con diferentes concentraciones de soluto (Naftaleno)

En la tabla se muestra el cambio de temperatura con intervalos de tiempo de 10 segundos habiendo agregado con anterioridad 0.32g de naftaleno.

 Tiempo (s)

1er registro de datos

2er registro de datos

Promedio de Temperaturas

Temperaturas (°C)

Temperaturas (°C)

0 14 15 14.510 13 14 13.520 11 11 1130 9 10 9.540 7 8 7.550 6 7 6.560 5 6 5.570 5 5 580 4 4 4Aparición de cristales

4 4 4

0 10 20 30 40 50 60 70 804

6

8

10

12

14

16

tiempo(s)

Tem

pera

tura

(°c

)

Benceno con 0,32g de Naftaleno

En la tabla se muestra el cambio de temperatura con intervalos de tiempo de 10 segundos agregando 0.23g mas de naftaleno a los 0.32g anteriormente adicionados.

 Tiempo (s)

1er registro de datos

2er registro de datos

Promedio de Temperaturas

Temperaturas (°C)

Temperaturas (°C)

0 12 13 12.5

10 10 11 10.5

20 8 10 9

30 7 8 7.5

40 6 7 6.5

50 5 5 5

60 4 5 4.5

70 3 3 3

80 3 3 3

Aparición de los primeros cristales

3 3 3

0 10 20 30 40 50 60 70 803

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

tiempo(s)

Tem

pera

tura

(°c

)

Benceno con 0,55g de Naftaleno

Se halla el descenso crioscópico de las temperaturas promedios de fusión del disolvente puro y de las disoluciones usando la ecuación. ∆T = Tf

PURO – Tf SLN

∆T1 = (5 + 273.15) – (4 + 273.15)

∆T1 = 1K

∆T2 = (5 + 273.15) – (3+ 273.15)

∆T2 = 2K

Para determinar la molalidad, se calcula la masa del Benceno utilizado en la experiencia, teniendo en cuenta que la densidad es aproximadamente 0.876 g/ml entre los 20 y 25ºC. Y se toma la ecuación (13) usada anteriormente para el procedimiento del alcohol

w = 0.876 *10 ml*1Kg/1000g = 8.76x10-3 Kg C6H6

De la misma manera como se hizo con el alcohol, se calculan los moles de soluto en cada una de las disoluciones.n = = 1.79x10-4 mol C10H8

n = = 4.29x10-3 mol C10H8

Con los datos anteriores, es posible calcular la molalidad de cada disolución:b1 = = 0.020 m

b2 = = 0.489 m

Según siguiente la ecuación podemos hallar la constante crioscópica del alcohol terc-butílico graficando ΔT vs b. Kc = 2.132 K*Kg/mol

0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.240.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

b(mol/kg)

descenso(°

k)

descenso crioscópico vs molalidad

Para hallar la constante crioscópica, teniendo en cuenta los datos del solvente; se utiliza la ecuación (15):Kf = =

= 5.09 K Kg/mol

Teniendo el valor teórico para la constante crioscópica del benceno igual a 5.12K/m , se halla el porcentaje de error para así realizar una comparación entre ambos y analizar las posibles causas del error. % Error = *100% Error = 0.58

Discusión de resultados

En el documento se calculan las constantes crioscópicas del solvente puro a partir del punto de fusión obtenido en la experiencia y a partir del descenso de la temperatura de fusión debido a las concentraciones del soluto en el solvente puro, es decir, debido a la molalidad.

Porcentaje de error temperatura medida para terbutanol

Porcentaje de error de temperatura medida para benceno

6.92 y 0.58% porcentajes de error constantes crioscopicas para terbutanol y benceno respectivamente

Sustancia

Soluto Punto de fusión Empírico (°C)

Punto de fusión real (°C)

Error (%)

Constante Crioscópica obtenida K*Kg/mol

Constante Crioscópica Real K*Kg/mol

Error (%)

Terc-butanol

- 30.35 26-27 14.5

Terc-butanol

Naftaleno

Benceno

- 5 5.5 9 3.63 3.68 1.37

Benceno

Naftaleno

5.09 5.12 0.58

Conclusiones1) Se comprobó experimentalmente los valores de

las constantes para el benceno y el alcohol terc-butílico dando errores del 0.58% y 6.92 respectivamente, además de observarse que la temperatura de fusión del solvente puro es mayor que cuando está en disolución.

Recomendaciones Antes de empezar las mediciones, se debe tener

el equipo limpios y calibrados para disminuir los errores sistemáticos.

El baño frío debe estar a una temperatura constante para así evitar las diferencias que se puedan presentar en el punto de congelamiento.

Se recomienda usar protección y trabajar en un lugar con ventilación debido a que los vapores del benceno y alcohol terc-butílico son tóxicos y pueden provocar irritaciones en nuestro organismo.

Se hace necesario tener un equipo de refrigeración ya que se hace complicado mantener el baño con hielo a temperatura constante.

Se debe asegurar que los reactivos sean puros o que tienen la concentración mostrada por su etiqueta, puesto que muchas veces la concentración que se muestra no es la correcta o los reactivos tienen demasiado tiempo o por el mal almacenamiento han perdido muchas de sus propiedades.

Ajustar bien el termómetro al montaje para ser más exactos en la medida y sellar bien con un tampón para evitar la evaporación del terc-butanol ya que este es muy volátil.

Utilizar disolventes no volátiles a temperatura ambiente pero de puntos de fusión altos para así notar mejor el descenso.

Es recomendable utilizar un medidor del punto de fusión en lugar de un termómetro, puesto que el primero es mas fácil y seguro de manejar y resultar excelente para el uso en el ámbito educativo. La temperatura se selecciona, mide y muestra digitalmente, lo que garantiza la exactitud y no es necesario el uso del termómetro.

El punto de congelación se podría calcular experimentalmente de otra forma. Consiste en ver cuando aparece la primera gota de líquido de una solución congelada, esto es posible ya que para la mayoría de las sustancias el punto de congelación es igual al punto fusión.

No desechar las sustancias después de utilizadas por las cañerías pues el benceno es cancerígeno y los otros compuestos son tóxicos también.