PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚFACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA

Laboratorio 2 de Físico-Química

QUINTA PRÁCTICAPROPIEDADES COLIGATIVAS

Fecha del experimento: 05 de Octubre

Integrantes: Código:

- Brenda D’Acunha 20067205- Carla Sánchez 20072193

2010

1. OBJETIVOS:

- A partir de curvas de enfriamiento obtener el punto de congelación de un solvente puro, así como su constante crioscópica, utilizando un soluto conocido. Además, determinar el peso molecular de una muestra problema.

- Comprobar que la variación de temperatura es independiente del tipo de soluto usado.- Comprobar que el descenso del punto de congelación no depende del tipo de soluto

usado, sino de la naturaleza del solvente.

2. MARCO TEÓRICO:

Propiedades coligativas

Las propiedades que dependen de la cantidad de moléculas, y no de la naturaleza de las mismas, son llamadas propiedades coligativas.Estas propiedades incluyen el aumento de la temperatura de ebullición, la disminución del punto de congelación y la presión osmótica.

Disminución del punto de fusión

La figura 1 nos muestra el diagrama de fases para un líquido puro (curva rosada) y para este líquido en una mezcla actuando como solvente (azul). En el punto de congelamiento del líquido, existe una ecuación entre el sólido y el líquido, de manera que la presión de vapor de la fase sólida y líquida sea la misma, así como también sean iguales los potenciales químicos (μ° (T , p , x )=μsólido(T , p)) y la tendencia de pasar de líquido a sólido. Luego, cuando se agrega un soluto no-volátil al líquido, la tendencia de transición de las moléculas del solvente de líquido a sólido disminuye, mientras que la tendencia de pasar de sólido a líquido queda sin afectarse. Los cristales del solvente entonces, se empiezan a disolver y la temperatura de congelación disminuye. Por este motivo se puede observar que el diagrama de fases para el solvente en solución está más abajo que el diagrama para el solvente puro.

Este descenso en el punto de congelación puede expresarse como:

∆T c=K f×m2

Donde m2 es la molalidad de las moléculas de soluto y K f es la constante crioscópica y es una función únicamente del solvente.

Figura 1

A partir de esta ecuación es posible hallar una fórmula para obtener el peso molecular del soluto M2:

De esta manera, si conocemos la cantidad de soluto agregada y la cantidad de solvente, es posible obtener el peso molecular del soluto utilizado.

3. MATERIALES Y REACTIVOS:

Materiales: 1 crióscopo1 vaso de 600 ml

1 vaso de 1 L 2 tubos de ensayo de 20x20 2 varillas de vidrio 2 termómetros (-10°C a 50°C) 1 pipeta volumétrica de 25 ml 1 pipeta graduada de 10 ml

Propipetas

Equipos: Balanza analítica Termómetro digital

Reactivos: Ciclohexano (grado reactivo) Hielo

Sal comúnDifeniloNaftaleno

4. PROCEDIMIENTO:

4.1.Prueba: Determinación de la temperatura de congelación del ciclohexano

4.2.Determinación de la temperatura de congelación del ciclohexano mediante el método del crióscopo:

4.3.Obtención del peso molecular de una muestra problema:

En vaso de 250mL con hielo introducir tubo de ensayo con 5mL de ciclohexano +

termómetro

Tapar el tubo con algodón para evitar el ingreso de humedad

Esperar que el compuesto se congele y medir la temperatura.

Introducir 25mL de ciclohexano en el tubo central del crióscopo.

Introducir termómetro y barra de agitación, y tapar

la boca del tubo con algodón.

Introducir en un vaso con agua helada y sal (3:19). Registrar la temperatura

cada 10s.

Anotarla temperatura de congelación del

ciclohexano

Dibujar la curva deenfriamiento del

ciclohexano.

Pesar 0.3g de naftaleno

poner el crióscopo dentro de un vaso con agua a t. ambiente. Introducir el

naftaleno y mezclar.

Colocar el termómetro y tapar la boca del tubo con

algodón.

Enfriar el tubo en el baño del equipo 1. Registrar valores de temperatura

cada 10s.

Obtener registros de temperatura en todo el

tiempo.

Repetir procedimiento con otra muestra (se usó

difenilo)

5. DATOS:

Tabla 1. Masas de difenilo y naftaleno agregadas al sistema

Masa agregada (g) Moles agregadas (mol)Naftaleno 0.3007 2.35x10-3

Difenilo 0.3562 2.309x10-3

Tabla 2. Registro de temperaturas con respecto al tiempo para el ciclohexano puro

T (°C) T (s)7 0

6.94 206.84 406.74 606.65 806.55 1006.45 1206.37 1406.3 160

6.23 1806.17 2006.17 2206.17 240

Tabla 3. Registro de temperaturas con respecto al tiempo para la mezcla ciclohexano-naftaleno

T(°C) t (s)6.31 106.16 205.93 305.80 405.68 505.57 605.48 705.39 805.27 905.19 1004.93 1104.78 1204.67 1304.58 1404.52 1504.45 1604.39 1704.30 1804.23 1904.19 2004.17 2104.15 2204.12 2304.08 2404.03 2503.98 2603.94 2703.92 2803.89 2903.86 3003.85 3103.83 3203.81 3303.79 3403.77 3503.75 3603.74 3703.74 3803.72 3903.71 4003.69 4103.69 4203.69 430

Tabla 4. Registro de temperaturas con respecto al tiempo para el sistema ciclohexano-difenilo

T (°C) t (s)5.33 105.27 205.15 305.07 404.96 504.88 604.73 704.64 804.56 904.40 1004.35 1204.29 1304.16 1404.06 1504.01 1603.98 1703.95 1803.93 1903.91 2003.90 2103.89 2203.88 2303.86 2403.84 2503.81 2603.80 2703.78 2803.78 2903.78 300

6. CÁLCULOS Y RESULTADOS:

A partir de los datos mostrados en la sección anterior, es posible graficar las curvas de enfriamiento para cada caso, de manera que nos sea posible obtener la temperatura de congelación.

Gráfica 1Curva de enfriamiento para el ciclohexano puro

0 50 100 150 200 250 3005.65.8

66.26.46.66.8

77.2

Curva de enfriamiento ciclohexano puro

Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(°C)

De la gráfica anterior es posible determinar la temperatura de congelación del ciclohexano puro:

T congelación = 6.17°C

Es posible obtener esta temperatura ya que la temperatura de congelamiento es aquella que permanece constante.

Gráfica 2Curva de enfriamiento para la mezcla de ciclohexano-naftaleno

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

1

2

3

4

5

6

7

Curva de enfriamientoCiclohexano-naftaleno

De esta gráfica, podemos obtener también la temperatura de congelación para la mezcla de ciclohexano y naftaleno:

T congelación = 3.69

Gráfica 3Curva de enfriamiento para la mezcla de ciclohexano-difenilo

0 50 100 150 200 250 300 3500

1

2

3

4

5

6

7

Curva de enfriamientoCiclohexano-difenilo

De la misma manera, se puede obtener la temperatura de congelación para la mezcla de ciclohexano-difenilo

T congelación = 3.78

A partir de estas temperaturas, podemos hallar los pesos moleculares de ambos solutos. Para ello, es necesario hallar la masa del ciclohexano usado en el laboratorio. Esto se puede hacer usando la fórmula de densidad con respecto a la temperatura a la que nos encontrábamos en el laboratorio:

T laboratorio = 19.5°C

ρ(g /ml)=0,779 – 9,4 x10−4(T (°C )– 19.5)

ρ(g /ml)=0,779 – 9,4 x10−4(21 –19.5)

ρ(g /ml)=0.7776

Con la densidad, podemos hallar la masa utilizada de ciclohexano:

w1=ρ×V

w1=0.7776gml×25ml=19.4397 g

w1=19.4397 g

Ahora podemos hallar el peso molecular del naftaleno y difenilo por medio de la siguiente ecuación:

M 2=1000.K f .w2∆T c .w1

Donde: ∆T=6.17−3.69=2.48w1=19.4397 gw2=0.3007K f=20.40

M 2=1000x 20.40 x0.30072.48 x19.4397

=127.2396 gmol

De la misma manera, es posible hallar la masa molecular del difenilo:

M 2=1000.K f .w2∆T c .w1

Para este caso tenemos que:

∆T=6 .17−3.70=2.47w1=19.4397 gw2=0.3562

K f=20.40

M 2=1000x 20.40 x0.35622.47 x19.4397

=151.3344 gmol

Los resultados se pueden expresar en la siguiente tabla:

Tabla 5. Resultados obtenidos en el laboratorio para el difenilo y naftalenoDescenso del

punto de congelación (°C)

Peso molecular teórico(g/mol)

Peso molecular experimental

(g/mol)%Error

Naftaleno 2.48 128.17 127.2396 0.73Difenilo 2.47 154.21 151.3344 1.86

7. DISCUCIÓN DE RESULTADOS:

Primero se pueden observar las curvas de enfriamiento para el solvente puro y para cada una de las mezclas. Para el compuesto puro, es posible determinar fácilmente la temperatura de congelación ya que se tiene un solo componente y habrá un solo equilibrio sólido-líquido y la temperatura disminuirá hasta mantenerse completamente constante en el tiempo.

El caso de las mezclas es diferente. Vemos que las gráficas presentan varios cambios de pendiente a lo largo del tiempo. Esto ocurre porque a medida que se va congelando el solvente, la concentración del soluto en solución va aumentando, lo que hace que la temperatura de congelación sea menor. Esto es posible explicar también porque el soluto se mete en los intersticios de la red cristalina del solvente y altera su estructura, de manera que la conformación adoptada es más desordenada y tarda más tiempo y necesita absorber más temperatura en lograr la estructura de menor energía.

La disminución de la temperatura para el caso de ciclohexano-naftaleno fue de 2.48°C y la de la mezcla ciclohexano-difenilo fue de 2.47°C. Podemos ver que esta variación es casi la misma, al haber agregado valores bastante similares del número de moles de cada soluto. De acá, podemos decir se comprueba que la propiedad coligativa de descenso del punto de congelación es independiente de la naturaleza del soluto, pero dependiente de la cantidad de soluto agregado a la mezcla, así como también depende de la naturaleza del solvente. Sin embargo, se podría pensar que, al ser bastante parecidas las estructuras del difenilo y naftaleno, no se den cambios demasiado grandes al momento de calcular el descenso de la temperatura, por eso es recomendable trabajar con solutos de naturaleza distinta, quizá unos más polares o apolares, para poder asegurar la independencia de la naturaleza del soluto.

Es importante mencionar que la temperatura medida en el laboratorio con el termómetro no es exacta, ya que el mismo presenta una lectura de un grado mayor a la normal. Sin embargo, ello no interfirió al momento de calcular la constante crioscópica, ya que se calculó la diferencia de temperatura (∆T).

También, se obtuvo el peso molecular tanto para el naftaleno, 127.2396 g/mol, como para el difenilo, 151.3344 g/mol, con errores bastante pequeños, de 0.73% y 1.86% respectivamente.

Si bien es cierto que los errores son menores al 2%, se tiene que tener en cuenta que se está hallando el peso molecular de un compuesto, y que se debieron obtener valores bastante más exactos, ya que de otra manera, este método no sería efectivo en la caracterización de compuestos que no son conocidos.

Es posible, entonces, analizar las posibles fuentes de error para el experimento realizado en el laboratorio. La primera que salta a la vista es que el método del crióscopo utiliza un termómetro Beckmann, mientras que nosotros utilizamos un termómetro digital, que es bastante menos exacto y preciso.

Otra fuente de error radica en la fórmula usada para la determinación del peso molecular de los solutos. Esta fórmula utiliza aproximaciones considerando que se trata de una mezcla ideal, cuando en realidad es fácil observar que entre solvente y soluto pueden haber diversas interacciones que afecten los parámetros tomados. De esta manera, los valores obtenidos no serán tan próximos a los verdaderos.

Una fuente de error bastante importante, que se descubrió mientras se realizaba la experiencia, fue que el ciclohexano estaba impuro. El punto de congelación obtenido en el laboratorio fue de 6.17°C, mientras que el real está en 6.55°C. Es importante resaltar que todos los grupos que realizaron este experimento obtuvieron una temperatura parecida a la obtenida de manera experimental, de manera que se puede concluir que el compuesto tenía impurezas. El error radica en que la fórmula de densidad usada era para el ciclohexano puro, por lo que al haber otras sustancias contaminantes en el ciclohexano ya no se cumpliría esta ecuación a cabalidad. De esta manera, se obtendría un peso errado del ciclohexano utilizado en el laboratorio, que llevaría a errores, finalmente, en la determinación del peso molecular del soluto deseado.

Otros errores, aunque menores, son que el tubo podría no haber estado bien tapado, lo que llevaría a una volatilización de los compuestos y por ende a una pérdida en la masa, y también en el cálculo final. Además, está la falta de homogenización de la muestra; es decir, la falta de agitación constante de la muestra conforme desciende la temperatura; la falta de perpendicularidad del termómetro dentro del tubo que contenía la muestra; en otras palabras, puede que el termómetro no haya estado completamente en contacto con la solución, sino con parte de las paredes del tubo, las cuales, a pesar de encontrarse expuestas a un ambiente de “vacío”, transmiten por convección algo de calor del entorno en donde se trabajó; y la falta de permeabilidad de la muestra, la cual pudo entrar en contacto con partículas de aire.

Asimismo, si la temperatura del baño de hielo no se mantenía relativamente constante, hacía que la temperatura de la mezcla no disminuya y se mantenga constante, temperatura que podría confundirse con la de congelamiento ya que era bastante difícil ver a través de la superficie del vaso porque se empañaba constantemente.

Si la temperatura era demasiado baja, por el contrario, originaría que el congelamiento de la mezcla se de de una forma muy rápido y no se podrían obtener los puntos suficientes para tener una curva de enfriamiento. Además, sería muy difícil obtener la temperatura de congelación de una forma exacta.

8. CONCLUSIONES:

Fue posible obtener el punto de congelación de un solvente como el ciclohexano a partir de curvas de enfriamiento y utilizando un soluto conocido, como es el caso de naftaleno o difenilo. Además, se pudo hallar el peso molecular del difenilo y naftaleno por el método del crióscopo, con un error bastante aceptable. (Menor a 2% en ambos casos).

Se comprobó también que la propiedad coligativa del descenso del punto de congelación es independiente del tipo de soluto usado, ya que se obtuvieron valores bastante

parecidos usando dos solutos distintos, y que más bien, esta propiedad depende de la naturaleza del solvente y de la cantidad de soluto agregado.

Algunos errores asociados al método se deben sobre todo a que el termómetro utilizado no es el mejor, ya que para este método se debe usar un termómetro Beckmann por ser más preciso y exacto en las mediciones, así, tendríamos una temperatura de congelación más exacta para todos los casos.

Además, se observa en las gráficas de las mezclas un fenómeno de sobre-enfriamiento, que podría confundirse con la temperatura de congelación de la mezcla.

También, se asume, para deducir las ecuaciones para hallar el peso molecular, que se trabaja con soluciones ideales, cuando en realidad existen interacciones entre soluto y solvente y podría ser que las aproximaciones no sean tan buenas para este caso.

Por último, se puede concluir que el ciclohexano usado no se encontraba puro. El punto de congelación hallado fue de 6.17°C, mientras que el teórico está alrededor de 6.55°C.

9. BIBLIOGRAFÍA:

- LEVINE. I, Físico Química, cuarta edición, volumen 1, editorial Mc Graw Hill, 1996- SHOEMAKER, D.P., GARLAND C.W. y J.W. NIBLER. Experiments in Physical Chemistry. Sexta

edición. New York: Addison-Wesley, 1996.- Propiedades coligativas. En: http://medusa.unimet.edu.ve/quimica/bpqi13/p4.pdf.

Búsqueda realizada el día 05 de octubre del 2010.- Colligative properties. En: http://fescobar1649.iespana.es/propicoli.pdf. Búsqueda

realizada el 07 de octubre del 2010.- Freezing point depression. Encontrado en:

http://www.ias.ac.in/initiat/sci_ed/resources/chemistry/Collig.pdf. Búsqueda realizada el día 10 de octubre del 2010.