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Prctica 2. Determinacin de propiedades fsicas: Puntos de ebullicin yPuntos de fusin para la calibracin del termmetro

I IntroduccinCuando usted comienza a trabajar en un lugar donde no ha estado antes, lo primero

que trata de averiguar, es qu tareas va a desempear, quines son sus compaeros detrabajo y cules son sus responsabilidades, para identificarse con su medio. De la mismamanera, en el laboratorio de Qumica Orgnica, cuando usted trabaja con un compuesto quenunca ha manipulado, lo primero que deber determinar son sus propiedades fsicas.

La importancia de determinar las propiedades fsicas reside en que estas sonespecficas de un compuesto o familia de compuestos. En este sentido, la calibracin deltermmetro para tomar lecturas ms exactas sera el principio, antes de determinar el restode propiedades fsicas para identificar una muestra desconocida, lo cual serparticularmente til, si usted trabaja con compuestos desconocidos o que han sido extradosde plantas o animales.

II ObjetivosElaborar la curva de calibracin para un termmetro particular, utilizando puntos defusin de diferentes sustancias orgnicas.Desarrollar habilidades en el uso de cristalera y equipo para la determinacin delpunto de fusin de diferentes sustancias orgnicas.Determinar experimentalmente el punto de fusin de cinco sustancias slidasorgnicas.

III Marco terico

3.1 Calibracin del termmetro:En trabajos prcticos de laboratorio de qumica con frecuencia se utiliza el

termmetro para la medicin de temperaturas. Un termmetro corriente de mercurio sirvepara medir temperaturas comprendidas entre -38C y 350C aproximadamente, ya que elmercurio hierve a 359C a una atmsfera de presin; este intervalo de temperatura suelebastar para la mayora de trabajos de laboratorio de qumica orgnica. Sin embargo, laexactitud de los termmetros que se obtienen en el mercado vara de unos a otros, es decir,la lectura con uno de ellos puede ser completamente exacta o presentar un error de hasta54C, especialmente a temperaturas altas.

Es por eso que el termmetro que debe utilizarse debe ser calibrado por lo menosuna vez al ao. Desde el punto de vista prctico, lo mejor es calibrarlo en condiciones loms parecidas a aquellas en las que el termmetro va a ser utilizado, y despus hacer lascorrecciones oportunas a las lecturas obtenidas del termmetro. Siembre debe anotarse latemperatura obtenida por lectura directa del termmetro, y la temperatura corregida debeindicarse claramente en las anotaciones de informes, o reportes de prctica.

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En la calibracin del termmetro se determinan los puntos de fusin de por lomenos cinco sustancias puras, de puntos de fusin conocidos. Para elaborar la curva decalibracin se grafican las lecturas obtenidas del termmetro en el eje X de un cuadrantecontra los valores tericos de puntos de fusin de las sustancias en el eje Y del mismocuadrante; se plotean y se unen los diferente puntos de las diferentes sustancias. Asimismo,experimentalmente debe determinarse la temperatura 0C con una mezcla de hielo-agua.

3.2 Evaporacin y presin de vapor

La energa cintica de las molculas de un lquido est cambiando continuamente amedida que chocan con otras molculas. En cualquier instante, algunas de las molculas dela superficie adquieren la suficiente energa para superar las fuerzas atractivas y escapan ala fase gaseosa ocurriendo la evaporacin. La velocidad de evaporacin aumenta a medidaque se eleva la temperatura del lquido.

Si el lquido se encuentra en un recipiente cerrado, las molculas del vapor quedarnconfinadas en las vecindades del lquido, y durante el transcurso de su movimientodesordenado algunas de ellas pueden regresar de nuevo a la fase lquida. Al principio, lavelocidad de condensacin de las molculas es lenta puesto que hay pocas molculas en elvapor. Sin embargo, al aumentar la velocidad de evaporacin, tambin aumenta lavelocidad de condensacin hasta que el sistema alcanza un estado en el que ambasvelocidades son iguales (vase la figura 6.1).

Figura 1 Evaporacin de un lquido en un recipiente cerrado

En este estado de equilibrio dinmico, la concentracin de las molculas en el vapores constante y por lo tanto tambin es constante la presin. La presin ejercida por el vaporcuando se encuentra en equilibrio con el lquido, a una determinada temperatura, sedenomina presin de vapor y su valor aumenta al aumentar la temperatura.

3.2.2 Temperatura de ebullicin

La temperatura de ebullicin es aquella a la cual la presin de vapor del lquido esigual a la presin externa. En este punto, el vapor no solamente proviene de la superficiesino que tambin se forma en el interior del lquido produciendo burbujas y turbulencia quees caracterstica de la ebullicin. La temperatura de ebullicin permanece constante hastaque todo el lquido se haya evaporado.

El punto de ebullicin que se mide cuando la presin externa es de 1 atm sedenomina temperatura normal de ebullicin y se sobreentiende que los valores queaparecen en las tablas son puntos normales de ebullicin.

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3.2.3 Correccin de la temperatura de ebullicin

En el caso de los lquidos, la temperatura de ebullicin se ve afectada por loscambios en la presin atmosfrica debidos a las variaciones en la altura. A medida que unsitio se encuentra ms elevado sobre el nivel del mar, la temperatura de ebullicin se hacemenor. A una altura de 1500 m o 0.84 atm (Medelln, por ejemplo), el agua ebulle a 95 Cmientras que al nivel del mar el agua hierve a 100 C.

Con el propsito de realizar comparaciones con los valores reportados por laliteratura, se hace necesario corregir la temperatura normal de ebullicin en un factorproporcional a la diferencia de presiones. Los factores de correccin se muestran en la tabla6.1 y dependen de la polaridad del lquido.

Ejemplo 1 La temperatura normal de ebullicin del agua es de 100 C. Cul ser el puntode ebullicin del agua en Medelln (p = 640 torr) y Bogot (p = 560 torr)?

Para Medelln: p = 760 torr 640 torr = 120 torr = 120 mm Hg

Fc = 120 mm Hg x 0.370 C/10 mm Hg = 4.4 C

Te = 100 C 4.4 C = 95.6 C

Tabla 1 Factores de correccin del punto de ebullicin por cambios en la presin

Variacin en T por p = 10 mm HgTeb normal (C) Lquidos no polares Lquidos polares50 0.380 0.32060 0.392 0.33070 0.404 0.34080 0.416 0.35090 0.428 0.360100 0.440 0.370110 0.452 0.380120 0.464 0.390130 0.476 0.400

Para Bogot: p = 760 torr 560 torr = 200 torr = 200 mm Hg

Fc = 200 mm Hg x 0.370 C/10 mm Hg = 7.4 C

Te = 100 C 7.4 C = 92.6 C

3.2 Puntos de fusin:El punto de fusin de una sustancia es el intervalo de temperatura en el cual la fase

slida cristalina ordenada y la fase lquida aleatoria se encuentran en equilibrio. El valordel punto de fusin de un slido es una de las constantes fsicas de una sustancia que tiene

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una gran utilidad para confirmar la identidad del compuesto y tambin es utilizado paradeterminar el grado de pureza del mismo.

El principal factor que afecta la temperatura de fusin de un compuesto es lanaturaleza de las fuerzas que mantienen la estructura cristalina de un slido. Si las fuerzasson inicas, los puntos de fusin de esos slidos sern muy elevados, como es el caso de lassales y los compuestos inorgnicos, que por lo general tienen puntos de fusin superiores a300C. En la mayora de los compuestos orgnicos las fuerzas intermoleculares soncovalentes y por lo tanto presentan puntos de fusin entre 30C y 300C.

En la prctica, el punto de fusin no se determina experimentalmente como unatemperatura puntual, sino ms bien como un intervalo de temperatura entre las cuales elslido se convierte en un lquido; en este sentido, el punto de fusin que se reporta es latemperatura final de intervalo de fusin. En el caso de sustancias puras, generalmentepresentan un intervalo de fusin que no excede de 2C entre la temperatura a la cual elslido empieza a fundir y la temperatura a la cual todo el slido ha fundido . Cuando lamuestra contiene impureza el intervalo de temperaturas es ms grande. Se ha reportado quelas impurezas disminuyen el punto de fusin de un slido, y que esta disminucin es tantomayor en tanto ms impura es la sustancia, disminuyendo el punto de fusin en 30C.

IV Marco Experimental

4.1 Materiales:Cant. Equipo y Cristalera Reactivos

1 Mechero y su manguera Acido BenzoicoTubos capilares Acido Saliclico

1 Mortero y su pistilo Hidroquinona1 Termmetro Acido succnico1 Tapn de hule monohoradado Di fenilamina2 Pinza Fisher Hexano1 Tubo de thiele 2-Propanol1 Soporte universal 1-butanol

Hilo Tubos de Contencin1 Esptula

4.2 Metodologa

Utilizando la llama del mechero Bunsen, selle12 tubos capilares por un extremo.

Llene cada tubo capilar hasta una altura de 1 cm. de muestra previamentepulverizada. Compacte la muestra dentro del tubo capilar.Sujete, utilizando hilo, los tubos capilares al termmetro, de tal modo que el nivelinferior de los tubos y del bulbo del termmetro queden alineados.Inserte el termmetro de un tapn de hule horadado, y sujete el tapn con una pinzaFisher.

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Verifique que su tubo de thiele no contenga agua, llene el mismo con glicerina hastacubrir justamente la entrada superior del brazo lateral.Sujete el tubo de thiele con una pinza de fisher, e instlelo al soporte universal.Coloque el termmetro y las muestras dentro del tubo de thiele de la manera queindique su instructor.Caliente suavemente el tubo de thiele, utilizando el mechero de Bunsen, flameandoel codo del brazo lateral de tubo.

Puede utilizar un tubolargo de vidrio paracompactar la muestra queest dentro del tubocapilar.

Observe atentamente las muestras, y anote la temperatura a la cual empieza alicuarse y a adherirse a la pared del tubo capilar la primera muestra slida. En estemomento debe suspender inmediatamente el calentamiento. Enseguida anote latemperatura a la cual la muestra queda completamente fundida.Siga calentado hasta determinar los intervalos de temperatura en que funden el restode las muestras.Repita el ensayo hasta que los resultados sean constantes, eliminando los datosatpicos, utilizando nuevas porciones de las muestras.

Determinacin de Puntos de ebullicinSelle 6 tubos capilares igual que en el experimento anterior.Arme un sistema similar al empleando en el experimento anterior.Amarrar 2 tubos de contencin a un termmetro, de la misma manera que lo hizo enel experimento anterior con los tubos capilares.Agregar suficiente muestra dentro del tubo de contencin.Coloque el tubo capilar con el extremo sellado en la parte de afuera del tubo decontencin y la parte sin sellar dentro del lquido que se encuentra en el tubo decontencin.Calentar el sistema, flameando el brazo del tubo de Thiele. A medida que se elsistema de caliente, observar como comienzan a salir burbujas por el extremoinferior del tubo capilar.Cuando el burbujeo sea uniforme y continuo, formando lo que se conoce como el

lentamiento.Mantener en observacin el sistema. Notar que a medida que va descendiendo lacolumna de mercurio dentro del termmetro, la velocidad con que salen las burbujas

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del capilar va disminuyendo. Esperar hasta que salga la ltima burbuja del capila r.En este momento anotar la temperatura.Continuar todo el procedimiento hasta completar todas las sustancias.Repetir todo el procedimiento para corroborar sus resultados.

V Cuestionario

1. Por qu es aconsejable usar un bao de aceite para la determinacin de la temperaturade fusin? Por qu debe ser muy lento el calentamiento del bao de aceite?

2. Adems del aceite es posible utilizar otros lquidos para esta misma prctica? Cules?Qu criterios deben tenerse en cuenta para su seleccin?

3. Por qu la temperatura de fusin de muchos slidos se reporta como un rango? (Ej.acetanilida: 113-114 C)

4. Cul es la influencia de una impureza insoluble en la temperatura de fusin de unslido?

5. Cmo son, comparativamente, las temperaturas de fusin de slidos inicos,covalentes, polares y no polares?

6. Analice el por qu de la forma tan particular del tubo de Thiele.

VI. Bibliografa

1. GRAHAM SOLOMONS, T.W. 1,990. Fundamentos de Qumica Orgnica. EditorialLimusa. Mxico, D.F. 903 p.

2. PINAGEL, D.; SLOWING, I.; DE LA ROCA, W. 2,003. Manual de prcticas delaboratorio de Qumica Orgnica 1. Facultad de Ciencias Qumicas y Farmacia, USAC.Guatemala, Gua. 53 p

3. Puntos de fusin. (en lnea). Consultado el 2 de noviembre de 2007. Disponible en:http://docencia..edu.co/cudeaen/tecnicaslabquimico/02practicas/practica04.htm