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TITULO PÁGINA

I. Resumen 1

II. Introducción 2

III. Principios Teóricos 3

IV. Detalles Experimentales 5

1. Materiales y reactivos

2. Procedimiento experimental

V. Tabulación de datos y resultados 6-8

1. Tablas de Datos Experimentales 6

2. Tablas de Datos Teóricos 6-7

3. Tablas de Resultados 7-8

VI. Cálculos 9-10

VII. Discusión de los Resultados 11

VIII. Conclusiones 12

IX. Bibliografía 13

X. Apéndice 14-15

I) RESUMENEn el presente informe se reporta la determinación experimental del calor diferencial de solución y el estudio de la variación de la solubilidad del acido benzoico en agua en función de la temperatura. La experiencia se realizo titulando soluciones saturadas de acido benzoico, las cuales se mantuvieron a la temperatura deseada mediante una chaqueta de aire. Los resultados obtenidos fueron buenos, encontrándose bastante congruencia entre las graficas y datos teóricos y experimentales. Los valores encontrados para el calor diferencial de solución experimental y su porcentaje de error fueron de 7898.3J/mol y 19.14% respectivamente. Finalmente se llegó a la conclusión de que mediante el análisis de la variación de la solubilidad de una sustancia con la temperatura es posible hallar el calor diferencial de la misma.

1

II) INTRODUCCIONEl análisis de la solubilidad de una sustancia en un solvente determinado y a una temperatura y presión dadas es muy importante a nivel industrial. Es así que el conocimiento de la solubilidad de una sustancia se utiliza para llevar a cabo procesos industriales a temperaturas por debajo de las cuales no serian posibles o se obtendrían rendimientos muy bajos y baja calidad del producto. Además de ello este concepto se utiliza en sectores tales como el de la investigación científica en el que, por ejemplo, hay síntesis que se deben llevar a cabo con ciertos solventes y a determinadas temperaturas de tal manera que todos los reactantes permanezcan en solución. Como puede verse el aprendizaje y comprensión de la variación de la solubilidad con la temperatura constituye una gran herramienta para todo químico que se desempeñe en el sector industrial o científico.

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III) PRINCIPIOS TEORICOSUno de los más simples casos de equilibrio es el de una solución saturada en contacto con un exceso de soluto; las moléculas dejan el solido y pasan a la solución a la misma velocidad con la que las moléculas de la solución son depositadas en el solido. El termino Id solubilidad se refiere a la medida, en alguna escala arbitrariamente elegida, de la concentración del soluto en la solución saturada. Aquí se usa la escala de concentración molal y la solubilidad se vuelve igual a la molalidad m s del soluto en la solución. El proceso mencionado se puede expresar como:

En el cual la constante de equilibrio esta dada por:

K=a2a2

¿

Aquí a2 representa la actividad del soluto en la solución saturada y a2* la actividad del

soluto solido puro. La elección convencional de un estado estándar para el ultimo es el propio soluto puro a la temperatura y presión involucradas, por lo que a2

* es igual a la unidad. La actividad a2 esta relacionada con la molalidad m del soluto a través del coeficiente γ, una función de T, P y la composición la cual se aproxima a la unidad a medida que m se aproxima a cero. Luego

K= [a2 ]×m=γs×ms

Donde el subíndice indica que la relación se aplica a la solución saturada. El símbolo [a2]m=ms denota el valor de la actividad a2 para la solución saturada.

La variación de K con la temperatura a presión constante se refleja en un cambio en ms, y además en γ s, que es afectado por las variaciones de temperatura y concentración de la solución. La ecuación de Van’t Hoff requiere que

( ∂ lnK∂T )P

= ∆H º

RT2(1)

Donde ∆ H º es la entalpia estándar para el proceso de solución. Esta cantidad no debería ser confundida con ningún calor real de solución experimentalmente medible.; este puede ser determinado indirectamente, sin embargo, teniendo en cuéntalos efectos de la temperatura y la concentración en γ s, hay resultados para presión constante

[1+( ∂ ln γ∂ lnm )T ,P ,m=ms

] d lnms

dT=

[∆ H DS ]m=ms

RT 2(2)

3

Aquí [∆ H DS ]m=ms es el calor diferencial de solución a saturación a la presión y

temperatura dadas. Para los casos en los que el coeficiente de actividad γ para el soluto solo cambia ligeramente con la concentración en las cercanías de la saturación, el término entre corchetes a la izquierda de la ecuación se convierte en la unidad y

d lnms

dT=

[∆ HDS ]m=m s

RT2(3)

En esta aproximación, entonces, el calor diferencial de solución a la saturación puede ser calculado a una temperatura T. Integrando la ecuación (3) en forma indefinida, y considerando despreciable la variación de la entalpía de disolución con la temperatura , una suposición que en general es mejor para solutos no electrolíticos que para los electrolíticos, se obtiene

lnms=− [∆ HDS ]m=ms

RT+C(4)

Mientras que la integral evaluada entre dos temperaturas conduce a

ln (m¿¿ s (T 2)/ms (T 1))=

− [∆ HDS ]m=ms

R ( 1T2− 1T1 )(4.1)¿

El calor de solución que interesa aquí es el calor absorbido cuando 1 mol de solido se disuelve en una solución que ya esta prácticamente saturada. Este se diferencia del calor de solución a dilución infinita, que es el calor de solución frecuentemente dado en tablas.

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IV) DETALLES EXPERIMENTALES

1) MATERIALES Y REACTIVOS:

a) Materiales: 6 matraces Erlenmeyer de 150 mL y uno de 250 mL; 1 tubo de prueba mediano,1 tubo de diámetro grande (chaqueta), 1 agitador metálico, 1 termómetro, 1 bureta, 2 pipetas aforadas de 10 mL, tubos pequeños de jebe, algodón y una probeta de 25 mL.

b) Reactivos: Acido benzoico, agua destilada, solución de NaOH aprox. 0.1N y fenolftaleína.

2) PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

Se procedió a titular la solución de NaOH con biftalato acido de potasio, usándose 0.2264 g del último y encontrándose un valor de …..N para la normalidad de la solución.

En el Erlenmeyer de 250 mL se colocaron 0.75 g de acido benzoico y se adicionaron 150 mL de agua destilada. El sistema se calentó hasta la disolución total del acido benzoico, evitando el sobrecalentamiento.

Luego de ello se extrajeron 25 mL de la solución y se colocaron en un tubo de prueba. El nuevo sistema se coloco en la chaqueta de aire y se introdujo en agua congelada. El sistema se llevo a 25 ºC y se mantuvo a esa temperatura con agitación constante durante aproximadamente 2 minutos, realizando constantemente mediciones de temperatura con el termómetro. Enseguida se extrajeron dos muestras de 10 mL con las pipetas aforadas, colocando en la punta de estas un trozo de jebe y un algodón para evitar el paso de cristales de acido benzoico no disuelto. Las muestras se colocaron en dos matraces de 125mL previamente pesados y se volvieron a pesar luego de ello. Finalmente las muestras se titularon con la solución de NaOH valorada al inicio del experimento.

El mismo procedimiento se realizó para temperaturas de 25, 20 y 15 ºC.

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V) TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS

1) TABLAS DE DATOS EXPERIMENTALES

Tabla 1.1 Condiciones Experimentales

T (ºC) P (mmHg) %HR23 760 94

Tabla 1.2 Normalidad de la solución de NaOH

Wbiftalato (g) VNaOH (mL) NNaOH (#eq/L)

0.2264 11.5 0.0964

Tabla 1.3 Peso de los Erlenmeyer y volumen de NaOH para la titulación de las muestras

Temperatura (ºC) Werlenmeyer (g) Werlenmeyer+muestra (g)

Volumen de NaOH (mL)

2580.5019 90.6695 3.094.5792 104.7354 3.1

2075.4756 85.3255 2.580.1363 90.0085 2.6

15102.5518 112.5616 2.3101.8511 111.7940 2.1

2) TABLAS DE DATOS TEORICOS

Tabla 2.1 Molalidad de soluciones acuosas de acido benzoico a las temperaturas de trabajo [1]

Temperatura (ºC)

Molalidad(mol/KgH2O)

25 0.0282520 0.0237515 0.02047

Tabla 2.2 Calor diferencial de solución del acido benzoico en agua (ΔHºDS)

ΔHºDS (J/mol)

6

9768.95

3) TABLAS DE RESULTADOS

Tabla 3.1 Peso de la solución, numero de equivalentes y peso del acido benzoico

Temperatura (K)

Peso de la solución

(g)

#Eq-g del acido benzoico en la

solución(Eq-g/L x104)

Peso del acido

benzoico(g)

29810.1676 2.892 0.035310.1562 2.988 0.0365

2939.8499 2.41 0.02949.8722 2.506 0.0306

28810.0098 2.217 0.02709.9429 2.024 0.0247

Tabla 3.2 Peso del agua en la solución y concentración molal del acido benzoico

Peso del agua

(g)

Molalidad (mol/KgH2O)

10.1323 0.0285410.1197 0.029539.8205 0.024549.8416 0.025469.9827 0.022759.9181 0.02041

Tabla 3.3 Logaritmo de la molalidad (m) e inversa de la temperatura para los datos experimentales

Log m 1/T (K-1x 103)

-1.5453.35

-1.529-1.610

3.41-1.594-1.643 3.47

7

-1.690

8

Tabla 3.4 Logaritmo de la molalidad (m) e inversa de la temperatura para los datos teóricos

Log m 1/T (K-1x 103)-1.549 3.35-1.624 3.41-1.689 3.47

Tabla 3.5 Calor diferencial de solución experimental

ΔHºDS (experimental) (J/mol)7898.3

Tabla 3.6 Porcentaje de error del calor diferencial de solución

Porcentaje de error (%)19.14

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VI) CALCULOS1) PARA LA TABLA 3.1

Cálculos para la primera muestra:

i) El peso de la solución estará dado por:

(90.6695−80.5019 ) g=10.1676 g (Datos de la tabla1.3)

ii) El numero de equivalentes del acido benzoico será:

N NaOHV NaOH=¿EqAcido

0.0964 ( EqL )×3.0mL×1L

1000mL=0.0002892Eq

¿ EqAcido=0.0002892 Eq

iii) El peso del acido benzoico es:

¿ EqAcido=¿molesAcido=0.0002892moles

W Acido=¿molesAcido×MAcido=0.0002892mol×122.122g

mol=0.0353g

2) PARA LA TABLA 3.2

Cálculos para la primera muestra:

i) El peso del agua es igual al peso de la solución menos el peso del acido benzoico:

(10.1676−0.0353 )g=10.1323 g

ii) La concentración molal (m) del acido será:

m=0.0002892moles Acido10.1323g H 2O

×1000g H 2O

1KgH 2O=0.02854(moles Acido

Kg H 2O)

3) PARA LAS TABLAS 3.3 Y 3.4

i) Para la primera muestra la tabla 3.3

log 0.02854=−1.545

1T

= 1298K

=0.00335K−1

10

ii) Para la segunda fila de la tabla 3.4

log 0.02825=−1.548

1T

= 1298K

=0.00335K−1

4) PARA LAS TABLAS 2.2 Y 3.5

i) Para la tabla 2.2: Para la pendiente del grafico 1 se usan las filas 1 y 3 de datos de la tabla 3.4, y a partir de ella se halla el calor diferencial de solución teórico

−ΔHº DS(teórico)R

=(−1.689+1.548 )

(0.00347−0.00335 ) K=−1175K−1 , R=8.314 J

mol K

ΔHº DS(teórico)=1175×8.314 Jmol

=9768.95 Jmol

ii) Para la tabla 3.5: Se realiza el mismo cálculo para hallar el calor diferencial de solución experimental

−ΔHº DS(experimental)R

=(−1.643+1.529 )

(0.00347−0.00335 ) K=−950K−1 ,R=8.314 J

mol K

ΔHº DS(experimental)=950×8.314 Jmol

=7898.3 Jmol

5) PARA LA TABLA 3.6

%E=|9768.95−7898.39768.95 |×100=19.14%

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VII) DISCUSION DE LOS RESULTADOSEl trabajo realizado ofreció resultados aceptables en cuanto al comportamiento de la grafica y el calor diferencial de solución experimentales, determinándose para este último un valor de 7898.3 J/mol y un porcentaje de error de 19.14%. Del comportamiento de las graficas experimental y teórica de log m vs 1/T se dedujo que la solubilidad del acido benzoico es directamente proporcional a la temperatura. En la grafica experimental se encontraron puntos que quedaban fuera de la recta y se asumió que eran principalmente el resultado de errores al momento de extraer la solución saturada de acido benzoico.

El análisis detallado de cada una de las tablas y graficas se muestra a continuación:

En la tabla 3.1 (Peso de la solución, numero de equivalentes y peso del acido benzoico), de abajo hacia arriba, se puede observar una tendencia creciente de la cantidad de acido benzoico disuelto a medida que aumenta la temperatura. De ello se deduce que existe una relación directamente proporcional entre la temperatura y la solubilidad del acido benzoico, lo cual es congruente con el hecho de que la solubilidad de los compuestos orgánicos generalmente aumenta con la temperatura. Este mismo comportamiento se observa en las tablas 2.1 y 3.2 en las que hay un incremento (o disminución si se analiza de arriba hacia abajo) de la concentración molar del acido benzoico en la solución, correspondiente a un aumento de temperatura.

Las tablas 3.3 y 3.4 muestran los datos de logaritmo de la molalidad e inversa de la temperatura teóricos y experimentales, que se utilizaron para elaborar las graficas 1 y 2 respectivamente.

En la grafica 1 todos los puntos, a excepción del segundo, forman una línea recta, lo cual evidencia la relación lineal entre log m y 1/T predicha por la ecuación (4) de los principios teóricos. La pendiente de esta recta que según la ecuación mencionada es igual a (-ΔHDS/R) se utilizó para hallar el calor diferencial teórico encontrándose un valor de 9768.95J/mol.

En la grafica 2 también se observa un comportamiento lineal de los puntos aunque tres de ellos no caen dentro de la recta. Tal hecho se atribuyo principalmente a errores al momento de la titulación de las muestras y a la variación de temperatura que sufrieron las mismas durante tal proceso, lo cual pudo producir la precipitación del ácido. El hecho de que esta grafica también se lineal confirma la validez de la ecuación (4) y el calor diferencial de solución experimental para este caso es 7898.3J/mol (tabla 3.5), que es un valor cercano al teórico. El porcentaje de error para dicho valor es de 19.14% y se muestra en la tabla 3.6.

De la congruencia entre los datos teóricos y experimentales se dedujo que se realizo un buen trabajo.

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VIII) CONCLUSIONES1) La solubilidad del acido benzoico en agua es directamente proporcional a la

temperatura.2) La solubilidad de una sustancia depende fuertemente de la temperatura.3) Es posible hallar el calor diferencial de solución de una sustancia mediante el

análisis de su solubilidad a diferentes temperaturas con una grafica de Log m vs 1/T

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IX) BIBLIOGRAFIA[1] Atherton Seidell, “Solubilities of inorganic and organic substances”,2da edición, D. Van Nostrand Company, Estados Unidos, 1919, pág. 133

[2] http://es.wikipedia.org/wiki/Solubilidad

[3] http://olydan.iespana.es/quimsolucion.htm

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X) APENDICECUESTIONARIO

1) Defina una solución saturada

Solución que contiene la máxima cantidad de soluto que el solvente puede disolver a esa presión y esa temperatura. Si se le agrega más soluto no lo disuelve: si es un sólido en un solvente líquido, el exceso precipita; si es un líquido en solvente líquido, el exceso queda separado del solvente por encima o por debajo según su densidad relativa; si es un gas en un solvente líquido, el exceso de soluto escapa en forma de burbujas. En una solución saturada de un sólido en un líquido, el proceso de disolución tiene la misma velocidad que el proceso de precipitación [3].

3.35 3.41 3.47

-1.75

-1.7

-1.65

-1.6

-1.55

-1.5

-1.45

-1.4

Log m experimental

Log m

15

3.35 3.41 3.47

-1.75

-1.7

-1.65

-1.6

-1.55

-1.5

-1.45

Log m teorico

Log m

16