Química General II Facultad de Ingeniería

TP Nº3 UNMdP

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TRABAJO PRÁCTICO Nº 3

SOLUCIONES PROPIEDADES COLIGATIVAS

OBJETIVOS: Determinar experimentalmente la temperatura de congelación de un solvente puro y en

presencia de diferentes solutos.

Utilizar la propiedad coligativa del descenso crioscópico para determinar el peso molecular de un no-electrolito y el grado de disociación de un electrolito en agua.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

Se llaman propiedades coligativas a aquellas que dependen únicamente del número de partículas disueltas en una solución y no de la naturaleza de las especies involucradas. Todas ellas son el resultado del mismo fenómeno, el efecto de las partículas de soluto sobre la presión de vapor del disolvente. Las propiedades coligativas incluyen el descenso de la presión de vapor, el ascenso del punto de ebullición, el descenso del punto de congelación y la presión osmótica.

El descenso del punto de congelación es proporcional a la molalidad de la solución:

mkT f . donde:

T descenso del punto de congelación del disolvente m concentración molal de la solución kf constante crioscópica o constante molal de disminución del punto de congelación. Se expresa en °C/molal.

Como se observa en la ecuación anterior, el significado físico de la constante crioscópica es el descenso del punto de congelación del disolvente, para disoluciones de concentración molal unitaria.

Si el soluto es un electrolito, éste se disociará en dos o más iones, aumentando la molalidad de la solución y en consecuencia el descenso crioscópico. Sin embargo, en una solución iónica las partículas de soluto no se encuentran distribuidas al azar. Cada ion positivo tiene más iones negativos que positivos en su cercanía. De este modo, algunos iones experimentan lo que se denomina asociación. Es decir, durante un breve tiempo, algunos aniones y cationes quedan en contacto, comportándose como una sola partícula. Este fenómeno tiende a reducir la molalidad efectiva. Una medida del grado de disociación real de un electrolito en solución es el factor de van't Hoff, i. El mismo se define como el cociente entre la propiedad coligativa real y el valor que se observaría si no hubiera disociación. Para el caso del descenso crioscópico, puede plantearse lo siguiente:

oelectrolitno

real

oelectrolitno

real

m

m

T

Ti

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De este modo, a partir de medidas medidas experimentales de temperatura se puede determinar el factor de van't Hoff. A partir de la estequiometría de la disociación, puede también obtenerse el grado de disociación del electrolito en solución.

Otra aplicación muy importante de las propiedades coligativas es su uso para determinar pesos moleculares de no-electrolitos. Para ello puede utilizarse la siguiente expresión para el descenso crioscópico, en la que se plantea la molalidad en términos de la masa de soluto, la masa molar del soluto y la masa de disolvente:

SV

ST

m . M

m .1000fkT donde:

T descenso del punto de congelación del disolvente M masa molar del soluto mST masa de soluto mSV masa de disolvente.

Si se conoce la constante crioscópica del solvente, las masas de soluto y de solvente y se

determina T, será posible obtener el peso molecular del soluto a partir de la ecuación anterior. El soluto deberá reunir las siguientes condiciones: no volátil, no-electrolito (porque si se disocia produce una variación en el número de partículas), no debe formar soluciones sólidas con el solvente.

En la experiencia se utilizará agua destilada en presencia de distintos solutos: sacarosa (no-electrolito) y CaCl2 (electrolito). La constante crioscópica de este disolvente es de 1,86 ºC/molal.

MATERIAL:

Material de vidrio y accesorios Reactivos

Cristalizador o vaso de precipitados

Termómetros

Agitadores

Pie universal y pinzas

Tubo de vidrio

Espátula

Cronómetro

NaCl (sal de mesa)

Sacarosa (azúcar)

CaCl2 (sólido)

Agua destilada

Hielo

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL, ESQUEMA DEL EQUIPO Y CÁLCULOS: A. Preparación de la mezcla frigorífica (baño de hielo y sal)

a) Coloque cantidad suficiente de hielo en el cristalizador o vaso de precipitados que utilizará para preparar el baño frigorífico. Recuerde dejar espacio para luego agregar el tubo de vidrio donde realizará las mediciones. b) Agregue sal de mesa en pequeñas porciones y agite cuidadosamente con varilla de vidrio hasta asegurarse que la temperatura del baño alcance un valor de -10 °C o inferior.

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B. Determinación experimental de los puntos de congelación 1. Determinación del punto de congelación del solvente puro

a) Pesar el tubo de vidrio vacío, en balanza granataria. b) Agregar en el tubo aproximadamente 10 g de agua destilada y registrar la masa de solvente como mSV. c) Colocar (dentro del tubo con agua) un agitador limpio y un termómetro digital; introducir el sistema en el baño de hielo.

Figura 1. Esquema del equipo de laboratorio a utilizar

d) Agitar continuamente el contenido del tubo y también la mezcla frigorífica. Registrar valores de temperatura cada 15 segundos, hasta por lo menos 2 minutos después de que la temperatura se estabilice; tabular los valores obtenidos. En este proceso deberá verificar que la temperatura en el interior del tubo descienda gradualmente y transcurrido un cierto tiempo, se estabiliza a la vez que comienzan a aparecer cristales. Antes de la cristalización suele registrarse un descenso de temperatura por debajo del punto de congelación del disolvente puro que se denomina subenfriamiento. e) Con los valores obtenidos en el punto anterior, construir el gráfico de Temperatura vs. tiempo. Determinar gráficamente la temperatura de congelación del solvente, a partir de la intersección entre las aproximaciones lineales de ambos tramos de la curva (Figura 2).

Figura 2. Curva de enfriamiento para el solvente (agua destilada)

2. Determinación del punto de congelación de una solución de un no-electrolito

BAÑO DE HIELO Y

SAL

TERMÓMETRO AGITADOR

TUBO DE VIDRIO

CRISTALIZADOR

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a) Pesar 1,7 g de sacarosa (en balanza granataria); este valor se registrará como mST. Esperar que se funda el hielo dentro del tubo utilizado en la experiencia anterior y trasvasar la sacarosa pesada, cuidando que no quede sólido adherido a las paredes. Agitar hasta que todo el soluto se haya disuelto. b) Proceder igual que en la parte B.1.c), introduciendo el tubo (con la solución, el agitador y el termómetro) en el baño de hielo. Previamente, deberá asegurarse que la temperatura de la mezcla frigorífica se encuentre por debajo de los -10 °C; en caso contrario, tendrá que agregar nuevas cantidades de hielo y/o sal. c) Una vez en condiciones de comenzar con el registro de datos, repetir la agitación del contenido del tubo y de la mezcla frigorífica. Nuevamente se deberá tomar el valor de la temperatura cada 15 segundos. Deberá asegurarse de haber registrado suficientes datos antes y después del punto de cambio en la pendiente de la curva de enfriamiento (punto A, Figura 3). En las cercanías es posible que se registre un mínimo de temperatura que puede deberse a una breve etapa de subenfriamiento. Superado este punto, comienza a observarse la formación de cristales de hielo. d) Con todos los valores anteriores, construir el correspondiente gráfico de Temperatura vs. tiempo. En este caso deberá observar que luego de la aparición de los cristales, la temperatura continúa descendiendo lentamente, debido al aumento de la concentración de la solución al separarse disolvente sólido. A partir del gráfico, determinar la temperatura de congelación de la solución, a partir de la intersección entre las aproximaciones lineales de procediendo en forma similar a lo realizado para el solvente puro.

Figura 3. Curva de enfriamiento para el solvente en presencia de soluto

e) Con la temperatura de congelación del solvente puro y la de la solución calcular el

correspondiente T.

f) A partir del valor de T, calcular el valor experimental del peso molecular de la sacarosa.

3. Determinación del punto de congelación de una solución de un electrolito a) Para determinar la temperatura de congelación de la solución de CaCl2 se sigue un procedimiento similar al indicado para la sacarosa. En este caso se deberá partir de una nueva masa de agua (aproximadamente 10 g) y de 0,5 g de cloruro de calcio. Asegurarse de limpiar correctamente el tubo de vidrio antes de volver a utilizarlo en esta determinación. b) Con la temperatura de congelación del solvente puro que determinó anteriormente y la

temperatura de congelación de la solución con el electrolito, calcular el correspondiente T.

A

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c) A partir del valor de T, calcular el valor del factor i de van't Hoff y el grado de disociación de la sal.

PRESENTACIÓN DEL INFORME: El informe deberá redactarse en forma ordenada y clara, incluyendo las secciones: Carátula. Esta sección deberá contener el nombre de la asignatura, título del TP, fecha de

realización, fecha de entrega del informe, autores. Objetivos del práctico. Enuncie sintéticamente los objetivos del TP. Procedimiento Experimental. Resuma BREVEMENTE (o esquematice si lo prefiere) los

procedimientos realizados. No transcriba la guía de TP. Resultados, Cálculos y Discusión. Indique en esta sección las condiciones en que se obtuvieron

los resultados (no olvide aclarar cualquier cambio con respecto a la guía de TP), y presente las tablas y los correspondientes gráficos de Temperatura vs. tiempo, indicando en cada gráfico la

intersección para obtener el valor de Tcong. También incluya el cálculo de cada T y los cálculos derivados para obtener el peso molecular de la sacarosa y el factor “i” de van’t Hoff y el grado de disociación para el CaCl2. Discuta todos los resultados obtenidos, considerando las diferencias registradas entre los resultados experimentales y los valores teóricos esperados, las anomalías y dificultadas encontradas, las aproximaciones efectuadas, a la vez que las posibles causas y/o fuentes de error que pudieran explicarlas. También se podrán mencionar propuestas de futuras mejoras o adaptaciones.

Conclusiones. Enuncie sintéticamente las conclusiones de la labor realizada, en función del cumplimiento de los objetivos propuestos.

Bibliografía. Enumere las fuentes bibliográficas utilizadas. Cuestionario. Redacte las respuestas al cuestionario que aparece a continuación.

CUESTIONARIO:

1) A partir de los resultados experimentales obtenidos para la sacarosa (peso molecular) y el cloruro de calcio (factor de van’t Hoff), calcular los valores que se obtendrían al determinar las otras tres propiedades coligativas, en condiciones similares a las utilizadas en el TP. Busque en bibliografía los datos complementarios que pudiera requerir.

2) La composición elemental de la sacarosa es 42 % de C, 6,4 % de H y lo restante de O. Utilice el peso molecular experimental obtenido en el TP para estimar su fórmula molecular. Compárela con la fórmula molecular de la sacarosa que obtiene de bibliografía.