01 - Punto de fusión y ebullición PDF

Preview

Summary

fusion y ebullicion...

Description

QUÍMICA GENERAL QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA

FUERZAS INTERMOLECULARES Sólidos y Líquidos

Las fuerzas intermoleculares son fuerzas de atracción entre las moléculas. Estas fuerzas son las responsables, por ejemplo, del comportamiento no ideal de los gases. En general, los puntos de ebullición de las sustancias reflejan la magnitud de las fuerzas intermoleculares que actúan entre las moléculas de una determinada sustancia, ya que se debe suministrar suficiente energía para vencer estas fuerzas a fin de que las moléculas pasen a la fase de vapor. Si se precisa más energía para separar las moléculas de la sustancia A que de la sustancia B es porque las moléculas de A están atraídas por fuerzas intermoleculares más fuertes; por lo tanto, el punto de ebullición de A será mayor que el de B. El mismo principio se aplica también al punto de fusión de las sustancias. Por lo general, los puntos de fusión de las sustancias aumentan con la intensidad de las fuerzas intermoleculares.  PUNTO DE EBULLICIÓN Cuando se calienta un líquido en un recipiente abierto, se puede observar que comienzan a desprenderse burbujas aisladas desde la base del recipiente. Estas primeras burbujas corresponden a gases disueltos en el líquido que, por incremento de la temperatura, disminuyen su solubilidad y abandonan la fase líquida. Luego de un tiempo, en el seno de la fase líquida se formarán burbujas de vapor del líquido, constituidas por moléculas que cuentan con la energía suficiente para pasar al estado gaseoso, pero que al ascender encontrarán superficies más frías y condensarán. Si prosigue el calentamiento, la fase líquida alcanzará una temperatura tal que dichas burbujas escaparán de ella. Cuando en el seno de todo el líquido se produzca este fenómeno, se dice que el líquido está en ebullición. De lo anterior, se puede concluir que el calor entregado produce un aumento de la temperatura del sistema, o lo que es lo mismo, un aumento de la energía cinética media de las moléculas. Cuando la energía es tal que las partículas pueden pasar a la fase gaseosa, se forman burbujas que solo podrán escapar a la superficie si su presión (presión de vapor del líquido) es por lo menos igual a la presión sobre la superficie. Es por esto que se define al PUNTO DE EBULLICION de un líquido como “la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido iguala a la presión externa”. En recipientes abiertos, esta presión se puede considerar casi constante y aproximadamente igual a la presión atmosférica. De esta manera, el líquido hierve a la temperatura (Peb) en la cual la presión de vapor (Pv) del líquido se iguala a la presión en la superficie (H). Si esta última es la presión atmosférica normal (760 mm de Hg) el punto de ebullición se denomina Punto de Ebullición Normal:

Gráfica 1: Presión de vapor en función de la temperatura.

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA FACULTAD DE BIOQUÍMICA Y CIENCIAS BIOLÓGICAS UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL

1

QUÍMICA GENERAL QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA

El punto de ebullición es una propiedad intensiva que puede utilizarse para caracterizar a las sustancias puras. Mientras un líquido se encuentra en ebullición, la temperatura se mantiene constante. En realidad, esto sucede en todos los cambios de estado y puede evidenciarse al observar una gráfica de calor vs temperatura:

Gráfica 2: Curva de calentamiento

En el tramo C-D de calor sensible, la entrega de calor produce un aumento de la temperatura. Por el contrario, en el tramo D-E, de calor latente, el aporte de calor no produce incremento de la temperatura: la energía aportada se utiliza en el cambio de estado. La cantidad de calor necesaria para evaporar un gramo de sustancia a la temperatura de ebullición se denomina “calor latente de vaporización”, y es característico de cada sustancia. En el último tramo de la gráfica, segmento E-F, todo el líquido se ha transformado en vapor, y el calor entregado se utiliza para recalentarlo. Si se desea determinar el Punto de ebullición normal de una sustancia, pero la determinación experimental se realiza a una presión distinta de la normal, el resultado se debe corregir utilizando la ecuación de Clapeyron: 𝑃2 𝛥𝐻𝑣 1 1 ln = ( − ) 𝑃1 𝑅 𝑇1 𝑇2 En donde: P1= Presión atmosférica en el momento de la experiencia, expresada en mmHg. P2= 760 mmHg T1= punto de ebullición determinado a P1 T2= punto de ebullición corregido para P2 ΔHv= calor molar de vaporización a presión constante R = constante de los gases ideales Estas correcciones solo se realizan cuando el valor de la corrección sea mayor que la apreciación del termómetro utilizado.

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA FACULTAD DE BIOQUÍMICA Y CIENCIAS BIOLÓGICAS UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL

2

QUÍMICA GENERAL QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA  Determinación del Punto de Ebullición por el Método General: Consiste en destilar un líquido. Cuando el líquido entra en ebullición, el vapor que se genera asciende, calienta la cabeza de destilación, se condensa en el refrigerante y se lo recoge en un recipiente limpio. El calentamiento debe ser lento y continuo. En el bulbo del termómetro debe existir siempre una gota de condensación, lo cual indica que existe un equilibrio líquido – vapor. En estas condiciones, la temperatura de ebullición se lee cuando el líquido destila y la temperatura permanece constante (tramo B-C de la curva de calentamiento). Si se administra un calentamiento excesivo se rompe el equilibrio y se registran temperaturas superiores. Es necesario agregar trozos de material poroso (piedra pómez) al balón de destilación para evitar la formación brusca de burbujas por sobrecalentamiento del líquido (regulan la ebullición).

Esquema 1: Equipo de destilación.

 Determinación del Punto de Ebullición por el Método de Siwoloboff: Es un método que utiliza pequeñas porciones de sustancia en estudio, la cual se coloca en un tubo de ensayo que se calienta suavemente sumergiéndolo en un baño apropiado. En el líquido se introducen un termómetro y un tubo capilar con el extremo superior cerrado. Dentro del capilar el vapor tendrá cierta presión que irá incrementándose a medida que aumente la temperatura. Al iniciar el calentamiento, se comienzan a desprender algunas burbujas que corresponden al aire que había encerrado en el capilar. Cuando la presión dentro del capilar iguale a la presión atmosférica se producirá un desprendimiento continuo de burbujas (rosario de burbujas) que nos indica que la sustancia ha entrado en ebullición, y se debe anotar la temperatura en ese momento. Se puede corroborar la determinación por enfriamiento, controlando la temperatura en que deje de salir el rosario de burbujas desde el capilar.

Esquema 2: Equipo utilizado en el método de Siwoloboff.

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA FACULTAD DE BIOQUÍMICA Y CIENCIAS BIOLÓGICAS UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL

3

QUÍMICA GENERAL QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA  PUNTO DE FUSIÓN El punto de fusión de un sólido (o solidificación de un líquido) es la temperatura en la cual el sólido y el líquido se encuentran en equilibrio, a una presión determinada. El punto de fusión normal de una sustancia es aquél que se determina a la presión de 1,00 atm. Al igual que el punto de ebullición, la temperatura de fusión depende principalmente de las fuerzas de atracción que existen entre las partículas del sólido. Si miramos de nuevo la gráfica de calentamiento (gráfica 2), puede apreciarse que cuando se suministra calor a un sólido, su temperatura aumenta (tramo A-B). La cantidad de calor entregada se puede calcular mediante la expresión: q = m x cp x (T2 – T1) CALOR SENSIBLE donde: q = cantidad de calor (calorías) m = masa (g) cp = calor especifico a presión constante [cal I (g °C)] T2 y T1 = temperatura final y temperatura inicial (°C) En este tramo, el calor se emplea en el aumento de la energía cinética media (aumenta la temperatura, aumenta la Ec y aumenta la distancia entre las partículas). Cuando se alcanza la temperatura de fusión (segmento B-C) la temperatura se mantiene constante hasta que todas las partículas del sólido pasen al estado líquido. Todo el calor suministrado al sistema se utiliza en el cambio de estado y se lo puede calcular con la siguiente expresión: q = m x λf CALOR LATENTE (a temperatura constante) donde: λf = calor latente de fusión (cal/g.) En el segmento C-D, se continúa con el calentamiento del líquido. La curva de enfriamiento de un líquido será igual pero de sentido inverso, es decir que el calor que se desprende será igual en magnitud pero de signo inverso al calor entregado en el calentamiento. El estudio del punto de fusión puede ser útil no solo para identificar sustancias, sino también para comprobar su pureza, ya que una sustancia pura funde a temperatura constante; en cambio, si tiene impurezas, la temperatura aumentará mientras siga fundiendo.  Determinación del punto de fusión por el Método del Capilar: Este método consiste en introducir una pequeña cantidad de sólido en un tubo capilar, al que se le ha cerrado un extremo, se lo sujeta a un termómetro y se lo sumerge en un baño calefactor apropiado; se calienta hasta la temperatura en que coexisten los dos estados lo cual se observa macroscópicamente porque la fase sólida se ve opaca y la fase liquida se ve transparente; entonces en este instante se lee la temperatura, la cual será la temperatura del punto de fusión. El líquido de calefacción se selecciona de acuerdo a la sustancia cuyo punto de fusión se quiere determinar. Si se dispone de tubos Thiele (Esquema 3) no es necesario agitar, puesto que por su diseño las corrientes de convección que se generan producen el movimiento del líquido. Se debe tener cuidado de realizar el calentamiento flameando lentamente a la llama del mechero el extremo acodado del tubo. Esquema 3: Método capilar con tubo de Thiele

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA FACULTAD DE BIOQUÍMICA Y CIENCIAS BIOLÓGICAS UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL

4

QUÍMICA GENERAL QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA En todos los casos se debe evitar que la banda elástica tome contacto con el líquido calefactor, para que no se deteriore, ya sea porque éste la ataca (en el caso de un ácido) o por efecto de la temperatura.  Determinación del punto de fusión por Curva de Enfriamiento: Este método consiste en calentar un sólido hasta convertirlo completamente en líquido, en un baño calefactor con un líquido adecuado. Luego se introduce un termómetro en el tubo de ensayo que contiene a la sustancia de interés, cuidando de que no toque las paredes ni el fondo del tubo (Esquema 4). En este momento, se retira el fuego y el líquido calefactor y se comienza a medir la temperatura a intervalos regulares de tiempo hasta que la sustancia esté completamente sólida. Con los datos recogidos, se construye una curva de enfriamiento, graficando temperatura del sistema en función del tiempo, en donde se observa: una zona de calor sensible correspondiente al enfriamiento del líquido, una zona de calor latente correspondiente al cambio de estado y una zona de calor sensible correspondiente al enfriamiento del sólido.

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA FACULTAD DE BIOQUÍMICA Y CIENCIAS BIOLÓGICAS UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL

5

QUÍMICA GENERAL QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA Habitualmente, estas son experiencias que realizarían en el laboratorio de manera grupal. Dadas las condiciones de público conocimiento, en esta ocasión, las podrán observar en video .

DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN POR EL MÉTODO GENERAL OBJETIVO: Determinar el punto de ebullición normal de la acetona utilizando el método general (destilación).

1) Armar el equipo de destilación. 2) Colocar acetona en el balón hasta aproximadamente 1/3 del volumen del mismo. Colocar algunas piezas de piedra pómez. 3) Abrir el paso de agua del refrigerante. Verificar el correcto sentido de circulación. Luego iniciar el calentamiento. 4) Leer la temperatura de ebullición en el termómetro cuando se den las condiciones requeridas. 5) Averiguar la presión atmosférica y hacer las correcciones para determinar el punto de ebullición normal. 6) Comparar con los datos de tablas. Calcular el error relativo.

DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN POR EL MÉTODO DE SIWOLOBOFF OBJETIVO: Determinar el punto de ebullición normal de la acetona utilizando el método de Siwoloboff.

1) Colocar aproximadamente 5 mL del líquido en un tubo de ensayo. 2) Cerrar el extremo de un tubo capilar a la llama e introducirlo en el tubo de ensayo con el líquido en estudio, cuidando que el extremo cerrado quede hacia arriba. 3) Colocar el termómetro dentro del tubo de ensayo, cuidando que el bulbo quede sumergido en el líquido, y que no toque ni las paredes ni el fondo del tubo. 4) Introducir el sistema en un baño calefactor con un agitador. 5) Leer la temperatura cuando comience a salir del capilar un rosario de burbujas. Corroborar por enfriamiento. 6) Averiguar la presión atmosférica y hacer las correcciones para determinar el punto de ebullición normal.

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA FACULTAD DE BIOQUÍMICA Y CIENCIAS BIOLÓGICAS UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL

6

QUÍMICA GENERAL QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA

DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE FUSIÓN POR EL MÉTODO DEL CAPILAR OBJETIVO: Determinar el punto de fusión del naftaleno haciendo uso del método del capilar con tubos de Thiele.

1) Pulverizar la muestra en un mortero y cargarla en un capilar previamente cerrado en uno de sus extremos, procurando que el sólido quede lo más compacto posible (para esto se pueden dar suaves golpecitos sobre una superficie blanda). 3) Cuando se tiene una altura aproximada de 1 cm de sustancia, sujetar el capilar al termómetro con una banda elástica, procurando que la parte del capilar que contiene la sustancia coincida con el bulbo del termómetro. 4) Sumergir en un baño calefactor adecuado, cuidando que el líquido calefactor no entre en el capilar y que el bulbo del termómetro no toque ni paredes ni el fondo del tubo. 5) Iniciar el calentamiento, flameando con cuidado la parte acodada del tubo de Thiele. 6) Leer la temperatura de fusión en el momento en que se evidencie la coexistencia de las fases sólida (opaca) y líquida (transparente) en el seno del capilar.

CONSTRUCCIÓN DE UNA CURVA DE ENFRIAMIENTO OBJETIVO: Determinar el punto de fusión del naftaleno a través de la construcción de una curva de enfriamiento.

1) Pulverizar 5 a 6 g de naftaleno en un mortero y colocarlo en un tubo de ensayo, cuidando de no ensuciar las paredes del mismo. 2) Colocar el tubo con naftaleno en un baño calefactor de agua, sosteniendo el tubo con una agarradera o pinza. Calentar con agitación hasta que funda completamente el sólido contenido en el tubo de ensayo. 3) Colocar un termómetro dentro del tubo procurando que el bulbo quede completamente sumergido en el naftaleno pero sin tocar las paredes. Para esto se puede colgar el termómetro del soporte utilizando un hilo. Continuar calentando hasta llegar a 99 °C 4) Suspender el calentamiento y retirar el baño de agua, dejando enfriar el tubo de ensayo con naftaleno líquido en el aire y registrando la temperatura cada 30 segundos hasta llegar a 70 °C. 5) Graficar la curva de enfriamiento del naftaleno líquido, colocando en el eje vertical la temperatura y en el eje horizontal el tiempo.

6) Retirar el termómetro, para lo cual se debe calentar nuevamente el naftaleno en baño de agua hasta fusión.

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA FACULTAD DE BIOQUÍMICA Y CIENCIAS BIOLÓGICAS UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL

7

QUÍMICA GENERAL QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA

¿Cómo trabajar con este material?

a) Realiza una lectura en profundidad de la guía de laboratorio y realiza un resumen de los puntos fundamentales. Incluye en tus notas un breve resumen del paso a paso de las metodologías descriptas en las páginas 6, 7 y 8. b) Observa los videos de las experiencias disponibles en el canal de YouTube. Compara tus notas y verifica que los pasos se hayan realizado en los videos. https://www.youtube.com/playlist?list=PLhJinc93fiIvdkTniWPae2AQwaqPh1KJk Ejercitación:

c) Imaginemos la siguiente situación: al trabajar en la determinación del punto de ebullición por el método general, el líquido que utiliza en el baño maría comienza a hervir, mientras que el líquido cuyo punto de ebullición está determinando aún no destila, ¿Qué puede concluir? ¿Cómo procedería? d) Mencione al menos tres ventajas del Método de Siwoloboff respecto al Método General para la determinación del Peb. e) ¿Por qué en la determinación del Pf la boca superior del tubo capilar no debe estar debajo del nivel del líquido? ¿Por qué el capilar se sujeta junto al bulbo del termómetro? f) Siguiendo la metodología propuesta en el trabajo práctico, se cuenta con los siguientes datos para la construcción de una curva de enfriamiento del naftaleno: Tiempo (min) 0 1 2 3

Temperatura (°C) 99 94 89 84

Tiempo (min) 4 6 7 8

Temperatura (°C) 80 80 80 80

Tiempo (min) 9 11 13 15

Temperatura (°C) 74 68 61 50

f.1) Construya la curva de enfriamiento, señalando las temperaturas inicial, de fusión y final y los estados de agregación en cada tramo. f.2) Calcule el calor puesto en juego para todo el proceso (sistema naftaleno). Datos: Masa de naftaleno: 5 g. Calor latente de fusión (: 150,6 kJ/kg Calor específico del líquido, cp(líquido) : 1,68 kJ.kg-1.°C-1 Calor específico del sólido, cp(sólido) : 1,176 kJ.kg-1.°C-1 f.3) ¿Cómo identifica el punto de fusión del naftaleno en la curva construida? g) Visualice los simuladores para el calentamiento de una masa de hielo http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/es tados/cambios.htm http://www.educaplus.org/game/curva-de-calentamiento-del-agua. y Luego, realice las siguientes consignas:

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA FACULTAD DE BIOQUÍMICA Y CIENCIAS BIOLÓGICAS UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL

8

QUÍMICA GENERAL QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA

g.1) Compare la curva de calentamiento presentada en la gráfica 2 de esta guía con lo que sucede en ambos simuladores. g.2) En el simulador 1 se presentan dos representaciones gráficas de la materia: nivel macroscópico y nivel submicroscópico. Identifíquelas. g.3) De qué manera lo que el simulador 1 muestra en el nivel de representación submicroscópico puede explicar lo que se observa en el macroscópico. Tenga en cuenta en su respuesta la teoría cinético molecular y los cambios energéticos que ocurren en el sistema. g.4) ¿Qué se observa en el nivel submicroscópico cuando se le suministra calor al sistema? g.5) ¿Qué sucede con la temperatura durante el cambio de estado? ¿Cuál de los dos simuladores le permite llegar a esta conclusión? g.6) ¿Qué cambios de la materia se pueden observar? ¿Cómo los identifica? ¿Cuál de los dos simuladores le permite llegar a esta conclusión? g.7) Realice un esquema simple (no a escala) de la curva de calentamiento del agua desde -20°C hasta 120°C, a presión de 1 atm.

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA GENERAL E INORGÁNICA FACULTAD DE BIOQUÍMICA Y CIENCIAS BIOLÓGICAS UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL

9...