Determinar experimentalmente la relación cuantitativa entre la densidad de un disolución y su concentración. PDF

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Determinar experimentalmente la relación cuantitativa entre la densidad de un disolución y su concentración. La relación cuantitativa, entre la densidad de una solución y su concentración, es lineal partiendo de la densidad del disolvente. ...

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Introducción Cafe, a la mayoría de la gente le gusta el café, café con leche, latte, expreso, amargo o dulce, la gama de sabores que esta bebida nos puede otorgar es muy amplia pero ¿a qué se debe este cambio?, incluso si se habla del café de olla este no presenta el mismo sabor si lo preparas tú o alguien más y esto se debe básicamente al tipo de concentración en la disolución conocida como “café” y ¿que es una disolución? y aún más importante ¿a qué nos referimos con concentración? . La disolución es una mezcla homogénea donde todas las propiedades químicas se mantienen pero las propiedades físicas cambian y se le llama disolvente a la sustancia que está en mayor porción y a al soluto a todas aquellas sustancias que se encuentren en la mezcla y estén disueltas además de tomar el estado de agregación del disolvente. Estas disoluciones presentan propiedades extensivas, intensivas y coligativas1. La concentración es la forma de expresar la cantidad de soluto que hay en una determinada cantidad de disolvente o disolución la unidades que se utilizan son unidades de masa o de volumen o de relación de estas y hay de dos tipos las unidades físicas y las unidades químicas Las unidades físicas son aquellas cuyo valor no dependen de la naturaleza de las sustancias consideradas como las unidades de masa o las unidades de volumen como son el: Porcentaje peso a peso (%p/p); Describe la cantidad en gramos de soluto o de disolvente presentes en 100 gramos de disolución %Soluto= (gramos de soluto/gramos de disolvente)* 100 %Disolvente= (gramos de disolvente /gramos de disolución)*100 Porcentaje peso a volumen (%p/v); Es una forma de expresar los gramos de soluto que existen en un volumen de 100 mL de disolución %Soluto= (gramos de soluto/ mL de disolución) *100 Porcentaje volumen a volumen (%v/v); Se emplea para expresar concentraciones de líquidos y expresa el volumen de un soluto en un volumen de 100 mL de disolución %Volumen de soluto= (mL de soluto/ mL de disolución) *100 Partes por millón (Ppm); Se emplea para hablar de soluciones muy diluidas y expresa la parte en gramos de un soluto por cada millón de partes de solución 1VALENZUELA CALAHORRO, Cristobal. (1995)

ppm= (mg de soluto/ kg de solución) ppm= (mg de soluto / L de disolución) Las unidades químicas de de concentración: Son aquellas que relacionan la fórmula-gramo o equivalentes--gramos de solución con el volumen de solución o las moles gramo con la masa o las moles totales en la disolución 2 la cuales son: Molaridad (M) ; Corresponde al número de moles de soluto de cada litro de solución M= (moles de soluto/ Litros de disolución) Normalidad (N): Expresa el número de equivalentes-gramo de soluto por cada litro de disolución N= (# de equivalentes-gramo de soluto/ Litro de disolución) Fracción molar (X): Se denomina fracción molar al coeficiente entre el número de moles de un componente de una mezcla (A=soluto y B= disolvente) y el número total de moles de todos los compuestos XA=nA/ (nA+nB) Fracción soluto XB=nB//nA+nB) Fracción de disolvente Molalidad (m): Está definida como el número de moles de soluto por kilogramos de solvente m= # moles de soluto/ kg de solvente Formalidad (F): Se define como el número de moles de una sustancia por litro de solución3 F= # de moles/ Litro de disolución Todas estas concentraciones dependen de las propiedades de la disolución y en base a esto una concentración es la relación entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolvente por lo que a mayor proporción de soluto disuelto mayor concentración y viceversa. Las soluciones más fáciles de preparar en un laboratorio son las disoluciones sólido líquido y las disoluciones líquido líquido, un soluto que es sólido se pesara en una balanza granataria adecuada para obtener la disolución deseada se debe conocer el peso del soluto y corregirse el cálculo de la cantidad de soluto teniendo en cuenta la pureza del material también se debe tomar en cuenta que se debe preparar una disolución insaturada, es necesario tomar en cuenta la solubilidad, la cual es la capacidad de una sustancia en otra 4, para no superar esa cantidad de soluto así como el peso del soluto para hacer un concentración peso a volumen la cantidad de soluto debe corregirse teniendo en cuenta la pureza del reactivo ya que esto puede afectar su solubilidad. 2 PATIÑO JARAMILLO, Margarita y Nilkar Yair VALDÉS ROMAÑA (2010) 3 FLASCHKA, H. BARNARD A. y STURROCK P. (1973) 4 PICADO Ana Beatriz (2008) 1

En el caso de un disolución líquido-líquido para la preparación por volumen-volumen se debe conocer la pureza y más importante las densidades del soluto y disolvente para estas disoluciones debe tenerse presente en la dilución de ácidos y bases fuertes la liberación de energía en forma de calor la cual vaporiza las gotas de agua ocasionando salpicaduras que puedan ser peligrosas para quien manipula la sustancia. Por lo tanto, las soluciones concentradas se vierten sobre el agua logrando que el agua absorba el calor liberado 5. La mayor parte disoluciones líquidolíquido son miscibles y pueden tener concentraciones del 100% en comparación con las sólido-líquido que todo debe ser por debajo del nivel de solubilidad. Las disoluciones se prepararon con unidades físicas por lo que se pudo controlar mejor las concentraciones que para el caso de los sólidos fueron concentraciones muy bajas para no alcanzar la saturación y se pudieran disolver de una forma rápido sin necesidad de agitar tanto y para las líquidas las concentraciones fueron muy altas puesto que el vinagre es miscible. Entre las propiedades de la materia se encuentra la densidad que es una propiedad intensiva y se define como la cantidad de materia que hay en un determinado espacio en un lenguaje matemático es la masa por unidad de volumen a esta densidad se le conoce como densidad absoluta o simplemente densidad sin embargo hay otra densidad que es la densidad relativa donde relaciona la densidad de una sustancia cualquiera con la del agua ambas a la misma temperatura en esta práctica al usar picnometría y manejarse el volumen constante se calculó la densidad relativa como la masa de la disolución sobre la masa del agua. La densidad tiene la caracterisca que puede ser utilizada como una ayuda para la identificación de una sustancia o de las sustancias que la conforman. Cuando se da la densidad de un sólido o un líquido, la masa se expresa habitualmente en gramos y el volumen en mililitros o centímetros cúbicos Las densidades de los líquidos y los sólidos se representan generalmente en términos de gramos por mililitro (g/mL) o gramos por centímetro cúbico (g/cm3). Sin embargo, la densidad de los gases se expresa en términos de gramos por litro (g/L). A menos que se indique lo contrario, las densidades de un gas se dan para 0°C y 1 atmósfera de presión. Cuando un objeto sólido insoluble se deja caer en el agua, se hundirá o flotará en función de su densidad. Si el objeto es menos denso que el agua, flotará, desplazando una masa de agua igual a la masa del objeto. Si el objeto es más denso que el agua, se hundirá, desplazando un volumen de agua igual al volumen

5 IPN (2000) 2

del objeto. Esta información puede utilizarse para determinar el volumen (y densidad) de objetos de forma irregular. La gravedad específica (gr esp) o gravedad relativa de una sustancia es la razón de la densidad de la sustancia con la densidad de otra sustancia, generalmente agua , y no tiene unidades porque las unidades de densidad se anulan. La gravedad específica indica cuántas veces es más pesado un líquido, un sólido o un gas en comparación con el material de referencia6. Para determinar la densidad de una disolución hay varios instrumentos entre los más comunes son; el densímetro automático que determina directamente la densidad de un líquido, indicando al mismo tiempo la temperatura a la que este se encuentra. Es conveniente enjuagar primero con el líquido a medir y a continuación efectuar dos medidas consecutivas de la densidad, confirmando que el valor se reproduce7; el densimetro-aerometro es un pequeño flotador de vidrio de forma alargado, lastrado con perdigones de plomo en su parte inferior en la superior lleva una escala graduada, diferente según el tipo de medida. El líquido problema debe estar en un recipiente suficientemente ancho como para que el densímetro pueda flotar libremente y suficientemente profundo como para que no toque el fondo. una vez que el aerómetro esté perfectamente limpio y seco se introduce en el líquido donde flotará en función de la densidad de este 8. Sin embargo estos dos no son de lo más común en el laboratorio ya que el densímetro automático tiene un elevado costo y el densimetro-aerometro es de muy poca precisión, este se usa más en la industria alimentaria donde se necesita más velocidad que exactitud al momento de calcular la densidad, en los laboratorios es más común el uso de la picnometría como técnica para calcular la densidad de un disolución. El picnómetro es un pequeño recipiente de vidrio de volumen perfectamente conocido y de forma similar al de un matraz. Se cierra con un tapón de vidrio esmerilado que posee en su interior un pequeño capilar y que presenta una marca de enrase. La determinación de la densidad ha de hacerse con la referencia tomada a la misma temperatura, para lo que se suele utilizar el agua. la densidad se mide a través de la expresión: ρ 2m1 ρ= m2

6 HEIN, Morris y Susana Arena (2014) 7 FERNÁNDEZ GONZÁLEZ,C. … y otros.(2009) 8 Ibidem 3

Siendo m1 la masa de la disolución preparada, m2 la masa del agua y p2 la densidad del agua a la temperatura que se está trabajando. El procedimiento experimental consiste en pesar el picnómetro en una balanza analitica, controlando perfectamente la temperatura cuando está lleno con el líquido problema y cuando lo está con el de referencia. El picnómetro ha de estar perfectamente limpio y completamente seco antes de introducir el líquido que proceda, una vez retirado el tapón se vierte la cantidad de líquido necesaria como para que llegue al borde, de tal manera que se forma un mecanismo convexo en la boca que deja del mismo. Posteriormente se coloca el tapón de vidrio sobre el menisco y se deja deslizar con suavidad hacia abajo, de manera que encaje el recipiente. El líquido ascender por el capilar del tapón de rebosando si es necesario. El nivel del líquido ha de quedar justo en el envase del tapón; si ello no ocurre, con un trozo de papel se retira la cantidad sobrante por la parte de arriba del capilar del tapón. Si se ha mojado la parte externa del picnómetro se debe secar con cuidado. Es preciso recordar que existen diversas maneras de relacionar las magnitudes físicas (variables), en otras palabras existen varios tipos de funciones que relacionan las variables y estas son expresiones matemáticas como la proporción directa, la variación lineal, la variación no lineal (cuadrática o cúbica), proporción inversa y proporción inversa al cuadrado. Ya que toda solución tiene una densidad inicial, aun cuando la concentración es cero (la del disolvente), se puede decir que se trata de una relación lineal representada gráficamente por una línea recta que pasa por la densidad del disolvente y el valor de su pendiente es el mismo que el de la constante de proporcionalidad. finalmente recordemos que este experimento será llevado a cabo para ciertos tipos específicos de disolución pero el método es reproducible para cualquier otra disolución de la misma naturaleza que las presentadas en este trabajo.

Planteamiento del problema Determinar experimentalmente la relación cuantitativa entre la densidad de un disolución y su concentración.

4

Seleccion y asignacion de variables ● La concentración de la solución es la variable independiente. ● La densidad de la solución es la variable dependiente.

Control de variables extrañas La naturaleza del soluto y del solvente para una determinada sustancia esta puede ser muy soluble o insoluble por lo que se utiliza un disolvente dipolar (agua) y un soluto iónico La temperatura afecta la solubilidad ya que cuando aumenta la temperatura la solubilidad es mayor por lo que se mantendrá la temperatura del laboratorio la cual es constante.

Hipótesis La relación cuantitativa, entre la densidad de una solución y su concentración, es lineal partiendo de la densidad del disolvente.

ρ❑Disoluci ó n=% C k + ρ❑Disolvente❑❑ ❑❑

5

Método

a) Sujeto de estudio ●

Disoluciones %m/v de Bicarbonato de sodio (NaHCO3) , marca Medi Mart con solubilidad de 10.3 g/ 100 mL, en agua destilada a 25 ºC.

●

Disoluciones % v/v de Vinagre de manzana, marca la costeña con densidad de 1.008 g/ cm3 , en agua destilada.

b) Equipo, material y sustancias. Equipo

Material

Sustancias

Balanza granataria Marca OHAUS triple beam balance con capacidad de 2610 g

1 Matraz aforado de 100mL

30 g de bicarbonato de sodio NaHCO3 marca Medi mart

balaza analitica

1 vaso de precipitados de 100 mL

50 mL de vinagre de manzana marca La Costeña

termoagitador

1 agitador de vidrio

2 L de agua destilada

1 vidrio de reloj

1 paquete de kleenex

1 espátula 1 pizeta 1 picnómetro 1 termómetro 1 microagitador 1 mosquita magnética 1 pipeta volumétrica de 10 mL 1 pipeta volumétrica de 20 mL 1 pipeta volumétrica de 25 mL 1 pipeta volumétrica de 50

6

mL 1 perilla de tres vías

c) Procedimiento 1. Se pesan, en una balanza granataria y utilizando un vidrio de reloj limpio y seco, 2 g de NaHCO3, se vierten en un vaso de precipitados, limpio, de 100mL, se le añade una cantidad considerable ( menor de 100 mL pero el suficiente para disolver el soluto) de agua destilada y se mezcla con el agitador Figura 1: dilución previa en el vaso de de vidrio. Como se muestra en la precipitados. figura 1 2. Se vierte la mezcla, ayudándonos del agitador, en un matraz aforado limpio y se enjuaga el vaso de precipitados con un poco de agua destilada que también se vierte en el matraz, posteriormente se agrega matraz hasta el menisco, se agita dos veces. como muestra en la figura 2

figura 2: trasvasado de la dilución y aforado.

agua al se tapa y se

3. Se toma una alícuota de la disolución, preparada en los puntos anteriores, y se llena un picnómetro, previamente pesado en la balanza analitica ,limpio y seco, utilizando un microagitador, se le pone el capilar y una vez que está lleno por completo y seco por fuera se vuelve a pesar en la balanza analitica y se registran ambos pesos y junto con la capacidad del picnómetro se saca la densidad y se Figura 3: uso del registra. Finalmente se toma la temperatura del picnómetro laboratorio y se registra. 4. Se repite el procedimiento con 3g, 4g,5g,6g, y 7g de bicarbonato de sodio, todos se aforan a 100 mL . 5. Para las disoluciones % v/v se ocupa la tabla 1 y en lugar de pesar solutos se agrega el vinagre directo al matraz utilizando la pipeta volumétrica y se repite el paso 3. Tabla 1- cantidad de soluto para las disoluciones L-L mL de vinagre

10 mL

20 mL

25 mL

35mL

50 mL

100 mL

7

en 100mL de solución % v/v

10%

20%

25%

35%

50%

100%

Resultados Tabla 2: para el registro de los datos experimentales en las disoluciones del bicarbonato de sodio en agua destilada a 22º C

Tabla 2. Relación cuantitativa concentración - densidad para disolución s-L Nº

con cen trac ión % m/v

volume n del picnóm etro

1

2%

23.4948 50.7018

74.1464

74.5013

23.4446

23.7997

1.0151

1.0151

0.5075

2

3%

23.4948 50.7018

74.1464

74.6122

23.4446

23.7997

1.0198

1.0198

0.0047

3

4%

23.4948 50.7018

74.1464

74.8124

23.4446

23.7997

1.0284

1.0284

0.0086

4

5%

23.4948 50.7018

74.1464

75.0680

23.4446

23.7997

1.0393

1.0393

0.0109

5

6%

23.4948 50.7018

74.1464

75.1683

23.4446

23.7997

1.0435

1.0435

0.0042

6

7%

23.4948 50.7018

74.1464

75.2989

23.4446

23.7997

1.0491

1.0491

0.0056

peso del peso del picnómet picnóme ro vacío tro con agua

peso del picnóme tro con disolució n

peso del agua

peso de la disolució n

densidad densidad absoluta relativa

pendien te B

Graficando los datos resaltados en azul se encuentra la Gráfica 2 en la que se observa una dispersión de puntos y una línea recta que pasa por 0.9991.

8

Tabla 3: para el registro de los datos experimentales en las disoluciones del vinagre de manzana en agua destilada a 24 ºC

Tabla 3. Relación cuantitativa concentración - densidad para disolución L-L Nº

con cent raci ón % v/v

volume n del picnóm etro

1

10 %

25.7608 25.3189

2

20 %

25.7608 25.3189 50.9923 51.0316 25.7634

3

25 %

4

peso del picnóm etro vacío

peso del picnóm etro con agua

peso del picnóm etro con disoluci ón

peso del agua

peso de la disoluci ón

50.9923 51.0026 25.7634 25.6837

densida densidad pendiente B d relativa absoluta

1.0004

1.0004

0.10004

25.7127

1.0198

1.0198

0.00194

25.7608 25.3189 50.9923 51.0478 25.7634

25.7289

1.0284

1.0284

0.00172

35 %

25.7608 25.3189 50.9923 51.0585 25.7634

25.7396

1.0393

1.0393

0.00109

5

50 %

25.7608 25.3189

25.7634

25.7913

1.0435

1.0435

0.00028

6

100 %

25.7608 25.3189 50.9923 51.2228 25.7634

25.9037

1.0491

1.0491

0.000112

50.9923 51.1102

9

Graficando los datos resaltados en morado se realizó la Gráfica 3 en la que se observa una dispersión de puntos y una línea recta que pasa por 0.9996 en el eje de las ordenadas (densidad).

Tabla 4 Datos esperados para el bicarbonato a partir de la ecuación empírica. #

concentración %m/m

densidad

pendiente

1

2

1.0137

0.0073

2

3

1.021

0.0073

3

4

1.0283

0.0073

4

5

1.0356

0.0073

5

6

1.0429

0.0073

10

6

7

1.0502

0.0073

Tabla 5 Datos esperados para el vinagre a partir de la ecuación empírica. #

concentración %m/v

densidad

pendiente

1

10

1.0005

0.00009

2

20

1.0014

0.00009

3

25

1.0018

0.00009
...