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PROPIEDADES COLIGATIVAS SOLUCIONES DE ELECTROLITOS FUERTES OBJETIVOS Objetivo general: Analizar el efecto que tiene la adición de cantidades diferentes de un soluto no electrolito y un electrolito fuerte sobre la disminución de la temperatura de fusión de un disolvente. Objetivos particulares: a. Determinar la temperatura de congelación de disoluciones acuosas de un electrolito fuertes, a diferentes concentraciones, a partir de curvas de enfriamiento. b. Comparar la temperatura de congelación de soluciones de dos diferentes electrolitos fuertes (NaCl y CaCl2) a la misma concentración.

INTRODUCCIÓN Las propiedades coligativas no guardan ninguna relación con el tamaño ni con cualquier otra propiedad de los solutos. Son función sólo del número de partículas y son resultado del mismo fenómeno: el efecto de las partículas de soluto sobre la presión de vapor del disolvente. Para las soluciones que contengan solutos electrolitos, las propiedades coligativas, se miden de diferente manera con respecto a las propiedades coligativas de las soluciones que contienen un soluto no electrolito. Este fenómeno se debe a la disociación de los solutos electrolitos en iones, dando así a una separación de un compuesto en diferentes iones o partículas. Para electrolitos fuertes y débiles, la concentración de partículas en solución es mayor que la concentración inicial del compuesto en cuestión, por lo tanto, si se determina experimentalmente las propiedades coligativas de estos compuestos se observan desviaciones de los resultados teóricas esperados. Van´t Hoff tomó una solución de cloruro de sodio (NaCl) de 0,1 m y determinó el punto de congelación de dicha solución, que fue -0.348 ºC y posteriormente estableció, de manera teórica, el valor del punto de congelación de la misma solución, el cual fue de - 0.372 °C. Se demostró que los valores teóricos del punto de congelación de la solución de NaCl no se acercaban a la realidad de los valores experimentales, y éste fenómeno se debe a las atracciones electrostáticas entre los iones que conforman a la solución. Dichas atracciones conllevan a la unión momentánea de los iones de cargas opuestas formando un par iónico. Un par iónico es la unión de cationes y aniones a través de fuerzas electrostáticas. Al formarse los pares iónicos, disminuye la presencia de iones libres en la solución y, por lo tanto, provoca una leve caída en los valores de las propiedades coligativas.

Para el caso de los electrolitos fuertes, el factor de Van't Hoff es el número de iones totales producidos, ya que los electrolitos fuertes se disocian por completo. En los electrolitos débiles que no se disocian por completo la ecuación de Van't Hoff viene expresada por:

i=1+α (q−1) siendo: i = factor de corrección de Van't Hoff. α = grado de ionización del soluto, que indica qué cantidad de soluto se disoció. q = número total de iones liberados en la ionización de un compuesto. Otra manera de representar el factor de Van't Hoff es a través de la ecuación, cuyo uso está destinado para soluciones que se disocian completamente o no se disocian:

i=

puntode congelación ( o ebullición ) experimental punto de congelación ( o ebullición) para un no electrolito

Para las soluciones de electrolitos fuertes, las ecuaciones de las propiedades coligativas deben modificarse para su adaptación a estas clases de soluciones. Con el factor de Van´t Hoff, las propiedades coligativas para las soluciones electrolíticas son: Disminución del Punto de Congelación: Aumento del Punto de Ebullición:

∆ T c =k c mi

∆ T c =k eb mi

Gracias al estudio de los electrolitos, a través de las propiedades coligativas de una solución electrolítica se puede determinar el factor de Van't Hoff, y la relación de los iones producidos en la disociación con respecto a los iones totales.

PROBLEMA Determinar el factor de Van’t Hoff (i) para las soluciones acuosas de NaCl y de CaCl 2 a las mismas concentraciones.

NaCl(ac) CaCl2 (ac)

Na+(ac) + Cl-(ac) Ca2+(ac) + 2Cl-(ac)

DISEÑO EXPERIMENTAL  Para calcular ∆Te (K): ∆Te = Tf 0 – Tf m  Para calcular el ∆Tno e (K) ∆Tno e = Kf m En este caso, utilizaremos el valor teórico es cual es de

1.86 °/mol 1000 g H 2O

 El factor de Van´t Hoff (i) lo tomaremos de la expresión ∆T f i= (∆T f )0 Reordenamos y llegamos a lo siguiente ∆Tf = i (∆Tf)0 y=mx+b

0

La pendiente de la gráfica nos dará el valor del factor de Van´t Hoff del agua con base en el efecto de la concentración de electrolitos fuertes sobre su temperatura de congelación.

METODOLOGÍA EMPLEADA En un vaso de plástico de 1L se colocó hielo con sal, de preferencia alternar una capa de hielo y una de sal. Primero se determinó el punto de fusión del agua pura y posteriormente el de las soluciones de cloruro de sodio (NaCl) y cloruro de calcio (CaCl2). Cada tubo de ensaye contenía 3 mL de una disolución de NaCl y CaCl2 a diferentes concentraciones (0.25 m, 0.5 m, 0.75 m y 1 m), además se introdujo un termómetro para medir la temperatura cada 10 segundos. Se sumergió el tubo en hielo y con ayuda de un cronómetro , cada 10 segundos se anotó la temperatura en la que se encontraba la disolución. Debido a la presencia de un estado metaestable se agitó lentamente la disolución para romperlo. Se detuvo el cronómetro hasta la aparición de los primeros cristales.

Fig 2. Determinación del punto de fusión del agua.

Fig 1. Tubos de ensaye con disolución de NaCl a diferentes concentraciones.

Fig 3. Aparición de los primeros cristales de una disolución de CaCl2 (0.75 m) a una temperatura de 270.25 K.

RESULTADOS Temperatura: 23.46 °C= 296.61 K Presión: 779.001 hPa= 0.7688 atm= 584.3004 mmHg

Tabla 1. Preparación de soluciones: cantidad de soluto en 50 g de agua. m (mol/kg)

Gramos de NaCl

Gramos de CaCl2

0.25

0.730

1.387

0.50

1.461

2.775

0.75

2.191

4.162

1.0

2.922

5.549

Algoritmo de cálculo:

0.25mol NaCl 58.44 g NaCl x x 0.05 kg agua=0.730 g de NaCl 1kg de agua 1mol de NaCl 0.25 mol CaCl 2 110.99 g CaCl 2 x 0.05 kg agua=1.387 g de CaCl 2 x 1 mol CaCl 2 1 kg de agua

Tabla 2. Datos experimentales de tiempo y temperatura para el agua y para las soluciones con cloruro de sodio. Sistema Tiempo (s) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310

H2O 0.0 m 23.6 16.4 12 9.2 7.3 5.8 4.8 3.9 1.6 0.9 0.4 0.1 -0.3 -0.8 -1.3 -1.9 -2.3 -3.7 -3.9 -4.1 -4.5 -5 -2.1 -0.5 -0.4 -0.4 -0.4

0.25 m 22 16.6 12.4 10 8.3 5.5 4.2 2.8 2.1 1.4 0.7 0 -0.5 -0.7 -1.4 -1.7 -2 -2.8 -3 -3.4 -3.8 -4.1 -4.3 -4.7 -5.3 -5.6 -5.9 -2.3 -1.4 -1.4 -1.4

Temperatura (°C) NaCl / H2O 0.5 m 0.75 m 23.2 21 15 11.2 10.5 5 7 2 4.9 0.1 3.2 -1.1 1.7 -2.3 0.8 -3 0.2 -3.8 -0.2 -4.4 -1 -5 -1.8 -5.5 -2.9 -6 -3.1 -6 -4.3 -3.3 -4.8 -2.9 -4.9 -3 -5.4 -3 -2.4 -3 -2.3 -2.3 -2.3

1m 18 10.5 6.3 3.6 1.3 0.2 -1.3 -2.2 -2.8 -3.7 -4.2 -4.8 -5.2 -5.5 -5.7 -6.2 -6.6 -7.1 -7.4 -7.8 -7.9 -5 -4.1 -4.1 -4.1

Tabla 3. Datos experimentales de tiempo y temperatura para el agua y para las soluciones de cloruro de calcio. Sistema Tiempo (s) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270

H2O 0.0 m 23.6 16.4 12 9.2 7.3 5.8 4.8 3.9 1.6 0.9 0.4 0.1 -0.3 -0.8 -1.3 -1.9 -2.3 -3.7 -3.9 -4.1 -4.5 -5 -2.1 -0.5 -0.4 -0.4 -0.4

0.25 m 20.6 11.6 6.7 3.9 1.8 0.4 -0.7 -1.5 -2.6 -3.4 -3.8 -4.5 -5.1 -1.9 -1.3 -1.3 -1.3

Temperatura (°C) CaCl2 / H2O 0.5m 0.75 m 18.7 19 9.2 9.7 5.2 4.8 2.5 1.8 0.5 -0.2 -1 -1.6 -2 -2.8 -3.2 -3.7 -3.6 -4.7 -4.9 -5.5 -5.6 -6.1 -6.2 -6.6 -7 -7.3 -7.4 -7.6 -7.8 -8 -3.4 -5.3 -2.3 -3.2 -2.2 -2.9 -2.2 -2.9 -2.2 -2.9

Tabla 4. Valores de la temperatura de congelación del agua y de las disoluciones de cloruro de sodio y cloruro de calcio. Sistema

m (mol/kg)

Agua

0.0 0.25 0.5 0.75 1 0.25 0.5 0.75 1

Cloruro de sodio NaCl

Cloruro de calcio CaCl2 Algoritmo de cálculo:

T en el equilibrio (°C) -0.4 -1.4 -2.3 -3 -4.1 -1.3 -2.2 -2.9 -4

T en el equilibrio (K) 272.75 271.75 270.85 270.15 269.05 271.85 270.95 270.25 269.15

∆T(K)= T0 - Tsol 0 1 1.9 2.6 3.7 0.9 1.8 2.5 3.6

1m 19.9 10.2 4.9 1.5 -0.6 -2.2 -3.4 -4.2 -4.9 -5.3 -6 -6.5 -7 -7.4 -7.8 -8.1 -8.2 -8.3 -8.4 -8.5 -8.5 -4.9 -4.2 -4 -4 -4

∆T= Temperatura de congelación del agua pura (K) – temperatura de congelación de la solución (K) ∆T(K)= T0 - Tsol ∆Tagua= 272.75 K – 272.75 K= 0 K ∆TNaCl (0.25 m)= 272.75 K – 271.75 = 1 K ∆TCaCl2 (0.25 m)= 272.75 K – 271.85 = 0.9 K

BIBLIOGRAFÍA https://www.ruoa.unam.mx/index.php?page=estaciones&st=unam&id=1 (Consultada el 1 de abril de 2019 a las 20:42 hrs)....