Informe de Química Física: Producto de solubilidad del sulfato de plomo por conductimetría PDF

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Práctica de conductimetría donde se obtiene el producto de solubilidad el sulfato de plomo gracias a las conductividades molares a dilución infinita de 3 sales distintas....

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¿Necesitas más apuntes? Encuéntrame en Unybook.com buscando el usuario @jmarinvives49 en el buscador web (arriba a la derecha) ¡No olvides puntuar, ni comentar!... UNIVERSIDAD: U.N.E.D. ASIGNATURA: EXPERIMENTACIÓN EN QUÍMICA FÍSICA Y ANALÍTICA (3er Curso). DOCUMENTO: Informe Química Física. Práctica 3: Producto de solubilidad del sulfato de plomo por conductimetría

PRÁCTICA 3: PRODUCTO DE SOLUBILIDAD DEL SULFATO DE PLOMO POR CONDUCTIMETRIA

Figura 1.1: Conductímetro usado en la práctica

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Resumen El objetivo principal de esta práctica ha sido el de determinar el producto de solubilidad del sulfato de plomo PbSO 4 . Como no sabemos la concentración del sulfato de plomo no se puede directamente saberse la conductividad molar. Para hallar esta magnitud hemos tenido en cuenta que la solubilidad de esta es muy baja y que por tanto su concentración en disolución es cercana a 0, sustituyendo su conductividad molar por la conductividad molar límite según ley de kohlrausch. Bien, entonces hemos usado 3 sales que contienen los iones de la sal (entre otros) cuya solubilidad hemos querido determinar y que hemos medido su conductividad a diferentes concentraciones por diluciones para hallar según ley de Kohlrausch sus conductividades molares límites. Una vez hecho esto por sustitución de ecuaciones hemos hallado la conductividad molar límite del PbSO 4, hecho que nos ha permitido averiguar su producto de solubilidad. A una temperatura de 40 grados hemos preparado una disolución de PbSO 4 que tras varias filtraciones y lavados hemos medido su conductividad restándole la del agua, siendo su conductividad , que tras averiguar su conductividad molar, hemos hallado un producto de 2 -2 solubilidad de   ≅ ,  − mol L . Y también a 40º, obtenemos una energía de gibbs de 45,2KJ/mol 45,2KJ/mol ∆ =45,2KJ/mol

Introducción El objetivo principal de esta práctica es el de determinar el producto de solubilidad del sulfato de plomo y también mediante el producto de solubilidad a otra temperatura calcular la entalpía de disolución y variación de entropía para hallar la energía de Gibbs. También de forma alternativa mediante las conductividades molares de 3 sales que cumplirán la ley de Kohlraush determinaremos el producto de solubilidad del sulfato de plomo. Con esta práctica cogeremos soltura con el conductímero, aprendiendo su calibración y su uso. Empezando comprendiendo que una sal cuyos iones estén a baja concentración, su producto de solubilidad puede escribirse como producto de concentraciones como:     !" #$ !% =   & " !" &% !%   !""!%    = Que demuestra que para determinar el producto de solubilidad K s sólo se requiere conocer la concentración de la sal cs en disolución saturada de la misma. La conductividad molar de un electrolito es: Λ ( =

)***+ ,-

-1 -1 (siendo K conductividad del electrolito en (S·cm ), y cs su concentración (mol·L ). Así Λ( se 2 -1 mide en S·cm ·mol

Por otra parte para electrolitos fuertes y concentraciones bajas la conductividad molar se rige por la ley de Kohlrausch:

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Λ ( =  Λ( . − Kc0

1 2

, es decir, el valor de la conductividad molar cuando la

concentración tiende a 0, siendo Λ ( . que es el valor de la ordenada en el origen de la línea recta de esta ecuación.

Para estas mismas concentraciones, la conductividad molar a dilución infinita Λ ( . se puede

calcular como la suma de las conductividades molares iónicas límites (3 4 . ) i según la ley límite . de migración independiente de los iones: Λ ( 5 =  ∑ v8 · :34 . ; <

Bien, tras esta breve introducción teórica, el método empleado para determinar el producto de solubilidad del sulfato de plomo consiste en que por el método teórico explicado no puede determinarse la conductividad molar límite del sulfato de plomo ya que tampoco puede saberse las conductividades molares iónicas límite del catión plomo y del anión sulfato. Sin embargo partiendo de 3 sales (que en su disociación tengan el ión plomo y el anión sulfato) midiendo la conductividad a diferentes concentraciones de cada una de las 3 sales puede hallarse las conductividades molares de las 3 sales. Y la representación gráfica de estas conductividades molares con las concentraciones nos darán rectas cuyas ordenadas en el origen nos darán los valores de las conductividades molares límites de las 3 sales según la ley de Kohlrausch. Y ahora por sumatorios podemos hallar la conductividad molar límite del sulfato de plomo que nos permitirá conocer el producto de solubilidad del sulfato de plomo. También y por último para completar el objetivo secundario de la práctica, habiendo realizado el experimento a 40 grados, usaremos el valor del producto de solubilidad del sulfato de plomo a 20 grados con el fin de determinar la entalpía de disolución y la energía de gibbs.

Experimental MATERIAL: -Conductímetro Eutech, modelo Cyberscan Con 510 -Termómetro. -Baño termostático. -Placa de agitación calefactora (para el PbSO4 ) -Vasos de precipitaddos de 100 y mL (para las 3 sales y sus diluciones) -Matraces aforados de y 100 mL (para las 3 sales y sus diluciones) -Dos erlenmeyers de 250 mL -Embudo de filtración y papel de filtro (para el PbSO 4 ) -Bureta de 50 mL. -Pesasustancias. -Agitador de vidrio y espátula -Disolución patrón de conductividades (para la calibración). -Sulfato de plomo, nitrato de plomo, sulfato potásico, nitrato potásico. -Agua desionizada.

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PREPARACIÓN DISOLUCIONES DE Pb(NO 3) 2, K 2SO4 , KNO3: Hemos preparado una serie de disoluciones para llevar a cabo el experimento: I.

Pb(NO3 ) 2: 100mL a 0,1 M: ==

> ?

->n= = · @ = 0,1= · 0,1@ = 0,01 moles de Pb(NO 3 )2 .

Siendo la masa molecular de Pb(NO3 )2 = 331,2 g/mol; m= C · = 4 = 0,01·331,2g/mol = 3,31 g hemos calculado. -4 Sin embargo hemos pesado: m = 3,3719 ± 1·10 g de Pb(NO3 )2 . Lo hemos disuelto en agua destilada en un vaso de precipitados de 100mL y lo hemos enrasado en matraz aforado de 100 mL añadiendo agua destilada. La concentración de esta disolución de 100 mL es : [Pb(NO3 )2] = 0,102 M II.

K 2SO4 : 100mL a 0,1 M: ==

> ?

->n= = · @ = 0,1= · 0,1@ = 0,01 moles de K 2 SO4 .

Siendo la masa molecular de K 2SO4 = 174,26 g/mol; m= C · = 4 = 0,01·174,6 g/mol = 1,74 g hemos calculado. -4 Sin embargo hemos pesado: m = 1,74 ± 1·10 g de K 2SO 4. Lo hemos disuelto en agua destilada en un vaso de precipitados de 100mL y lo hemos enrasado en matraz aforado de 100 mL añadiendo agua destilada. La concentración de esta disolución de 100 mL es : [K 2SO4] = 0,1 M III.

KNO 3: 100mL a 0,1 M: ==

> ?

->n= = · @ = 0,1= · 0,1@ = 0,01 moles de KNO 3 .

Siendo la masa molecular de KNO 3 = 101,1 g/mol; m= C · = 4 = 0,01·101,1 g/mol = 1,01 g hemos calculado. Sin embargo hemos pesado: m = 1,016 ± 1·10 -4 g de KNO3. Lo hemos disuelto en agua destilada en un vaso de precipitados de 100 mL y lo hemos enrasado en matraz aforado de 100 mL añadiendo agua destilada. La concentración de esta disolución de 100 mL es : [KNO3 ] = 0,1 M Una vez preparadas las 3 disoluciones de las 3 sales, con cada una de estas 3 disoluciones hemos preparado 4 más (un total de 12 disoluciones), de 0’01 M, 0’005 M, 0’001 M, 0’0001 M de 100 mL cada una mediante diluciones respectivas ayudándonos de pipeta trasvasando de un vaso de precipitado a otro.

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Una vez hemos preparado todas estas disoluciones (un total de 16) hemos encendido el conductímetro para que se estabilizase y hemos encendido el termostato programándolo para que calentase a unos 42 grados. Hecho esto hemos calibrado el conductímetro mediante una disolución patrón con concutividad de 1413 microsiemens /cm a 25 grados. Lo hemos medido con el conductímetro y daba este valor, así que estaba bien calibrado. Después de esto en un vaso bien limpio hemos vertido agua y hemos medido la conductividad, siendo esta la conductividad inicial K i = 0,0000227 S ( a 38 º) A continuación hemos añadido 1,0191± 1·10 -4 g de PbSO4 en un erlenmeyer de 250 mL llenando hasta 250mL con agua destilada y la hemos agitado con barra magnética. Hemos visto que es muy insoluble y hemos preparado un embudo con papel de filtro y hemos filtrado el contenido del erlenmeyer.

Fig 1.2: Disolución de PbSO4donde se aprecia que es insoluble.

Hemos lavado varias veces el precipitado echando varias veces agua destilada por encima. El precipitado que ha quedado lo hemos puesto en otro erlenmeyer de 250 mL con agua destilada y hemos preparado de nuevo otro filtro manualmente (hemos pasado por agua para limpiarlo bien).

Fig1.3: Filtración de la suspensión de PbSO4

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Hecho esto hemos calentado la suspensión del precipitado con el erlenmeyer al baño termostático hasta unos 42 grados y entonces hemos filtrado en el embudo. Una vez filtrado hemos medido la conductividad del PbSO 4 agitando con un agitador magnético. (hemos medido a 40,4 º). Para hacerlo bien hemos calentado en una placa calefactora con agitación con un agitador magnético dentro de la disolución y hemos medido. Después de esto hemos medido las 16 disoluciones preparadas anteriormente de nitrato de plomo, sulfato potásico y de nitrato potásico, todas en frascos de polietileno que las hemos puesto en el baño termostático a la temperatura de trabajo (42 º) para medir su conductividad.

Fig 1.4: Disoluciones de las 3 sales a distintas concentraciones en el baño termostático.

Resultados:

La conductividad inicial (con el agua) es : KADI = 0,0000227 S/cm La conductividad medida del PbSO 4 es: KPbSO4 = 0,0000669 S/cm ( a 40 º) Las de las 12 disoluciones de las 3 sales han sido las siguientes ( a 40 º todas):

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SAL

Concentración

K(S/cm) bruta

K_ADI

K(S/cm) neta

Pb(NO3)2

0,01 M

0,00240

0,0000227

0,00238

Pb(NO3)2

0,005 M

0,00144

0,0000227

0,00142

Pb(NO3)2

0,001 M

0,000443

0,0000227

0,00042

Pb(NO3)2

0,0005 M

0,00035

0,0000227

0,000327

KNO3

0,01 M

0,0000227

0,00122

KNO3

0,005 M

0,0000227

0,00066

KNO3

0,001 M

0,0000227

0,000173

KNO3

0,0005 M

0,0000227

0,0000945

K2 SO4

0,01 M

0,0000227

0,0012953

K2 SO4

0,005 M

0,0000227

0,0012173

K2 SO4

0,001 M

0,0000227

0,0002983

K2 SO4

0,0005 M

0,0000227

0,0001863

Tabla 1.1: Conductividades de las 3 sales a diferentes concentraciones en S/cm

Cálculos 1.Obtener las conductividad molares de las cuatro disoluciones de las 3 sales (de las 12 disoluciones: Λ( =

)***+ , -

-Conductividades molares de las del nitrato de plomoD 4

EFGHI 2

Para 0,01 M : 

D4

EFGHI 2

=

10000,00238 0,01

D4

EFGHI 2

=

10000,00142 = 284L · M 0,005

D4

EFGHI 2

=

10000,00042 = 420L · M N · MOP%) 0,001

= 238L · M

N · MOP%)

Para 0,005 M : 

N

· MOP%)

Para 0,001 M : 

Para 0,0005 M :

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D 4

EFGHI 2

=

10000,000327 = 654 L · M N ·MOP %) 0,0005

Del mismo modo para las conductividades molares de las del nitrato de plomo D 4

SGHI

-Para 0,01 -> 122 L · MN ·MOP %) -Para 0,005 -> 132 L ·M N ·MOP %) -Para 0,001 ->173 L·M

N

-Para 0,0005 ->189 L·M

·MOP %) N

·MOP %)

Del mismo modo para las conductividades molares de las del nitrato de plomo D 4 -Para 0,01 -> 129,53 L · M N ·MOP %) N

-Para 0,005 -> 243,46 L·M -Para 0,001 -> 298,3 L·M

N

-Para 0,0005 -> 372,6 L·M

·MOP %)

·MOP %) N

·MOP %)

Todos estos valores agrupados en tabla: Concentración

D4 L · MN · MOP %)

Pb(NO3)2 0,01 M

238

0,005 M

284

0,001 M

420

0,0005 M

654

KNO3 0,01 M

122

0,005 M

132

0,001 M

173

0,0005 M

189

K2 SO 4 0,01 M

129,53

0,005 M

243,46

0,001 M

298,3

0,0005 M

372,6

Tabla 1.2: Conductividades molares de las 3 sales a diferentes concentraciones.

S2 THU

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2.Representar gráficamente la ley de kohlrasuch para el grupo de disoluciones de cada sal y determinar las conductividades molares a dilución infnita del nitrato de plomo, el sulfato potásico y el nitrato potásico. Hemos representado gráficamente los valores de las conductividades molares (eje y) respecto a las raíces cuadradas de la concentración (eje x) para cada sal. Por medio de la ecuación según ley de kohlrausch, D 4 ≅ D*4 −  )/N , es igual a la ecuación de una recta y = mx + n, siendo la pendiente m la conductividad m = -K . Así la ordenada en el origen nos ha dado la conductividad molar a dilución infinita.

VW [Pb(NO 3)2 ] :X · YW · WZ[% ;

V W[ KNO3 ]  :X · YW · WZ[% ;

V W[ K2SO4 ] :X · YW · WZ[%;

√( cs) 2 mol/L

129,53

0,1

0,005

284

132

243,46

0,0707

0,001

420

173

298,3

0,031

0,0005

654

189

372,6

0,022

Concent. (mol/L) 0,01

238

122

Tabla 1.3: Relación conductividades molares para cada concentración y la raíz cuadrada de la concentración para aplicar ley de Kohlsrauch.

\m (Pb(NO3)2 S·cm2·mol-1)

Ley de Kohlrausch para el Pb(NO3)2 700 600 y = -4568,8x + 654,51

500 400 300 200 100 0 0

0,02

0,04

0,06 √(cs)

0,08

0,1

(mol2·L-2)

Fig 1.5: Ley de Kohrlausch para el Pb(NO3 )2 . Conductividades molares en función de la raíz cuadrada de la concentración.

0,12

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\m (KNO3) ( S·cm2·mol-1)

Ley de Kohlrausch para el KNO3 200 150 y = -863,55x + 202,29

100 50 0 0

0,02

0,04

0,06

√(cs)

0,08

0,1

0,12

(mol2·L-2)

Fig 1.6: Ley de Kohrlausch para el KNO3 . Conductividades molares en función de la raíz cuadrada de la concentración.

\m (K2SO4) ( S·cm2·mol-1)

Ley de Kohlrausch para el K2SO4 400 350 300 250 200 150 100 50 0

y = -2738,2x + 414,1

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

√(cs) (mol2·L-2)

Fig 1.7: Ley de Kohrlausch para el K 2SO4 . Conductividades molares en función de la raíz cuadrada de la concentración

Así, con estos gráficos representando las conductividades molares frente a la raíz cuadrada de la concentración, obtenemos como valores de las conductividades molares a dilución infinita para las 3 sales: Pb(NO3 )2 KNO3 K 2SO 4

654,41  L · MN · MOP%) 202,29 L ·M N · MOP %) 414,1L · MN · MOP %)

Tabla 1.4: Conductividades molares a dilución infinita de las 3 sales.

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3.Cáculo de la conductiidad molares a dilución infinita del sulfato de plomo: A partir de la ecuación 3.15, ecuación basada en la ley de Kohlrausch:

VW

Λ*(

fghiU

]^X_`

VW

= VW ]^X_`

]^a_b 

+ V W

d X_`

− VW

= 654,21 + 414,1 − 2 202,29

da_b

= 663,73 S·cm 2·mol-1

4. Cálculo de Ks mediante la ecuación 3.12. Tenemos en cuenta que hemos trabajado a 40º . Se calcula mediante la ecuación:

1000K fghiU N K0 ≅ l m Λ *( fghiU

N 1000 0,0000669   ≅ n o 663,73

% d mol2L -2 p ≅ , q

5. Cálculo de la energía de gibbs: Primero tenemos en cuenta los valores teóricos del producto de solubilidad a distintas temperaturas. -A 0ª -> Kps = 1,61·10-8 ; -8 -A 20ª -> Kps = 2,37·10 ; -A 40ª -> Kps = 2,92·10-8 ; -8 Nosotros a 40ª hemos obtenido 1,02·10 . Nos da un valor inferior que para hacerlo a 0ª. Tomamos pues para los cálculos los valores de 20º y 40º teóricos: Primero calculamos la entalpía de disolución : In(K s40 /K s20 ) = (∆H0* /R) ·[ (1/T 1 ) – (1/T 2 )] Se calcula mediante las siguientes ecuaciones:  ∆H * 1 ∆S * lnK 0 = − lt 0 v w y + t 0 vm R T R [z w

{p` ∆|p   y=t v nw y − w yo ~ ~ {p }

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2,92•10 %€ ∆• * * 1 1 PC t v = t y − w313yo → ∆•  = 7200ƒ/MOP v nw 2,37•10 %€ 291 8,314 Ahora de esta fórmula: lnK 0„* = − …†

∆‡ ˆ) ∆hˆ Š † ‹Š + † ‰- ŠŒ, ‰

ln2,92•10 %€ = − lw

∆L * 7,200 1 ƒ  y+t vm → ∆L* = −121,3 8,314 313 8,314 MOP · 

ahora con estos dos valores de entalpía y entropía, podemos calcular la energía de gibbs para 40º: ∆•  = ∆| − ~∆X 

=45,2KJ/mol ∆ = Ž,  − bb −, b =45,2KJ/mol

Discusió...