L4 Índice de Refracción- Universidad Nacional de Ingenieria PDF

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Laboratorio de índice de refracción-universidad nacional de ingeniería-cuarto laboratorio...

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“Año del Bicentenario del Perú: 200 años de Independencia” Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Química y Textil

INFORME Nº 04 Laboratorio de Fisicoquímica I QU427 B/C Índice de refracción Integrantes: Arteaga Flores Adrian Joseph

20191311K

Cueva Sifuentes Katherine Jesús

20194531A

Arias Córdova Adrián

20192669F

Profesoras: ▪

Olga Frida Bullón Camarena

▪

Jessica Ivana Nieto Juárez Fecha de realización de la practica: 18/05/2021 Feche de presentación de la practica: 25/05/2021 Lima-Perú

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ÍNDICE 1. OBJETIVOS (GENERAL Y/O ESPECÍFICOS) .......................................................... 4 2. FUNDAMENTO TEÓRICO ......................................................................................... 4 2.1.

Radiación Electromagnética. .................................................................................. 4

2.2.

Índice de refracción ................................................................................................ 5

2.3.

Refractómetro ......................................................................................................... 5

2.3.1. El refractómetro digital:..................................................................................... 6 3. DIAGRAMA DE FLUJO .............................................................................................. 7 4. PARTE EXPERIMENTAL ........................................................................................... 9 4.1.

MATERIALES Y REACTIVOS ............................................................................ 9

4.1.1. Materiales e Instrumentos .................................................................................. 9 4.1.2. Reactivos ........................................................................................................... 9 4.1.3. Determinación de los instrumentos y formulación de las disoluciones ........... 10 4.1.4. Medición de los índices de refracción: ............................................................ 11 4.2.

SEGURIDAD EN EL LABORATORIO ............................................................. 15

5. RESULTADOS ESPERADOS .................................................................................... 16 5.1.

Pregunta 1: ............................................................................................................ 16

5.2.

Pregunta 2: ............................................................................................................ 16

5.3.

Pregunta 3. ............................................................................................................ 18

5.4.

Aplicación industrial............................................................................................. 19

6. CONCLUSIÓN ............................................................................................................ 21 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .........................................................................22

Índice de Refracción

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ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1 Grafica Etanol vs Índice de Refracción ....................................................... 13 Ilustración 2 Grafica Sacarosa vs Índice de refracción ................................................... 14 Ilustración 3 Concentración sacarosa en muestras ......................................................... 15

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Materiales e Instrumentos .................................................................................... 9 Tabla 2 Soluciones de Etanol .......................................................................................... 10 Tabla 3 Índice de Refracción Etanol ................................................................................ 12 Tabla 4 Concentración de Etanol en muestras ............................................................... 13 Tabla 5 Índice de Refracción Sacarosa........................................................................... 14

Índice de Refracción

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ÍNDICE DE REFRACCIÓN 1. OBJETIVOS (GENERAL Y/O ESPECÍFICOS) •

Determinar la concentración de una sustancia en una muestra a partir del índice de refracción, esto mediante el uso del refractómetro digital y el estudio de su relación con las concentraciones de soluciones y líquidos.

•

Estudiar y comprender el funcionamiento y calibración de un refractómetro digital, así como su uso con las muestras proporcionadas.

•

Emplear el refractómetro digital y determinar los índices de refracción de las muestras, y partir de ello determinar la relación lineal entre ambas propiedades.

•

Explicar y extrapolar la relación entre ambas propiedades con el fin de determinar las concentraciones de sustancias cotidianas.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1. Radiación Electromagnética. Las ondas electromagnéticas consisten en 2 ondas que oscilan perpendicularmente la una de la otra; una es un campo magnético; la otra, un campo eléctrico. La longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales; es decir, mientras más corta sea la longitud de onda, más alta será la frecuencia, y viceversa. Esta relación está dada por la ecuación siguiente: 𝑐 = 𝜆𝜈

Índice de Refracción

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Su producto es igual a la constante c, la velocidad de la luz, que es igual a 3 × 108 𝑚/𝑠. Esta relación refleja un hecho importante: toda la radiación electromagnética, sin importar su longitud de onda o frecuencia, viaja a la velocidad de la luz. 2.2. Índice de refracción Es el cociente de la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio cuyo índice se calcula. Se simboliza con la letra griega eta (η) y se trata de un valor adimensional y mayor que la unidad, es una constante característica de cada medio. 𝜂=

𝑐 𝜐

•

η: índice de refracción

•

υ: la velocidad de la luz en el medio cuyo índice se va a calcular

•

c: velocidad de la luz

El índice de refracción de un compuesto es la relación entre el seno del ángulo de incidencia y el de refracción que experimenta un rayo de luz cuando pasa de un medio a otro de diferente densidad; esto se debe a la distinta velocidad de la luz en cada medio. También varía según la longitud de onda de la luz y de la temperatura: 𝜂𝐷𝑇 Por otro lado, es característico de cada líquido a una temperatura determinada, generalmente 20 °C, por lo que se utiliza como criterio para identificar de compuestos puros. 2.3. Refractómetro

Índice de Refracción

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En el mercado existen varios tipos de refractómetros, pero primero hay que definir esta herramienta de medición. Un refractómetro es un instrumento óptico que basa su funcionamiento en la refracción de la luz. El refractómetro es utilizado para medir el índice de refracción de líquidos y solidos. ▪

Identificar una sustancia.

▪

Verificar el grado de pureza.

▪

Analizar el porcentaje de soluto disuelto en una solución.

▪

Otros.

2.3.1. El refractómetro digital: Es un instrumento de uso automático, a base de pilas, que se vale de una pequeña muestra para determinar el índice de refracción y otras propiedades de una sustancia. Este debe ser calibrado previo a su uso y solo requiere de gotas como muestra para la determinación, sin embargo, también es muy sensible por lo que su limpieza debe ser con extremo cuidado, sin limpiadores agresivos. Además, también existen otro tipo de refractores en el mercado, estos también pueden ser de mano, incluso llegar a medir otras concentraciones como grados Briz. Pero también existe esta instrumentación mas sofisticada y por ende no de uso personal, en este caso son aparatos de laboratorio, no transportable que proporcionan más exactitud y datos.

Índice de Refracción

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3. DIAGRAMA DE FLUJO

Índice de Refracción

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Índice de Refracción

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4. PARTE EXPERIMENTAL 4.1. MATERIALES Y REACTIVOS Tabla 1 Materiales e Instrumentos

4.1.1. Materiales e Instrumentos Refractómetro digital manual

Algodón

Piceta

10 frascos de vidrio con tapón de 100 ml

Bureta de 50 ml

1 cuentagotas

Vaso de Precipitado 250 ml

Varilla

Soporte Universal y pinza para buerta

4.1.2. Reactivos Índice de Refracción

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•

Agua Destilada

300ml aprox.

o Alrededor de 280ml para la preparación de disoluciones y el resto para la calibración y toma de datos al 0% de etanol. •

Alcohol etílico 98%

110ml aprox.

o Alrededor de 100ml para la creación de las disoluciones y 10ml para la toma de datos al 98% (no es común tener etanol al 100%).

4.1.3. Determinación de los instrumentos y formulación de las disoluciones La formación de las disoluciones se da a partir de la siguiente formula: 𝐶1 × 𝑉1 = 𝐶2 × 𝑉2 Se sabe que en un laboratorio se encuentra etanol hasta en un 98%. Entonces se toma 100 ml de etanol y se le aplica la formula para pasar a 90% 98% × 100 = 𝑋 × 90% 108.88 𝑚𝑙 = 𝑋 Restándole los 100ml iniciales del alcohol sería 8.88 ml de agua que se debe agregar para formar una solución de 90%. Luego del volumen total se coloca el excedente en los frascos para la determinación del índice de refracción y solo conservar 100ml de la nueva solución. Tabla 2 Soluciones de Etanol

Índice de Refracción

C1

V1

C2

V2

Vol. estra

98

100

90

108.89

8.89

90

100

80

112.50

12.50

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80

100

70

114.29

14.29

70

100

60

116.67

16.67

60

100

50

120.00

20.00

50

100

40

125.00

25.00

40

100

30

133.33

33.33

30

100

20

150.00

50.00

20

100

10

200.00

100.00

Las mesclas se realizan en un vaso de precipitado y se va retirando hasta los 100 ml para la siguiente mezcla. En la ultima tendremos 200ml de solución al 10% de alcohol, y solo 100 ml irán al frasco. Los volúmenes de los frascos van hasta 100 ml, y serán 8 para las mezclas. El agua pura y etanol al 98% se pueden tomar de sus propios recipientes, piceta (agua). Cada mescla debe ser etiquetada en su respectivo frasco, de vidrio y transparente ya que no es una sustancia fotosensible. Para la toma del índice de refracción se usará un cuentagotas, y se tomará de cada frasco según su concentración. Luego de cada evaluación tanto el cuentagotas como el refractómetro debe ser lavado para evitar interferencias y posibles errores. 4.1.4. Medición de los índices de refracción:

Índice de Refracción

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1. Se calibrará el refractómetro con un poco de agua y algodón. Se anotará el índice del agua como 0% de alcohol. 2. Se tomarán las gotas de los frascos correctamente etiquetados de forma ascendente, desde 10% al 90% para evitar errores respecto a residuos de concentraciones previas. 3. Con todos los datos recolectados se graficará una representación y mediante el método de medios cuadrados se determinará la relación de lineal entre concentración y el índice de refracción 4. Este mismo procedimiento se repetirá desde la formulación de las disoluciones en serie para la sacarosa, sin embargo, se determinará una relación lineal hasta donde sea matemáticamente posible. Grafica y tabla de los datos proporcionados en la clase: 1. Para las soluciones de etanol El 100% de etanol es teórico según los datos proporcionados, y la temperatura será 20ºC a convención. •

Tabla:

Tabla 3 Índice de Refracción Etanol Concentración de Etanol (%V) Índice de Refracción (n) Temperatura (ºC)

•

0

10

20

30

40

1.3334

1.3368

1.3431

1.349

1.3541

20

20

20

20

20

50

20

60

70

80

90

100

1.3651

1.3667

1.3672

1.3682

1.3667

20

20

20

20

20

Grafica

Índice de Refracción

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1.41

Indice de refracción (n)

1.4

y = 0.0013x + 1.3258 R² = 0.9434

1.39 1.38 1.37

Indice de Refraccion (n) Relacion Lineal

1.36 1.35 1.34 1.33 1.32

0

10

20

30

40

50

60

Etanol (%V/V) Ilustración 1 Grafica Etanol vs Índice de Refracción

•

Relación 𝑦 = 0.0005𝑥 + 1.3331 𝜂 = 0.0005(%𝑉) + 1.331

Usando la ecuación obtenida se puede determinar en base al índice de refracción las concentraciones de algunas sustancias. Tabla 4 Concentración de Etanol en muestras

Muestra

Índice de Refracción Concentración (%V/V)

Cerveza

1.3355

4.8

Vino Tinto

1.3410

15.8

Agua Ardiente

1.3528

39.8

2. Para las soluciones de sacarosa

Índice de Refracción

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•

Tabla:

Tabla 5 Índice de Refracción Sacarosa

Concentración de Sacarosa (%V) 0 10 20 30 1.3334 1.3382 1.3444 1.3618 Índice de Refracción (n) 20 20 20 20 Temperatura (ºC)

•

40 50 1.379 1.3996 20 20

Gráfico: 1.41

1.4

y = 0.0013x + 1.3258 R² = 0.9434

Indice de Refracción

1.39 1.38 1.37

Indice de Refraccion (n)

1.36

Lineal (Indice de Refraccion (n))

1.35 1.34 1.33 1.32 0

20

40

60

Concentracion de Sacarosa (%P) Ilustración 2 Grafica Sacarosa vs Índice de refracción

•

Relación: 𝑦 = 0.0013𝑥 + 1.3325 𝜂 = 0.0013(%𝑎𝑧𝑢𝑐𝑎𝑟) + 1.3325 Usando la ecuación obtenida se puede determinar en base al índice de refracción las concentraciones de algunas sustancias. Muestra

Índice de Refracción

Índice de Refracción Concentración (%azúcar)

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Cerveza

1.3419

7.2

Vino Tinto

1.3425

7.7

Agua Ardiente

1.3528

15.6

Ilustración 3 Concentración sacarosa en muestras

4.2. SEGURIDAD EN EL LABORATORIO Esta practica de laboratorio no requiere del empleo de muchos reactivos, sin embargo, uno siempre debe ser precavido al momento de realizar un experimento. •

El refractómetro debe ser utilizado con mucho cuidado, la limpieza del este debe ser cuidadosa ya que emplea el uso de la luz como cuantificador, por lo tanto, los rayones y restos de muestras pueden interferir con los resultados. Es sugerido el uso del algodón, no frotar y limpiar con poca agua luego de su uso.

•

Al realizar cualquier practica del laboratorio se deben tomar todas las precauciones generales, por ejemplo: el uso de equipamiento de protección personal, manta, guantes, recogido de cabello, etc.

•

El alcohol etílico debe ser empleado con precaución según su ficha de seguridad los riesgos y precauciones que conviene son: Etanol al 98%

Pictogramas:

Índice de Refracción

Uso en la practica: Este es el reactivo principal a partir del cual se formulan las disoluciones. NO CONTROLADO Precauciones y consejos de prudencia: Prevención: P210Mantener alejado del calor, de superficies calientes, de chispas, de llamas abiertas y de cualquier otra fuente de ignición. No fumar. P233Mantener el recipiente herméticamente cerrado. Respuesta: P305+P351+P338 En caso de contacto con los ojos: Enjuagar con agua cuidadosamente durante varios minutos.

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Ficha de seguridad: https://www.carlroth.com/downloads/sdb/es/6/SDB_6724_ES_ES.pdf

Riesgos: H225 Líquido y vapores muy inflamables H319 Provoca irritación ocular grave

5. RESULTADOS ESPERADOS 5.1. Pregunta 1: Proponer la ecuación de corrección del índice de refracción en función de la temperatura, e indicar como el índice de refracción varía con la T. La temperatura es un parámetro de influencia en las mediciones de índice de refracción, ya que en la mayoría de los líquidos este disminuye aproximadamente 0.00045 al aumentar 1 ºC, mientras que en los sólidos disminuye únicamente 0,00001 por cada 1 ºC; el agua disminuye 0,00010 por cada 1 ºC. (Metrología de refracción, 2008). Si la medición no se toma a 20 °C, debe realizarse una corrección. Para la mayoría de los líquidos orgánicos, el índice de refracción cambia entre 0.00035 a 0.00055 unidades/°C. Si no se conoce el factor de corrección exacto para un líquido particular, se elige generalmente 0.00045 unidades/°C. Usando este valor, la siguiente fórmula nos permite calcular el índice de refracción a 20 °C cuando se toma a otra temperatura, T. (Eaton, D.C., 1989). 𝜂𝐷20 = 𝜂𝐷𝑇 + (0.00045)(𝑇 − 20 °𝐶) En general la disminución del índice de refracción con el aumento de temperatura se debe a la disminución de la densidad y constante dieléctrica del medio. 5.2. Pregunta 2:

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¿Qué significa o que indica los grados Brix?, y proponer la ecuación de °Brix en función de la temperatura. Los grados Brix (°Bx) indican el cociente total de sacarosa disuelta en un líquido. Se miden normalmente con un sacarímetro, que mide la gravedad especifica de un liquido o en otras palabras con un refractómetro. Sí, la medición de grados Brix de un líquido fluctúa en función de la temperatura. El resultado de grados Brix de una muestra fría será más alto que el de la misma muestra a temperatura ambiente. Este es el motivo por el que, si se desea una medición exacta de grados Brix, hay que tomar la temperatura en la ecuación. Para ello, tenemos esta tabla que nos ayudara a determinar los grados brix de 10 °C a 30 °C

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5.3. Pregunta ...