Laboratorio 01- propiedades molares parciales (G-11) PDF

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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICATEMA: DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN MOLARPARCIAL DE ETANOL Y AGUA EN SOLUCIONESACUOSAS ETANOLICASCURSO FISICOQUÍMICA IIAULA : GRUPO 11INTEGRANTES : ROJAS RODRIGUEZ, PAOLA JENNIFER ROSALES ALVAREZ, PATRICIA NAYELIDOCENTE : REYES LÁZARO, WILSONTRUJILLO – PERÚ...

Description

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

TEMA  DETERMINACIÓN

DEL VOLUMEN

MOLAR

PARCIAL DE ETANOL Y AGUA EN SOLUCIONES ACUOSAS ETANOLICAS CURSO  FISICOQUÍMICA I AULA :  GRUPO 1 INTEGRANTES

:  ROJAS RODRIGUEZ, PAOLA JENNIFER  ROSALES ALVAREZ, PATRICIA NAYELI

DOCENTE

:  REYES LÁZARO, WILSON

TRUJILLO – PERÚ

DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN MOLAR PARCIAL DE ETANOL Y AGUA EN SOLUCIONES ACUOSAS ETANOLICAS I.

OBJETIVO: -

Comprender el significado de las propiedades molares parciales y determinar el volumen parcial de etanol y agua en una mezcla etanolica

-

Aplicar el método de las intersecciones para el cálculo de los volúmenes molares parciales del etanol y agua.

II.

INTRODUCCIÓN: Dentro de las propiedades termodinámicas, podemos identificar al volumen (V) entropía (S), energía interna (E) o entalpia (H) como magnitudes extensivas que dependen de la cantidad de sustancia, pero dentro de estas es importante conocer e identificar propiedades intensivas que no dependan de la masa y tenga un valor determinado en cada punto del sistema, y es asi como surge las magnitudes molares, que para una mezcla de componentes se define como la magnitud molar parcial, que representa la contribución por 1mol de cada componente i a la propiedad total X del sistema, definiéndose de la siguiente manera: 𝜕𝑥 𝑋 𝑖 = ( )

𝜕𝑛𝑖 𝑃,𝑇,𝑛𝑖 ≠𝑛𝑗

… (1)

De esta manera, se cumple que toda propiedad extensiva “X” de una mezcla está dada por:  2 + ⋯ + 𝑛𝑖 𝑋  𝑖 … (2) 𝑋 = 𝑛1𝑋1 + 𝑛2𝑋 Donde 𝑋𝑖 es la magnitud parcial del constituyente i; por ejemplo, para el volumen

 𝑖) este indica el aumento que experimenta el volumen del sistema molar parcial (𝑉 por la adición de 1 mol de sustancia i a P y T constante. Debido a que la adición de i es pequeña comparado con el gran volumen, este no produce un cambio apreciable en su concentración; sin embargo, es conveniente indicar que el valor de 𝑉 𝑖 variara, naturalmente con la concentración de i. Para una mezcla ideal los volúmenes no son aditivos y la contribución de 1 mol de cada componente a la mezcla es lo que se llama volumen molar parcial que es igual al volumen molar de la sustancia pura.

Por otro lado, para determinar los volúmenes molares parciales en mezclas binarias es adecuado usar el método de las intersecciones. Por ejemplo, para una solución binaria formada por dos líquidos 1 y 2 con un total de 1 mol de ambos componentes, cuyas fracciones molares son X1 o n1 y X2 o n2 seria: X1 + X2 = 1

n1 + n2 =1 V  n1V 1  n 2V 2

V1  

V n 1

P ,T

V2  

V  n2

P ,T

(1)

(2)

(3)

Método de las intersecciones

 Y   Y  Y1  X 2    X  2  P ,T ,n 2 Propiedad molar parcial del componente 1

Fig. 1 Método de las intersecciones

Las intersecciones sobre los ejes de coordenadas de las tangentes a la curva resultan de representar la inversa de las densidades (1/𝜌) vs al % en peso dan los volúmenes específicos parciales, que al multiplicarlos por su respectiva masa molecular (M) dan los volúmenes molares parciales. Subíndices B: etanol A: agua

III.

MATERIALES, EQUIPOS Y RECATIVOS



Densímetro digital



Picnómetro



Termómetro



Pipeta graduada de 50 ml



Balanza analítica



2 vasos de precipitados de 100 ml

IV.



Piseta.



Agua destilada.



Alcohol etílico del 96% v/v

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1. Calibrado del Volumen del Picnómetro -

Se pesó el picnómetro vacío y seco en la balanza analítica y se anotó su masa (W 0).

-

Se llenó el picnómetro con agua hasta el borde y se introdujo el tapón, cierto exceso de agua sale por el capilar del tapón, y se busca determinar el volumen que ocupa el agua hasta la marca de enrase, por ello, se debe enrasar con una pipeta.

-

Se volvió a pesar, secándolo por fuera para evitar errores en la medida, y se anota la masa del picnómetro con agua (W a).

-

Posteriormente, el volumen del picnómetro o volumen aparente (Vaparente) se calcula de la siguiente manera: Vaparente 

Wa ( pic  agua) _(W0 picvacio )  (agua, P ,T )

La densidad del agua a las condiciones de P y T del laboratorio, se debe buscar en el HandBook. 4.2. Determinación del Peso Aparente de una disolución

-

Debido a que la disolución de etanol de la que se parte es del 95,5% p/p de etanol, se calculó los volúmenes de solución de etanol (al 95,5 % en peso de etanol) y volumen de agua para preparar una serie de disoluciones acuosas con distintas concentraciones del mismo 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 y 10 % p/p de alcohol.

-

Se preparó 20 g de cada una de las soluciones de etanol-agua (suficiente para llenar el picnómetro) y se pasó a llenar el picnómetro con cada una las distintas disoluciones de alcohol para determinar su densidad. Por tanto, la densidad ρ, se expresa en (g/mL).



W ( pic  soluc) W0 ( picvacio) Vaparente

4.3. Preparación de soluciones de etanol-agua a diferentes concentraciones (90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 y 10 % p/p de alcohol).  Se preparó 20 g de cada una de las soluciones etanol-agua a partir de etanol al 95,5 % en peso de etanol (azeótropo) o 96 % v/v. 1) Solución al 10 % en peso de etanol: Datos: 𝜌 etanol (a 95,5 % p/p y a 25°C) = 0,829 g/mL



g etanol= 0,10 (20 g) = 2,0 g etanol



g agua= 0,90 (20g) = 18,0 g agua



Vetanol (mL) del 95,5% p/p = 2,0 g [ 1mL/(0,829g) (0,955)] = 2,53 ml etanol



Vagua (mL) en los 2,53 mL etanol del 95,5 % p/p = 2,53ml (0,04) = 0,10 ml agua considerando que la densidad del agua es a 25°C aprox. 𝜌 =1,00g/mL



Vagua adicional (ml)= 18,0 g - 0,10 g = 17,9 ml agua

 Se calculó de igual manera las distintas soluciones de etanol-agua a los diferentes porcentajes de concentración indicados. 4.4. Calculo de los volúmenes molares parciales de etanol y agua a partir de (1/ρ) Etanol y (1/ρ) agua de la gráfica, 1/ρ de las soluciones Vs. % p/p de etanol de las distintas soluciones de etanol-agua.

Dónde: Metanol y Magua son las masas molares del etanol y agua respectivamente.

V.

ESQUEMA DE LA PRATICA

VI.

CALCULOS Y DATOS EXPERIEMENTALES -

Se calculó los volúmenes de etanol al 95,5% p/p necesario y el volumen de agua para preparar 20 g de cada una de las soluciones a las distintas concentraciones:

-

Se determinó las densidades para todas las disoluciones de etanol-agua a distintas concentraciones mediante el uso del picnómetro:



Solución al 10 % en peso de etanol: Datos: 𝜌 etanol (a 95,5 % p/p y a 25°C) = 0,829 g/mL 

g etanol= 0,10 (20 g) = 2,0 g etanol



g agua= 0,90 (20g) = 18,0 g agua



Vetanol (mL) del 95,5% p/p = 2,0 g [ 1mL/(0,829g) (0,955)] = 2,53 ml etanol



Vagua (mL) en los 2,53 mL etanol del 95,5 % p/p = 2,53ml (0,04) = 0,10 ml agua considerando que la densidad del agua es a 25°C aprox. 𝜌 =1,00g/mL

Vagua adicional (ml)= 18,0 g - 0,10 g = 17,9 ml agua 

Solución al 20% en peso de etanol: Datos: 𝜌 etanol (a 95,5 % p/p y a 25°C) = 0,829 g/mL 

g etanol= 0,20 (20 g) = 4,0 g etanol



g agua= 0,80 (20g) = 16,0 g agua



Vetanol (mL) del 95,5% p/p = 4,0 g [ 1mL/(0,829g) (0,955)] = 5,05 ml etanol



Vagua (mL) en los 5,05 mL etanol del 95,5 % p/p = 5,05ml (0,04) = 0,20 ml agua considerando que la densidad del agua es a 25°C aprox. 𝜌 =1,00g/mL

Vagua adicional (ml)= 16,0 g - 0,20 g = 15,8 ml agua 

Solución al 30% en peso de etanol: Datos: 𝜌 etanol (a 95,5 % p/p y a 25°C) = 0,829 g/mL 

g etanol= 0,30 (20 g) = 6,0 g etanol



g agua= 0,70 (20g) = 14,0 g agua



Vetanol (mL) del 95,5% p/p = 6,0 g [ 1mL/(0,829g) (0,955)] = 7,58 ml etanol



Vagua (mL) en los 7,58 mL etanol del 95,5 % p/p = 7,58ml (0,04) = 0,30 ml agua considerando que la densidad del agua es a 25°C aprox. 𝜌 =1,00g/mL

Vagua adicional (ml)= 14,0 g - 0,30 g = 13,7 ml agua



Solución al 40% en peso de etanol: Datos: 𝜌 etanol (a 95,5 % p/p y a 25°C) = 0,829 g/mL 

g etanol= 0,40 (20 g) = 8,0 g etanol



g agua= 0,60 (20g) = 12,0 g agua



Vetanol (mL) del 95,5% p/p = 8,0 g [ 1mL/(0,829g) (0,955)] = 10,10 ml etanol



Vagua (mL) en los 10,10 mL etanol del 95,5 % p/p = 10,10ml (0,04) = 0,40 ml agua considerando que la densidad del agua es a 25°C aprox. 𝜌 =1,00g/mL

Vagua adicional (ml)= 12,0 g - 0,40 g = 11,6 ml agua 

Solución al 50% en peso de etanol: Datos: 𝜌 etanol (a 95,5 % p/p y a 25°C) = 0,829 g/mL 

g etanol= 0,50 (20 g) = 10,0 g etanol



g agua= 0,50 (20g) = 10,0 g agua



Vetanol (mL) del 95,5% p/p = 10,0 g [ 1mL/(0,829g) (0,955)] = 12,63 ml etanol



Vagua (mL) en los 12,63 mL etanol del 95,5 % p/p = 12,63ml (0,04) = 0,50 ml agua considerando que la densidad del agua es a 25°C aprox. 𝜌 =1,00g/mL

Vagua adicional (ml)= 10,0 g - 0,50 g = 9,5 ml agua



Solución al 60% en peso de etanol: Datos: 𝜌 etanol (a 95,5 % p/p y a 25°C) = 0,829 g/mL 

g etanol= 0,60 (20 g) = 12,0 g etanol



g agua= 0,40 (20g) = 8,0 g agua



Vetanol (mL) del 95,5% p/p = 12,0 g [ 1mL/(0,829g) (0,955)] = 15,16 ml etanol



Vagua (mL) en los 15,16mL etanol del 95,5 % p/p = 15,16ml (0,04) = 0,60 ml agua considerando que la densidad del agua es a 25°C aprox. 𝜌 =1,00g/mL

Vagua adicional (ml)= 8,0 g - 0,60 g = 7,4 ml agua 

Solución al 70% en peso de etanol: Datos: 𝜌 etanol (a 95,5 % p/p y a 25°C) = 0,829 g/mL 

g etanol= 0,70 (20 g) = 14,0 g etanol



g agua= 0,30 (20g) = 6,0 g agua



Vetanol (mL) del 95,5% p/p = 14,0 g [ 1mL/(0,829g) (0,955)] = 17.68 ml etanol



Vagua (mL) en los 17.68 mL etanol del 95,5 % p/p = 17.68ml (0,04) = 0,70 ml agua considerando que la densidad del agua es a 25°C aprox. 𝜌 =1,00g/mL

Vagua adicional (ml)= 6,0 g - 0,70 g = 5,3 ml agua



Solución al 80% en peso de etanol: Datos: 𝜌 etanol (a 95,5 % p/p y a 25°C) = 0,829 g/mL 

g etanol= 0,80 (20 g) = 16,0 g etanol



g agua= 0,20 (20g) = 4,0 g agua



Vetanol (mL) del 95,5% p/p = 16,0 g [ 1mL/(0,829g) (0,955)] = 20.21 ml etanol



Vagua (mL) en los 20.21 mL etanol del 95,5 % p/p = 20.21ml (0,04) = 0,80 ml agua considerando que la densidad del agua es a 25°C aprox. 𝜌 =1,00g/mL

Vagua adicional (ml)= 4,0 g - 0,80 g = 3,2 ml agua 

Solución al 90% en peso de etanol: Datos: 𝜌 etanol (a 95,5 % p/p y a 25°C) = 0,829 g/mL 

g etanol= 0,90 (20 g) = 18,0 g etanol



g agua= 0,10 (20g) = 2,0 g agua



Vetanol (mL) del 95,5% p/p = 18,0 g [ 1mL/(0,829g) (0,955)] = 22.74 ml etanol



Vagua (mL) en los 22,74 mL etanol del 95,5 % p/p = 22,74ml (0,04) = 0,90 ml agua considerando que la densidad del agua es a 25°C aprox. 𝜌 =1,00g/mL

Vagua adicional (ml)= 2,0 g - 0,90 g = 1,1ml agua

-

Se representa 1/ρ (mL/g) Vs % p/p de etanol a partir de los datos de 1/ρ registrados en la gráfica:

1/ ρ (mL/g)

1/ ρ vs p/p de etano

% peso de etanol

1/ ΡAGUA [ML/G]

1/ ΡETANOL [ML/G]

10

1,020

1,113

20

1,000

1,145

30

0,996

1,185

40

0,983

1,190

50

0,978

1,195

60

0,975

1,200

70

0,967

1,205

80

0,958

1,210

90

0,950

1,215

-

Calcular el volumen molar parcial del etanol y del agua para todas de las disoluciones a cada concentración dada: DATOS: 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 18,02 𝑀

𝑔 𝑔 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 46,07 𝑀 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙

Para la solución al 10% en peso de etanol: Volumen molar del etanol 

 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 1,113 𝑽



 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 51,276 𝑽

𝑚𝑙 𝑔

𝑚𝑙

𝑔

𝑥 (46,07)𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑜𝑙

Volumen molar del agua 

 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 1,020 𝑽

𝑚𝑙



 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 18,380 𝑽

𝑚𝑙 𝑚𝑜𝑙

𝑔

𝑔

𝑥 (18,02)𝑚𝑜𝑙

Para la solución al 20% en peso de etanol: Volumen molar del etanol



 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 1,145 𝑽



 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 52,750 𝑽

𝑚𝑙 𝑔

𝑚𝑙

𝑔

𝑥 (46,07)𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑜𝑙

Volumen molar del agua 

 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 1,000 𝑽



 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 18,020 𝑽

𝑚𝑙 𝑔

𝑔

𝑥 (18,02)

𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑙

𝑚𝑜𝑙

Para la solución al 30% en peso de etanol: Volumen molar del etanol 

 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 1,185 𝑽

𝑚𝑙



 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 54,590 𝑽

𝑚𝑙 𝑚𝑜𝑙

𝑔

𝑔

𝑥 (46,07)

𝑚𝑜𝑙

Volumen molar del agua 

 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 0,996 𝑽



 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 17,95 𝑽

𝑚𝑙

𝑚𝑙

𝑔

𝑚𝑜𝑙

𝑔

𝑥 (18,02)𝑚𝑜𝑙

Para la solución al 40% en peso de etanol: Volumen molar del etanol 

 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 1,190 𝑽

𝑚𝑙



 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 54,820 𝑽

𝑚𝑙

𝑔

𝑔

𝑥 (46,07)𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑜𝑙

Volumen molar del agua 

 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 0,983 𝑽

𝑚𝑙



 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 17,710 𝑽

𝑚𝑙

𝑔

𝑔

𝑥 (18,02)

𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑜𝑙

Para la solución al 50% en peso de etanol: Volumen molar del etanol 

 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 1,195 𝑽

𝑚𝑙



 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 55,050 𝑽

𝑚𝑙 𝑚𝑜𝑙

𝑔

𝑔

𝑥 (46,07)𝑚𝑜𝑙

Volumen molar del agua 

 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 0,978 𝑽



 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 17,620 𝑽

𝑚𝑙 𝑔

𝑚𝑙

𝑔

𝑥 (18,02)𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑜𝑙

Para la solución al 60% en peso de etanol: Volumen molar del etanol 

 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 1,200 𝑽



 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 55,280 𝑽

𝑚𝑙 𝑔

𝑔

𝑥 (46,07)

𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑙

𝑚𝑜𝑙

Volumen molar del agua 

 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 0,975 𝑽



 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 17,570 𝑽

𝑚𝑙 𝑔

𝑚𝑙

𝑔

𝑥 (18,02)𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑜𝑙

Para la solución al 70% en peso de etanol: Volumen molar del etanol 

 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 1,205 𝑽



 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 55,51 𝑽

𝑚𝑙

𝑚𝑙

𝑔

𝑔

𝑥 (46,07)𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑜𝑙

Volumen molar del agua 

 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 0,967 𝑽



 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 17,430 𝑽

𝑚𝑙 𝑔

𝑚𝑙

𝑚𝑜𝑙

𝑥 (18,02)

𝑔

𝑚𝑜𝑙

Para la solución al 80% en peso de etanol: Volumen molar del etanol 

 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 1,210 𝑽

𝑚𝑙



 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 55,740 𝑽

𝑚𝑙

𝑔

𝑔

𝑥 (46,07)𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑜𝑙

Volumen molar del agua 

 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 0,958 𝑽

𝑚𝑙



 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 17,263 𝑽

𝑚𝑙

𝑔

𝑥 (18,02)

𝑔

𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑜𝑙

Para la solución al 90% en peso de etanol: Volumen molar del etanol 

 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 1,215 𝑽

𝑚𝑙



 𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 55,980 𝑽

𝑚𝑙 𝑚𝑜𝑙

𝑔

𝑔

𝑥 (46,07)𝑚𝑜𝑙

Volumen molar del agua 

 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 0,950 𝑽



 𝒂𝒈𝒖𝒂 = 17,119 𝑽

% Etanol

𝑚𝑙 𝑔

𝑔

𝑥 (18,02)𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑙

𝑚𝑜𝑙

ρ

1/ρ

Vm etanol

Vm agua

(g/mL)

(mL/g)

(mL/mol)

(mL/mol)

10

0,981

1,113

51,276

18,380

20

0,967

1,145

52,750

18,020

30

0,953

1,185

54,590

17,950

40

0,936

1,190

54,820

17,710

50

0,918

1,195

55,050

17,620

60

0,897

1,200

55,280

17,570

70

0,880

1,205

55,510

17,430

VII.  



80

0,859

1,210

55,740

17,263

90

0,842

1,215

55,980

17,119

CONCLUSIONES: Se logró comprender el significado de las propiedades molares parciales a través del desarrollo de la práctica. Se comprobó experimentalmente que haciendo uso del picnómetro es un buen método para obtener los volúmenes molares parciales del solvente y soluto, todo lo esperado intuitivamente termino demostrado a través de la gráfica. Se calculó de igual manera las distintas soluciones de etanol-agua a los diferentes porcentajes de concentración indicados.

VIII. CUESTIONARIO 1) Averigüe en la literatura qué otros métodos existen para determinar las propiedades molares parciales. Método directo: Haciendo uso de la definición de la propiedad molar parcial: 𝜕𝑥 𝑋 𝑖 = ( ) 𝜕𝑛𝑖 𝑃,𝑇,𝑛𝑖 ≠𝑛𝑗 Para un sistema multicomponente, un método evidente para su determinación consistirá en graficar el valor de la propiedad a presión (P) y temperatura (T) constante frente al número de moles de cada uno de los componentes, manteniendo constante el número de moles de los otros componentes (n j). trazando una recta tangente a la curva para una composición en particular y calculando su pendiente, se puede determinar el valor de 𝑋𝑖 para dicha composición. Se deberá repetir el método (n-1) veces para encontrar el aporte de cada componente a la propiedad total. El ultimo valor de obtiene por diferencia de todos con la propiedad total. Como la molalidad de una disolución representa el número de moles de soluto asociados a una masa constante de disolvente, el diagrama de la propiedad X en función de la molalidad se podrá utilizar para este método,

En el caso de las soluciones binarias, un...