Laboratorio de punto de fusión, ebullición y densidad PDF

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Informe de laboratorio acerca de el desarrollo y obtención de resultados para la determinación del punto de fusión, de ebullición y la densidad de ciertos materiales....

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PUNTO DE FUSIÓN, PUNTO DE EBULLICIÓN Y DENSIDAD Neiver Ochoa Toscano1, Alejandro Hoyos Jimenez1, Dylan Newball Villamil1 RESUMEN Introducción. La temperatura de ebullición, la temperatura de fusión y la densidad son propiedades características de las sustancias que permiten la aplicación, para el beneficio del hombre, de procesos en los que se involucren dichas sustancias para el mejoramiento y el avance innovador en la tierra. Marco teórico. El punto de ebullición es la temperatura a la cual una sustancia pasa de estado líquido a estado gaseoso. En ella la presión de vapor del líquido iguala a la presión de vapor del medio en el que se encuentra para que ocurra el cambio. El punto de fusión es la temperatura a la cual una sustancia pasa del estado sólido al estado líquido. La densidad es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia. Metodología. Mediante el uso de montajes de fusión y de ebullición en el laboratorio, y de implementos para hallar la densidad de sustancias, se desarrollaran diversos procesos buscando encontrar la sustancia problema con la cual se trabaja. Resultados. Las sustancias problemas que teníamos eran naftaleno (punto de fusión), hierro (densidad de sólidos), hexano (densidad de líquidos) y n-heptano (punto de ebullición), ya que los resultados obtenidos eran los más próximos a los resultados bibliográficos de estas sustancias. Conclusiones. La temperatura de ebullición varía de acuerdo a la presión. Entre más altura sobre el nivel del mar, la presión va a ser menor y por lo tanto la temperatura de ebullición también. Para hallar las densidades de los sólidos es un poco más efectivo hacerlo por fórmula que por desplazamiento de líquido ya que es más exacto. El punto de fusión y la densidad de líquido son muy efectivos al realizarla mediante los procesos de laboratorio indicados en este informe.

Palabras clave: fusión, ebullición, densidad, picnómetro.

INTRODUCCIÓN

Las sustancias que encontramos en el planeta poseen cada una cierto punto de ebullición (temperatura a la cual una sustancia pasa de estado líquido a gas) y cierto punto de fusión (temperatura a la cual una sustancia pasa de estado sólido a líquido) además de otras muchas características que influyen en el comportamiento de la sustancia. La densidad de las sustancias también es muy importante para reconocerlas; es una medida de cuánto material se encuentra comprimido en un espacio determinado; es la cantidad de masa por unidad de volumen, así por ejemplo, al tener un dato teórico sobre algunas sustancias, y usando una de ellas; desconociendo su densidad, podemos descubrir de que sustancia se trata puesto que ya tenemos un dato teórico y al compararlo deben ser iguales o muy próximos. El punto de fusión de una sustancia es poco afectado por la presión y, por lo tanto, puede ser utilizado para caracterizar compuestos orgánicos y para comprobar su pureza. El punto de ebullición depende de la masa molecular de la sustancia y del tipo de las fuerzas intermoleculares de esta sustancia. Para ello se debe determinar si la sustancia es covalente polar, covalente no polar, y determinar el tipo de enlaces. La densidad de una sustancia varía cuando cambia la presión o la temperatura, y en los cambios de estado, pero en general, la mayoría de las sustancias tienen una densidad fija, al igual que un punto de fusión y de ebullición. Con la presente práctica se pretende hallar la densidad de algunas sustancias, desconocidas por el momento, pero teniendo un dato teórico de varias sustancias, para así poder encontrar 1 Facultad de Ingeniería. Primer Semestre. Química General.

la sustancia con la que se trabaja. Al igual se hace con el punto de fusión y ebullición para poder hallar la sustancia con la que se realizó el procedimiento. MARCO TEÓRICO PUNTO DE FUSIÓN: Se conoce como punto de fusión a la temperatura en la cual una materia que se halla en estado sólido pasa a estar en estado líquido. Para que se produzca el cambio de estado, dicha temperatura debe ser constante. El punto de fusión es una propiedad física intensiva de la materia. En el proceso de fusión, la materia sólida comienza a calentarse hasta alcanzar el punto de fusión, momento en el cual se produce su cambio de estado y se transforma en un líquido. El punto de fusión se determina con diferentes fines: Para caracterizar sólidos: El punto de fusión, al igual que ocurre con el punto de ebullición, va en función de la presión externa a la que se encuentre. En cambio, ocurre lo contrario que en el punto de ebullición, pues las fluctuaciones en torno a la presión atmosférica tienen un efecto poco pronunciado sobre el punto de fusión, lo que hace que no se le considere mucho desde el punto de vista práctico. Es por ello, que el punto de fusión forma una constante física que es característica de los sólidos cristalinos puros lo que hace que se pueda permitir su caracterización. Sirve para determinar el grado de pureza que posee un sólido. El punto de fusión de un determinado compuesto desciende de manera significativa cuando se encuentran presentes impurezas, por lo cual, una disminución en el valor determinado experimentalmente con respecto al valor teórico, indica que el sólido no se encuentra en estado puro. También cabe destacar, que un compuesto puro funde alrededor de los 1 ó 2 ºC, en cambio, cuando hay impurezas presentes, el intervalo de temperatura aumenta considerablemente.

Aplicación: A diferencia del punto de ebullición, el punto de fusión es relativamente insensible a la presión y, por tanto, pueden ser utilizados para caracterizar compuestos orgánicos y para comprobar la pureza. El punto de fusión de una sustancia pura es siempre más alto y tiene una gama más pequeña que el punto de fusión de una sustancia impura. Cuanto más impuro sea, más bajo es el punto de fusión y más amplia es la gama. Factores que afectan: 1. La temperatura de la fusión disminuye al elevar la presión. 2. En los sólidos más densos que el líquido la temperatura de fusión aumenta al elevar la presión. 3. Para las sustancias amorfas, en la función no coinciden con una temperatura precisa, si no que se desarrolla en un intervalo de pocos grados de formación progresiva. 4. La presencia de impureza en la sustancia forma alteraciones en p. fusión. Propiedades específicas de densidad punto de fusión: Temperatura necesaria para que una sustancia pase de estado líquido El punto de fusión es cuando un sólido pasa a su estado líquido al aplicarle temperatura. PUNTO DE EBULLICIÓN:

a

sólido.

Es aquella temperatura en la cual la materia cambia de estado líquido a estado gaseoso, es decir hierve. En esas condiciones se puede formar vapor en cualquier punto del líquido. Cuando se calienta un líquido, alcanza eventualmente una temperatura en la cual la presión del vapor es lo bastante grande que se forman burbujas dentro del cuerpo del líquido. Esta temperatura se llama punto ebullición. Una vez que el líquido comience a hervir, la temperatura permanece constante hasta que todo el líquido se ha convertido a gas. Factores que afectan:  Presión externa: si es alta el punto de ebulición será mayor y viceversa.  Masa molar : mientras mayor es la masa molar mayor se espera que sea el punto de ebullición.  Fuerzas intermoleculares: mientras más fuertes sean las fuerzas intermoleculares mayor será el punto de ebullición. Propiedades:   

si el líquido continua, este absorbe el calor, pero si aumentar la temperatura. A temperatura inferiores a p. ebullición, solo un pequeña fracción de las moléculas tiene energía suficiente para romper la tención superficial y escapar. Conforme se aumenta la presión, la densidad de la fase gaseosa aumenta, hasta que finalmente, se vuelve indistinguible de la fase liquida.

DENSIDAD: Es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia. La densidad puede obtenerse de forma indirecta y de forma directa. Para la obtención indirecta de la densidad, se miden la masa y el volumen por separado y posteriormente se calcula la densidad. La masa se mide habitualmente con una balanza, mientras que el volumen puede medirse determinando la forma del objeto y midiendo las dimensiones apropiadas o mediante una probeta. Generalmente la densidad está representada en gramos sobre centímetros cúbicos (g/cm3). METODOLOGÍA Procedimiento para hallar el punto de fusión: Se armó inicialmente un montaje de punto de fusión (fig. 1), continuamente se cerró al calor un tubo capilar y se unió junto a la sonda térmica en el tubo de Thiele con la parte abierta hacia abajo. El tubo de Thiele se llenó hasta la mitad con aceite mineral y se ajustó con la pinza para balón en el soporte. Se empezó a calentar dócilmente por el codo del tubo; la temperatura se tomó cuando la sustancia problema pasó de estado sólido, principalmente granulado a líquido. Esta temperatura se tomó como el punto de fusión de la sustancia problema.

Figura 1.

Procedimiento para hallar el punto de ebullición: Se colocaron quince gotas de la sustancia problema dentro del tubo de hemolisis, seguidamente se calentó un tubo capilar para sellar un lado y se introdujo dentro del mismo tubo quedando la parte abierta boca abajo hasta llegar al final del tubo. Continuamente se unió el tubo de hemolisis junto con la sonda térmica sujetándolos con un tipo de alambre y se introdujo en el tubo de Thiele. Se empezó a calentar suavemente por el codo del tubo de Thiele. Al cabo de unos minutos se comenzó a ver una cadena de burbujas que denotaban el oxígeno que estaba saliendo en el tubo capilar. Cuando el oxígeno salió completamente del capilar y la sustancia problema comenzó a ascender por el capilar se suspendió el calentamiento para ver la temperatura que marcaba la sonda térmica, la temperatura denotada corresponde al punto de ebullición de la sustancia problema. Montaje utilizado fig. 2

Figura 2. Procedimiento para hallar la densidad de un líquido: Se utilizó un picnómetro (fig. 3), el cual fue secado por dentro con acetona y luego pesado con la tapa; luego se introdujo en él la sustancia problema llenándolo completamente y se procedió a pesarlo. Por último se sacó la densidad correspondiente.

Figura 3. Procedimiento para hallar la densidad de un sólido: Se tomó el sólido problema, se pesó y luego se introdujo en una probeta con 50 ml de agua. Se miró que agua desplazo y se sacó la densidad del sólido. Por último se midieron las magnitudes del sólido y se sacó la densidad por fórmula. RESULTADOS: Tabla 1. Corresponde a las sustancias problema a desarrollar

Punto de ebullición: Al realizar el proceso de ebullición con la sustancia número 1, y analizando cuidadosamente el momento en el que la sustancia subió por el capilar, éste punto de ebullición dio 86.8°C; por lo que se puede deducir que con respecto a las tres sustancias presentadas esta corresponde al n-heptano, ya que este dato es más próximo al presentado en la tabla porque la temperatura de ebullición de una sustancia en Bogotá es aproximadamente 10 veces menor que al nivel del mar; la temperatura resultante fue de 86.8°C y la temperatura del m-heptano a nivel del mar es de 98°C, por lo tanto, la sustancia problema correspondía al n-heptano. Punto de fusión: Al realizar el proceso de punto de fusión con la sustancia problema número 3, observando cuidadosamente el momento en el que la sustancia sólida cambió a estado líquido, se descubrió que la temperatura de fusión era de 81.3°C; por lo tanto, comparando con los dato de la tabla 1; podemos concluir que la sustancia problema que teníamos correspondía a Naftaleno; ya que es el dato más próximo que tenemos y la temperatura de fusión no varía con respecto al nivel del mar. Densidad de un sólido: Para calcular la densidad correspondiente al sólido número 4, primero se halló su peso; el cual era de 127.46 gramos. Luego se introdujo el sólido en la probeta con 50 ml de agua y se observó que desplazaba 15 ml de agua. Mediante la siguiente expresión se halló la densidad: 127,46 g = 8,497 g/ml 15 ml Comparando esta densidad con la hallada por fórmula que se desarrolló de la siguiente forma: El sólido tenía una forma cilíndrica; así que se aplicó la fórmula de un cilindro para hallar su volumen: V= πr2h La densidad hallada fue de 8.114 g/cm3. Se puede observar que la diferencia entre las densidades no es muy grande al parecer; y comparando estos datos con las sustancias problemas se llegó a la conclusión de que la sustancia era hierro ya que es el dato más próximo a las densidades encontradas. Además las cualidades a simple vista del sólido se hacían muy parecidas a las del hierro. Densidad de un Líquido: Se trabajó con el líquido número 1. Primero se pesó el picnómetro con capacidad de 10 ml vacío, lo cual dio como resultado 11.54 gramos. Al introducir el líquido problema y volverlo a pesar dio como resultado 18.63 gramos. La diferencia entre los dos pesos es de 7,09 gramos.

Por último se dividió la diferencia de masas por la capacidad del picnómetro para hallar la densidad; la cual fue de 0.709 gr/ml. Con base en las sustancias mostradas en la tabla 1; se llegó a la conclusión de que el líquido usado correspondía al hexano; ya que es la densidad más próxima a la encontrada. ANÁLISIS DE RESULTADOS: Con respecto al punto de ebullición hallado 86.8°C se concluyó que la sustancia era n-heptano cuyo punto de ebullición es de 98°C. La sustancia no corresponde al alcohol etílico 78°C que es el dato más próximo al encontrado ya que las temperaturas de ebullición que tenemos en la tabla corresponden a las halladas a nivel del mar y la temperatura que se halló fue a aproximadamente 3250 metros sobre el nivel del mar; y el punto de ebullición a esta altura disminuye aproximadamente 10 unidades; por lo cual la sustancia era el n-heptano, ya que su diferencia es en realidad de aproximadamente 1,2°C con respecto a la hallada. Otra razón por la cual no es el alcohol etílico de temperatura igual a 78°C es porque esta temperatura debería ser menor a 3250 msnm; entonces se alejaría más del dato encontrado. La temperatura de ebullición aumenta a la vez que la presión lo hace. Y a mayor altura, menor presión. Por ejemplo, el agua en el monte Everest con aproximadamente 8850 metros de altura sobre el nivel del mar ebulle a aproximadamente 70°C ya que hay una menor presión. En la tabla de sustancias se encuentra que el naftaleno se fusiona a 80°C, por lo cual se concluyó que la sustancia problema que teníamos correspondía a esta puesto que el resultado hallado fue de 81,3°C. La diferencia es de solamente 1,3°C y la temperatura de fusión no se altera debido al nivel del mar. El resultado no fue más próximo por la dificultad de poder observar el momento exacto en el cual la parte más mínima de la sustancia pasó de estado sólido a líquido. La densidad del hierro en las sustancias de la tabla 1 equivale a 7874 Kg/m3 o lo que sería igual, a 7,874 g/ml; por lo tanto, y tomando en base los resultados obtenidos de la sustancia problema, se concluyó que correspondía al hierro. La densidad encontrada por desplazamiento de sustancia fue de 8.497 g/ml; este resultado se aleja en gran parte de la sustancia problema; pero sin embargo al hacer el procedimiento por fórmula dio como resultado 8.114 g/ml. Esto hace pensar que el resultado por fórmula es un poco más efectivo al realizado por desplazamiento ya que la diferencia fue solo de 0,24. La densidad del líquido problema fue de 0,709 g/ml, por lo cual, comparando con las sustancias de la tabla 1, se concluyó que correspondía al hexano; ya que es el dato más próximo al encontrado. Solamente hay una diferencia de 0.0542 g/ml por lo cual el margen de error del procedimiento en el picnómetro es muy mínimo. CONCLUSIONES La temperatura de ebullición varía de acuerdo a la presión. Entre más altura, la presión es menor y por lo tanto la temperatura de ebullición será menor. Es por esa razón que la sustancia problema que se tenía ebulló a una diferencia siempre grande con respecto a la encontrada en la bibliografía. Bogotá se encuentra a 3250msnm por lo cual la temperatura de ebullición disminuye aproximadamente 10 unidades con respecto al nivel del mar. La presión no afecta a las temperaturas de fusión. La sustancia problema se fusionó casi a la misma temperatura que la reportada en la bibliografía. La pequeña diferencia estuvo en la dificultad para observar el momento exacto en el cual la mínima unidad de la sustancia sólida paso a líquida. La densidad de las sustancias es más próxima a la real hallándola por fórmula en lugar de desplazamiento de líquido, puesto que mediante fórmula el resultado fue más próximo y la diferencia con el reportado en la bibliografía fue menor y con el hallado por desplazamiento fue en aproximadamente un 2% mayor.

Las densidades halladas en usando picnómetros son bastante exactas, ya que la desviación estándar es aproximadamente de 0,1 y el margen de error es aproximadamente 1% ya que el resultado encontrado fue bastante próximo al reportado en la bibliografía. BIBLIOGRAFÍA Punto de ebullición en: http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_ebullici%C3%B3n Punto de Fusión en: http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_fusi%C3%B3n Densidad en: http://es.wikipedia.org/wiki/Densidad http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Densidad_Concepto.htm Margen de error en: http://es.wikipedia.org/wiki/Error_muestral Variación de la temperatura de ebullición en: http://es.wikipedia.org/wiki/Elevaci%C3%B3n_del_punto_de_ebullici%C3%B3n http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/vappre.html...