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MANUAL DEPRA CTICAS DETERMODINA MICADEL EQUILIBRIOQUI MICOINSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVASEsta página se ha dejado intencionalmente en blancoEsta página se ha dejado intencionalmente en blancoINTRODUCCIÓNEl curso se desarrolla en el labora...

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MAN UAL DE PRA CTI CAS DE TERMODINA MIC A DEL EQ UILIBRIO Q UI MICO INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

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CONTENIDO Contenido INTRODUCCIÓN

Página 1

NORMAS GENERALES DE SEGURIDAD

3

FORMATO DE REPORTES DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO (opcional)

6

PRACTICA 1: INTRODUCCION AL LABORATORIO DE EQUILIBRIO QUÍMICO ESTUDIO TEÓRICO DEL AVANCE DE REACCIÓN EN CONDICIÓN DE EQUILIBRIO.

9

PRÁCTICA 2: EQUILIBRIO QUÍMICO IÓNICO ESTUDIO DE LA FORMACIÓN DEL ION ESPECTROFOTOMETRIA.

19 COMPLEJO

MONOTIOCIANATO

FERRICO

POR

PRÁCTICA 3: CALOR DE REACCIÓN DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO A PARTIR DEL CALOR DE REACCIÓN EN FASE LIQUIDA.

27

PRÁCTICA 4: EQUILIBRIO QUÍMICO HOMOGENEO EN FASE LIQUIDA ESTUDIO DE LA ESTERIFICACIÓN DEL ACIDO ACÉTICO CON UN ALCOHOL Y UN AGENTE CATALIZADOR.

33

PRÁCTICA 5: EQUILIBRIO QUIMICO: VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA ESTUDIO DE LA CONSTANTE DE EQUIBRIO AL AUMENTAR LA TEMPERATURA DE REACCIÓN EN UNA MEZCLA ACIDA.

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PRÁCTICA 6: EQUILIBRIO QUÍMICO SIMULTÁNEO ESTUDIO DE LA IONIZACIÓN, DISTRIBUCIÓN Y DIMERIZACIÓN DEL ÁCIDO BENZÓICO EN TOLUENO Y AGUA.

45

PRÁCTICA 7: EQUILIBRIO QUÍMICO HOMOGÉNEO GAS DETERMINACION DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO EN LA DIMERIZACIÓN DEL ÁCIDO ACÉTICO LÍQUIDO-GAS.

51

PRÁCTICA 8: EQUILIBRIO QUÍMICO HOMOGÉNEO SOLIDO - GAS DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO EN UNA REACCIÓN DE UN SÓLIDO CON DIFERENTES SOLUCIONES ACUOSAS.

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INTRODUCCIÓN

El curso se desarrolla en el laboratorio de Termodinámica del Equilibrio Químico de la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas. Durante su progreso se realizarán prácticas experimentales sobre fenómenos químicos y fisicoquímicos, haciendo uso de herramientas matemáticas para la resolución de los problemas de equilibrio químico que cada experiencia demanda.

La termodinámica química es una ciencia experimental en donde es importante que los estudiantes realicen experimentos en el laboratorio para que comprendan en su totalidad los fenómenos estudiados en la teoría, haciendo que los alumnos logren desarrollar una evaluación crítica a partir de los datos experimentales. Asimismo éste laboratorio involucra el estudio de la ciencia, ya que pueden comprobar ilustrando claramente los principios y conceptos comprendidos en cada experiencia. De manera final, los alumnos desarrollarán sus conocimientos para llegar a entender la importancia de la termodinámica del equilibrio químico.

En cada práctica el estudiante aplicará de forma ordenada, los lineamientos establecidos en los procedimientos y con iniciativa propia derivará y/o analizará las leyes que rigen los fenómenos estudiados y conocidos de manera teórica que hacen evidentes las propiedades fisicoquímicas de los materiales en estudio. La interpretación objetiva de los resultados le permitirá realizar informes técnicos que describan los experimentos realizados en el laboratorio, resultando en conclusiones más precisas.

Antes de ingresar al laboratorio el alumno debe estudiar el fundamento de la práctica correspondiente y las instrucciones para realizarla, aclarando cualquier duda con la ayuda de los libros de texto de que se disponga. En este escrito, al final de cada práctica hay un conjunto de conceptos fundamentales teóricos referidos al experimento, los cuales deben ser contestados y entregados antes de dar inicio a cada trabajo práctico respectivo, asegurando de esta manera que el alumno sabrá de antemano lo que se deberá realizar en el trabajo práctico. Así mismo se piden algunos datos importantes para poder realizar los cálculos correspondientes a dicha práctica, los cuales deberán traer consigo para cumplir por completo con los cálculos necesarios. Cualquier duda que surja durante el desarrollo de las prácticas se debe consultar con el profesor en turno, al que debe comunicarse cualquier incidente que se produzca por pequeño que parezca.

Hay que destacar que en el laboratorio se utilizan continuamente sustancias peligrosas y por lo tanto, nuestra seguridad y la de nuestros compañeros dependen de la atención que pongamos en nuestro trabajo, debiendo conocer los riesgos específicos de cada reactivo, así como las medidas de protección o prevención aplicables a dichos riesgos. Aun así se están haciendo grandes esfuerzos para realizar experimentos

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ambientalmente menos tóxicos o con materiales no tóxicos, y en todos los casos se pretende realizar el trabajo práctico a nivel microescala; de principio algunos experimentos tradicionales ya no son utilizados debido al impacto negativo de los reactivos químicos involucrados. Cabe señalar que algunos experimentos son ambientalmente seguros ya que los residuos son sólidos que pueden confinarse, o las soluciones pueden drenarse sin utilizar grandes cantidades de agua, o simplemente el experimento involucra la neutralización de residuos finales.

Sin embargo hasta este punto no se ha estudiado el cambio de éstas composiciones debido a la aparición y pérdida de compuestos para formar otros, mediante las reacciones químicas. En esta unidad de aprendizaje se introducirá al estudio termodinámico en procesos donde se produzcan las reacciones químicas. Uno de los procesos más conocidos en la industria química es la transformación de la materia en un reactor químico a productos terminados, así como las variaciones termodinámicas que en dicho reactor se llevan a cabo.

En el Laboratorio de Termodinámica del Equilibrio Químico conocerás los conceptos básicos e introductorios al estudio del equilibrio de las reacciones químicas, las condiciones del proceso que pueden modificar o alterar un equilibrio como es el Principio de “Le Chatelier” (T, P y composición de los reactivos), la expresión matemática de la “Ley de acción de Masas” que define a la constante de equilibrio de una reacción y otras formas de expresar a la constante de equilibrio.

NOTA: Acreditar las prácticas es obligatoria para poder aprobar la asignatura.

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NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO ASPECTOS GENERALES PARA EL TRABAJO EN EL LABORATORIO.

ANTES DE INICIAR LA PRÁCTICA: 1.

La asistencia a cada una de las prácticas es obligatoria.

2.

La tolerancia para entrar al laboratorio será la que rige el reglamento escolar (15 minutos).

3.

No dejar abrigos, chamarras, mochilas, carpetas u otros objetos voluminosos sobre las mesas de trabajo. Cuando más despejado se encuentre el lugar de trabajo mejor se desarrollará el experimento y menos peligro existirá para nosotros y para nuestras cosas.

4.

Es obligatorio llevar bata para evitar manchas y quemaduras. También es aconsejable traer un trapo de algodón para poder tomar los recipientes calientes o limpiarlos y secarlos.

5.

Se deben seguir a todo momento las indicaciones del profesor. No se comenzara a trabajar hasta haber recibido las instrucciones necesarias. Consultar con el profesor en turno las dudas y dificultades que podrían generarse al realizar cada experimento.

6.

Es imprescindible leer por lo menos una vez la práctica antes de comenzar e INVESTIGAR LOS ANTECEDENTES PREVIOS de cada una de las practicas a realizar.

7.

Comprobar que se encuentra todo el material necesario y en las condiciones adecuadas de conservación y limpieza. Comunicar cualquier anomalía al profesor. Cada grupo será responsable del material que le sea asignado.

8.

Por seguridad está terminantemente prohibido fumar dentro del laboratorio, así como ingerir alimentos y bebidas.

9.

El alumno deberá tener puesta una bata de laboratorio de su talla en buenas condiciones, las batas de algodón se prefieren a las de tejido sintético.

10.

El alumno deberá portar lentes de seguridad, zapatos de seguridad o zapatos cerrados que no sean de tela, guantes de nitrilo desechables, y utilizar pantalones de algodón (mezclilla).

11.

Al finalizar cada trabajo práctico el alumno tiene la responsabilidad de tirar en el basurero los guantes que ha utilizado en el experimento, asegurando que no contaminará de reactivos sus pertenencias

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DURANTE EL TRABAJO PRÁCTICO: 1.

No debe probarse sustancia alguna y debe evitarse el contacto con la piel. En caso de que algún producto corrosivo caiga en la piel, se eliminará de acuerdo a los procedimientos explicados en las hojas de seguridad de dicho producto.

2.

Extremar los cuidados al trabajar con sustancias inflamables, tóxicas o corrosivas.

3.

Comunicar cualquier accidente, quemadura o incisión, a tu profesor de laboratorio en turno.

4.

La manipulación de productos sólidos se hará con ayuda de una espátula o cucharilla y para transvasar líquidos se utilizara una varilla de vidrio en los casos que sean necesarios.

5.

Tener cuidado al manejar ácidos y bases principalmente concentrados. Nunca viertas el agua al ácido concentrado, sino el ácido al agua teniendo extremo cuidado.

6.

Para oler algún producto no debe acercarse la cara al recipiente, si no que se arrastrará el aire hacia la nariz pasando la mano por encima del vaso que lo contiene.

7.

Con el fin de evitar contaminaciones, sólo tomar de los frascos reactivos la cantidad aproximada necesaria para poder realizar el experimento, nunca se devolverá a los frascos reactivos los restos de productos no utilizados y nunca tomar reactivos con la pipeta directamente de los frascos reactivos.

8.

El material de vidrio es muy frágil, por lo que se evitarán golpes y cambios bruscos de temperatura. Se deberá anotar en una hoja responsiva el material que se rompa o fisure y se le comunicará al profesor de laboratorio.

9.

Cualquier experimento en el que se desprendan gases tóxicos o inflamables, o en el que se utilicen reactivos potencialmente nocivos, deberá llevarse a cabo en las campanas extractoras del laboratorio, así mismo deberá portarse mascarilla para vapores, lentes de seguridad y guantes apropiados.

10.

Los restos sólidos no metálicos deben tirarse en cestos de basura convenientes para tal caso, nunca en los desagües. Los residuos metálicos se almacenarán en un recipiente especial. Los residuos acuosos se verterán en los fregaderos grandes, con abundante agua antes, durante y después del vertido, asegurándose antes de neutralizarlos. En cuanto a los líquidos y disolventes orgánicos, se vaciarán en un recipiente de plástico, para su posterior eliminación.

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AL TERMINAR: 1.

El lugar y el material de trabajo deberá quedar limpio, seco y ordenado, también se deben apagar y desenchufar los aparatos eléctricos utilizados durante el desarrollo de la práctica.

2.

Se deben lavarlas manos perfectamente con agua y jabón para evitar intoxicaciones con algunos reactivos.

3.

Entregar los datos obtenidos en el experimento práctico realizado, así como los cálculos realizados.

4.

Entregar para su revisión el reporte de la práctica elaborada con anterioridad.

5.

Hasta que el profesor no de su autorización no se considerará finalizada la práctica y por lo tanto, no se podrá salir del laboratorio.

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FORMATO DE LOS REPORTES DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO

En equipo: 70% (el porcentaje puede cambiar a criterio del profesor) 1.

Carátula bien definida, destacando el título completo de la práctica y nombres de alumnos que conforman el equipo, así como grado y grupo.

2.

Objetivos que se persiguen en la práctica y una breve relación de los pasos a seguir para lograrlos (no tiene que ver con el desarrollo experimental) ejemplo: relación que se estudia, ecuación que se aplica, etapas de que consta el trabajo, no copiar los que vienen en la práctica).

3.

Introducción (no copiar de la práctica ni de internet), máximo 3 cuartillas.

4.

Procedimiento experimental (diagramas de flujo con dibujos o fotografías si son necesarios).

5.

Datos obtenidos en la realización de la práctica (en forma de tabla)

6.

Gráficas (si se piden o si son necesarias).

7.

Cálculos y discusión de resultados (los necesarios y bien desarrollados).

8.

Diagramas (si son necesarios).

9.

Observaciones (deben redactarse sólo en los casos que se haya producido un cambio significativo o dificultad en el desarrollo experimental, lo cual deberá tenerse en cuenta al elaborar las conclusiones).

10.

Referencias Bibliográficas

Individual: 30% (el porcentaje puede cambiar a criterio del profesor) Conclusiones (tres conclusiones utilizando aproximadamente 1 cuartilla por las tres)

IMPORTANTE Las conclusiones deberán ser redactadas de manera individual por cada estudiante, lo que permitirá al mismo realizar un análisis profundo de sus resultados. En las conclusiones deberá tocarse los siguientes puntos:(teniendo en cuenta las características propias de la práctica realizada). a.

Correspondencia de los resultados obtenidos con los esperados o con valores teóricos, si corresponden entre sí, si son lógicos o no según el procedimiento realizado.

b.

Información práctica o teórica que brindan estos resultados.

c.

Si quedó demostrado lo que se pretendía como objetivo y explicar.

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d.

Si los resultados no son apropiados, o no son los esperados, deben evaluarse las posibles causas que provocan estos resultados.

e. Las conclusiones deberán ir al final del reporte y tener nombre y firma del alumno correspondiente. NOTA: Se califica también la ortografía y redacción.

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PRÁCTICA 1 INTRODUCCION AL LABORATORIO DE EQUILIBRIO QUÍMICO

ESTUDIO TEÓRICO DEL AVANCE DE REACCIÓN EN CONDICIONES DE EQUILIBRIO En ésta práctica se describirán los conocimientos termodinámicos teóricos relacionados al estudio del equilibrio químico en diferentes condiciones de reacción.

OBJETIVOS 1. 2. 3. 4.

Introducir los conocimientos termodinámicos teóricos para la mejor comprensión de la idea del equilibrio dinámico. Analizar los conceptos termodinámicos del equilibrio químico y realizar proyecciones enfocadas a la industria química. Describir la constante de equilibrio a partir de criterios termodinámicos cualitativos y/o cuantitativos que permitan predecir el desplazamiento del equilibrio en una reacción química. Conocer las condiciones de equilibrio de una reacción química para los casos cuando ocurre un cambio en alguna variable de reacción. INTRODUCCIÓN

El equilibrio describe cualquier situación en balance; aunque lo podemos reconocer fácilmente en una reacción química, en algunos casos decimos que no está ocurriendo algo, pero cuando realizamos un estudio mucho más detallado nos puede revelar que a nivel molecular está pasando una gran cantidad de cambios. Todos los procesos químicos evolucionan desde los reactivos hasta la formación de productos a una velocidad que cada vez es menor, ya que a medida que transcurren hay menos cantidad de reactivos, por otra parte cuando aparecen los productos, éstos pueden reaccionar entre si y dar lugar nuevamente a reactivos, y lo hacen a una velocidad mayor, debido a que cada vez hay más, el proceso continúa hasta que la velocidad de formación de los productos es igual a la velocidad de descomposición de éstos para formar nuevamente los reactivos. Llegando a la formación de un estado dinámico en el que las concentraciones de todas las especies reaccionantes (reactivos y productos) permanecen constantes; ese estado se conoce como “equilibrio químico”.

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En el equilibrio químico existen sistemas en los que las reacciones no finalizan; aunque en realidad esto es cierto para todos los procesos químicos; en muchos casos, la reacción transcurre casi hasta su consumación, que para los cálculos estequiométricos se puede suponer con seguridad que el reactivo limitante se consume por completo. Para las reacciones que parecen detenerse antes de que se consuma todo el reactivo limitante, los productos comienzan a reaccionar formando los reactivos originales. Obtener las concentraciones nos permite determinar si en una reacción se ha alcanzado el equilibrio. Si vemos que las concentraciones en un sistema químico no cambian, podemos hacer dos hipótesis:

1) La energía de activación para la reacción es tan grande que la reacción no puede proceder en una o ambas direcciones en estas condiciones (es decir, la temperatura es demasiado baja) 2) El sistema está en equilibrio (ésta hipótesis es la más probable)

Algunos científicos describen los sistemas químicos en términos de propiedades empíricas, como la temperatura, la presión, el volumen y las cantidades de las sustancias presentes. Los sistemas químicos son más fáciles de estudiar cuando se separa de su entorno por un límite definido. Entonces, se llega a analizar de manera clara que la termodinámica química permite predecir si una reacción es posible o no, establecer las condiciones necesarias para llevar a cabo dicha reacción y finalmente permite conocer las condiciones y concentraciones finales de dichas moléculas en el equilibrio. Tanto la rapidez como la conversión de equilibrio de una reacción química dependen de la temperatura, presión y composición de los reactivos; con frecuencia sólo se logra una rapidez de reacción razonable utilizando un catalizador adecuado. Tanto el equilibrio como la rapidez se deben considerar en el aprovechamiento de las reacciones químicas para fines comerciales. Aunque las velocidades de reacción no sean susceptibles de tratamiento termodinámico, las conversiones de equilibrio sí lo son. Debido a eso, se pretende determinar el efecto de la temperatura, la presión y la composición inicial en las conversiones de equilibrio de las reacciones químicas.

Por tanto, los objetivos de la termodinámica química los podemos resumir como sigue: a) Estudiar las variaciones de energía, como entalpías de reacción, energías libres b) Conocer, al fijar ciertas condiciones (como temperatura, presión y concentraciones), si es factible una reacción o no lo es. c) Obtener de manera teórica las constantes de equilibrio, así como establecer métodos para el mejoramiento del rendimiento de las reacciones químicas. REACCIONES QUÍMICAS Como ya se ha comentado, las reacciones químicas no tienen lugar siempre a la misma velocidad, tampoco se alcanza constantemente una transformación completa de reactivos en productos.

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Si analizamos una reacción entre gases, como sigue: 𝑎𝐴 + 𝑏𝐵

𝐾𝑑

→ ←

𝐾𝑖

𝑐𝐶 + 𝑑𝐷

en la que inicialmente solo tenemos reactivos A y B, veremos que las moléculas de A y de B son muy numerosas y chocan entre sí rompiéndose los enlaces que la forman, liberando sus átomos y formando nuevos enlaces entre ellos, dando lugar a las sustancias producto C y D, produciéndose la reacción directa, tal como está descrita, a medida que la reacción va progresando, puede suceder también que las especies C y D rea...