Practica 2 - ACTIVIDAD SUPERFICIAL DE ALCOHOLES ALIFÁTICOS PDF

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ObjetivoEmpleando un estalagmómetro Traube determinar la tensión superficial de soluciones de alcoholes alifáticos. Estudiar la influencia de la concentración (M) de los alcoholes en la actividad superficial. Demostrar que la actividad superficial aumenta con la longitud de la cadena hidrocarbonada ...

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Objetivo Empleando un estalagmómetro Traube determinar la tensión superficial de soluciones de alcoholes alifáticos. Estudiar la influencia de la concentración (M) de los alcoholes en la actividad superficial. Demostrar que la actividad superficial aumenta con la longitud de la cadena hidrocarbonada (Regla de Traube).

Hipótesis Experimentalmente determinar la tensión superficial de los alcoholes alifáticos y demostrar que la concentración de los alcoholes, al igual que la longitud de la cadena hidrocarbonada de estos aumenta la actividad superficial. Introducción Las soluciones acuosas de muchas sustancias, aun cuando sean bastante diluidas, tienen tensiones superficiales muchos menores correspondientes a las del agua pura. Las sustancias que producen este efecto se llaman tensoactivas. Los ejemplos más comunes son los alcoholes superiores, los ácidos grasos y sus sales: jabones. Se denomina tensoactividad al fenómeno por el cual una sustancia reduce la tensión superficial al disolverse en agua u otra solución acuosa. Los tensoactivos también llamados surfactantes o agentes de superficie activa, son especies químicas con una naturaleza o estructura polar o apolar con tendencia de localizarse en la interface formando una capa monomolecular absorbida en la interface que cambia el valor de la tensión superficial. Cuando en un líquido se disuelve otra sustancia en la gran mayoría de los casos la tensión superficial varía. Entre las sustancias que disminuyen la tensión superficial del agua se encuentran los alcoholes y muchos compuestos orgánicos que contienen grupos hidrofílicos hidroxilo (-OH) y carboxilo (-CO.OH) o grupos hidrofóbicos no polares como las cadenas hidrocarbonadas de compuestos ligeramente solubles que al repeler el agua disminuyen el trabajo para llevar a las moléculas hacia la superficie. En consecuencia, las moléculas se acumulan en la superficie disminuyendo las fuerzas de cohesión entre las moléculas de agua lo que provoca el descenso de la tensión superficial. El valor límite de la disminución de la tensión superficial con la concentración, es decir, la magnitud se llama actividad superficial. La actividad superficial es un

fenómeno dinámico, ya que el estado final de una superficie o interface o representa un balance entre tendencia hacia la adsorción y la tendencia hacia el completo mezclado debido al movimiento térmico de las moléculas. Una consecuencia del efecto hidrófobo es la regla de Traube: la tendencia de disoluciones acuosas al absorber sustancias orgánicas crece sistemáticamente con el peso molecular de una serie homologa de solutos. Las sustancias hidrofóbicas, como los hidrocarburos, son solubles en muchos disolventes no polares y poco solubles en agua y “prefieren” entornos menos polares. Muchas moléculas orgánicas son de naturaleza dual, esto es, contiene partes hidrofóbicas e hidrofílicas: son anfipáticas.

Antecedentes La tensión superficial de las mezclas líquidas es una propiedad que juega un papel importante en el comportamiento de las soluciones acuosas, en el fenómeno hidrofóbico y otros procesos biológicos. Ella refleja cambios en las interacciones moleculares y de este modo puede ser aprovechada como un mecanismo para analizar, en particular, el comportamiento de las soluciones acuosas. Las soluciones acuosas de alcoholes han sido extensamente estudiadas debido a la importancia que tienen en el entendimiento de las interacciones entre grupos polares y no polares y entre estos grupos y el agua. Sin embargo, estudios superficiales con alcoholes de cadenas largas y polioles son escasos y la mayoría de ellos se han hecho a 298.15 K. Para polioles, la influencia de la cooperatividad los enlaces de hidrógeno, la posibilidad de formar enlaces de hidrógeno intramoleculares entre las moléculas del diol y enlaces de hidrógeno intermolecular con el agua se refleja en un comportamiento termodinámico complejo en soluciones acuosas que dependen fuertemente de la concentración y posición de los grupos hidroxilos. Se hace uso del modelo desarrollado por Connors y Wright (1989) para describir el efecto de la concentración sobre la tensión superficial de las soluciones acuosas de solutos orgánicos, el cual se ha usado con éxito en la literatura química. Esencialmente el parámetro de interés de este modelo lo constituye la evaluación de K2 por cuanto, tal como lo mostró Connors y Wright el log K 2 presenta un alto coeficiente de correlación con el logaritmo del coeficiente de reparto octanol-agua

(log Poct), el cual es generalmente usado como medida de hidrofobicidad. [ CITATION Man09 \l 2058 ] El entendimiento de las propiedades químicas y físicas de los surfactantes es muy importante para elegir convenientemente tales productos químicos en aplicaciones industriales específicas. Es esencial tener herramientas que puedan describir las propiedades físicas y el comportamiento de fase de los surfactantes en ambientes hidrofóbicos e hidrofílicos. Tales herramientas podrían predecir algunas propiedades importantes de los surfactantes, como la concentración micelar crítica, número de agregación y coeficientes de partición, los cuales dependen de la estructura de los surfactantes . La dependencia de los parámetros de estado con la tensión superficial puede proporcionar cierta información incluyendo la dependencia de la entropía superficial con la temperatura y también la composición superficial con la composición al interior de la solución. El efecto de la temperatura sobre la tensión superficial de la solución es discutido en términos del balance entre interacciones hidrofóbicas e hidrofílicas de propanodioles y el agua y su efecto sobre la estructura del solvente. Para describir el efecto de la composición al interior de la solución sobre la tensión superficial de las soluciones acuosas de solutos orgánicos se usa el modelo desarrollado por Connors y Wright (1989). El modelo queda expresado por la siguiente ecuación: σ 0 , σ 0 y σ son respectivamente las tensiones superficiales de los 1 2 componentes puros 1 (agua) y 2 (soluto) y de la solución, X 1 y X2 son la fracción molar de los componentes 1 y 2 en el interior de la solución y a,b son parámetros ajustables.

Donde

De acuerdo con el modelo de Connors, la constante de enlazamiento K 2, describe la asociación del compuesto orgánico en la región superficial. Esta depende del tamaño del grupo hidrofóbico presente en la molécula orgánica y puede ser usada como una medida de la hidrofobicidad relativa del soluto. La evaluación de K 2 es de interés porque tal como lo mostró Connors y Wright (1989), el logK 2 presenta un alto coeficiente de correlación lineal con el logaritmo del coeficiente de partición octanolagua ( logPoct), el cual es generalmente usado como medida de a hidrofobicidad. K 2= [ CITATION Man091 \l 2058 ] 1−a

Materiales y Reactivos 1 Estalagmómetro Traube (Bureta). 1 Pinza para Bureta. 2 Pipetas graduadas 1 Pizeta con agua destilada 1 Matraz aforado de 50 ml 5 Vasos de Precipitado de 50 ml 1 Picnómetro Acetona Agua Destilada Etanol n-Butanol Metanol n-propanol

Desarrollo Experimental 1. Anote la temperatura a la cual se realizara el experimento. 2. Prepare 100 ml de solución 0.25 M de cada alcohol. Para poder realizar estos cálculos, investigue las formulas, peso molecular y densidad de cada uno de los alcoholes. 3. Utilizando la solución 0.25 M, prepare 25 ml de las siguientes diluciones: 0.20 M, 0.15 M, 0.10 M y 0.05 M de cada uno de los cuatro alcoholes y transferirlos a los matraces erlenmeyer de 25 ml, etiquetándolos. 4. Consulte instrucciones generales sobre el manejo y limpieza del estalagnómetro (bureta). 5. Determine el número de gotas de agua destilada en un volumen determinado.

6. Proceda a contar por separado el número de gotas de las soluciones del metanol, iniciando con la más diluida. El volumen considerado para realizar el conteo de gotas en este caso y los demás, debe ser constante (el considerado anteriormente); así como los niveles superior e inferior en la bureta. 7. Continuar las determinaciones con las demás diluciones en orden creciente de concentraciones.

Tablas de datos A continuación, se presentan cuatro tablas, cada una corresponde a un diferente alcohol, en ella se encuentra información sobre el número de gotas de sus diluciones y sobre datos de calibración del picnómetro. Estos datos nos sirvieron para calcular la tensión superficial de cada muestra. La temperatura a la que se tomaron estas mediciones fue a 20°C. ETANOL W p=¿ W p +H O=¿ W H O =¿ V p=¿ W m + p=¿ W m =¿ φm =¿ 2

2

[]

( molL )

m (g)

0.25 0.20 0.15 0.10

φ

10.8149 10.8674 10.8746 10.9055 Número de gotas del

( mLg )

10.9176 g 21.7505 g 10.8329 g 10.8437 mL 19.3578 g 8.4402 g 0.7783 g/mL Número de gotas

0.997 1.002 1.003 1.005 H 2 O = 38 gotas

N-BUTANOL W p=¿ W p +H O=¿ W H O =¿ V p=¿ W m + p=¿ W m =¿ 2

2

15.015 g 25.731 g 10.716 g 10.735 mL 23.816 g 8.802 g

43 38 37 35

φm =¿

[]

( molL )

m (g)

0.25 0.20 0.15 0.10

φ

( mLg )

0.8199 g/mL Número de gotas

10.6963 0.996 10.694 0.998 10.765 1.002 10.799 1.005 H O = 37 gotas Número de gotas del 2

60 58 54 50

METANOL W p=¿ W p +H O=¿ W H O =¿ V p=¿ W m+ p=¿ W m =¿ φm =¿

15.6610 g 26.0917 g 10.4307 g

2

2

[]

( molL )

m (g)

0.25 0.20 0.15 0.10

φ

( mLg )

23.9877 g 8.3267 g 0.7948 g/mL Número de gotas

8.32 0.7968 10.404 0.9956 10.411 0.9963 10.416 0.9968 Número de gotas del H 2 O = 38 gotas

37 33 32 31

N-PROPANOL W p=¿ W p +H O=¿ W H O =¿ V p=¿ W m + p=¿ W m =¿ φm =¿ 2

2

( )

[] mol L 0.25 0.20 0.15 0.10

m (g)

φ

( mLg )

0.9925 0.9956 0.9975 0.9981 Número de gotas del H 2 O = 75 gotas

Número de gotas 89 82 79 66

Resultados Reporte 1.- Anotar sus datos experimentales en una tabla, incluyendo la temperatura de trabajo a la cual se realizó el experimento. Temperatura de trabajo: 20°C Número de gotas de agua = 38 gotas Etanol W p = 10.9176g W p +H 2 O =21.7505g

W H 2 O =10.5329 g V H 2 O = V p = 10.8437 ml W etanol + p = 19.3578 g

W etanol puro =8.4402 g 20°C

δ etanol =0.7783 g/ml [] (mol/litro) 0.25 0.2 0.15 0.1

m(g) 10.8149 10.8674 10.8746 10.9055

Número de gotas de agua = 37 gotas n-Butanol W p = 15.015 g

W p +H 2 O = 25.731 g W H 2 O =10.716 g

δ (g/ml) 0.997 1.002 1.003 1.005

Número de gotas 43 38 37 35

V H 2 O = V p = 10.735 ml W n−butanol+ p = 23.816 g

W n−butanol = 8.802 g δ 20°C n−butanol = 0.8199 g/ml [] (mol/litro) 0.25 0.2 0.15 0.1

m(g) 10.6963 10.694 10.765 10.799

δ (g/ml) 0.996 0.998 1.002 1.005

Número de gotas 60 58 54 50

δ (g/ml) 0.7968 0.9956 0.9963 0.9968

Número de gotas 37 33 32 31

Número de gotas de agua = 38 gotas Metanol W p = 15.661 g

W p +H 2 O = 26.0917 W H 2 O = 10.4307g

V H 2O = V p = W metanol + p =23.9877 g W metanol = 8.3267 g 20° C δ metanol = 0.7948 g/ml

[] (mol/litro) 0.25 0.2 0.15 0.1

m(g) 8.32 10.404 10.411 10.426

Número de gotas de agua = 75 gotas n-propanol Wp = W p +H 2 O =

W H2O = V H 2O = V p =

W n− propanol + p =

W n− propanol = 20° C

δ n− propanol = [] (mol/litro) 0.25 0.2 0.15 0.1

m(g) 10.3065 10.3380 10.3577 10.3642

δ (g/ml) 0.9925 0.9956 0.9975 0.9981

Número de gotas 89 82 79 66

2.- Mediante las curvas de calibración obtener la densidad y a tensión superficial del agua destilada a la temperatura del experimento. T (°C) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Densidad del Agua (g/ml) 0.9997 0.9996 0.9995 0.9993 0.9992 0.9991 0.9989 0.9984 0.9985 0.9984 0.9982 0.9979 0.9977

Sustituimos la temperatura de trabajo 20°C Y= -0.0002x + 1.0015 Y= -0.0002(20) + 1.0015 Y= 0.9975 y o = 0.9975 (dinas/cm) Temperatura (°C) 0 5 10 15 18 20 25

Tensión Superficial (dinas/cm) 75.6 74.9 74.22 73.49 73.05 72.75 71.97

Sustituimos la temperatura de trabajo 20°C Y= -0.1445x + 75.631 Y= -0.1445(20) + 75.631 Y= 72.741 δ o = 72.471 (g/ml) 3.- Calcula la constante del aparato mediante la relación: K=

y o no δo

Donde: y o=¿ Tensión superficial del líquido estándar. (dinas/cm)

no = Número de gotas del líquido estándar δ o = Densidad del liquido estándar. (g/ml)

K=

72.741 dinas / cm∗37 0.9975 g /ml

K=2698.1624

1.- Construya las curvas de calibración δ(g/ml) vs M(moles/l) de todas las soluciones de los alcoholes.

Etanol [] (mol/litro)

0.25 0.2 0.15 0.1

1.005

n-Butanol [] (mol/litro)

δ (g/ml ) 0.25 0.996 0.2 0.998 0.15 1.002 0.1 1.005

Metanol [] (mol/litro) 0.25 0.2 0.15 0.1

δ (g/ml) 0.796 8 0.995 6 0.996 3 0.996 8

Obj e c t173

n-Propanol [] (mol/litro)

Obj e c t175

(g/ml ) 0.25 0.992 5 0.2 0.995 6 0.15 0.997 5 0.1 0.998 1

2.- Calcule la tensión superficial de las soluciones de los alcoholes empleando la relación: Y x= K

δx nx

Donde: δ x = densidad del líquido problema (g/ml) n x = número de gotas de liquido problema

K= constante del aparato determina previamente

Etanol Concentración 0.25

Y x =2698.1624

0.997 g /ml 43

Y x =62.559 Concentración 0.2 Y x =2698.1624

1.002 g /ml 38 Y x =¿ 71.1462

Concentración 0.15 Y x =2698.1624

1.003 g/ml 37 Y x =¿ 73.1420

Concentración 0.1 Y x =2698.1624

1.005 g/ml 35 Y x =¿ 77.4758

n-butanol Concentración 0.25 Y x =2698.1624

0.996 g /ml 60 Y x =¿ 44.7894

Concentración 0.2 Y x =2698.1624

0.998 g/ml 58 Y x =¿

Concentración 0.15 Y x =2698.1624

1.002 g /ml 54

46.4270

Y x =¿

50.0659

Concentración 0.1 Y x =2698.1624

1.005 g/ml 50 Y x =¿ 54.2330

Metanol Concentración 0.25 Y x =2698.1624

0.7968 g/ml 37 Y x =¿ 58.1052

Concentración 0.2 Y x =2698.1624

0.9956 g /ml 33 Y x =¿ 81.4027

Concentración 0.15 Y x =2698.1624

0.9963 g/ml 32 Y x =¿

84.0055

Concentración 0.1 Y x =2698.1624

0.9968 g/ml 31 Y x =¿ 86.7589

n-propanol Concentración 0.25 Y x =2698.1624

0.9925 g/ml 89 Y x =¿ 30.0890

Concentración 0.2

Y x =2698.1624

0.9956 g /ml 82 Y x =¿

32.7596

Y x =¿

34.0685

Concentración 0.15 Y x =2698.1624

0.9975 g/ml 79

Concentración 0.1 Y x =2698.1624

0.9981 g/ml 66 Y x =¿ 40.8035

3.- Ordenar los datos obtenidos en la siguiente tabla: Concentración 0.10 (M) Tensión superficial (dinas/cm) Etanol 77.4758 n-butanol 54.2330 Metanol 86.7589 n-propanol 40.8035

0.15

0.20

0.25

73.1420 50.0659 84.0055 34.0685

71.1462 46.4270 81.4027 32.7596

62.559 44.7894 58.1052 30.0890

Metanol

Axis Title

100 90 80

f(x) = − 177.13 x + 108.57 R² = 0.76

70 60 50 40 30 20 10 0 0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0.22

0.24

0.26

Axis Title

alcohol.

n-Butanol 60 50

f(x) = − 63.94 x + 60.07 R² = 0.97

Axis Title

40 30 20 10 0 0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

Axis Title

0.2

0.22

0.24

0.26

4. Representar en una sola hoja las gráficas de Yx (dinas/cm) en función de la concentración de las soluciones para cada

n-Propanol 45 40 f(x) = − 66.9 x + 46.14 R² = 0.9

35

Axis Title

30 25 20 15 10 5 0 0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0.22

0.24

0.26

Axis Title

Conclusión Las moléculas que se encuentran en la superficie de un líquido son atraídas hacia el seno del mismo por las moléculas anteriores. La fuerza resultante que actúa en un plano tangente a la superficie, por unidad de longitud, se denomina tensión superficial. Este fenómeno tiene importantes aplicaciones prácticas, como es en el estudio de la química macromolecular, en la concentración de metales por flotación, en bacteriología, etcétera.

Y con relación a la práctica realizada se puede decir que, gráficamente se observa una dependencia lineal, con pendiente negativa, respecto a los compuestos homólogos. La tensión superficial del agua se ve disminuida a medida que crece la cadena hidrocarbonada de los alcoholes, debido a que ésta se posiciona en la interfase, en la región hidrofóbica debilitando las fuerzas de cohesión intermoleculares. Los alcoholes alifáticos son sustancias anfipáticas que tienden a acumularse en la capa superficial.

Referencias Rodriguez j., Marín R.,(1999). Fisicoquímica de aguas, Diaz de Santos S.A. Madrid. Martínez A., Ortega R., Harvey E., (1948). Modern College Physics, Van Nostrand, 430 pp. Resnick R., Halliday D., (2004). Física y Química de superficies, 4ª Ed., CECSA, México. Manuel S. Páez, G. J. (2009). SCIELO. Obtenido https://scielo.conicyt.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S071807642009000200007

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SCIELO:

Manuel. S. Páez, E. E. (2009). SCIELO. https://scielo.conicyt.cl/pdf/infotec/v20n1/art10.pdf

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SCIELO:

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