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Universidad Nacional Autónoma de MéxicoFacultad de Estudios Superiores CuautitlánQuímica IndustrialLaboratorio Fenómenos de Superficiee IonesReporte 3Determinación del exceso de soluto superficial mediante la ecuación de adsorción de gibbsOyorzaval Duque Elton AtzinGrupo:2401DProfesor:Manuel PazINTR...

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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán Química Industrial Laboratorio Fenómenos de Superficie e Iones

Reporte 3 Determinación del exceso de soluto superficial mediante la ecuación de adsorción de gibbs

Oyorzaval Duque Elton Atzin

Grupo: 2401D Profesor: Manuel Paz

INTRODUCCIÓN Entendemos a la tensión superficial como un efecto de interacciones entre las moléculas de un líquido: los líquidos que poseen las interacciones más fuertes presentan las tensiones más altas y viceversa. Cuando consideramos el efecto de un soluto sobre la tensión superficial atendemos primeramente al efecto de dicho soluto sobre las interacciones entre las moléculas. En el caso de sales iónicas en agua, éstas tienden a solvatarse fuertemente, lo cual es equivalente a aumentar el grado de asociación del agua. Esto resulta en un ligero aumento en la tensión superficial. Si el solvente no solvata fuertemente un soluto, se producirá una disminución de las interacciones intermoleculares del líquido, lo cual producirá un descenso en la tensión superficial. Algunas sustancias, en bajas concentraciones, disminuyen bruscamente la tensión superficial; y, a partir de una concentración crítica, mantienen una valor casi constante. A dichas sustancias se les llama tensioactivos o surfactantes. Entre los surfactantes más conocidos están los jabones y los detergentes. La ecuación de adsorción de Gibbs es una expresión termodinámica que cuantifica la absorción o concentración de solutos en la superficie de contacto entre fases (interfase líquido/gas o líquido/líquido), mediante la variación de la tensión superficial con respecto a la concentración del soluto. Las superficies en sistemas multicomponentes, las concentraciones de las sustancias disueltas son, en las proximidades de la interfase, diferentes de las concentraciones en el seno de las fases. Esto es, hay adsorción en la interfase. Si se supone que cada fase tiene un estado que la caracteriza, se puede diferenciar entre las propiedades de las moléculas en el seno de la disolución y las moléculas de la interfase.

OBJETIVOS ● ●

Aplicar la ecuación de adsorción de Gibbs para la determinación del exceso de soluto superficial en el sistema fenol o n-propanol/agua. Comprender y discutir el comportamiento obtenido en base al gráfico del exceso de soluto superficial en función de la concentración.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Lavar el material de vidrio. La limpieza de este material es importante, cualquier impureza modificará los resultados experimentales. 2. Determinar el radio del tubo capilar a partir de un líquido de tensión superficial conocida. 3. Preparar 50 mL de las soluciones molares siguientes de fenol o n-propanol en agua, según lo indique el profesor. (Por dilución comenzar de la más concentrada, 250 mL 1 M):

4. Colocar aprox. 50 mL de la solución en estudio en el tensiómetro capilar haciendo coincidir la solución con el cero del tubo capilar, ver Figura 1 en la Actividad Experimental No. 1. 5. Obtener las alturas para cada una de las soluciones. (4 mediciones para cada concentración). 6. Determinar la densidad de cada solución de fenol o n-propanol, tomar el valor de la temperatura de trabajo. Observaciones: ●

Las lecturas para cada solución se toman de la solución más diluida a la más concentrada.

●

Al cambiar de concentración, el tubo capilar se debe enjuagar con la solución a medir, esto apretando la propipeta de tal forma que el líquido salga por la parte superior del tubo capilar.

●

Tener cuidado de no contaminar las soluciones.

●

Recordar: “Se debe tener el valor del radio del tubo capilar antes de iniciar la medición de las soluciones”.

ORIENTACIÓN PARA EL TRATAMIENTO Y DISPOSICIÓN DE RESIDUOS: Las soluciones utilizadas no generan desechos si no se contaminan, se pueden almacenar para posteriores semestres. En caso de contaminación vaciar en el frasco de residuos correspondiente.

RESULTADOS Solución

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

n-propanol (mol/L)

0.025

0.05

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

1

6.925

6.75

6.45

5.975

5.625

5.35

5.175

4.75

4.6

4.4

4.2

1.037 5

1.03 4

1.034

1.33

1.033

1.032

1.031

1.030

1.029

1.028

1.026

75.26 61

70

67.55

75.77 9

58.85 7

55.92 6

54

49.55

47.94 6

45.81 7

43.65

h/(cm) Promedio (h)

ρ/(g/cm3) y/(Dyn/cm)

1) Calcule la tensión superficial para cada concentración

2) Realice un gráfico de tensión superficial como función de la concentración

3) Con esta información calcule el exceso de soluto superficial, , mediante la ecuación de adsorción de Gibbs.

Г =− (-0.0084x10-3 N/m)/(8.314 Nm/Kmol)(298.15 K)= 3.38871x10-6 mol m-1

4) Realice el gráfico del exceso de soluto superficial en función de la concentración y discuta el comportamiento obtenido

5) Calcule la presión superficial, , para cada una de las soluciones La presión superficial estará descrita por:

π =nRTГ

Para C=0.025 π=(298.15 K)(8.314Nm k -1 mol -1 )(0.00125 mol)(8.47178x10^-8 mol m-2)=2.625x10^-7 Nmol m^-1

Para C=0.05 π=(298.15 K)(8.314Nm k -1 mol -1 )(0.0025 mol)(1.6943x10^-7 mol m-2)=1.05x10^-6 Nmol m^-1

Para C=0.1 π=(298.15 K)(8.314Nm k -1 mol -1 )(0.005 mol)(3.3887x10^-7 mol m-2)=4.2x10^-6 Nmol m^-1

Para C=0.2 π=(298.15 K)(8.314Nm k -1 mol -1 )(0.01 mol)(6.777x10^-7 mol m-2)=1.68x10^-5 Nmol m^-1

Para C=0.3 π=(298.15 K)(8.314Nm k -1 mol -1 )(0.015 mol)(1.01x10^-6 mol m-2)=3.75^-5 Nmol m^-1

Para C=0.4 π=(298.15 K)(8.314Nm k -1 mol -1 )(0.02 mol)(1.3554x10^-6 mol m-2)=6.72x10^-5 Nmol m^-1

Para C=0.5 π=(298.15 K)(8.314Nm k -1 mol -1 )(0.025 mol)(1.6943x10^-6 mol m-2)=1.05x10^-4 Nmol m^-1

Para C=0.6 π=(298.15 K)(8.314Nm k -1 mol -1 )(0.03 mol)(2.0332x10^-6 mol m-2)=1.51199x10^-4 Nmol m^-1

Para C=0.7 π=(298.15 K)(8.314Nm k -1 mol -1 )(0.035 mol)(2.372x10^-6 mol m-2)=4.058x10^-4 Nmol m^-1

Para C=0.8 π=(298.15 K)(8.314Nm k -1 mol -1 )(0.04 mol)(2.71x10^-6mol m-2)=2.687x10^-4 Nmol m^-1

Para C=1 π=(298.15 K)(8.314Nm k -1 mol -1 )(0.05 mol)(3.3887x10^-6 mol m-2)=4.1998x10^-4 Nmol m^-1

6) Realice el gráfico de la presión superficial como función del inverso del exceso de soluto superficial

7) Utilizando el gráfico anterior, determine el área ocupada por mol de soluto absorbido en el punto de cobertura completa de la superficie El área está descrita por la formula A=1/r, utilizando el exceso del inciso 3. A=1/1.37226x10-5 mol m-1 =72872.48 m2 mol-1 8) Obtenga el área por molécula de n-propanol absorbida en la superficie. 1.2101x1019 m^2/molécula

CÁLCULOS Inciso 1

Inciso 4. Г1 =− (-0.00021 N/m)/(8.314 Nm/Kmol)(298.15 K)= 8.4717x10-8 mol m-1 Г2 =− (-0.000042 N/m)/(8.314 Nm/Kmol)(298.15 K)= 1.6943x10-7 mol m-1 Г3 =− (-0.00084 N/m)/(8.314 Nm/Kmol)(298.15 K)= 3.388x10-7 mol m-1

Г4 =− (-0.00168 N/m)/(8.314 Nm/Kmol)(298.15 K)= 6.777x10-7 mol m-1 Г5 =− (-0.00252 N/m)/(8.314 Nm/Kmol)(298.15 K)= 1.016x10-6 mol m-1 Г6 =− (-0..00336 N/m)/(8.314 Nm/Kmol)(298.15 K)= 1.35548x10-6 mol m-1 Г7 =− (-0.0042 N/m)/(8.314 Nm/Kmol)(298.15 K)= 1.69x10-6 mol m-1 Г8 =− (-0.00504 N/m)/(8.314 Nm/Kmol)(298.15 K)= 2.033x10-6 mol m-1 Г9 =− (-0.00588 N/m)/(8.314 Nm/Kmol)(298.15 K)= 2.372x10-6 mol m-1 Г10 =− (-0.00672 N/m)/(8.314 Nm/Kmol)(298.15 K)= 2.7109x10-6 mol m-1 Г11 =− (-0.0084N/m)/(8.314 Nm/Kmol)(298.15 K)= 3.388x10-6 mol m-1 Inciso 5

Utilizando 50 mlt de cada disolución en el tubo del tensiometro.

ANÁLISIS DE RESULTADOS Para el gráfico de tensión superficial como función de la concentración podemos observar que la tensión superficial disminuye a medida que se aumenta la cantidad de soluto en el medio acuoso esto debido a que el solvente que se utiliza no se solvata fuertemente, por lo tanto, se producirá una disminución de las interacciones intermoleculares del líquido, lo cual produce un descenso de la tensión superficial, en el gráfico se observa que después de una concentración de 0.4 ya no se produce un cambio en el descenso de gamma muy notorio, esto quiere decir que se acerca a la concentración crítica Para el gráfico de exceso de soluto superficial en función de la concentración se analiza que el exceso de soluto aumenta exponencialmente conforme la concentración va en aumento en las soluciones, por lo tanto, habrá una mayor acumulación de moléculas del soluto en la superficie.

CONCLUSIÓN De acuerdo con nuestros resultados, a partir de las concentraciones utilizadas para las soluciones, se corroboró el fenómeno de adsorción en la interface, obteniendo el exceso superficial del soluto en la región superficial con respecto a su presencia en el seno del líquido, cuando es mayor a 0 significa que el soluto es adsorbido en la interfase. La proporción de moles de soluto a moles de disolvente es mayor en la interfase que en el seno de la fase líquida pero si es menor a 0 significa que el soluto no fue adsorbido en la interfase por lo tanto la proporción moles de soluto a disolvente es menor en la interfase que en el seno de la parte líquida.

BIBLIOGRAFÍAS Laidler K. James. (1997). Fisicoquímica. México: Ed CECSA. Levine, I. N. (2004). Fisicoquímica. Vol 2. 5a Edición. México: Mc Graw-Hill....