Práctica No.2 Conductividad y titulación conductimétrica PDF

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Práctica de fisicoquímica aplicada a la ingeniería sobre mediciones conductimétricas y titulación conductimétricas con gráficas y cálculos...

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INSTITUTO

POLITÉCNICO

NACIONAL

ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS Laboratorio de Fisicoquímica aplicada a la ingeniería

Práctica No.2 “Conductividad y Titulación Conductimétrica” Docentes: García Bucio Paul

Alumnos: Gómez Vargas Abraham Hernández Delgado Karen Lizbeth

Mariscal Gómez Jorge Alberto

Hernández Rojas Mariana Isabel

Monterrubio Paz Héctor Adrián Plazola Jacinto Carla Patricia Firmas:

Mariana Hernández

Karen Hernández

Abraham Gómez

Palabras clave   

Conductividad eléctrica Titulación Concentración

Objetivos     

Determinar la conductancia de soluciones de electrolitos a diferentes concentraciones mediante un simulador. Determinar la conductividad específica de soluciones de electrolitos a diferentes concentraciones. Calcular la conductancia específica de soluciones de electrolitos a diferentes concentraciones Conocer los fundamentos fisicoquímicos de una titulación conductimétrica. Identificar la concentración de un electrolito con la otra solución de concentración conocida.

Métodos. El paso de una corriente eléctrica por una solución iónica es un fenómeno más complejo que el paso de una corriente por un metal. En el metal, los electrones transportan toda la corriente. En la solución iónica, la corriente es transportada por el movimiento de iones positivos y negativos masivos. En consecuencia, el paso de la corriente va acompañado de transporte de materia. Los iones positivos y negativos no transportan igual cantidad de corriente, de manera que se produce un gradiente de concentración en la solución. Kohlrausch estableció que las soluciones electrolíticas obedecían exactamente la ley de Ohm, una vez eliminado el efecto de los productos de la electrólisis mediante el empleo de corriente alterna de alta frecuencia. Kohlrausch también demostró con datos experimentales que la conductividad de una solución podría estar compuesta de las contribuciones individuales de cada ion. La capacidad de los iones para moverse en la disolución y la propiedad que tiene una solución de conducir la corriente se llama, en términos generales, conductancia. La conductancia está directamente relacionada con la facilidad que ofrece un material cualquiera al paso de la corriente eléctrica.

Dónde: X= Conductividad específica (siemens = mhos/cm). C = Concentración en equivalentes por litro (eq./L). = Conductividad equivalente (cm2/ ·eq.).

Por otra parte, las titulaciones conductimétricas, en las que las mediciones de la conductancia se usan para indicar el punto final de una reacción se puede aplicar a la determinación de una variedad de sustancias. La ventaja principal del punto final conductimétrico es su aplicabilidad a la titulación de soluciones muy diluidas y a sistemas en los que la reacción es relativamente incompleta. Así, por ejemplo, es posible la titulación conductimétrica de una solución acuosa de fenol (kaq ≅10- 10) aunque el cambio de pH en el punto de equivalencia es insuficiente para un punto final potenciométrico o con indicador visual. La técnica tiene sus limitaciones. En particular, se hace menos precisa y menos satisfactoria al aumentar la concentración total de electrolitos. Verdaderamente, el cambio en la conductancia debido al agregado del reactivo titulante puede ser enmascarado considerablemente por altas concentraciones de electrolitos en la solución a titular; en estas circunstancias el método no se puede usar. Las titulaciones de neutralización se adaptan particularmente bien al punto final conductimétrico, debido a la conductancia muy alta de los iones H3O⁺ y OH⁻ comparada con la conductancia de los productos de reacción.

Resultados Con los datos dados en clase y los modelos matemáticos: Para HCl Solución (HCl) Eq./L

Conductancia (G) (Ω^-1)

Conductancia especifica (X) (Ω-1cm-1)

Conductancia equivalente (ƛ) (eqΩ-1cm2)

0.0001

39.4 µS

0.0000394

394

0.001

388.9 µS

0.0003889

388.9

0.01

3.8 mS

0.0038

380

0.1

35.9 mS

0.0359

359

1

321.4 mS

0.3214

321.4

Tabla 1. Resultados para solución de HCl.

Gráfica 1a). Conductancia específica vs Concentración de HCl.

Gráfica 1b. Conductancia equivalente vs. √ de HCl.

Gráfica 1c. Conductancia equivalente vs 1/eq-g de HCl.

Para NaOH Solución (NaOH) Eq./L 0.0001

Conductancia (G) (Ω^-1) 220 µS

Conductancia especifica (X) (Ω-1cm-1) 0.00022

Conductancia equivalente (ƛ) (eqΩ-1cm2) 2200

0.001

23.2µS

0.0000232

23.2

0.01

2.1mS

0.0021

210

0.1

19.7mS

0.0197

197

1

169.9 mS

0.1699

169.9

Tabla 2. Resultados para solución de NaOH.

Gráfica 2a). Conductancia específica vs. Concentración de NaOH.

Gráfica 2b. Conductancia equivalente vs. √ de NaOH.

Gráfica 3c. Conductancia equivalente vs 1/eq-g de CH3COOH.

Para CH3COOH Solución (CH3COOH) Eq./L 0.0001

Conductancia (G) (Ω^-1)

Conductancia especifica (X) (Ω-1cm-1)

Conductancia equivalente (ƛ) (eqΩ-1cm2)

13.5µS

0.0000135

135

0.001

45.9µS

0.0000459

45.9

0.01

145.9µS

0.0001459

14.59

0.1

438.7µS

0.0004387

4.387

1

1242µS

0.001242

1.242

Tabla 3. Resultados para solución de CH3COOH.

Gráfica 3a).Conductancia específica vs. Concentración de CH3COOH.

Gráfica 3b. Conductancia equivalente vs. √ de CH3COOH.

Gráfica 3c. Conductancia equivalente vs 1/eq-g de CH3COOH.

Para NaCl Solución (NaCl) Eq./L 0.0001

Conductancia (G) (Ω^-1) 12.4µS

Conductancia especifica (X) (Ω-1cm-1) 0.0000125

Conductancia equivalente (ƛ) (eqΩ-1cm2) 125

0.001

112.3µS

0.0001123

112.3

0.01

1065µS

0.001065

106.5

0.1

9.4mS

0.0094

94

1

73.8mS

0.0738

73.8

Tabla 4. Resultados para solución de NaCl.

Gráfica 4a).Conductancia específica vs. Concentración de NaCl.

Gráfica 3b. Conductancia equivalente vs. √ de NaCl.

Gráfica 4c. Conductancia equivalente vs 1/eq-g de NaCl.

1. Las características de cada gráfica deberán explicarse adecuadamente comparadas con las reportadas en la literatura. Gráfica 1a : se puede observar un comportamiento ascendente, ya que el HCl es un ácido orgánico fuerte y sus protones se mueven con mayor facilidad. Gráfica 1b: se puede observar un comportamiento descendente debido a una variación de la concentración de los electrolitos fuertes y débiles, la conductividad eléctrica equivalente de los electrolitos fuertes disminuye con la raíz cuadrada de la concentración. Gráfica 1c: el ácido clorhídrico se observa que la conductancia disminuye porque no se disocia completamente y no da lugar a que los protones sean tomados para conducir electricidad. Gráfica 2a : se comporta de manera ascendente porque al ser un electrolito fuerte presenta mayor facilidad para transportarse en el solvente Gráfica 2b: se observa un comportamiento descendente debido a que conforme aumenta la concentración las atracciones de entre iones de signo contrario disminuye su movilidad Gráfica 2c: el NaOH al no estar tan diluido, se observa un comportamiento descendente porque debe disociarse con iones hidróxido, que toman un protón del medio para liberarlo y otra molécula de hidroxilo vuelva a tomarlo y transportarlo hasta el electrodo para conducir electricidad Gráfica 4a: existe un comportamiento ascendente porque el NaCl es un electrolito fuerte y sus protones se mueven con mayor facilidad en el solvente Gráfica 4b: se comporta de manera descendente porque disminuye cuando aumenta la concentración y su grado de disociación es menor. Gráfica 4c: el NaCl disminuye porque no se disocian los iones que toman al protón liberándolo a otra molécula y pueda conducir electricidad 2. Determinar gráficamente y por medio de la ecuación de Kohlrausch la conductividad equivalente a dilución infinita para electrolitos fuertes De la gráfica X1=1

Y1=321.4

X2=0.03162

Y2=388.9

(ƛ)

√ 0.01 0.031622777 0.1

394 388.9 380

0.316227766

359

1

321.4

−69.7040

(√ ) = −69 7 4 (√ ) + 𝐵 321.4 = −69.7040(1) + 𝐵 321.4 + 69.7040 = 𝐵

∴ 𝐵 = 391.104 (√C) = −69.704(√C) + 391.104 Donde ∞ = −69.704

Gráfica de Conductancia Equivalente vs. √C para HCl 450 400 350 300 y = -70.386x + 389.18 200 150 100 50 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Concentración √฀ Gráfica 1. Conductancia equivalente a dilución infinita para HCl

De la gráfica X1=1Y

Y1=169.9

X2=0.1

−44.55

√

(ƛ)

0.01 0.031622777 0.1 0.316227766

2200 23.2 210 197

1

169.9

(√ ) = −44 55(√ ) + 𝐵 169.9 = −44.55(1) + 𝐵 169.9 + 44.55 = 𝐵 ∴ 𝐵 = 215.45

(√ ) = −44 55(√ ) + 215.45 Donde

∞=

−44.55

Y2=210

Gráfica de Conductancia Equivalente vs. √C para NaOH 2023

1523

1023 Series1 523

23 0.01

0.031622777 0.1 0.316227766 Concentración √฀

Gáfica 2. Conductancia equivalente a dilución infinita para NaOH

3. Calcular para electrolitos débiles, utilizando los valores que se reportan en la literatura para cationes y aniones Lo siguiente es calcular la conductividad a dilución infinita de estos electrolitos, al ser electrolitos débiles es necesario obtener estos datos de tablas y hacer las conversiones convenientes de unidades.

Para CH3COOH ) 548 7 (

49 6 99 ( 548 7 (

)(

) 5 487

)

Para NaCl 5

76 4 (

) )(

6 5(

)

6 5( )

65

RESULTADOS DE TITULACIÓN CONDUCTIMÉTRICA

Para HCl Volumen de NaOH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

X siemens

1/OHM

0.004365 0.004059 0.003417 0.002852 0.00273 0.001767 0.001255 0.001378 0.001702 0.002064 0.002399 0.002655 0.002991 0.003253 0.003507

0.004365 0.004059 0.003417 0.002852 0.00273 0.001767 0.001255 0.001378 0.001702 0.002064 0.002399 0.002655 0.002991 0.003253 0.003507

15 0.003609 0.003609 Tabla 1. Datos de titulación conductimétrica de ácido clorhídrico.

De la fórmula: C1V1 = C2V 𝐶

𝐶

𝐶𝑉 𝑉 ( N)(6𝑚𝐿) 𝑚𝐿

6𝑁

Gráfica 1. Titulación Conductimétrica de HCl. Para CH3COOH Volumen de NaOH

X siemens

1/OHM

0

0.0001593

0.0001593

1

0.0002403

0.0002403

2

0.0003713

0.0003713

3

0.0005073

0.0005073

4

0.0006213

0.0006213

5

0.0007428

0.0007428

6

0.0009838

0.0009838

7

0.001328

0.001328

8

0.001643

0.001643

9

0.001992

0.001992

10

0.002166

0.002166

11

0.002558

0.002558

12

0.002857

0.002857

13

0.003124

0.003124

14

0.003344

0.003344

15

0.003617

0.003617

Tabla 2. Datos de titulación conductimétrica de ácido acético.

De la fórmula: C1V1 = C2V 𝐶

𝐶

𝐶𝑉 𝑉 ( N)(5𝑚𝐿) 𝑚𝐿

5𝑁

X VS ML. 0.004 0.0035 y = 0.0002x - 0.0002

0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005

2

4

6

8

10

Volumen de ácido acético (ml)

Gráfica 2. Titulación Conductimétrica de CH3COOH

12

14

16

Discusión y Conclusión Al hacer la medición de conductividad en el Ácido acético y al graficar se muestra que los valores varían un poco, en la gráfica de conductividad equivalente de muestra que si disminuye la dilución del ácido acético la conductancia equivalente de este, tendrá una variación por lo que se muestra una curva con un comportamiento descendente en la gráfica de conductividad eléctrica específica concentración. En el caso del Ácido Clorhídrico que es un electrolito fuerte ya que es un ácido inorgánico, al graficar en el eje Y la conductividad específica y en el eje X la concentración vemos que la curva entre mayor sea la concentración, mayor será la conductividad, y esto es debe a que aún no llega a la concentración en la cual se satura. Mientras que en la gráfica de conductividad equivalente, vemos que entre menor sea la dilusión, menor será la conductancia equilvalente, y esto es razonable a lo que dice la teoría al ser un ácido fuerte. En el caso del Hidróxido de Sodio que es un electrolito fuerte, por ser una base fuerte, en la gráfica de conductividad específica vemos que a una concentración mayor, siempre y cuando no se llegue a la saturación, se demuestra que la conductividad específica es mayor. Y esto lo corroboramos con la gráfica de conductividad equivalente que demuestra que a menor disolución menor será la conductividad equivalente. Entre los electrolitos utilizados en la práctica, el hidróxido de sodio es el más capaz de conducir corriente porque tiene una conductividad específica más alta que el ácido acético, ya que el aumento de este parámetro es moderado en comparación. que estos al tener pr C . lmente por lo cual no pueden transportar las cargas de manera eficiente.

. no se sature.

. .

luego de algunos mililitros de hidróxido de s . . ambas curvas se debe al carácter de los ácidos porque uno se disocia completamente en iones capaces de transportar electricidad con facilidad y otro no, por se un ácido débil, se disocia parcialmente lo que indica que es más difícil que conduzca electricidad

Finalmente, podemos concluir que la conductividad equivalente de la solución electrolítica aumenta con su disociación, lo que nos ayuda a comprender la capacidad de la sustancia para dejar pasar la corriente, y la unidad son unidades Siemens por metro. Además, la conductividad equivalente diluida especificada en la ecuación de Kohlrausch solo es aplicable a electrolitos fuertes, por lo que los electrolitos débiles siguen la ley de la migración iónica independiente. . .

.

Ejemplos de aplicaciones en otras ciencias, tecnologías o la industria Rendimiento de cultivos Los fertilizantes empleados en agricultura contienen sales que incrementan el valor de la conductividad eléctrica del suelo. El valor de conductividad que presenta el suelo, influye en gran medida en el esfuerzo que tiene que realizar la raíz de la planta para absorber los nutrientes de la solución de fertilizantes aportada. Por tanto, si se encuentra por encima del valor óptimo para el cultivo, la planta tendrá que esforzarse en mayor medida para extraer los nutrientes. Lo que conlleva un gasto adicional de energía que influirá negativamente en el rendimiento productivo. Medida y control de la conductividad en aguas para la industria farmacéutica. La medida y control de la conductividad es fundamental en las denominadas aguas puras, normalmente destinadas a la industria farmacéutica, y denominadas técnicamente como agua WFI (también API). El agua WFI, en ingl “W F I ” AI ( inyectables) es el agua utilizada como disolvente en la fabricación de productos inyectables. También podemos encontrar estas otras denominaciones Bulk Water (para agua purificada, condensados, vapor puro, etc.) y Packaged Water (para agua altamente purificada, estéril, para inyectables, etc.) En laboratorios La titulación conductimétrica se usa para la operación de unidades de intercambio iónico que producen agua desionizada. En industrias La titulación conductimétrica se utiliza en la industria para el uso del agua de alimentación de calderas, generadores de electricidad, control de baños ácidos de piclaje, baños alcalinos de desengrasado o en el control del complemento de operaciones de enjuague o lavado.

Referencias    

Gilbert W. Castellán. 1998. Fisicoquímica. México: Pearson. Perry & Chilton 2001. “Manual del Ingeniero Químico”. México. Mc. Graw-Hill. Sexta Ed.,Tomo IV. Raviolo, A., & Farré, A. S. (2017). Titulaciones ácido-base. Baeza, A. (2003). Titulaciones ácido-base. Rev. Chil. Educ. Cient, 1(2), 16-19....