Punto de fusión - Clase de Fisicoquimica de materiales PDF

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Laboratorio de Fisicoquímica de Materiales

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA DE MATERIALES Práctica número x: Nombre de la Práctica (Letra minúscula) Apellido, Nombre 1., Apellido, Nombre 2., Apellido, Nombre 3. Email 1, email 2, email 3

Escuela de ingeniería de materiales Universidad del valle, Cali, Colombia Fecha de entrega: RESUMEN. La práctica tuvo como objetivos, determinar el punto de fusión en una sustancia pura mediante curvas de calentamiento y enfriamiento. También enseñar como esta propiedad se puede usar para la identificación y evaluación de la misma. En este informe se dan a conocer los diferentes procedimientos realizados en la práctica y las conclusiones a las cuales se llegaron de acuerdo a los resultados obtenidos. Los instrumentos utilizados fueron: un calorímetro, naftaleno comercial, una estufa eléctrica y un cronometro. Como resultados de esta práctica se obtuvo que el punto de fusión calculado fue de 71°C y mediante la observación (“a ojo”) fue de 88°C y el punto de congelación calculado fue de 78°C y mediante la observación (“a ojo”) fue de 77°C. Palabras Claves: temperatura de fusión, solidificación, calorímetro, calentamiento, enfriamiento. 1. INTRODUCCION El estudio se realizó con el fin de determinar el punto de fusión de una sustancia pura. El punto de fusión es la temperatura a la cual la materia pasa de estado sólido a estado líquido (se funde). Es relativamente insensible a la presión y, por tanto, es utilizado para caracterizar compuestos orgánicos y para comprobar su 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. La presencia de impurezas en la sustancia hace que la fusión ocurra a una temperatura más baja y sobre un rango más amplio. (Angulo, D., 2017)

fusión. Según la ley de Raoult todo soluto produce un descenso crioscópico, o sea una disminución de la temperatura de fusión. Las impurezas actúan de soluto y disminuyen el punto de fusión de la sustancia principal disolvente. Si existe una cantidad importante de impureza, la mezcla puede presentar un amplio intervalo de temperatura en el que se observa la fusión Así pues cabe indicar que:  Las sustancias sólidas puras tienen un punto de fusión constante y funden en un intervalo pequeño de temperaturas.  La presencia de impurezas disminuye el punto de fusión y hace que la muestra funda en un intervalo grande de temperaturas.

Durante el proceso de cambio de estado de una sustancia pura, la temperatura se mantiene constante puesto que todo el calor se emplea en el proceso de fusión. Por esto el punto de fusión de las sustancias puras es definido y reproducible, y puede ser utilizado para la identificación de un producto, si dicho producto ha sido previamente descrito.

2. PROCEDIMIENTO OBSERVACIONES

La presencia de impurezas tiene una influencia considerable sobre el punto de

En esta práctica se empezó por el procedimiento de enfriamiento del naftaleno

 La presencia de humedad o de disolvente dará puntos de fusión incorrectos. (Colectivo de autores, 2017) EXPERIMENTAL,

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comercial, se colocó 20g de naftaleno en una olla, luego se calentó el contenido de la olla en una estufa eléctrica a temperatura constante, hasta que el naftaleno se fundió completamente, se bajó la olla de la estufa y se introdujo la termocupla para detectar la temperatura, con esto cada 30 segundos se tomó lecturas de temperatura, se tuvo cuidado que la termocupla no toque el fondo de la olla para tener resultados de temperatura óptimos de la sustancia en estudio, estos datos se registraron en la tabla 1. En el transcurso del proceso se tomó reportes de lo que sucedió con el naftaleno.

93 89 85 82 79 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 77 74 70 65 60 57 55 52 50

Cuando el naftaleno estuvo solido de nuevo con la termocupla dentro se puso en la estufa eléctrica y se empezó el proceso de calentamiento, se tomó lecturas de temperatura cada 30 segundos y se observó cuando empezó la fusión, se consignó estos datos en la tabla 3. También se tomó reportes de lo que sucedió durante el proceso. Esta práctica se hizo a una temperatura de 23° y con humedad relativa de 50% (Acuuweather, 2017) 3. RESULTADOS Y ANALISIS En el cálculo de la determinación del punto de fusión de una sustancia pura mediante curvas de enfriamiento y calentamiento, luego de haber sometido el naftaleno a un calentamiento cercano a los 110°C, se procedió a tomar datos correspondientes al enfriamiento del material a medida que iba pasando el tiempo, se obtuvieron los resultados de temperatura y tiempo, registrados en la Tabla 1. Y adicionalmente se evidenciaron diversos cambios físicos en el material a medida que este se disminuía su temperatura, dichas observaciones se encuentran registradas en la Tabla 2. Donde los datos se encuentran organizados en intervalos en los cuales se iban presentando los diversos cambios.

Enfriamiento Temperatura [°C] Tiempo [s] 107 0 100 30 97 60

90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840

Tabla 1. Registro de los datos correspondientes al enfriamiento.

Temperatura [°C]

Tiempo [s]

[107- 82]

[0- 180]

[79-78)

[78- 77]

Observaciones El material estaba en estado totalmente líquido.

[210240)

Sobre la superficie de las esquinas del recipiente, se observó una cristalización del material.

[240600]

En este punto se observaron diversos cambios debido a que la temperatura dejó de disminuir

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por un intervalo de tiempo bastante grande, en él se pudo evidenciar que la superficie se encontraba totalmente solidificada, pero al mismo tiempo seguía existiendo presencia de naftaleno líquido en el fondo del recipiente. Casi a los 510 segundos el material estaba solidificado por completo y se observaron algunas burbujas en el fondo del recipiente. [74- 50]

[630840]

El material presenta las mismas condiciones de los datos anteriores.

58 61 64 66 68 69 71 71 72 75 77 79 81 82 86 88 95

150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630

Tabla 3. Registro de los datos correspondientes al calentamiento.

Temperatura [°C]

Tiempo [s]

Observaciones

[0- 120]

En el material presente en los bordes del recipiente, se empezó a evidenciar una presencia de líquido.

[150-180]

En la parte central del recipiente, el material estaba en estado líquido, pero aún existía presencia de material sólido.

[210- 240]

El material empezó a pasar a un estado líquido con mayor rapidez, aún existía material sólido.

Tabla 2. Observaciones de cambio físico que presentó el material, a medida que se iba disminuyendo la temperatura. Para la toma de datos del calentamiento del material, se dejó enfriar el naftaleno hasta una temperatura inicial de 32°C y su calentamiento se llevó a cabo hasta una temperatura final de 95°C. Se registraron datos de temperatura y tiempo, presentes en la Tabla 3. Y adicionalmente al igual que en el proceso de enfriamiento, se evidenciaron cambios físicos en el material, observaciones que fueron registradas en la Tabla 4. De la misma manera que para el proceso anterior.

Calentamiento Temperatura [°C] Tiempo [s] 32 0 36 30 43 60 48 90 54 120

[32- 54]

[58- 61]

[64- 66]

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[68- 69]

[71- 72)

[72- 81]

[82- 86]

[88- 95]

[270- 300]

Se evidencia el fuerte aroma que emite este material, aún existía naftaleno sólido.

[330- 360]

En la superficie del recipiente se encontraba una capa de naftaleno que aún está sólida, pero el resto del material ya se encontraba en un estado líquido. En estos 30 segundos transcurridos no existió una variación en la temperatura.

[390- 510]

El material se encontró en un estado más líquido y se evidenciaron algunas burbujas en la superficie.

[540- 570]

El material estaba en su mayor parte en estado líquido, pero aún se evidenciaba una pequeña capa cristalizada en la superficie del recipiente.

[600- 630]

El material se encontraba totalmente en estado líquido.

Tabla 4. Observaciones de cambio físico que presentó el material, a medida que se iba aumentando la temperatura.

Con los datos obtenidos de tiempo y temperatura en los procesos de enfriamiento y calentamiento, se realizó el Gráfico Temperatura vs Tiempo donde la línea azul corresponde a la curva de calentamiento y la línea verde a la curva de enfriamiento, también se puede evidenciar en ambas curvas, una cercanía en el punto donde la temperatura se mantiene constante, lo que indica que a esa temperatura existe un cambio de fase del material, lo que se conoce como punto de fusión para el proceso de calentamiento y punto de congelación para el proceso de enfriamiento.

Gráfico Temperatura vs Tiempo. Según la literatura, el punto de fusión del naftaleno se encuentra a una temperatura de 80,26°C (Mcmurry, J., 2009) De la parte experimental (a ojo), en el proceso de enfriamiento, para el cálculo del punto de congelación según lo observado en el laboratorio, basado en el comportamiento del material, se estableció un punto de congelación a una temperatura de 77°C. En el proceso de calentamiento, para el cálculo del punto de fusión del naftaleno, se estableció a una temperatura de 88°C. Para el cálculo del porcentaje de error se utilizó la siguiente fórmula:

% De error del punto de congelación (a ojo):

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% De error del punto de fusión (a ojo):

De la parte gráfica (calculado), en la curva de enfriamiento se puede observar un comportamiento de temperatura constante equivalente a 78°C, lo que indica que en ese punto existe un cambio de fase, es decir el punto de congelación del material. De la curva de calentamiento se observó una temperatura constante en el valor de 71°C, temperatura que corresponde al punto de fusión del material calculado gráficamente. % De error del punto de congelación (calculado):

% De error (calculado):

del

punto

de

fusión

Preguntas propuestas en la guía 

¿Si usted dispusiera de una cantidad muy pequeña de muestra de un compuesto sólido como podría hacer para tomarle su punto de fusión?

Podría tomar el punto de fusión de una cantidad muy pequeña de muestra utilizando el método de la superficie caliente como: el método de la placa caliente de Kofler o microscopio de fusión. 

Método de la placa caliente de Kofler

La placa caliente de Kofler se compone de dos piezas de metal de conductividad térmica diferente, que se calientan eléctricamente. Está hecha de manera que el gradiente de temperatura sea casi lineal en toda su longitud. La temperatura de dicha placa puede variar de 283 a 573 K gracias a un dispositivo especial de lectura de la temperatura que tiene un cursor con

un índice y una regleta graduada, especialmente concebido para dicha placa. Para determinar un punto de fusión se deposita una fina capa de sustancia directamente sobre la placa caliente. En unos segundos, se forma una fina línea de división entre la fase fluida y la fase sólida. Leer la temperatura a la altura de dicha línea, colocando el índice frente a esta última. (EcuRed, 2017) 

Microscopio de fusión

Se utilizan diferentes microscopios de platina caliente para determinar puntos de fusión con cantidades de sustancia muy pequeñas. La temperatura se suele medir con un termopar sensible, pero a veces se usa un termómetro de mercurio. El dispositivo tipo tiene una carcasa de calor que contiene una platina de metal en la que se coloca una lámina de vidrio sobre la que se deposita la muestra. El centro de la platina metálica se atraviesa con un agujero que permite el paso de la luz procedente del espejo de iluminación del microscopio. Al utilizarlo, la carcasa se cierra con una placa de vidrio para impedir la entrada de aire a la zona de la muestra. (EcuRed, 2017) 

Haga el análisis de la ecuación de Clapeyron para el equilibrio solidogas y liquido-gas



Equilibrio solido-gas

La aplicación de la ecuación de Clapeyron para el equilibrio sólido – gas dµg = -Sg dT + Vg dP dµs = -Ss dT + Vs dP Igualando estas ecuaciones obtenemos:

Donde: ΔS = Sgas - Ssólido = ΔHsub/T (éste valor es positivo para todas las sustancias) ΔV = Vgas - Vsólido (éste valor es positivo para todas las sustancias) En consecuencia:

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(dp/dT) s-g= ΔS / ΔV (positivo para todas las sustancias). La pendiente de la curva sólido-gas es mayor en el punto triple que la pendiente de la curva líquido-gas. (Moreno, A., 2007) Como ΔHsub = ΔHfus + ΔHvap (dp/dT) l-g = ΔHvap / TΔV (dp/dT) s-g= ΔHsub / TΔV 

Equilibrio liquido - gas

La aplicación de la Ecuación de Clapeyron a la transformación líquido - gas dµg = -Sg dT + Vg dP dµs = -Sl dT + Vl dP Igualando estas ecuaciones obtenemos:

Figura 1. Diagrama de fases 

Sobre un diagrama de fases de una sustancia pura trace las curvas de equilibrio a dos presiones diferentes y explique el desplazamiento de ellas.

Donde: ΔS = Sgas - Slíquido = ΔHvap/T (éste valor es positivo para todas las sustancias) ΔV = Vgas - Vlíquido (éste valor es positivo para todas las sustancias) En consecuencia: dp/dT = ΔS/ΔV (éste es positivo para todas las sustancias) La línea de equilibrio líquido-gas siempre tiene una pendiente positiva. Para los valores ordinarios de T y p las magnitudes son: ΔS ≈ +90 J K-1 mol-1 y ΔV = +20,000 cm3 = 0.02 m3 Sin embargo, ΔV tiene una enorme dependencia de T y p porque el ΔVgas depende de la temperatura y presión. La pendiente de la curva líquido-gas es pequeña comparada con la curva sólidolíquido. (Moreno, A., 2007)

Figura 2. Diagrama de fases a dos presiones del agua En la Tierra a nivel del mar estamos habituados a ver que el agua se congela a 0ºC y que se evapora a 100ºC. Esto se puede apreciar en la línea roja de la gráfica, que indica la presión de una atmósfera. Sin embargo, si la presión se reduce lo suficiente, se podría observar como el hielo pasa a estado gaseoso directamente. O incluso encontrar un punto en el que se puede conseguir cualquiera de los tres estados con una pequeña variación de los parámetros (punto triple). Este punto presenta un gran interés para la calibración de termómetros de precisión.

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Por otra parte, si aumentamos la temperatura y la presión se puede ver que la curva que separa las fases vapor-líquido se detiene en un punto llamado punto crítico. Más allá de este punto, la materia se presenta como un fluido supercrítico que tiene al mismo tiempo propiedades de un líquido y de un gas. Modificando la presión y temperatura en valores alrededor del punto crítico se producen reacciones que pueden tener interés industrial. (Blogger, 2012) 

Muestre en el grafico P vs T porque un líquido subenfriado congela espontáneamente.



Explique porque cuando bajamos la presión del sistema, el sólido puede pasar directamente a gas (sublimación).

La sublimación de un elemento o compuesto es una transición de la fase gas a la fase sólida sin pasar por una etapa líquida intermedia. La sublimación es una transición de fase que ocurre a temperaturas y presiones por debajo del punto triple. A presiones normales, la mayor parte de compuestos químicos y elementos poseen tres estados diferentes a temperaturas distintas. En estos casos, la transición del sólido al estado gaseoso requiere un estado líquido intermedio. Sin embargo, para algunos elementos o sustancias, a determinadas presiones, el material puede pasar directamente de sólido al estado gaseoso. Esto puede ocurrir si la presión atmosférica ejercida en la sustancia es demasiado baja para evitar que las moléculas escapen del estado sólido. (Perez, G., 2017) 4. CONCLUSIONES

La temperatura de un líquido puede reducirse más allá del punto normal de congelación mientras este permanece sin congelarse o sin solidificarse y aún el estado líquido. Esto es subenfriamiento. El fenómeno del subenfriamiento se presenta en substancias puras, sin perturbaciones que se enfrían lentamente. Mientras que las moléculas no se agrupen para formar un núcleo sólido (llamado"enucleación"). La muestra permanece en el estado líquido. Una vez que se forma un núcleo sólido, éste se extiende rápidamente por toda la muestra, y aquí, otra contradicción ocurre. La temperatura se eleva rápidamente mientras el calor latente de fusión es emitido en un fenómeno que se llama "recalescencia" y muchas veces se observa un destello de luz. La muestra entonces empieza a enfriarse mientras cambia del estado líquido al sólido. (Wikisites, 2017)

En esta práctica se demostró por qué el punto de fusión por sus propiedades puede ser usado para determinar la pureza de una sustancia y el hecho de que hubo errores tanto en el punto de fusión como de congelación se puede justificar con la presencia de impurezas en la sustancia o una mala toma de datos, ya que una sustancia pura funde en un rango de fusión muy estrecho (normalmente 1 grado o menos) mientras una sustancia menos pura exhibe un rango de fusión más amplio ( a veces 3° o incluso 10-20°), por esto se puede tomar el punto de fusión como criterio de pureza (Orgánica, 2010). Otra conclusión que podemos sacar es el hecho de que el punto de fusión no sirve por si solo como parámetro para identificar una sustancia con valores de la literatura debido a que pueden existir cientos de compuestos con idénticos puntos de fusión (Orgánica, 2010). Como conclusión general se aprendió a definir el punto de fusión de una sustancia y las aplicaciones de este en la identificación y pureza de la sustancia.

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5. REFERENCIAS 

Angulo, D. (2017). Determinación del punto de fusión de una sustancia pura, Universidad del Valle.



Colectivo de autores, (2017). Punto de fusión. [en línea]. Disponible en link. [05 noviembre 2017]



Acuuweather. (2017). Tiempo en Cali. [en línea]. Disponible en link. [05 noviembre 2017]



Mcmurry, J., (2009). orgánica séptima edición.



EcuRed, (2017). Temperatura de fusión. [en línea]. Disponible en link. [05 noviembre 2017]



Moreno, A. (2007). La regla de las fases. [en línea]. Disponible en link. [05 noviembre 2017]



Blogger. (2012). Diagrama de fases del agua. [en línea]. Disponible en link. [05 noviembre 2017]



Wikisites, (2017). Subenfriamiento. [en línea]. Disponible en link. [05 noviembre 2017]



Pérez, G. (2017). Ciclo hidrológico, sublimación. [en línea]. Disponible en link. [05 noviembre 2017]



Orgánica, Q. (2010). Química orgánica I. [en línea]. Disponible en link. [05 noviembre 2017]

Química

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6. ANEXOS Diagrama de flujo de la práctica Determinación de un punto de fusión de una sustancia pura Calentamiento

Enfriamiento

En tubo de ensayo colocar 20 mg de solución y cojala por medio de una pinza

Capacidad calorífica del calorímetro

Coloque un ...