LABORATORIO DE QUMICA FSICA II

UNIVERSIDAD DE EL SALVADORFACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMATICAESCUELA DE QUMICADEPARTAMENTO DE QUMICOFSICAQUMICAFSICA II

MANUAL DE LABORATORIO

CICLO II 2015

CONTENIDO

Normas de seguridad en el laboratorio4Normas generales4Normas para manipular instrumentos y productos4EXPERIMENTO 1: Lquidos parcialmente miscibles5EXPERIMENTO 2: Tensin superficial8EXPERIMENTO 3: Absorcin de lquidos en slidos12EXPERIMENTO 4: Cintica qumica16EXPERIMENTO 5: Viscosidad de los lquidos20EXPERIMENTO 6: Coeficiente de distribucin26

NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIONormas generales No fumes, comas o bebas en el laboratorio. Utiliza una bata y tenla siempre bien abrochada, as protegers tu ropa. No lleves bufandas, pauelos largos ni prendas u objetos que dificulten tu movilidad. Procura no andar de un lado para otro sin motivo y, sobre todo, no corras dentro del laboratorio. Si tienes el cabello largo, recgetelo. Dispn sobre la mesa nicamente los libros y cuadernos que sean necesarios. Ten siempre tus manos limpias y secas. Si tienes alguna herida, tpala. No pruebes ni ingieras los productos. En caso de producirse un accidente, quemadura o lesin, comuncalo inmediatamente al profesor. Recuerda dnde est situado el botiqun. Mantn el rea de trabajo limpia y ordenada.Normas para manipular instrumentos y productos Antes de manipular un aparato o montaje elctrico, desconctalo de la red elctrica. No utilices ninguna herramienta o mquina sin conocer su uso, funcionamiento y normas de seguridad especficas. Maneja con especial cuidado el material frgil, por ejemplo, el vidrio. Informa al profesor del material roto o averiado. Fjate en los signos de peligrosidad que aparecen en los frascos de los productos qumicos. Lvate las manos con jabn despus de tocar cualquier producto qumico. Al acabar la prctica, limpia y ordena el material utilizado. Evita el contacto con fuentes de calor. No manipules cerca de ellas sustancias inflamables.) Los cidos y las bases fuertes han de manejarse con mucha precaucin, ya que la mayora son corrosivos y, si caen sobre la piel o la ropa, pueden producir heridas y quemaduras importantes. Si tienes que mezclar algn cido (por ejemplo, cido sulfrico) con agua, aade el cido sobre el agua, nunca al contrario, pues el cido saltara y podra provocarte quemaduras en la cara y los ojos. No dejes destapados los frascos ni aspires su contenido. Muchas sustancias lquidas (alcohol, ter, cloroformo, amonaco...) emiten vapores txicos.

EXPERIMENTO 1LQUIDOS PARCIALMENTE MISCIBLESObjetivos1. Estudiar la aplicacin de la regla de las fases2. Trazar la curva de solubilidad y determinar el punto de temperatura critica de solucin.

TeoraAlgunos lquidos se mezclan en todas proporciones (por ejemplo el alcohol etlico y el agua), mientras que otros son prcticamente inmiscibles. Sin embargo, hay muchos casos en los cuales los lquidos son parcialmente miscibles unos con otros. As, si se agitan agua y ter juntos, algo de ter se disolver en el agua y parte del agua se disolver en el ter, de tal manera que finalmente se separan las dos soluciones saturadas. A dos soluciones mutuamente saturadas que pueden existir en equilibrio a una temperatura particular se les llama soluciones conjugadas.

Cuando se agrega fenol al agua a temperatura ambiente, el fenol se disuelve hasta que la concentracin de la solucin ha llegado cerca del 8 %. La adicin de ms fenol, da como resultado la formacin de una segunda fase lquida la que puede considerarse como una solucin de agua en fenol. Si se eleva la temperatura, la segunda fase lquida desaparecer en el punto de miscibilidad, debiendo agregar ms fenol si se quiere producir nuevamente dos fases lquidas. Aumentando as la concentracin del fenol y observando la temperatura a la cual el sistema se vuelve homogneo, puede determinarse la llamada curva de solubilidad del fenol en el agua.

Tanto la solubilidad del fenol en agua como la del agua en fenol aumentan con la temperatura. En la figura 1, la curva AB representa la solubilidad del fenol en agua y la curva CB la del agua en fenol; se nota que las curvas se aproximan la una a la otra, porque la composicin de las dos soluciones conjugadas se hacen ms parecidas a medida que se eleva la temperatura la cual se llama temperatura crtica de la solucin. En este punto, las dos soluciones conjugadas han alcanzado la misma composicin, de tal manera que se han vuelto idnticas y son miscibles en todas proporciones.

La regla de las fases dice que:L = C F + 2

Para el sistema fenol-agua la temperatura crtica de solucin es 66.5 C y corresponde a una solucin del 33 % de fenol.

Como puede observarse en la figura, podemos obtener dos soluciones conjugadas en equilibrio heterogneo, a cualquier temperatura menor que la temperatura crtica de solucin, pero es imposible obtener dos fases lquidas por encima de dicha temperatura, representadas por cualquier punto dentro del rea ABC, tal mezcla se separara en dos fases lquidas o soluciones binarias conjugadas, por otra parte, una mezcla de fenol y agua en condiciones de composicin y temperatura representadas por cualquier punto fuera del rea ABC permanecer como una solucin homognea.

Otros pares de lquidos que exhiben temperatura crticas de solucin son los siguientes

1. Anilina y agua2. cido actico y ciclohexano 3. Alcohol metlico y ciclohexano

El fenmeno se observa tambin en algunos sistemas metlicos, ejemplo. Bismuto y Zinc con una temperatura de solucin crtica de 850 C

Materiales, reactivos, equipos

Escuela de Qumica

5Facultad de Ciencias Naturales y MatemticaUniversidad de El Salvador

7 Tubos de ensayo1 Beaker de 1000 ml1 Beaker de 250 ml1 beaker de 50 ml1 Disco metlico con perforaciones2 Agitadores de vidrio1 Hot plate con agitador2 Pipetas volumtricas de 2 ml2 Pipetas graduadas de 1 ml2 Pipetas graduadas de 5 ml2 Pipetas volumtricas de 10 ml4 Probetas de 10 ml1 Termmetro decimal1 Termmetro de 0 a 150C1 Soporte metlico1 Pinza de sostn1 Pinza de extensinPapel toallaPapel filtro25 g Fenol25 mL de butanolAgua destilada o desmineralizadaBalanza analtica

Procedimiento Diagrama fenol agua

1. Se preparan 7 soluciones de fenol al 10, 20, 30, 40, 50, 60, y 70 %; se miden 10 mL de cada solucin y se colocan en tubos de ensayo enumerados del 1 al 7.2. El beaker de 1000 mL se llena con agua destilada, colocando los tubos de ensayo en los agujeros del disco perforado. 3. Se coloca el beaker en el hot plate y se calienta lentamente, agitando las muestras cuidadosamente una por una con el agitador, hasta que se forme una solucin homognea en los tubos (no se debe calentar a ms de 70 C). 4. Enseguida se deja enfriar lentamente el bao, se agitan fuertemente los tubos en el orden de 3, 4, 5, 6, 7, 1 y 2, con el agitador, colocndole al mismo tiempo el termmetro. 5. Se anota la temperatura exacta a la cual aparece una capa lechosa en cada lquido. Si existen dudas, el bao se vuelve a calentar lentamente y agitando continuamente, se anotan las temperaturas a las cuales las mezclas vuelven a ser transparentes.

Clculos1. Construya una grfica de temperatura de solubilidad en funcin de las concentraciones y determine la temperatura crtica de cada solucin2. Seale en el diagrama las reas correspondientes a las fases o fase que existen en los rangos correspondientes de temperaturas y concentraciones.

Preguntas 1. Cules son los factores que afectan la solubilidad de un par de componentes?2. Por qu cree usted que es necesario el agitador de vidrio?3. Dibuje y explique el diagrama fenol- agua.4. Defina que es un sistema condensado5. Qu ventajas existen al estudiar un sistema lquido-lquido aisladamente?

Bibliografa1. Levine, Ira N. Fisicoqumica. Volumen 1. 1996. Cuarta edicin. Mc Graw-Hill. Madrid. Espaa.2. Maron, Samuel y Prutton, Carl. Fundamentos de Fsico Qumica. 1973. Editorial Limusa-willey. Mxico.

EXPERIMENTO 2TENSIN SUPERFICIALObjetivoDeterminar la tensin superficial de diferentes sustancias puras y soluciones por el mtodo de ascenso capilar

Teora La superficie de cualquier lquido se comporta como si sobre esta existe una membrana o tensin. A este fenmeno se le conoce como tensin superficial. Tensin superficial es la energa o trabajo necesario para aumentar la superficie de contacto de un lquido.

Las molculas que se hallan en la superficie de un lquido son objeto de las intensas fuerzas de atraccin de las molculas interiores. Una fuerza resultante, cuya direccin se encuentra en un plano tangente a la superficie en un punto particular, acta para hacer que la superficie sea todo lo pequea posible. La magnitud de esta fuerza actuando perpendicular a una unidad de longitud de una lnea en la superficie se le llama tensin superficial (). La superficie, o interfase, en donde existe la tensin se halla entre el lquido y su vapor saturado en el aire, ordinariamente a presin atmosfrica. Tambin puede existir una tensin en la interfase entre lquidos inmiscibles; ordinariamente a esto se le llama tensin interfacial. Las dimensiones de la tensin son fuerza por unidad de longitud y ordinariamente se expresan en el sistema cgs como dinas por centmetro o el sistema internacional en N por metro.

Para ilustrar la anterior definicin de tensin superficial, consideremos el principio involucrado en el mtodo de medicin discutido en este experimento y que se muestra en la figura 1. La tensin superficial es una propiedad de una interfase, ordinariamente se mide balancendola a lo largo de cierta lnea limtrofe, contra una fuerza igual contra la cual puede medirse.

El ascenso capilar ocurre cuando las fuerzas de adhesin hacia las paredes del capilar son ms fuertes que las fuerzas de cohesin entre las molculas del lquido.En el mtodo de ascenso capilar el lquido sube, debido a su tensin superficial, en un tubo capilar de pequeo dimetro interno sumergido en el (siempre y cuando el lquido moje el tubo).

Figura 1

La lnea limtrofe circular est localizada en algn punto arriba del menisco y tiene una longitud de 2r, en donde r es el radio interno del tubo. La fuerza que hace que el lquido ascienda por el tubo es 2r cos , en donde es el ngulo de contacto que se muestra en la figura 1. En el equilibrio la fuerza hacia abajo (mg) debida a la gravedad impide que el lquido ascienda ms alto en el capilar. Aqu m es la masa del lquido en el capilar y g es la aceleracin de la gravedad. Para un lquido de densidad () que sube a una altura h en el capilar, esta fuerza hacia abajo es r2hg en el equilibrio esta fuerza esta justamente balanceada por la fuerza vertical debida a la tensin superficial, 2r cos . Para el agua y la mayora de los lquidos este ngulo es prcticamente cero: esto significa que la superficie del lquido en el lmite es paralela a la pared del capilar. Haciendo a las dos fuerzas iguales tenemos, para el ngulo cero de contacto:

2r = r2hg (1)En esta derivacin se ha supuesto que el vapor no tiene una densidad apreciable en comparacin con el lquido.

ProcedimientoEl tubo capilar se limpia con una solucin limpiadora caliente, se enjuaga con agua destilada y luego con el lquido que se usar. En el caso de que el lquido involucrado sea inmiscible con el agua, es necesario hacer un enjuague intermedio con acetona. No deber soplarse aire de las lneas de posesin a travs del capilar, ya que este se halla contaminado de sustancias aceitosas, el tubo de ensayo debe limpiarse de la misma manera.

El aparato montado se coloca en un termostato a 25 C y se vierte lquido puro en el tubo de ensayo hasta una profundidad de varios centmetros. El tapn se acopla a un tubo de hule limpio y se tapa con algodn para impedir la entrada de polvo y sustancias salpicadas y se le une al tubo que sobresale, segn se muestra en la figura 2.

Figura 2

Despus que se ha llegado a la temperatura del termostato, se hace ascender un poco al lquido que est en el capilar, insertando una pera dentro del tubo para que ascienda y luego se deja caer a su nivel de equilibrio. Si el capilar est limpio, la lectura obtenida en la escala despus del equilibrio deber ser la misma tanto despus de levantar el nivel como despus de hacerlo bajar. En la escala se lee la diferencia entre el nivel del lquido en el tubo capilar y en el tubo de ensayo, en cada caso se lee el fondo del menisco. Se hacen cinco mediciones sobre el lquido y los resultados se promedian.La altura se obtiene observando el ascenso capilar con agua pura, cuya tensin superficial se sabe que es de 71.8 dinas/cm-1 a 25 C. Cuando menos se hacen cinco observaciones.El valor promedio de h se obtiene a partir de las lecturas de la escala y r se obtiene resolviendo la ecuacin 1, usando el valor conocido de .

S determinar la tensin superficial a los siguientes lquidos: y soluciones1. Alcohol etlico2. Acetona3. cido actico4. soluciones al 10 y 20% p/p de cido actico5. Solucin de alcohol etlico al 10 y 20% respectivamente peso/peso6. Solucin de Sacarosa al 10 y 20% peso/peso7. Soluciones de detergente a diferentes porcentajes (10,20.30,40 y 50 % p/p)La tensin superficial de la acetona se mide a 0 C, usando para ello un bao con hielo, utilizando termostato si est disponible o se puede emplear un bao regulado manualmente, con un termmetro sumergido directamente en el lquido.La tensin superficial del lquido determinada se obtiene por clculo, usando las ecuaciones nmero 1. La densidad del lquido se puede encontrar en tablas y la de soluciones utilizando un picnmetro. Los resultados obtenidos se comparan con los reportados en tablas y se calculan los porcentajes de desviaciones.

Materiales, reactivos, equipos

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1-Beaker de 1000 mL2 Beaker de 250 mL1 Beaker de 50 mL1 Pipeta graduada de 1 mL1 Pipeta graduada de 5 mL1 Pipeta graduada de 10 mL1 Tubo capilar limpio1 Barilla doblada (figura 2)1 Tubo de vidrio grande (figura 2)1 Tapn sujetador del capilar (figura 2)3 Balones volumtricos de 50 mL1 Picnmetro1 Soporte1 Pinza para bureta10 cm de manguera limpia1 agitador de vidrio1 termmetroAlcohol etlico puro (4mL)Acetona (4mL)Sacarosa cido actico (5mL)Agua destiladaSolucin sulfocrmica Detergente lquidoHieloBalanza analtica

Preguntas1. Cul es la tensin superficial de las diferentes sustancias puras con sus respectivas temperaturas reportadas en textos2. Corregir las tensiones a las temperaturas de la practica?3. Hacer las tablas de tensin superficial y sus respectivas concentraciones4. Grafique la tensin superficial vr la concentraciones de las soluciones medidas

Bibliografa1. Levine, Ira N. Fisicoqumica. Volumen 1. 1996. Cuarta edicin. McGraw-Hill. Madrid. Espaa.2. Daniels, Farrington y otros. Curso de fsico Qumica experimental. 1972. Sptima edicin, McGraw Hill. Mxico.

EXPERIMENTO 3ABSORCIN DE LQUIDOS EN SLIDOSObjetivoEstudiar la adsorcin de soluciones acuosas de cido actico por el carbn activado.

TeoraLa adsorcin es un fenmeno fisicoqumico de gran importancia, debido a sus aplicaciones mltiples en la industria qumica y en el laboratorio. En particular, resulta fundamental en procesos qumicos que son acelerados por la presencia de catalizadores cuyo estado de agregacin es distinto al de los reactivos. Este tipo de catlisis heterognea se utiliza en procesos como la pirlisis del petrleo, el proceso Haber para la sntesis de amoniaco (catalizador de Fe), la fabricacin de cido sulfrico (con V2O5) y ntrico (con Pt/Rh), la hidrogenacin cataltica de aceites y grasas (con Pt/Pd), y muchos ms. La adsorcin de gases sobre carbn de madera fue observada por primera vez por C. W. Scheele (qumico sueco, descubridor del cloro) en 1773, aunque los primeros estudios sistemticos fueron realizados por T. de Saussure en 1814. La adsorcin de sustancias en disolucin se conoce por lo menos desde 1785, por los trabajos de T. Lowitz (Glasstone, 1968).

Durante la adsorcin de un gas o de un soluto en disolucin, sus partculas se acumulan sobre la superficie de otro material. La sustancia que se adsorbe se denomina adsorbato y el material sobre el que lo hace es el adsorbente (el proceso inverso a la adsorcin se conoce como desorcin). La adsorcin se distingue de la absorcin en que esta ltima implica la acumulacin de la sustancia absorbida en todo el volumen del absorbente, no solamente en su superficie. En general se identifican dos tipos bsicos de adsorcin: la adsorcin fsica, o fisiadsorcin y la adsorcin qumica, o quimiadsorcin. La diferencia entre ellas radica en el tipo de interacciones entre el adsorbente y el adsorbato. En la adsorcin fsica las interacciones predominantes son de tipo van der Waals, mientras que en la adsorcin qumica las interacciones semejan enlaces qumicos. Esto da lugar a entalpas de adsorcin muy diferentes: alrededor de -20 kJ/mol para la fisiadsorcin y cerca de -200 kJ/mol para la quimiadsorcin (Atkins, 1991).

La formacin de enlaces durante la adsorcin qumica hace que el proceso sea ms selectivo, es decir, que dependa marcadamente de la naturaleza de las sustancias involucradas.El helio, por ejemplo, no se adsorbe qumicamente sobre una superficie ya que no forma enlaces ni compuestos.Es comn que la interaccin qumica entre el adsorbente y el adsorbato produzca cambios en la estructura de los compuestos involucrados. Esto puede modificar su reactividad y de ello depende la capacidad cataltica del adsorbente. La cantidad de material adsorbido en un sistema depende de la temperatura y la presin o la concentracin del adsorbato. . Si la temperatura se mantiene constante durante el experimento, el grado de adsorcin puede estudiarse como funcin de la presin o la concentracin y generar as lo que se conoce como la isoterma de adsorcin (figura 1). Cuando el proceso dominante es la fisiadsorcin, las caractersticas cualitativas de las isotermas de adsorcin de diversos materiales son muy similares. De hecho, los resultados de la adsorcin de solutos diversos se ajustan bastante bien, en un intervalo restringido de concentraciones (m), a los que predice la siguiente ecuacin emprica, propuesta en 1909 por Freundlich:

N = C 1m 1/c 2 (1)

donde N es la cantidad de sustancia adsorbida por gramo de adsorbente y c1 y c2 son constantes experimentales sin ningn significado fsico (c2 es siempre mayor que 1, y usualmente se encuentra entre 2 y 4) (Glasstone, 1968).

Parte experimentalEl fenmeno de adsorcin puede estudiarse con relativa facilidad en el laboratorio. Para ello se han desarrollado mtodos diversos entre los que se encuentran los mtodos de flujo, la desorcin sbita (o flash), la gravimetra y los mtodos con trazadores radiactivos (Atkins, 1991).Una de las tcnicas ms sencillas para analizar el grado de adsorcin de un material sobre un adsorbente consiste en trabajar con disoluciones del adsorbato a diferentes concentraciones. El problema se reduce entonces a comparar la concentracin del soluto antes y despus de llegar al equilibrio con el adsorbente. Estas concentraciones se pueden determinar de varias maneras: las ms comunes son la titulacin y la espectrofotometra (Potgeiter, 1991; Shoemaker, 1972). El mtodo permite trabajar con adsorbentes distintos como carbn activado, gel de slice, almina, zeolitas, y tambin el uso de diversos disolventes. Para ilustrar los principios en que se basa, aqu describimos el procedimiento y los resultados obtenidos para el caso particular de la adsorcin de cido actico en disolucin acuosa sobre carbn activado.

El trabajo se inicia preparando disoluciones de cido actico con las siguientes concentraciones aproximadas: 0.4 M, 0.2 M, 0.096 M, 0.06 M, 0.032 M, y 0.016 M, las cuales se valoran con una disolucin de hidrxido de sodio estndar (0.3 M, en nuestro caso) con el fin de determinar su concentracin exacta.Posteriormente se toman alcuotas de 50 mL, medidas con exactitud, que se colocan en seis matraces de 125 mL y en cada uno de ellos se agrega 1.0 g de carbn activado (con tapn esmerilado). Estas disoluciones se agitan fuertemente por una hora y despus se filtran, desechando los primeros 10 mL de filtrado (esto es recomendable por que el cido actico puede ser adsorbido en el papel filtro).

Las disoluciones filtradas se valoran con hidrxido de sodio para determinar la concentracin de equilibrio C. A partir de la diferencia de concentraciones inicial (C0) y final (C) de cido actico en cada matraz, el volumen de disolucin empleado (0.5 mL) y la masa de carbn activado utilizada (mC) se puede calcular N, que es el nmero de moles adsorbidos por gramo de adsorbente:

Si suponemos que Nmax es la cantidad mxima de adsorbato que se puede adsorber en un gramo de carbn activado, el grado de recubrimiento resulta ser N/Nmax. En estas condiciones, la isoterma de Langmuir representada por la siguiente ecuacin.

y reordenarse como:Si el sistema sigue el comportamiento descrito por la isoterma de Langmuir, la grfica del cociente C/N como funcin de la concentracin de equilibrio C debe dar una lnea recta de pendiente 1/Nmax y ordenada al origen 1/KNmax.

Materiales, reactivos, equipos

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Carbn activado cido actico Hidrxido de sodio Fenolftalena Erlenmeyer con tapn esmerilado 18 Embudos de 125 mL 3 Soportes Papel de filtro 10 Beaker de 100 mL 2 Agitadores de vidrio 2 Buretas Pinzas para buretas 2 Esptulas 1 Vidrio de reloj 1 Termostato 6 balones de 50 mL 1 baln de 1000 mL

Procedimiento1. A partir de la solucin de cido actico 0.4M, se preparan por dilucin soluciones de cido actico (50 mL) a las siguientes concentraciones: 0.2; 0.096; 0.06; 0.032; 0.016, utilizando una bureta (midiendo exactamente 25, 12, 7.5,4 y 2 mL de cido actico 0.4M) 2. Se limpian y secan seis matraces de 125 mL provistas de su tapn correspondiente.3. Se coloca 1.0 g de carbn activado (pesado exactamente) en cinco de estos matraces.4. Al matraz que no contiene carbn, se agregan 50 mL. de cido 0.032M; este cido sirve de patrn.5. Despus de tapar bien las cinco muestras se colocan en un bao termosttico con agitacin a 35C, durante una hora6. Filtrar cada una de las muestras utilizando para ello embudos sin tallo y papel filtro Wathman. No olvide rotular las muestras.7. Utilizando 2 matraces de 125 mL. se valoran dos porciones de 15 mL (tomadas en el punto anterior) con hidrxido de sodio 0.3 M estandarizado empleando fenolftalena como indicador 2 gotas.

Preguntas1. Calcular la concentracin final de cido actico para cada muestra. El valor de la solucin patrn debe ser el mismo que la solucin inicial. Si difieren ligeramente, deber calcular las verdaderas concentraciones iniciales (concentracin corregida)2. Elaborar un cuadro que contenga las concentraciones iniciales del cido actico, la concentracin en equilibrio, la masa de carbn activado para cada sistema, N (cantidad de cido adsorbido por gramo de carbn)3. Partiendo de las concentraciones inicial corregida, a travs de la solucin patrn, y final del cido actico en 50 mL. de solucin, se calcula el nmero de moles presentes antes y despus de la adsorcin, la diferencia es el nmero de moles adsorbidos4. Determinar el valor de X (nmero de moles de cido actico adsorbido por gramos de adsorbente (carbn)) 5. Trazar una isoterma de X/N en funcin de la concentracin de equilibrio C (final) en moles por litro. Se determina N y el coeficiente de adsorcin (K)6. Suponiendo que el rea de adsorcin del cido actico es 21 A2, Se calcula el rea por gramo de carbn.

Bibliografa1. S. Glasstone, "Tratado de Qumica Fsica" cap. 14, pg. 10752. Daniels, Farrington y otros. Curso de fsico Qumica experimental. 1972. Sptima edicin, McGraw Hill. Mxico.3. Levine, Ira N. Fisicoqumica. Volumen 1. 1996. Cuarta edicin. McGraw-Hill. Madrid. Espaa.4. Maron, Samuel y Prutton, Carl. Fundamentos de Fsico Qumica. 1973. Editorial Limusa-willey. Mxico.5. Atkins, P. W. Physical Chemistry. 1998. Sexta edition. Oxford University Press

EXPERIMENTO 4CINTICA QUMICAObjetivoVerificar el orden de la reaccin de saponificacin del acetato de etilo en medio alcalino y hallar su velocidad especifica.

TeoraPara una reaccin qumica, el conocimiento de la velocidad de reaccin, es decir, de la variacin de la concentracin de un reactivo en funcin del tiempo, es de gran inters prctico pues permite calcular las condiciones bajo las cuales la reaccin evoluciona rpidamente para producir una elevada cantidad de producto til, y el tiempo necesario para alcanzar un determinado rendimiento.Se denomina reaccin elemental la que se efecta en un solo paso. La relacin entre la velocidad de reaccin y la concentracin de los diferentes reactivos y productos aporta informacin til para deducir las reacciones elementales que suceden a nivel molecular, as como la secuencia de dichas reacciones llamada mecanismo de reaccin.La cintica qumica estudia y postula mecanismos de reaccin basndose en valores experimentales de concentracin de reactivos y/o productos, tiempo, temperatura, concentracin de catalizador, de electrolitos, etc.La velocidad de una reaccin qumica se considera siempre como una cantidad positiva. Dada la reaccin:aA + bB cC + dD (1)

la velocidad v se define, a temperatura constante, como la variacin de la concentracin de cualquiera de las sustancias participantes en funcin del tiempo:

=

Siendo CA, CB, CC, CD las concentraciones molares de las sustancias respectivas y A, B, C y D los coeficientes estequiomtricos de la reaccin. La velocidad de reaccin es funcin de las concentraciones de los reactivos y productos y puede expresarse segn la siguiente ecuacin:

Siendo k la constante de velocidad de reaccin y , , y los rdenes de reaccin de A, B, C y D respectivamente.El orden general de la reaccin (n) es la suma de los rdenes parciales de cada reactivo: n = ( + ) 0 ( + )La ecuacin de velocidad de reaccin se puede determinar nicamente con medidas experimentales y no puede deducirse de la molecularidad de la ecuacin qumica.A continuacin recordaremos algunos aspectos tericos relacionados a la cintica qumica de segundo orden, debido a que la saponificacin de un ster en solucin alcalina es un ejemplo de este tipo.

Reacciones de segundo orden:Una reaccin es de segundo orden si la velocidad es proporcional al cuadrado de la concentracin de uno de los reactivos o al producto de las concentraciones de dos especies reactivas.

ecuacin que se convierte a:

Si la grfica obtenida al representar los valores experimentales de 1/CA Vr t es una recta, la reaccin es de segundo orden, siendo la pendiente de la recta la constante de velocidad y sus unidades son (concentracin)-1 tiempo -1.El tiempo de vida media est dado por:

t = Algunos ejemplos de reacciones de segundo orden son:

1. Saponificacin de un ster en solucin alcalina2. Descomposicin trmica del acetaldehdo gaseoso3. Formacin del cido yodhdrico a partir de sus elementos en fase gaseosa

Parte experimentalSe utilizarn concentraciones iguales de reactivos, de manera de simplificar el tratamiento de los datos. Se emplea para seguir la reaccin un mtodo qumico: se mezclan soluciones de acetato de etilo y de hidrxido de sodio de concentraciones iguales. A tiempos determinados se extraen alcuotas del sistema y se determina la concentracin del hidrxido. Las muestras se vierten sobre un exceso de cido para interrumpir la reaccin y se halla la concentracin del lcali, titulando por retorno el exceso de cido.

Materiales, reactivos, equipos 2 baln volumtrico de 100 mL 1 baln volumtrico de 200 mL 10 erlenmeyer de 125 mL 1 erlenmeyer de 500 mL con tapn esmerilado 2 buretas de 50 mL 8 pipetas volumtricas de 10 mL 2 soportes y 2 pinzas para buretas 2 esptulas 2 vidrio de reloj pequeos 1 beaker de 1000 mL 2 agitadores de vidrio 4 beaker de 100 mL papel toalla acetato de etilo hidrxido de sodio ftalato cido de potasio solucin de fenolftalena cido clorhdrico 1 hot plate balanza analtica un cronmetro

Preparacin de soluciones:

1. Preparar 100 mL de acetato de etilo 0.1 N2. Preparar 250 mL de hidrxido de sodio 0.1 N estandarizado3. Preparar 250 mL de hidrxido de sodio 0.05 N a partir de la solucin de hidrxido de sodio 0.1 N ya estandarizada4. Preparar 100 mL de HCl 0.1N

Nota: El material de vidrio debe estar completamente limpio y seco

Procedimiento1. Se preparan 7 erlenmeyer con 7 ml de HCl 0.1 N (medidos con una bureta)2. En un erlenmeyer de 500 mL con tapn esmerilado se vierten los 100 mL de acetato de etilo 0.1 N y luego se agregan 100 mL de NaOH 0.1 N se agita de forma continua y constante con un agitador magntico y se tapa;desde este momento inicia el control del tiempo con un cronometro3. A determinados tiempos se extraen con una pipeta volumtrica, alcuotas de 10 mL de la mezcla reaccionante (acetato de etilo - hidrxido de sodio) e inmediatamente se vierte en el erlenmeyer que contiene HCl 0.1N, enumerado de acuerdo al tiempo de control, agitando vigorosamente la mezcla. El erlenmeyer que contiene la mezcla reaccionante se destapa nicamente cuando se toman las alcuotas.4. Titular la solucin obtenida en el numeral (3) con hidrxido de sodio 0.05 N, utilizando como indicador fenolftaleina5. Los tiempos de control pueden ser: 3, 6, 10, 14, 20, 25 y 35 minutos

Preguntas1. Elaborar la grfica correspondiente a los resultados obtenidos2. Encontrar K especfica de velocidad y el tiempo de vida media para la reaccin3. Presentar las respectivas observaciones y conclusiones

Bibliografa1. S. Glasstone, "Tratado de Qumica Fsica" cap. 14, pag. 10752. Daniels, Farrington y otros. Curso de fsico Qumica experimental. 1972. Sptima edicin, McGraw Hill. Mxico.3. Levine, Ira N. Fisicoqumica. Volumen 2. 1996. Cuarta edicin. McGraw-Hill. Madrid. Espaa.

EXPERIMENTO 5VISCOSIDAD DE LOS LQUIDOSObjetivo

Determinar las viscosidades de los lquidos utilizando el viscosmetro de OstwaldFundamento tericoSe dice que el flujo de un fluido es laminar si los puntos fijos del fluido se mueven fcilmente en capas, una capa (lmina) deslizndose en relacin con otra. Los efectos viscosos se manifiestan si uno hace que un elemento del fluido cambie su forma a medida que se mueve. El coeficiente de viscosidad est definido por la ecuacin:

(1)Donde fx es la fuerza de ruptura, por unidad de rea ejercida en la direccin de flujo, sobre el de fluido entre dos planos. La ecuacin (1) expresa simplemente la proporcionalidad entre el gradiante de velocidad y la fuerza de ruptura que lo produce. El coeficiente depende de la temperatura, la presin y la composicin. Se dice que un fluido es un fluido newtoniano si en el flujo laminar es una constante independiente del gradiente de velocidad. La unidad cgs para la viscosidad (gramos por centmetro por segundo) se llama poise.

Viscosmetro de ostwaldEl mtodo ms sencillo para medir viscosidades es mediante un viscosmetro de Ostwald vase Figura 1. En este tipo de viscosmetros, se determina la viscosidad de un lquido midiendo el tiempo de flujo de un volumen dado V del lquido en un tubo capilar bajo la influencia de la gravedad. Para un fluido virtualmente incompresible, como un lquido, este flujo est gobernado por la ley de Poiseuille de la forma:

Mtodo de flujo capilarUn mtodo muy satisfactorio para determinar consiste en medir la velocidad del flujo del fluido a travs de un tubo cilndrico largo, de seccin trasversal circular. La ecuacin requerida se obtiene aplicando la ecuacin (1) Para que el problema sea ms manejable, se introducen ciertas suposiciones que lo simplifican:

Se supone que el fluido es newtoniano, un fluido incompresible Se supone que el flujo es laminar, con lneas de flujo paralelas a las paredes. De aqu que las lminas consistan de cilindros concntricos, coaxiales con el tubo. Se supone que la capa contigua a la pared se adhiere a la pared, por lo que la velocidad es cero. Se supone que el flujo es constante, en el sentido de que la velocidad del fluido en cualquier punto fijo del tubo es constante en el tiempo.

La presin impulsora P entre los puntos a y b a lo largo de la lnea de la corriente est definida por: P = pa-pb + g(ha-hb) (2)Donde:pa-pb = valores de presin externaha-hb = alturas arriba de algn nivel de referencia = densidad del flujog = aceleracin de la gravedad

El trmino g que es positivo cuando el flujo viene de a hacia b, representa la fuerza mecnica total por unidad de seccin trasversal que acta para mantener una velocidad constante de flujo. En el caso de un estado de flujo constante a travs de un tubo cilndrico largo, el fluido no est acelerado y la presin impulsora P puede atribuirse enteramente al trabajo de ruptura que se efectuar sobre el fluido viscoso para mantener una velocidad constante de flujo. As, la fuerza de ruptura que opera sobre una capa de fluido entre dos cilindros concntricos de radios s y s + ds, respectivamente, es s2P. La fuerza en la direccin de flujo ejerce sobre la superficie interna de esta capa, el rea de la cual es 2sl siendo l la longitud del tubo. Partiendo de la ecuacin (1), con

dz = -ds. (3)donde v es la velocidad del fluido en la capa de radio s. Se considera que la velocidad es positiva en la direccin del flujo. Separando las variables s y v e integrando desde la pared (s = r, v = 0) hasta un radio arbitrario, se obtiene:

dando v en el radio s. As, el perfil de la velocidad es parablico. El volumen del fluido, que fluye por cualquier seccin trasversal por segundo (dV/dt), se encuentra por integracin sobre la seccin trasversal:

(6)Estipulando que P es constante en el tiempo, el volumen total V que fluye por una seccin trasversal en el tiempo t es:

(7)Esta se conoce como la ecuacin de Hagen-Poiseuille.

En el viscosmetro de Ostwald (figura 1), el lquido fluye a travs de un tubo capilar vertical, desde un depsito de volumen fijo y bien definido en la parte superior, hacia un segundo depsito en el extremo inferior. La fuerza impulsora P expresada por la ecuacin (2) con diferencias tomadas entre las superficies del depsito, es gh, donde h es la diferencia en altura de los dos depsitos, ya que la presin externa es la misma en la superficie de ambos. As, despejando , en la ecuacin (7), se tiene:

(8)Para evitar las complicaciones implcitas en la medicin exacta y directa de las diversas dimensiones del aparato que aparece en la ecuacin (8), as como el problema adicional de una pequea variacin de h durante cada corrida, es comn suponer que se cumple la ecuacin: = At (9)

Donde A es una constante para un viscosmetro dado. Ya que l es la longitud capilar, la ecuacin (8) desprecia las cadas de fuerza impulsora en los depsitos. Para un trabajo preciso es necesario considerar la cada de presin gastada al acelerar el fluido en la entrada al tubo capilar [ver ecuacin (13)]La suposicin de que el flujo es laminar puede verificarse mediante el clculo del nmero de Reynolds , el cual est definido en general por

(10) v = velocidad de flujoDonde a = dimensin caracterstica del sistema de flujo: Para el caso de flujo capilar, v puede estimarse como la velocidad media del fluido en el tubo.

(11)y a como su dimetro. Con seguridad puede presumirse de que el flujo es laminar para R< 2000; la aparicin de la turbulencia ocurre ordinariamente dentro del intervalo de 2000 a 10.000En tanto que el flujo sea laminar, las diversas suposiciones empleadas para obtener la ecuacin (8) se cumplen bastante bien en el interior del tubo capilar, pero no en los extremos.La ecuacin para incluyendo la correccin de energa cintica:

(12)Aplicndola al viscosmetro de ostwald se convierte en:

= At B (13)

donde: (14)

y (15)La constante B del aparato puede estimarse razonablemente buena a partir de las dimensiones del viscosmetro o bien se determina empricamente, junto con A, arrancado de los tiempos medidos para el flujo y las densidades para dos o ms lquidos de viscosidad conocida con exactitud.El mtodo del flujo laminar se le ha hallado til, con la seleccin apropiada de dimensiones capilares para fluidos de viscosidad de hasta 100 poises.

Procedimiento En la figura 1 se muestra el viscosmetro de Ostwald. Ya que el vidrio se rompe fcilmente, debe tenerse cuidado al apretar las pinzas.El procedimiento se basa en el uso de la ecuacin (13) El valor de la constante B se calcula a partir de la ecuacin (14) Es posible obtener un valor de V suficientemente exacto para evaluar B si se llena el depsito con una jeringa hipodrmica. La longitud l podra medirse directamente, con una escala de acero. Entonces se determina la constante A por medio de la medicin del tiempo de flujo con agua.Despus que se ha limpiado completamente el viscosmetro con solucin sulfocrmica, se lava totalmente, haciendo pasar agua y luego acetona; finalmente se seca, aspirando aire limpio a travs de l. No se utiliza aire comprimido porque las partculas o trazas de aceite que arrastre pueden causar errores serios. El viscosmetro se fija verticalmente con pinzas en el termostato y se aade, con una pipeta, una cantidad especificada de muestra. El volumen de la muestra usada deber ser tal que la superficie lquida del depsito inferior se halle en la parte ms ancha, para que durante una corrida sea mnimo el cambio de h. Se usa el mismo volumen de muestra para todas las muestras.Al tubo ms pequeo se le conecta un tubo de hule sin polvo y, mediante un bulbo de hule para succin, se hace pasar el lquido al tubo ms grande por arriba de la seal superior. Entonces se deja que el lquido fluya a travs del capilar. El cronmetro elctrico se pone en operacin cuando el menisco pasa la marca superior y se detiene cuando cruza la inferior. Si varias determinaciones de verificacin del tiempo de flujo no concuerdan muy de cerca, el tubo deber limpiarse nuevamente.Despus de que se han concluido las estimaciones con agua, se miden los tiempos de flujo para una serie de lquidos.Utilizacin del viscosmetro de Ostwald:1. Primeramente se realizan medidas con agua, y luego se procede a la realizacin de medidas con las muestras problema como: alcohol etlico, tensoactivo (shampoo)2. Determine la densidad de las muestras problema3. Llenar el viscosmetro limpio y seco con del lquido problema utilizando la misma cantidad de volumen4. Succionar lquido por encima de la marca superior del viscosmetro y medir a continuacin el tiempo de paso del mismo entre las marcas superior e inferior. Hacer para cada lquido hasta 5 medidas independientes.5. Cuando se termine la serie de medidas con un lquido limpiar el viscosmetro primero con agua abundante, despus con acetona y por ltimo secar con aire peridicamente es conveniente limpiar con mezcla sulfocrmica.

Cuestionario1. Cul es el valor de las constantes Ay B del viscosmetro de Ostwald?, a partir de los valores medidos para V, l y el tiempo del flujo del agua.2. A partir de los tiempos de flujo de las diferentes muestras problema determine

Materiales, reactivos y equipos Acetona Alcohol etlico Tesoactivo (shampoo) 3 beaker de 100 mL agitador de vidrio 3 probetas de 10 mL 1 probeta de 50 mL Picnmetro Soporte Pinza para buretas Perilla Jeringa de 3 mL Balanza analtica

Bibliografa1. Daniels, Farrington y otros. Curso de fsico Qumica experimental. 1972. Sptima edicin, McGraw Hill. Mxico.2. Levine, Ira N. Fisicoqumica. Volumen 1. 1996. Cuarta edicin. McGraw-Hill. Madrid. Espaa.

EXPERIMENTO 6COEFICIENTE DE DISTRIBUCINObjetivoEstudiar el equilibrio de distribucin de un soluto entre dos solventes inmiscibles

TeoraEn un sistema de dos lquidos inmiscibles una sustancia disuelta se distribuye entre os dos lquidos de acuerdo con un equilibrio definido llamado coeficiente de distribucin (K)

Si un soluto existe asociado en una fase a y disociado en una fase B:

El sistema estar en equilibrio cuando los potenciales qumicos de A en a y b sean iguales:a = n b(1)Como:

a = + RT ln a Ca(2)

(3)

Donde: Representa el potencial qumico estndar, = coeficiente de actividad C = la concentracin.Sustituyendo (2) en (1) se tiene:

(6)

A temperatura constante si

(7)Esta relacin se aplica cuando el soluto est completamente asociado o disociado, cuando la asociacin o disociacin es parcial, hay que aplicar una derivacin ms rigurosaExtraccinEl concepto de distribucin es de importancia en purificacin de sustancias por extraccin.Es posible derivar una formula general que demuestra la eficiencia en extracciones. Supongamos que W es el peso en gramos de soluto contenidos en el solvente (fase a) y se extraen con porciones de volumen de otro solvente inmiscible (fase b). Si W1 es el peso de soluto remanente en la fase (a) despus de la primera extraccin, la concentracin en gramos/mL ser W1/V en la fase (a) y (W W1)/L en la fase (b), el coeficiente de distribucin esta dado por la ecuacin 3:

(8)

(9)Si W2 es la concentracin remanente en la fase (a) despus de la segunda extraccin:

W2 = W1(10)

= W

Despus de n extracciones, el peso de soluto remanente Wn ser:

Wn = W (11)La ecuacin (11) demuestra que es ms eficiente usar un volumen L de lquido n veces que un volumen una vez.

Procedimiento El agua libre de CO2 se prepara hirviendo vigorosamente durante 10 minutos agua destilada contenida en un matraza volumtrico de 1.00 litro. se deja enfriar sin acceso de aire.Se colocan 25 mL de agua libre de CO2 y 25 mL de benceno en cada uno de los embudos de separacin. Estos se numeran y se les agrega 1.1, 1.5 y 1.9 g de cido benzoico a cada uno.Se cierran con su tapn esmerilado y se agitan durante 15 minutos. Estos se cogen por el cuello y su tallo de tal forma que la mezcla no se caliente con las manos. Despus de agitar unos minutos, conviene invertir el embudo y abrir su llave de vez en cuando para que no aumente la presin interna y evitar que la mezcla se derrame.Los embudos se ponen en los anillos y se deja que la mezcla se separe en dos capas perfectamente claras.Se toman 2 mL de la capa orgnica del embudo No 1, se ponen en un erlenmeyer de 125 mL junto con 25 mL de agua libre de CO2 y una gota de fenolftaleina. El matraz se coge con pinzas. La mezcla se hierve en un hot plate y titula con hidrxido de sodio 0.025 M.

Se repite la misma operacin con los embudos No.2 y No3, se vaca la parte acuosa en tres erlenmeyers numerados. Se toman muestras de 5 mL y se analizan como se indica arriba.Todos los anlisis se hacen por duplicado.

Clculos 1. Hacer una tabla de los resultados, incluyendo tres columnas con los coeficientes Ca/Cb, donde Ca representa al cido benzoico en agua y Cb al cido benzoico en benceno.2. Graficar log Cb vs. Log Ca y de la pendiente calcular n en 3. Explique los resultados

Material, reactivos y equipo

1 bureta de 50 mL1 frasco de polietileno de 1000 mL1 frasco volumtrico de 500 mL3 ampollas de separacin con tapn esmerilado de 125 mL6 Erlenmeyer de 250 mL1 pinza para bureta3 pipeta volumtrica de 2 mL3 pipeta volumtrica de 5 mL2 pipetas volumtricas de 25 mL1 probeta de 25 mL4 soportes2 beaker de 100 mL2 beaker de 250 mL2 beaker de 50 mL1 beaker de 1000 mL2 vidrios de reloj pequeos3 aros metlicos (de tamao adecuado para sostener los embudos de separacin)3 pinzas de extensin 1 hot platecido benzoicoAgua destilada (libre de CO2)BencenoHidrxido de sodio 0.025M (libre de CO2)Solucin de Fenolftaleina al 1%

Bibliografa1. Urquiza, M. Experimentos de Fisicoqumica, Limusa-Wiley, 1969. Mxico2. Crockford, Horace D; Novell John W; et al. Laboratory Manual Of Physical Chemistry. 2 edicin. John Willey and sons. 1975. New York.3. Levine, Ira N. Fisicoqumica. Volumen 1. 1996. Cuarta edicin. McGraw-Hill. Madrid. Espaa.

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