Reporte de LaboratorioVolúmenes molares parciales en mezclas binarias

Fecha: 21 Octubre 2015Katia Alvarado Hernández

Stephanie Gómez YeeDzinmen Zhen Liang

Laboratorio de FisicoquímicaUniversidad Internacional de las Américas

ResumenEn el experimento se trató de determinar, utilizando el método directo analítico, los volúmenes molares parciales de una mezcla binaria, el cual estaba compuesta por etanol de 95 % y agua. Mediante el uso del picnómetro, se determinó la composición porcentual en peso de la mezcla binaria, dando como resultado para el etanol y el agua, 0,79 g/mL y 1 g/mL respectivamente. También se utilizó balones aforados de 10 mL con diferentes volúmenes de etanol y luego se les aforó con agua destilada. Durante el proceso de preparación de todas las mezclas, se procedió a hacer los cálculos en una hoja de Excel: la masa del etanol (antes y después de aforar con agua), la densidad absoluta de las soluciones, la masa del agua y molalidad del etanol en cada balón. Se graficó el volumen de la solución por cada 1000 g de agua versus la concentración de etanol y mediante Excel se le aplicó una regresión lineal polinómica de orden 2 para calcular su primera derivada. También se graficó el volumen molar parcial del disolvente versus fracción molar de soluto.

Introducción

En una mezcla binaria, al aumentar la magnitud molar parcial de uno de sus componentes, debe disminuir la del otro. Además, es necesario y conveniente a veces cambiar las variables extensivas a intensivas. (Atkins, 2007)

Etanol y agua son perfectamente miscibles entre sí. Sin embargo al mezclar estas sustancias no se observa que los hagan en forma aditiva debido a que el volumen molar de una sustancia pura depende de la naturaleza de las moléculas que rodean a la misma. Cuando el etano es igua a 1 el volumen molar aparente de agua es de 14 mL/mol y no 18 mL/mol, y los 14 mL/mol es el volumen. (Borsarelli, 2002).

Los volúmenes molares parciales expresa el aumento que experimenta el volumen del sistema en la adición, a presión y temperatura constantes de un mol de sustancia a una cantidad tan grande de aquel que no produce cambio apreciable en la concentración. (Smith, 1997)

Una forma para determinar volúmenes molares parciales en mezclas binarias es el método analítico, el cual indica que si los datos se pueden expresar en la forma funcional, se puede obtener por diferenciación parcial. (Chang, 2005) Y el volumen total de una mezcla binaria, V, se puede expresar como una suma de los

productos volumen molar por moles parcial del disolvente y del soluto como lo muestra la siguiente ecuación:

Por otro lado, se sabe que la molalidad de un soluto en una mezcla se define como los moles de soluto por kilogramo de disolvente. Por tal razón, se puede expresar el volumen total de la mezcla binaria como una función de la concentración molal (m) del soluto, aproximándolo mediante la ayuda de una hoja de cálculo de Excel, a un polinomio. (Manual, 2015)

Donde a, b y c son constantes y corresponden a los coeficientes numéricos de un polinomio de orden dos. Asumido que la cantidad de disolvente es constante correspondiente a 1 kg, entonces n2 debe ser igual a la molalidad. (Manual, 2015)

MetodologíaSe realizó la práctica de la semana 6, el cual era la determinación de “Volúmenes molares parciales en mezclas binarias” mediante el método directo analítico.

Se usó una hoja de Excel para hacer los cálculos. No hubo modificaciones en la práctica.

Resultados

Cuadro 1. Masa de etanol corregida, de agua y densidad de la disolución

EtanolmL

masa etanol puro g masa de agua g

densidad disolución

g/mL0 0 9,9686 0,99691 1,2396 9,0710 1,03112 1,5426 8,1685 0,97113 2,4067 7,0773 0,94844 3,5518 6,3829 0,99355 3,8022 5,4959 0,92986 4,6239 4,3933 0,90177 5,3889 4,4279 0,98178 6,6096 2,4191 0,90299 6,8988 1,4580 0,8357

Cuadro 2. Volúmenes molares parciales de etanol y agua

EtanolmL

Molalidad etanol mol/Kg

V etanol mL

VAgua mL

V disolución

mL0 0,0 -7,35x102 1,17x105 1,16x105

1 3,0 -7,06x101 6,18x104 6,17x104

2 4,1 1,83x102 1,20x104 1,22x104

3 7,4 9,18x102 -2,22x105 -2,21x105

4 12,1 1,97x103 -7,91x105 -7,89x105

5 15,0 2,63x103 -1,29x106 -1,28x106

6 22,8 4,38x103 -3,13x106 -3,12x106

7 26,4 5,18x103 -4,22x106 -4,22x106

8 59,3 1,25x104 -2,18x107 -2,17x107

9 102,7 2,23x104 -6,55x107 -6,55x107

Cuadro 3. Ecuación con regresión polinómica de orden 2, y su derivada

Regresión polinómica de orden 2y = 111,93x2-734,67x+2097

Derivaday’=223.86x-734.67

Discusión

Para el pesaje del balón de 10mL, se debe estar muy seguro que los balones se encuentren perfectamente lavados y secos. En nuestro caso no se utilizó estufa, sino acetona, para lograr secarlos. Se pesan junto con la tapa respectiva en la balanza analítica, evitando

manipulación excesiva para no llenarlos de grasa de las manos, utilizar la misma balanza y que esta se encuentre limpia. Seguidamente se les agrega el etanol desde 1 hasta 9mL individualmente, se pesan nuevamente y se determina el porcentaje de peso. Luego se le agrega a cada uno de 9 hasta 1mL respectivamente de agua, se pesa.

Se utiliza un picnómetro para determinar las densidades de distintas sustancias. Este se debe utilizar con suma precisión, para evitar derrames y evitar su manipulación para no embarrar de grasa ya que haría diera un resultado mayor o que al estar en contacto con el calor de la mano el líquido se expanda y perdamos muestra.

Conclusiones

La densidad (ρ) de una sustancia es una propiedad intensiva de la materia, porque no depende de su masa.

Se recomienda el uso de una estufa para trabajar con materiales secos, pero si no se puede utilizar acetona para tener el mismo resultado.

Es de suma importancia evitar que el líquido salga a la parte exterior del picnómetro hasta pesarla en la balanza analítica, que se producirían errores de pesaje.

Los volúmenes de diferentes sustancias no son aditivos.

Bibliografía

Atkins, P. (2007) Química Física. 8va edición. México. Editorial Panamericana. Pág.: 140 a 141.

Borsarelli, C. (2002) Fisicoquímica I, mezclas simples. Recuperado el 20 de Octubre de 2015, de http://faa.unse.edu.ar/apuntes/fcoqca/Un4BFQ1.pdf

Chang R; Collage, W. (2005) Química. 6ta edición. México. Mc Grawhill. Pág.: 511-533

Manual de laboratorio de fisicofarmacia (2015), Universidad Internacional de las Américas, recopilado por la Dra. Lexi Chávez, practica número 5.

Smith, J. (1997) Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. 5° Edición. México. McGraw Hill. Pág. 363-365.

Anexos

Cuadro 4. Datos obtenidos con el picnómetrodensidad etanol 0,79densidad agua 1,00picnómetro vacío 23,3577Picnómetro + agua 48,5123picnómetro +etanol 43,5261Volumen del picnómetro 25,1546Densidad etanol 0,8018Porcentaje de alcohol 95,07MM etanol 46,069

Cuadro 5. Masa pesada de etanolMuestra

mLmasa balón

vacío gmasa balón +

etanol g masa etanol g

0 14,9755 0 01 14,3777 15,6816 1,30392 15,0895 16,7121 1,62263 14,7093 17,2408 2,53154 14,4736 18,2096 3,7365 14,97 18,9694 3,99946 15,0823 19,946 4,86377 15,0831 20,7514 5,66838 14,4047 21,3571 6,95249 14,7314 21,988 7,2566

Cuadro 6. Masa pesada de etanol + agua

Muestra mL

masa balón + etanol g

masa balón + etanol + agua

gmasa de agua g

0 14,9755 24,9441 9,96861 14,3777 24,6883 10,31062 15,0895 24,8006 9,71113 14,7093 24,1933 9,4844 14,4736 24,4083 9,93475 14,97 24,2681 9,29816 15,0823 24,0995 9,01727 15,0831 24,8999 9,81688 14,4047 23,4334 9,02879 14,7314 23,0882 8,3568

Cuadro 7. Masa de etanol corregida, de agua y densidad de la disolución

Muestra mL masa etanol puro g

masa de agua g

densidad disolución

g/mL0 0 9,9686 0,99691 1,2396 9,0710 1,03112 1,5426 8,1685 0,97113 2,4067 7,0773 0,94844 3,5518 6,3829 0,99355 3,8022 5,4959 0,92986 4,6239 4,3933 0,90177 5,3889 4,4279 0,98178 6,6096 2,4191 0,90299 6,8988 1,4580 0,8357

Cuadro 8. Molalidad de etanol

Muestra mL mol etanol agua en Kg Molalidad de

etanol

Fracción molar de

etanol0 0 0,0100 0,0 0,001 0,0269 0,0091 3,0 0,052 0,0335 0,0082 4,1 0,073 0,0522 0,0071 7,4 0,124 0,0771 0,0064 12,1 0,185 0,0825 0,0055 15,0 0,216 0,1004 0,0044 22,8 0,297 0,1170 0,0044 26,4 0,328 0,1435 0,0024 59,3 0,529 0,1498 0,0015 102,7 0,65

Cuadro 9. Masa y volumen de etanol por kilogramo de agua

Muestra mL Masa de etanol por Kg de agua g/Kg

Volumen de etanol por cada Kg agua

mL/Kg0 1000,00 1003,151 1136,66 1102,422 1188,85 1224,223 1340,06 1412,974 1556,46 1566,695 1691,83 1819,556 2052,50 2276,207 2217,01 2258,388 3732,33 4133,859 5731,88 6858,94

0.0 3.0 4.1 7.412.1

15.022.8

26.459.3

102.70.00

1000.00

2000.00

3000.00

4000.00

5000.00

6000.00

7000.00

8000.00

molalidad de etanol mol/Kg

volu

men

por

100

0g d

e ag

ua m

L/Kg

Figura 1. Volumen de disolución por cada 1000 gramos de agua versus la concentración molal de etanol calculado en el laboratorio de fisicoquímica para farmacia I, Universidad Internacional de las Américas, San José, Costa Rica. III Cuatrimestre 2015

0.0 3.0 4.1 7.4 12.1 15.0 22.8 26.4 59.3 102.70

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

f(x) = 111.9319335136 x² − 734.6720429549 x + 2096.953429771

molalidad de etanol mol/Kg

volu

men

por

100

0g d

e ag

ua m

L/Kg

Figura 2. Volumen de disolución por cada 1000 gramos de agua versus la concentración molal de etanol calculado en el laboratorio de fisicoquímica para farmacia I, Universidad Internacional de las Américas, San José, Costa Rica. III Cuatrimestre 2015

0.00 0.05 0.07 0.12 0.18 0.21 0.29 0.32 0.52 0.65

-5.00E+03.

0.00E+00.

5.00E+03.

1.00E+04.

1.50E+04.

2.00E+04.

2.50E+04.

Fracción molar del Etanol

Vol

umen

par

cial

mol

ar d

el e

tano

l

Figura 3. Volumen molar parcial de soluto vs fracción molar de soluto calculado en el laboratorio de fisicoquímica para farmacia I, Universidad Internacional de las Américas, San José, Costa Rica. III Cuatrimestre 2015

0.00 0.05 0.07 0.12 0.18 0.21 0.29 0.32 0.52 0.65

-7.00E+07.

-6.00E+07.

-5.00E+07.

-4.00E+07.

-3.00E+07.

-2.00E+07.

-1.00E+07.

0.00E+00.

1.00E+07.

Fracción molar del Etanol

Vol

umen

mol

ar p

arci

al d

el A

gua

Figura 4. Volumen molar parcial de agua vs fracción molar de soluto calculado en el laboratorio de fisicoquímica para farmacia I, Universidad Internacional de las Américas, San José, Costa Rica. III Cuatrimestre 2015