PROPIEDADES FÍSICAS DE SUSTANCIAS ORGÁNICAS · Glucosa Aceite de cocina Hexano Ácido benzoico...

Química Orgánica: Prácticas de Laboratorio – El Legado de Newton

Luis Eduardo Hernández – 1ª Edición

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PROPIEDADES FÍSICAS DE SUSTANCIAS ORGÁNICAS

OBJETIVOS

Comparar el comportamiento al calor de sustancias alifát icas, aromáticas y

iónicas.

Comparar la solubilidad de sustancias polares, no polares e iónicas en

diferentes solventes.

Medir el punto de fusión y punto de ebullición de dos sustancias orgánicas y

comparar el resultado con los datos reportados en la literatura.

EQUIPO

Beakers 100 mL y

250 mL

Termómetro de

mercurio

Gotero Espátula

acanalada

Tubos de ensayo

pequeños

Ligas de hule

pequeñas

Tubos capilares Probeta de 100

mL

Mechero bunsen Erlenmeyer 125 mL

y 250 mL

Tubo de Thiele Bomba de vacío

Condensador Balón de tres

bocas

Mangueras Tapón para balón

Trampa para

vacío

Bomba

recirculadora de

agua

Llave de vacío

esmerilada



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REACTIVOS

Cloruro de sodio Ácido oxálico Etanol Hierro en polvo o

virutas

Cloruro de hierro

(I II)

Glicerina Agua Ácido clorhídrico

1,0 mol/L

Glucosa Aceite de cocina Hexano Ácido benzoico

Naftaleno Bicarbonato de

sodio

Hidróxido de

sodio 1,0 mol/L

MARCO TEÓRICO

Así como las característ icas físicas de una persona nos ayuda a identificarlas: color de

ojos, estatura, color de piel, olor del perfume, etc. Así también ciertas característ icas

de las sustancias químicas nos sirven para identificarlas. No es que podamos decir

qué color de ojos t iene el ácido benzoico o cual es la estatura del tolueno pero si

podemos citar su olor (no huelan directamente cosas en el laboratorio), su color, su

viscosidad aparente (si es tan viscoso como el agua o en cambio si es tan viscoso

como la miel). Dado que los sent idos nos son limitados para poder identificar una

sustancia química recurrimos a otras propiedades físicas de las mismas para poder

identificarlas con mayor efectividad cuando están puras, dentro de estas

característ icas podemos citar algunas:

Caract eríst icas Tradicionales

Punto de fusión

Punto de ebullición

Solubilidad en agua

Densidad



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Coeficiente de part ición agua-octanol

Índice de refracción

Patrón de difracción de rayos X (caso de sólidos cristalinos)

Espectro infrarrojo

Espectro de resonancia magnética nuclear

Espectro ult ravioleta

Rotación de luz polarizada

Estas característ icas físicas son propiedades intrínsecas de las sustancias y se pueden

considerar como una expresión macroscópica de algo que t iene sus raíces en el

campo atómico y molecular: la estructura de las sustancias. La estructura de una

sustancia define sus constantes físicas. Conociendo la estructura podemos predecir

tendencias en las característ icas físicas de una sustancia como su punto de ebullición

o su solubilidad y hasta su reactividad. La estructura de una sustancia define el

comportamiento de las fuerzas int ermoleculares de dicha sustancia y con ellas

podemos predecir ciertos comportamientos físicos como el punto de ebullición, punto

de fusión y solubilidad. Claro, si, también trabaja en el sent ido inverso: conociendo

algunas característ icas físicas (o constantes físicas como se les llama también)

podemos inferir algo respecto a la estructura de la sustancia.

Las sustancias se podrían clasificar en dos t ipos en función del t ipo de enlaces que

intervienen en las mismas: sustancias covalentes y sustancias iónicas. Cada t ipo de

enlace t iene diferentes característ icas y diferente fuerza para mantener los átomos

enlazados en el interior de la sustancia. Las sustancias orgánicas en su inmensa

mayoría se clasifican dentro de las sustancias covalentes, ya que están formadas por

solo elementos no metálicos, como lo son el carbono, hidrógeno, oxígeno y nit rógeno

entre otros, mientras que los compuestos iónicos están formados por la unión de

metales y no metales.



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Ejemplo de t ipos de enlace covalente y enlace iónico

Cada t ipo de enlace entre átomos dentro de una sustancia t iene una fuerza

asociada a ese enlace. Los enlaces iónicos suelen ser muy fuertes debido a la

atracción electrostát ica entre los iones. Los enlaces covalentes no se quedan atrás en

fuerza, requieren de bastante energía para separarlos pero su fuerza radica en

términos mecánico-cuánticos: los electrones están habitando orbitales compart idos

que cumplen con la regla de llenar la capa de valencia, esto confiere mucha

estabilidad lo cual hace que se requiera energía para romper los enlaces. Dentro de

los enlaces covalentes existen los enlaces covalentes polares y los no polares. Los

covalentes polares son enlaces que presentan un dipolo permanente a lo largo del

eje del enlace de los átomos involucrados en el enlace. Los enlaces covalentes no

polares, no t ienen este dipolo. Estas característ icas en los enlaces influencian la forma

en que las moléculas interactúan unas con otras. Si una molécula t iene un dipolo

permanente, el extremo posit ivo del dipolo de una molécula puede interactuar con

el extremo negativo del dipolo de otra molécula. Entre más intenso el dipolo más

intensa la interacción entre las moléculas, por esta razón a estos efectos se les

denominan: fuerzas intermoleculares (fuerzas entre moléculas).

Puntos de Fusión

No, fusión en este concepto no es fusionar dos núcleos atómicos y obtener una

increíble cantidad de energía. Para efectos químicos, el punto de fusión es la

O O H Cl Na+

Cl-

Dipolo hacia el cloro

Enlace covalente

no polarEnlace covalente polar.

Dipolo permanenteEnlace iónico



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temperatura a la cual una sustancia cambia de fase sólida a fase líquida . Las

sustancias iónicas t ienen puntos de fusión muy altos, una gran parte de ellos son

solubles en agua pero insolubles en solventes orgánicos y muchos de ellos t ienen

colores variados. Por otro lado, las sustancias orgánicas t ienen puntos de fusión bajos,

siendo muchos de ellos son sólidos con bajos puntos de fusión, líquidos o gases a

temperatura ambiente.

El punto de fusión de una sustancia orgánica puede ser usado para determinar la

identidad de la misma y también para determinar su pureza y es aquí donde nos

ponemos fisicoquímicos. Lo sé, esta es la parte divert ida.

Supongamos que tenemos 2 sustancias A y B. Cuando cualquiera de estas sustancias

está pura, el punto de fusión es el reportado para dicha sustancia y es un valor muy

definido o bien un rango muy estrecho. Cuando la sustancia A t iene alguna

contaminación de otra sustancia, en este caso, una sustancia B, el comportamiento

de la mezcla es que el punto de fusión toma un rango de temperaturas más amplio.

Analicemos.

Primero, fracción molar. Esto no es más que la composición de la fase en términos de

Líquidos Ambas

Sustancias

1

2

4

L + S(B)

Sólidos Ambas

Sustancias

L+ S(A)

XA 1 0.8 0.6 0.5 0.4 0.2 0

XB 0 0.2 0.4 0.5 0.6 0.8 1

P. Eut

(°C)

P. Fus B (°C)

3

P. Fus A

(°C)

Ran

go d

e Fu

sió

n



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las sustancias que la componen en términos de fracción. La forma en que se calcula

esto es por medio de la siguiente relación.

Donde se refiere a la fracción molar de la sustancia , es la cantidad de moles de

la sustancia y es la cantidad total de moles de todas las sustancias presentes en

la fase. Si una sustancia cualquiera es pura entonces .

Analizando la gráfica empezando desde el punto 1 donde ambas sustancias son

líquidas y miscibles (solubles una en la otra) empezamos a bajar la temperatura al

punto donde aparecen los primeros cristales de la sustancia A este punto está

marcado con el número 2 en el gráfico. La composición de la sustancia A en los

cristales es 100 % A, o lo que es lo mismo en fracción molar, XA en los cristales es igual

a 1. Parte de A se ha perdido en el líquido por tanto el líquido se va enriqueciendo de

sustancia B. Seguimos bajando la temperatura y más sustancia A se va cristalizando

haciendo que la fracción de B se haga mayor el cual es el punto 3 en el gráfico.

¿Cuál es la fracción molar de B en el punto 3, pues seguimos la línea roja horizontal

hasta topar con la línea de separación de fases y luego bajamos vert icalmente hasta

la composición de B. En este ejemplo tenemos que EN EL LÍQUIDO a ese punto 3 la

fracción molar de B es 0.4 y de 0.6 de la sustancia A. EN EL SÓLIDO tenemos 100 % A.

Continuamos bajando la temperatura hasta el punto 4 donde ambas sustancias se

convierten en sólidos, esta temperatura corresponde al punto eutéctico y la

composición eutéctica es el punto de intersección de ambas líneas de fase. En

nuestro ejemplo la composición eutéctica es 0.45 de A y 0.55 de B. El rango de fusión

se reporta entonces desde el momento en que aparece el primer cristal (punto 2)

hasta la temperatura en que desaparece el líquido y todas las sustancias son sólidas

(punto 4). En este ejemplo, por simplicidad empezamos enfriando dos sustancias en

estado líquido, sin embargo, el análisis es equivalente para cuando pasamos de una



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mezcla de dos sólidos y las t ransformamos en líquidos.

Desde un enfoque termodinámico, un cambio de fase involucra un proceso en

equilibrio en el que la temperatura a la que se lleva a cabo el proceso viene dada

por el cociente de la entalpía de fusión y la entropía de fusión.

Analizando esta relación podemos inferir que a mayor energía para separar las

moléculas en el cristal del sólido, mayor la temperatura de fusión. Esto es intuit ivo: más

fuerza entre moléculas, mayor energía se necesita para separarlas. En el caso del

cambio de entropía en el punto de fusión, la física involucrada se escapa de este

curso aunque podemos agregar que los cambios de entropía en el cambio de sólido

a líquido siempre son posit ivos (a excepción del Helio) y que el coeficiente de

empaquetamiento, es decir, la relación de cuantas moléculas hay y cuanto espacio

vacío queda por unidad de cristal, depende de la simetría de la molécula. Entre más

simetría en la molécula, mayor su coeficiente de empaquetamiento y por tanto

mayor su punto de fusión.

El punto de fusión y ebullición pueden ser medidos por varios métodos sencillos. Uno

de los más modernos y sofist icados consiste en el uso del aparato Mel-Temp® el cual

mediante un calentador electrónico, un termómetro digital y una lente de

magnificación puede medirse el punto de fusión o ebullición de una sustancia con

una muy pequeña cantidad de muestra. Por lo general, el aparato Mel-Temp® t iene

un regulador de voltaje con el cual se puede regular la temperatura y la velocidad

con la que el aparato aumenta dicha temperatura. Hay otras versiones que usan un

termómetro de mercurio (mis favoritos) el cual t iene el bulbo a la misma temperatura

que las muestras. Es un aparato muy út il y conveniente.

Otro método para la determinación del punto de fusión y ebullición es el uso del tubo



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de Thiele el cual usa un líquido con un alto punto de ebullición, por lo general

glicerina y un mechero Bunsen. Se coloca la muestra sujeta a un termómetro de

mercurio y se pone a calentar el líquido viscoso dentro del tubo de Thiele de manera

constante, se va registrando el aumento de la temperatura en el termómetro y

cuando se da la evidencia del cambio de fase en la sustancia, se anota la

temperatura. Este es un método arcaico pero muy út il.

Otro método para la medición del punto de fusión en el laboratorio es el uso del

aparato Fisher-Johns el cual usa un disco caliente que aumenta la temperatura

gradualmente. Se coloca la muestra en un portaobjetos y se cubre con un

cubreobjetos, ambos de forma redonda, se coloca esta muestra sobre el disco y se

sube la temperatura. En el momento que se detecta el cambio de fase, se registra la

temperatura en el termómetro. Fácil.

Aparato Mel-Temp® y tubo de Thiele



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Punto de Ebullición

El punto de ebullición de una sustancia se define como la temperatura en la cual la

presión de vapor del líquido iguala la presión externa .

Asumamos que tenemos una sustancia líquida A pura en un recipiente abierto. Esta

sustancia presenta una presión de vapor producto de que a la temperatura en la que

se encuentra hay algunas moléculas que ganan suficiente energía cinética para

pasar de la fase líquida a la fase gaseosa. Si el recipiente se encontrara cerrado, la

presión de vapor del líquido tendría un equilibrio dinámico entre las fases de vapor y

líquido, esto es común cuando tenemos botellas de agua cerradas las cuales luego

de algunos días presentan gotas de agua condensadas en las paredes superiores. Si

el recipiente está abierto, el vapor escapa y el agua se evaporaría lentamente.

Continuando con nuestro análisis, si aumentamos la temperatura del líquido, las

moléculas de este ganan más energía cinética y una mayor cantidad de moléculas

pueden escapar de la fase líquida a la fase gaseosa, es decir, la presión de vapor

aumenta con la temperatura. Intuit ivo. Llega un punto en que aumentamos tanto la

temperatura que la presión de vapor se iguala con la presión externa ejercida sobre

el líquido. Toda la energía suministrada al líquido es usada para vencer las fuerzas

Aparato Fisher-Johns para medir punto de fusión



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intermoleculares de la sustancia y proporcionar energía cinética a las moléculas para

que se mantengan en la fase gaseosa. Esta temperatura es la que llamamos el punto

de ebullición.

Para un determinado líquido A, entre menor sea la presión externa, menor será el

punto de ebullición, es por esto que debemos definir una presión de referencia sobre

la cual hacer esta medición. Dicha presión es la presión atmosférica a nivel del mar y

se le llama Presión Normal. La Presión Normal t iene un valor de 101 325 Pa. Cuando

hacemos estas mediciones a una temperatura ambiente de 20,0 °C, le llamamos

Condiciones Normales de Presión y Temperatura (NTP). No se debe confundir estas

condiciones con las llamadas Condiciones Estándar de Presión Ambiente y

Temperatura (STPA) las cuales se definen como 0,0 °C y una presión de 100 000 Pa…

¡Y hay más! Están las Condiciones Estándar de Presión y Temperatura que se definen

como 0,0 °C y una presión de 101 325 Pa. Se debe indicar bajo qué condiciones se

está trabajando cuando se hace este t ipo de experimentos.

Condiciones NTP Condiciones STP Condiciones STPA

20,0 °C, 101 325 Pa 0,0 °C, 101 325 Pa 0,0 °C, 100 000 Pa

Es correcto, cada quien define sus condiciones. A los químicos orgánicos nos gustan

las condiciones NTP. Haremos la aclaración si ut ilizamos otras.

Si, en efecto, el agua ebulle a diferente temperatura ya sea que se haga el

experimento a nivel del mar, en la montaña o en la presión de Júpiter. ¿Alguna vez se

han preguntado cómo funciona una olla de presión? Pues aprovecha este principio

para lograr cocinar los alimentos en menor t iempo.

La alta temperatura y el agua ayudan a romper interacciones entre la celulosa,

lignocelulosa, almidón y proteínas que mantienen la estructura y consistencia de los



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alimentos. Hay alimentos fáciles de cocinar sin embargo hay otros bastante duros que

necesitan pasar mucho t iempo en agua caliente para ablandarse y ser aptos para

ser comidos. Suponiendo que con agua caliente ablandamos los alimentos, usando

un recipiente NO hermético, la mayor temperatura a la que podremos acceder es la

temperatura de ebullición del agua y esta varía con la presión atmosférica, como ya

expusimos en el párrafo anterior. La relación entre la presión de vapor de una

sustancia, P, y la temperatura, T , viene dada por la ecuación de Clausius-Clapeyron

(

)

Donde corresponde a la presión correspondiente a las condiciones de

temperatura y corresponde a la presión a las condiciones de temperatura .

corresponde a la entalpía de vaporización de la sustancia estudiada y es la

constante universal de los gases ideales. Así entonces, asumamos que

y por tanto a esta presión para el agua. En el

Monte Everest la presión atmosférica es de . ¿Cuál sería la

temperatura de ebullición del agua a esta presión? Tomando y

resolviendo para tenemos

(

)

(

)



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¿Qué t iene que ver esto con la olla de presión? ¡Pues todo! En una olla de presión el

agua se encuentra en un ambiente cerrado y hermético. A medida que se empieza

a calentar el agua en su interior (con los alimentos) la presión de vapor del agua

empieza a aumentar. Como la olla es hermética la presión de vapor del agua se

suma que se calienta se suma a la presión ya existente (1 atm) dentro de la olla. Con

esto la presión en el interior de la olla aumenta llegando a valores entre 1,80 atm (182

kPa) y 1,9 atm (192 kPa) y de esta forma el agua en el interior requiere una

temperatura mayor para llegar a su punto de ebullición. Mayor temperatura en el

interior de la olla, mayor velocidad para cocinar los alimentos, más rápido suavizar

granos, suavizar carne y ablandar otros alimentos. Mayor rapidez para cocinar

equivale a mayor eficiencia en el uso de la energía lo cual se traduce en menor

costo al cocinar. Usando la ecuación de Clausius-Clapeyron se puede calcular la

temperatura en el interior de la olla de presión.

(

)

En efecto, la ciencia es hermosa. Ingenieros este cálculo puede ser muy út il para el

desempeño de su profesión.

Si analizamos la termodinámica del proceso de ebullición tenemos que para el

proceso en equilibrio la temperatura de ebullición viene dado por la relación:



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Para cualquier sustancia, pasar del estado líquido al estado gaseoso involucra un

cambio de entropía considerable y posit iva. Dicho es considerado constante a

través de todas las sustancias, las diferencias son despreciables y por tanto, la razón

de la variedad de temperaturas de ebullición entre las sustancias recae directamente

en término que involucra todas las fuerzas intermoleculares. Entre más grande

mayor las fuerzas intermoleculares involucradas, por ende, mayor la

temperatura de ebullición. Las moléculas deben ganar suficiente energía cinética

para pasar de la fase líquida a la fase gaseosa, si las fuerzas intermoleculares son muy

fuertes y variadas, se necesita más energía para esta transformación. Y para que no

nos falte, las fuerzas intermoleculares siguen el orden de fuerza:

Una sustancia podría tener todas estas fuerzas presentes en la molécula por lo que

siempre se debe tener especial cuidado en identificar las fuerzas intermoleculares

que más aportan al efecto observado. Hay que saber qué fuerzas intermoleculares

t ienen las moléculas para saber cómo domarlas. El art ículo de Rao, S. y Sunkada, S.

Making Sense of Boiling Point s and Melt ing Point s citado en la bibliografía profundiza

sobre este tema. Ellos saben de fuerzas intermoleculares.

Solubilidad

La solubilidad, por otra parte, es otra característ ica física de una sustancia que nos

expresa el t ipo de fuerzas intermoleculares presentes en una sustancia. Cuando

hablamos de solubilidad se sigue un mantra que ha acompañado a la ciencia

química desde hace 200 años: “Igual disuelve a igual”. Bueno, ¿Igual qué? Al decir

esto nos referimos a “fuerzas int ermoleculares iguales disuelven a las mismas fuerzas

int ermoleculares” (¿Va a seguir con las fuerzas intermoleculares?).



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.

Analicemos la solubilidad de una sal. Cloruro de sodio es una sal común que todos

sabemos se disuelve en agua. Las fuerzas intermoleculares del agua son bastante

fuertes debido a los puentes de hidrógeno los cuales rondan ⁄ en

promedio. En el caso del cloruro de sodio la energía de ret ículo cristalino (es decir, la

unión de los iones) es de ⁄ . Con estos datos y sabiendo que la disolución

del cloruro de sodio en agua es un proceso espontáneo ( ) podemos interpretar

la siguiente relación:

Las moléculas de agua interactúan con los iones de sodio y cloruro de forma que

t iran de ellos para hidratarlos. Esta interacción entre las moléculas de agua y los iones

libera energía ( ) esto ocurre porque dicha interacción es más fuerte que

la interacción entre sólo moléculas de agua y sólo iones. La entropía del proceso

aumenta ( ) ya que la sal pasa de un sólido cristalino a iones con

movimiento aleatorio en la disolución, así el término es siempre negativo.

Estos términos combinados hacen que y el proceso de disolución sea

espontáneo (para el caso del cloruro de sodio y otras sales). Si acaso un soluto es

insoluble en agua quiere decir que . En este caso las fuerzas entre el solvente y

el soluto no compensan las fuerzas entre solvente-solvente y soluto-soluto.



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La interpretación molecular de un fenómeno macroscópico es fundamental para el

entendimiento de la química orgánica y ese es el objet ivo de esta práctica:

relacionar la estructura de una sustancia con sus propiedades físicas.

PROCEDIMIENTO

Solubilidad

En su libreta haga el siguiente cuadro de solubilidad. Va a necesitar dos

cuadros, uno para el caso de solubilidad en frío y otro en caliente.

Cloruro de

sodio

Ácido

Benzoico

Naftaleno Cloruro de

hierro (III)

Glucosa

Agua

Etanol

Hexano

Cloroformo

Colocar en tubos de ensayo una punta de espátula de cada sustancia y

agregar 1 mL del solvente indicado. Agitar y observar.

Preparar un baño maría y colocar los tubos de ensayo de aquellas sustancias

que no se hayan solubilizado dentro del baño. Esperar 10 minutos y anotar las

observaciones de solubilidad en frío y en caliente.



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Solubilidad en Ácidos y Bases

Colocar en tubos de ensayo una punta de espátula de carbonato de calcio,

ácido benzoico, cloruro de sodio, polvo de hierro y naftaleno.

. Agregar a cada tubo 10 gotas de ácido clorhídrico 1,0 mol/L. Anotar sus

observaciones.

Repetir este procedimiento pero ahora use disolución de hidróxido de sodio 1,0

mol/L y anote sus observaciones.

Punto de Fusión

Tomar un capilar cerrado y colocar una cantidad pequeña de ácido benzoico.

Armar el Tubo de Thiele llenando el recipiente con glicerina.

Colocar el tubo de Thiele a la llama de un mechero Bunsen. Amarrar con una

liga el capilar a un termómetro y colocarlo dentro del tubo Thiele.

Observar que el aumento en temperatura sea de forma lenta.

Observar el capilar y esperar el momento donde aparece la primera gota de

líquido. Anotar esta temperatura. Dejar que la temperatura siga subiendo

mientras se observa el capilar y anotar la temperatura en que el últ imo cristal se

convierte en líquido.



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Tomar 0,2 g de ácido benzoico y 0,2 g de ácido oxálico y mezclar

manualmente. Tomar un capilar y colocar una muestra de esta mezcla en el

tubo capilar.

Armar nuevamente el tubo de Thiele el cual previamente ha sido enfriado en

agua.

Medir el punto de fusión de la mezcla.

Punto de Ebullición

Armar un equipo de condensación con reflujo usando un balón de tres bocas

de 250 mL como se muestra en la figura.

Colocar 50 mL de agua dest ilada y un núcleo de ebullición.

Abrir la bomba del agua y recircular agua en el condensador.

Calentar con mechero Bunsen lentamente y monitorear la temperatura en el

termómetro.

Cuando empiecen burbujas a formarse con regularidad anotar la temperatura.

Agua entra

Agua sale



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Repetir el experimento usando una disolución de 1,0 g de cloruro de sodio

disuelto en 50 mL de agua. Anotar la temperatura de ebullición.

Repetir el experimento usando etanol. Cuidado con el mechero pues el etanol

es inflamable.

Armar un equipo como el que se muestra en la figura.

Tomar 50 mL de agua y colocarlos dentro del balón junto con un núcleo de

ebullición.

Sellar con grasa todas las uniones.

Colocar la trampa de vacío en un baño de hielo.

Encender la bomba de vacío e iniciar el calentamiento al balón.

Controlar que la temperatura aumente lentamente. Verificar que esté

corriendo agua fría por el condensador

Dejar que el líquido llegue a ebullición y anotar la temperatura.

Agua

entra

Agua sale

Bomba de vacío

Trampa

Termómetro



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TRABAJO POSTERIOR

1. Calcular la presión ejercida por la bomba de vacío usando la ecuación

Clausius-Clapeyron y comparar con lo reportado por el fabricante de la

bomba.

2. Explicar todos los fenómenos observados como las diferencias en los puntos de

fusión y ebullición de las sustancias versus la literatura o datos reportados.

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