VOLUMEN MOLAR PARCIAL

OBJETIVO

Determinar el volumen molar parcial de una mezcla de etanol y agua, ya que esta propiedad es de importancia a la aplicación de termodinámica de soluciones.

FUNDAMENTO TEORICO

Sea una solución constituida por moléculas A y B y en la cual los tamaños moleculares y las atracciones intermoleculares de los pares A-A, B-B y A-B son iguales; en estas condiciones se puede esperar un comportamiento lo más simple posible de la solución, esta se consideraría una solución ideal ya que existe uniformidad total de fuerzas intermoleculares que son consecuencia de un tamaño molecular y una estructura molecular semejante.

Analizando una propiedad de la solución como volumen, para una solución ideal:

Vm = VA + VB

Donde:

Vm: es el volumen de la mezcla

VA: es el volumen del componente A puro

VB: es el volumen del componente B puro

Al estudiar soluciones reales, se observa desviaciones del comportamiento ideal debido a que se tiene componentes con tamaños moleculares diferentes entre moléculas del sistema no son iguales. Por ejemplo, al mezclar 50 ml de agua con 50 ml de metanol, el volumen de la solución es de 95ml.

Vm ≠ VA+ VB

Al estudiar este tipo de casos, no hay manera de determinar que parte de la concentración se debe al agua y que parte se debe al alcohol, dificultades semejantes se observan en otras propiedades termodinámicas. Para resolver este problema y emplear un método para manejar composiciones variables, Lewis inventó las cantidades molares parciales, aplicables a cualquier propiedad termodinámica extensiva como entalpía, energía interna, energía de Gibbs o el volumen.

DETERMINACIÓN DE MAGNITUDES MOLARES PARCIALES

Existen dos métodos para determinar por vía experimental cualquiera de las propiedades molares parciales:

i) método de la pendienteii) método de la intersección de las ordenadas en el origen.

Consideramos una disolución de dos componentes, disolvente (1) y soluto (2). El volumen total de la disolución será:

P,T Constante

(2)

i) Método de la pendiente. Para medir el volumen molar parcial del componente 2, se preparan disoluciones con el mismo número de moles del disolvente (1) (n1= cte) pero variando el número de moles del componente (2), trabajando a presión y temperatura constantes (esto es fácil, vale con hacerlo a temperatura ambiente en el laboratorio). Se mide el volumen total de las diferentes disoluciones y se hace la siguiente tabla de los resultados experimentales.

Disolución V (ml) N2

1 V(1) N2(1)

2 V(2) N2(2)

3 V(3) N2(3)

Etc... Etc... Etc...

Una vez obtenidos los volúmenes totales se representa V de la disolución frente al número de moles del componente 2 de la siguiente forma:

Fig. 1. Volúmenes totales medidos para una serie de disoluciones donde las mezclas tienen el mismo número de moles de disolvente pero diferente número de moles de soluto, a p y T constantes.

Según se deduce de la ecuación [2], la pendiente de la recta tangente a la curva a cualquier composición será el volumen molar parcial del componente 2, V2. Y una vez obtenido V2 será fácil conocer el volumen molar parcial del

disolvente, utilizando la ecuación:

Recuerda el significado de la pendiente de la tangente a una curva: si se representa la variable del numerador de una derivada en el eje y, y la variable

del denominador de la derivada en el eje x, SIEMPRE, la pendiente de la tangente en un punto será la magnitud que defina esa derivada. Para este caso será:

ii) Método de las ordenadas en el origen: Se prepara una serie de disoluciones a diferentes fracciones molares de 1 (Xi) y 2 (X2), y se representan los volúmenes molares medidos para estas disoluciones, (V = V/n, siendo n = n1+ n2) frente a la fracción molar de uno de los componentes, X2.

Fig. 2. Volúmenes molares medidos para una serie de disoluciones donde las mezclas tienen diferente fracción molar.

MATERIALES

Balanza

Picnómetro

Termómetro

Probeta

Pipeta

Piseta

Balón de fondo plano

Etanol

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Pesamos el picnómetro seco y vacio W1.

2. Llenamos el picnómetro con agua destilada y pesamos, obteniendo W2.

3. Determinamos el volumen del picnómetro utilizando:

4. Preparamos soluciones de C2H5OH (etanol) al 20%, 40%, 60%, 80% y 90% en peso. Para la preparación se sigue el siguiente cuadro:

Porcentaje de etanol VH2O (ml) Vetanol (ml)20% 80 25.3540% 60 56.760% 40 76.0580% 20 101.490% 10 114.7

5. Llenamos el picnómetro con C2H5OH (etanol) y pesamos W3.

6. Determinamos la densidad de las diferentes soluciones de etanol, utilizando:

CALCULOS Y RESULTADOS

Para calcular el volumen del picnómetro.

Temperatura del agua = 19.5°c

De tablas: densidad del agua a 19.5°c = 0.9983 g/ml

De la ecuación:

Tenemos:

Calculando las densidades del etanol a diferentes concentraciones:

De los datos siguientes:

Y con la fórmula:

Donde:

Obtenemos:

Entonces:

Por último tenemos:

CONCLUCIONES

Notamos que la densidad disminuye al aumentar el porcentaje en peso, lo cual hace que el volumen parcial del etanol aumente al aumentar el porcentaje en peso de este.

Vemos que el volumen molar parcial de cada componente generalmente cambia cuando se mezclan los componentes a diferentes proporciones, es decir, el volumen molar parcial del alcohol de composición 20% en peso, será diferente del volumen molar parcial del alcohol de composición 90% en peso. Lo mismo ocurre para el agua.

En la gráfica es fácil ver que efectivamente el valor del volumen molar parcial de cada componente varía con la composición.