MANUAL DE PRACTICAS DELLABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 1 de 144 MANUAL PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I y II ESCUELA DE QUÍMICA FACULTAD DE CIENCIAS UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 2 de 144 TABLA DE CONTENIDO Pág. 1. OBJETIVO 2 2. ALCANCE 2 3. DEFINICIONES 2 4. ABREVIATURAS 4 5. PARTE EXPERIMENTAL FISICOQUÍMICA I 6 5.1. ECUACIÓN DE ESTADO DE GASES IDEALES 6 5.2. CAPACIDAD CALORÍFICA DE LOS GASES 14 5.3. PRESIÓN DE VAPOR DE MEZCLAS DE LÍQUIDOS 24 5.4. DETERMINACIÓN DE CONSTANTES DE DISOCIACIÓN. (ESPECTROFOTOMETRÍA 30 5.5. OBTENCIÓN DEL ESPECTRO DE ABSORCIÓN UV DE p-metoxifenol Y DETERMINACIÓN DE SU pka 38 5.6. TRANSICIONES ELECTRÓNICAS DE COMPUESTOS CROMÓFOROS 47 5.7. EFECTO DE LA ESTRUCTURA MOLECULAR EN LA CAPACIDAD FLUORESCENTE DE COLORANTES 52 5.8. TRANSFERENCIA DE ENERGIA DE MOLECULAS EXCITADAS DE RIBOFLAVINA: ECUACIÓN DE STERN-VOLMER. 57 6. PARTE EXPERIMENTAL FISICOQUÍMICA II 6.1 MEDIDAS DE VISCOSIDAD CON EL VISCOSÍMETRO DE ESFERA DESCENDENTE 60 6.2 DETERMINACIÓN DE LA ENTALPÍA DE MEZCLA EN FLUIDOS BINARIOS 68 6.3. ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN 79 6.4 DESCENSO DEL PUNTO DE CONGELACIÓN 86 6.5 DETERMINACIÓN DE LA ENTALPÍA DE COMBUSTIÓN USANDO UNA BOMBA CALORIMÉTRICA 96 6.6 DIAGRAMA DEL PUNTO DE EBULLICIÓN DE UNA MEZCLA BINARIA 105 6.7 VELOCIDAD DE LAS MOLÉCULAS Y LA FUNCIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE MAXWELL-BOLTZMANN 114 6.8 ANÁLISIS DE LAS DISTRIBUCIONES DE INTENSIDAD DEL ESPECTRO ROTACIONALVIBRACIONAL DEL HCl 122 6.9 DETERMINACIÓN DE LA MASA MOLECULAR DE UN LÍQUIDO 140 APROBACIÓN Y LISTADO DE REVISIONES 144 MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 3 de 144 1. OBJETIVO El presente manual de prácticas de laboratorio presenta una serie de experimentos correspondientes a los diferentes temas tratados en las asignaturas del área de fisicoquímica tales como teoría cinética, calorimetría, química cuántica, cinética química y equilibrio químico. En todas las practicas se presentan los objetivos, los conceptos relacionados, el fundamento teórico, las instrucciones detalladas que permiten a los estudiantes realizar la experimentación necesaria, el tratamiento de datos, el cálculo de resultados y los demás productos que pueden obtenerse de la práctica. Las prácticas se realizan con el propósito de dar al estudiante de la escuela de química una visión integrada teórico práctica de los tópicos que se estudian, comprobar las leyes y principios vistos en la parte teórica, introduciendo al alumno en el manejo e interpretación de los diferentes temas y a través de ellos familiarizar a los estudiantes con las determinaciones experimentales de los cambios físico químicos y la forma de cuantificarlos. 2. ALCANCE El manual de prácticas del laboratorio tiene como finalidad ayudar a que el alumno aplique los conocimientos adquiridos en la ciencia de la química, en la parte correspondiente a fisicoquímica, en la obtención de valores reales hallados experimentalmente para su aplicación en las diferentes ecuaciones estudiadas. De igual forma se pretende que el alumno sea capaz de mostrar o visualizar de manera gráfica los resultados obtenidos y determinar dichos fenómenos reales empleados para tal fin. 3. DEFINICIONES Sistema: Un sistema es aquella particular porción del universo en la cual estamos interesados. Típicos sistemas termodinámicos pueden ser: una cierta cantidad de gas, un líquido y su vapor, una mezcla de dos líquidos, una solución, un sólido cristalino, etc. Variable termodinámica: Las variables termodinámicas son las magnitudes que estimamos necesario o conveniente especificar para dar una descripción macroscópica del sistema. La mayoría de esas magnitudes provienen de otras ramas de la física. volumen y temperatura) solamente dos se pueden elegir arbitrariamente. los choques entre las moléculas se suponen perfectamente elásticos. Energía interna: Se denomina energía interna del sistema a la suma de las energías de todas sus partículas. la energía interna solamente depende de la temperatura. volumen V. siempre y cuando esas variaciones sean continuas. imaginando nuevos límites en los lugares donde ocurren las discontinuidades. Las discontinuidades se producen en las interfaces sólido-líquido.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Calor: El calor no es una nueva forma de energía. Fase: Muchas veces conviene dividir un sistema heterogéneo en subsistemas. volumen. La ecuación de estado se puede o no expresar mediante una fórmula analítica. no cambian. esta definición se puede ampliar admitiendo que las variables pueden variar de un punto a otro del sistema. En consecuencia. llamados fases. Se denomina calor a la energía intercambiada entre un sistema y el medio que le rodea debido a los choques entre las moléculas del . de las tres variables (presión. La tercera está determinada por la naturaleza del medio. La especificación del estado de un sistema no nos da ninguna información acerca de los procesos mediante los cuales el sistema fue llevado a dicho estado. En un gas ideal las moléculas solamente tienen energía cinética. es el nombre dado a una transferencia de energía de tipo especial en el que intervienen gran número de partículas.01 Versión: 02 Página 4 de 144 Estado del sistema: Cuando se han especificado las variables necesarias para describir al sistema se dice que se ha especificado el estado del sistema. El estado de equilibrio es dinámico en el sentido de que los constituyentes del sistema se mueven continuamente. Sistema homogéneo: Un sistema se dice homogéneo cuando (en ausencia de fuerzas exteriores) sus variables termodinámicas son constantes a través de todo el sistema. un sistema constituido por hielo y agua en equilibrio es heterogéneo. Equilibrio: se denomina estado de equilibrio de un sistema cuando las variables macroscópicas presión p. y temperatura T. Por ejemplo. Ecuación de estado: Se denomina ecuación de estado a una relación entre las variables presión. una fase es un subsistema homogéneo. y proviene siempre de los experimentos o de una teoría de la materia. Sistema heterogéneo: Un sistema en el cual las variables termodinámicas varían de un lugar a otro en forma discontinua se dice que es heterogéneo. debido a la ecuación de estado. De ningún modo se puede considerar que surge de la Termodinámica. temperatura y cantidad de materia del sistema. y la ecuación de estado describe este hecho. Para un sistema formado por una única fase. Si hay campos de fuerzas. Longitud: L Kelvin: K Temperatura: T Tiempo: t Segundo: s Minutos: min.01 Versión: 02 Página 5 de 144 sistema y el exterior al mismo y siempre que no pueda expresarse macroscópicamente como producto de fuerza por desplazamiento. Masa: m Volumen: V Corriente alterna: CA Altura: h Relativa: rel. 4. Tiempo: t Aproximadamente: Aprox. . ABREVIATURAS Figura: Fig.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Diámetro: d Diámetro interno: di. Coeficiente de expansión térmica. el coeficiente de compresibilidad isotérmico. Amontons-Charles y GayLussac para una cantidad de gas constante (aire). coeficiente de compresibilidad isotérmico.2 Principio El estado de un gas está determinado por la temperatura. cantidad de gas encerrado en el tubo de medida) se da mediante la diferencial: ( ) ( ) Análogamente.1. el coeficiente térmico de tensión y el coeficiente de expansión térmica. Ley de Charles (Amontons) y Ley de Gay-Lussac. las cuales están relacionadas. Fundamento teórico El estado de un gas está determinado por las variables de estado temperatura. volumen. temperatura.1.1. Coeficiente térmico de tensión. PARTE EXPERIMENTAL FISICOQUÍMICA I 5. 5. Constante universal de los gases. Ley de Boyle-Mariotte. 5. estas variables están vinculadas a través de la ecuación general de estado.01 Versión: 02 Página 6 de 144 5. si se tiene que P = P(T.1 Objetivos Comprobar experimentalmente la validez de las leyes de Boyle-Mariotte.3 Conceptos relacionados Presión. Volumen V y cantidad de sustancia n. el volumen y la cantidad de sustancia. P. De la relación obtenida calcular la constante universal de los gases. se puede escribir: . presión.4. para una cantidad de sustancia constante (n=const.1 ECUACIÓN DE ESTADO DE GASES IDEALES Tipo de práctica: Duración de la práctica: Indicaciones de peligro: Grupal (3-4 personas) 4 horas Ninguna 5. La dependencia del volumen con las variables presión y temperatura. la presión. ecuación general de estado para gases ideales. dn=0.1. V). 5. Para el caso de los gases ideales. T.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. De igual forma. después de integrar: [ ( . Para un proceso isobárico (P=const. Sus valores dependen de las condiciones iniciales. para un proceso isocórico (V = const. de las ecuaciones (2) y (4) se obtiene. dP= 0) la ecuación (1) se reduce a: ( Si ) es constante. la cual corresponde a la ley de Charles (Amontons) que describe el incremento lineal de la presión con la temperatura. dV =0). cuando se integra se obtiene: [ ( .)] Que es equivalente a la ecuación V = Const T la cual corresponde a la ley de Gay-Lussac. Temperatura alta) estas relaciones se pueden determinar a partir de leyes que se obtuvieron en forma empírica y que describen las correlaciones de las variables de estado. P=P(T) o V=V(P). .)] Que es equivalente a la ecuación P = Const T. se define el coeficiente de expansión térmica como: ( ) ( ) ( ) El coeficiente de Tensión térmica El coeficiente de compresibilidad isotérmico Para la aproximación de gas ideal (bajas presiones.01 Versión: 02 Página 7 de 144 ) Cada una de las derivadas parciales en las ecuaciones (1) y (2) geométricamente se pueden interpretar como la pendiente de una línea tangente de las funciones V=V(T). Por otra parte.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA ( ) ( Código: MFOQ-FQ. de las anteriores ecuaciones se pueden obtener las siguientes relaciones: ( ) ( ) ( - ) Que se pueden determinar experimentalmente.1. y por ello escribir: Adicionalmente. RS232 Módulo de medición de presión Modulo convertidor o Sensor cobra 3.5. dT=0) de una cantidad constante de gas. Combinando estas ecuaciones. Windows® 95 o Varilla para soporte. 5. Vm es el volumen molar y a partir de las condiciones normales se puede obtener el valor de n y adicionalmente. l = 30 mm Vaso de precipitados. 100 mL Aparato de calentamiento Regulador de potencia Base para la jeringa de vidrio Computador. Pero sabemos que: (15) Donde. 12 V/2 A Cable de datos. d0 = 55 mm Tapas de goma Manguera. obtener los valores de las otras tres constantes definidas por las ecuaciones (3). de la ecuación (5) se obtiene: Que al integrar lleva a la ecuación V = Const (1/P) que corresponde a la ley de Boyle–Mariotte. d = 10 mm Barra de agitación magnética. . di = 7 y 2 mm Aceite de motor Agua destilada . (4) y (5). l = 250 mm Pinza de ángulo recto Pinza universal Barra magnética.01 Versión: 02 Página 8 de 144 Para una expansión y/o compresión isotérmica (T= Const.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. 250 mL Embudo. se obtiene: Esta última ecuación lleva a introducir la constante universal de los gases R. l = 200 mm.… C Software Cobra 3 Ley de los Gases Chaqueta de vidrio Jeringa de vidrio. Materiales y reactivos Unidad básica Cobra3 Fuente de energía. La constante universal de los gases se puede calcular si la cantidad de gas n se conoce. Introducir el valor del volumen inicial leído en la jeringa y preguntar al profesor el incremento. Ajustar el volumen inicial del gas V0. Montaje Experimental Disponer del montaje experimental como se muestra en la figura 1. pero evitando usar aceite en exceso. Preguntar al profesor el límite de variación de presión y volumen. conectar la boquilla de la jeringa de gas al medidor de presión por medio del tramo corto de tubo siliconado. Ubicar la termocupla en contacto con la jeringa.1. ws y e la pestaña “Se s r” selecci ar “c bra leyes e . Lubricar con gotas de aceite de motor multigrado de tal manera que el émbolo este cubierto con una película continua de aceite a lo largo de todo el experimento. Procedimiento Figura 1.6. hacer variaciones de volumen y anotar los valores de presión y volumen en la hoja de datos. Llenar la chaqueta de vidrio con agua usando el embudo e introducir la barra de agitación magnética. E la pestaña “Calibrar” introducir los valores de presión y temperatura ambiente (preguntar al profesor estos valores) y presionar “Calibrar”. Para construir la isoterma.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Para la presión (P) seleccionar e tra a “S ” para e peratura e tra a “S ” y para lu e (V) seleccionar “ a ual”.01 Versión: 02 Página 9 de 144 superior 5. Conectar la unidad cobra 3 al toma corriente. Abrir el pr gra a ‘Measure’ e Wi l s gases”. Agitar el agua dentro de la chaqueta de vidrio moviendo el agitador magnético con la ayuda de la barra magnética. Si hay una evidencia de pérdida de muestra durante la compresión. construir una gráfica de Volumen versus presión para temperatura constante. Con los datos de la primera tabla.1. interpretar correctamente esta gráfica. Analizar la gráfica.7. c. d. . Rápidamente presionar el émbolo de la jeringa hasta que el volumen sea reducido al valor inicial V0 [mL] y escribir los valores de Temperatura y Presión. Temperatura. apagar la fuente de calor y terminar la e ició presi a “Cerrar”. determinar el valor de R. observar que la presión corresponde al valor inicial y anotar los valores de temperatura y Volumen. Volumen y 1/presión. Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio. Con los datos de la segunda tabla. En la pantalla aparecerán los valores de Presión. 5. f. Determinar el valor de R.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Construir una gráfica tal que permita obtener una relación lineal entre estas dos variables (linealizar la gráfica). construir una gráfica de presión versus temperatura para volumen constante. e. Repetir este procedimiento hasta que su profesor le indique. encontrar las diferentes constantes.8. Después de un incremento de temperatura de Delta T[K].1. Elaborar tablas de datos para cada una de las partes del experimento. Analizar correctamente la gráfica. Anotar los valores de presión. Verificar que el regulador (LabHEA este e “cer ” c ectarl al t a c rrie te y encender la plancha de calentamiento. Volumen y temperatura iniciales. g.01 Versión: 02 Página 10 de 144 Repetir el procedimiento de tal manera que se obtenga al menos 10 valores diferentes de presión y volumen. Suavemente y en forma continua girar el émbolo para mantener la película de grasa uniforme y evitar pérdida de muestra. construir una gráfica de Volumen versus temperatura para presión constante. Desplazar el control del regulador a la posición 2 o 3. Análisis de datos. De los datos obtenidos a partir de las gráficas y haciendo uso de las ecuaciones. 5. b. Analizar correctamente la gráfica. Con los datos de la segunda tabla. a. Determinar el valor de R. Interpretar y analizar los resultados obtenidos. Amontons´s law.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. PHYWE Systeme GmbH & Co.01 Versión: 02 Página 11 de 144 5.9 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments.1. Gay-Lussac´s law. KG: Göttingen. 2008. . Boyle and Mariotte´s law. Kinetic Theory. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ) Presión.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. 1 2 3 Presión.1 Ecuación de estado de gases ideales Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Tabla 1. P (hPa) Temperatura ( ) . Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N° 5. Ley de Amontons.01 Versión: 02 Página 12 de 144 ANEXO 1. P (hPa) Volumen. Datos de cambio de presión y temperatura a volumen constante. Temperatura constante T: ________( Medición No. Ley de Boyle y Mariotte. Volumen constante V: ________(mL) Medición No. Datos de cambio de presión y volumen a temperatura constante. V (mL) Tabla 2. 01 Versión: 02 Página 13 de 144 4 5 6 7 8 9 10 Tabla 3. Presión constante P: ________(hPa) Medición No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Observaciones: Temperatura ( ) Volumen. V (mL) . Datos de cambio de temperatura y volumen a presión constante.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Ley de Gay-Lussac. 2. 5. e isocoras. el calor intercambiado con los alrededores Q y el cambio de volumen a presión constante PdV.01 Versión: 02 Página 14 de 144 5.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. cambios de estado adiabáticos. bajo condiciones isobáricas. 5. volumen molar.2. respectivamente. un aumento en la temperatura provoca un incremento del volumen que se puede leer en la jeringa de gas.1 Objetivo Determinar la capacidad calorífica molar de un gas a volumen constante Cv y a presión constante Cp. Esta ley describe la relación entre el cambio en la energía interna Ui. constante universal de los gases. 5. por el otro.2. la cual se mide con un manómetro y. Por un lado el aumento de la temperatura se traduce en un incremento de la presión. La capacidad calorífica molar C de una sustancia resulta de la cantidad de calor absorbido y el cambio de temperatura producido por un mol de sustancia: . isotermas. a través de un calentador eléctrico que se enciende por un breve periodo de tiempo.4 Fundamento teórico La primera ley de la termodinámica se puede ilustrar acertadamente usando un gas ideal como modelo. Las capacidades caloríficas CV y CP se calculan a partir de los cambios de presión y volumen.2 Principio El experimento consiste en suministrar calor a un gas.2 CAPACIDAD CALORÍFICA DE LOS GASES Tipo de práctica: Duración de la práctica: Indicaciones de peligro: Grupal (3-4 personas) 4 horas Ninguna 5. contenido en un recipiente de vidrio.3 Temas relacionados Ecuación de estado para gases ideales. grados de libertad. curvas isóbaras.2. primera ley de la termodinámica. Esta energía se puede calcular con la ayuda de la teoría cinética de los gases a partir del número de grados de libertad f: donde kB = 1. .02 x 1023 mol-1 (Número de Avogadro) A través de la sustitución de se obtiene y tomando en consideración la ecuación (6): ( ) El número de grados de libertad de una molécula es una función de su estructura.01 Versión: 02 Página 15 de 144 n=Número de moles De acuerdo a las ecuaciones (1) y (2) y bajo condiciones isocóricas (V constante. dos y tres grados de libertad rotacional alrededor de los ejes principales de inercia. dp = 0): ( ) Tomando en consideración la ecuación de los gases ideales (5): se deduce que la diferencia entre Cp y CV de los gases ideales es igual a la constante universal de los gases R. se cumple lo siguiente: y bajo condiciones isobáricas (p = Constante.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Todas las partículas tienen tres grados de libertad traslacional. dV = 0). Las moléculas diatómicas y triatómicas tienen respectivamente. además.38 x 10-23 J/K (Constante de Boltzmann) NA = 6. De la ecuación (3) es evidente que la capacidad calorífica molar es una función de la energía interna del gas. induce un incremento del volumen ∆V. U= Voltaje que se aplica a los alambres del calentador (medido por separado) I= Corriente que fluye a través de los alambres del calentador (medida por separado) ∆t= Periodo de tiempo en que la corriente fluyó por los alambres. El aumento de temperatura ∆T.2 K es: V0 = 22.5 R= 20.1 J·K-1 ·mol-1 Determinación de CP La energía Q proporcionada al gas por el calentador eléctrico es: t donde.414 L/mol El volumen molar se define como: El número de moles en el volumen V es: . lo siguiente puede ser asumido como cierto para el aire: f=5 CV = 2. De la ecuación de estado para los gases ideales se deduce que: y tomado en consideración la ecuación (2).5 R= 29. En una primera aproximación.8 J·K-1 ·mol-1 y CP = 3.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. a presión constante. los siguientes resultados se derivan de las ecuaciones (11) y (12): El volumen molar de un gas a presión y temperatura estándar. P0 = 1013 hPa y TO = 273.01 Versión: 02 Página 16 de 144 El aire está compuesto principalmente por oxígeno (aproximadamente 20%) y nitrógeno (alrededor del 80 %). 81 m·s-2) FK Área del embolo (= 7. . La presión P usada en la ecuación (16) se obtiene de la diferencia entre la presión atmosférica y reducción de presión debido al peso del embolo de la jeringa. teniendo en cuenta (14) y (15). P = Presión atmosférica menos la reducción de la presión debido al peso del embolo de la jeringa PK = Reducción de presión debido al peso del embolo Pa Medida de la presión atmosférica (= 0.01 Versión: 02 Página 17 de 144 CP puede ser calculado utilizando la ecuación (13). se puede obtener la capacidad calórica.55 ·10-4 m2) = Si se realiza una gráfica de variación de volumen versus tiempo de calentamiento.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Esta reducción de la presión se determina de la siguiente forma: donde. = mK = Masa del émbolo g = Aceleración de la gravedad (= 9.1139 Kg). el aumento de la temperatura T produce un incremento de la presión P. Un cambio de presión de ∆P = 0.01 Versión: 02 Página 18 de 144 Determinación de CV Bajo condiciones isocóricas. . siempre y cuando la ecuación (21) sea tomada en cuenta. por lo tanto el correspondiente cambio de volumen es: donde así Tomando en consideración las ecuaciones (14) y (15).MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.147 hPa provoca una alteración de 1cm de longitud. La medición de presión produce una alteración en el volumen lo cual debe ser tenido en cuenta en el cálculo: De las ecuaciones (3) y (1) se deduce que: Y con las ecuaciones (11) y (17) se obtiene: El tubo indicador en el manómetro tiene un radio de r= mm. se deduce que: ( ) CV puede ser calcular usando la ecuación (23). 01 Versión: 02 Página 19 de 144 5. Windows® 95 o superior enchufe Unidad Básica Cobra3 Cable de datos RS232 Fuente de energía 12 V/2 A 5. El canal del manómetro debe estar bien humedecido antes de cada medición.2. 100 mL Interruptor con botón pulsador o un Llave de paso. Procedimiento Disponer el montaje experimental como se muestra en la figura 1. Iniciar el procedimiento de medición presionando el interruptor. Para determinar CV. l 2 Multímetro digital = 100 m Frasco de Mariotte. portátil Alambre de cromo-níquel. pues se debe realizar una gráfica de variación de presión versus tiempo. d = 3 mm. 1 agujero Pinza de ángulo recto Tubo de goma. Después de cada medición.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. 1-paso. d = 26/32 mm. llevar a cabo una estabilización de la presión con la presión del ambiente abriendo la llave de tres pasos. conectar el manómetro de presión a la botella mediante una manguera. Leer el incremento de la presión inmediatamente después de la interrupción del proceso de calentamiento. azul Tapón de goma. rectas. con Computador. d = 22/17 mm. Realizar por lo menos 10 mediciones.5 Materiales y reactivos Manómetro de presión Electrodo de níquel. di = 6 mm Software Cobra3 Universal writer Electrodo de níquel. 3 agujeros Pinza universal Tapón de goma. romas. l = 500 mm. capilar contador digital 2 Cable de conexión. 3-pasos. 10 L Tijeras.5 mm. h = 750 mm Tapón de goma. amarillo Tapón de goma. 1 Trípode base-PASS- agujero Soporte. anotar los valores de corriente y voltaje. rojo Cable de conexión. El periodo de medición debe ser muy variados. l = 500 mm. l = 500 mm. .5/59. en forma de T. l = 140 mm Jeringa de gas.1 mm.6. d = 32/26 mm. 76 x 40 mm Barómetro/manómetro. recta Llave de paso.2. d = 0. d = 50. 3 agujeros Cable de conexión. Al realizar las mediciones la llave de tres pasos deberá estar puesta de tal manera que sólo estén conectadas la jeringa vertical y la botella. Iniciar manualmente el émbolo antes de la medición de modo que gire durante toda la medición. De esta manera la fricción estática entre el émbolo y el cuerpo de la jeringa se reduce al mínimo y los valores medidos son suficientemente exactos. es demasiado bajo. que es requerida para los cálculos. Para determinar CP. Para la presión en el contenedor del gas se usa un valor que está a 14 hPa por debajo de la presión atmosférica. Determinar la presión del gas. Para aumentar la masa del embolo de la jeringa vertical.01 Versión: 02 Página 20 de 144 Figura 1. Si el embolo se detiene antes de tiempo el incremento del volumen (∆V ) leído sobre la jeringa montada verticalmente. Montaje experimental para determinar CV. . con la ayuda de un barómetro digital.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. pegar a este un electrodo metálico (lámina de níquel) con una cinta de doble cara. remplazar el manómetro por dos jeringas de gas (ver figura 2). Una de las jeringas de gas se monta horizontalmente y la otra estará en posición vertical con su embolo orientado hacia abajo. debido al peso del émbolo de la jeringa. p 24. Para la determinación de CP llevar acabo al menos 10 mediciones. 5. Para ello. 5. KG: Göttingen. c. Al igual que para CV. PHYWE Systeme GmbH & Co. Construir gráficas de Cambio de presión y cambio de volumen versus tiempo.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Thermochemistry /Calorimetry.7 Análisis de datos a. .2. girar la llave de tres pasos de tal manera que se conecten entre si las jeringas y la botella. Después de cada medición eliminar el aire del sistema hasta que la jeringa vertical muestre una vez más el volumen inicial determinado en la primera medición. Montaje experimental para determinar CP.01 Versión: 02 Página 21 de 144 Figura 2. b.2. Lec 02.8 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio.9 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments. A partir de las gráficas anteriores obtener la capacidad calórica de los gases utilizados y compararlo con el valor normalmente aceptado. Deducir teóricamente la ecuación que justifica la gráfica de Cambio de presión versus tiempo. Heat Capacity of Gases. 2008.2. 5. Datos de cambio de presión en función del tiempo de calentamiento. ∆P (hPa) Voltaje (V) Corriente (A) Tabla 2.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA ANEXO 2. Medición No. t (s) Incremento de presión. Datos de cambio de volumen en función del tiempo de calentamiento. t (s) Incremento de volumen.2 Capacidad calorífica de los gases Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Tabla 1. Presión inicial del sistema P : ____________ Medición No.01 Versión: 02 Página 22 de 144 . ∆V (mL) Código: MFOQ-FQ. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tiempo de calentamiento. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tiempo de calentamiento. Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N° 5. 01 Versión: 02 Página 23 de 144 .MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Voltaje (V) Corriente (A) Observaciones: Código: MFOQ-FQ. 5. PA * = Presión de vapor de la sustancia A pura PA = Presión de vapor parcial de la sustancia A A A . las presiones de vapor de una solución ideal son la suma de las presiones parciales de los componentes individuales.3.1 Objetivo Determinar la presión de vapor de líquidos puros y de diferentes mezclas. Presión parcial.2 Principio De acuerdo a la ley de Raoult.3.01 Versión: 02 Página 24 de 144 5. 5. Para soluciones ideales la relación es descrita por la ley de Raoult: A donde. bajo condiciones isotérmicas. En un sistema compuesto por un líquido en el que las dos fases (fase líquida pura y la fase gaseosa pura) se encuentran en un estado de equilibrio. la presión de la fase gaseosa se denomina presión de vapor del componente.4 Fundamento Teórico Una presión de vapor específica se establece por encima de todas las fases líquidas.3 PRESIÓN DE VAPOR DE MEZCLAS DE LÍQUIDOS Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) 4 horas Indicaciones de peligro: 5. entonces la presión parcial del vapor del solvente en la solución resultante es menor que la presión de vapor del disolvente puro. 5.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Ley de Raoult.3. Las mezclas de benceno y tolueno presentan un comportamiento casi ideal.3 Conceptos relacionados Presión de vapor.3. Si dos componentes se mezclan. 19/26 6mm. 750mm Tubo de vidrio ángulo recto 230x55. el sistema benceno/tolueno muestra un comportamiento casi ideal. Esta línea representa la relación entre las presiones de vapor de los componentes puros.01 Versión: 02 MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA xA Página 25 de 144 = fracción molar de la sustancia A La disminución de la presión de vapor relativa es proporcional a la fracción molar de los componentes disueltos.Código: MFOQ-FQ. 6L Kit de circulación externa termostato Termostato de inmersión 4 Pinza universal 4 Nuez doble Soporte bunsen 75cm Pie en forma H-pass- Tubo de vidrio de codo 250 mL líquido puro 1 Llave de 3 vías en vidrio d=8mm 500 mL líquido puro 2 Manómetro de muelle (0-1000mbar) Pera para pipeta Tubo de vidrio de ángulo recto 85x60.5 Materiales y Reactivos 3 Varilla de acero inoxidable 18/8. 2 Pipeta volumétrica de 5mL 10pz Botella de seguridad 500mL en vidrio. La curva de presión de vapor de este sistema es una línea recta cuando se grafica como una función de la fracción molar. Como ejemplo. 5. Si un sistema de dos componentes se conforma por dos sustancias muy similares. entonces sólo habrá una pequeña desviación de la ley de Raoult. La ley de Raoult es una ley limitada a soluciones ideales o muy diluidas. 2 bocas. 10pz Tubo de grasa de silicona 100g Tapón de vidrio en 19/26 incoloro Manguera de conexión diámetro interno Matraz 100mL. L= 1m Pinza para manguera d:8-2mm Manguera de silicona diámetro interno 2mm Manguera de silicona diámetro interno 7mm Manguera para vacío diámetro interno 6mm Cubeta para termostato.3. gl18/25 Tubo de empalme 19/26 gl18/8 Tubo adaptador 3-5/6-10 mm 2 Pipeta volumétrica de 25mL Bomba de vacío (o chorro de agua) Sensor de presión absoluta Manómetro/barómetro para . La presión total es la suma de las presiones parciales individuales para cualquier composición de la solución. 1 Montaje experimental Realizar el montaje experimental como se muestra en la figura 1. a partir de 25mL del líquido 2. Girar la llave de paso de 3 vías para aislar el equipo de la bomba (o sistema de chorro de agua).01 Versión: 02 Página 26 de 144 5. y la adición del líquido 1 en pasos de 5 mL. de lo contrario esto indica que hay fugas en el sistema. encender la bomba (o abrir el chorro de agua). sellar el recipiente con un tapón cuidadosamente engrasado.3. así como de la presión atmosférica. Repetir todo el procedimiento. . Leer y registrar la presión de vapor mostrada en el manómetro digital. Proceder de esta manera con tres porciones de 5mL del liquido 2. La presión debe permanecer estable o no subir más de 5hPa durante un periodo de por lo menos 5 segundos.6 Procedimiento Fig. añadir 5mL del líquido puro 2 en estudio y repetir el experimento para determinar la presión de vapor de la mezcla. y se establece una presión constante. Después de unos segundos el líquido comienza a hacer espuma (o se observa el vapor del líquido en estudio). pero solo abrir el sistema al vacío durante periodos breves para mantener la pérdida de líquido al mínimo.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Con cuidado dejar ventilar el aparato. Tomar con una pipeta 25mL del líquido puro 1 en estudio y ponerlos en el matraz de 2 cuellos de 100mL. Cerrar la válvula de 3 vías en la botella de seguridad para abrir la conexión del aparato. Ajustar bien el sistema para que no se presenten fugas. para un total de 20 mL de éste. Repetir el procedimiento de encendido y apagado varias veces para eliminar todo el aire y que solamente permanezca la fase gaseosa del disolvente puro. Leer y registrar la presión exacta mostrada en el manómetro digital. 3. PHYWE Systeme GmbH & Co. 5.3.01 Versión: 02 Página 27 de 144 5.02.9 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments. 5.3. Hallar el valor de la presión de vapor para los líquidos puros.7 Análisis de Datos a.8 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Construir una gráfica de presión parcial versus fracción molar para los líquidos utilizados. . b. analizar e interpretar dicha gráfica. 2008. Vapour pressure of mixtures of ideal fluids. 03. KG: Göttingen. 01 Versión: 02 MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Página 28 de 144 ANEXO HOJA DE DATOS.Código: MFOQ-FQ.3 Presión de Vapor de Mezclas de Líquidos. ( hPa ) Líquido puro 1 Líquido puro 2 Tabla 1. Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Valores de referencia Componente Nombre Masa molar (g/mol) Densidad (g/ml) Pv de la sustancia pura. Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N° 5. Datos de las presiones de vapor del Líquido puro 1 y sus mezclas: Temperatura de trabajo: ______________ Líquido puro 1 Líquido puro 2 Fracción molar Presión de (mL) (mL) Liquido puro 2 vapor (hPa) 25 0 25 5 25 10 25 15 25 20 25 25 . 01 Versión: 02 Página 29 de 144 Tabla 2.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Datos de las presiones de vapor del Líquido puro 2 y sus mezclas: Líquido puro 1 Líquido puro 2 Fracción molar Presión de (mL) (mL) Liquido puro 2 vapor ( hPa) 0 25 5 25 10 25 15 25 20 25 . ley de acción de masas. que caracterizan el equilibrio de disociación. por lo que las formas ionizadas y no ionizadas muestran máximos de absorción a diferentes longitudes de onda en el rango visible.4 DETERMINACIÓN DE COSTANTES DE DISOCIACIÓN (ESPECTROFOTOMETRÍA).= C27H29O5S- . 5. 5.01 Versión: 02 Página 30 de 144 5. ácidos fuertes y débiles.4. espectrometría UV-visible.1 Objetivo Determinar experimentalmente la Absorbancia de una solución acuosa de azul de timol (Timol sulfonaftaleína) en HCl diluido.2 Principio El indicador de color azul de timol es un ácido débil que está parcialmente disociado en solución acuosa. ecuación de Henderson-Hasselbach.4. Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) 4 horas Indicaciones de peligro: 5.4. De tal forma que las mediciones fotométricas en el rango espectral visible se pueden utilizar para determinar los valores de Ka y pKa del indicador. Calcular la constante de disociación (constante del indicador) Ka a partir de los resultados de medición. 5. constantes de disociación y valores de pKa. NaOH y un buffer de pH conocido. fotometría. está presente en soluciones acuosas en su forma ácida débil parcialmente disociada: Donde A.3 Conceptos relacionados Electrolitos verdaderos y potenciales.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.4. Ley de Lambert-Beer.4 Fundamento Teórico El indicador de color azul de timol que se utiliza en la práctica analítica. en función de la longitud de onda desde 400 a 700 nm con concentración y temperatura constantes. la relación entre el valor del pH y la composición (cHA/cA-) del sistema buffer.1).MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. 2). La forma HA que existe sólo en soluciones ácidas absorbe en el rango espectral azul (máx. se obtiene la ecuación de Henderson-Hasselbach (3). En las soluciones buffer de pH ≈ pKa las formas ionizada y no ionizada están presentes prácticamente en la misma concentración. y por lo tanto el aporte de las dos formas en la concentración total co del ácido débil. p c a pH lg cHA c cHA cA- A- La forma ácida o ionizada del indicador predomina cuando la concentración del HCl es 1·10-4 M y por lo tanto la concentración total es prácticamente igual a la concentración CHA.aH a H aHA cHA donde ai = es la Actividad del ión i En una dilución ideal. punto en el cual se tienen las mismas absorbancias a un número de onda dado (Fig. la definición análoga del valor de pH y tomando logaritmos.c aA. Por otro lado. así como las constantes Ka y pKa del azul de timol. teniendo en cuenta la fórmula (2). amarillo.01 Versión: 02 Página 31 de 144 El desplazamiento del equilibrio de disociación está determinado por la naturaleza del ácido o de manera cuantitativa por la constante del indicador Ka o su respectivo valor de pKa: cA. la forma de sal azul A que . a una fuerza ácida dada. De otra parte para el medio básico (1·10-3 M NaOH. el equilibrio se desplaza casi por completo en la dirección de la forma de sal ionizada A-. la actividad ai es idéntica a la concentración ci p a -lg a l - A partir de la ecuación (1). ya que el ácido y su sal dan diferentes espectros de absorción que se cruzan entre sí en un punto isosbéstico. de modo que la ecuación (4) se convierte en (4. ≈ - nm) y aparece como el color complementario. y en este caso se tiene que: c cA . pH=11). Estas concentraciones de equilibrio. Esta describe. se pueden determinar fotométricamente debido a sus diferentes estructuras atómicas. c CHA . la ecuación de Lambert Bear toma la forma: A c HA HA A cA . La Ley de Lambert-Beer determina la dependencia de la absorción con la concentración ci de una sustancia i a una longitud de onda constante. la intensidad de la absorción se cuantifica por la Absorbancia que se define en la ecuación (5): A lg Donde: Io. y está dada por: A c i i Donde A = Absorbancia a la longitud de onda = Coeficiente de absortividad molar de la sustancia i a la longitud de onda ci = Concentración de la sustancia i d = Ancho de la celda i - Debido a la presencia simultánea de dos sustancias que absorben (en este caso de HA y A ). En las - soluciones tampón se observa un color mezclado debido a la existencia de HA y A .MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. pH=4 () pH=9 () pH=11() Figura 2. ≈ nm).01 Versión: 02 Página 32 de 144 existe sólo en soluciones básicas absorbe en el rango espectral amarillo (máx. Espectro de absorción para el Azul de Timol (co= 2·10-5 mol·L-1) en 1·10-4M HCl (). En la práctica analítica. I = La intensidad de la radiación que se utiliza antes y después de pasar por un medio absorbente respectivamente.1·10-3M NaOH () y una solución buffer de pH=9.00 () a T=299 K . los cuales absorben en el rango espectral visible. El cociente que se obtiene a partir de las relaciones (6.01 Versión: 02 MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Página 33 de 144 En solución ácida (cA-= 0. la ecuación (6.1.1) se simplifica a: HA A eA cA .1.2) a partir de las absorbancias de las soluciones ácidas y básicas del azul de timol de c0=3·10-5 M a la misma longitud de onda.2) es. entonces cHA se puede obtener por medio de la ecuación (4).1. Los coeficientes de absortividad molar ≠ HA _ y A se pueden calcular de las ecuaciones (6. . Estos valores cA_ y cHA se pueden usar para obtener la constante del indicador Ka remplazándolos en la ecuación de acción de masas (1).2). De esta manera.1) y (6.1.1. En esta ecuación.1) se puede simplificar a (6. cHA = c0) o solución básica (cHA = 0. . igual al grado de disociación . conocido el grado de disociación α la constante del indicador Ka se obtiene a partir de las relaciones obtenidas con las ecuaciones (4) y (8): a cH - El logaritmo decimal negativo de su valor numérico es. Como a las longitudes de onda por encima de 625 nm (Fig. . la ecuación (6. de acuerdo a la definición. suficientemente alejada del punto isosbéstico. igual al valor de pKa. 2) prácticamente sólo la base - conjugada A absorbe ( =0). .3) y (6. cA-= c0). A representa la absorbancia de la solución tampón que debe ser medida a una longitud de onda ( A _ HA ). esto es.1) nos lleva: A-AHA C AA -AHA cA- - La ecuación (7) da la posibilidad de calcular la concentración de la forma ionizada A . CAC A AA- El grado de disociación α puede ser calculado a partir de las absorbancias A y AA_ medidas en una solución tampón o en NaOH a una longitud de onda constante. Para el compuesto estudiado en esta práctica se puede utilizar un procedimiento de evaluación alternativo. AA Sustituyendo cHA = co – cA_ (4) en (6.1) y (6. A HA A A c c A HA . .Código: MFOQ-FQ. Con cA_ conocido.1. según la definición (2). Espectrofotómetro Shimadzu Modelo PC 2401 El espectrofotómetro a usar se muestra en la figura 1.00 Indicador en polvo de azul de timol 1 g Ácido clorhídrico. Preparar 50mL de una solución amortiguadora de pH 9 0.1M de carbonato y bicarbonato de sodio. 500 mL Solución tampón de pH 9. 250 mL Embudo de vidrio.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.6 Procedimiento Figura 1. 250 mL Etanol absoluto 50 mL Agua destilada. 250 mL Hidróxido de sodio. .4. 0.5 Materiales y Reactivos Espectrofotómetro UV-VIS Celda para espectrofotómetro Balanza de Precisión Cápsulas para pesar Micro espátula 3 Matraz volumétrico de 50 mL 4 Matraz volumétrico. 1 L 5.01 Versión: 02 Página 34 de 144 5.1M. 2 mL Pipeta volumétrica. 5 mL Pipeta volumétrica 10 mL Pera Micropipeta 4 Vaso de vidrio de 50 mL Pipetas Pasteur Capuchones de goma Termómetro Frasco lavador. 0.4.1 M. do= 55 mm Pipeta volumétrica . Leer los valores de absorbancia de las soluciones a cada 5 nm y trazar un gráfico de ellos en función de la longitud de onda. Dissociation Constants. 2008. KG: Göttingen.8 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. .4.5·10-5moles) de azul de timol (Timol sulfonaftaleína. 03.4. Obtener los espectros de absorción de las tres soluciones 3·10-5 M de azul de timol. aforar con agua destilada. Corregir la línea base del espectrofotómetro utilizando agua como blanco.11. el segundo con HCl (c=1·10-4 M). 5. PHYWE Systeme GmbH & Co.01 Versión: 02 Página 35 de 144 Disolver completamente 0. C27H30O5S·H2O) en 50 mL de etanol en un matraz aforado de 250 mL.7 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio. y el tercer matraz con solución amortiguadora de pH 9.03625g (7. a una velocidad de barrido lenta. Llevar a volumen el primer matraz con NaOH (c=1·10-3 M). Tomar tres matraces de 50 mL y poner 5 mL de esta solución madre 3·10-4M. en cada uno. en el intervalo de 700 a 400 nm. 5. 01 Versión: 02 Página 36 de 144 ANEXO HOJA DE DATOS.1M V final Concentración (M) (mL) (mL) (M) Solución tampón Na2CO3 NaHCO3 V final (g) (g) (mL) pH . Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N° 5. Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Tabla 1.4 Determinación de constantes de disociación.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.1M V final Concentración (M) (mL) (mL) (M) Soluciones Básicas NaOH V final (mL) (g) Concentración NaOH 0. Preparación de soluciones Azul de Timol Azul de timol Etanol V final Concentración (g) (mL) (mL) (M) Soluciones Acidas HCl 37% p/p V final (mL) (mL) Concentración HCl 0. Soluciones de Azul de timol para tomar el espectro de Absorción SOLUCIÓN Básica Acida Tampón pH T (oC) Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 37 de 144 .MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Tabla 2. ecuación de Henderson-Hasselbach.4 Fundamento Teórico El indicador de color verde de bromocresol que se utiliza en la práctica analítica. (ESPECTROFOTOMETRÍA).4. ley de acción de masas.01 Versión: 02 Página 38 de 144 5.4.5. en función de la longitud de onda desde 400 a 700 nm con concentración y temperatura constantes. Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) 4 horas Indicaciones de peligro: 5. por lo que las formas ionizadas y no ionizadas muestran máximos de absorción a diferentes longitudes de onda en el rango visible.2 Principio El indicador verde de bromocresol está parcialmente disociado en solución acuosa. 5. 5. fotometría. constantes de disociación y valores de pKa. 5.1 Objetivo Determinar experimentalmente la Absorbancia de una solución acuosa de verde de bromocresol en HCl diluido.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. ácidos fuertes y débiles.5 DETERMINACIÓN DE LA COSTANTE DE DISOCIACIÓN DEL VERDE DE BROMOCRESOL. NaOH y 5 soluciones buffer de pH conocido. Calcular la constante de disociación (constante del indicador) Ka a partir de los resultados de medición.4. Ley de Lambert-Beer. espectrometría UV-visible. que caracterizan el equilibrio de disociación. está presente en soluciones acuosas en su forma ácida débil parcialmente disociada: . De tal forma que las mediciones fotométricas en el rango espectral visible se pueden utilizar para determinar los valores de Ka y pKa del indicador.3 Conceptos relacionados Electrolitos verdaderos y potenciales. En la solución buffer de pH 4. la definición análoga del valor de pH y tomando logaritmos.9 ≈ pKa las formas ionizada y no ionizada están presentes prácticamente en la misma concentración. p c a pH lg cHA c cHA cA- A- La forma ácida o ionizada del indicador predomina cuando la concentración del HCl es 1·10-3 M y por lo tanto la concentración total es prácticamente igual a la concentración CHA.01 Versión: 02 Página 39 de 144 Donde A. el equilibrio se desplaza casi por completo en la dirección de la forma de sal ionizada A-. la relación entre el valor del pH y la composición (cHA/cA-) del sistema buffer. se pueden determinar fotométricamente debido a sus diferentes estructuras atómicas.1).= C21H13Br4O5SEl desplazamiento del equilibrio de disociación está determinado por la naturaleza del ácido o de manera cuantitativa por la constante del indicador Ka o su respectivo valor de pKa: cA. de modo que la ecuación (4) se convierte en (4. y en este caso se tiene que: c cA .MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. se obtiene la ecuación de Henderson-Hasselbach (3). así como las constantes Ka y pKa del verde de bromocresol. teniendo en cuenta la fórmula (2). De otra parte para el medio básico (1·10-3 M NaOH. la actividad ai es idéntica a la concentración ci p a -lg a l - A partir de la ecuación (1). c CHA . ya que el ácido y su sal dan diferentes espectros de absorción que se cruzan entre sí en un punto isosbéstico. Esta describe. a una fuerza ácida dada. . punto en el cual se tienen las mismas absorbancias a un número de onda dado (Fig.aH a H aHA cHA donde ai = es la Actividad del ión i En una dilución ideal. Estas concentraciones de equilibrio. pH=8). 2). y por lo tanto el aporte de las dos formas en la concentración total co del ácido débil.c aA. 2). amarillo. la forma de sal azul A que existe sólo en soluciones básicas absorbe en el rango espectral amarillo (máx. los cuales absorben en el rango espectral visible.1) se puede simplificar a (6. A A HA A c c Sustituyendo cHA = co – cA_ (4) en (6. ≈ - nm) y aparece como el color complementario. ≈ 615 nm). . Por otro lado.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.1. En las - soluciones tampón se observan las tonalidades verdes y azules debido a la existencia de HA y A .1. . la ecuación (6.01 Versión: 02 Página 40 de 144 La forma HA que existe sólo en soluciones ácidas absorbe en el rango espectral azul (máx. En solución ácida (cA-= 0.1) y (6. cHA = c0) o solución básica (cHA = 0. .1) nos lleva: cA- A-AHA C AA -AHA A HA AA . la intensidad de la absorción se cuantifica por la Absorbancia que se define en la ecuación (5): A lg Dónde: Io. cA-= c0). . La Ley de Lambert-Beer determina la dependencia de la absorción con la concentración ci de una sustancia i a una longitud de onda constante. En la práctica analítica. y está dada por: A c i i Donde A = Absorbancia a la longitud de onda = Coeficiente de absortividad molar de la sustancia i a la longitud de onda ci = Concentración de la sustancia i d = Ancho de la celda i - Debido a la presencia simultánea de dos sustancias que absorben (en este caso de HA y A ). la ecuación de Lambert Bear toma la forma: A c HA HA A cA . I = La intensidad de la radiación que se utiliza antes y después de pasar por un medio absorbente respectivamente. Como a las longitudes de onda por encima de 625 nm (Fig.1) se simplifica a: HA A eA cA .Código: MFOQ-FQ. A representa la absorbancia de la solución tampón que debe ser medida a una longitud de onda ( A _ HA ).01 Versión: 02 MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Página 41 de 144 Figura 2. CAC A AA- . En esta ecuación. . El cociente que se obtiene a partir de las relaciones (6. Espectros de absorción para el Verde de bromocresol en medio ácido.1.1) y (6. Los coeficientes de absortividad molar ≠ HA _ y A se pueden calcular de las ecuaciones (6.1. de acuerdo a la definición.3) y (6.2) es. igual al grado de disociación . la ecuación (6. - La ecuación (7) da la posibilidad de calcular la concentración de la forma ionizada A . suficientemente alejada del punto isosbéstico.2) a partir de las absorbancias de las soluciones ácidas y básicas del verde de bromocresol a la misma longitud de onda. esto es. 2) prácticamente sólo la base - conjugada A absorbe ( =0). entonces cHA se puede obtener por medio de la ecuación (4). Para el compuesto estudiado en esta práctica se puede utilizar un procedimiento de evaluación alternativo. básico y en las 5 soluciones buffer de pH entre 3 y 6.1. Con cA_ conocido.1. Estos valores cA_ y cHA se pueden usar para obtener la constante del indicador Ka remplazándolos en la ecuación de acción de masas (1). conocido el grado de disociación α la constante del indicador Ka se obtiene a partir de las relaciones obtenidas con las ecuaciones (4) y (8): a cH - El logaritmo decimal negativo de su valor numérico es. igual al valor de pKa.01 Versión: 02 Página 42 de 144 El grado de disociación α puede ser calculado a partir de las absorbancias A y AA_ medidas en una solución tampón o en NaOH a una longitud de onda constante.4. 1 L de . 2 mL Pipeta volumétrica. 250 mL Hidróxido de sodio.6 Procedimiento Pipetas Pasteur Agitador de vidrio 7 Vaso de precipitado de 50 mL Capuchones de goma Termómetro Frasco lavador. 250 mL Agua destilada. De esta manera.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. según la definición (2).4.5 Materiales y Reactivos Espectrofotómetro UV-VIS pH-metro Agitador magnético Celda para espectrofotómetro Balanza de Precisión Cápsulas para pesar Micro espátula 5 Matraz volumétrico de 50 mL 1 Matraz volumétrico. 250 mL Embudo de vidrio. 5.1 M. 100 mL 4 Matraz volumétrico. do= 55 mm Pipeta volumétrica . 0. 5 mL Pera Micropipeta 2 buretas de 50 mL 5.1M. 0. 500 mL Ácido acético Acetato de sodio Solución tampón de ácido acético y acetato de sodio Indicador en polvo bromocresol 1 g verde Ácido clorhídrico. 0 10.5 10. Espectrofotómetro Shimadzu Modelo PC 2401 El espectrofotómetro a usar se muestra en la figura 1.0 35.0 4. Soluciones tampón de ácido acético y acetato de sodio. .0 30.1M.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Preparar 250mL de NaOH 0. aforar con agua destilada. Preparar 250mL de una solución de ácido acético 0. Preparar 250mL de HCl 0. Preparar 5 soluciones tampón de pH entre 3 y 6 (ácido acético V1 y acetato de sodio V2) Tabla 1.0 5.1M.0 4.0 4.0 20.0145g de verde de bromocresol y transferirlo a un matraz aforado de 100 mL.9 5.5 Solución madre de verde de Bromocresol: Disolver completamente en agua 0.1M. V1 /mL S/N Ácido acético V2 /mL S/N Acetato de sodio pH 35.01 Versión: 02 Página 43 de 144 Figura 1.4 30.1 20.0 5.0 3.1M. Preparar 250mL de una solución de acetato de sodio 0. Llevar a volumen el primer matraz con NaOH (c=1·10-3 M). el segundo con HCl (c=1·10-3 M). Leer los valores de absorbancia de las soluciones a cada 5 nm y trazar un gráfico de ellos en función de la longitud de onda.4. 03. Corregir la línea base del espectrofotómetro utilizando agua como blanco.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.11. y los 5 restantes con las soluciones tampón de ácido acético y acetato de sodio. en el intervalo de 700 a 400 nm.7 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio. a una velocidad de barrido lenta.4. 5. en cada uno. 5. PHYWE Systeme GmbH & Co.01 Versión: 02 Página 44 de 144 Tomar 7 matraces de 50 mL y adicionar 5 mL de esta solución madre de verde de bromocresol. KG: Göttingen. 2008. Obtener los espectros de absorción de las 7 soluciones de verde de bromocresol. Dissociation Constants. .8 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments. 0 35.0 20.4 Determinación de la constante de disociación del verde de bromocresol. Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Preparación de soluciones Verde de Bromocresol Verde de V final Concentración Bromocresol (mL) (M) (g) Soluciones Acidas HCl 37% p/p V final (mL) (mL) Concentración HCl 0.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.0 30.0 20.1M V final Concentración (M) (mL) (mL) (M) Soluciones tampón V1 /mL S/N Ácido acético V2 /mL S/N Acetato de sodio 35.0 10.0 5.0 10.1M V final Concentración (M) (mL) (mL) (M) Soluciones Básicas NaOH V final (mL) (g) Concentración NaOH 0.0 30.0 pH experimental . Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N° 5.0 5.01 Versión: 02 Página 45 de 144 ANEXO HOJA DE DATOS. Descripción 1 S/N madre + HCl 1x10-3 M 2 S/N madre + NaOH 1x10-3 M 3 S/N madre + tampón de pH 4 S/N madre + tampón de pH 5 S/N madre + tampón de pH 6 S/N madre + tampón de pH 7 S/N madre + tampón de pH pH experimental Página 46 de 144 .01 Versión: 02 Soluciones de Verde de bromocresol para tomar los espectros de Absorción Temperatura_____oC S/N No.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. se puede obtener a partir de mediciones fotométricas en soluciones con diferentes valores de pH.998·108 m·s-1) c c . La diferencia E entre los estados de energía del estado fundamental (EA) y el estado excitado (EB) está relacionada con la energía absorbida h (ecuación 1). 5. E E -EA Donde h= Constante de Planck (6.5 OBTENCIÓN DEL ESPECTRO DE ABSORCIÓN UV DE p-metoxifenol Y DETERMINACIÓN DE SU pKa Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) 4 horas Indicaciones de peligro: 5.5.5. ecuación de Henderson-Hasselbach.2 Principio La posición del equilibrio de ionización de ácidos débiles en el estado electrónico fundamental la cual está determinada por la constante Ka o los valores de pKa respectivos... S2.). Adicionalmente el valor de pKa * para el estado excitado es accesible a partir de los datos espectrofotométricos.4 Fundamento Teórico La acción recíproca de las radiaciones electromagnéticas en los rangos ultravioleta y visible (espectrofotometría UV-VIS). energía espectroscópica y medidas de absorción. ecuación de Gibbs-Helmholtz. diagrama de Jablonski y el ciclo de Förster. valores de pKa y pKa *. isotermas de reacción de van't Hoff.3 Conceptos relacionados Estado electrónico fundamental y de excitación de las moléculas. Calcular los valores de las constantes pKa y pKa*. fotometría. lleva a que las moléculas de HA pasen del estado electrónico fundamental (S0) a los estados excitados (S1.01 Versión: 02 Página 47 de 144 5. Espectroscopía electrónica de excitación (espectrometría UV-visible). Ley de Lambert-Beer.5.626·10-34 J · s) c= Velocidad de la luz (2.5.1 Objetivo Obtener los espectros de absorción UV del p-metoxifenol.. 5. 5.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. T1. A Donde: NA= constante de Avogadro (6. número de onda y longitud de onda respectivamente. = Actividad de la sustancia i.) (ver fig.626·1023 mol-1) La ley de Lambert-Beer que es que es una de las ecuaciones básicas en espectroscopia establece que la absorbancia A es directamente proporcional a la concentración de la sustancia (ecuación 2).MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. ci = Concentración de la sustancia examinada i d = Ancho de la celda i El espectro de absorción se obtiene al graficar la energía absorbida (E) en función de la energía incidente (. la cual es idéntica a su concentración ci en soluciones ideales. I = intensidades de la radiación antes y después de pasar a través de un medio absorbente de espesor de capa d. 2). E E está dada por: . p a lg a l pH lg cA cHA . A = Absorbancia a la longitud de onda λ = Absortividad molar de la sustancia i a una longitud de onda . = frecuencia. Los espectros de absorción se usan en la elucidación de las estructuras. La energía requerida para la excitación de un mol de sustancia.. la determinación de las concentraciones y la determinación experimental de los parámetros fisicoquímicos moleculares.1): A = H3CO-C6H4-O aH aA aHA a cH cA cHA Donde. Los valores de Ka y pKa que caracterizan el equilibrio de disociación de ácidos débiles (p-metoxifenol en este caso) están dados por las ecuaciones (3) y (3. . Los valores de Ka (o pKa) de los estados fundamental y excitado se pueden determinar a partir de las . A lg i ci Donde: Io.01 Versión: 02 Página 48 de 144 . - donde co = concentración total de p-metoxifenol (cHA + cA ) En medio ácido (HCl) donde la concentración de cA. De otra - parte en medio alcalino (NaOH) la concentración de cHA = 0 y por tanto la de cA = co (ecuación 2. . . la ecuación 2. A esta condición la ecuación (2. la ley de Lambert-Beer es válida en la forma: A HA cHA HA c cA HA cHA cA A cA c cHA A A . c HA A .MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. donde : . 3). - Para el p-metoxifenol.1.2). El valor de pKa puede determinarse al graficar las absorbancias medidas en función del pH de soluciones tampón.01 Versión: 02 Página 49 de 144 - mediciones fotométricas cuando el correspondiente par ácido-base (HA. la absorbancia común del ácido HA y la base de A a valores intermedios de pH. En términos matemáticos estas relaciones son determinadas por la ecuación 4.1 se simplifica (ecuación 2. A ) presentan espectros UV-VIS diferentes (ver la figura 2). . El valor de pH correspondiente a la absorbancia de A= (AHA + )/2 es de esta manera igual al valor de pKa para el electrón en estado fundamental (Fig.es prácticamente igual a cero de tal manera que la concentración de cHA corresponde a la co. HA c A En un medio regulado por un buffer de pH=pKa las concentraciones del par ácido-base son iguales (CHA = CA-= co / 2).1) toma la siguiente forma: HA c A c HA A . El diagrama de Föster es de utilidad para visualizar las relaciones energéticas involucradas en las transiciones electrónicas. La longitud de onda usada en estas mediciones debe estar lejos del punto isosbéstico ( ≠ -).1.1). . (1. R = constante universal de los gases (8.31441 J · K-1 · mol-1) T = Temperatura Asumiendo que las entropías de disociación son iguales ( = ) se obtiene entonces por sustracción. HA A . .381·10-23 J·K-1) y de acuerdo a la definición dada en la ecuación (3. l a l H a H A partir de esta ecuación y junto con las ecuaciones (4). - Página 50 de 144 = energía de excitación molar de los correspondientes ácido o base . Donde kB = Constante de Boltzmann (R / NA = 1. respectivamente.1) y (1) se obtiene: l a l a E HA E A A c EHA E A HA A . . lo siguiente es válido para la constante del ácido: l a l a S H S H .01 Versión: 02 MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA . se deduce que: p donde: a p a c .Código: MFOQ-FQ. De acuerdo con la isoterma de reacción de Van't Hoff para el estado de equilibrio y la ecuación de Gibbs-Helmholtz.1). = entalpía molar estándar de disociación en el estado fundamental y excitado. donde Entalpías de disociación molar libre estándar y entropías de disociación molar estándar en el estado fundamental y excitado. el mismo grado de orden de los correspondientes ácidos y bases en los estados fundamental y excitados. 01 p-metoxifenol. Conociendo los valores de pKa y calcular el valor de o - del espectro UV-VIS del p-metoxifenol se puede . 250 mL Ácido bórico en polvo.5. conversión de logaritmo natural a logaritmo en base 10.01 Solución tampón de pH 7. 0.. d= 55 mm Micro espátulas Termómetro. 10 g Agua destilada. 1 g Ácido clorhídrico. pH-metro Balanza 3 Vidrio de reloj 1 Soporte universal 1 Pinza para Bureta 1 Bureta de 50 mL 7 balones aforados de 50 mL 5 balones aforados de 100 mL 4 balones aforados de 250 mL 1 Pipeta aforada.01 Versión: 02 Página 51 de 144 2.215 Y1=0.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. X1=10. Determinación grafica para el valor de pKa de p-metoxifenol (a partir de los datos de la fig.5 Materiales y Reactivos Espectrofotómetro UV-VIS Celda para espectrofotómetro Medidor de Potencial de pH. 5 mL Pera Pipetas Pasteur Capuchones de goma Embudo vidrio. 250 mL Hidróxido de sodio. 0. -10 . 1L . 2) 5..303 = lnKa /lgKa. 500 mL Solución tampón pH 10.1 M. +50 ° C Frasco lavador.1 M.401 Figura 3. Para la toma de los espectros de absorción.1 M (V2) y NaOH 0. los valores V1 listados en la tabla 1. Revisar los valores de pH con un pH-metro previamente calibrado con dos soluciones tampón. Si es necesario. Tomar los espectros UV de estas soluciones entre 260 y 350 nm a una velocidad de registro lenta. Completar a volumen con las soluciones de HCl 0.5. Preparar las siguientes soluciones: 250 mL de p-metoxifenol 0.1 M (V3) indicados.062 g de pmetoxifenol y llevar a un matraz aforado de 250 mL. Soluciones tampón: Llenar una bureta con solución de ácido bórico.1 M. ajustar los valores mediante la adición de ácido o base. cada uno con una solución buffer diferente de las cinco preparadas.002 M: Pesar 0. tomar siete balones aforados de 50 mL y adicionar a cada uno 5mL de la solución 0.101 g de ácido bórico. disolver en agua destilada y completar a volumen. utilizando tamaño de paso de 2 nm. disolver en un poco de agua destilada y completar a volumen de 250 mL con agua destilada. el segundo de manera similar con 0. Solución madre de ácido bórico: Pesar 3. El blanco de cada solución es la solución con la que se completó . Espectrofotómetro UV Shimadzu Modelo PC 2401 Se usa el espectrofotómetro que se muestra en la figura 1.01 Versión: 02 Página 52 de 144 5. éstas soluciones tienen una concentración de aproximadamente 2·10-4 M.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. adicionar a cinco matraces de 50 mL.6 Procedimiento Figura 1.002 M de p-metoxifenol con una pipeta aforada de 5 mL.1 M de NaOH y los cinco matraces restantes. luego completar a volumen el primer matraz con ácido clorhídrico 0. 0 25. 10.0 pH=1 (◊) rojo pH=10.0 26.5 25.0 11.0 10.5. 07.04.5. 5. obtener también los espectros de los blancos. Nota: Cuando el electrodo de pH no esté en uso. 2008. KG: Göttingen.1M NaOH) pH 40.0 39.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.5 () lila pH=9 (X) azul pH=11 () café pH=9.0 11. 9. 9.0 10.5 () verde pH=13 (◊) negro pH=10 (◊) naranja Figura 2.5.0 24. Obtener los valores de absorbancia a las longitudes de onda de máxima absorción.0 21.0 10. Soluciones buffer de Borato (de acuerdo a Sörensen y Clark) V1 /mL Solución madre V3 /mL (0. 10.5 29.0 9. se debe mantener en una funda protectora que contenga una solución de cloruro de potasio 3.01 Versión: 02 Página 53 de 144 el volumen. 11 y 13 a T=300oK 5.5. .0 9. Tabla 1.5 M.7 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio.8 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments. Absorption spectra and pKa values of p-methoxyphenol. Espectro de absorción de p-metoxifenol (co=2·10-4 M) en soluciones de pH 1. PHYWE Systeme GmbH & Co. 5 29. Soluciones tampón de Borato V1 /mL Solución madre de ác.0 21.0 11. Temperatura_____oC S/N No.1M NaOH) pH (guía) 40.0 10.0 25.Código: MFOQ-FQ.0 10.0 9. Descripción pH (guía) 1 S/N madre + HCl 0.0 10.0 9.0 pH experimental Tabla 2. bórico V3 /mL (0.0 39.5 25.1M 1 2 S/N madre + NaOH 0.0 26.0 11.5 Obtención del espectro de absorción UV de p-metoxifenol y determinación de su pKa Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Tabla 1. Soluciones de p-metoxifenol para tomar el espectro de Absorción.01 Versión: 02 MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Página 54 de 144 ANEXO HOJA DE DATOS.1M 13 3 S/N madre + tampón de pH 9 pH experimental .0 24. Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N° 5. 01 Versión: 02 Página 55 de 144 .MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA 4 S/N madre + tampón de pH 9.5 7 S/N madre + tampón de pH 11 Código: MFOQ-FQ.5 5 S/N madre + tampón de pH 10 6 S/N madre + tampón de pH 10. La aplicación por ejemplo del modelo del electrón en una caja de potencial unidimensional para colorantes con sistemas π conjugados proporciona resultados que concuerdan bastante bien con los resultados experimentales.2 Principio La posición de la banda de absorción correspondiente a la transición π . fotometría. estados fundamental y excitado de moléculas. 5.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.6.6 TRANSICIONES ELECTRÓNICAS DE COMPUESTOS CROMÓFOROS Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) 4 horas Indicaciones de peligro: 5. 5. espectroscopia de excitación electrónica (espectrometría UV-visible).1 Objetivo Medir el espectro de absorción del colorante azul de metileno en el rango del visible de la radiación electromagnética. teoría química del color. .π * en el espectro UV-visible de los compuestos orgánicos que tienen sistemas cromóforos puede calcularse de manera aproximada por varios métodos. modelo de los electrones en una caja de potencial unidimensional. La energía de la radiación absorbida hn es igual a la diferencia ∆E entre los estados de energía del estado fundamental (EA) y el estado excitado (EB). Comparar la longitud de onda en el máximo de absorción del espectro obtenido con el valor calculado de la representación del electrón en una caja unidimensional.6.01 Versión: 02 Página 56 de 144 5.6.6.4 Fundamento Teórico La acción recíproca sobre las estructuras moleculares debida a la radiación electromagnética en el rango espectral de 200 a 800 nm y que abarca la región UV-VIS conduce a la transición de electrones desde su estado fundamental al estado excitado junto con excitaciones de tipo rotacional y vibracional (espectroscopia electrónica. 5. Discutir esta comparación. cromatografía. Ley de Lambert-Beer. energía espectroscópica y medida de adsorción.3 Conceptos relacionados Modelo atómico de mecánica de ondas. . . 3). = frecuencia. = intensidad de la radiación antes y después de pasar a través de un medio absorbente de espesor de capa d A = Absorbancia a longitud de onda ci = Concentración de la sustancia examinada i d = Ancho de la celda La absorción también puede definirse a partir de la absortividad molar i o su respectivo logaritmo el cual es independiente de la concentración.) da el espectro de absorción (Fig. el grado de absorción está determinado por la Absorbancia A (dependiente de la concentración) la cual se define a partir de la ley de Lambert-Beer A lg i ci Donde .. A partir de este se pueden obtener las coordenadas en los máximos de absorción (max.998·108 m·s-1) . Figura 2. Ejemplo para la energía potencial Epot de un electrón a lo largo del sistema π conjugado de la molécula de -caroteno. i. número de onda y longitud de onda de la radiación electromagnética En espectroscopia UV-VIS.max ).01 Versión: 02 Página 57 de 144 c Donde h= constante de Planck (6.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA E E EA c Código: MFOQ-FQ.626 · 10-34 J · s) c= Velocidad de la luz (2. La gráfica de la energía absorbida (E) en función de la energía incidente (. De acuerdo con el modelo del electrón en una caja unidimensional (Fig. . Así el carácter de ondas de De Broglie puede atribuirse al electrón.01 Versión: 02 Página 58 de 144 ◊ = antes de la extracción X = después de la extracción = después de la segunda extracción Figura 3. desde el nivel de energía más alto ocupado (nA) hasta el nivel más bajo de energía no ocupado (nB = nA + 1). 2). o equivalentemente la transición electrónica de menor energía. y Donde: =masa de un electrón (9. . un electrón puede moverse libremente en la caja de baja energía de longitud L que está determinada por la expansión del sistema conjugado.…) Los números cuánticos n que aparecen en las ecuaciones (3) y (4) corresponden a estados de energía cuantizados que para sistemas multielectrón son ocupados por los electrones en pares de acuerdo con los principios de construcción y de exclusión de Pauli. Las siguientes relaciones son soluciones válidas de la ecuación de Schrödinger para la longitud de onda cuantizada Λ y la energía E Λ. Ejemplo de un espectro de absorción de caroteno en acetona La posición de la banda de absorción a las longitudes de onda mayores en el espectro UV-visible de sistemas con enlaces-π conjugados. por lo que las ondas estacionarias se forman después de la interferencia. Por lo tanto con la absorción de luz a la mayor longitud de onda. y estos son reflectados en las paredes de mayor energía potencial Epot. puede ser estimado usando varios métodos empíricos y representaciones de modelos teóricos. se produce de acuerdo con la regla de selección.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.109·10-31 Kg) n = número cuántico ( . La siguiente relación se obtiene de la ecuación (4) para la energía excitación E E ( e A ) . 6. entre 350 y 700 nm a intervalos de medida de 1 nm. Espectrofotómetro UV Shimadzu Modelo PC 2401 Tomar 100 microlitros de la solución de azul de metileno y diluirlo a 100mL con agua destilada. a intervalos de medida de 2 nm. Si la concentración del colorante es muy alta. 1L l Compuesto cromóforo analítico 5. 5. entre 350 y 700 nm. número de onda o longitud de onda usando la ecuación (1). Realizar una gráfica con las parejas de valores. a una velocidad de registro lenta. de 350 a 700 nm. 1.6 Procedimiento El espectrofotómetro que se usa para esta práctica se muestra en la figura. Leer y registrar los pares de datos de valores de longitud de onda y de extinción en el rango espectral que aparece en la pantalla.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. diluirlo hasta que haya una extinción a 660 nm de entre 0.0 contra agua como referencia.01 Versión: 02 Página 59 de 144 La posición de la banda de absorción correspondiente a esta energía puede ser expresada en términos de la frecuencia correspondiente. Figura 1.6. Tomar el espectro de absorción de la solución en el rango visible. .8 y 1.5 Materiales y Reactivos Espectrofotómetro UV-VIS Celda para espectrofotómetro 1 Transferpipeta 0-100μL Balón de 100 mL 1 Pipeta pasteur 1 capuchón de goma Frasco lavador de 500 mL Agua destilada. MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.8 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments. 2008. KG: Göttingen. 07. Excitation of molecules. PHYWE Systeme GmbH & Co.7 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio.6.03. 5.01 Versión: 02 Página 60 de 144 5.6. . Así. la cual está favorecida por la presencia de átomos pesados. y se discutirá la capacidad fluorescente de los colorantes. Tipo de práctica: Duración de la práctica: Indicaciones de peligro: Grupal (3-4 personas) 4 horas ninguna 5. R=Br eosina. estados excitados (singlete.1 Objetivo Obtener el espectro de fluorescencia de la serie de colorantes mostrados en la figura 1 y relacionar la intensidad de fluorescencia con la estructura molecular.3 Conceptos relacionados Espectroscopia electrónica. 5. procesos fotofísicos. R=I eritrosina.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. excitación y fluorescencia de todos ellos.7.7.7 EFECTO DE LA ESTRUCTURA MOLECULAR EN LA CAPACIDAD FLUORESCENTE DE COLORANTES. Figura 1. cinética .7. depende en gran medida de la interacción spin-órbita. que supone un cambio de multiplicidad.01 Versión: 02 Página 61 de 144 5. la constante de velocidad fluorescente viene gobernada fundamentalmente por el momento dipolar de transición entre los estados So y S1. En esta práctica se evalúa la intensidad de fluorescencia de la fluoresceína y de una serie de derivados halogenados. Se analizarán las diferencias observadas entre los espectros de absorción y excitación. por tanto está relacionada directamente con la probabilidad de absorción. Se registrarán los espectros de absorción. (ESPECTROSCOPÍA DE FLUORESCENCIA). El cruce intersistema.2 Principio La probabilidad (constante de velocidad) de los procesos de desactivación de estados electrónicos excitados viene controlada por una serie de aspectos relacionados con la estructura molecular. R=H fluoresceína. considerando factores instrumentales. 5. triplete). por lo que los estados electrónicos excitados suelen tener tiempos de vida muy cortos. con una constante de velocidad Kp.4 Fundamento Teórico La absorción de radiación UV-VIS por una molécula conlleva a la formación de un estado electrónico excitado. la intensidad de fosforescencia es en general mucho menor que la florescencia. Puesto que transiciones entre niveles de distinta multiplicidad están prohibidas. La emisión fosforescente siempre está situada a menores energías que la fluorescencia ya queT1 es menos energético que S1. Figura 2. La emisión de las luz debida a una transición entre niveles de distinta multiplicidad (por ejemplo.01 Versión: 02 Página 62 de 144 fotoquímica.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. 5. … etc.7. Resumen de los procesos fotofísicos primarios . las moléculas excitadas vuelven rápidamente al estado fundamental perdiendo la energía de excitación. los procesos radiativos (la energía de excitación es convertida en emisión de luz) y los procesos no radiativos (la energía se disipa en forma de calor). del estado triplete T1 al estado fundamental S0) se denomina fosforescencia. La emisión de un fotón desde el estado S1 al estado fundamental S0 se llama Fluorescencia y está caracterizada por una constante de velocidad Kf. y el tiempo de vida fosforescente (microsegundos a segundos) es siempre muy superior al de fluorescencia (nanosegundos). Hay dos tipos de procesos de desactivación. El estado fundamental de la mayoría de los sistemas moleculares es un estado singlete S0. Al disponer las moléculas de una energía extra. S2. por lo que la absorción de la luz conlleva a estados singletes excitados S1. siendo muy difícil de observar a temperatura ambiente. Modelo 2401 PC 5. 2x10-5 M a pH=12 Espectrofotómetro de Fluorescencia.01 Versión: 02 Página 63 de 144 Una molécula excitada en S1 también puede sufrir un proceso de desactivación no-radiativo al estado fundamental S0.7.6 Procedimiento 5. Además de estos procesos unimoleculares de desactivación. La medida de los distintos .MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. una molécula en el estado excitado S1 puede ser desactivada por la presencia de una segunda molécula mediante un proceso biomolecular. Obtención del espectro de absorción. una molécula altamente fluorescente se caracterizara porque Kf predomina sobre Kci y Kcis. transferencia de energía o formación de complejos.5 Materiales y Reactivos 4 vasos de precipitado de 50 mL 4 goteros 1 varilla de agitación Fluoresceína 2x10-5 M a pH=12 Eosina amarillenta 2x10-5 M a pH=12 Eritrosina B. El desactivador es capaz de aceptar y/o disipar la energía de excitación de la molécula original mediante diversos mecanismos tales como colisiones. Por otra parte. proceso llamado conversión interna (constante de velocidad Kci). Este proceso extra de desactivación compite con los procesos anteriores y una consecuencia directa del proceso es la perdida de la intensidad de emisión de la muestra por la presencia del desactivador. y el hecho de observar uno a otro dependerá de las velocidades relativas de los diferentes procesos.7. fluorescencia y excitación. conversión interna a S0 y cruce intersistema a T1 son todos procesos de desactivación de S1 que compiten entre sí. Fluorescencia. Shimadzu. Photon Techology International. 5. Modelo QM-40 Espectrofotómetro UV/VIS.7. la molécula en S1 puede también pasar a un estado triplete de menor energía T1 mediante un proceso noradiativo de cruce intersistema (constante de velocidad Kcis). Así.6.1. Obtención del espectro de Absorción. Haciendo uso del espectro de absorción definir los parámetros del espectro de fluorescencia de la fluoresceína. Solo interesa observar la banda más importante. Obtención del espectro de fluorescencia. b. Una buena aproximación es considerar que: El espectro de fluorescencia es la imagen especular del de absorción. El espectro de florescencia se corta con el de absorción a una con un valor de la absorbancia que corresponde a la mitad de la absorbancia del máximo. Para ello: Dibujar sobre el espectro de absorción el posible espectro de fluorescencia. Tomar el espectro de absorción de la fluoresceína entre 250 y 650 nm. Tomar el espectro de fluorescencia. Un criterio es: exc=i-10nm Si al registrar el espectro la señal es tan intensa que satura al detector. a. Teniendo en cuenta esto. elegir una exc que corresponda a una menor absorción. Un criterio es em > f + 10nm. Seguir las instrucciones de funcionamiento del equipo. Si al hacer el espectro la señal es tan intensa que satura al detector. Obtención del espectro de excitación Haciendo uso de los espectros de absorción y fluorescencia defina los parámetros del espectro de excitación. Se debe cumplir que (exc) < i .MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Obtener el valor de la longitud de onda de excitación (exc).01 Versión: 02 Página 64 de 144 espectros se realizará en esta parte para la fluoresceína. Dar el nombre al archivo para guardar el espectro Imprimirlo. elegir una em que . Localizar los máximos (longitud de onda e intensidades) Imprimir el espectro. c. Obtener del dibujo los valores inicial (i) y final (f) para el barrido de fluorescencia. obtener los valores inicial (i) y final (f) para el barrido de excitación: Obtener el valor de la longitud de onda de emisión (em) Se debe cumplir que em > f. Añadir 3 gotas de fluoresceína a la celda y diluir con agua. El espectro de excitación aparece en el mismo intervalo que el de absorción. 8 Análisis de datos Coinciden los espectros de excitación y de absorción de la fluoresceína?. Química Física. Añadir 2 gotas de colorante a la celda y diluir con agua.2 Obtención de los espectros de absorción y fluorescencia de la fluoresceína. Dar nombre al archivo y guardarlo.6. Añadir 3 gotas de fluoresceína a la celda y diluir con agua.9 Bibliografía M. Alahambra Universidad. ¿Cómo se puede distinguir una emisión fluorescente de una señal Raman? 5. eosina y eritrosina. volume 2. ¿Ocurre igual en cualquier sistema? Correlacionar la capacidad fluorescente de los colorantes con la estructura molecular y discutir las diferencias. Tomar el espectro de emisión entre 460 y 650 con exc =440nm. Dar el nombre al archivo para guardar el espectro Imprimirlo. Díaz Peña and A.7.7.7. Roig. 5.01 Versión: 02 Página 65 de 144 corresponda a una menor fluorescencia. 5. Imprimir el espectro de emisión de las tres sustancias juntas. Para las tres sustancias: Tomar el espectro de absorción entre 250 y 650 nm. Seguir las instrucciones de funcionamiento del equipo. Comentar por qué la banda de fluorescencia está situada a mayores longitudes de onda que la banda de absorción.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. 1972.7. 5. .7 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio. Tomar el espectro de excitación. (ESPECTROSCOPÍA DE FLUORESCENCIA).8. . reacción ( ). procesos fotofísicos. cinética fotoquímica. 5. estados excitados (singlete.01 Versión: 02 Página 66 de 144 5. absorbe un fotón de luz y se convierte en molécula excitada.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.3 Fundamento Teórico Figura 1. la riboflavina puede volver al estado fundamental por transferencia de energía al I-.8 TRANSFERENCIA DE ENERGIA DE MOLÉCULAS EXCITADAS DE RIBOFLAVINA: ECUACIÓN DE STERN-VOLMER.1 Objetivo Demostrar la transferencia de energía de una molécula excitada (riboflavina) a otra no excitada (KI). Molécula de Riboflavina.8.8. Cuando la riboflavina. no emitiendo fotón (“quenching”). Tipo de práctica: Duración de la práctica: Indicaciones de peligro: Grupal (3-4 personas) 4 horas ninguna 5.2 Conceptos relacionados Espectroscopia electrónica. D* (reacción 1) un camino favorable para la vuelta al estado fundamental es la emisión de un fotón o fluorescencia (reacción 2) En presencia del ión I-. 5. triplete). que se representará por D. 5. el número de colisiones efectuadas.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.4 Materiales y Reactivos 1 matraz aforado de 500 mL 1 matraz aforado de 250 mL 1 matraz aforado de 100 mL 6 matraces aforados de 25 mL 3 vasos de precipitado de 50 mL 1 pipeta aforada de 10 mL 1 pipeta aforada de 1 mL 1 pipeta graduada de 5 mL 5. que se representa por IF.como amortiguador. en este caso la concentración de iones ioduro.5 Procedimiento Espectrofotómetro de Fluorescencia. Modelo QM-40 Gotero Transferpipeta Agitador Riboflavina Ioduro de potasio . b. Ello vendrá relacionado con las concentraciones de riboflavina y I-. La competencia entre estos dos procesos. puede considerarse de esta manera: si la molécula de riboflavina excitada no colisiona con los iones I-.8.8. Photon Techology International. se desactivarán por emisión no fotónica.la intensidad de la fluorescencia. (No todas las colisiones son efectivas dando transferencia de energía). la eficacia (kQ) del anión I. A mayor duración de la molécula de riboflavina en el estado excitado más se favorecerá la reacción 3 antes que la 2.y la fluorescencia “quencheada” o amortiguada (IF) está relacionada con estas variables mediante la ecuación de SternVolmer: Donde c es la cantidad de amortiguador. el tiempo de vida media del estado excitado ( ). fluorescencia de emisión y quenching de fluorescencia. será dependiente de: a. El cociente entre la fluorescencia no “quencheada” –o no amortiguada (I0F).01 Versión: 02 Página 67 de 144 En una disolución con riboflavina y I. c. 2001.8.8. 5.6 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio. 2003. 5. Preparación de soluciones: a.3. Representar el cociente I0F/IF de la lectura de fluorescencia (área de la banda) para cada disolución frente a la concentración de KI.8 Bibliografía M.5. en 6 matraces aforados rotulados del 0 al 5. 500 mL de riboflavina 6.1. University Science Books. Turro. Wiley-VCH.5x10-5 M b. N. KQ. Alahambra Universidad.8.4 y 5 mL de yoduro de potasio 0. 1991.5.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Pearson Educación. Espectroscopia.8.8. suponiendo que la reacción 3 está controlada por difusión. introduciendo 10 mL de ruboflavina inicial y enrasando a 100 mL. Valeur. Bertrán and J Nuñez. 100 mL de riboflavina 1/10. 1972. B.01 Versión: 02 Página 68 de 144 5. J.2. Ariel ciencia. Molecular Fluorescence. Estimar el valor del tiempo de vida media de fluorescencia de la riboflavina. 1. introducir 1 mL de disolución de riboflavina 1/10 y 0. Zuñiga.1 M c. Modern Molecular Photochemistry. Estimar un valor para la constante de desactivación bimolecular. 2004. 5. Roig.J. Disoluciones por pareja: a. Díaz Peña and A. 5. . Quimica fisica. A. Para ello excitar a 450 nm y medir el espectro de emisión entre 475 y 650 nm. Completar a volumen con agua. 200 mL de KI 0. Medir la fluorescencia de las disoluciones de menor a mayor concentración de KI.1 M.7 Análisis de datos Deducir la ecuación de Stern-Volmer.2. Requena and J. Química Física. volume 2. 1.1.2 Principio Los líquidos y los gases tienen viscosidades distintas debido a que presentan diferencias de fricción interna entre sus moléculas. A . 6. ley de Stokes. calcular las barreras de energía para superar la fricción interna entre los componentes de una mezcla. La viscosidad y la energía de fricción interna se pueden determinar experimentalmente midiendo la velocidad de caída de una esfera dentro de un tubo ocupado con el líquido a ser investigado. cada una de área A y separadas por una distancia dx y con velocidad dw.3 Conceptos relacionados Líquido newtoniano. 6.1 MEDIDAS DE VISCOSIDAD CON EL VISCOSÍMETRO DE ESFERA DESCENDENTE Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) 4 horas Indicaciones de peligro: 6.1 Objetivos Determinar la viscosidad de: Varios líquidos y mezclas de líquidos de diferente composición a temperatura constante.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.1. 6.4 Fundamento teórico La viscosidad dinámica de un líquido se define como la Fuerza F que se requiere para mover dos capas paralelas de líquido.1. una contra la otra. A partir de la dependencia entre la viscosidad y la temperatura.01 Versión: 02 Página 69 de 144 PARTE EXPERIMENTAL FISICOQUÍMICA II 6. líquidos en función de la temperatura. fluidez. La viscosidad de una sustancia es función de su estructura y temperatura. medidas de viscosidad. viscosidad dinámica y cinética. El recíproco de la viscosidad dinámica es designado como fluidez (3) Según la ley de Stokes. una partícula esférica de radio r moviéndose en un líquido de viscosidad influencia de una fuerza F alcanza una velocidad constante bajo la (4).MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Para calcular la densidad del líquido a una temperatura T se puede usar la relación: m=Masa del líquido V=Volumen del picnómetro .01 Versión: 02 Página 70 de 144 Al relacionar la viscosidad dinámica con la densidad de un líquido se obtiene la viscosidad cinética (2). los cálculos se simplifican introduciendo una constante esférica K que resulta de la combinación de las cantidades constantes de la ecuación (6) con factores del aparato: ( ) =Velocidad de caída de la esfera para una distancia de medición s = 100 mm. ( ) La relación (6) para el cálculo de la viscosidad que se deriva de (4) y (5) sólo se considera como una ley límite para medios expandidos (el radio de la esfera puede ser despreciado con respecto al del tubo de gravedad). r Para la caída de una esfera en el campo gravitacional de la tierra la fuerza motor F es igual al producto entre la aceleración de la gravedad g y la masa efectiva m’ la cual puede ser expresada como la diferencia de densidad entre la esfera ( ) y el líquido ( ). ( ) Para viscosímetros comerciales de esfera descendente con esferas calibradas. la disminución de la viscosidad con el incremento de la temperatura puede ser descrita por la siguiente función determinada empíricamente. Ce R = 8. Para muchos líquidos. Dependencia de la viscosidad con la composición (fracción másica w) del sistema aguametanol a temperatura constante (T = 298 K). La viscosidad también se relaciona con otros fenómenos de mezcla tales como el volumen de contracción y la entalpía de mezcla. En mezclas de dos líquidos.31441 J·K-1 ·mol-1 Constante universal de los gases E . M xi= Fracción molar ni=Cantidad de sustancia mi=Masa de la sustancia i Mi=Masa molar de la sustancia i Figura 2.01 Versión: 02 Página 71 de 144 La viscosidad es una a función de la estructura y la temperatura. los cambios que exhiben las medidas de viscosidad son una consecuencia del comportamiento no lineal de los líquidos.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. wi= Fracción másica mi= Masa de la sustancia i M M . Dependencia de la temperatura con la viscosidad dinámica respectivamente. y E es una expresión de la energía molar que se requiere para superar la fricción interna. Dependencia de la viscosidad con la composición (fracción molar x) del sistema de aguametanol a temperatura constante (T = 298 K). Figura 4. . Figura 3. l E l C .01 Versión: 02 Página 72 de 144 En esta relación. análoga a la ecuación de Arrhenius. del agua (o) y metanol (+).MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. C representa una constante dependiente del sistema. Esta energía de activación puede determinarse a partir de la pendiente obtenida por la relación lineal entre y 1/T (Figura 4). libre de burbujas. di = 6 mm Cronómetro digital.6 Procedimiento Disponer el montaje experimental como se muestra en la figura 1. d = 8-12 mm Manguera. calibrado. Soporte. Montaje experimental. Preparar el viscosímetro de esfera descendente conforme a las instrucciones de uso y llenarlo. 150 mL Vaso de precipitados.5 Materiales y reactivos Viscosímetro de esfera descendente Termómetro. Preparar las mezclas a evaluar. 1/100 s Balanza de precisión.1. con la mezcla de la primera prueba. Conectar con mangueras el viscosímetro de esfera descendente a la unidad de conexión de la bomba del termostato. 5 L 6. h = 750 mm Pinza de ángulo recto Pinza universal con articulación Picnómetro. 6 L.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 73 de 144 6. 100 mL 11 Vasos de precipitados. . 24-51 °C Termostato de inmersión. 500 mL Agua destilada. Asegurar las conexiones de las mangueras con abrazaderas y llenar la cubeta del termostato con agua destilada. 25 mL 9 Matraces aforado. 500 mL 2 Líquidos puros a evaluar. 620 g Frasco lavador. Figura 1. 100 °C Cubeta para termostato Makrolon.1. 250 mL Pipetas Pasteur Capuchones de goma 6 Abrazadera para manguera. Bibliografía Chemistry: Laboratory experiments. llenarlos con éste y repetir el procedimiento. secarlo rápidamente y pesarlo de nuevo. Calcular la media aritmética de los valores medidos. 2008. y dejarlo estabilizar en el baño termostatado durante aproximadamente 10 minutos.01 Versión: 02 Página 74 de 144 Usar la esfera número 1 (fabricada con vidrio de borosilicato) apropiada para investigaciones en el rango de viscosidad dado.7 Disposición final de los residuos generados en la práctica: tener en cuenta las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio.1. Purgar completamente el tubo de gravedad y el picnómetro con el otro líquido. fijarlo al soporte. y el volumen del picnómetro. p 15 . Estas se determinan de la siguiente manera: pesar el picnómetro limpio y seco. Colocarla en el tubo de gravedad y durante aproximadamente 10 minutos dejar que el viscosímetro se estabilice hasta una temperatura constante de trabajo (por ejemplo T = 298 K). Kinetic Theory. medir la dependencia de la viscosidad con la temperatura de los líquidos puros en el rango de temperatura entre T1 y T2 oK por etapas de 5 oK.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. PHYWE Systeme GmbH & Co. 6. A continuación. Lec 01. 6. Calcular la densidad del líquido a partir de la diferencia de masa de las dos pesadas. Repetir este procedimiento con cada una de las mezclas de prueba. Posteriormente llenarlo con el líquido puro en estudio. Viscosity Measurements with the Falling Ball Viscometer. Tapar el picnómetro. KG: Göttingen. determinar tres veces la caída t. Las densidades de los líquidos son necesarias para los cálculos.1. Luego.8. 8 0.9 1.1 0.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N° 6.0 1 2 3 Densidad (g/mL) .7 0.4 0.3 0. Resultados de tiempo de caída t y viscosidad para diferentes mezclas de líquidos a la temperatura constante indicada. t (s) w L1 0.2 0.1 Medidas de viscosidad con el viscosímetro de esfera descendente Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Tabla 1. T = ____________ Líquido 1=L1 _______________ Líquido 2= L2 ________________ Mezclas m(g) L1 m(g) L2 Promedio de t (s) Tiempo de caída.0 0.6 0.5 0.01 Versión: 02 Página 75 de 144 ANEXO HOJA DE DATOS. Los intervalos de temperaturas serán dados según criterio del docente. t (s) Temperatura. Resultados de viscosidad Código: MFOQ-FQ. Promedio 3 . t (s) Temperatura.01 Versión: 02 Página 76 de 144 del líquido puro (o mezcla) en función de la temperatura.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Tabla 2. Muestra(s) a evaluar: __________________________________ Tiempo de caída. T( ) 1 2 T( ) 1 2 Densidad de t (s) (g/mL) Promedio Densidad de t (s) (g/mL) 3 Tiempo de caída. La entalpía de mezcla es cero si no hay interacciones intermoleculares (esto se asume para llamadas mezclas ideales). Este efecto de calor depende de la proporción de la mezcla.3. entalpía molar integral de mezcla. comportamiento real e ideal. 6.2.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. calorimetría. 6.01 Versión: 02 Página 77 de 144 6. DETERMINACIÓN DE LA ENTALPÍA DE MEZCLA EN FLUIDOS BINARIOS Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) 4 horas Indicaciones de peligro: 6.2. Las interacciones entre dos líquidos pueden causar efectos endotérmicos (disminución de conjuntos o conformaciones supramoleculares). La entalpía integral de mezcla y la entalpia molar diferencial de mezcla pueden ser determinadas por medidas calorimétricas de calores de reacción. Fundamento teórico El cambio de entalpía observado cuando dos líquidos se mezclan es igual a la suma de los cambios de entalpía que se producen durante el proceso de mezcla.2. La entalpía de mezcla ∆MH está influenciada por las interacciones que se establecen entre las moléculas involucradas.2.1.2. Discutir los resultados sobre la base de las interacciones en la mezcla.2. Hacer una gráfica de entalpía integral molar de mezcla versus cantidad de sustancia (fracción molar) y determinar la entalpía molar de mezcla.4. o efectos exotérmicos (formación de conjuntos o conformaciones . 6. Conceptos relacionados Entalpia molar diferencial de mezcla. Objetivos Determinar la entalpía integral de mezcla de siete mezclas diferentes de líquidos. principios fundamentales de la termodinámica. Principio Cuando se mezclan dos líquidos miscibles se produce un efecto de calor positivo o negativo causado por las interacciones intermoleculares. La cantidad de calor intercambiado por mezclar nA moles del componente A con nB moles del componente B es denominado entalpía integral de mezcal ∆MHI. ∑ con M e p cal e p cal Wel e p cal Figura 1. A . sucesivamente. La entalpía molar integral de mezcla (referida a un mol de mezcla) se calcula como sigue: Para mezclas binarias. la proporción de mezcla normalmente está caracterizada por la abundancia molecular (fracción molar).MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Si una sustancia se adiciona a otra.01 Versión: 02 Página 78 de 144 supramoleculares de diferentes moléculas). Entalpía molar integral de mezcla en función de la fracción molar. hasta que se alcanza cierta proporción de mezcla. . la entalpía integral de mezcla se obtiene sumando los valores de entalpía individuales. 01 Versión: 02 Página 79 de 144 La dependencia de la entalpía integral de mezcla con el número de moles de los dos componentes a presión y temperatura constantes. está definida por: ( ( ( ) ) ) ( ( ) ) o ( ) con ( ( ) ) ∆MHj= Entalpía diferencial molar de mezcla de la componente j De la integración a composición constante resulta: La división de (5) en (nA + nB) produce: La figura 1 muestra la gráfica de ∆MHI frente a la proporción de mezcla expresada como la abundancia molecular de acetona xacetona. Utilizando las ecuaciones (10) y (11).MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. M HA ( ( MH ) A ( ) ) MH . 5 Materiales y reactivos Unidad básica Cobra 3 Barra magnética de agitación. Los resultados para cada líquido. digital. 6. pueden ser introducidos en una tabla de datos y luego ponerlos juntos en un diagrama.01 Versión: 02 Página 80 de 144 puede calcularse la entalpia diferencial molar de mezcla de dos líquido para las disoluciones de diferente composición. l = 500 mm. transparente Cronómetro. PN 29 5 Erlenmeyer de 100 mL. rosca M10 Módulo de medición de temperatura PT 100 3 Pinzas de ángulo recto 3 Pinzas universales Software Cobra3 Temperatura Soporte universal 2 Sonda de temperatura Pt 100 Balanza Calorímetro. como se muestra en la figura 2.2. Figura 2. Separador de barras magnéticas Windows® 95 o superior Varilla para soporte. cuello estrecho. ovalada Cable de datos RS232 Computador. 1/100 s Bobina de calefacción con toma corriente Medidor de trabajo y potencia 2 Erlenmeyer de 250 mL.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Entalpía diferencial molar de la mezcla agua-acetona en función de la composición. l = 30 Fuente de energía 12 V/2 A mm. cuello . plástico manguera. Montaje experimental. 1. .5 L 4 Abrazadera para manguera. 5 L 12 mm Manta de calefacción con agitador magnético 6. negro Conjunto Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 para Embudo. dO = 80 mm el termostato de inmersión Embudo de polvo. pero inicialmente sin conectar la bobina de calentamiento al medidor de trabajo y potencia. 100 °C Capuchones de goma Baño para termostato. l = 500 mm. PN 19 Cable de datos.1 g. como ejemplo se presenta la mezcla de acetona y agua dada en la tabla 1.6 Procedimiento Disponer el montaje experimental como se muestra en la figura 3. di = 6 mm líquido puro a evaluar. Para la práctica tener en cuenta que estos valores dependen del tipo de líquido. Pesar los componentes individuales de las mezclas con una precisión de 0. d = 8- Agua destilada. dO = 65 mm Pipetas Pasteur Termostato de inmersión.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Fuente de energía universal de accesorios Página 81 de 144 estrecho. . 6 L Frasco lavador de 500 mL.2. Figura 3. 4 No. Bajo el parámetro <Digital display 1> elegir Temperature T0a como canal y bajo el parámetro <Digital display 2>. el intervalo apropiado para la temperatura y los límites X y ‘auto range’. Figura 4.1 2 Mezcla 1 194 g acetona X = 0. Parámetros de medición. y la otra al T2 Abrir el programa ‘Measure’ en Windows e introducir <Temperatura> como instrumento de medición. . Mezcla Calorímetro Erlenmeyer Cantidad de sustancia 1 432 g de agua 154 g de acetona X = 0.6 4 Mezcla 5 49 g de agua X = 0.2 7 464 g de acetona 16 g de agua X = 0. Establecer los parámetros de medición como se muestra en la figura 4.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Temperature T0b.9 5 Mezcla 6 60 g de agua X = 0. Bajo <Diagram 1> seleccionar Temperature T a.9 6 Mezcla 7 20 g de agua X = 0. cada uno mediante la introducción del valor de temperatura medido con un termómetro y presionando <Calibrate>.01 Versión: 02 Página 82 de 144 Tabla 1. Preparación de las siete mezclas (agua-acetona) de prueba. Conectar una de las sondas de temperatura al T1 del módulo de medición. Ahora calibrar los sensores bajo ‘Calibrate’.5 3 Mezcla 4 72 g de agua X = 0. Después que se haya alcanzado un nuevo equilibrio de temperatura. Para la primera medición llenar el calorímetro con una cantidad determinada de líquido 1.02 K. llevar a cabo la calibración eléctrica para la determinación de la capacidad calorífica total del calorímetro. Para ello.01 Versión: 02 Página 83 de 144 Después de realizar estos ajustes. Esperar unos minutos. luego verter el liquido 2 sobre el liquido 1 en el calorímetro. Pulsar el botón <RESET> y luego poner en las tomas de salida los extremos libres de los cables de conexión de la bobina. apagar el calentamiento y leer la cantidad exacta de energía eléctrica suministrada. Pesar una cantidad determinada del liquido 2 en un erlenmeyer de 250 mL. suministrar 10 V de CA al medidor de trabajo y potencia para el calentamiento eléctrico. de la barra de herramientas. Abrir un orificio longitudinal a un tapón de goma. . Ajustar el termostato de inmersión a la temperatura del liquido 1 en el calorímetro y esperar hasta que la diferencia de temperatura entre el liquido 2 en el baño y el calorímetro no sea superior a 0. Insertar la bobina de calentamiento y la sonda de temperatura en la tapa del calorímetro y fijarlos en su posición.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. pulsar <Continue> para alcanzar el campo para el registro de los valores medidos. Si se usa <survey>. Organizar las muestras como se desee. Cuando el aumento de la temperatura inducido en el calorímetro por el calentador eléctrico sea aproximadamente igual en magnitud al cambio de temperatura resultante de mezclar los dos líquidos. poner la segunda sonda de temperatura a través del agujero y cerrar el erlenmeyer antes del calentamiento en el baño de temperatura controlada. Continuar la medida por otros 3 minutos y luego dejar registro de la temperatura pulsando <Stop measurement>. pueden leerse los datos de diferencia de temperatura. Iniciar la medición presionando <Star measurement>. Introducir la barra magnética ovalada en el calorímetro y encender el agitador magnético (Precaución: no activar el botón de calentamiento). La figura 5 muestra el gráfico tal como es presentado por el programa cuando se detiene la medición. El sistema estará ahora en continuo calentamiento mientras se mide la cantidad de energía suministrada. listadas en la tabla 1.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. PHYWE Systeme GmbH & Co. Determination of the mixing enthalpy of binary fluid mixtures. 6. p 27. g) a la mezcla en el calorímetro (ver tabla 1). Lec 02. Thermochemistry/Calorimetry. En la siguiente serie de experimentos agregar sucesivamente 5 porciones de líquido 1. En el segundo experimento agregar una porción adicional de líquido 2 (cantidad necesaria. 6. Llevar a cabo el experimento de forma completamente análoga a la primera medición y prestar atención que la temperatura de la mezcla en el calorímetro y el líquido 2 sea la misma. . Curva de temperatura-tiempo de la entalpía de mezcla para la mezcla 1. 2008. Después de limpiar y secar cuidadosamente el calorímetro.01 Versión: 02 Página 84 de 144 Figura 5.2. KG: Göttingen.7 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir indicaciones dadas por el técnico del laboratorio.8 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments. Es importante que el calorímetro sea recalibrado después de cada adición debido a que la capacidad calorífica del sistema es diferente después de cada cambio de temperatura. realizar las mediciones de esta serie de la misma manera como en la primera serie. a 464 g de líquido 2 en el calorímetro.2. 2. Determinación de la entalpía de mezcla en fluidos binarios.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 85 de 144 ANEXO HOJA DE DATOS. Mezcla No. Preparación de las siete mezclas de prueba. Calorímetro Erlenmeyer Cantidad de sustancia 1 g L1 g de L2 X = 2 Mezcla 1 g L2 X = 7 g de L2 g L1 X = 6 Mezcla 7 g L1 X = 5 Mezcla 6 g de L1 X = 4 Mezcla 5 g de L1 X = 3 Mezcla 4 g de L1 X = . Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Componentes de la mezcla Componente Nombre Masa molar (g/mol) Densidad (g/ml) Líquido puro 1(L1) Líquido puro 2(L2) Tabla 1. Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N°6. VOLTAJE ( V )= CORRIENTE (A)= T( oK) t(s) Lecturas durante 3 minutos al desconectar la fuente T( oK) t(s) ( oK) . Tiempo MEZCLA No.01 Versión: 02 Página 86 de 144 Tabla 2. TO a( oK) TO b( oK) Tab( oK) T Mezcla ( oK) T(T Mezcla-TOb) Tabla 3. VOLTAJE ( V )= CORRIENTE (A)= T( oK) t(s) Lecturas durante 3 minutos al desconectar la fuente o T( K) t(s) MEZCLA No.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Datos de Temperatura Vs. Datos de los deltas de temperatura para las diferentes mezclas: Mezcla No. VOLTAJE ( V )= CORRIENTE (A)= T( oK) t(s) Lecturas durante 3 minutos al desconectar la fuente T( oK) t(s) . VOLTAJE ( V )= CORRIENTE (A)= T( oK) t(s) Lecturas durante 3 minutos al desconectar la fuente T( oK) t(s) MEZCLA No.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA MEZCLA No. VOLTAJE ( V )= CORRIENTE (A)= T( oK) t(s) Lecturas durante 3 minutos al desconectar la fuente o T( K) t(s) MEZCLA No. VOLTAJE ( V )= CORRIENTE (A)= T( oK) t(s) Lecturas durante 3 minutos al desconectar la fuente o T( K) t(s) MEZCLA No.01 Versión: 02 Página 87 de 144 CORRIENTE (A)= T( oK) t(s) Lecturas durante 3 minutos al desconectar la fuente T( oK) t(s) MEZCLA No. VOLTAJE ( V )= Código: MFOQ-FQ. ley de Henry.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.3 ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) :4horas Indicaciones de peligro: 6. ecuación de GibbsHelmholtz.01 Versión: 02 Página 88 de 144 6. 6. Estudiar la relación entre el incremento del punto de ebullición y la cantidad de soluto.2. Con la ayuda de un aparato apropiado. 6. en la presente práctica se determinará la dependencia de la diferencia de temperatura (elevación del punto de ebullición) con la concentración de soluto. Fundamento teórico Una solución se puede definir como un líquido de fases mezcladas que consta de una sustancia disuelta (soluto) y un disolvente.3.3. Determinar la masa molar del soluto a partir de la relación entre el aumento del punto de ebullición y la concentración. Objetivos Medir el incremento del punto de ebullición de un líquido en función de la concentración de un soluto. Por tanto. M. Raoult postuló la ley que lleva su nombre: La presión de vapor de una solución viene dada por el producto entre la presión de vapor del disolvente puro y la fracción molar del disolvente en la solución. grado de disociación.3. 3. en una solución menos moléculas del disolvente podrán pasar a la fase de vapor que en el disolvente puro.1. F. proporción de concentración. constantes ebulloscópicas. En 1886.4. . Principio El punto de ebullición de una solución siempre es superior a la de su disolvente puro.3. 6. Cuando una sustancia no volátil se disuelve en un disolvente volátil resultan fuerzas adicionales y estas tendrán que ser superadas por las moléculas de disolvente antes de que puedan pasar a la fase gaseosa. Conceptos relacionados Ley de Raoult. potencial químico. La concentración se da en términos de molalidad. Sin embargo. se debe tener en cuenta el hecho de que el número de moles libres de nB corresponde al número de partículas libres. en comparación con el disolvente puro. La razón del mayor requerimiento energético de la solución. como también de la concentración del soluto. que representa el número de moles de soluto disuelto en 1 litro de solución.01 Versión: 02 Página 89 de 144 donde.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. corresponde a la elevación del punto de ebullición ∆TS. está en la presencia de fuerzas adicionales (fuerzas de atracción entre el soluto y el solvente). las cuales deben ser superadas en la solución. la presión de vapor de ésta a 100 °C se reduce por debajo de 680 mmHg. la elevación del punto de ebullición depende de la cantidad a la que disminuye la presión de vapor. La presión de vapor del agua alcanza una presión ambiente de 680 mmHg a una temperatura alrededor de 100 °C. si en solución . Por tanto deberá suministrarse más calor para aumentar la energía cinética de las moléculas y así elevar la temperatura para que la solución ebulla. m1= Masa del solvente puro m2= Masa del soluto M2= Masa molar del soluto Ke= Constante ebulloscópica Cuando se determina la masa molar relativa de un soluto. Cuando un soluto no volátil se disuelve en el agua. pero si a una temperatura TS más elevada. Desde el punto de vista cuantitativo. La diferencia entre los dos valores de T. Ps= Presión de vapor de la solución PO= Presión de vapor del disolvente puro n1= Moles de solvente puro n2= Moles de soluto Un líquido ebulle cuando su presión de vapor es igual a la presión del ambiente. La solución no ebulle a TO. 250 mL 3 Pinza universal Agua destilada. 500 g Manguera di = 7 mm Soluto 2 a evaluar. GL Capuchones de goma 25/12 Frasco lavador de 500 mL Vaso de precipitados de 250 mL perlas de ebullición. 80x50x14mm Embudo. 250 mL Balanza de precisión. Teflón Prensa para pastillas Manta de calentamiento. GL 25/8 Soluto 1 a evaluar. Bajo ciertas condiciones. 250 g Soporte universal Soluto 3 a evaluar. 4-2 Micro espátula Sonda de temperatura. digital.3. 250 g Pinza de ángulo recto Glicerina. 190 mL Pinza moor Medidor de temperatura. dO = 80 mm Regulador de potencia Pipetas Pasteur Matraz fondo redondo de 250 mL. que luego debe ser convertida usando la ecuación: z= partículas en solución = grado de disociación 6. 200 g Unión. Pt 100.5 Materiales Aparatos para la elevación del punto de ebullición Mortero con mazo.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. la determinación de masas molares utilizando la ebulloscopía sólo puede proporcionar la masa molar aparente MS. 620 g Abrazadera para la manta de calentamiento Cápsulas para pesar.01 Versión: 02 Página 90 de 144 se disocian nB moles en z partículas más pequeñas. 5 L Líquido a evaluar . entonces el número de moles realmente se convierte en: donde es el grado de disociación. completamente seco. Cerrar el recipiente en la parte superior fijando la sonda de temperatura en su posición. el vapor entrará en el recipiente interior a través de la abertura lateral.3. Pesar el recipiente interior que pertenece al aparato de punto de ebullición. así que inspeccionar que aquella no quede cubierta.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Verter aproximadamente 25 mL del líquido en el recipiente interior. Poner una abrazadera a la manguera de silicona más corta que sale del recipiente exterior. Figura1. Encajar el recipiente interior dentro del recipiente exterior de modo que su abertura de entrada se encuentre por debajo del sello de silicona que conecta la tapa. Conectar dos piezas cortas de manguera de silicona en las dos salidas para gas del recipiente exterior y ponerlas a lo largo en un vaso de precipitados de 250 mL. Pesar . y anotar la masa exacta (= m1). con los extremos libres a la altura de la mitad del vaso. Montaje experimental Llenar el matraz de fondo redondo con 150-200 mL del líquido a evaluar y ponerlo en el montaje. Las sustancias que se vayan a probar deben ser prensadas en pastillas con el fin de evitar que cualquier partícula de ellas se adhieran a las paredes del recipiente mientras se agregan.01 Versión: 02 Página 91 de 144 6. Durante la medición.6 Procedimiento Disponer el montaje experimental como se muestra en la figura 1. pero por el momento dejarla abierta. Después.00>. cerrar la abrazadera. y permanezca constante. puede ser demostrada para cada sustancia en un solo experimento. El vapor ligeramente sobrecalentado fluirá ahora a través del líquido en el recipiente interior. . Graficar el aumento del punto de ebullición frente al cociente entre la masa de sustancia disuelta y la masa de líquido para cada sustancia. retirar la sonda de temperatura. Cuando se reactive la ebullición. la temperatura baja primero y luego vuelve a subir. La temperatura en grados Celsius. bajar la manta de calentamiento durante unos segundos hasta que cese la ebullición y el condensado en el recipiente exterior retorne al matraz de fondo redondo.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Es recomendable pulverizar primero las sustancias en un mortero. Regular la velocidad de calentamiento con el control de potencia. Registrar la temperatura cuando el valor vuelva a ser constante y repetir el procedimiento para la siguiente porción de sustancia. Después de algunos minutos.01 K). añadiendo sucesivamente cantidades conocidas de la misma sustancia. secar su superficie exterior y volverlo a pesar. subir la manta de calentamiento y reanudar el calentamiento. tal como se muestra en la figura 2. Ahora abrir cuidadosamente el recipiente interno (tapón de rosca). Calentar el disolvente en el matraz de ebullición. Inicialmente. El vapor desprendido se levanta en el recipiente exterior y calienta el recipiente interno. retirar el recipiente interno. Ajustar el medidor de temperatura digital para determinar la variación de temperatura ∆T en el tiempo con la función de tara <SET 0. del recipiente interior. Una vez frio. La masa del líquido es ahora igual al último valor medido menos la masa del recipiente vacío y las masas de las cinco pequeñas porciones de sustancia. Esto es importante para evitar que la solución sea succionada del recipiente interno y pase al recipiente que contiene el agua. mientras que el precipitado se disuelve. En este modo de funcionamiento la resolución es diez veces mejor (0. cuando la temperatura en el recipiente interior esté cerca del punto de ebullición del solvente. La dependencia de la elevación del punto de ebullición del líquido con la concentración.01 Versión: 02 Página 92 de 144 cinco porciones de cada soluto cada una de aproximadamente 300-400 mg. Después que cinco etapas de concentración hayan sido medidas. se mostrará en el medidor digital de temperatura. adicionar la primera pequeña porción de sustancia (soluto). y tapar de inmediato. Esperar hasta que el valor mostrado se mantenga constante. en primer lugar abrir la abrazadera y luego interrumpir el calentamiento. 8 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments. Ejemplo de una determinación: incremento del punto de ebullición en función de la concentración de la sal de concina en solución acuosa. Thermochemistry /Calorimetry.3. PHYWE Systeme GmbH & Co.7 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico de laboratorio. Boiling point elevation.3.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. KG: Göttingen. 6. 2008. Lec 02. 6. .01 Versión: 02 Página 93 de 144 Figura 2. p 31. 01 Versión: 02 Página 94 de 144 ANEXO HOJA DE DATOS. 1 2 3 4 5 Elevación del punto Masa soluto 2 (g) de ebullición. Datos de elevación del punto de ebullición de un líquido con la adición de un soluto 1. Adición No. (g) m1 = Masa del recipiente interno 3 + 5 adiciones (g) 4 m2 = 5 Tabla 2. T (°C) 1 2 Masa del recipiente interno. Temperatura de ebullición del solvente puro: ________________ Adición No. Elevación del punto Masa soluto 1 (g) de ebullición.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N° 6. (g) m1 = Masa del recipiente interno + 5 adiciones (g) m2 = . T (°C) Masa del recipiente interno.4 Elevación del punto de ebullición Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Tabla 1. Datos de elevación del punto de ebullición de un líquido con la adición de un soluto 2. 4. determinar el número de iones en los que se disocia el electrolito. Este descenso en el punto de congelación se puede determinar experimentalmente usando un aparato adecuado conocido como Crioscopio. constante crioscópica. Aunque la presión de vapor de una solución siempre es menor que la del disolvente puro. ecuación de Gibbs-Helmholtz.4. 6. amplían en rango . A partir del valor del descenso del punto de congelación.01 Versión: 02 Página 95 de 144 6.4. descenso del punto de congelación y elevación del punto de ebullición.4. 6. el punto de congelación será menor para la solución. grado de disociación.4 Fundamento teórico Cuando un líquido se enfría su presión de vapor disminuye. potencial químico. proporción de concentración. la presión de vapor de las fases líquida y sólida es la misma.2 Principio El punto de congelación de una solución es menor que la de su disolvente puro.3 Conceptos relacionados Ley de Raoult. factor de Van’t Hoff. Mediante la comparación del valor experimental con el teórico previsto para esta concentración.1 Objetivos Determinar la magnitud del descenso del punto de congelación del líquido problema después de disolver un electrolito fuerte. Si se conocen las constantes crioscópicas de un disolvente se puede determinar la masa molar de la sustancia disuelta en este. Los dos fenómenos.4 DESCENSO DEL PUNTO DE CONGELACIÓN Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) 4 horas Indicaciones de peligro: 6. 6. En el punto de congelación. determinar la masa molar de una sustancia no electrolítica.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. 01 Versión: 02 Página 96 de 144 de temperatura en cada extremo. A una concentración elevada de A el potencial químico de la sustancia A en la fase mixta es: El potencial químico del del sólido puro químico estandar de A en equilibrio con la fase fluida corresponde al potencial . Cuando las dos fases están en quilibrio . da como resultado la expresión ( ) ( ) . T = T0) y para la solución (xA. la ecuación (2) se convierte en: ⃓ De la ecuación de Gibbs-Helmholtz ( ) y mediante la derivación de la ecuacion (3). es decir . siempre que el disolvente sea el único que cristalice o vaporice.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. se obiene lo siguiente: La entalpía de fusión FH se puede considerar constante para pequeños cambios de temperatura. La integración de (5) entre el límite de valores para el solvente puro (xA = 1. se obtiene la siguiente expresión: Puesto que el potencial químico de las sustancias puras es igual a la entalpía libre molar G. T). . la cantidad de soluto en 1000 g de disolvente.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. La constante Kc se conoce como descenso del punto de congelación molar o constante crioscópica. Por último.01 Versión: 02 Página 97 de 144 Como el descenso del punto de congelación TT = T – T0 es pequeño comparado con T0. Sin embargo. en la cual m representa la molalidad. Entonces el descenso del punto de congelación se reduce a En soluciones diluidas la cantidad de sustancia se puede expresar con buena aproximación por el cociente (mBMA / mAMB). la fracción mB/mAMB es igual a m/1000. MA. entonces xA puede ser remplazado por 1 – xB. Esto se convierte en ( ) ln La ecuación (7) se puede desarrollar como una serie: Cuando xB sea pequeño solamente se tendrá en cuenta el primer término. Cuando se determina la masa molar de una sustancia disuelta se debe tener en cuenta el hecho de que el número de moles nB corresponde al número de partículas que se mueve libremente. es decir. Si de de forma simultánea se considera la cantidad de soluto xB. MB y mA. mB son los pesos moleculares y las masas del disolvente A y el soluto B. el término TT0 puede ser remplazado por T02. respectivamente. que el valor teórico calculado a partir cantidades pesadas. 70 mL Embudo plástico. 12 mm de dímetro. Pt 100 Mangas de protección para la sonda de temperatura Manta de calentamiento con agitador magnético Barra magnética de agitación. 80 x 50 x 14 mm Cronómetro digital. por un factor . dO = 50 mm Pipetas Pasteur Capuchones de goma Varilla de vidrio.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. la determinación de la masa molar usando ebulloscopía. De ello se deduce por analogía que el descenso del punto de congelación experimentalmente determinado es mayor. 6. sólo puede proporcionar la masa molar aparente Ms. La cantidad efectiva de sustancia en la solución difiere del valor usado por una cantidad igual a la del factor de Van’t Hoff . Para describir esta interacción se utiliza el coeficiente osmótico f0. también se deben tener en cuenta las interacciones inter iónicas de las especies iónicas presentes en la solución. 1/100 s Prensa Mortero de porcelana con mazo.5 Materiales y reactivos Aparato para descenso del punto de congelación Empaque para GL25. Bajo ciertas condiciones. Medidor digital de temperatura 4-2 2 Sonda de temperatura. Este tiene un valor entre 0 y 1 para soluciones reales y un valor de 1 para soluciones ideales. l = 30 Balanza de precisión Cápsulas para pesar. entonces el número de moles que realmente existe es: donde representa el grado de disociación. d = 8 mm L=30cm Frasco lavador de 500 mL .01 Versión: 02 Página 98 de 144 si en la solución se disocian nB moles en z partículas más pequeñas.4. que luego se convertirá aplicando Cuando las concentraciones sean más altas. 250 g Micro espátula Alcohol para combustión. dispuestos concéntricamente y conectados con una tuerca de ensamble GL 45. El recipiente interior está destinado para la solución o el disolvente cuyo punto de congelación se va a .4. El aparato para determinar el descenso del punto de congelación consta de dos recipientes cilíndricos de vidrio. Figura 1.01 Versión: 02 Página 99 de 144 Líquido problema 2 Pinza de ángulo recto Electrolito fuerte. 500 g 2 Pinza universal Sustancia no electrolítica.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA mm Código: MFOQ-FQ.6 Procedimiento Disponer el montaje experimental como se muestra en la figura 1. El recipiente exterior se asemeja a un tubo de ebullición y actúa como una chaqueta alrededor del recipiente interior (recipiente de congelación). Montaje experimental. 5 L Vaso de precipitados de 1000 mL Hielo (aproximadamente 3 Kg) Pipeta de 25 mL Pera 6. Llenar esta chaqueta con aproximadamente 50 mL de etanol (también se puede usar alcohol comercial). 1L Espátula Agua destilada. Este medio garantiza la conducción uniforme de calor entre el vaso interior y el exterior. En el extremo superior del recipiente interior hay una tapa rosca para acomodar un termómetro o una sonda de temperatura. Es recomendable pulverizar primero las sustancias con un mortero. Cuando el recipiente interno haya alcanzado la temperatura aproximada de -1 °C. Soltar unas gotas de alcohol sobre la manga de protección para mejorar la transferencia de calor. Este punto crítico puede ser observado en una curva de enfriamiento. En lugar de la unidad original. El fondo del recipiente interior es plano para que una pequeña barra de agitación (l =15 mm) pueda girar sin obstáculos. verter con la pipeta 25 mL del liquido problema en el recipiente interior y agregar la barra de agitación magnética. . fijar el dispositivo en la varilla del soporte y colocarlo lo más bajo posible en el vaso de precipitados de 1L. Ajustar el agitador magnético a una velocidad media de agitación. cada una de aproximadamente 300 mg.01 K. sacar el dispositivo de la mezcla de congelación y esperar hasta que el agua en el recipiente interior este completamente licuada (este proceso puede acelerarse con calentamiento manual). Llenar el vaso de precipitados con la mezcla de congelación hielo/sal y sumergir en ella la segunda sonda de temperatura. Cuando el sistema este completamente montado.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. La medición consta de dos etapas. la temperatura empieza a subir de nuevo hasta alcanzar un nivel máximo (punto de congelación). Para iniciar. luego hacer la misma curva para la solución que resulta por la adición de una pastilla de sustancia. Después que se ha registrado la curva de en enfriamiento para 25 mL de liquido problema puro. y una manga tubular de vidrio con otra tapa rosca (GL 18) para introducir el soluto. Las sustancias que se vayan a probar deben ser prensadas en pastillas de tal forma que se puedan adicionar al recipiente interior sin que partículas se adhieran a las paredes del recipiente. e iniciar el registro de temperaturas relativas a cada minuto.01 Versión: 02 Página 100 de 144 determinar. Insertar la sonda de temperatura y conectarla al termómetro digital. Primero se debe trazar la curva de enfriamiento del líquido problema puro. Tan pronto como comience la cristalización. insertar la manga protectora para el sensor de temperatura con el empaque de 12 mm de diámetro en la tuerca de conexión. En la fase inicial. Pesar cinco porciones de cada sustancia (electrolito fuerte y sustancia no electrolítica). se desarrolla una condición meta estable caracterizada por una temperatura mínima. con una precisión de 0. Ajustar la temperatura de la mezcla de congelación alrededor de -10 °C mediante la adición de agua. ajustar el termómetro digital para medir la variación de temperatura ∆T en el tiempo. Lec 02. Bajar de nuevo el aparato a la mezcla de congelación e iniciar una nueva medición (a partir de la misma temperatura inicial anterior). PHYWE Systeme GmbH & Co. Curva de enfriamiento para la mezcla agua/NaCl.4. 6. Freezing point depression. p 32. introducir en el recipiente interior una pastilla de la sustancia bajo investigación y dejar que se disuelva por completo.01 Versión: 02 Página 101 de 144 A continuación. . Si se van a realizar mediciones con diferentes líquidos problema y solutos. lavar y secar el recipiente interior cuando se realice el cambio. Como ejemplo se presenta la curva de enfriamiento para la mezcla agua/NaCl.7 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio. 6. 2008. KG: Göttingen.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.8 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments. Thermochemistry /Calorimetry. La grafica resultante permite determinar el punto de congelación de la mezcla.4. (ver figura 2). Figura 2. Tiempo Temperatura datos t( ) T (°C) datos t( ) T (°C) 1 21 2 22 3 23 4 24 5 25 6 26 7 27 . Datos de temperatura en función del tiempo para construir la curva de congelación del líquido puro. No.01 Versión: 02 Página 102 de 144 ANEXO HOJA DE DATOS Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N° 6. Datos de pesada de las muestras del electrolito fuerte (EF) y la sustancia no electrolítica (NE) Pastilla No.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. mEF(g) mNE (g) 1 2 3 4 5 Tabla 2. Tiempo Temperatura No.5 Descenso del punto de congelación Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Tabla 1. MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA 8 28 9 29 10 30 11 31 12 32 13 33 14 34 15 35 16 36 17 37 18 38 19 39 20 40 Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 103 de 144 Tabla 3. Datos de temperatura en función del tiempo para construir las curvas de enfriamiento de las mezclas líquido problema/electrolito fuerte o sustancia no electrolítica. Adición pastilla 1 Adición pastilla 2 Adición pastilla 3 Adición pastilla 4 Adición pastilla 5 t( ) t( ) t( ) t( ) t( ) T (°C) T (°C) T (°C) T (°C) T (°C) . MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 104 de 144 . entalpía de combustión.2. Calcular la entalpía de formación de esta sustancia a partir de la entalpía de combustión. El calor es absorbido en las reacciones endotérmicas o liberado en las reacciones exotérmicas. Fundamento teórico En todas las reacciones químicas las sustancias participantes sufren un cambio en la energía interna y la entalpía.5.5. Al mismo tiempo.5 DETERMINACIÓN DE LA ENTALPÍA DE COMBUSTIÓN USANDO UNA BOMBA CALORIMÉTRICA Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) 4 horas Indicaciones de peligro: 6. capacidad calorífica. una reacción química puede realizar trabajo de volumen. 6. A presión constante el calor de reacción es . el calor que es absorbido o desprendido durante una trasformación de sustancias es llamado calor de reacción. 6. De acuerdo con la formula de reacción.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.5.01 Versión: 02 Página 105 de 144 6. 6. Principio La bomba calorimétrica es usada para quemar completamente sustancias con oxígeno en exceso.4. En el experimento inicialmente se determina la capacidad calorífica del sistema transfiriendo una cantidad definida de calor proveniente de la combustión del ácido benzoico. Objetivos Determinar la entalpía de combustión de una sustancia usando una bomba calorimétrica. produciendo un aumento de temperatura ∆T. Conceptos relacionados Primera ley de la termodinámica. Por esta razón para poder examinar experimentalmente sólo un cambio en el calor se debe eliminar la realización de trabajo llevando a cabo la reacción a volumen constante. ley de Hess de la adición constante del calor. El calor de combustión liberado es absorbido por el recipiente del calorímetro en el que la bomba está inmersa. y luego se realiza la combustión del naftaleno bajo las mismas condiciones.3.5. entalpía de formación.1. La entalpía de combustión permite calcular la entalpia de formación ∆ BH. manteniendo el volumen constante. es decir. Dado que no se realiza trabajo de volumen.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. W = 0. entonces se tiene: A presión constante. la entalpía de formación es igual a la diferencia entre la suma de las entalpía de combustión de los elementos ∆CHE y la entalpía de combustión del compuesto ∆CHi. La entalpía de combustión del naftaleno ∑ ∆CHE se puede calcular usando ∑ C H M Ccal . el calor absorbido o liberado por el sistema es independiente de la ruta de reacción.17 kJ/mol). la entalpía y la energía interna se diferencian por el trabajo de volumen: ∑ Sin embargo.01 Versión: 02 Página 106 de 144 llamado entalpía de reacción ∆RH y a volumen constante se designa como energía de reacción ∆RU. Así. Esta ley permite que el calor de reacción sea calculado para reacciones en las que la medición directa es difícil. carbono e hidrógeno. Según la primera ley de la termodinámica el cambio en la energía interna del sistema es igual a la suma de la energía suministrada o liberada en forma de trabajo W y calor Q.77 kJ/mol) y el H2O (-286. H De acuerdo con la ley de Hess. Sus valores corresponden a las entalpías estándar de formación tabuladas para el CO2 (-393. el proceso global se puede dividir en etapas parciales. En una bomba calorimétrica es posible llevar a cabo una reacción de modo que el calor transformado pueda ser medido. Para este propósito. la energía y la entalpía de reacción tienen la misma magnitud dado que en este caso no se realiza trabajo de volumen. ∑ La siguiente ecuación de reacción es válida para la combustión del naftaleno: C H C H En este caso ∑ ∆CHE es la suma estequiométrica de las entalpías de combustión de todos los elementos contenidos en el naftaleno. MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 107 de 144 Ccal=Capacidad calorífica del calorímetro mN=Masa de la pequeña porción de naftaleno - masa del alambre de ignición MN=Masa molar del naftaleno ∆CHN=Entalpía de combustión molar del naftaleno ∆TN=Diferencia de temperatura durante la combustión del naftaleno. La capacidad calorífica del calorímetro se determina quemando ácido benzoico. El calor absorbido por el calorímetro es ∆CHB= Entalpía de combustión molar del ácido benzoico (-3231.5 kJ/mol) mB= Masa de la pequeña porción de ácido benzoico – masa del alambre de ignición MB= Masa molar del ácido benzoico La capacidad calorífica del sistema Ccal se calcula de acuerdo con Ccal cal 6.5.5. Materiales y reactivos Bomba calorimétrica Recipiente de prueba para bomba calorimétrica Llave de tuercas para cilindros de acero Balanza de precisión Tubo de presión con acoples Cápsulas para pesar, 80 x 50 x 14 mm Calorímetro transparente Mortero de porcelana con mazo, 70 Manta de calentamiento con agitación magnética Barra magnética de agitación, l = 30 mm, ovalada Varilla para soporte, l = 500 mm, rosca M10 mL Prensa Recipiente graduado, 1L, con manija Cronómetro digital, 1/100 s Micro espátula Frasco lavador de 500 mL 2 Pinzas de ángulo recto Embudo, dO = 50 mm 2 Pinzas universal Tijeras de punta roma, l = 140 mm Termómetro digital, 4-2 Alambre de hierro, d = 0,2 mm, l = MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Sonda de temperatura, Pt 100 Página 108 de 144 100 m Fuente de energía universal Agua destilada, 5L 2 Cable de conexión, l = 750 mm, Sustancia a evaluar negro Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Soporte para el cilindro de oxígeno Cilindro de acero para oxígeno, 2 L, Válvula de reducción para oxígeno lleno 6.5.6. Procedimiento La bomba calorimétrica (ver fig. 1) consta de un recipiente resistente a la presión (1), y una tapa (3) para el cierre hermético el gas de la misma. La tapa tiene en la parte superior dos orificios de 4mm (4) para los electrodos de níquel (8) lo que permite su conexión en la parte inferior de la tapa. Se puede colocar entre ellos un cable de encendido. El porta muestra (12) en los electrodos, sirve para colocar un crisol de combustión (11). El disco (7), está hecho de fibra de cerámica y actúa como aislante térmico. La Válvula de regulación (5) y el acoplamiento de conexión rápida (6) permiten conectar fácilmente la bomba calorimétrica a un cilindro de oxígeno para su uso y llenado. El cierre hermético de la bomba se hace por medio del empaque tipo o-ring (2) y su respectiva abrazadera. Figura 1. Bomba calorimétrica. Pulverizar en un mortero la sustancia que se va a quemar. Posteriormente pesar aproximadamente 400 mg en una capsula. Preparar las pastillas con un trozo de alambre de hierro, de las sustancias a usar en la práctica. MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 109 de 144 Disponer el montaje experimental como se muestra en la figura 2. Figura 2. Montaje experimental. Formar una bobina de encendido con el trozo de alambre de hierro de aproximadamente 6 cm de largo y encajar en los agujeros (10) de los electrodos de níquel; sujetar los extremos en su lugar deslizando los topes hacia abajo (9). Colocar en el crisol de combustión la muestra pesada (fijar los dos extremos del cable de la pastilla a los contactos de la tapa de la bomba calorimétrica de modo que la pastilla está por encima del centro del soporte de muestras). Montar el empaque tipo o-ring en la brida del recipiente resistente a la presión y colocar cuidadosamente la tapa; utilizar el anillo de refuerzo para cerrar herméticamente el recipiente y la tapa. Una vez conectada al cilindro con la válvula de regulación de presión, conectarlo al conector rápido (6). Llenar el recipiente con oxígeno por medio de la manguera de presión, para esto, abrir la válvula reguladora (5) y ajustar la presión con el regulador de presión en el cilindro (máx. 10 bar). Cerrar la válvula de regulación y acomodar la bomba calorimétrica en el calorímetro lleno de agua (aproximadamente 850g), cuya tapa ha sido remplazada por el soporte suministrado para ajustarla al calorímetro. Sólo cuando sea así. Si después de la prueba el recipiente de muestra tiene demasiado hollín. repetir la medición porque esto indica que la combustión no fue completa. Conectar las cuencas de 4mm (4) a una fuente de alimentación que suministra una tensión mínima de 15 V/1A. Colocar el calorímetro con bomba calorimétrica sobre un agitador magnético sin calentamiento.01 Versión: 02 Página 110 de 144 Insertar una sonda de temperatura PT100 en uno de los orificios en el soporte y conectarlo a un instrumento de medición de temperatura digital (precisión de la medición 0. para liberar el exceso de oxígeno y los gases desprendidos durante la reacción. Ajustar el termómetro digital para medir la diferencia de temperatura ∆T en función del tiempo y registrar la temperatura dos veces por minuto con una precisión de 0. verificar que la bomba calorimétrica se haya enfriado hasta temperatura ambiente. Cuando la temperatura permanezca constante o sólo muestre una pequeña variación. 15 minutos). En la figura 3 se ilustra cómo determinar la diferencia de temperatura corregida ∆T para luego calcular la entalpía de combustión. . Iniciar la combustión en la bomba calorimétrica aplicando un voltaje de 15 V a las cuencas de 4mm y medir el aumento de la temperatura en el calorímetro bajo agitación continua (aprox. empujar el tapón de acoplamiento en el conector rápido (6) y abrir cuidadosamente la válvula. Esperar (aproximadamente 5 minutos) a que se alcance una temperatura de equilibrio. Esta corrección es necesaria debido al intercambio de calor entre el calorímetro y sus alrededores. La línea recta vertical debe estar puesta de manera que las áreas sombreadas en torno al punto de inflexión sean del mismo tamaño. y con la válvula de regulación (5) cerrada. Cuando los cambios de temperatura vuelvan a ser muy pequeños continuar el registro de la curva de temperatura-tiempo por 5 minutos más. Evitar que los gases contaminantes puedan escapar al ambiente. No abrir el anillo de refuerzo hasta no estar seguros de la igualación de presiones entre el interior de la bomba calorimétrica y la atmósfera circundante.01 K.01K) de tal manera que la temperatura del agua puede ser medida. Poner la barra de agitación. por lo tanto se recomienda que la igualación de las presiones de la bomba calorimétrica se haga en una campana de extracción. Iniciar el registro la curva de temperatura y continuarlo durante todo el resto de operaciones. Cuando la reacción haya terminado.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. encender la fuente de energía por un corto tiempo (30 segundos o el indicado por el profesor) para iniciar la combustión y registrar la curva de temperatura con el tiempo de reacción. luego abrir lentamente la válvula y dejar escapar el gas.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. . Determination of the enthalpy of combustión using a bomb calorimeter. Lec 02. volverlo a conectar a la manguera de presión. Realizar la medición por triplicado para cada sustancia. Para hacerlo. antes de abrir la bomba.5.7 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio. Después de cada medición. 2008.8 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments. Tomar el promedio de los valores medidos para minimizar los errores aleatorios. colocar la bomba bajo una campana extractora. 6. Abrir la bomba sólo cuando todo el gas haya escapado. p 33.01 Versión: 02 Página 111 de 144 Figura 3. Thermochemistry /Calorimetry. Determinación de la diferencia de temperatura corregida. PHYWE Systeme GmbH & Co. 6.5. se debe liberar el exceso de oxígeno y los gases desprendidos durante la reacción. KG: Göttingen. Datos de la combustión Pastilla No. 1 2 3 4 5 6 Voltaje (V) t de encendido de la fuente (s) P de oxígeno (bar) T inicial T final (°C) (°C) . Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N° 6. m (pastilla + mFe (g) Fe) (g) m pastilla (g) mFe (g) m (pastilla + Fe) (g) m pastilla (g) 1 2 3 Tabla 2. Sustancia en combustión: Sustancia en combustión: Pastilla No.01 Versión: 02 MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Página 112 de 144 ANEXO HOJA DE DATOS.5 Entalpia de Combustión Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Tabla 1. Datos de las pesadas del alambre de hierro (Fe). y las pastillas para cada una de las determinaciones.Código: MFOQ-FQ. Datos de diferencia de temperatura en función del tiempo para la combustión de la sustancia en estudio. temperatura t (s) ∆T (°C) t (s) ∆T (°C) t (s) ∆T (°C) 1 2 3 1 2 3 1 0 270 540 30 300 570 60 330 600 90 360 630 120 390 660 150 420 690 180 450 720 210 480 750 240 510 780 2 3 Sustancia en combustión: ______________________________________ Diferencia de Diferencia de Diferencia de Tiempo. temperatura Tiempo. temperatura t (s) ∆T (°C) t (s) ∆T (°C) t (s) ∆T (°C) 1 2 3 1 2 3 1 0 270 540 30 300 570 60 330 600 90 360 630 120 390 660 150 420 690 180 450 720 210 480 750 240 510 780 2 3 .01 Versión: 02 Página 113 de 144 Tabla 3. temperatura Tiempo. Sustancia en combustión: ______________________________________ Diferencia de Diferencia de Diferencia de Tiempo.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. temperatura Tiempo. temperatura Tiempo. Conceptos relacionados Fundamentos de destilación.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. ley de Raoult.6. y se determina la composición de las fases líquidas a través de refractometría y una curva de calibración. En esta práctica se miden los puntos de ebullición de varias mezclas constituidas por dos líquidos puros.2.6. 6.6.6. potencial químico. la composición de la fase de vapor de cada mezcla es determinada al inicio de la ebullición).6 DIAGRAMA DEL PUNTO DE EBULLICIÓN DE UNA MEZCLA BINARIA Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) :4 horas Indicaciones de peligro: 6. La curva del punto de ebullición se obtiene midiendo la temperatura a la cual las mezclas empiezan a ebullir.4. muestra los puntos de ebullición de una mezcla binaria en función del equilibrio líquido-vapor de la mezcla a presión constante. diagrama de equilibrio. Objetivos Determinar el índice de refracción de 10 mezclas de composición conocida y de sus componentes puros. Por tanto. el diagrama del punto de ebullición .1.3. coeficiente de actividad.01 Versión: 02 Página 114 de 144 6. Debido a que por regla la composición del vapor es diferente a la del líquido. 6. Principio El diagrama del punto de ebullición. 6. generalmente se obtienen valores diferentes para el condensado y el líquido en ebullición (en el experimento. Trazar el diagrama del punto de ebullición para mezclas binarias compuestas por dos líquidos puros. Fundamento teórico El diagrama del punto de ebullición describe gráficamente la dependencia del punto de ebullición con la composición de la fase líquida a presión constante. Para una mezcla ideal. Índice de refracción en función de la concentración de sustancia en mezclas de metanol/cloroformo. ya que la mezcla ebulle más rápido cuanto mayor sea su presión de vapor. En ebullición el sistema se comporta como un líquido puro. Figura 1. se denominan mezclas azeotrópicas. . Las dos curvas de los componentes puros son coincidentes. las curvas del punto de ebullición y del condensado caen continuamente mientras se incrementa el contenido del componente más volátil. Las mezclas no tienen un punto de ebullición constante sino que presentan un intervalo de ebullición. Ates de esto. lo que indica que las fases líquido y vapor tienen la misma composición. La conversión de la mezcla total a la fase de vapor sólo es completa cuando el vapor tiene la misma composición que la fase líquida. mientras que la curva del condensado exhibe la composición el vapor que está en equilibrio con la mezcla líquida a la misma temperatura. La curva del punto de ebullición muestra la composición de la mezcla que comienza a ebullir a cierta temperatura. Las mezclas que tienen un punto de ebullición constante y no cambian su composición durante la ebullición. Cuando una mezcla exhibe una presión de vapor máxima. el vapor siempre es enriquecido con el líquido más volátil. Las curvas del punto de ebullición y del condensado coinciden en este punto máximo. entonces esta corresponde a su punto de ebullición mínimo. Para obtener la curva de calibración se debe graficar los índices de refracción medidos de los componentes puros y las once mezclas. en función de la cantidad de sustancia xi.01 Versión: 02 Página 115 de 144 consta de dos curvas. la curva del punto de ebullición y la del condensado. como ejemplo se presenta la figura 1 para mezclas de Metanol/cloroformo.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. IGJ 19/26 Termómetro digital. di = 6 mm Manga protectora para sonda de 10 Abrazadera para manguera d = 8- inmersión 12 mm Manta de calentamiento. Pt 100 Tubo de goma. el comportamiento de las mezclas reales no puede ser descrito solamente por la cantidad de sustancia. llave de paso manta de calentamiento 11 Erlenmeyer de 100 mL. 4-2 Collar de teflón. que refleja la desviación de las soluciones reales con respecto a las soluciones ideales. 6.5. Esta debe ser multiplicada por un factor de corrección llamado coeficiente de actividad. IGJ 19 Sonda de temperatura. línea Schellbach accesorios 11 Tapones 24/30 mm para termostato de inmersión Vaso de precipitaderos de vidrio. montaje de Bomba para chorro de agua rodillo Lápiz de laboratorio resistente al agua .01 Versión: 02 Página 116 de 144 La fracción molar del líquido 1 puede obtenerse de La cantidad de sustancia de un componete i se obtiene de i i i Mi Donde Vi= Volumen del componente i Mi= Masa molar del componente i ρi= Densidad del componente i Sin embargo. cuello Regulador de potencia estrecho Termostato de inmersión.6. 100 mL Abrazadera para 2 Bureta de 50 mL. 200 g Abrazadera para bureta. 6 L Pipetas Pasteur Soporte universal Capuchones de goma Pinza de ángulo recto Embudo de vidrio. dO = 55 mm Pinza universal Perlas de ebullición. claro. 100 °C Conjunto de lateral. 100 mL. largo Baño para termostato Makrolon.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Materiales y reactivos Refractómetro Abbe Tapón de vidrio. Usar dos buretas para adicionar en los erlenmeyer las cantidades de cada componente según se indica en la tabla 1. Determinar los índices de refracción de los líquidos puros. 250 mL Cabeza de columna IGJ 19 6.6. Fijar la temperatura del refractómetro a temperatura ambiente (o temperatura indicada por el docente) usando un baño de temperatura controlada. Limpiar exhaustivamente el refractómetro antes de cada medida. 1 y 2. Montaje experimental. 100 mL. Una vez determinados los índices de refracción trazar la curva de calibración en función de la fracción molar del liquido 1. IGJ 19/26 Glicerina. dejando caer el líquido sobre la superficie del prisma con una pipeta Pasteur limpia. Sellar cada solución con un tapón. Leer el valor medido después del ajuste óptico (ver el manual de instrucciones del refractómetro).MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA 10 Recipiente de fondo redondo.01 Versión: 02 Página 117 de 144 Líquido puro 1. 500 mL Líquido puro 2.6 Procedimiento Disponer el montaje experimental como se muestra en la figura 1. IGJ 19/26 Código: MFOQ-FQ. Preparar once mezclas diferentes del líquido 1 y el líquido 2. dos cuellos. . y de las distintas mezclas. 250 mL Refrigerante Dimroth. Figura 2. 5 Antes de trasvasar la mezcla en el aparato de punto de ebullición dejar caer unas gotas de glicerina en la manga protectora para la sonda de temperatura con el fin de mejorar la conductividad del calor.5 2. Después de cada medición.7 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio. leer el punto de ebullición.01 Versión: 02 Página 118 de 144 Tabla 1. adicionar unas perlas de ebullición y encender la manta de calentamiento.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. .5 2 5 45 3 10 40 4 15 35 5 20 30 6 25 25 7 30 20 8 35 15 9 40 10 10 45 5 11 47. antes que las primeras gotas de vapor condensado se observen en el refrigerante Dimtoth. 6.6. Asegurar que salga solamente una muy pequeña cantidad del producto destilado de modo que la composición de la fase de vapor sea constante. Destilar los líquidos puros para determinar su punto de ebullición. Vliquido 1 (mL) Vliquido 2 (mL) 1 2. Utilizar el índice de refracción medido para determinar la composición de la mezcla a partir de la curva de calibración. Repetir sucesivamente el procedimiento para las 11 mezclas. Mezcla No. Ajustar el calentamiento de forma que haya reflujo en la manga de protección por unos minutos. Composición de las mezclas Liquido 1-Líquido 2. Recoger las primeras gotas del destilado a través de la llave de paso de la cabeza de destilación para medir el índice de refracción. sacar la mezcla del matraz y limpiar el aparato.5 47. Verter la primera mezcla en el recipiente de dos cuellos. Chemical equilibrium. . KG: Göttingen. PHYWE Systeme GmbH & Co. p 42.6.8 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments. 2008.01 Versión: 02 Página 119 de 144 6.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Lec 03. Boiling point diagram of a binary mixture. 5 2 5 45 3 10 40 4 15 35 5 20 30 6 25 25 7 30 20 8 35 15 9 40 10 10 45 5 11 47. Composición de las mezclas Liquido 1-Líquido 2. Mezcla No.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Vliquido 1 (mL) Vliquido 2 (mL) 1 2. Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N°6.5 2.5 47.6 Diagrama del punto de ebullición de una mezcla binaria Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Tabla 1. Curva de calibración.01 Versión: 02 Página 120 de 144 ANEXO HOJA DE DATOS.5 . MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. nD__ xlíquido1 Líquido 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Líquido 1 1 Tabla 3. nD___ Fracción molar del Fracción molar del líquido 1 en la fase líquido 1 en la fase de vapor. Mezcla No. Datos de fracción molar del líquido 1 e índice de refracción a ____ °C para cada una de las mezclas binarias. xlLíquido1 v .01 Versión: 02 Página 121 de 144 Tabla 2. Índice de refracción. Mezcla No. Líquido 2 1 2 3 4 5 6 Temperatura de Índice de refracción ebullición del condensado. Resultados de temperatura de ebullición y fracción molar del líquido 1 en las fases líquido y vapor de cada una de las mezclas binarias. x líquido 1 líquida. Fracción molar del líquido 1. 01 Versión: 02 Página 122 de 144 .MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA 7 8 9 10 11 Líquido 1 Código: MFOQ-FQ. 6.3 Conceptos relacionados Teoría cinética de los gases.7.7 VELOCIDAD DE LAS MOLÉCULAS Y LA FUNCIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE MAXWELL-BOLTZMANN Tipo de práctica: Duración de la práctica: Indicaciones de peligro: Grupal (3-4 personas) 4 horas Ninguna 6.01 Versión: 02 MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Página 123 de 144 6.2 Principio En este experimento se emplea un aparato para simular el movimiento de las moléculas de gas y medir su velocidad.1 Objetivo Medir la distribución de velocidad en un ‘gas modelo’ y comparar el resultado con el comportamiento teórico descrito por la ecuación de Maxwell-Boltzmann. 6. velocidad media.7.Código: MFOQ-FQ. 6.4 Fundamento teórico Según la definición. distribución de velocidad.7. la presión de un gas se puede describir por P= Presión = Densidad . la energía cinética de las moléculas de un gas ideal está dada por: Energía cinética promedio M = masa de la molécula Velocidad media de la molécula A partir de la teoría cinética.7. La distribución de velocidad encontrada se compara con la ecuación teórica de Maxwell-Boltzmann. modelo de energía cinética. Esto fue hecho por Maxwell y Boltzmann. Como ejemplo en la figura 1 se muestra la correspondiente función de distribución para el oxígeno. por medio de métodos estadísticos es posible obtener una función de distribución de velocidades moleculares para un número grande de moléculas. .01 Versión: 02 Página 124 de 144 Combinando las ecuaciones (1) y (2) junto con la ley de los gases ideales. logrando el siguiente resultado: √ ( ) ( ) Esta ecuación describe la probabilidad de que una molécula se encuentre en el intervalo de velocidades {c.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Sin embargo.c+dc}. resulta p l Vmol= Volumen molar R= Constante de los gases T= Temperatura absoluta Lo anterior conduce a la siguiente expresión para c: c ( M ) o ( ) k= Constante de Boltzmann Esto significa que la energía cinética media es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas. Es imposible determinar directamente la velocidad de una molécula debido a que las colisiones con otras moléculas hacen que su valor cambie constantemente. que corresponde a la interpretación de temperatura a nivel molecular. la velocidad de las bolas puede ser determinada a partir de la distancia de lanzamiento s: g = aceleración de la gravedad (= .MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. m∙s-1) h = distancia entre la salida y el receptor . Distribución de velocidades moleculares para el oxígeno a 273 K.01 Versión: 02 Página 125 de 144 Figura 1. Para el máximo de la curva de velocidad (velocidad con más alta probabilidad). (cw) se puede derivar la siguiente relación: ( ) El remplazo de la ecuación (6) en la ecuación (5) conduce a √ Notar que cw ( ( ) ) c. y que √ √ √ √ En el experimento se modela el gas con bolas de cristal. MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 126 de 144 Ahora, los resultados experimentales (número de bolas por intervalo de distancia recorrida) se pueden visualizar gráficamente en la forma ∑ Ni = número de bolas en el intervalo i, i = … c =intervalo de velocidad correspondiente s = cm ( , m∙s-1) Como se muestra en la figura 2. Figura 2. Velocidad de distribución teórica y experimental en el experimento modelo. La función de distribución teórica se puede evaluar por medio de la ecuación (7) usando la velocidad en el máximo de la distribución experimental, según cw. El resultado para el ejemplo de la figura 3 también se muestra en el diagrama. La concordancia entre las dos curvas es razonablemente buena teniendo en cuenta el carácter modélico del experimento. 6.7.5 Materiales y reactivos Aparato de teoría cinética de gases Cronómetro digital, 1/100 s Espátula Trípode base-PASS- Receptor con cámara de grabación Tubo de ensayo, d = 16 mm, l = 16 cm Fuente de energía, 15 VAC/12 VDC/5 A Gradilla de masera para 12 tubos de Balanza de precisión, 620 g ensayo Estroboscopio digital Cable de conexión, l = 750 mm, rojo Vaso de precipitados, 50 mL Cable de conexión, l = 750 mm, azul. MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 127 de 144 6.7.6 Procedimiento Disponer el montaje experimental como se muestra en la figura 3. Figura 3. Montaje experimental. Adaptar al aparato el receptor con la cámara de grabación así como se describe en el manual de instrucciones para determinación de velocidades de partículas. Para evitar la pérdida de tiempo contando una a una las bolas durante el experimento, determinar el peso promedio de una bola de cristal pesando un número conocido de bolas (por ejemplo 100). Después de esto, determinar el número promedio de bolas de cristal expulsadas del aparato durante 1 minuto. Para ello, llenar el aparato con 400 bolas y ajustarlas a las siguientes condiciones: Altura del pistón superior: 6 cm Frecuencia del oscilador: 50s-1 (controlada por el voltaje y el estroboscopio) Ahora, abrir la salida durante un minuto y determinar el número de bolas expulsadas usando el peso de las bolas. Introducir de nuevo estas bolas al aparato y repetir el experimento dos veces Preparar la simulación experimental calculando el número promedio de bolas expulsadas por minuto y llenar cuatro vasos de precipitados, cada uno con el número de esferas hallado. Hacer los siguientes ajustes al aparato: Altura del pistón superior: 6 cm Diferencia de altura entre la salida y el receptor: 8 cm Número de bolas: 400 MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 128 de 144 Frecuencia del oscilador: 50 s-1 Cuando la frecuencia se estabilice, abrir la salida por 5 minutos. Después de cada minuto devolver el número de bolas correspondiente al contenido de un vaso de precipitados para mantener una ‘densidad de partículas’ constante. Mediante pesada determinar el número de bolas de cristal en cada uno de los 24 compartimentos del receptor. Volver a llenar los vasos de precipitados y repetir cuatro veces el experimento. 6.7.7 Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio. 6.7.8 Bibliografía. Chemistry: Laboratory Experiments. Velocity of molecules and the Maxwell-Boltzmann distribution function. Lec 01. PHYWE Systeme GmbH & Co. KG: Göttingen, 2008; p 8. Datos de masa y número de bolas expulsado por el aparato durante 1 minuto Determinación No Masa del conjunto de bolas (g) Número de Bolas 1 2 3 Tabla 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Primera Medición Masa del Número de conjunto de bolas Bolas (g) Segunda Medición Masa del Número de conjunto de Bolas bolas (g) Tercera Medición Masa del Número de conjunto de Bolas bolas (g) .01 Versión: 02 Página 129 de 144 ANEXO HOJA DE DATOS Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N° 6. Datos de masas y número de bolas de la simulación experimental a una frecuencia de ______ Compartimiento No.7 Velocidad de las moléculas y la función de distribución de Maxwell-Boltzmann Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Frecuencia_______ Masa de 100 bolas________ Tabla 1.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Primera Medición Masa del Número de conjunto de bolas Bolas (g) Segunda Medición Masa del Número de conjunto de Bolas bolas (g) Tercera Medición Masa del Número de conjunto de Bolas bolas (g) . Datos de masa y número de bolas expulsado por el aparato durante 1 minuto Determinación No Masa del conjunto de bolas (g) Número de Bolas 1 2 3 Tabla 4. Datos de masas y número de bolas de la simulación experimental a una frecuencia de ______ Compartimiento No.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 130 de 144 21 22 23 24 Frecuencia_______ Masa de 100 bolas________ Tabla 3. A partir del espectro de absorción del HCl. ecuación de distribuciones de Boltzmann.8. Utilizar el valor de la constante rotacional para calcular el momento de inercia. 6. frecuencia o número de onda.8. obtener: La longitud del enlace H-Cl La constante de rotación del HCl. esto hace que las moléculas diatómicas sean un modelo básico para el estudio de las propiedades vibracionales y .4 Fundamento teórico Las vibraciones de los sistemas moleculares poliatómicos pueden ser obtenidas mediante la combinación lineal de un número reducido de modos normales de vibración.8. La frecuencia de vibración fundamental y.1 Objetivo Obtener una distribución de intensidades de absorción mejorada del espectro rotacionalvibracional del HCl en fase gaseosa. Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) 4 horas Indicaciones de peligro: 6.8. El valor de J para las intensidades máximas de absorción y la distribución de intensidades. Obtener e interpretar el espectro Infrarrojo rotacional-vibracional del HCl en fase gaseosa. 6.2 Principio El espectro vibracional-rotacional de una molécula diatómica representa la interacción entre la energía de la radiación incidente y la correspondiente absorción por el sistema molecular debida a transiciones desde su estado fundamental a su estado excitado.01 Versión: 02 Página 131 de 144 6. 6. Ley de Beer-Lambert.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. ANÁLISIS DE LAS DISTRIBUCIONES DE INTENSIDAD DEL ESPECTRO ROTACIONAL-VIBRACIONAL DEL HCl.3 Conceptos relacionados Espectroscopia infrarroja. El resultado es una serie de intensidades de absorción en función de la energía incidente expresada en términos de la longitud de onda asociada.8. la constante de fuerza de enlace. Las reglas de selección restringen los cambios en los valores del número cuántico rotacional J tales que ΔJ igual a ± 1 como las únicas transiciones posibles.01 Versión: 02 Página 132 de 144 rotacionales de dichos sistemas y de otros de mayor complejidad. ΔJ = +1. y la región de alta energía R. Entretanto para las transiciones correspondientes a ∆ ν = 1 y con ΔJ = +1. Igualmente. tiene un gran valor didáctico para entender algunos fundamentos de la mecánica cuántica. es decir. se observan en el espectro IR de HCl en la región de alta energía denominada R (Fig. En ese sentido la ecuación de Boltzmann permite obtener la distribución de poblaciones con diferentes energías rotacionales para la molécula de HCl de la siguiente manera: . En los espectros tomados bajo condiciones de alta resolución. ∆ ν = 1 y con ΔJ = -1. 1). como el que se muestra en la figura 1. Espectro FTIR típico de HCl (g). se manifiestan en el espectro rotacionalvibracional de la molécula diatómica de HCl como las bandas observadas en la región denominada comúnmente como P de baja energía. la termodinámica y cómo se aplican algunos métodos computacionales para obtener los parámetros moleculares y termodinámicos de un gas a partir de su espectro y viceversa. las bandas de las regiones P y R aparecen desdobladas según la distribución isotópica del 35Cl y 37Cl.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. Las líneas de absorción observadas en el rango de energía del infrarrojo de los espectros de un sistema molecular dado se deben a cambios en las energías rotacionales que acompañan las transiciones desde los estados vibracionales fundamental a estados excitados. Las transiciones desde el estado fundamental ν = 0 al estado vibracional excitado ν = 1. ΔJ = -1. Distribución de Intensidad El siguiente aspecto a considerar es cómo se pueden predecir las intensidades de absorción a partir de los perfiles de población del estado térmico vibracional fundamental de los niveles de energía rotacional de la molécula de HCl. Figura 1. Al menos nueve transiciones se observan tanto en la región P de baja energía. La distribución de Boltzmann juega un papel importante en la predicción de la intensidad de la radiación absorbida dando lugar a la correspondencia entre las intensidades de mayor intensidad y los estados fundamentales rotacionales más poblados. Asumiendo que la probabilidad de transición es la misma para todas las transiciones entre los estados degenerados (2J +1). Esta constante se incorpora en Cabs y el término entre paréntesis relacionado a a Rmn se vuelve 1. la suma de las integrales de momento de transición es igual a una constante multiplicada por el factor (2J + 1). la intensidad de la radiación absorbida por una molécula diatómica en su transición entre dos niveles energéticos que involucran estados degenerados. De acuerdo al concepto de Herzberg. J es el número cuántico de rotación asociado con el estado fundamental de vibración ν=0. ER. está dada por: E Donde B0 es la constante rotación de HCl medida en números de onda. ER es la energía de rotación del nivel J. lo que resulta en: abs C abs e- E Esta ecuación usualmente se considera una explicación para las distribuciones de intensidad de absorción ya que es proporcional a la distribución de Boltzmann de la ecuación 1. N es el número total de moléculas de HCl en la muestra.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. se puede predecir a partir de: Cabs abs ( ∑i | | i ) e E Donde Cabs es una constante. T es la temperatura absoluta. cm-1. Los demás factores son el resultado de la solución de la ecuación 1 para Nj. rígida y lineal.01 Versión: 02 Página 133 de 144 e-E Donde NJ es la población de HCl en los diferentes niveles de energía de rotación. La suposición de . la población de cada estado rotacional en el nivel inferior. que es una primera aproximación a la energía real. kB es la constante de Boltzmann. el factor 2J + 1 es la degeneración de cada nivel de energía rotacional. En ambas ecuaciones 1 y 2. y q es la función de partición rotacional definida como: e ∑ E La energía de rotación. ν es la frecuencia de la radiación asociada a la transición. para una molécula diatómica heteronuclear. Rmn es la integral del momento de transición en la degeneración i y j en los estados inferiores y superiores m y n. la suma de las integrales de momento de transición de la ecuación 4 se hace igual a una constante multiplicada por (J’+ J+ 1) y el término que involucra a Rmn se combina con los términos restantes para dar: C abs abs e E El factor pre-exponencial es ahora (J’+J+1) donde la comilla indica el nivel J en el estado ν = 1 vibracional excitado. muestra que la intensidad máxima se encuentra en el tercer nivel. que corresponde a J = 2. Mientras que la figura 1. la cuarta transición es la de máxima intensidad en esta distribución y corresponde al nivel con número cuántico rotacional J = 3. .01 Versión: 02 Página 134 de 144 que todos los estados degenerados asociados en las transiciones tienen la misma probabilidad de transición introduce no permite que se logren reproducir de manera exacta las intensidades observadas experimentalmente.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. ν. Como se puede observar. El valor de ER está dado por la ecuación (3). En la figura 3 se muestra una segunda distribución de intensidad. Figura 2. y C´abs. se llega a J’=J + 1 para cada transición de la región R y el factor pre-exponencial entonces es igual a J +1 + J + 1 o 2J+2. Predicción de la distribución de Intensidad de las transiciones de la región del estado fundamental vibracional ν=0 de HCl (g) obtenida a partir de la ecuación (5). Así que la predicción de la ecuación (5) no coincide con el espectro real. Debido a que las reglas de selección para estas transiciones imponen una restricción para ΔJ = + 1 en la región R. Sin introducir la suposición de que todas las transiciones entre los niveles energéticos degenerados (2J +1) son iguales. En la figura 2 se muestra una distribución de intensidades utilizando la ecuación 5. basada en la ecuación (6). sin N. MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 135 de 144 Figura 3. Predicción de la distribución de Intensidad de las transiciones de la región R del estado fundamental vibracional ν=0 de HCl (g) obtenida mediante la ecuación (6) sin N, ν, y C´´abs. El valor de ER está dado por la ecuación (3). Como se puede apreciar, la intensidad máxima se encuentra ahora en la tercera transición correspondiente al nivel J = 2, exactamente como se observa en el espectro experimental de la figura 1. Sin embargo, esta distribución decae más rápidamente que la distribución de intensidades de la figura 2 por lo que aún presenta desviaciones pequeñas en la región de valores más altos de J. Por lo tanto la intensidad de absorción predicha usando la ecuación (6) coincide muy bien con el espectro alrededor del máximo, en comparación con el ajuste previsto utilizando la ecuación 5, aunque todavía está presente una desviación en la distribución de intensidades a valores altos de J. Con el propósito de obtener un mejor ajuste entre la intensidad de la absorción predicha y el espectro, la energía rotacional ER, de la ecuación 3 se modifica para tener en cuenta la distorsión centrífuga De, y el acoplamiento rotacional-vibracional αe. Debido a que estos términos contribuyen con una pequeña corrección a la energía rotacional, por lo general no son tenidos en cuenta en el cálculo de la intensidad. La corrección resultante para ER en el estado fundamental de vibración es: E [ e e ] La distribución de la intensidad mostrada en la Figura 4 fue generada usando en la ecuación 6 el término de energía rotacional corregido (ecuación 7). Debido a que ambas correcciones de De y αe son pequeñas, sólo en los valores mayores de J la corrección sea hace significativa y observable. El perfil de la población se desplaza ligeramente hacia los niveles rotacionales más altos en comparación con el perfil sin corregir de la figura 3 relacionado a la disminución de la diferencia de energía entre niveles a medida que J aumenta. Por lo tanto, la falta de correspondencia entre el espectro y la intensidad predicha de la figura 3 no están marcada. La similitud entre el espectro real de HCl mostrado en la Figura 1 y la distribución de intensidades de absorción relativas mostrada en la Figura 4 MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA es ligeramente mejor en la región R. El uso del factor pre-exponencial 2J + 2 distribución de intensidad proporciona la mayor corrección a la distribución. Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 136 de 144 en el cálculo de la Figura 4. Distribución de Intensidad en la región R predicha para las transiciones del estado fundamental vibracional ν=0 de HCl (g) obtenido mediante la ecuación (6) sin N, ν, y C´´abs. El valor de ER usado corrige el acoplamiento de rotacional-vibracional y la distorsión centrífuga dada por la ecuación 7. 6.8.5 Materiales y Reactivos Espectrofotómetro IR Celda IR para gases Pinza en ángulo recto Soporte universal Trampa de humedad H2SO4 concentrado NaCl Cloruro de calcio Manta de calentamiento Papel indicador de pH Tapón de caucho 4 Pinza para agarre Balón 100mL fondo redondo 24/40 Reducción 14/20 a 24/40 Tubo claisen Vidrio de reloj Embudo de adición 14/20 Adaptador de termómetro 14/20 Manguera de caucho Vaso de precipitado de 250 mL 6.8.6. Procedimiento Generación de HCl (g) Realizar el montaje de la figura 1. Trabajar en la cabina de extracción. Poner aproximadamente 5g de NaCl en el balón de fondo redondo de 100mL; 5mL de H2SO4 concentrado en el embudo de adición; 5g de CaCl2 en la trampa para humedad. MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.01 Versión: 02 Página 137 de 144 El HCl (g) se produce in situ dejando caer el ácido sulfúrico H2SO4 concentrado lentamente y por gotas del embudo de adición al balón que contiene el cloruro de sodio. Encender la manta de calentamiento. Los productos de esta reacción son NaSO4 y HCl(g). La producción de HCl (g) se puede verificar con ayuda de un papel indicador de pH. La celda de gases para IR (ver figura 2.) está conectada al sistema, ésta cuenta con una válvula de paso por medio de la cual se puede evacuar el sistema. Luego de purgar unas tres veces el sistema, cerrar la válvula de la celda y dirigirse a tomar el espectro IR. Figura 1. Montaje para la Obtención del HCl (g) Toma del espectro La celda para gases con ventana de fluoruro de calcio, debe retirarse y limpiarse inmediatamente después de su uso debido a la naturaleza corrosiva del HCl (g). El espectro se obtiene con un espectrómetro FTIR Bruker Modelo Tensor 27 (ver figura.3), a una resolución de 2,0 cm -1. Tomar el espectro en el modo de absorbancia. Figura 3.01 Versión: 02 Página 138 de 144 . Modelo Tensor 27. Celda para muestras gaseosas.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Figura 2. Código: MFOQ-FQ. Espectrofotómetro IR Bruker. Discutir los resultados en términos del comportamiento real y el ideal de los gases.1 Objetivos Determinar las masas molares para el di etileter y el metanol. volumetría gaseosa.3 Conceptos relacionados Gases ideales y realess.4.9.9. Fundamento teórico El método para la determinación de la masa molar de líquidos puros que pueden ser evaporados por completo sin descomposición se basa en la teoría de los gases ideales. a 3 K-1 mol-1) Con M m= masa M= Masa molar . 6. 6. determinación de la masa molar de acuerdo al método de densidad de vapor (Victor Meyer).MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. ecuación de estado de los gases ideales.9.9. 6.01 Versión: 02 Página 139 de 144 6.2 Principio La masa molar de un líquido se determina por la evaporación de un líquido a temperatura y presión constante y la medida de volumen de gas que se forma usando una jeringa de gas calibrada. La ecuación de estado para gases ideales está dada por: o p= Presión V= volumen Vmol= volumen molar R= constante de l s gases T= temperatura absoluta N= número de moles .9 DETERMINACIÓN DE LA MASA MOLECULAR DE UN LÍQUIDO Tipo de práctica: Duración de la práctica: Grupal (3-4 personas) 4 horas Indicaciones de peligro: 6. di = 7 y 2 mm . d0 = 55 mm Tapas de goma Manguera. d = 10 mm Barra de agitación magnética. 250 mL Embudo. l = 250 mm Pinza de ángulo recto Pinza universal Barra magnética.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ.5. Para tener en cuenta el comportamiento de un gas real se debe usar la ecuación de estado para los gases reales de Van der Waals: ( ) La multiplicación y la simplificación de la ecuación (4) lleva a: ( ) Donde a. la siguiente ecuación puede ser derivada: ( ) Que tiene en cuenta el comportamiento de un gas real para la determinación de la masa molar. l = 200 mm.01 Versión: 02 Página 140 de 144 La ecuación (1) da M La ecuación (3) solamente es válida cuando el gas se comporta como un gas ideal que es el caso a temperaturas de más de 20 K por encima de su punto de ebullición. Materiales y reactivos Medidor de temperatura Chaqueta de vidrio Jeringa de vidrio 100 mL Jeringa de 1 mL Aparato de calentamiento Regulador de potencia Base para la jeringa de vidrio Balanza de precisión Perlas de ebullición Metanol Di etileter Varilla para soporte. 6. b = Constantes de van der Waals con Vmol = V/n y n= m/M. l = 30 mm Vaso de precipitados.9. Conectar un pedazo de tubo de silicona a la conexión de tubular a través de la cual el agua que se expande durante el calentamiento puede drenarse al vaso de precipitados. Insertar la jeringa de gas de 100 mL en la chaqueta de vidrio (para información adicional ver el manual de instrucciones de la chaqueta de vidrio). Presionar el embolo de la jeringa de vidrio limpia y seca hasta la graduación de 5 mL.01 Versión: 02 Página 141 de 144 6. Montar la chaqueta de vidrio en los soportes. Procedimiento Figura 1. Cerrar el extremo del tubo capilar de la jeringa de vidrio que sobresale de la chaqueta de vidrio con un tapón de caucho de tal manera que la jeringa sea hermética y no permita el escape de gases. Montaje Experimental Disponer del montaje experimental como se muestra en la figura 1.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. llenarla con agua destilada hasta 1 cm por encima de la jeringa de gas y adicionar unas cuantas perlas de ebullición. Este pequeño volumen de aire debe estar confinado en la jeringa para hacer más fácil la inyección del líquido a analizar.6. Insertar los termómetros en las entradas de vidrio tubulares superiores.9. . La jeringa debe poderse halar lo suficiente en la chaqueta de vidrio de tal forma que el tapón de caucho quede directamente sobre la conexión de la chaqueta de vidrio para evitar una superficie fría en el tubo capilar. Asegurar que la presión de equilibrio entre la jeringa y la atmósfera se haya alcanzado girando ligeramente el cilindro de la jeringa de vidrio. 0. Dejar que caiga una pequeña cantidad de líquido a analizar (por ej.12 mL de metanol o aprox. Kinetic Theory. Registre el volumen exacto de aire contenido en la jeringa de gas.8 Bibliografía Chemistry: Laboratory Experiments.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. .9. 2008. PHYWE Systeme GmbH & Co. Dejar que la jeringa de inyección se mantenga hasta que el volumen de vapor no cambie. llevar a cabo las mediciones como se indica a continuación. remover el tapón de caucho de la jeringa de gas y purgar varias veces la jeringa con aire presionando el émbolo hacia atrás y hacia adelante.Determination of the molecular mass of a liquid. Después de cada medición. Disposición final de los residuos generados en la práctica: seguir las indicaciones dadas por el técnico del laboratorio. Asegurar que toda la sustancia haya sido inyectada en el cilindro de la jeringa de gas y que nada quede remanente en el tubo capilar. 6.9. Ahora inyectar rápidamente el líquido a través del tapón de caucho. 6. aprox. KG: Göttingen. Volver a pesar la jeringa vacía y calcular la masa de la sustancia.01 Versión: 02 Página 142 de 144 Encender el aparato de calentamiento y ajustar el regulador de potencia de tal forma que el agua se lleva a ebullición de manera controlada. 0. Limpiar la cánula en la parte externa con una toalla de papel y determinar el peso total de la jeringa junto con la cánula y la sustancia a analizar con una exactitud de 1 mg.3 mL de dietil éter) a la jeringa de inyección sin la presencia o formación de burbujas. leer luego el volumen del líquido vaporizado. Cuando la temperatura haya alcanzado una temperatura constante. Realizar de esta manera tres experimentos por cada uno de los dos líquidos a analizar.7. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Peso de la jeringa. (g) V Liq vaporizado(mL) ) ) Masa de la sustancia (g) .Código: MFOQ-FQ. V (mL) Peso de la jeringa. (g) Volumen.01 Versión: 02 MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Página 143 de 144 ANEXO 1. V (mL) Peso de la jeringa.9 Determinación de la masa molecular de un líquido Grupo N°:_________ Nombre de los integrantes: Líquido a evaluar: _____________________________Temperatura T: ________( Medición No. (g) Volumen. Laboratorio de Fisicoquímica Práctica N° 6. (g) V Liq vaporizado(mL) Masa de la sustancia (g) Líquido a evaluar: _____________________________Temperatura T: ________( Medición No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Peso de la jeringa. VERSIÓN 00 DESCRIPCIÓN Elaboración del Documento FECHA 20/08/2011 RESPONSABLE ELABORÓ REVISÓ APROBÓ Dr. Laboratorio de Fisicoquímica No. Profesional en Química. Cristian Blanco T. Cristian Blanco T. 29 Abril de 2013 Validación de las prácticas 02 Dr.MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Código: MFOQ-FQ. VERSIÓN FECHA DE REVISIÓN APROBÓ PÁGINAS MODIFICACIÓN REALIZADA (D/M/A) 00 Dr. Herminsul Cano.8 FIN DEL DOCUMENTO . Martha C. Molina L.01 Versión: 02 Página 144 de 144 APROBACIÓN Y LISTADO DE REVISIONES. Herminsul Cano 27 Nov de 2013 Inclusión de prácticas 5. 8 Agosto de 2011 Creación del documento 01 Dr. Enrique Mejía Docente Escuela de Química Área de Fisicoquímica Dr. Director Escuela de Química.7 y 5.
Report "Manual Practicas de Lab. Fisicoquimica I-Lab. Fisicoquimica II UIS"