Indice de Refraccion

FACULTAD DE INGENIERÍA

QUÍMICA Y METALURGIA

Departamento Académico de Ingeniería Química ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO

DE FISICOQUÍMICA I

ASIGNATURA: QU-244 FISICOQUÍMICA I PRÁCTICA N° 07: Densidad e Índice de Refracción de Sistemas Binarios Líquidos a Diferentes Temperaturas

PROFESOR DE PRÁCTICA

: Ing. José Alberto, CUEVA

VARGAS INTEGRANTES 

: GARCÍA PALOMINO, Jhon Elvis

( 17120696 )   TURNO

SULCA CERDA, Renzo CONDE VERA, Lehonel

: Jueves 5:00 a 8:00 PM

Ayacucho-Perú 2016

Densidad e Índice de Refracción de Sistemas Binarios Líquidos a Diferentes Temperaturas I.

OBJETIVOS:

1. Determinar las densidades de mezclas de sistemas binarios de líquidos por picnometría a diferentes temperaturas 2. Determinar los índices de refracción de mezclas de sistemas binarios de líquidos a diferentes temperaturas. 3. Construir graficas patrón de densidad vs composición a diferentes temperaturas.

4. Construir graficas patrón de índice de refracción vs composición a diferentes 5. 6. 7. 8. 9.

II.

temperaturas. Determinar la composición de la “muestra problema” conociendo su densidad y/o su índice de refracción. Calcular los volúmenes de cada solvente empleado para preparar la “muestra problema”. Calcular la refractividad molecular para los solventes puros con la Ec. De Lorentz – Lorentz. Calcular el índice de refracción de las mezclas y compararlas con las experimentales. Calcular la refractividad molecular de las mezclas.

FUNDAMENTO TEÓRICO: DENSIDAD. La densidad p de una sustancia es la masa que corresponde a un volumen unidad de dicha sustancia. Su unidad en el SI es el cociente entre la unidad de masa y la del volumen, es decir kg/m3 o kg · m-3. A diferencia de la masa o el volumen, que dependen de cada objeto, su cociente depende solamente del tipo de material de que está constituido y no de la forma ni del tamaño de aquél. Se dice por ello que la densidad es una propiedad o atributo característico de cada sustancia. En los sólidos la densidad es aproximadamente constante, pero en los líquidos, y particularmente en los gases, varía con las condiciones de medida. Así en el caso de los líquidos se suele especificar la temperatura a la que se refiere el valor dado para la densidad y en el caso de los gases se ha de indicar, junto con dicho valor, la presión (Chang, et. al., 2008).

INDICE DE REFRACCIÓN:

Cuando un haz de luz que se propaga por un medio ingresa a otro distinto, una parte del haz se refleja mientras que la otra sufre una refracción, que consiste en el cambio de dirección del haz. Para esto se utiliza el llamado índice de refracción del material, que nos servirá para calcular la diferencia entre el ángulo de incidencia y el de refracción del haz (antes y después de ingresar al nuevo material). El efecto de la refracción se puede observar fácilmente introduciendo una varilla en agua. Se puede ver que parece quebrarse bajo la superficie. En realidad lo que sucede es que la luz reflejada por la varilla (su imagen) cambia de dirección al salir del agua, debido a la diferencia de índices de refracción entre el agua y el aire. Se utiliza la letra n para representar el índice de refracción del material, y se calcula por la siguiente fórmula:

c0

n

=

n : índice de refracción del medio en cuestión co : velocidad de la luz en el vacío (3x108 m/s) v : velocidad de la luz en el medio en cuestión

v Es decir que es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en el medio. Dado que la velocidad de la luz en cualquier medio es siempre menor que en el vacío, el índice de refracción será un número siempre mayor que 1. En el vacío: n=1 En otro medio: n>1 REFRACTÓMETRO DE ABBE

Su función es medir el índice de refracción de una muestra líquida (o sólida si tiene una cara lisa y pulida). Las dos partes principales del instrumento son el prisma de iluminación y el prisma de refracción. En óptica, un prisma es un objeto capaz de reflejar y/o refractar la luz. La refracción de la luz consiste en su cambio de dirección al cambiar de medio. Pero el cambio de dirección depende de la longitud de onda de la luz, y como la luz blanca que llega al prisma es una mezcla de radiaciones de diferentes longitudes de onda, cada una se difracta (es decir, cambia de dirección) en grado diferente (Connors, et. al., 1980).

Ley de refracción (Ley de Snell)

n1 . sen a1an2 . sen a2  1ángulo entre el haz incidente y la normal (perpendicular) a la superficie  2ángulo entre el haz refractado y la normal a la superficie El ángulo de incidencia  1 es igual al ángulo de relexión  1' Reflexión total interna Para que todos los haces de luz se mantengan dentro del núcleo debe darse la reflexión total interna, y esta depende de los índices de refracción y del ángulo de incidencia: Ejemplo: n1=1.5

n2=1.3

n1 . sen 1 = n2 . sen 2 1.5 . sen 1 = 1.3 . sen 90o (sen 90o =1) sen 1 = 1.3 / 1.5 =>

1 > 60o

Entonces, para que todo el caudal de luz se propague dentro de la fibra, en el ejemplo el ángulo de incidencia debe ser mayor o igual a 60o. Nota: Una fibra necesariamente debe tener revestimiento (cladding), puesto que si no lo tuviera, a pesar de seguir cumpliéndose que el índice del núcleo es mayor que el del revestimiento que sería el vacío, ante cualquier suciedad o cuerpo que se adhiriera a la fibra, en dicho punto ya no se cumpliría esa condición y se produciría una pérdida por refracción hacia afuera. Apertura numérica Es un indicador del ángulo máximo con que un haz de luz puede ingresar a la fibra para que se produzca la reflexión total interna: AN = sen  siendo el medio externo aire o vacío Entonces, a mayor AN, mayor es el ángulo de aceptancia.

Cono de aceptancia

III.

MATERIALES Y REACTIVOS: Materiales:           

2 termómetros de 0-100°C 2 buretas de 25 mL. 2 soportes universales con porta buretas dobles de Fisher. 2 embudos pequeños 2 Beakers de 50 mL. 10 fiolas de 50 mL. 04 fiolas de 25 mL. 01 balanza analítica con una exactitud de +/- 0.1 mg. 03 picnómetros de 5 mL. 02 pisetas 08 micro pipetas o goteros

Equipos  01 refractómetro de Abbe, nomo o binoculares provistos de termómetro  02 termostatos de temperatura regulable.  01 compresora de aire. Reactivos  02 líquidos con índice de refracción y densidad diferentes no menor del orden de 0.04. Ejemplo: isopropanol e isobutanol.  Acetona para lavar  Papel tisú para lentes, franela fina limpia o trozos de papel filtro cualitativo.  Acetona, q.p.  Benceno, q.p. IV.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL A) Preparación de muestras: - Se preparó las muestras con los volúmenes específicos en la tabla Nº 2.1.medidos a una determinada temperatura ambiente a la cual se conoce la densidad de los componentes puros. Se rotula las muestras del 1 al 7.

-

El Profesor de Practicas preparó la muestra 8, con los volúmenes q solo el conoce. Se registró en la Tabla Nº 1 los datos e información bibliografiítas de los componentes puros. Asignado el numero 1 a la muestra de menos índice de refracción.

B) Medición del índice de refracción y de las densidades de las 8 muestras a ……..la temperatura 1: a) Manejo de refractómetro de Abbe: - Se conectó los terminales a la chaqueta de los prismas del refractómetro al baño termostatito regulado a la temperatura 1 del experimento. - Verificamos la instalación del termómetro en el refractómetro. - Se circuló el agua en el sistema termostato-refractómetro y verifique las temperaturas idénticas. b) Colocación de la muestra: - Se aseguró de que los prismas estén limpios y secos. Limpie suavemente con papel tisú para lentes o franela fina, si es necesario humedecida con acetona o con benceno. - Colocamos una o dos gotas de la muestra sobre el prima inferior, con una pipeta o gotero. - Rotamos el prisma superior y ajuste la posición. Se hizo esta operación rápidamente para evitar la perdida excesiva de muestra por evaporación, c) Lectura del índice de refracción. -

Se usó una bombilla de sodio de 25-100 Watts si esta disponible. De lo contrario ubicar el refractómetro orientado hacia la ventana. Ajustamos el espejo para lograr la máxima iluminación del campo. Se ajustó el área observada de tal manera q se tenga una precisa imagen de la cruz formada por los filamentos. Girar el manubrio inferior hasta que la división entre los campos claro y oscuro sea localizada. Ajustar el compensador de AMICI hasta que la división entre los campos claro y oscuro sea nítida. Girar el manubrio hasta q la línea de división entre el campo claro y oscuro coincida con la intersección de los filamentos cruzados. Leer el índice de refracción hasta la cuarta cifra decimal. La ultima cifra decimal es estimada. Se repitió la lectura con el resto de las muestras y finalmente con la muestra problema.

C) Determinación de la densidad de las muestras por picnometría a la ……..temperatura t1. -

V.

Se pesó los picnómetros y su tapa limpios y secos. Anotar. Se llenó totalmente los picnómetros con las muestras respectivas, termostatizar a la temperatura t1 por 5 minutos. Se verificó que el picnómetro este lleno incluido el capilar de la tapa. Si ello no se cumple rellenar y termostatizar por 2 minutos adicionales. Comprobar que este completamente lleno. Secar externamente. Pesar. Anotar. Se repitió el procedimiento con el resto de muestras a la temperatura t1.

DATOS EXPERIMENTALES, DATOS BIBLIOGRAFICOS, CALCULOS, RESULTADOS Y/O GRAFICAS TABLA Nº 1. DATOS BIBLIOGRAFICOS DE LOS COMPONENTES PUROS:

COMPONENTE

FORMULA

M, g/mol

% de pureza

d, g/mL

nd

Isopropanol

CH3CHOHCH3

60.10

99,9

0,7863

208

Isobutanol

C4H10OH

74.12

99,0

0,8025

1.396

TABLA Nº 2.1. DATOS EXPERIMENTALES DE LA PREPARACION DE MUESTRAS. INDICE DE REFRACCION Y CALCULOS DE DENSIDAD DE CADA MUESTRA Y DE LA MUESTRA PROBLEMA “8” A LA TEMPERATURA t1 = 24 °C.

VOLUMEN, mL

MUESTR Bencen nA o Hexano 1 0 20 2 3 17 3 6 14 4 10 10 5 14 6 6 17 3 7 20 0 "8" problema problema

Nd 1,3935 1,3911 1,3882 1,3845 1,3811 1,3785 1,3759 1,3869

Wp, g

Wp+H2O, Wp+m, dm, g/ml g g

16,81

24.73 24.70 24.66 24,62 24,79 24,57 24,52 24,66

26,63

0.78756 0.78443 0.78208 0.77893 0.77452 0.77166 0.76991 0.77978

TABLA Nº 3.1. DATOS EXPERIMENTALES, CALCULOS DE %V1, %W1, Y X1 DE LAS MUESTRAS Y PARA LA MUESTRA PROBLEMA “8” A LA TEMPERATURA t1 = 25°C.

MUESTRA

A)

dm, g/mL

nD

%V1

%W1

X1

1

0.78756

1,392

0

0

0

2

0.78443

1,390

15

4.28597

0.122963146

3

0.78208

1,388

30

8.57195

0.254012667

4

0.77893

1,385

50

14.28597

0.442735117

5

0.77452

1,381

70

20.000

0.649583894

6

0.77166

1,378

85

24.28597

0.818217443

7

0.76991

1,376

100

28.57195

1

"8"

0.77978

1,386

0.061

0.017

0.0061

CON LOS DATOS DE LAS TABLAS Nº 1 Y 2.1 EFECTUAR LOS SIGUIENTES CÁLCULOS: a) Determinar el % en volumen del componente 1.

Muestra 1: %V1 = Vi / Vt x 100 %V1 = 0/20 x 100 %V1 = 0 Muestra 2 %V1 = 3/20 x 100 %V1 = 15 Muestra 3: %V1 = 6/20 x 100 %V1 = 30 Muestra 4: %V1 = 10/20 x 100 %V1 = 50

Muestra 5: %V1 = 14/20 x 100 %V1 = 70 Muestra 6: %V1 = 17/20 x 100 %V1 = 85 Muestra 7: %V1 = 20/20 x 100

%V1 = 100

b) Determinar el % en peso del componente 1. mi= DiVi

Muestra 1: %W = mi / mt x 100 %W = 0 / 55.04x 100 %W = 0

0 2.359

Muestra 2: %W = 2.359/55.04 x 100 %W = 4.28597

4.718

Muestra 3: %W = 4.718/ 55.04 x 100 %W = 8.57195

11.008

Muestra

7.863

4:

13.367 15.726 mt=55.04

%W = 7.863 / 55.04 x 100 %W = 14,28597 Muestra 5: %W = 11.008 / 55.04 x 100 %W = 20.000 Muestra 6: %W = 13.367/ 55.04 x 100 %W = 24.28597 Muestra 7: %W = 15,726 / 55.04 x 100 %W = 28.57195 c) Determinar la fracción molar del componente 1.

Muestra 1: X1 = D1V12 / D1V12 + D2V21 X1 = (0)(60,10) / (0)(60,10) + (16,05)(74,12) X1 = 0 Muestra 2: X1 = D1V12 / D1V12 + D2V21 X1 = (2,359)( 60,10) / (2.359)( 60,10) + (13,643)(74,12)

mt=55.04

X1 = 0,1229631461 Muestra 3: X1 = D1V12 / D1V12 + D2V21 X1 = (4,718)( 60,10) / (4,718)( 60,10) + (11.235)(74,12) X1 = 0,254012667 Muestra 4: X1 = D1V12 / D1V12 + D2V21 X1 = (7,863)( 60,10) / (7,863)( 60,10) + (8,025)(74,12) X1 = 0,442735117 Muestra 5: X1 = D1V12 / D1V12 + D2V21 X1 = (11.008)( 60,10) / (11.008)( 60,10) + (4,815)(74,12) X1 = 0,649583894 Muestra 6: X1 = D1V12 / D1V12 + D2V21 X1 = (13,367)( 60,10) / (13.367)( 60,10) + (2,408)(74,12) X1 = 0,818217443 Muestra 7: X1 = D1V12 / D1V12 + D2V21 X1 = (15,726)( 60,10) / (15.726)( 60,10) + (0)(74,12) X1 = 1 B)

Con los datos de densidad de las muestras y los resultados de V.1 construir la mejor curva (o ajustar la recta) en:

a) Grafico Nº 1: Densidad vs %V1.

b) Grafico Nº 2: Densidad vs %W1.

c) Grafico Nº 3: Densidad vs %X1.

C)

CON LOS DATOS DE ÍNDICE DE REFRACCIÓN DE LAS MUESTRAS Y LOS RESULTADOS DE V.1 CONSTRUIR LA MEJOR CURVA (O AJUSTAR LA RECTA) EN:

a) Gráfico Nº 1: Índice de refracción vs %V1.

b) Grafico Nº 2: Índice de refracción vs %W1.

c) Grafico Nº 3: Índice de refracción vs %X1.

D)

VERIFICAR Y COMENTAR LA CONCORDANCIA DE LOS RESULTADOS LEÍDOS PARA LA COMPOSICIÓN DE LA MUESTRA PROBLEMA “8” EN LOS SEIS GRÁFICOS.

Reemplazando el valor de la densidad de la muestra 8 en el gráfico DENSIDAD VS %V: Y

= 0.0002X+0.7695

X

= (Y-0.7695) / 0.0002

%V

= (0.77978 – 0.7695) / 0.0002

%V

= 51,4

Reemplazando el %W: Y X %W %W Reemplazando el X1: Y X X1 X1

valor de la densidad de la muestra 8 en el gráfico DENSIDAD VS = 0.0006X+0.7695 = (Y-0.7695) / 0.0006 = (0.77978 – 0.7695) / 0.0006 = 17,133 valor de la densidad de la muestra 8 en el gráfico DENSIDAD VS = 0.0179X+0.77 = (Y-0.77) / 0.0179 = (0.77978 – 0.77) / 0.0179 = 0.546

Reemplazando el valor del índice de refracción de la muestra 8 en el gráfico INDICE DE REFRACCION VS %V: Y X %V

= 0.1648X+1.376 = (Y-1,376) / 0.1648 = (1,386–1.376) / 0.1648

%V

= 0.061

Reemplazando el valor del índice de refracción de la muestra 8 en el gráfico INDICE DE REFRACCION VS %W:

Y X %W

= 0.577X+1.376 = (Y-1.376) / 0.577 = (1,386 – 1.376) / 0.577

%W

= 0.017

Reemplazando el valor del índice de refracción de la muestra 8 en el gráfico INDICE DE REFRACCION VS %X1:

Y X X1

= 16,414X+1,376 = (Y-1,376) / 16,414 = (1,386 –1,376) / 16,414

X1

= 0.0061

Hay una concordancia en los valores de %V, %W y X 1, obtenidos de las ecuaciones de cada grafica, y se recomienda tomar los valores de las graficas de V.3., ya que el valor del R2 tiene un acercamiento mayor a 1, a diferencia de los otros tres gráficos. Por lo tanto: %V Vi Vi

= = =

Vi / Vt * 100 (%V) (Vt) / 100 (0.061) (20) / 100

Vi

=

0.0122mL

El volumen de isopropanol empleado es de 0,122 mL aproximadamente, y por consecuente el volumen de isobutanol es 19,878mL. E)

CALCULAR LOS VOLÚMENES REQUERIDOS PARA PREPARAR UN VOLUMEN DE 50 mL DE LA MUESTRA PROBLEMA Nº “8”. La muestra “8” está compuesta de isopropanol y isobutanol en relación de 0,122 a 19,878mL. Para preparar una solucion de 50mL de muestra “8”: A + B =

20mL muestra “8”

5 / 2 (A+B) =50 mL de muestra “8” Por lo tanto, las medidas volumétricas son: ISOPROPANOL = 5 / 2 A = 0,305 mL ISOBUTANOL = 5 / 2 B = 49.695 mL

A = 0,122 (isopropanol) B = 19,878(isobutanol)

POR LO TANTO: Isopropanol + Isobutanol= 50ML 0,305mL+49.695mL=50ml

VI. CONCLUSIONES: 

se logró determinar los índices de refracción de mezclas de sistemas binarios de líquidos a diferentes temperaturas.



Se construyó graficas patrón de volumen vs índice de refracción a diferentes temperaturas.



Se construyó graficas patrón de fracción molar vs índice de refracción a diferentes temperaturas.



Se logró determinar la composición de la nueva “muestra problema” conociendo su densidad y/o su índice de refracción.



Se logró calcular los volúmenes de cada solvente empleado para preparar la “muestra problema”.



Se calculó la refractividad molecular para los solventes puros con la Ecuación De Lorentz – Lorentz.



Se calculó el índice de refracción de las mezclas y compararlas con las experimentales.

VII. RECOMENDACIONES: 

No tocar los prismas con la pipeta, gotero o con sus dedos.



Limpiar los prismas después de cada uso.



Realizar cuidadosamente la lectura del índice de refracción.



Sujetar solo del cuello el picnómetro con los dedos, ya que con la temperatura corporal se puede alterar la temperatura en el picnómetro.

VIII. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA

 BURMISTROVA, O. A. Y OTROS… “PRACTICAS DE QUIMICA FISICA”. Edit. MIR. Moscú. URSS. 1977.  CRC Handbook of Chemistry and Physics. RCWeast, Edit. CRC Press, Inc. Boca. Raton. F.L.  GRANADOS R, C. S. T OTROS… “MANUAL DE EXPERIMENTOS DE FISICO QUIMICA” DAIQ. FIQM. UNSCH. Ayacucho. Perú. 1992.  LEVITT, B. “QUIMICA FISICA PRACTICA DE FINDLAY” Edit. Reverté, S. A. Barcelona. España.