Práctica 6

Práctica 6 Temperatura de ebullición 6.1 Objetivos

• Determinar la temperatura de ebullición de algunos líquidos puros. • Corregir las temperaturas de ebullición de acuerdo con las variaciones en la presión atmosférica. 6.2 Marco teórico 6.2.1 Evaporación y presión de vapor

La energía cinética de las moléculas de un líquido está cambiando continuamente a medida que chocan con otras moléculas. En cualquier instante, algunas de las moléculas de la superficie adquieren la suficiente energía para superar las fuerzas atractivas y escapan a la fase gaseosa ocurriendo la evaporación. La velocidad de evaporación aumenta a medida que se eleva la temperatura del líquido. Si el líquido se encuentra en un recipiente cerrado, las moléculas del vapor quedarán confinadas en las vecindades del líquido, y durante el transcurso de su movimiento desordenado algunas de ellas pueden regresar de nuevo a la fase líquida. Al principio, la velocidad de condensación de las moléculas es lenta puesto que hay pocas moléculas en el vapor. Sin embargo, al aumentar la velocidad de evaporación, también aumenta la velocidad de condensación hasta que el sistema alcanza un estado en el que ambas velocidades son iguales (véase la figura 6.1).

Figura 6.1

Evaporación de un líquido en un recipiente cerrado

En este estado de equilibrio dinámico, la concentración de las moléculas en el vapor es constante y por lo tanto también es constante la presión. La presión ejercida por el vapor cuando se encuentra en equilibrio con el líquido, a una determinada temperatura, se denomina presión de vapor y su valor aumenta al aumentar la temperatura. 6.2.2 Temperatura de ebullición

La temperatura de ebullición es aquella a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión externa. En este punto, el vapor no solamente proviene de la superficie sino que

también se forma en el interior del líquido produciendo burbujas y turbulencia que es característica de la ebullición. La temperatura de ebullición permanece constante hasta que todo el líquido se haya evaporado. El punto de ebullición que se mide cuando la presión externa es de 1 atm se denomina temperatura normal de ebullición y se sobreentiende que los valores que aparecen en las tablas son puntos normales de ebullición. 6.2.3 Corrección de la temperatura de ebullición

En el caso de los líquidos, la temperatura de ebullición se ve afectada por los cambios en la presión atmosférica debidos a las variaciones en la altura. A medida que un sitio se encuentra más elevado sobre el nivel del mar, la temperatura de ebullición se hace menor . A una altura de 1500 m o 0.84 atm (Medellín, por ejemplo), el agua ebulle a 95 °C mientras que al nivel del mar el agua hierve a 100 °C. Con el propósito de realizar comparaciones con los valores reportados por la literatura, se hace necesario corregir la temperatura normal de ebullición en un factor proporcional a la diferencia de presiones. Los factores de corrección se muestran en la tabla 6.1 y dependen de la polaridad del líquido. La temperatura normal de ebullición del agua es de 100 °C. ¿Cuál será el punto de ebullición del agua en Medellín (p = 640 torr) y Bogotá (p = 560 torr)? Ejemplo 6.1

Para Medellín:

p = 760 torr – 640 torr = 120 torr = 120 mm Hg

Fc = 120 mm Hg x 0.370 °C/10 mm Hg = 4.4 °C Te = 100 °C – 4.4 °C = 95.6 °C Tabla 6.1

Factores de correción del punto de ebullición por cambios en la presión Teb normal (°C) 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Para Bogotá:

Variación en T por Líquidos no polares 0.380 0.392 0.404 0.416 0.428 0.440 0.452 0.464 0.476

p = 10 mm Hg Líquidos polares 0.320 0.330 0.340 0.350 0.360 0.370 0.380 0.390 0.400

p = 760 torr – 560 torr = 200 torr = 200 mm Hg

Fc = 200 mm Hg x 0.370 °C/10 mm Hg = 7.4 °C

Te = 100 °C – 7.4 °C = 92.6 °C La temperatura de ebullición del n-butanol (polar) en Medellín es de 112 °C, ¿cuál será el punto de ebullición normal del n-butanol? Ejemplo 6.2

p = 760 torr – 640 torr = 120 torr = 120 mm Hg Fc = 120 mm Hg x 0.382 °C/10 mm Hg = 4.6 °C Te = 112 °C + 4.6 °C = 117 °C Nótese que para 112 °C, el valor del factor de corrección en la tabla 6.1 se estima aproximadamente por interpolación. Consultar en qué consiste este método. 6.3 Materiales y equipo

• Líquidos: cloroformo, etanol, 1-butanol, hexano (consultar el punto de ebullición y la fórmula química de estos líquidos) • Aceite mineral • Vaso de precipitados, tubo de ensayo • Soporte universal • Termómetro • Mechero • Capilares (traerlos) 6.4 Procedimiento

A un tubo de ensayo pequeño se añaden 2 mL del líquido problema, se introduce un capilar sellado por uno de sus extremos de modo que el extremo abierto toque el fondo del tubo y luego se adiciona el termómetro. El sistema se coloca en un baño de aceite, tal como se ilustra en la figura 6.2.

Figura 6.2

Montaje para la temperatura de ebullición

Se calienta gradualmente (2-3 °C/min) hasta que del capilar se desprenda un rosario continuo de burbujas. En seguida se suspende el calentamiento y en el instante en que el líquido entre por el capilar se lee la temperatura de ebullición. La determinación se repite para los demás líquidos. 6.5 Cálculos y resultados

Anotar en la tabla 6.2 los datos obtenidos en el experimento. Corregir la temperatura normal de ebullición de cada líquido a la presión del laboratorio, y calcular el porcentaje de error en la temperatura de ebullición experimental por comparación con los valores corregidos.

Tabla 6.2

*

Líquido

Polaridad

cloroformo etanol 1-butanol hexano

polar polar polar no polar

Error =

6.6 Discusión y conclusiones

Temperaturas de ebullición

Teb normal, °C

Teb , °C (corregida)

Teb , °C Error* (%) (laboratorio)

Con base en la comparación entre las temperaturas de ebullición obtenidas en el laboratorio y las temperaturas de ebullición normal corregidas, establezca las posibles causas de los errores obtenidos. 6.7 Preguntas

• ¿Cómo influye la presencia de impurezas solubles en el punto de ebullición? • ¿Por qué la temperatura de ebullición se da justo cuando el líquido asciende por el interior del capilar? • ¿Por qué la presión atmosférica influye sobre el punto de ebullición? • Estrictamente hablando, ¿por qué debe ser incorrecto hablar de punto de ebullición? • ¿Dónde se cocinará más rápido un huevo: en el Himalaya (p = 300 torr), en la luna (patm = 20 torr) o en Bogotá (patm = 560 torr)? Explique su respuesta. • ¿Qué son fuerzas intermoleculares y cómo se clasifican? • Investigue qué son sustancias polares y no polares. ¿Qué son los puentes de hidrógeno. ¿Qué relación tiene la polaridad con el punto de ebullición? • ¿Por qué los alimentos se cocinan más fácilmente en una olla a presión? • Criticar la siguiente afirmación: “Cuando el agua ebulle se rompen los enlaces H-O y ambos elementos escapan a la fase gaseosa como H2 y O2”. [Moore, J. W. Química. McGraw Hill, Cali, 1978.] • El punto normal de ebullición de la etiléndiamina, H2N(CH2)2NH2, es 117 °C y el de la propilamina, CH3(CH2)2NH2, es de 49 °C. Las moléculas, sin embargo, son semejantes en tamaño y masa molar. ¿Cómo se explica la diferencia en los puntos de ebullición? [Moore, J. W. Química. McGraw Hill, Cali, 1978.] • Cuando una o dos gotitas de un líquido muy volátil se colocan sobre la piel y se dejan evaporar, se experimenta una sensación de enfriamiento. ¿Por qué? [Moore, J. W. Química. McGraw Hill, Cali, 1978.] 6.8 Problemas sugeridos

Trata de resolver los siguientes ejercicios

Los problemas señalados con (*) tienen un mayor nivel de dificultad. Solicite la asesoría de su Profesor. ‡ El CBr4 tiene un punto de ebullición (189.5 °C) mayor que el del CCl4 (76.8 °C). Un estudiante encuentra que el enlace C - Br es más débil que el enlace C - Cl y deduce que esta debe ser la razón por la que el CBr4 tiene un mayor punto de ebullición. ¿Está de acuerdo con la conclusión del estudiante? [Moore, J. W. Química. McGraw Hill, Cali, 1978.] 6.9 Lecturas recomendadas

Asimov, Isaac. El agua caliente. En: El electrón es Zurdo y Otros Ensayos Científicos. Alianza Editorial, Madrid, 1982. pp. 131 Wolke, Robert L. ¿Qué es el punto de ebullición? En: Lo que Einstein no sabía. Robin Book, Bogotá, 2002. pp. 77 Wolke, Robert L. Haute Cuisine auténtica. En: Lo que Einstein no sabía. Robin Book, Bogotá, 2002. pp. 222 6.10 Glosario

Discutir y anotar el significado de los siguientes términos: ebullición, equilibrio líquidovapor, evaporación, presión atmosférica, presión de vapor, temperatura de ebullición normal. 6.11 Referencias Internet

• http://www.molecules.org/experiments/jones/jonesbp.html • http://microgravity.grc.nasa.gov/expr/pbeinfo.htm • http://faculty.coloradomtn.edu/jeschofnig/class/class_jeschof/ch1-lb10.htm • http://dwb.unl.edu/Chemistry/MicroScale/MScale03.html • http://www.iit.edu/~smart/martcar/lesson5/id22.htm • http://www.sci-journal.org/vol3no2/v3n2a2.html • http://k12science.ati.stevens-tech.edu/curriculum/boilproj/experiment.html