Práctica de Laboratorio de Fisicoquímica - Volumen Molar Parcial de una mezcla binaria (Picnómetro)

VOLUMEN MOLAR PARCIAL Y PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS FLUIDOS (PICNÓMETROS) Departamento de Química, Escuela de Ciencias, Núcleo de Sucre, Cumaná, Sucre , Venezuela. Junio de 2015. Resumen A partir del uso del picnómetro se pudo determinar las densidades de diferentes soluciones de Sacarosa y Etanol absoluto al definir el volumen exacto del picnometro, usando como líquido de referencia el Agua (y conociendo su densidad), obteniendose aproximadamente, Vpic = 23.9098 ml. Las densidades fueron señaladas en las tablas 3 y 4, destacandose que a mayor concentracion de Sacarosa, la densidad iba aumentando, lo contrario sucedio con las soluciones de Etanol absoluto, porque a mayor concentracion de Etanol, la densidad fué disminuyendo y esto se debe a que la sacarosa tiene una densidad mayor que la del agua pura y ésta a su vez tiene mayor densidad que el Etanol puro. Para la determinacion de los volumenes molares parciales de una mezcla binaria de Etanol - Agua, pudo compararse los volumenes de mezcla (Ideal, probeta, picnometro y por medio de los volumenes molares parciales de los componentes), a diferentes concentraciones de Etanol en Agua (0%, 20%, 40%, 50 %, 60 %, 80% y 100%). Obteniendose que los volumenes de mezcla mas cercano al verdadero, son el de la probeta y el determinado por medio del picnometro. Introduccion

resulta la densidad buscada.

La densidad se define como la masa por unidad de

El concepto de propiedad parcial molar nace como una

volumen y se determina por lo tanto por una medicion

forma practica para estimar la propiedad total o

de masa y una de volumen. En el sistema métrico, la

absoluta de un sistema no ideal. Si se tiene por

unidad de la densidad es el gramo por mililitro. La

ejemplo, el caso de formulacion de una solucion al

medicion de la densidad de líquidos homogeneos no

50% en volumen para el sistema binario agua y

es dificil, pudiendose realizar segun varios metodos

metanol, la teoria nos dice que el volumen total de la

siendo el mas usado y uno de los mas exactos, es el

solucion resultante será la suma de los volumenes de

del Picnómetro. Este aparato consiste en un frasco de

las sustancias puras (al mezclar medio litro de agua

vidrio de volumen exactamente conocido provisto de

con medio litro de alcohol deberiamos de obtener 1

un cuello capilar de un tapón con una prolongacion

litro de solucion al 50% en volumen de metanol).

vertical capilar. El volumen de picnómetro se puede determinar pesandolo primero solo (vacío) y luego

Lo anterior no es cierto para una solucion no ideal

lleno de agua destilada a una temperatura conocida. A

(obtendremos menos de un litro de solucion al 50% en

partir del peso obtenido del agua y de la densidad de

volumen de la ilustracion anterior). Esta variacion se

la misma a la temperatura de trabajo (dada por las

origina en el reacomodo espacial y electrico de las

tablas) se puede calcular el volumen del frasco. La

moléculas de cada especie presente. Para el caso del

masa

agua y del alcohol, la presencia de enlaces debiles tipo

de

la

substancia

problema

que

llena

exactamente el picnómetro dividida por este volumen,

puente

de

hidrógeno

del

agua,

favorecen

la

aproximacion molecular inter-especies originando esa disminucion en el volumen previsto.

0.3 0.4 0.5 H2O

59.3036 59.5749 59.8222 58.3680

23.7324 24.0037 24.2510 22.4288

La propiedad parcial molar mas facil de visualizar es el volumen molar parcial, la contribucion que hace un componente de una mezcla al volumen total de la muestra. Imaginemos un enorme volumen de agua pura a 25°C. Si agregamos 1 mol de H2O, el volumen aumentará en 18 cm-3, y podemos decir que el volumen molar del

Tabla 2. Masa de la solucion de Etanol absoluto a diferentes concentraciones usando el picnometro. Solucion

mps

me

Etanol absoluto 10% 30% 50% 70% 90%

(g) 58.1034 57.4914 56.7660 55.7070 54.4442

(g) 22.5321 21.9201 21.1947 20.1357 18.8729

agua es de 18 cm3.mol-1. Sin embargo si agregamos 1 mol de H2O a un enorme volumen de etanol, el

Tabla 3. Densidad y densidad relativa de las

volumen aumenta solo en 14 cm3. La diferencia del

soluciones de Sacarosa.

aumento de volumen se debe a que el volumen

Solucion

ρ

ρr

ocupado

Sacarosa 0.1 M 0.2 M 0.3 M 0.4 M 0.5 M

1.014 1.028 1.044 1.053 1.064

1.010 1.024 1.039 1.048 1.059

por un determinado numero de moleculas

de agua depende de la identidad de las moleculas que la rodean. En el segundo caso, la cantidad de etanol es tan grande que cada molecula de H 2O está rodeada de moleculas de etanol, y el empaquetamiento de las moléculas hace que las moléculas de H 2O produzcan un aumento de volumen de solo 14 cm 3. El volumen molar parcial de agua en etanol puro es de 14 cm 3.mol1

. En general, el volumen molar parcial de una

sustancia A en una mezcla es el cambio de volumen por mol de A agregado a un gran volumen de la mezcla.

RESULTADOS Y DISCUSION

Tabla 4. Densidad y densidad relativa de las soluciones de Etanol absoluto. Solucion

ρ

ρr

0.988 0.962 0.929 0.883 0.828

0.984 0.958 0.925 0.879 0.825

Etanol Absoluto 10% 30% 50% 70% 90%

Comparando entre los resultados obtenidos en las soluciones de sacarosa y las de etanol absoluto,

mp= 35.5713 g (masa del picnometro)

(tablas 3 y 4), podemos referirnos a las densidades de estas soluciones a diferentes concentraciones, como

Tabla 1. Masa de la solucion de Sacarosa a diferentes concentraciones usando el picnómetro. Solucion

ms

mps

Sacarosa 0.1 0.2

(g) 58.6918 59.0133

(g) 23.1206 23.4421

en las soluciones de sacarosa (tabla 3), por ejemplo, a mayor concentracion de sacarosa en agua, la solucion se iba haciendo mas densa, pero por el contrario en las soluciones de etanol, a mayor concentracion de etanol absoluto en solucion, la densidad disminuyó. Esto se debe a que, la sacarosa tiene mayor densidad

que el agua y ésta a su vez es mayor que la densidad

anteriormente, por eso, al aumentar los moles de

del etanol. Al aumentar la cantidad de moles de

etanol en agua, ésta tenderá a la densidad del etanol,

sacarosa en agua, la densidad del agua van tendiendo

que es menor, por ende disminuirá.

a la densidad de la sacarosa que es mayor que la del agua pura.

Por otro lado, En cuanto a los volumenes molares parciales, se obtuvieron los datos de volumen de

Por otro lado, al determinar las densidades de las

meclas (Vm) y densidad de mezclas (ρm), y los

soluciones de etanol a diferentes concentraciones, los

volúmenes molares parciales de cada componente en

valores de ésta, disminuyeron a mayor concentracion

la mezcla, y éstos fueron plasmados en las tablas 5 y

de etanol, porque el etanol posee menor, como se dijo

6.

%

XEtOH

nEtOH (mol)

nH2O (mol)

PesoEtOH (g)

PesoH2O (g)

0 0.0 0.0 1.3888 0 24.9984 20 0.0724 0.0857 1.1100 3.9934 19.9800 40 0.1722 0.1714 0.8333 7.9868 14.9994 50 0.2380 0.2169 0.6944 9.9904 12.4992 60 0.3191 0.2601 0.5555 11.9802 9.9900 80 0.5550 0.3468 0.2777 15.9736 4.9986 100 1 0.4336 0.0 19.9716 0 Tabla 5. Volumen molar de mezclas Etanol-Agua.

Gráfico 1. Representa de Vm vs XEtOH. La gráfica muestra como la representación del Volumen molar de la mezcla vs X EtOH da como resultado una curva no muy definida, a la cual se le puede determinar la curva tangente en cierto punto de XEtOH, y así determinar los volúmenes molares

0.2 0.4 0.5 0.6 0.8

Ideal

En la

Calculado con la

Obtenido de

% error (Vm)

% error (Vm) entre

VEtOH + VH2O

Probeta

densidad

los volúmenes

entre el

el Videal y Vcalculado,

(ml)

(ml)

picnometrica

molares

volumen

con los

(ml)

parciales

probeta y el

volúmenes

(ml)

picnometrico

molares parciales

24.425 24.180 24.243

2.46 3.61 3.65 3.31 2.05

2.4 3.4 3.12

25 25 25 25 25

25 24.5 25 24.5 25

24.4000 24.1299 24.1201 24.1989 24.4989

Tabla 6. Resumen de los cálculos

parciales de los componente de la mezcla binaria, en una concentración de la solución, definida.

CONCLUSIÓN El uso del picnómetro para la determinación de la densidad de una solución cualquiera, es muy eficiente,

y esto es gracias a su forma y su volumen ya definido.

R: La entropía "S", y la energía interna "U", son

Porque si lo pesamos vacío con su tapa y luego con la

propiedades extensivas que dependen de la cantidad

solución, y conociendo de antemano su volumen

de

exacto podemos determinar la densidad de la solución

propiedades intensivas, dividiéndolas por la masa,

usada.

(porque la división entre dos magnitudes extensivas

sustancia

y

éstas

pueden

convertirse

en

resultan en una magnitud intensiva), de donde se Y gracias a este método del picnómetro se pudo

obtienen las magnitudes molares.

determinar cómo varía la densidad de soluciones de Sacarosa

y

Etanol

absoluto

a

diferentes

3. ¿Qué

concentraciones.

significa

el

término

"entalpia

de

mezclado"? Primero recordemos que la entalpia es el calor

Por

otro

lado,

también

permite

determinar

los

absorbido o liberado por un sistema a presión

volúmenes molares parciales de una mezcla binaria,

constante. La "entalpia de mezclado", es el calor que

en este caso entre Etanol y Agua, por el método de la

se transfiere entre el sistema y los alrededores cuando

ordenada al origen.

en el sistema se unen dos o mas componentes ANEXOS

miscibles y la interacción entre éstos, conlleva a la producción de calor y transferencia de éste.

1. Entre el volumen de mezcla: Ideal, de probeta, el calculado con la densidad picnométrica o el determinado

con

los volúmenes

4. ¿Qué valor adquiere el volumen de mezclado

molares

entre dos líquidos inmiscibles?

parciales ¿Cual o cuales se acercan más al

Al no haber interacción intramolecular entre los dos

verdadero?

líquidos por ser inmiscibles, el volumen de mezclado

El valor más cercano al verdadero entre los volúmenes

vendría siendo el mismo que la sumatoria de los

determinados,

volúmenes de cada componente puro por separados

es

el

volumen

de

la

densidad

picnométrica, porque está definido por la densidad de

(volumen ideal).

la mezcla que se obtiene por medio del volumen exacto del picnómetro y la masa de la solución usada,

Cálculos

y el volumen de la probeta, también porque es en la probeta

donde

ocurre

la

interacción

entre



los

componentes, y esta interacción puede dar como

Volumen Molar Parcial Para 25 ml de una solución 20% molar Etanol-

resultado una disminución de volumen por producción

Agua.

de calor en la mezcla. Son volúmenes determinados

25 ml --> 5 ml de Etanol - 20 ml de Agua

experimentalmente, porque el volumen ideal y el 1. Moles de Etanol y Agua:

determinado por los volúmenes molares parciales de los componentes son valores teóricos, que me indican el posible volumen de la solución.

nCH3CH2OH=

2. Indique cuando menos otras dos propiedades intensivas

y

extensivas

relacionadas

directamente con la termodinámica justificando su elección.

¿

V ( EtOH ) x ρ ( EtOH ) M ( EtOH )

5 ml x 0.7988 g / ml =0.0867 mol 46.06 g /mol

nH2O=

¿

V ( H 2 O) x ρ ( H 2O ) M (H 2 O)

80

60

60 f(x) = 3.88x^2 + 36.03x + 17.81

20 ml x 1.0 g /ml =1.111 mol 18 g /mol

40

40

20

20

0

2. Densidad de mezcla:

ρmez =

80

0

m ( pic+mezcla )−m ( pic vacio ) V ( pic )

0.2

0.4

0.6

0.8

0 1.2

1

Gráfico 1. Representa de Vm vs XEtOH. y = Vm = 3.8779x2EtOH + 36.027xEtOH + 17.809

( 56.8554 g )−( 34.4582 g ) g =0.9825 ml ( 22.7968 ml )

δ Vm =7.7558 x +36.027( Pendiente) δX ( EtOH )

3. Volumen de mezcla (Picnómetro): 5. Volumen molar Parcial de los componentes. Vm,pic(2)

=

M ( EtOH ) x n ( EtOH ) + M ( H 2 O ) x n( H 2O) =¿ ρ (mezcla) g g (46.06 )x ( 0.0867 mol ) + 18 x (1.111 mol) mol mol g (0.9825 ) ml

(

)



mt = 7.7558(0.0724) + 36.027 = 36.5885



y=

V´

= 36.5885XEtOH + 17.79

Ahora calculamos los volúmenes molares parciales

´ cuando, XEtOH = 0 ( V

= 24.4000 ml 4. Volúmen molar de Mezcla:

V (m, pic ,2) n(total )

V´ =

Para XEtOH = 0.0724 (20 %)

=



V´



V´

´ ) y XEtOH = 1 ( V

H2O

EtOH

)

H2O

= 36.5885 (0) + 17.79 = 17.79 ml/ mol

EtOH

= 36.5885 (1) + 17.79 = 54.3785

ml/mol

24.4000 ml ml =20.3894 1.1967 mol mol



6. Volumen de Mezcla:

V´ = nH2O V´

Volumen de mezcla, a partir de los

volúmenes molares parciales de Etanol y Agua (Método de las ordenadas al origen)

V´

H2O

+ nEtOH

V´

EtOH

= (1.111mol)(17.79ml/mol) + (0.0857mol) (54.3785ml/mol)

[3] Lizcano G, L. Laboratorio de Fisicoquimica

V´

= 24.425 ml

II "Volúmenes molares Parciales". .

BIBLIOGRAFÍA

[4] " Volumen Molar De Una Mezcla Binaria", Publicado, 15/04/2015.

[1] Brown, G. and Salle, E. 1997. "Química