manual de fisicoquimica version final 2a.pdf

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE

BIOTECNOLOGA

MANUAL PARA LABORATORIO DE

FISICOQUMICA

AUTORES:

I.Q.I. Guadalupe Mariana Francisco Torres I.Q.I. Minerva Jurez Jurez I.B.Q. Pedro Miranda Reyes

I.B.Q. Luis Martn Morn Snchez Q.F.I. Raquel Nava Alvrez

Dra. Itzia Irene Padilla Martnez

2009

MANUAL DE PRCTICAS DE FISICOQUMICA

INTRODUCCIN

El principal objetivo que persigue este manual de prcticas es de servir de gua en el desarrollo prctico del estudiante que cursa la asignatura de FISICOQUMICA. Para este fin es necesaria la comprensin de determinados conceptos tericos imprescindibles en el manejo de los datos experimentales obtenidos durante el desarrollo de la prctica. Entonces, es muy importante la lectura previa y discernimiento de los fundamentos de cada prctica antes de iniciar la sesin en el laboratorio. Esto se logra con un poco de empeo por parte del estudiante, quin no solo debe conformarse con la lectura de los fundamentos, sino que debe consultar las fuentes bibliogrficas pertinentes. De mucha ayuda resulta para esto ltimo la realizacin de un protocolo de investigacin que propone preguntas, solicita la bsqueda de datos y pide que se elabore un diagrama de flujo del desarrollo de la prctica, con el fin de que el estudiante conozca el procedimiento que debe seguir. El reporte escrito de la prctica debe incluir: (a) Objetivos: deber incluir tanto los propuestos como los que eventualmente dicte el

profesor e inclusive algn objetivo que la inventiva del estudiante proponga con respecto al tema estudiado.

(b) Presentacin de los resultados: tanto los datos como los resultados experimentales debern presentarse utilizando tablas y grficas debidamente intituladas. En secuencias repetitivas de clculos se deber ejemplificar la forma como se llev a cabo el tratamiento de los datos experimentales incluyendo el anlisis dimensional.

(c) Anlisis de resultados: en esta seccin del informe, el estudiante interpretar los resultados obtenidos experimentalmente dentro de un marco terico-conceptual, en el apartado correspondiente de cada prctica se proponen ciertos lineamientos para llegar a este fin. Entindase que no son preguntas que hay que contestar secuencialmente, sino una gua.

(d) Conclusiones: stas debern ser congruentes con los objetivos, estar fundamentadas en el anlisis de resultados y en las observaciones realizadas durante el trabajo prctico. Asimismo puede incluirse sugerencias que estn encaminadas a la obtencin de datos ms confiables y precisos.

(e) Bibliografa: se anotarn aquellas referencias bibliogrficas que respalden tanto el anlisis de resultados como a las conclusiones. Estas referencias debern citarse correctamente a lo largo del texto.

Este conjunto de prcticas es perfectible, por lo que se agradecen los comentarios y sugerencias tanto por parte de los estudiantes como de los profesores que hagan uso de este manual.

Los Autores

2 ELABORADO POR: IQI Guadalupe Mariana Francisco Torres, IQI MINERVA JUREZ JUREZ, IBQ PEDRO MIRANDA REYES, IBQ LUIS MARTN MORN SNCEHEZ, QFI RAQUEL NAVA ALVREZ, DRA. ITZIA IRENE PADILLA MARTNEZ


INDICE

Nm. de Prctica

Nombre de la prctica

Pgina

1 Determinacin de densidad, viscosidad e ndice de

refraccin

3

2 Equilibrio lquido-vapor en sistemas lquidos binarios 13

3 Equilibrio de un sistema lquido de tres componentes 22

4 Propiedades coligativas 29

5 Adsorcin de cido actico sobre carbn vegetal 37

6 Isoterma de adsorcin de Gibbs 44

7 Preparacin e identificacin de emulsiones 49

8 Los tensoactivos y su comportamiento en la interfase slido-

lquido

55

9 Relojes qumicos 62

10 Cintica de la decoloracin de la fenolftalena en medio

alcalino. Efecto de la fuerza inica

68

11 Cintica de halogenacin de la acetona 75

Anexo Mtodos experimentales para la determinacin de la tensin

superficial

84



PRCTICA No. 1

DETERMINACIN DE DENSIDAD, VISCOSIDAD E NDICE DE REFRACCIN I. OBJETIVOS

1. El alumno definir e identificara la importancia de las propiedades: densidad, viscosidad e ndice de refraccin en soluciones acuosas.

2. Determinar experimentalmente la relacin de la densidad, la viscosidad e ndice de refraccin con la concentracin de algunas soluciones.

3. Demostrar qu factores pueden modificar dichas propiedades. 4. Relacionar cul es la importancia de estas propiedades en la Industria

Farmacutica, indicando ejemplos de aplicacin. II. FUNDAMENTOS. Densidad

La densidad absoluta de un cuerpo homogneo (slido, lquido y gas) es la masa del cuerpo por unidad de volumen del cuerpo. En otras palabras, la densidad (T) de un cuerpo a una temperatura determinada es el cociente de su masa (m) entre su volumen (VT) a esa misma temperatura.

T

T Vm=

La densidad tiene como unidades kg/m3 10 -3 g/cm3. La densidad relativa o gravedad especifica de una sustancia se define como la

razn de la densidad de esa sustancia entre la densidad del agua a 4C ( =1.0 g/cm3 =1.0X103 kg/m3)

agua

susrel = . La densidad relativa es un nmero adimensional.

Figura 1 Aremetro y Picnmetro

Los aremetros son instrumentos utilizados para medir la densidad relativa dichos instrumentos estn basados en el principio de Arqumides que establece que un objeto sumergido total o parcialmente en un fluido es empujado hacia arriba por una fuerza igual o al peso del fluido que se desaloja.



ms viscoso sea el fluido, mayor es la fuerza necesaria, por lo tanto la constante de proporcionalidad para esta ecuacin se define como el coeficiente de viscosidad :

Los picnmetros sirven para determinar la densidad de lquidos, slidos y productos

pastosos por el mtodo del matraz. Los aremetros se utilizan para lquidos. Los picnmetros y los aremetros son los aparatos de medicin que mejor se adaptan al control de materias primas y medicamentos en laboratorios y en hospitales debido a su manejo fcil, bajo costo, especificidad, entre otros.

Los picnmetros constan de dos partes: - un cuerpo periforme o cilindro con cuello esmerilado estrecho o largo - un tapn esmerilado capilar con o sin marca de aforo

Viscosidad Los fluidos reales tienen cierta cantidad de friccin interna que se llama viscosidad.

Esta propiedad existe tanto en los lquidos como en los gases y en esencia es una fuerza de friccin entre diferentes capas de fluidos que aparece cuando stas pasan una sobre otra. En los lquidos se debe a las fuerza de cohesin entre las molculas; en los gases provienen de las colisiones entre las molculas. La viscosidad de diferentes fluidos puede expresarse de manera cuantitativa mediante un coeficiente de viscosidad que se define de la siguiente manera. Una capa delgada de fluido se coloca entre dos placas planas, una est inmvil y la otra se mueve. El fluido que se encuentra directamente en contacto con ambas placas es empujado hacia la superficie por las fuerzas adhesivas entre las molculas del lquido y las de la placa. As, la superficie superior del fluido se mueve con la misma velocidad v que la placa superior, en tanto que el fluido en contacto con la placa estacionaria permanece inmvil. Este estrato de fluido retrasa el flujo del estrato que est justo encima, este estrato retrasa el flujo del siguiente y as sucesivamente. El incremento en la velocidad dividido por la distancia sobre la cual se realiza este cambio (igual a v/l) se llama el gradiente de velocidad.

F Placa en movimiento

Fluido Gradiente de Velocidades l

Placa estacionaria

Figura 2

Determinacin de la viscosidad

Para un fluido dado, se encuentra que la fuerza necesaria, F, es proporcional al rea de cualquiera de las placas, A, y a la velocidad, v, que es inversamente proporcional a la separacin de las placas, F A(dv/dl). para diferentes fluidos, mientras



. Las unidades de la viscosidad es el

poise ( ) que es dinas/cm2 = gcm-1s-1

dades es uniforme se utiliza la ecuacin anterior. En caso de que el gradiente de velocidad no es uniforme se utiliza la ecuacin siguiente:

s la rapidez con que cambia la velocidad por unidad de distancia medida en forma perpendicular a la direccin de la velocid

oporcionalidad directa entre la fuerza y la velocidad dada por la ecuacin 1 umple para los fluidos newtonianos, por otra parte podemos decir que es funcin de la

velocid

todos empleados para la medicin de la viscosidad de los quidos se basa en las ecuaciones de Poiseuille. El mtodo ms sencillo para medir

viscosi

F= A(v/l) (1)

Resolviendo para encontramos = Fl / vAP Cuando el gradiente de veloci

F= A (dv/dy) (2)

Donde el gradiente de velocidad dv/dy e

ad.

La prc

ad para los fluidos no newtonianos, ejemplos de estos fluidos newtonianos son la sangre y otras suspensiones.

La mayora de los ml

dades es mediante un viscosmetro de Ostwald (Figura 3). La ecuacin de Poiseuille para el coeficiente de viscosidad de lquidos es:

(3) donde V es el volumen del liquido de viscosidad que fluye en el tiempo t a travs de un

bo capilar de radio r y la longitud L bajo una presin de P dinas por centmetro

esin que en cualquier instante mueve al lquido a travs del capilar es roporcional a su densidad:

= kt (4)

Donde k es la constante del nsidad del lquido y t el tiempo de ujo. Por lo tanto para dos lquidos diferentes es:

2 (5)

El lquido utilizado para ca ebe tener aproximadamente el ismo tiempo de flujo t que el desconocido, no es necesario determinar k, es suficiente

con m

tucuadrado.

La prp

viscosmetro, la de

fl

1/2 = 1t1/2t

librar el viscosmetro dm

edir el tiempo de flujo t1 del lquido de referencia de viscosidad conocida 1 y



as cantidades t1 y t2 se miden con un viscosmetro de Ostwald (Figura 3). Una cantid

Fi ura 3 Viscosmetro de Ostwald.

Imaginemos que una bolita de acero

densidad 1 y comprarlo con el tiempo de flujo t2 del lquido de densidad 2 cuya viscosidad 2 debe determinarse.

Lad definida de liquido se introduce en el viscosmetro y luego se hace pasar por

succin al bulbo B hasta que el nivel del liquido este sobre una marca A. Se deja escurrir el liquido el tiempo necesario para que su nivel descienda hasta una marca B y se mide con un cronometro. El viscosmetro se limpia, luego se aade el lquido de referencia y se repite la operacin. Con este procedimiento se obtienen t y la viscosidad del lquido se calcula con la ecuacin anterior.

g

que se mueve en descenso en el interior de un lquido contenido en un recipiente que previamente se le hicieron dos marcas (una superior y otra inferior), existe un momento en que se alcanza una velocidad lmite constante, cuando pasa por la marca superior, se empieza a contar el tiempo y se termina de contar cuando pase por la marca inferior. El valor de dicha velocidad se obtiene dividiendo el desplazamiento x entre le tempo en el que tarda el mvil en desplazarse t.

txv = (6)

expresin de la velocidad lmite se obtiene cuando la resultante de las fuerzas que ac

Latan sobre la esfera es cero (ley de Stokes).

( )

9

2 2 fegrv= (7)

n donde: locidad lmite vl tiene unidades de m/s

kg/m3

2

expresar en las unidades correspondientes.

E

La veLa densidad de la esfera e y del fluido f en El radio R de la esfera en m La aceleracin de la cada de un cuerpo g en m/sFinalmente se despejar la viscosidad y se


MANUAL DE PRCTICAS DE FISICOQUMICA ndice

tra es un mtodo analtico fsico que se basa en la medicin del ndice de refraccin n de un haz luminoso correspondiente a la lnea espectral D del sodio a

Fi do

Se llama ngulo de incidencia -i- el

rmado por el rayo incidente y la

el formado or el rayo refractado y la normal.

refraccin absoluto "n" de un medio transparente al cociente ntre la velocidad de la luz en el vaco,"c", y la velocidad que tiene la luz en ese medio,

"v". El

ireccin) cuando pasa de un medio a otro en el que vi ja con distinta velocidad, debido al cambio de densidades. En la refraccin se cumpl

fractado y la normal estn en un mismo plano.

de refraccin La refractome

20 0.5.

fonormal. La normal es una recta imaginaria perpendicular a la superficie de separacin de los dos medios en el punto de contacto del rayo. El ngulo de refraccin -r- espgura 4.Refraccin de la luz cuan

pasa de un medio a otro

Se llama ndice dee

valor de "n" es siempre adimensional y mayor que la unidad, es una constante caracterstica de cada medio: n = c/v.

Un rayo se refracta (cambia de daen las siguientes leyes:

1.- El rayo incidente, el rayo re

2.- Se cumple la ley de Snell:

(8) y teniendo en cuenta los valores de los ndices de refraccin resulta:

Cuando la luz se refracta orque se propaga con distinta velocidad en el nuevo medio. Como la frecuencia de la vibracin no vara al pasar de un medio

n1sen i = n2 sen r. (9)

cambia de direccin p

a otro, lo que cambia es la longitud de onda de la luz como consecuencia del cambio de velocidad. El ndice de refraccin es caracterstico de un lquido puro, un slido o un gas.


MANUAL DE PRCTICAS DE FISICOQUMICA I. PROTOCOLO DE INVESTIGACIN

1. Explique la diferencia entre la densidad y el peso especfico. izacin.

ad, describa

4. wtoniano y no newtoniano. es.

. DESARROLLO EXPERIMENTAL

) Material y reactivos

Picnmetro o matraz volumtrico de 10

cosmetro de Ostwald

equeas de acero inoxidable

rcionado por los

1 Balanza Analtica Abbe

L y de 1 mL

Solucin de Sacarosa 0.5M

) Secuencia experimental

Preparar soluciones de Sacarosa 0.5M, 0.4M, 0.3M, 0.2M, 0.1M y de etanol absoluto 90%, 7

ensidad

1. Lavar y secar perfectamente el picnmetro o matraz volumtrico de 10 mL

ante) su

5. tapn de vidrio en el picnmetro. Esto provocar un derrame de la

6. aso mpw o mps.

s a analizar.

OTA: NO TOCAR EL PICNOMETRO CON LOS DEDOS EN CADA PESADA.

asa del picnmetro (mp) gua (mpw)

II

2. Investigar qu es l prisma de Amici, as como su funcin y util3. Investigar qu otros mtodos existen para la determinacin de viscosid

brevemente al menos dos de ellos. Explique la diferencia entre fluido ne

5. Investigar como se determina la densidad relativa en las solucion6. Elaborar un diagrama de flujo para la secuencia experimental.

IV a 1mL 1 Vis1 Vernier 2 Esferas p1 Regla o Escalmetro 1 Cronmetro (propoalumnos)

1 Refractmetro de 1 Pipeta volumtrica de 5 m10 Matraces Erlenmeyer de 125 mL

Etanol absoluto Agua destilada

b

0%, 50%, 30%, 10% (25mL de cada solucin). Distribuir las soluciones en los 10 matraces Erlenmeyer de 125 mL y etiquetar correctamente para evitar confusiones. D

2. Pesar en la balanza analtica el picnmetro vaco y registrar (mp). 3. Colocar el picnmetro sobre una superficie absorbente (papel sec4. Llenar el picnmetro inicialmente con agua destilada, hasta que casi rebase

capacidad. Introducir el sustancia utilizada que ser absorbido por el papel secante. Secar perfectamente el exterior del picnmetro.

7. Pesar en la balanza analtica y registrar segn el c8. Repetir todos los pasos anteriores para cada una de las sustancia

N MMasa del picnometro con a



(mps)

(ms)

mp = _____________ mpw = ______________ mw = ________________

Concentracin mps ms

Masa del picnometro con la sustancia Masa del agua (mw) Masa de la sustancia

solucin de Sacarosa

0.1M 0.2M 0.3M 0.4M 0.5M

Tabla 1. Masas de la in de Sacarosa a diferentes concentraciones utilizando el

Concentracin

et

mps ms

solucpicnmetro.

solucin de anol absoluto

10% 30% 50% 70% 90%

Tabla 2. Masas de la s n de etanol absoluto a diferentes concentraciones utilizando

iscosidad empleando el Viscosmetro de Otswald.

1. Lavar perfectamente el viscosmetro y la pipeta de 5 mL. vease figura 3.

a que el

4. cuentre con la marca A, activar el

6. enisco del lquido cruce la marca B (ver figura 3), desactivar el

7. pos difieren en gran medida, repetir

8. a destilada por el lquido problema, agregando por el extremo ms

9. , 6 y 7 hasta terminar con cada una de las soluciones a

oluciel picnmetro. V

2. Agregar 3 mL de agua destilada en el extremo ms ancho3. Succionar utilizando una jeringa en el otro extremo del viscosmetro hast

nivel del lquido se encuentre por encima de la marca A (ver figura 3). Suspender la succin y dejar fluir el lquido.

5. Tan pronto el menisco del lquido se encronometro. Cuando el mcronometro y registrar el tiempo utilizado (tw) Repetir los pasos 3, 4, 5, 6, dos veces (si los tiemuna vez ms). Cambiar el aguancho del viscosmetro. Repetir los pasos 3, 4, 5diferentes concentraciones, registrando los tiempos en la columna (t) en las tablas correspondientes.


MANUAL DE PRCTICAS DE FISICOQUMICA iempo del agua (tw)

es de etanol (tE) )

= _______________

TTiempo de las solucionTiempo de las soluciones de sacarosa (ts

tw

Tabla 3. Tiempo de flujo de agua destilada usando el viscosmetro de Ostwald.

Concentracin tj (seg) sacarosa

solucin de sacarosa

0.1M 0.2M 0.3M 0.4M 0.5M

Tabla 4. Tiempos de flu dades de la sacarosa a diferentes concentraciones.

Concentracin tE (seg) E

jo y viscosi

de etanol absoluto

10% 30% 50% 70% 90%

Tabla 5. Tiempos de flu scosidades del et nol absoluto a diferentes concentraciones.

todo de la esfera de Cada

En este experimento se emplear una bureta de vidrio transparente de 50 mL, previa

Antes de iniciar se deber determinar la densidad y el radio de la esfera de acero inoxida

OTA: MANIPULAR LA ESFERA CON LAS MANOS LIMPIAS O CON GUANTE DE CIRUJANO

1. Llenar la bureta con una solucin preparada de 60% agua y 40% de sacarosa p/p,

2. una esfera de acero inoxidable al centro de la probeta, accionar el

jo y vi a M

mente lavada y seca, medir la distancia que hay entre la ltima marca superior y otra a los 5 o 10 mL, registrar esta distancia.

ble, para la densidad es necesario medir el dimetro de la misma (con ayuda de un vernier) y su masa (empleando la balanza analtica), lavarla y secarla previamente. N

hasta casi su totalidad de capacidad (dejando entre 1-1.5 cm. de distancia desde el borde). Dejar caercronmetro cuando la esfera pase frente a la marca superior y detenerlo cuando



la esfera cruce la marca inferior (ambas marcas definidas con anterioridad), registrar el tiempo en la tabla siguiente.

3. Repetir el punto anterior, con los otros lquidos glicerina, propilenglicol repetir pasos 1 y 2.

Solucin d (m) t (seg) v (ms-1) (kg m-1 s-1)

Sacarosa 40/60 Glicerina

Propilenglicol Tabla 6. Viscosidad por el mtodo de la cada de esfera.

ndice de refraccin

Para la utilizacin del refractmetro de Abbe, la descripcin del mtodo ser proporcionada por el profesor en el momento a realizar la prctica, puesto que existen diferentes tipos de instrumentos. V. TRATAMIENTO DE DATOS EXPERIMENTALES Densidad.

1. Calcular la masa del agua destilada mw por diferencia entre la masa del picnmetro con el agua y el picnmetro vaco (mw = mpw-mp).

2. Calcular las masas de las soluciones a las diferentes concentraciones por medio de la diferencia entre la masa del picnmetro con la solucin y el picnmetro vaco (ms = mps-mp).

3. Obtener las densidades relativas de las especies estudiadas y registre estos datos en las tablas 8 y 9 segn corresponda.

Concentracin de

solucin de sacarosa

r solucin

0.1M 0.2M 0.3M 0.4M 0.5M

Tabla 8. Datos de densidades relativas e ndice de refraccin de las disoluciones de sacarosa.

Concentracin solucin de etanol

r solucin10% 30% 50% 70% 90%

Tabla 9. Datos de densidades relativas e ndice de refraccin de las disoluciones de etanol a diferentes concentraciones.


MANUAL DE PRCTICAS DE FISICOQUMICA Viscosidad.

1. Utilizando la ecuacin 5 y tw completar las tablas 4 y 5. utilizando las densidades obtenidas en el apartado anterior (Densidad)

2. Elaborar una grfica de viscosidad vs concentracin para cada una de las soluciones utilizadas (sacarosa y etanol)

Mtodo de la esfera de Cada Con la ecuacin 7 se calcular la viscosidad para los lquidos correspondientes. ndice de refraccin. Colocar los datos de ndice de refraccin ledos directamente en el refractmetro de Abbe en las tablas 8 y 9 segn corresponda. VI. ANALISIS DE RESULTADOS

Realizar las grficas de viscosidad, densidad para cada una de las especies estudiadas.

Utilizando las grficas obtenidas, indicar qu tipo de dependencia existe entre las propiedades fsicas y la concentracin de las especies estudiadas. Utilizar el mtodo de regresin para determinar las ecuaciones empricas correspondientes.

De acuerdo con los mtodos empleados para determinar viscosidad, explica que diferencias existen en cada uno (rapidez, uso y precauciones). Con los datos obtenidos realizar una comparacin con datos bibliogrficos. VII. CONCLUSIONES Se cumplieron los objetivos de la prctica? Mencione que se puede concluir sobre la relacin entre las propiedades estudiadas y la estructura molecular de las mismas. Determine cul es el mejor mtodo para determinar viscosidad y por qu Qu sugiere para obtener resultados ms confiables y precisos? VIII. BIBLIOGRAFIA

1. Douglas C. Giancoli. Fsica general, Volumen I, Prentice Hall Hispanomericana, Mxico, 1988

2. Pradeau D. Analisis Qumicos Farmacuticos de Medicamentos, Noriega Editores, Mxico, 1998

3. Farmacopea de los Estados Unidos Mexicanos, 7 edicin, Mxico, 2000. 4. Alfonso R. Genaro Remington Farmacia, Tomo 1 19 edicin, Mdica

Panamericana, Argentina 1998.. 5. Shaw D. J., Introduccin a la Qumica de Superficie y Coloides, Alambra Espaa,

1977. 6. www.ugr.es/~qmfisica/espaol/QFciencia/Docencia/Ficheros/Practicas/PI.3.pdf



PRACTICA N 2

EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR EN SISTEMAS LIQUIDOS BINARIOS.

I. OBJETIVOS. 1. Determinar el equilibrio entre el lquido y el vapor en sistemas lquidos binarios. 2. Describir el comportamiento del equilibrio de los sistemas lquidos binarios por medio de diagramas de equilibrio.

II. FUNDAMENTOS. En la industria farmacutica se emplean diferentes mezclas de sustancia lquidas miscibles, ya sea para preparar un medicando o para extraer un principio activo de las materias primas. Debido a esto es necesario conocer el comportamiento de esas mezclas, tanto en forma fsica como qumica, al ser sometida a condiciones de elevacin de temperatura o cambios de presin externas.

Cuando se tienen mezclas de lquidos que son miscibles entre s, al someterlas a calentamiento y alcanzar la temperatura de ebullicin de la mezcla, el vapor saturado de la misma contendr una cantidad proporcional de cada uno de los componentes de acuerdo a la temperatura que se tenga. Sin embargo puede existir algn componente que no est presente en el vapor debido a que dicha temperatura est por debajo de su temperatura de ebullicin, este hecho es utilizado para separar una mezcla en sus componentes. Para poder realizar la separacin, es necesario conocer bien la composicin de la mezcla y aplicar las leyes correspondientes.

Ley de Raoult. Para disoluciones extremadamente diluidas, la presin parcial del disolvente en

funcin de la composicin es:

p1 = p1 x1 = p1(1-x2)

Donde: p1 = presin parcial del disolvente en el vapor. p1 = presin de vapor del disolvente puro x1 = fraccin molar del disolvente x = fraccin molar del soluto.

Son pocas las mezclas de lquidos que cumplen con esta ley a concentraciones arbitrarias (desde 0 a 1 de fraccin mol) y a dichas mezclas se les llama disoluciones ideales. Sin embargo al aumentar la temperatura y cuando la presin del vapor saturado de la disolucin es muy grande, la ecuacin de la ley de Raoult se torna inexacta debido al aumento de las desviaciones del vapor de las leyes de los gases ideales, estas desviaciones pueden ser positivas negativas y para su estudio se considera la fugacidad de las sustancias en lugar de la presin.

f1 = f1 x1 = f1 (1-x2)


MANUAL DE PRCTICAS DE FISICOQUMICA Donde: f1 = fugacidad del componente 1 f1 = fugacidad del componente 1 puro x1 = fraccin molar del componente 1 x2 = fraccin molar del componente 2

A las disoluciones que cumplen la ecuacin anterior se les llama disoluciones ideales perfectas.

La composicin de una disolucin ideal y el vapor saturado de la misma, son diferentes, es decir x xv, donde xv es la fraccin molar del componente en la fase de vapor saturado y x es la fraccin mol del mismo componente en la fase lquida. La relacin de ambas composiciones es:

xaax

ppxpxpy

)1(1)(

121

2

+=+=

Donde: y = fraccin mol del soluto en el vapor saturado x = fraccin mol del soluto en la disolucin lquida. a = relacin p2/p1 de los componentes puros p1 = presin de vapor del disolvente puro p2 = presin de vapor del soluto puro Para una mejor identificacin de las fracciones mol en cada fase xy=y, lo que evita la confusin de ambas fracciones.

El potencial qumico de las disoluciones binarias en equilibrio con su vapor a una temperatura dada, ser:

i = i(vapor) Donde: i = potencial qumico del componente i en la fase lquida. i(vapor) = potencial qumico de i en la fase de vapor.

Para una disolucin ideal:

i = i (T,P) + RTlnxi Donde: i (T,P) = potencial qumico del lquido i puro R = constante universal de los gases T = temperatura absoluta de la disolucin xi = fraccin molar del componente i en la disolucin

Por lo tanto la energa libre, la entropa y la entalpa para una mezcla binaria ideal sern:

Gmez = nRTixilnxiSmez = -nRixilnxi

Hmez = 0 Vmez = 0


MANUAL DE PRCTICAS DE FISICOQUMICA III. PROTOCOLO DE INVESTIGACION. 1. Definir la ley de Raoult, indicando sus limitaciones. 2. Efectuar la deduccin matemtica de la fraccin molar para dos sustancias en el

vapor saturado de su disolucin. 3. Definir el concepto de presin de vapor. 4. Investigar en la bibliografa las propiedades fsicas del tolueno, benceno, acetona y del

etanol. 5. Investigar a que se le llama destilacin. 6. Elaborar un diagrama de flujo con la secuencia experimental a seguir.

IV. DESARROLLO EXPERIMENTAL

a) Material y reactivos. 10 matraces erlenmeyer de 100 mL

1 refrigerante recto con mangueras ltex 1 matraz baln de 50 mL 10 tubos de ensayo con tapn 1 termmetro de -10 a 110 C conexiones de vidrio 3 pinzas para matraz 1 parrilla elctrica

1 soporte universal Refractmetro tolueno benceno acetona etanol absoluto agua destilada.

b) Secuencia experimental. b.1. Preparar las siguientes disoluciones (el volumen total debe ser de 20 mL):

Nm. de matraz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 % tolueno 0 5 10 25 40 50 65 80 90 100

% benceno 100 95 90 75 60 50 35 20 10 0

Nm. de matraz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 % benceno 0 5 10 25 40 50 65 80 90 100 % acetona 100 95 90 75 60 50 35 20 10 0

Nm. de matraz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

% agua destilada

0 5 10 25 40 50 65 80 90 100

% etanol 100 95 90 75 60 50 35 20 10 0 Nota: es recomendable que cada equipo de alumnos, realice la determinacin de una serie de disoluciones ya que el procedimiento es el mismo, sin embargo el reporte de la prctica es de los tres sistemas.


MANUAL DE PRCTICAS DE FISICOQUMICA b.2. Medir el ndice de refraccin del contenido de cada matraz, as como las densidades de los lquidos puros (se pueden utilizar los valores reportados en la literatura). La densidad y el ndice de refraccin se determinan de acuerdo al procedimiento seguido en la prctica N 1. Determinar la temperatura a la que se hace la determinacin. b.3. Determinar el punto de ebullicin de cada una de las disoluciones, de acuerdo con el siguiente procedimiento: b.3.1 Armar el aparato de destilacin de acuerdo con las instrucciones del profesor (Figura 1). b.3.2 Introducir el contenido del primer matraz en el matraz bola de calentamiento, el bulbo del termmetro deber estar sumergido en el lquido, tapar y asegurarse de que no existan fugas. b.3.3 Calentar el matraz lentamente, al alcanzar la temperatura de ebullicin, se registra la temperatura cuando condense la primera gota, en un tubo de ensayo se reciben 10 a 15 gotas del condensado y se registra la temperatura al caer la ltima, inmediatamente se

tapa el tubo y se coloca en un recipiente con agua fra.

Figura 1. Aparato de destilacin

b.3.4 Se suspende el calentamiento y el residuo se transfiere al matraz original. b.3.5 Se repite la secuencia anterior para todas las disoluciones, no es necesario lavar el material de vidrio despus de la determinacin de la temperatura de ebullicin, se puede dejar que se evapore el lquido adherido a la pared de matraz antes de agregar otra disolucin. b.4. Se determina el ndice de refraccin tanto del lquido condensado como del lquido residual. Es necesario que la temperatura de los lquidos sea la misma que la temperatura del punto 2, registrarlos. V. RESULTADOS

Disolvente Densidad (g/mL)

Benceno

Tolueno

Acetona

Agua Destilada

Etanol

Tabla N 1: Registro de las densidades de los disolventes puros.


MANUAL DE PRCTICAS DE FISICOQUMICA Nota: Los resultados de los ndices de refraccin, temperaturas de ebullicin se registran en las tablas respectivas.

VI. TRATAMIENTO DE LOS DATOS EXPERIMENTALES. 1.- Determinar la fraccin mol de cada componente de una mezcla. Para esto se determino la densidad y el volumen de los lquidos puros. 2. Construir la grfica de la curva de calibracin empleando los datos de ndice de

refraccin y la fraccin mol de uno de los componentes de la disolucin. 3.- Interpolar los ndices de refraccin de cada lquido (condensado y residual) en la

curva de calibracin, para determinar la composicin en fraccin mol de las mezclas. 4. Construir la grfica de composicin de las disoluciones residuales en fraccin mol

contra la temperatura media del punto de ebullicin (se promedian las temperatura de ebullicin).

5. Construir la grfica de composicin en el vapor (lquido condensado) en fraccin mol contra la temperatura media de ebullicin (se promedian las temperatura de ebullicin).

Nota: es conveniente que las dos grficas (lquido residual y vapor condensado) se realicen en la misma hoja. 6. Construir la grfica de composicin del lquido contra la composicin del vapor. 7. La secuencia anterior se realiza para cada uno de los tres sistemas binarios de la prctica.

VII. ANALISIS DE RESULTADOS.

1. Discutir como se efectuara una separacin de una mezcla de lquidos en base a los resultados.

2. Indicar en la grfica como se representaran las etapas de separacin (platos tericos), de la separacin de los lquidos.

3. Discutir las diferencias del comportamiento de los sistemas binarios empleados en la prctica.

VIII. CONCLUSIONES

S cumplieron los objetivos de la prctica? En base a los experimentos realizados.

Qu se puede concluir sobre la relacin entre las propiedades estudiadas y la estructura molecular de las sustancias empleadas en la prctica?

Existe congruencia entre los experimentos realizados y la teora correspondiente?

Explica que sistemas binarios se emplean en el rea farmacutica.


MANUAL DE PRCTICAS DE FISICOQUMICA Qu sugiere para obtener resultados ms confiables y precisos?

IX. BIBLIOGRAFIA 1. O. A. Burmstova et al, Prcticas de Qumica Fsica, Ed. Mir, Mosc, 1977. 2. G. W. Castellan, Fisicoqumica, Ed. Addison- Wesley Iberoamericana, Mxico, 1987. 3. B. P. Levvitt, Qumica Fsica Prctica de Findlay, Ed. Revert, Espaa, 1979. 4. Raymond Chang, Fisicoqumica con Aplicaciones a Sistemas Biolgicos, Ed. CECSA,

Mxico, 1987. 5. Engel Thomas y Reid Philip, Qumica Fsica, Ed. Pearson Addison Wesley, Espaa,

2006. 6. Gennaro Alfonso, Remington Farmacia, Ed. Mdica Panamericana, Argentina, 2003. 7. MartinAlfred, 4a Edicin, Ed. Willams&Wilkns, USA, 1993. 8. Morris, J. G. Fisicoqumica para Biologos (Conceptos Bsicos), Ed. Revert S. A., 1993 9. Sans Pedrero P., Fisicoqumica para Farmacia y Biologa, Ediciones Cientficas y Tcnicas S.A., Espaa, 1992. 10. Pradeau, et. al., Anlisis Qumicos Farmacuticos de Medicamentos, Ed. IPN Noriega UTHEA, Mxico, 1998.



N Tolueno Benceno

% Volu.(ml)

masa (g)

n X % Volu. Masa (ml) (g)

n x m T/(C) res x res vap y vap1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tabla N 2: Registro de los ndices de refraccin de las disoluciones fras, lquidos condensados, lquidos residuales

y temperaturas de ebullicin del Sistema Binario Tolueno Benceno.



N Benceno Acetona

% Volu.(ml)

Masa (g)

n x % Volu. Masa (ml) (g)

n x m T/(C) res x res vap x vap1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tabla N 3: Registro de los ndices de refraccin de las disoluciones fras, lquidos condensados, lquidos residuales y temperaturas de ebullicin del Sistema Binario Benceno Acetona.



N Agua destilada Etanol Absoluto

% Volu.(ml)

Masa (g)

n x % Volu. Masa (ml) (g)

n x m T/(C) res x res vap x vap1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tabla N 4: Registro de los ndices de refraccin de las disoluciones fras, lquidos condensados, lquidos residuales, y

temperaturas de ebullicin del Sistema Binario Agua Etanol.


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA

PRACTICA No. 3

EQUILIBRIO DE SISTEMAS DE TRES COMPONENTES

I. OBJETIVOS. 1. Elaborar el diagrama de equilibrio de fases para el sistema cloroformo-cido actico-

agua, aplicando el tringulo de Gibbs-Roozeboom. 2. Determinar las lneas de unin del sistema cloroformo-cido actico-agua. II. FUNDAMENTOS.

En los sistemas heterogneos es posible observar cambios de fase, de estado de agregacin, disolucin de sustancias slidas, redistribucin del (los) componente (s) entre dos disolventes, etc. Cada sustancia que pueda ser separada del sistema y existir fuera del mismo se llama sustancia componente del sistema.

La distribucin del componente soluto en dos disolventes no miscibles depende de la actividad del soluto en cada uno de los disolventes, la proporcin de las actividades es constante a una determinada temperatura y se le denomina Coeficiente de reparto o coeficiente de distribucin, que es la Ley de reparto de Nernst:

Kaa

B

A =

Donde: aA es la actividad del soluto en el disolvente A, aB es la actividad del soluto en el disolvente B, K es un valor constante.

La Ley de reparto de Nernst, tiene una amplia utilidad en los sistemas que se forman para suministrar, extraer o purificar medicamentos.

La cantidad de cada una de las sustancias componentes que integran el sistema, en el que no existen reacciones qumicas, no depende de las cantidades de las dems sustancias, en este caso para conocer la composicin del sistema se determinan las concentraciones de todos los componentes. Si en el sistema ocurren reacciones qumicas, entonces las cantidades de las sustancias componentes integrantes del sistema en equilibrio dependen una de la otra, y la composicin de las fases del sistema en equilibrio se puede determinar conociendo las concentraciones de una parte de las sustancias componentes.

Las propiedades del sistema se determinan no por las sustancias elegidas en calidad de componentes, sino por su nmero, es decir, el nmero de componentes, el cual puede coincidir con el nmero de sustancias integrantes, o puede ser menor que el mismo, pero en este ltimo caso, el nmero de componentes tambin es una magnitud completamente determinada que depende de las propiedades del sistema.

Para un sistema ternario la regla de las fases indica que los grados de libertad (L) estn dados por L = 5 - F. Por lo tanto, si hay una sola fase (F), L = 4 y para una representacin geomtrica completa ser necesario utilizar un diagrama espacial tetradimensional. Si la presin permanece constante se puede emplear una representacin tridimensional y si la temperatura y la presin permanecen constantes, L = 3 - F el sistema se puede representar en dos dimensiones. El sistema puede denominarse


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA de acuerdo al nmero de fases (F) y de grados de libertas (L) como: invariable (F = 3, L = 0), univariable (F = 2, L = 1) y bivariable (F = 1, L = 2).

Para representar el comportamiento de los sistemas con tres componentes sobre un diagrama bidimensional es necesario considerar que tanto la presin como la temperatura permanecen constantes. En este caso es posible representar las fases del sistema en funcin de la composicin.

Las cantidades de los tres componentes, de ordinario referidas en cantidades porcentuales, se representan en una grfica triangular (Fig. 1). Los vrtices del tringulo ABC corresponden a los componentes puros. El lado del tringulo opuesto al vrtice indica la ausencia del componente. Este mtodo es denominado de Gibbs-Roozeboom.

Figura 1. Diagrama de fases para un sistema

de tres componentes. De las muchas clases posibles de sistemas ternarios, se consideran solamente los

formados por tres lquidos y por un lquido y dos slidos por ser de mayor inters prctico.

A continuacin se considera el sistema formado por tres lquidos (cido actico-acetato de vinilo-agua). Cuando dos de los componentes son miscibles entre s y el otro slo parcialmente, se obtiene una grfica como la mostrada en la figura 2.

Figura 2. Diagrama de fases para el sistema ternario acetato de vinilo-cido actico-agua. Cuando se aade agua al acetato de vinilo (lnea BC), el agua se disuelve en

seguida, formando una disolucin homognea. Sin embargo al aadir ms agua se


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA alcanza el punto de saturacin de composicin x en el cual coexisten dos fases lquidas: acetato de vinilo saturado con agua y, en menor proporcin, agua saturada con acetato de vinilo de composicin z.

Al agregar ms agua la proporcin de la fase z aumenta y la fase x disminuye, mantenindose constante la composicin relativa de cada fase. Cuando el porcentaje de agua excede el correspondiente al punto z, solo existe una fase lquida: una disolucin no saturada de acetato de vinilo en agua. En todas las composiciones comprendidas entre x y z coexisten dos fases lquidas con las composiciones de x y de z.

Si se aade cido actico, el cual es miscible con el acetato de vinilo y con el agua en todas las proporciones, ste se distribuye entre las dos zonas formando dos disoluciones ternarias de acetato de vinilo- cido actico-agua en equilibrio.

Suponiendo que la composicin de la mezcla se encuentre en la regin situada debajo de la curva xyz, por ejemplo si la composicin est localizada en la lnea ab, las dos fases que estn en equilibrio quedan representadas por los puntos a y b.

Se muestran tambin otras lneas de unin correspondientes a otras composiciones: por lo general estas lneas no son paralelas entre s ni a los lados del tringulo. Las composiciones de las dos fases que estn en equilibrio correspondientes a la interseccin de la lnea de unin de las curvas xy y zy tienen que determinarse experimentalmente.

Al aadir ms cido, la composicin de las dos fases se asemeja ms y la lnea de unin se acorta. Finalmente cuando la composicin de las dos disoluciones se iguala la lnea de unin se convierte en el punto y. Este punto es un punto crtico puesto que la adicin posterior de cido actico ocasionar la formacin de una sola fase homognea.

Cualquier punto situado debajo de la curva xyz representa una mezcla ternaria que se separar en dos fases lquidas; cualquier punto sobre la curva xyz representa una sola fase lquida homognea.

Si existen dos fases lquidas, como el rea debajo de la lnea xyz, existe un grado de libertad, por lo que nicamente es necesario especificar el porcentaje de un componente en una fase para describir completamente el sistema. Los porcentajes de los otros componentes en esta fase pueden obtenerse por medio de la interseccin de este porcentaje con la lnea xyz; y la composicin de la otra fase se obtiene a partir de la interseccin del otro extremo de la lnea de unin con la lnea xyz. Por ejemplo si una fase del sistema de dos fases contiene 5% de agua, la composicin de esta fase est dada por el punto a y la otra por el punto b.

III. PROTOCOLO DE INVESTIGACION. Investigar brevemente lo siguiente: 1.- Qu es una disolucin, disolucin saturada, una no saturada y una sobresaturada? 2.- Qu es: solubilidad, solubilidad parcial, total e insolubilidad? 3.- De acuerdo con la naturaleza del soluto y disolvente cuntos y cuales son los tipos de

disoluciones se pueden formar? 4.- Elaborar un diagrama de flujo que esquematice la secuencia experimental a seguir.


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA IV. DESARROLLO EXPERIMENTAL.

a) Material y Reactivos. 3 buretas de 25 ml 1 gradilla 2 pinzas para bureta 1 anillo metlico 1 bao mara a 40 C 14 tubos de ensayo de 30 ml con

tapn 2 soportes universales 2 embudos de separacin de 50 100

ml 2 probetas de 50 ml 5 vasos de precipitados de 100 ml 4 matraces erlenmeyer de 100 ml 1 termmetro -10 a 200 C

Soluciones disolucin valorada de NaOH 0.1 N disolucin de fenolftalena al 1% cido actico glacial cloroformo

b) Secuencia experimental. b.1 Isotermas de equilibrio de fases en un sistema de tres componentes. b.1.1 Preparar mezclas de cido actico-cloroformo como se indica en la tabla 1, en tubos de ensayo de 30 ml. Medir el volumen de cada sustancia con ayuda de una bureta. Tabla 1.- Cantidades a utilizar en el experimento de equilibrio cloroformo-cido actico-agua.

cido actico (ml) Cloroformo (ml) Agua/(ml) a TA

9.9 0.6

9.0 1.0

8.25 1.75

6.75 3.25

5.25 4.75

3.5 6.5

2 8

b.1.2 Las mezclas anteriores debern hacerse a temperatura ambiente (TA) b.1.3 A cada tubo se le agregar agua destilada por medio de una bureta, gota a gota hasta la aparicin de turbidez. Despus de cada gota adicionada deber agitarse la


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA mezcla y observarse la apariencia. El gasto de agua obtenido deber anotarse en la tabla No. 1. b.1.4 Llevar un registro adecuado de los experimentos, con estos datos se construir la isoterma correspondiente. b.2 Determinacin de las lneas de unin. b.2.1 Para determinar las lneas de unin, colocar en dos embudos de separacin

marcados con A y B las siguientes mezclas; Tabla 2.- Cantidades a utilizar en la determinacin de las lneas de unin del equilibrio cloroformo-cido actico-agua.

Embudo A Embudo B

Agua (ml) 10 7

cido actico (ml) 3.5 7.5

Cloroformo (ml) 6.5 5.5 b.2.2 Agitar ambas mezclas durante 30 min. de manera continua liberando

ocasionalmente el exceso de presin interna, despus de este tiempo dejar reposar durante 15 min.

b.2.3 Separar la fase etrea de la fase acuosa, medir el volumen total y la densidad de cada fase (empleando los matraces volumtricos de 5 mL y pesar de acuerdo al procedimiento de la prctica 1). Valorar el contenido de cido actico en cada fase de acuerdo con b.2.4.

b.2.4 Tomar con una pipeta 0.1 ml de cada fase y colocarla en un matraz erlenmeyer, adicionar 50 ml de agua destilada y titular con NaOH 0.1N valorado previamente, empleando fenolftalena como indicador.

b.2.5 El punto anterior hacerlo por duplicado tanto para la fase orgnica como para la acuosa.

Fase Volumen total de la fase (ml)

Masa de fases (g)*

Densidad de la fase

(g/ml)

Volumen de alcuota

(ml)

Gasto de NaOH (ml)

Fase orgnica A

Fase acuosa A Fase orgnica B Fase acuosa B * Tomar en cuenta que el volumen de la fase es diferente al volumen utilizado para

determinar la densidad (5 ml) Normalidad del NaOH = __________________


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA V. TRATAMIENTO DE LOS DATOS EXPERIMENTALES. 1.- Isotermas de equilibrio de fases en sistemas de tres componentes. 1.1. Construir con papel isomtrico dos grficas triangulares para sistemas de tres

componentes (Gibbs Roozeboom) una para el sistema cloroformo-cido actico-agua a temperatura ambiente.

1.2 Determinar el porcentaje de cada uno de los componentes para cada mezcla en el equilibrio, Por ejemplo: Si se tienen 18.8 ml de cido actico que corresponden a 19.73 g, 1.2 ml de cloroformo, que equivalen a 1.74 g y se obtuvo un gasto de 1.5 ml de agua destilada que equivalen a 1.50 g, la suma de 22.96 g corresponder al 100%.

1.3. Ubicar cada uno de estos puntos en las grficas correspondientes para cada sistema y cada temperatura, y unir los puntos de tal manera que se aprecie la curva de equilibrio como la que se ilustra en la figura 2.

2.- Determinacin de las lneas de unin. 2.1 Con los resultados de la titulacin con NaOH determinar la cantidad total de cido

actico en cada una de las fases. 2.2 Con las densidades y el volumen medido de cada una de las fases, determinar el

porcentaje de cido actico presente en cada fase. 2.3 Como cada sistema heterogneo (recordar que son dos experiencias similares) se

encuentra en equilibrio, marcar las cuatro concentraciones porcentuales de cido actico obtenidas, en el cruce con la curva de equilibrio de fases a temperatura ambiente que se construy con los datos del experimento anterior (grfica del sistema cido actico-cloroformo-agua). Marcar as mismo, las concentraciones porcentuales de cido actico, cloroformo y agua agregados inicialmente para cada uno de los dos experimentos.

2.4 Los puntos localizados en el inciso anterior deben definir dos lneas rectas que reciben el nombre de lneas de unin. Trazarlas sobre la grfica.

Nota: Todos los porcentajes deben tomarse masa a masa (m/m), nunca volumen a volumen (v/v), tampoco masa a volumen (m/v) o viceversa.

VI. ANALISIS DE RESULTADOS. 1. Qu diferencia se observara en las grficas si se modifica la temperatura del

experimento? y Cmo puede interpretarse este fenmeno? 2. Entre las grficas a la misma temperatura pero diferentes sistemas, qu similitudes y

qu diferencias pueden existir? 3. Qu pasa con un sistema que tenga una composicin ubicada por encima de la

isoterma, o bien por debajo de la misma? Qu sucede cuando la composicin del sistema se encuentra ubicada en la lnea que define la isoterma de equilibrio?

4. En el caso de las lneas de unin, los puntos encontrados fueron colineales?, si no fuese el caso a qu se pueden atribuir adems de los consabidos errores experimentales y aleatorios?.


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA 5. Conceptualmente, cmo pueden interpretarse las lneas de unin? Sustente sus

conclusiones haciendo uso de las referencias bibliogrficas pertinentes.

VII. CONCLUSIONES. 1. Qu utilidad prctica en el rea farmacutica se puede dar a las isotermas de

equilibrio de fases de tres componentes y a las lneas de unin? 2. Describir al menos tres ejemplos de sistemas de tres componentes que se emplean en

el rea farmacutica. 3. Qu sugiere para obtener datos ms confiables y precisos sobre la misma base

experimental?

VIII. BIBLIOGRAFIA 1. G. R. Barrow, Qumica Fsica, Ed. Revert, Barcelona. 1964. 2. P. W. Atkins, Fisicoqumica. Addison-Wesley Iberoamericana, S. A., Delaware, 1991. 3. Daniels, et al, Curso de Fisicoqumica Experimental. Ed. Mc Graw-Hill, Colombia 1972. 4. Pradeau, et. al. Anlisis Qumicos farmacuticos de medicamentos, Ed. IPN-Noriega-

UTEHA, 1998. 5. Alfred Martin, Physical Pharmacy, 4 Edicin. Ed. Williams & wilkins. USA 1993. 6. Sanz Pedrero P. Fisicoqumica para farmacia y biologa. Ediciones Cientficas y

Tcnicas, S.A. Espaa 1992. 7. Morris, J.G., Fisicoqumica para Bilogos (Conceptos Bsicos), Editorial Revert S.A.,

1993. 8. Chang, R.W., Fisicoqumica con aplicaciones a sistemas biolgicos, CECSA, Mxico,

1987.



PRACTICA N 4

PROPIEDADES COLIGATIVAS.

I. OBJETIVOS.

1. Definir e identificar la importancia de las propiedades coligativas. 2. Ejemplificar experimentalmente la variacin del punto de ebullicin y del punto de

fusin de una disolucin 3. Determinar el peso molecular de un soluto mediante la propiedades coligativas de

las disoluciones 4. Relacionar la importancia de estas propiedades en la Industria Farmacutica.

II. FUNDAMENTOS Las soluciones diluidas de solutos no-voltiles presentan propiedades muy

particulares denominadas propiedades coligativas, las cuales son:

a).- Descenso de la presin de vapor del disolvente. b).- Descenso del punto de congelacin del disolvente. c).- Aumento del punto de ebullicin. d).- Presin osmtica.

Estas propiedades dependen nicamente del nmero de partculas en solucin y no de la naturaleza de las mismas. En sta prctica se emplearn solutos del tipo de no electrolitos ya que los electrolitos al disociarse en solucin incrementan el nmero de partculas y por lo tanto se ven modificadas las propiedades coligativas.

Aumento del punto de ebullicin de las disoluciones. Las disoluciones que contienen

solutos no-voltiles presentan puntos de ebullicin ms elevados que el disolvente puro. La diferencia entre el punto de ebullicin de la solucin y el disolvente puro para una presin constante establecida, se conoce como elevacin del punto de ebullicin que depende de la naturaleza del disolvente y la concentracin del soluto, pero es independiente, por lo menos en soluciones diluidas, de la naturaleza del soluto en tanto este no se disocie.

Consideremos el diagrama presin de vapor-temperatura que se muestra en la figura 1.

Figura 1. Diagrama Presin de vapor-Temperatura donde se muestra la lnea

de equilibrio lquido-vapor para el disolvente puro y la disolucin.

La curva AB representa la presin de vapor del disolvente puro en funcin de la temperatura. Como la presin de vapor de la disolucin es para todas las temperaturas,


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA menor que la del disolvente, la curva de presin de vapor-temperatura de la disolucin debe quedar debajo de la del disolvente puro y esta representada en el diagrama por la curva CD. A fin de alcanzar el punto de ebullicin correspondiente a cierta presin externa que se ejerce sobre la solucin P, debe calentarse a temperaturas a las cuales las presiones de vapor respectivas igualan la del confinamiento.

El disolvente puede alcanzar la presin P a la temperatura To, pero la solucin debe elevarse a una temperatura mayor que To antes de que se alcance la misma presin. Por lo tanto, para la misma presin externa, la solucin debe hervir a una temperatura ms elevada que la del disolvente puro; el ascenso del punto de ebullicin ser entonces Tb=T-To.

Cuando aplicamos la ecuacin de Clausius-Clapeyron y la Ley de Raoult, es posible deducir una relacin entre el ascenso del punto de ebullicin de la solucin y su concentracin.

Como los puntos E y F quedan sobre la curva de presin de vapor de la solucin, ambos pueden relacionarse mediante la ecuacin de Clausius-Clapeyron.

lnP

PHR

T TTT

v=

00

En donde: P y P son las presiones de vapor de la solucin a las temperaturas T y To respectivamente. Hv es el calor de vaporizacin por mol de disolvente de la solucin, si la solucin es diluida T es prcticamente igual a To y TTo = To2

ln

ln

PP

PP

HR

TT

v b= = 0

2

Cuando la ley de Raoult se aplica a la solucin, tenemos

21 1xx

PP ==

x1 = fraccin mol del disolvente. x2 = fraccin mol del soluto.

( )

=

1ln2

2 TT

RH

x bv

2

20 xH

RTTv

b =

Por costumbre, se expresa la concentracin en moles de soluto por 1000 g de disolvente, es decir en molalidad (m).

Si designamos con x1 al nmero de moles del disolvente en 1000 g tenemos:



112 n

mmn

mx +=

Debido a que es una solucin diluida, m es pequeo en relacin con n1 y puede despreciarse quedando la ecuacin como sigue:

TRTH n

mbv

=

02

1

Para un disolvente dado, todas las cantidades en el parntesis de la ecuacin anterior son constantes y podemos simplificar como sigue:

T K mb b= La constante Kb se denomina tambin constante molal de elevacin del punto

de ebullicin o constante ebulloscpica.

El peso de soluto por 1000 g de disolvente est dado por:

1000 21

ww

w2= peso del soluto en g w1 = peso del disolvente en g

La molalidad de la disolucin es:

mw

w M= 1 0 0 0 2

1 2

donde M2 es el peso molecular del soluto.

Relacionando las ecuaciones anteriores obtenemos:

T K ww Mb b

=

1000 21 2

Mw K

w Tb

b2

2

1

1000= de aqu, es posible determinar el peso molecular del soluto si conocemos el valor de la constante ebulloscpica del disolvente, as como la variacin del punto de ebullicin y la concentracin molal de la solucin.

Disminucin del punto de fusin. Cuando se disuelve una sustancia en un disolvente lquido, el punto de

congelacin de la disolucin es menor que el del disolvente puro. El descenso en la temperatura de congelacin depende del nmero de moles de soluto disueltos en una cantidad dada de disolvente.



Al igual que el incremento en el punto de ebullicin, el descenso en el punto de congelacin puede determinarse como:

Tf = Kfm con:

Kf = M0RT02/1000Hfdonde: Kf = constante crioscpica o constante molal de descenso en el punto de congelacin. m = molalidad de la disolucin en moles/kg de disolvente. M0 = peso molecular del disolvente R = constante universal de los gases. T0 = punto de congelacin del disolvente puro. Hf = entalpa molar de fusin del disolvente puro.

III. PROTOCOLO DE INVESTIGACION. 1.- Investigar que es la constante ebulloscpica. 2.- Investigar que es la constante crioscpica. 3.- Explicar a que se le llama disolucin hipo-, hiper- e isotnica. 4.- Mencionar por lo menos tres ejemplos de membranas semipermeables. 5.- Elaborar un diagrama de flujo con el procedimiento a seguir durante la prctica.

IV. DESARROLLO EXPERIMENTAL.

Aumento del punto de ebullicin.

a) Materiales y reactivos.

2 soportes universales. 2 pinzas de tres dedos con nuez. 1 refrigerante Liebig. 1 termmetro. 1 termmetro diferencial. 1 matraz baln 1 juego de conexiones para destilacin.

2 matraces erlenmeyer. 1 parrilla elctrica. 1 bomba para recircular agua etilnglicol agua destilada

b) Secuencia experimental. b.1 Montar el equipo para punto de ebullicin de acuerdo con la figura 2. b.2 Determine el punto de ebullicin del agua destilada, antes de iniciar el calentamiento

agregue perlas de ebullicin. b.3 Colocar el agua destilada y el etilnglicol (EG) en un matraz bola, de acuerdo a lo

indicado en la tabla y determinar el punto de ebullicin de cada disolucin. Antes de calentar, aadir perlas de ebullicin.

b.4 En la siguiente tabla, escribir los resultados obtenidos para cada solucin preparada.


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA Tb del agua pura __________________C

Masa del EG/g Masa del agua/g Molalidad

Mol/kg

Tempertura de

ebullicin/C

Tb/K

2.5 22.5

5.0 20.0

10.0 15.0

Figura 2. Aparato para determinar el incremento del punto de ebullicin.

Figura 3. Aparato para la determinacin del punto de congelacin.

Descenso en el punto de congelacin

a) Material y reactivos.

Frasco Dewar (termo) de 1 L 1 tubo de ensayo grande con tapn 1 tubo de ensayo pequeo con tapn 1 termmetro de -10 a 110 C 1 agitador para el tubo pequeo

2 g de urea agua destilada o desionizada sal de mesa hielo


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA b) Secuencia experimental b.1 Pese el tubo de ensayo pequeo y luego por diferencia pese alrededor de 1 g de

urea en l. Aada 10 ml de agua y pese de nuevo. A partir de estas pesadas, determine la concentracin molal de la disolucin de prueba.

b.2 Agite el tubo hasta que se haya disuelto la urea por completo y se tenga una disolucin uniforme y transparente. Coloque este tubo dentro del tubo grande, para armar el equipo mostrado en la figura 3.

b.3 Tome lecturas de temperatura cada minuto para elaborar la curva de enfriamiento de la disolucin (temperatura vs. tiempo). Para evitar el sobre enfriado de la disolucin, se debe agitar la disolucin continua y vigorosamente con movimientos verticales con una frecuencia de 1 por/seg. El punto de congelacin de la disolucin se determina de la curva de enfriamiento, justo donde ocurre un cambio drstico de pendiente. Se sugiere graficar en forma simultnea al desarrollo del experimento para poder definir el trmino de ste.

b.4 Se debe repetir el experimento aadiendo 1 g de urea ms (debidamente pesado) a la disolucin anterior y determinando de nueva cuenta el descenso en la temperatura de congelacin.

Para este experimento, se utiliza una mezcla refrigerante de hielo-sal. Esta mezcla debe de ser recin preparada para cada corrida. Se mezcla una parte en volumen de sal de cocina (en grano) con cuatro partes en volumen de hielo picado en un recipiente y se deja reposar por un par de minutos y luego se coloca la cantidad adecuada en el frasco Dewar.

Peso exacto de la urea (1) __________. Peso exacto del agua (1) _________ Temperatura de congelamiento (1) _______________ Peso exacto de la urea (2) __________. Peso exacto del agua (2) _________ Temperatura de congelamiento (2) _______________

Experimento con 1 g de urea Tiempo (min)

Tempe. (C)

Tiempo (min)

Tempe. (C)

Tiempo (min)

Tempe. (C)

Tiempo (min)

Tempe. (C)



Experimento con 2 g de urea

Tiempo (min)

Tempe. (C)

Tiempo (min)

Tempe. (C)

Tiempo (min)

Tempe. (C)

Tiempo (min)

Tempe. (C)

V. TRATAMIENTO DE LOS DATOS EXPERIMENTALES.

Aumento del punto de ebullicin.

Consultar de la literatura el valor de Kb para el agua. Determinar el peso molecular experimental del etilnglicol y compararlo con su valor terico para determinar el error relativo.

Descenso en el punto de congelacin. Consulte en la literatura el valor de la constante crioscpica del agua y calcule el

peso molecular experimental de la urea con uno y con dos gramos, el resultado debe ser consistente.

Describir en forma sencilla, la forma de realizar experimentalmente las otras dos propiedades coligativas.

VI. CONCLUSIONES. Se cumplieron los objetivos de la prctica? Es adecuado el empleo de las propiedades coligativas para determinar pesos

moleculares de solutos? Cul de los dos mtodos proporciona mayor confiabilidad para la determinacin del

peso molecular de un soluto con bajo peso molecular y cul de ellos con un soluto de alto peso molecular?

Qu sugiere para obtener resultados ms confiables?


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA VII. BIBLIOGRAFIA. 1.- G.R. Barrow. Qumica Fsica. Ed. Revert. Barcelona. 1991. 2.- F. Daniels. Curso de Fisicoqumica Experimental, Mc-Graw Hill, Columbia. 1980. 3.- John A. Dean. Langes Handbook of Chemistry, Mc-Graw Hill, Columbia, 1973. 4.- The Merck Index, Merck & Co., N. J. USA, 1983. 5.- P. J. Hill, Small Scale Physical Chemistry, cap. 2. Edward Arnold Pubs. London 1966, pp 7-22. 6.- David P. Schoemaker y Carl W. Garland, Experiments in Physical Chemistry, McGraw-Hill New York, 1962, pp132-141. 7.- P. Ander, y A. Sonesa, Principios de Qumica, introduccin a los conceptos tericos, Ed. Limusa 1977, Mxico. 8.- R. Chang, Fisicoqumica con aplicaciones a sistemas biolgicos, Compaa Editorial Continental, S. A. De C. V. Mxico, 1987.



PRACTICA No. 5

ADSORCION DE ACIDO ACETICO SOBRE CARBON VEGETAL.

I. OBJETIVOS 1.- Determinar la isoterma de adsorcin del cido actico. 2.- Comparar el comportamiento de una sustancia adsorbida en las distintas ecuaciones

de adsorcin.

II. FUNDAMENTOS. En la industria farmacutica se emplean mtodos de separacin, extraccin, purificacin, que tienen como fundamento, poner en contacto dos sustancias no miscibles entre s, siendo una de ellas un material slido y la otra un solucin de dos o ms compuestos qumicos, que al estar en contacto con el material slido, una gran cantidad de molculas de los compuestos se adhieren al slido, las cantidades sobre la superficie del slido dependen de las interacciones que cada compuesto qumico establezca con la superficie, quedando adherido el compuesto que menor energa necesite para la unin. Estos mtodos en general se llaman Cromatografa. Por lo anterior es necesario entender como se efecta la unin de las molculas en la superficie y las ecuaciones matemticas que lo describen.

Cuando una fase slida de gran superficie se expone a un volumen limitado de un gas o de una solucin, una cantidad del gas o de la solucin puede quedar adsorbida (atrapada) en la superficie del slido.

Las sustancias adsorbidas son retenidas por distintas fuerzas de atraccin de la superficie, segn la naturaleza del sistema:

a) Si las fuerzas son similares a las de los enlaces qumicos (atraccin de iones de carga opuesta o formacin de enlaces covalente o covalente coordinado) recibe el nombre de adsorcin qumica. Para este tipo de adsorcin, el H es comparable a las energas de enlace qumico y el proceso es generalmente irreversible. La adsorcin ocurre en una sola capa de molculas (monocapa) en la superficie.

b) Cuando las fuerzas que originan el fenmeno de adsorcin son las llamadas fuerzas de van der Waals, recibe el nombre de adsorcin fsica. En este tipo de adsorcin el H es pequeo y comparable al cambio de entalpa en la licuefaccin de gases. La adsorcin ocurre en multicapas y las capas externas se comportan como un slido o un lquido.

La adsorcin se determina midiendo la cantidad de sustancia residual en la solucin o en la fase gaseosa.

La cantidad de sustancia adsorbida (adsorbato) es funcin de tres factores:

a) La cantidad de sustancia slida (adsorbente) donde se adsorber el adsorbato.

b) La cantidad de adsorbato c0 en la fase de contacto con la superficie de la sustancia adsorbente.



c) La temperatura.

La adsorcin se cuantifica en gramos de la sustancia adsorbida x, por gramos de la sustancia adsorbente m, lo que se expresa como x/m. Al determinar la relacin x/m en funcin de la concentracin c0 (a temperatura constante), la curva que representa este fenmeno recibe el nombre de isoterma de adsorcin.

La grfica de la figura N 1 indica que la sustancia adsorbente tiene una capacidad de adsorcin limitada y esta se encuentra en funcin de la concentracin del adsorbato.

Figura 1.- Isoterma de adsorcin

Existen distintas ecuaciones que describen el fenmeno de adsorcin. Isoterma de adsorcin de Freundlich

Freundlich fue quien describi primero el fenmeno de adsorcin e indico una ecuacin.

nKpmx 1=

Donde: x/m es la relacin entre la masa adsorbida de sustancia por la superficie y la masa de material adsorbente K es la constante de equilibrio de adsorcin p es la presin de gas sobre la superficie n es un valor constante, que depende la sustancia adherida y de la superficie

Isoterma de Adsorcin de Langmuir. Esta teora se basa en los postulados siguientes:

1) El adsorbato se adhiere al slido en una sola capa de molculas (monocapa).

2) El adsorbato es un gas.

3) La velocidad de adsorcin es proporcional al nmero de colisiones de las molculas del gas con la superficie de la sustancia adsorbente (que es proporcional a la presin del gas P, y a la superficie an no cubierta).

4) En la adsorcin se establece un equilibrio entre la cantidad adherida en la superficie y la cantidad que se separa de la superficie.


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA ( )( ) KpKp+= 1pkk+1

pkk

=pk+k

pk=2

1

21

12

1 donde: = Fraccin de superficie ocupada por las molculas del gas. k1 = Constante de adsorcin. k2 = Constante de desorcin. p = Presin del gas.

Efectuando sustituciones de k1/k2 = K = b y por y/ym, se transforma la ecuacin al invertirla y multiplicar por p todos los trminos, en una ecuacin de representacin de lnea recta:

py

=1

y b+

pym m

donde: p = Presin del gas. y = Masa adsorbida por gramo de adsorbente a la presin p. ym = Masa de gas que adsorbe un gramo de adsorbente cuando la

monocapa est completa. b = Relacin de constantes de proporcionalidad.

Ecuacin de Brunauer, Emmet y Teller (BET). Esta ecuacin toma en consideracin el hecho de que un slido se cubre de

varias capas de la sustancia adsorbida (adsorbato), por lo que la ecuacin de la isoterma de Langmuir deja de ser til para el estudio de estos fenmenos.

La ecuacin de BET tiene la forma:

( )( )p

y p - p=

1y b

+b - 1y b

ppo m m o

donde: p = Presin del gas. Po = Presin de vapor saturado del adsorbato. y =Masa adsorbida por gramo de adsorbente a la presin p. ym = Masa de gas que adsorbe un gramo de adsorbente cuando la primera

capa est completa. b = Constante de proporcionalidad, que es la relacin de las constantes de

adsorcin de la capa de condensacin y la constante de la primera capa.

Calor de adsorcin. La variacin de entalpa molar (H) es la variacin de la energa de las molculas

en fase gaseosa y la energa de las molculas adsorbidas por el adsorbente, aplicando la ecuacin de vant Hoff, que queda como:

( )( ) ln p 1T =

- HR

xA


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA donde: p = Presin del gas. T = Temperatura a la que adsorbe el gas. H = Calor isstrico de adsorcin. R = Constante de los gases.

III. PROTOCOLO DE INVESTIGACION. 1.- Investigar las limitantes de la ley de Langmuir. 2.- Investigar cundo la ecuacin de Freundlich se transforma en la ecuacin de la ley de

Langmuir. 3.- Indicar algunos compuestos que pueden ser adsorbidos por carbn activado. 4.- Indicar qu otras sustancias pueden ser empleadas como adsorbentes. 5.- Explica porque se llaman isotermas. 6.- Elaborar un diagrama de flujo con la secuencia experimental a seguir.

IV. DESARROLLO EXPERIMENTAL.

a) Material y reactivos.

10 matraces Erlenmeyer de 125 ml. 1 bureta de 25 ml. 1 embudo. 1 soporte universal. 1 anillo metlico. 2 probetas de 25 ml.

3 vasos de precipitados de 125 ml.

Papel filtro. Carbn activado. Acido actico 0.25 M y 0.5 M Hidrxido de sodio 0.1 N.

b) Secuencia experimental.

b.1. Velocidad de adsorcin. b.1.1 En una serie de siete matraces agregar 20 ml de solucin de cido actico 0.25 N en

cada uno y 1 g de carbn activado. Taparlos bien. Agitarlos continuamente. b.1.2 Despus de 2 min, filtrar el contenido del primer matraz con papel filtro, eliminando

los primeros 5 ml de filtrado. b.1.3 Tomar una alcuota de 1 ml del filtrado y titular con NaOH 0.1 N, utilizando

fenolftalena como indicador, repetir la titulacin del filtrado. b.1.4 Repetir el punto 1.2 y 1.3 con los dems matraces filtrando una vez transcurrido los

tiempos indicados en la tabla de resultados. b.1.5 Se debe concluir el experimento hasta que las titulaciones tiendan a ser iguales.

b.2.- Isoterma de adsorcin del cido actico sobre carbn vegetal.


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA b.2.1 Preparar la serie de matraces con las siguientes cantidades: No. de matraz. 1 2 3 4 5 6 7 Ac. Ac. 0.5 N. (ml) 25 20 15 10 7 3 0

Agua (ml) 0 5 10 15 18 22 25 b.2.2 Agregar 1 g de carbn activado a cada matraz. b.2.3 Agitar los matraces por perodos de 10 min. o por tiempo determinado en

experimento de velocidad de adsorcin. Nota: hacer esto en forma escalonada tal que los tiempos de terminacin de agitacin no se empalmen.

b.2.4 Transcurrido el tiempo, filtrar el contenido de cada matraz. Es conveniente eliminar los primeros 5 ml del filtrado en cada concentracin (porqu se hace esto?).

b.2.5 Tomar alcuotas de los filtrados y titularlos con NaOH 0.1 N (esto debe realizarse por duplicado en cada concentracin). Las alcuotas sern las siguientes: 1 ml del primer matraz, 2 ml del segundo, 5 ml de cada uno de los dems (cul el la utilidad prctica de este proceder?).

V. RESULTADOS

Matraz Carbn cido Actico NaOH 0.1 N Tiempo

No. (g) CS (g) x (g) x/m ( ml ) ( ml ) (min.)

1 2

2 4

3 6

4 8

5 10

6 12

7 14

Tabla 1. Resultados del experimento de velocidad de adsorcin.



N Car. NaOH cido Actico

Ma. (g) mL mL X CS x/m ln(CS) ln(x/m) m/x 1/CS

1 1

2 1

3 1

4 1

5 1

6 1

7 1

Tabla 2. Resultados de la isoterma de adsorcin.

VI. TRATAMIENTO DE LOS DATOS EXPERIMENTALES. 1.- Determinar la masa de cido actico en cada matraz, antes y despus de la

titulacin. 2.- Determinar la masa de cido actico adsorbido (x) por el carbn activado, as como

la masa de cido actico adsorbido por gramo de carbn activado(x/m). 3.- Representar en una grfica la variacin de x/m en funcin del tiempo. 4.- Representar en una grfica los datos obtenidos x/m en funcin de CS. 5.- Determinar la constante de adsorcin al representar en una grfica ln(x/m) en funcin

de ln(CS). De ser una recta, calcular las constantes de la ecuacin: xm

= k CSn

esta es la ecuacin de Freundlich, que se puede representar como una recta de la siguiente manera:

( ) ( )ln xm

= ln k + n ln CS

6.- Representar los datos en una grfica m/x en funcin de 1/CS, para saber si cumple con la ecuacin de Langmuir.

VII. ANLISIS DE RESULTADOS

1. Analizar las distintas grficas comentando las ventajas y desventajas de cada una.

2. En base a la exactitud de las lneas, explicar cual describe mejor el fenmeno de adsorcin.


MANUAL PARA LABORATORIO DE FISICOQUMICA 3. Indicar qu importancia tendr efectuar la separacin de sustancias utilizando los procedimientos de esta prctica en el rea farmacutica, explica al menos tres ejemplos.

VIII. CONCLUSIONES

1. Se cumplieron con los objetivos de la prctica?

2. Existe congruencia entre los conceptos tericos y los resultados experimentales? De no existir congruencia explica las posibles causas que la originan.

3. Que sugeriras para obtener datos mas confiables y precisos?

IX. BIBLIOGRAFIA 1.- M. T. Toral, Fisicoqumica de superficies y sistemas dispersos, Ed. Urmo, Espaa, 1973. 2.- B. P. Levitt, Qumica Fsica Prctica de Findlay, Ed. Revert, Espaa, 1979. 3.- A. M. James, Practical Physical Chemistry, Ed. J. & A. Churchill LTD, Londres, 1967. 4. O. A. Burmstova et al, Prcticas de Qumica Fsica, Ed. Mir, Mosc, 1977. 5. G. W. Castellan, Fisicoqumica, Ed. Addison- Wesley Iberoamericana, Mxico, 1987. 6. Raymond Chang, Fisicoqumica con Aplicaciones a Sistemas Biolgicos, Ed. CECSA,

Mxico, 1987. 7. Engel Thomas y Reid Philip, Qumica Fsica, Ed. Pearson Addison Wesley, Espaa,

2006. 8. Gennaro Alfonso, Remington Farmacia, Ed. Mdica Panamericana, Argentina, 2003. 9. MartinAlfred, 4a Edicin, Ed. Willams&Wilkns, USA, 1993. 10. Morris, J. G. Fisicoqumica para Biologos (Conceptos Bsicos), Ed. Revert S. A., 1993 11. Sans Pedrero P., Fisicoqumica para Farmacia y Biologa, Ediciones Cientficas y Tcnicas S.A., Espaa, 1992. 12. Pradeau, et. al., Anlisis Qumicos Farmacuticos de Medicamentos, Ed. IPN Noriega UTHEA, Mxico, 199.



PRACTICA N 6

ISOTERMA DE ADSORCION DE GIBBS.

I. OBJETIVOS. 1.- Determinar el efecto de la adicin de alcoholes sobre la tensin superficial del agua. 2.- Determinar la isoterma de adsorcin de Gibbs para la adicin de diferentes alcoholes

al agua. 3.- Comprender el concepto de adsorcin en superficies lquidas.

II. FUNDAMENTOS. Las sustancias que presentan en su estructura una parte polar y una no polar

como en el caso de cidos grasos y alcoholes de cadena corta, son solubles tanto en agua como en disolventes no polares como hidrocarburos. La parte hidrocarbonada les confiere solubilidad en disolventes no polares, mientras que el grupo -COOH o el -OH de carcter muy polar permite que sean lo suficientemente afines para formar soluciones acuosas. Si estas molculas se sitan en una interfase aceite-agua, se orientan de tal forma que sus grupos hidroflicos quedan en la fase acuosa y las cadenas hidrocarbonadas escapan a la fase no polar. Esta situacin es energticamente ms favorable que la disolucin del compuesto en cualquiera de las dos fases.

La fuerte adsorcin de estas sustancias en la superficie o interfase formando una capa monomolecular orientada se conoce como actividad superficial, mientras que las sustancias con actividad superficial (surfactantes) son molculas que tienen partes polares y no polares ( amfiflicas ). La actividad superficial es un fenmeno dinmico, puesto que el estado final de una superficie o interfase representa un equilibrio entre la tendencia hacia la adsorcin y hacia la disolucin completa debido a la agitacin trmica de las molculas.

La tendencia de las molculas surfactantes a acumularse en la interfase favorece una expansin de la misma, lo cual es contrarrestado por la tendencia de la interfase a contraerse bajo la fuerza de la tensin superficial.

La ecuacin de adsorcin de Gibbs permite calcular la magnitud de la adsorcin en la superficie de un lquido, a partir de datos de tensin superficial,

Si se considera que la interfase est bien definida, la adsorcin puede describirse apropiadamente en trminos de concentraciones en exceso superficiales.Si i es la concentracin del surfactante en la superficie ( en mol / cm2), viene dada por la ecuacin :

i inA=

i puede ser positiva o negativa y su magnitud depende de la tendencia del surfactante a acumularse en la superficie.

La energa interna total de un sistema viene dada por la ecuacin : U TS PV ni i= +



La expresin correspondiente para la energa interna de la fase superficial es: U TS PV A ni i= + +

donde los trminos PV y A tienen signos opuestos, ya que la presin es una fuerza expansiva y la tensin superficial es contractiva. Los trminos T, P y el potencial qumico no tienen ndices, puesto que estos deben tener valores iguales en ambas fases y en la interfase para que el sistema est en equilibrio.

Diferenciando la ecuacin tenemos:

dU TdS S dT PdV V dP dA Ad dn n di i i i = + + + + +

por primera y segunda ley de la Termodinmica:

U TdS PdV dni i= + en el caso de la fase superficial :

dU TdS PdV dA dni i = + +

restando las ecuaciones anteriores :

S dT V dP Ad n di i + + = 0

Por lo tanto a temperatura y presin constantes :

dnA

d di i i i

= = Para una disolucin sencilla de dos componentes ( constituida por un solo

disolvente y un soluto ), la ecuacin anterior conduce a : d d d = 1 1 2 2

Las concentraciones en exceso se definen respecto a una superficie de separacin arbitraria. Si la situacin de esta superficie para una disolucin binaria se define de manera que la concentracin en exceso del disolvente ( i ) sea cero, la expresin anterior se reduce a :

d d = 2 2 Y dado que los cambios de potencial qumico estn relacionados con las

actividades por : 2 2 2= + lnRT a

tenemos : d RTd a2 2= ln

Por consiguiente :

22

2

2

1= = RT

dd a

aRT

dda

ln



Para el caso de disoluciones diluidas, al sustituir las actividades por concentraciones,

= cRT

ddc

que es la forma en que se da normalmente la ecuacin de Gibbs. Esta ecuacin puede simplificarse si sustitumos dc/c = d(lnc), quedando:

cdd

RT ln1 =

III. PROTOCOLO DE INVESTIGACION. 1.- Definir que es la tensin superficial e interfacial. 2.- Describir el mtodo de ascenso capilar para determinar la tensin superficial de un

lquido. 3.- Describir como se calibra el dispositivo para medir tensin superficial por el mtodo de

ascenso capilar. 4.- Comprobar la

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