PRACTICA DE LABORATORIO:

SISTEMAS BINARIOS DIAGRAMA DEL PUNTO DE CONGELACION

OBJETIVO

- Comprobar los puntos de fusión de sustancias puras y mezclas.- Calcular las cantidades de disolvente y soluto para tener concentraciones determinadas.- Determinar aproximadamente el valor de la constante crioscópica del naftaleno cuando

actúa como disolvente.

INTRODUCCIÓN:

Diagrama de fase

Un típico diagrama de fase. La línea de puntos muestra el comportamiento anómalo del agua. La línea verde marca el punto de congelación y la línea azul, el punto de ebullición. Se muestra cómo varían con la presión.

En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.

En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios, mientras que en termodinámica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una sustancia pura.

Diagrama de fase de una sustancia pura

Los diagramas de fase más sencillos son los de presión - temperatura de una sustancia pura, como puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el de abscisas la temperatura. Generalmente, para una presión y temperatura dadas, el cuerpo presenta una única fase excepto en las siguientes zonas:

Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso. Estos puntos tienen cierto interés, ya que representan un invariante y por lo tanto se pueden utilizar para calibrar termómetros.

Los pares (presión, temperatura) que corresponden a una transición de fase entre: o Dos fases sólidas: Cambio alotrópico;o Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación;o Entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación - deposición (o

sublimación inversa);o Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o

licuefacción).

Es importante señalar que la curva que separa las fases vapor-líquido se detiene en un punto llamado punto crítico. Más allá de este punto, la materia se presenta como un fluido supercrítico que tiene propiedades tanto de los líquidos como de los gases. Modificando la presíón y temperatura en valores alrededor del punto crítico se producen reacciones que pueden tener interés industrial, como por ejemplo las utilizadas para obtener café descafeinado.

Es preciso anotar que, en el diagrama PV del agua, la línea que separa los estados líquido y sólido tiene pendiente negativa, lo cual es algo bastante inusual. Esto quiere decir que aumentando la presíon el hielo se funde, y también que la fase sólida tiene menor densidad que la fase líquida.

Diagrama de fase binario

Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:

Sólido puro o disolución sólida Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide) Mezcla sólido - líquido Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión), ya sea un

líquido completamente homogéneo. Mezcla líquido - gas Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones da

altitud).

Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización:

Línea de líquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas. Línea de sólidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas. Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen

lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente.

Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en (α)+ sustancia pura (A ó B).

Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante:

o Eutécticao Eutectoideo Peritécticao Perictectoideo Monotécticao Monotectoideo Sintécticao Catatéctica

MATERIALES Y REACTIVOS:

- 1 termómetro de 100ºC- 1 mechero Bunsen- 3 tubos de ensayo- 1 gradilla- 1 rejilla de asbesto- 1 luna de reloj- 1 vaso de precipitado de 300 ml - 1 bagueta- 2gr de paradiclorobenceno- 6gr de naftaleno- 1 cronometro

PROCEDIMIENTO

1) Antes de proceder a determinar puntos de congelación de mezclas es recomendable hacer la gráfica temperatura tiempo de cada uno de los dos productos y así poder tener los puntos de fusión de los productos empleados. El procedimiento consiste en fundir el producto puro, introducir el termómetro en el interior de la sustancia líquida y tomar las temperaturas en función del tiempo. Con los datos se construye la gráfica temperatura ( eje Y) frente a tiempo ( eje X).La temperatura correspondiente a la parte horizontal de la curva es el punto de fusión.

2) Los productos químicos deben estar molidos a grano muy fino. Sobre la base de pesar 5,00 gramos de naftaleno se pesa p-diclorobenceno de manera que la molalidad de la disolución esté en el intervalo 0,5 molal a 2,5 molal. Una vez pesados independientemente los productos se mezclan íntimamente y se añaden al tubo de ensayo, el cual se coloca convenientemente para su calentamiento. Quizás es la operación más delicada ya que la pérdida de producto o una mala mezcla de los mismosconduce a errores apreciables.

3) Se calienta suavemente la mezcla hasta que esté completamente líquida y luego se introduce el termómetro en el seno de la disolución. El bulbo del termómetro debe quedar en el centro de la masa y no tocar las paredes del tubo Si al introducir el termómetro se forma sólido es preciso volver a calentar con cuidado hasta la fusión completa Se retira la calefacción y se toman las temperaturas de minuto en minuto, poniendo especial atención en observar la aparición de sólido en la disolución. Con los datos se construye una gráfica y se deduce el punto de fusión de la mezcla.

4) Si la experiencia la han hecho un grupo de alumnos con distintas molalidades se reúnen todos los datos y se construye una gráfica de la molalidad ( eje X) frente al descenso crioscópico (eje Y) De la gráfica se deduce el valor aproximado de la constante. Se puede comprobar la calidad del trabajo de cada grupo teniendo en cuenta su desviación respecto de la constante crioscópica del naftaleno que en la bibliografía es 6,8-6,9 ºC / molal

CALCULOS Y RESULTADOS:

Los resultados experimentales obtenidos han sido los siguientes:

MOLALIDAD 0.00 0.57 0.94 1.07 1.27 1.90 2.53TEMPERATURA CONGELACION (ºC) 80 75.5 72.5 73.3 70 67 62.3▲T/ºC 0 4.5 7.5 6.7 10.0 13 17.7

La pendiente dará de forma aproximada la constante crioscópica del naftaleno

Kc = 6,84 K. kg/mol

Kc naftaleno según bibliografía: 6,89 K kg/mol.

CONCLUSIONES:

- VEMOS QUE EL ERROR COMETIDO ES DE 0.725% EN

CALCULAR LA PENDIENTE DE LA GRAFICA MOLALIDAD VS

VARIACION DE LA TEMPERATURA.

SUGERENCIAS:

Los alumnos deben utilizar gafas de seguridad. Si la habilidad experimental del alumno no es buena, entonces no debe utilizar el calentamiento directo con el mechero para fundir las mezclas, sino utilizar un baño de agua contenida en un vaso de precipitados en elque se introduce el tubo de ensayo. El calentamiento del agua se hace utilizando mechero y rejilla. La limpieza de los tubos de ensayo requiere cuidados. Una vez realizado el experimento con un determinado tubo se vuelve a fundir el producto y se extrae el termómetro. Después si aparece sólido se vuelve a calentar para fundirlo y una vez fundido se vierte rápidamente el contenido sobre un papel de periódico. Si se opera con rapidez se consigue eliminar la mayor parte del contenido del tubo. El que queda por las paredes se consigue eliminar frotando con la escobilla. A veces si se calienta en exceso puede inflamarse el producto en la boca del tubo, si ocurre cúbralo con un trapo. Esta operación de limpieza no la deben realizar los alumnos.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICA