Laboratorio 6.
Calor diferencial de solución
Objetivo
Determinar la solubilidad del ácido oxálico a diferentes temperaturas. Calcular el calor diferencial de la solución saturada.
Teoría
Uno de los casos más simples de equilibrio es el de una solución saturada en
contacto con un exceso de soluto. En este equilibrio las moléculas viajan del
sólido a la solución con la misma velocidad a la que las moléculas en la solución
pasan al sólido. La concentración que del soluto que se encuentra en esa
solución saturada se denomina la solubilidad del soluto la cual usa una escala
arbitraria. En éste experimento utilizaremos la escala molal, la solubilidad será la
molalidad (ms) del soluto en la solución saturada.
Podemos establecer la constante para dicho equilibrio la cual es:
* 2 2
a
a
K
( 6-1)Donde, a2 representa la actividad del soluto en la solución saturada y a2* la
actividad del soluto puro. La alternativa para el estado estándar el el soluto puro
a la temperatura y presión que está envuelto, haciendo a2* igual a uno. La
actividad a2 se relaciona a la molalidad, m, del soluto por promedios del coeficiente de actividad γ, función de T, P y composición.
Luego K = [a2] m = ms = γs ms, donde el subscrito s indica que la relación aplica
a la solución saturada. El cambio en de la temperatura a Kelvin a presión
constante refleja un cambio en ms, y por lo tanto un cambio en γs el cual afecta ambas variaciones en la temperatura y concentración de la solución. La
ecuación de van’t Hoff requiere que:
2 0 ln RT H T K p ( 6-2)
Donde ∆Ho es el cambio en entalpía de la solución. Esta cantidad no debe ser confundida con cualquier calor medible experimentalmente de la solución; éste
debe ser determinado indirectamente.
Tomando en cuenta el efecto de la temperatura y la concentración en γs el resultado para presión constante es:
2 , ,ln
ln
ln
1
RT
H
dT
m
d
m
s s m m DS s m m P T
( 6-3)Donde [∆HDS]m=ms es el calor diferencial de la solución con saturación a
temperatura y presión dada. Para los casos en el cual el coeficiente de actividad
γ para el soluto cambie poco con concentración en el vecino intermediario de saturación, el término de la izquierda de la ecuación viene a ser:
2ln
RT
H
dT
m
d
s
DS mms
( 6-4)En ésta aproximación, el calor diferencial de la solución saturada puede ser
calculado a una temperatura dada, multiplicando por R la pendiente de la gráfica
absorbido cuando 1 mol del sólido es disuelto en una solución que está
prácticamente saturada. Éste difiere del calor de la solución en una dilución
infinita la cual el calor de la solución se encuentra en tablas, por una cantidad
equivalente al calor de dilución de saturación a dilución infinita.
Procedimiento
1. Estandarización de NaOH 0.5 M HCL estandarizado (El cual se le conoce su concentración exacta) utilizando fenolftaleina como indicador.
a. Determine la concentración real del hidróxido de sodio utilizando la siguiente ecuación estequiometrica
NaOH(aq) + HCl NaCl + H2O(l)
2. Determinación de la solubilidad de ácido oxálico
En el laboratorio usted encontrara el siguiente montaje:
Figure 6-1. Montaje experimental Controlador de
temperatura Solucion saturada
o La solubilidad del ácido oxálico se determinará a 35, 25, 15, y 5 oC.
o Prepare un solución saturada de ácido oxálico, añadiendo un exceso de los cristales a una temperatura alta y enfriando la solución para que el material disuelto se cristalice.
o Caliente la solución hasta alcanzar la temperatura de 35 oC.
o Espere 15 minutos hasta que la solución alcance el equilibrio.
o Tome dos muestras de 5 mL y colóquelas en botellas de pesada separadas las cuales han sido previamente pesadas.
o Pese la solución en la botella.
o Transfiera cuantitativamente la solución a un matraz Erlenmeyer de 250 mL y añada un poco mas de agua para garantizar que se ha transferido todo la solución.
o Añada fenolftaleína como indicador y titule con NaOH 0.5 M estandarizado.
o Baje la temperatura del baño a 25 oC añadiendo agua fría.
o Repita el procedimiento del paso 4 en adelante y con las demás temperaturas.
Cálculos
Determinación de la concentración real del NaOH (M)
SOLUBILIDAD DE ACIDO OXALICO
Peso molecular acido oxalico = 90.04 g/mol
PASO 1
VNaOH (mL) VNaOH (L)=
1000
PASO 2
Peso de la solución (Ws) = (Peso botellita con tapa + Muestra) - (Peso botellita vacía con tapa)
PASO 3
VNaOH gastado(L) x Molaridad (NaOH) Moles de acido oxalico =
2
Nota:
Acido Oxalico = H2C2O4
PASO 4
Gramos de acido oxálico = moles del acido oxálico x PM (90.04 g/mol)
PASO 5
PASO 6
peso del agua (g) 5 Peso agua (Kg) =
1000 1000
PASO
PASO 7
moles(acido oxalico) PASO 3 Molalidad
Kg de agua PASO 6
T (K) = C + 273.15
Haga los cálculos para todas sus muestras y tabúlelos
# Muestr a V NaOH gastado (L) Peso de la solución (g) Moles de acido oxalico Gramos de acido oxalico Peso del agua Molalidad (m) 1 2 3 4 5 6 7 8
Para la construcción de la grafica experimental
Exprese la temperatura en grados Kelvin. Construye una Tabla de la siguiente forma.
Temperatura (K) Molalidad
(m)
1/T ln m
Grafique lnm (Eje y) Vs 1/T(K) (Eje x) para todos los 8 valores. Esto nos sirve para hallar el calor diferencial de solución (Hsln) haciendo uso de la pendiente. Utilice la siguiente ecuación:
1
sH
R
T
ln
ln m
constante
Para la construcción de la grafica teórica
Utilizando los valores de solubilidades del ácido oxálico en agua y la densidad del agua a diferentes temperaturas. Determine el calor diferencial teórico.
Temperatura (C) Solubilidad del ácido
oxálico (g/100g de agua)
10 6.08
20 9.52
30 14.23
40 21.52
Por ejemplo para los valores a 10 °C
6.08 . 1000 1 .
( . Oxalico) 0.6752 /
100 1 90.04
g ac oxalico g agua mol ac oxalico
molalidad Ac x x moles kg agua
g Kg agua g
Haga lo mismo con sus demás datos y construya la siguiente tabla.
Temperatura (K) Molalidad
(m)
1/T Ln m
Determine el calor diferencial de solución con la ecuación siguiente:
ln 1 ln m Hs tan cons te R T
Compare el valor experimental con el valor teórico.
Referencias
A. Seidell and W. F. Linke, "Supplement to Solubilities of Inorganic and Organic Compounds," 3d ed., vol. III, D. Van Nostrand Company, Inc., Princeton, N.J., 1952.
A. Seidell, "Solubilities of Inorganic and Metal Organic Compounds," 3d ed. vol. I, D. Van Nostrand Company, Inc., Princeton, N.J., 1940.
A. Seidell, "Solubilities of Organic Compounds," 3d ed., vol. II, D. Van Nostrand Company, Inc., Princeton, N.J., 1941.
A. T. Williamson, Trans. Faraday Soc., 40: 421 (1944).
J. H. Hildebrand and R. L. Scott, "Solubilities of Nonelectrolytes," Reinhold Publishing Corporation, New York, 1950.
W. J. Mader, R. D. Mold, and M. J. Mold in A. Weissberger (ed.), "Technique of Organic Chemistry," vol. 1, "Physical Methods of Organic Chemistry," 3d ed., pt. 1, chap. 11, Interscience Publishers, Ins., New York, 1959.
