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5 Crioscopia[1]FIKI

Date post: 06-Dec-2015
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laboratori de fisicoquimica-Crioscopia
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Page 1: 5 Crioscopia[1]FIKI

VI08LFQ – B

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFACULTAD DE QUÍMICA E ING. QUÍMICA

ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL ING. AGROINDUSTRIALDEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FISICOQUÍMICA

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA

Ciudad Universitaria

TEMA “DETERMINACION CRIOSCOPICA DEL PESO MOLECULAR”

PROFESOR Ing. ALEJANDRO YARANGO ROJAS

ALUMNASPAZ ROJAS, GIANCARLO

PREGUNTEGUI LAZON, KATHERINRETIS LANDAURO, JOSELIN

FECHA DE REALIZADO 16/11/2012

FECHA DE ENTREGA 23/11/2012

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DETERMINACION CRIOSCOPICA DEL PESO MOLECULAR –LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA

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DETERMINACION CRIOSCOPICA DEL PESO MOLECULAR –LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA

RESUMEN

En esta práctica llamada “Determinación Crioscópica del Peso Molecular”, tiene como objetivo determinar el peso molecular de un soluto mediante el método crioscópico o del descenso de congelación.

Las condiciones del laboratorio a las que se trabajo fueron 756 mmHg de presión, a una temperatura de 22⁰C, con un 91 % humedad relativa.

El punto de congelación de un líquido es la temperatura a la que dicho líquido se solidifica debido a una reducción de temperatura; el proceso inverso se denomina punto de fusión.

Al realizar la grafica se determino la temperatura de fusión del solvente puro, el cual fue 4,12⁰C y la temperatura de fusión de la solución fue de 3,94⁰C, por lo tanto el descenso del

punto de congelación ( ) 0,18⁰C es .Por otro lado se empleo 0,4474 g de solvente, y al emplear una fórmula que relaciona la constante de crioscopia (1,86 kg ste.K.mol-1), el peso en gramos del soluto y del solvente y el descenso del punto de congelación; hallamos el valor del peso molecular experimental 185,38 g/mol, mientras que el peso molecular teórico es 60,06 g/mol, entonces el porcentaje de error es -208,65%.

Para hallar el peso molecular de una sustancia se tiene que tener bastante precisión al momento de leer la temperatura con el termómetro de Beckmann, nosotros no usamos la chaqueta, por lo tanto el descenso y ascenso de la temperatura fue rápido hasta obtener una temperatura constante que corresponde al punto de congelación del agua (solvente puro). Hay un momento en que la temperatura llega hasta un punto mínimo que fue de 1,93°C y luego subió hasta el 4.12°C esto se debe a que cuando hay un cambio de estado se produce una liberación de energía por eso es que sube la temperatura tan rápidamente y luego se mantiene constante en 4,12°C.

Para la solución se agrego 0.4474g de Urea, luego que se mezclo bien y se procedió a leer el descenso de temperatura cada segundo, porque de igual manera al paso anterior, no hubiera sido posible tomar las lecturas debido a que el descenso y ascenso fue rápido. Este cambio de temperatura se observa mediante la gráfica que llegó a un punto mínimo de 2,58°C hasta un máximo que fue de 2,70°C y luego fue descendiendo poco a poco, de ahí que se hallo su temperatura de congelación que fue de 3.94ºC.

Uno de los problemas que se tuvo al realizar la práctica es que al emplear un agua de baja calidad, no es posible tomar los valores de temperatura cuando la temperatura debería ascender porque por más que pase el tiempo la temperatura se mantiene constante y no es posible realizar la curva de enfriamiento. Es por ello que se debe trabajar con un agua de buena calidad.

Se concluye que el punto de congelación de un solvente disminuye cuando una sustancia se disuelve en él; esta disminución es proporcional a la concentración molar de la sustancia disuelta.

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DETERMINACION CRIOSCOPICA DEL PESO MOLECULAR –LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA

INTRODUCCIÓN

En el presente informe se determinara el peso molecular de la urea mediante el método crioscópico o del descenso del punto de congelación.

En nuestra vida cotidiana hemos observado alguna vez que en las bebidas lácteas contienen una cierta cantidad de agua, para saber exactamente la cantidad de agua que se le adiciona a la leche es mediante el método crioscopico ya que esta es una de las aplicaciones más usadas en la industria de alimentos.

La crioscopia es una técnica mediante la cual se determina el peso molecular y otras propiedades de una sustancia disuelta en un líquido observando el punto de congelación de esta disolución.

El punto de congelación de un líquido es la temperatura a la que dicho líquido se solidifica debido a una reducción de temperatura. El proceso inverso se denomina punto de fusión.

La aplicación de esta técnica es en la medición de la hidrólisis enzimática de la lactosa donde su utilización es en la fabricación de helados y dulces de leche. La leche presenta un punto de congelamiento menor que el del agua destilada debido fundamentalmente a su contenido en minerales y lactosa. Durante la hidrólisis por el agregado de lactasa, la molécula de lactosa se hidroliza en glucosa y galactosa. Esta hidrólisis se ve acompañada por el correspondiente descenso del punto de congelación de la solución. La técnica de determinación del descenso crioscópico es rápida y tiene la ventaja que utiliza equipos usualmente encontrados en la industria láctea, evitando así inversiones adicionales. Además esta metodología se utiliza no sólo para determinar % de hidrólisis, sino también para conseguir, variando temperaturas de trabajo y concentraciones enzimáticos diferentes condiciones operativas en planta.

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PRINCIPIOS TEÓRICOS

3.1. Crioscopia :

Procedimiento con el que se determina el peso molecular de un soluto. Está fundamentado en la determinación del punto de congelación de sus disoluciones.

3.2. Punto de congelación:

El punto de congelación de un líquido es la temperatura a la que dicho líquido se solidifica debido a una reducción de temperatura. El proceso inverso se denomina punto de fusión.

Para la mayoría de sustancias ambas temperaturas son iguales. Por ejemplo para el mercurio, cuya temperatura de fusión y de congelación es 234,32 K (−38,83 °C). Sin embargo otras sustancias como el Agar-Agar tienen distintas temperaturas para la fusión y la congelación siendo que se vuelve líquido a 85 °C y sólido a una temperatura entre 32 °C y 40 °C; a este fenómeno se le conoce como histéresis.En el caso del agua, el punto de fusión y de congelación es el mismo: 0 °C. Esto es en presencia de núcleos de cristalización en el líquido, ya que si éstos no están presentes, el agua líquida puede enfriarse hasta −42 °C sin que se produzca la congelación en un proceso llamado super enfriamiento.

3.3. Calor latente

El calor de cambio de estado, es la energía requerida por una sustancia para cambiar de estado, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.

Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0°C (temperatura de cambio de estado), a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo.Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100°C; desde ese momento se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua.

Calor latente de algunas sustancias: El agua tiene un calor de vaporización alto ya que, para romper los puentes de hidrógeno que enlazan las moléculas, es necesario suministrar mucha energía; también tiene un calor de fusión alto.

Agua : de fusión: 333,9 kJ/kg (79,9 kcal/kg); de vaporización: 2253 kJ/kg (539 kcal/kg). Amoníaco : de fusión: 180 kcal/kg; de vaporización: 1369 kJ/kg (327 kcal/kg).

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3.4. Elevación del punto de ebullición

El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura a la cual su presión de vapor iguala a la presión atmosférica externa. ¿Cómo difieren los puntos de ebullición y de congelación de una solución hídrica de los del agua pura? La adición de un soluto no volátil disminuye la presión de vapor de la solución. Como se ve en la Fig la curva de presión de vapor de la solución cambiará hacia abajo relativo a la curva de presión de vapor del agua líquida pura; a cualquier temperatura dada, la presión de vapor de la solución es más baja que la del agua pura líquida. Teniendo en cuenta que el punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a 1 atm., al punto de ebullición normal del agua líquida, la presión de vapor de la solución será menor de 1 atm. Por consiguiente se necesitará una temperatura más alta para alcanzar una presión de vapor de 1 atm. Así el punto de ebullición es mayor que el del agua líquida.

Para incrementar el punto de ebullición relativo al del solvente puro, T, es directamente proporcional al número de partículas del soluto por mol de moléculas de solvente. Dado que la molalidad expresa el número de moles de soluto por 1000 g de solvente, lo cual representa un número fijo de moles del solvente. Así T es proporcional a la molalidad.Kb = constante de elevación del punto de ebullición normal, solo depende del solvente. Para el agua es 0.52 °C / m, por consiguiente una solución acuosa 1 m de sacarosa o cualquier otra solución acuosa que sea 1 m de partículas de soluto no volátil ebullirá a una temperatura 0.52 °C más alta que el agua pura.

3.5. Reducción del punto de congelación

La presión de vapor más baja de una solución con relación al agua pura, también afecta el punto de congelamiento de la solución, esto se explica porque cuando una solución se congela, los cristales del solvente puro generalmente se separan; las moléculas de soluto normalmente no son solubles en la fase sólida del solvente. Por ejemplo cuando soluciones acuosas se congelan parcialmente, el sólido que se separa casi siempre es hielo puro, como resultado la parte del diagrama de fase en la Fig. que representa la presión de vapor del sólido es la misma que para el agua líquida pura. En esta misma figura puede verse que el punto

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triple de la solución a una temperatura menor que el del agua pura líquida debido a que la presión de vapor más baja de la solución comparada con la del agua líquida pura.

El punto de congelación de una solución es la temperatura a la cual comienzan a formarse los cristales de solvente puro en equilibrio con la solución. Debido a que el punto triple de la temperatura de la solución es más bajo que el del líquido puro, el punto de congelamiento de la solución también será más bajo que el del agua líquida pura.

3.6. Método de Beckmann

Este método nos permite determinar el punto de congelación de una disolución. Consta de un tubo o crióscopo, con una tubuladura lateral por la cual se introduce la sustancia problema, dentro de otro tubo, quedando entre ambos una cámara de aire. Al crióscopo se adapta un termómetro Beckmann, cuyo depósito va sumergido en la disolución que se pretende estudiar. Este termómetro es de tipo diferencial, pudiendo medir variaciones de temperatura de 5 ºC, entre –10 y + 140 ºC, con una escala cuya división más pequeña equivale a 0,01 ºC, con lo cual pueden apreciarse las variaciones de temperatura con una precisión de ± 0,005 ºC. El agitador de vidrio que atraviesa el tapón del tubo se puede accionar con la mano o por medio de un motor. El crióscopo y su cámara de aire van introducidos en un vaso que contiene una mezcla frigorífica de hielo fundente y sal.Para efectuar una medida se determina, mediante el termómetro diferencial de Beckmann, primero el punto de congelación del disolvente puro, por ejemplo agua, y a continuación se introduce en el crióscopo, el cual contiene una cantidad dada de disolvente, un peso conocido de soluto y se determina el punto de congelación de la disolución.

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Termómetro diferencial de Beckmann.

DATOS

TABLA N°1: Condiciones del laboratorio

PRESIÓN TEMPERATURA %HR

756mmHg 22ºC 91

4.1. DATOS EXPERIMENTALES

TABLA N°2: Descenso de la temperatura del solvente. Empezando de 5°C

t(s) T(ºC) t(s) T(ºC)

0 4.89 27 3.97

1 4.86 28 3.93

2 4.84 29 3.88

3 4.81 30 3.84

4 4.78 31 3.79

5 4.75 32 3.75

6 4.73 33 3.71

7 4.70 34 3.69

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8 4.68 35 3.66

9 4.63 36 3.62

10 4.59 37 3.59

11 4.55 38 3.56

12 4.52 39 3.53

13 4.48 40 3.49

14 4.47 41 3.45

15 4.43 42 3.43

16 4.39 43 3.48

17 4.36 44 3.34

18 4.32 45 3.30

19 4.29 46 3.27

20 4.27 47 3.24

21 4.24 48 3.18

22 4.21 49 3.13

23 4.19 50 3.08

24 4.14 51 3.03

25 4.07 52 2.98

26 4.01 53 2.94

t(s) T(ºC) t(s) T(ºC)

54 2.88 90 2.84

55 2.83 81 2.89

56 2.79 92 2.93

57 2.72 93 2.99

58 2.68 94 3.04

59 2.63 95 3.08

60 2.57 96 3.13

61 2.52 97 3.18

62 2.48 98 3.23

63 2.39 99 3.27

64 2.35 100 3.33

65 2.30 101 3.39

66 2.29 102 3.44

67 2.21 103 3.51

68 2.18 104 3.58

69 2.14 105 3.67

70 2.10 106 3.72

71 2.07 107 3.80

72 2.02 108 3.87

73 1.98 109 3.93

74 1.95 110 3.98

75 1.93 111 4.13

76 1.97 112 4.07

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77 2.05 113 4.12

78 2.12 114 4.12

79 2.19 115 4.12

80 2.27 116 4.12

81 2.33 117 4.12

82 2.39 118 4.12

83 2.44 119 4.12

84 2.50 120 4.12

85 2.56 121 4.12

86 2.61 122 4.12

87 2.67 123 4.12

88 2.72 124 4.12

89 2.78 125 4.12

NOTA: Las celdas que están coloreadas, fueron graficadas en el papel milimetrado.

TABLA N°3: Descenso de la temperatura del solvente más el soluto (solución) Empezando de 6°C

t(s) T(ºC) t(s) T(ºC)

10 4.75 185 3.51

15 4.73 190 3.47

20 4.70 195 3.43

25 4.87 200 3.40

30 4.83 205 3.34

35 4.56 210 3.30

40 4.53 215 3.24

45 4.51 220 3.20

50 4.46 225 3.13

55 4.43 230 3.09

60 4.41 235 3.05

65 4.38 240 3.03

70 4.35 245 3.02

75 4.31 250 3.00

80 4.27 255 2.98

85 4.22 260 2.97

90 4.20 265 2.95

95 4.17 270 2.88

100 4.14 275 2.85

105 4.09 280 2.83

110 4.06 285 2.80

115 4.01 290 2.74

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120 3.97 295 2.73

125 3.93 300 2.71

130 3.90 305 2.66

135 3.87 310 2.64

140 3.84 315 2.62

145 3.79 320 2.58

150 3.75 325 2.56

155 3.71 330 2.54

160 3.67 335 2.51

165 3.61 340 2.49

170 3.59 345 2.47

180 3.56 350 2.44

355 2.35

TABLA N°4: Datos del solvente y del soluto

VH2O (mL) WÚREA (g)

25 0.4474

4.2. DATOS TEÓRICOS

TABLA N°5: Densidad y Constante crioscopía del agua

AGUA (H2O)ρ22°C (g/mL)1 Kf

(K.kg/mol)2

0,99786 1,86

TABLA N°6: Peso molecular de la urea

ÚREA (H2N-CON-H2)

M (g/mol)3

60,06

4.3. RESULTADOS

1 http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/javascript/water-density.html2 http://materias.fi.uba.ar/6311/download/Coligativas.pdf3 Perry’s Chemical Engineers’ Handbook (7th edition - 1999), Robert H. Perry. McGraw-Hill. Section:2 – page:47

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TABLA N°7: Puntos de congelación del solvente y de la solución, y el descenso de la temperatura.

T (°C) T (°K)

4.12 277.12

3.94 276.94

0.18 0.18

TABLA N°8: Porcentaje de error del Peso molecular de la úrea.

MUESTRA Mteórico Mexperimental % ERROR

ÚREA 60.06 185.32 208.55

1. EJEMPLO DE CÁLCULOS

A) Grafique en papel milimetrado los datos de temperatura en función del tiempo para el solvente y la solución, estas serán las curvas de enfriamiento.

GRÁFICA N°1 (Papel milimetrado adjunto)Descenso de la temperatura del solvente

GRÁFICA N°2 (Papel milimetrado adjunto)Descenso de la temperatura del solvente más el soluto

B) De los gráficos anteriores, determine los puntos de congelación del solvente y de la solución, determine el ΔTf.

De las gráficas anteriores en el papel milimetrado se observa que:

Entonces se tiene que:

C) Calcule el peso molecular y el porcentaje de error del soluto disuelto usando la ecuación (3).

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SOLVENTEfT SOLUCIÓNfT fT

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Mediante la ecuación (3) se determinará el peso molecular del soluto disuelto:

De donde:M: peso molecular del soluto (g/mol)W1: peso del solvente (g)W2: peso del soluto (g)

: Descenso de la temperatura del punto de congelación (K)Kf : constante crioscopía (K.kg(solvente) /mol)

Hallando el W1:

-

Reemplazando se obtiene:

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Ahora, calculando el error:

2. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

o Se usó sal (cloruro de sodio) para que el hielo no se derritiera tan fácilmente, esto se debe que los iones de Na+ y Cl- de la sal entran en el camino de las moléculas de agua, haciéndoles más difícil el camino para reagruparse en cristales, gracias a esto se pudo mantener la temperatura de 8°C .

o El bulbo del termómetro de Beckmann es muy sensible, debido a esto se debe coger por el otro extremo ya que esto influye en la obtención de los datos de la temperatura.

o Se observa que en la grafica de la SOLUCIÓN (soluto más solvente), al final de su descenso, el tramo de la curva no es muy prolongada en comparación con la tendencia de la grafica de la guía, esto se debe a que no se agitó adecuadamente.

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3. CONCLUSIONES

o En esta práctica se analizo y se determino que la disminución del punto de congelación es una propiedad coligativa, que puede ser utilizada para obtener la masa molecular de un soluto conocido o desconocido disuelto en un solvente.

o En la experiencia de la determinación del punto de congelación del solvente, se considera el valor de la primera temperatura que se mantiene estable al transcurso del tiempo. Para el caso de la solución, el punto de congelación se halla trazando la grafica correspondiente.

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o El punto de congelación de un solvente disminuye cuando una sustancia se disuelve en él, esta disminución es proporcional a la concentración molar de la sustancia disuelta.

o La constante crioscópica depende de la característica del solvente en este caso

fue el agua y fue de 1.86 .

o La sal es un buen agente para disminuir la temperatura de una solución ya que los iones de Na+ y Cl- de la sal entran en el camino de las moléculas de agua, haciéndoles más difícil el camino para reagruparse en cristales.

o Se puede concluir que el punto de congelación de un solvente es directamente proporcional a la presión de vapor del solvente por el soluto disuelto.

o El punto de congelación de un líquido es la temperatura a la cual las fases sólida y líquida de una sustancia pueden coexistir entre sí.

4. RECOMENDACIONES

o La principal recomendación en la práctica es la buena calibra del termómetro Beckman, lo cual nos asegura una buena lectura de las temperatura.

o Antes de empezar a trabajar los instrumentos a usar se deben encontrar perfectamente lavados y secados para evitar la contaminación del solvente a emplear.

o Las lecturas de temperatura; deben ser lo más exacto, con respecto al tiempo; para que no altere la grafica.

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o El peso del soluto no debe ser grande, sino debe variar entre 0.4 a 0.8g, ya que pasando estos valores, la variación de temperatura no se puede calcular por el termómetro de Beckman.

o El baño de enfriamiento debe encontrase a una temperatura menor que la temperatura de cristalización del solvente.

5. BIBLIOGRAFÍA

Libro:

o H. C. CrocKford, Fundamentos de Fisicoquímica, Compañía Editorial Continental , 2da edición, Pag 138-141.

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DETERMINACION CRIOSCOPICA DEL PESO MOLECULAR –LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA

o Levine, Irán, Fisicoquímica, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill Pag 336-341

o Perry’s Chemical Engineers’ Handbook (7th edition - 1999), Robert H. Perry. McGraw-Hill. Section:2 – page:47

Páginas de internet:

o http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/javascript/water-density.html

o http://materias.fi.uba.ar/6311/download/Coligativas.pdf

o http://www.science.oas.org/OEA_GTZ/LIBROS/LA_LECHE/le_html/cap11_leche.htm

o http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/fusion/fusion.htm

6. APÉNDICE

CUESTIONARIO

1. Defina el concepto general de una propiedad coligativa.

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Son aquellas propiedades que están relacionadas entre si y tiene origen en el valor bajo del potencial químico, todas estas propiedades no dependen de la naturaleza del soluto presente, sino solo del numero de moléculas de soluto en relación con el número total de moléculas presentes. Estas propiedades son:

• Disminución de la presión de vapor.• Disminución de la temperatura de congelación.• Aumento de la temperatura de ebullición.• Presión osmótica.

2. En un diagrama de fases (PT) relacione y analice las temperaturas de ebullición a una presión determinada, para el solvente y para una solución.

La disminución de la temperatura de congelación y la elevación de la de ebullición pueden ilustrarse en el diagrama normal de fases del disolvente.

Mostrado para el agua por las curvas continuas de la figura (b). Si se añade un material no volátil al disolvente líquido, entonces la presión de vapor disminuye en cada temperatura como, por ejemplo, del punto “a” al punto “b”.

La curva de la presión de vapor para la solución esta indicada por la línea marcada con un punto. La línea discontinua indica la nueva temperatura de congelación en función de la presión. A 1 atm de presión, las temperaturas de congelación y ebullición están dadas por las intersecciones de las líneas continuas y discontinuas con la horizontal a 1 atm de presión.

Este diagrama también muestra que una concentración dada de soluto tiene mayor efecto sobre la temperatura de congelación que sobre la de ebullición.

El punto de congelación y el punto de ebullición de una solución dependen del equilibrio del disolvente en la solución con el disolvente sólido puro o con el vapor de disolvente puro.

El posible equilibrio restante es el del disolvente en la solución con el disolvente líquido puro.

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3. Escriba la ecuación que permita determinar la constante crioscopica de un solvente y analice su dependencia.

La ecuación que permite determinar la constante crioscópica de un solvente, depende esencialmente del solvente. Mediante la disminución del punto de congelación del solvente con la siguiente ecuación:

Kf = R MS TF 2 1000 X HF

De acuerdo a la ecuación planteada, tenemos que la constante crioscópica dependerá del peso molecular del solvente (Ms), temperatura de fusión del solvente (Tf) y la entalpía molar del solvente (Hf)

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a

b

Tf’ Tf Tb Tb

’ T

P

1 atm


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