LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA

UNIVERSIDAD DE COSTA RICA

ESCUELA DE QUÍMICA

SECCIÓN DE FISICOQUÍMICA

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I

QU-0367

Nombre: Noelia Rechnitzer Sandí                                                 Carné: B65802

Asistente: Kenneth Alvarado                                                         Grupo: 1

Profesor: Cristopher Camacho                                                Fecha: 3/09/19

Determinación del coeficiente de expansión térmica del biodiesel, butanol, ciclohexano, glicerina, hexano y propanol

Resumen

        Se determinaron los coeficientes de expansión térmica del biodiesel, butanol, ciclohexano, glicerina, hexano y propanol. Se empleó un picnómetro para determinar la densidad de cada compuesto y se realizó un ajuste lineal entre el logaritmo natural de esta y la temperatura. Se calculó el porcentaje de error de los valores experimentales obtenidos a partir del ajuste lineal respecto a los valores reportados en la literatura, los cuales fueron: (0,80±0,04) x 10-3 °C-1,(1,10±0,02) x 10-3 °C-1, (1,01±0,09) x 10-3 °C-1, (0,50±0,02) x 10-3 °C-1, (2,2±0,1) x 10-3 °C-1, (1,20±0,06) x 10-3 °C-1, con porcentajes de error de 4,76%, 1,79%, 12,17%, 3,85%, -56,03%, 1,64%, respectivamente para el biodiesel, butanol, ciclohexano, glicerina, hexano y propanol. Se concluye que los coeficientes de expansión térmica están relacionados con la estructura y las fuerzas intermoleculares de las sustancias, entre más intensas sean estas, menor va a ser el coeficiente de expansión térmica (α).

Introducción

La expansión térmica es la tendencia de la materia a cambiar su forma, área y volumen en respuesta a un cambio de temperatura. El coeficiente de expansión térmica (α) es una propiedad de la sustancia que es indicativa de la extensión en que una sustancia se expande al calentarse1. Cuando una sustancia se calienta, aumenta la energía cinética de sus moléculas. Por lo tanto, las moléculas comienzan a vibrar y moverse más y generalmente mantienen una mayor separación promedio2. Cada sustancia se expande en diferentes cantidades, dependiendo de su estructura y fuerzas intermoleculares. La expansión térmica encuentra una aplicación útil en tiras bimetálicas para la construcción de termómetros, pero puede generar tensiones internas perjudiciales cuando una parte estructural se calienta y se mantiene a una longitud constante1.

        Este coeficiente corresponde a una propiedad intensiva, se asocia con el cambio de volumen de la sustancia a una temperatura específica y a presión constante. A continuación, se muestran las ecuaciones para calcularlo.

                                                                                                      [1][pic 1]

                                                                                                   [2][pic 2]

                                                                                                             [3][pic 3]

De la ecuación 1 se toma que el volumen (V) es igual a la densidad entre la masa (ρ/m) para así obtener las ecuaciones 2 y 3. Con las ecuaciones anteriores es posible obtener ajustes lineales y exponenciales.

En el caso de una sustancia en estado sólido o gaseoso el coeficiente de expansión térmica es siempre positivo, esto indica que al aumentar la temperatura su volumen también aumenta. A diferencia de los líquidos, pueden presentar coeficientes negativos, por ejemplo, el agua tiene un valor negativo de α entre 0°C y 3,98°C. En este intervalo de temperatura, el volumen decrece cuando la temperatura aumenta3.

Los objetivos de esta práctica corresponden a determinar los coeficientes de expansión térmica para el biodiesel, butanol, ciclohexano, glicerina, hexano y propanol, experimentalmente y compararlos con los reportados en la literatura. Además, relacionar estos coeficientes con la estructura y fuerzas intermoleculares de cada compuesto.

Sección Experimental

        Se hizo uso de reactivos de pureza no determinada como el biodiesel, butanol, ciclohexano, glicerina, hexano y propanol. Se utilizaron picnómetros de 25,00 ml, balanzas analíticas y termómetros de mercurio.

        Se siguió el procedimiento descrito por la sección de fisicoquímica, para la determinación del coeficiente de expansión térmica de las sustancias anteriores. Primeramente, se lavaron los picnómetros con acetona y se colocaron en la estufa a 50°C. Se calibraron midiendo su masa vacíos y luego con agua destilada hasta la marca de aforo y se estableció la temperatura inicial del agua. Seguidamente, con cada una de las sustancias se llenó el picnómetro hasta la marca de aforo, se midió su masa y temperatura y posterior a esto se calentó el picnómetro con la mano hasta que la temperatura aumentara un par de grados. Se anotó la temperatura y se midió su masa. Se repitieron los pasos anteriores hasta obtener 10 o más mediciones. Se realizó una réplica para cada líquido. Mediante las masas medidas y el volumen del picnómetro, se determinó la densidad del líquido y se realizó un ajuste lineal del logaritmo natural de esta con la temperatura, de tal forma que la pendiente de la gráfica correspondía al coeficiente de expansión térmica. Los datos fueron obtenidos a una temperatura promedio de (21,4±0,5) °C y una presión promedio de (671,5±0,1) mmHg, en el laboratorio 116 de la escuela de química.  

Resultados y Discusión

        Se determinó de forma experimental el coeficiente de expansión térmica para seis líquidos: biodiesel, butanol, ciclohexano, glicerina, hexano y propanol. Esto se obtuvo mediante un ajuste lineal según la ecuación 2.

        En el Cuadro I se muestran los coeficientes de expansión térmica (α) obtenidos experimentalmente, además los valores reportados en la literatura para cada sustancia y sus porcentajes de error.

Cuadro I. Coeficientes de expansión térmica y porcentajes de error obtenidos a partir de un ajuste lineal.

        Se puede observar como los valores reportados en la literatura están a 25°C y el laboratorio se encontraba a una temperatura promedio de (21,4±0,5) °C, por lo que existen diferencias significativas entre los valores experimentales de α y los de la literatura. Algunos de los valores presentan bajos porcentajes de error, pero no todos. Algunas fuentes de error pudieron deberse a que la balanza no estuviera calibrada, no se esperaba el mismo tiempo a que aumentara la temperatura mientras se calentaba el picnómetro con la mano, mala lectura de termómetro, entre otras.

        En la Figura 1 se observa un ejemplo del ajuste lineal realizado para una de las sustancias, en este caso la glicerina. La pendiente de la gráfica corresponde al coeficiente de expansión térmica (α) y el valor de R2 el coeficiente de determinación, se puede ver que es relativamente cercano al de un ajuste lineal (R2=1,000), lo que indica que los datos son cercanos al ajuste realizado.

[pic 4]

Figura 1. Regresión lineal para la glicerina realizado mediante Excel.

No en todas las sustancias sucede lo mismo, en la Figura 2 se muestra el ajuste lineal y polinomial realizado para el ciclohexano y se puede confirmar que se ajusta mejor el polinomial, pues presenta un valor de R2 más cercano a 1,000 que el del ajuste lineal. Esto se debe a que no en todas las sustancias el cambio de volumen debido a la temperatura se comporta linealmente. [pic 5]

...