Laboratorio de fisicoquímica.

Volumen parcial molar [Práctica No. 4] (2015) 4-6[pic 2]

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VOLUMEN PARCIAL MOLAR

Laboratorio de fisicoquímica

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J. Almanza1, C. Arrieta1, F. Canabal1, A. Garcia1, E. Gomez1, L. Maldonado1, L. Mallarino1, K. Moreno1, L. Paternina1, J. Visbal1

1Fisicoquímica. Programa de Ingeniería Química

Universidad de Cartagena.

Recibido 13-05-15

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1. Introducción

El etanol y el agua forman una mezcla azeotrópica comportándose como si formaran un solo componente. Estas especies están íntimamente entremezclados, y debido a las interacciones moleculares no es posible tener propiedades particulares propias. Sin embargo, las propiedades parciales, como el volumen molar parcial, tienen todas las características de las propiedades de cada uno de los componentes tal y como existen en la solución. De esta manera, para propósitos prácticos, es posible asignarlas como valores de la propiedad (volumen molar) a cada una de las especies individuales.

El volumen molar de una solución depende, además de la temperatura y la presión, de la composición de la misma. En una mezcla, la propiedad de mezclado es obtenida a partir de las propiedades parciales molares usando la relación de sumabilidad. Para una mezcla binaria como la analizada, el volumen molar de la mezcla (propiedad de mezclado) establece matemáticamente como la suma del producto de la fracción molar por la propiedad molar parcial de cada especie en la mezcla. Ahora bien, una definición como tal de volumen parcial molar se podría reducir a la variación de volumen que se produce al agregar un mol de componente x a una cantidad muy grande de solución.

En la práctica experimental referida se pretende determinar el volumen molar parcial de los componentes (etanol y agua) de una solución binaria a diferentes concentraciones, manteniendo la presión y la temperatura constante, esto con el objetivo de comprobar que al mezclar dos componentes, la suma de sus propiedades como especies puras no es igual a la propiedad de la mezcla real, aun cuando se comportan de forma similar en ella. Otro de los objetivos de “volumen molar parcial” es analizar la variación de la densidad del azeótropo a medida que se reduce la concentración del etanol en la mezcla y con ella calcular el volumen real de referencia con el cual se comparan los volúmenes reales obtenidos a partir del volumen molar parcial de las especies en las cuatro mezclas.

1. Marco teórico

Al estudiar disoluciones reales, se pueden apreciar desviaciones del comportamiento ideal debido a que las fuerzas intermoleculares entre los componentes puros tienen diferente intensidad a la del soluto-disolvente y hay diferencias en el empaquetamiento de las moléculas debida a los tamaños, formas y polaridad. Una magnitud molar parcial asociada a una variable extensiva, es la derivada parcial de dicha variable extensiva X con respecto a la variación del número de moles ni de una de las sustancias del sistema manteniendo la presión, la temperatura y el número de moles de las demás sustancias constantes. La propiedad molar parcial se representa por . La expresión es la siguiente:[pic 10]

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Para el cálculo de la propiedad molar de una mezcla, en este caso volumen molar, con c especies se usa la ecuación:

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Donde  es la fracción molar de la especie i en la mezcla y  es su respectivo volumen parcial. [pic 13][pic 14]

En una mezcla ideal, el volumen, la energía interna y la entalpía de la mezcla es igual al de los componentes puros por separado, es decir el volumen, la energía y la entalpía de mezcla es nula. Para una mezcla binaria ideal con componentes A y B, el volumen molar es:

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Para la misma mezcla de componentes A y B, considerándola ahora como real, el volumen molar de la mezcla es:

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Donde el volumen molar real se obtiene de la ecuación:

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La diferencia entre el volumen real y el ideal corresponde al volumen de mezcla [pic 18]

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Derivando el volumen de mezcla con respecto a la fracción molar de la especie A, y aplicando ecuación de Gibbs/Duhem resultan las ecuaciones 6 y 7 con las que se determina el volumen molar parcial de A y B.

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Estas ecuaciones son utilizadas, porque involucra variables susceptibles a ser medidas fácilmente como la masa y el volumen. Además, considerando que el etanol y el agua se encuentran mezclados de forma uniforme, la densidad es la misma en toda la mezcla así que al extraer una muestra y pesarla es posible conocer la densidad de ella y por ende el volumen para una determinada cantidad de masa de la mezcla. También se puede determinar la tangente a la curva de la gráfica de  vs.  a partir de la regresión polinomial sobre los datos y la derivación de la expresión resultante por lo que con las ecuaciones 6 y 7 el volumen molar parcial puede ser conocido sin dificultad. [pic 22][pic 23]

1. Detalles experimentales

Inicialmente se realizó el montaje experimental descrito en la figura 1, para lo cual fue necesario:

• Balanza de precisión
• Termostato de inmersión
• Recipiente con agua para introducir el termostato
• Base, soporte, abrazadera, pinza universal
• Pipeta de 10 ml
• Tapones de caucho
• Balón de fondo plano de 100 ml
• Etanol
• Agua

Luego, se procedió a pesar los 4 balones de fondo plano vacíos en un peso digital. En cada uno se preparó la mezcla etanol-agua con la cantidad de las especies mostradas en la tabla 1. Se enfrió el agua que estaba en el termostato a 20°C y se sumergió los balones dentro sostenidos por los soportes durante 15 min. Luego, se secaron y se realizó la pesada a los balones nuevamente.

4. Datos y cálculos

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