Descenso del punto de congelación de un disolvente (descenso

Recopilación, adaptación y diseño :
MC. Rosalba Patiño Herrera
Agosto del 2006
D
escenso del punto de congelación de un disolvente
(descenso crioscópico) y determinación del peso molecular
Objetivo
La determinación de la masa molecular de una sustancia a partir del descenso que su adición causa en el
punto de congelación de un disolvente.
Introducción teórica.
Es un hecho experimental que el punto de congelación de un disolvente se rebaja por la adición de un soluto.
La teoría de disoluciones ideales (aplicable a disoluciones reales muy diluidas) indica que dicho descenso
puede expresarse por medio de la siguiente ecuación:
 RT02 M 1 
m
∆T f = 
 1000∆H 
f 

donde ∆T f es el descenso del punto de congelación, m es la concentración molal del soluto, ∆H f es el
calor molal de fusión del disolvente, M1 es la masa molecular del disolvente, R la constante de los gases y T0
es el punto de congelación del disolvente puro. El factor 1000 aparece como consecuencia del ajuste de
unidades. Todos los términos encerrados dentro del paréntesis en la ecuación anterior son cantidades que
dependen sólo del disolvente e independientes de la temperatura por lo que la ecuación se puede escribir,
simplificando:
∆T f = k f m
siendo Kf la llamada constante crioscópica molal o constante molal del punto de congelación, que puede
determinarse experimentalmente midiendo el descenso en la temperatura de congelación del disolvente
causado por una disolución de soluto en concentración 1 molal. También puede hallarse si se conocen las
constantes englobadas en el paréntesis de la primera ecuación.
Dado que en el laboratorio no resulta conveniente utilizar 1000 g. de disolvente, la ecuación anterior se escribe
:
∆T f =
k f w2 1000
M 2 w1
En esta ecuación, w2 es el número de gramos de soluto de masa molecular M2 disuelto en w1 gramos de
disolvente. Despejando M2 se obtiene:
k w 1000
M2 = f 2
∆T f w1
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ecuación que se utiliza para la determinación de la masa molecular por el método del descenso del punto de
congelación. Para usarla, se obtiene experimentalmente el descenso del punto de congelación producido por
la adición de w2 gramos de soluto a w1 gramos de disolvente, datos que con la constante crioscópica del
disolvente se sustituyen en la última ecuación. Debe recalcarse que en el desarrollo anterior se ha partido de
una ecuación, solamente válida para disoluciones suficientemente diluidas del soluto, por lo que las
cantidades a emplear de éste serán, comparativamente, mucho menores que las del disolvente.
En la Tabla siguiente se dan valores para las constantes crioscópicas de algunos disolventes que se pueden
utilizar para la determinación del peso molecular de sustancias desconocidas, junto con sus puntos de
congelación en estado puro.
TABLA
Disolvente
Punto de congelación (ºC)
Kf
Agua
0.00
1.86
Benceno
5.50
5.12
Ácido acético 16.7
3.90
Alcanfor
178.0
37.7
El método anterior es válido en aquellos solutos que en disolución no presentan ninguna tendencia a
asociarse, formando dímeros. Si éste fuera el caso, la técnica proporcionaría un peso molecular promedio de
las especies presentes en disolución. Este hecho puede utilizarse para determinar el grado de dimerización
que en disolución presentan sustancias polares como, por ejemplo, el ácido benzoico.
PARTE EXPERIMENTAL
Aparatos y reactivos
Cubeta aislante térmica
Probeta de 100 mL
Tubo de ensaye
Matraz Erlenmeyer de 250 ml
Cronómetro o reloj con minutero
Agua destilada
Benceno
Naftaleno
Termómetro
Hielo
Sal de mesa
Procedimiento
Prepárese en el vaso grande que se suministra una mezcla frigorífica,
llenando casi todo él con hielo, adicionando un puñado de sal de cocina
y completando con un poco de agua, de forma que la mezcla pueda
agitarse. Comprobar con la sonda termométrica que el conjunto agua,
sal y hielo está a unos –3/-5 ºC. Si no se ha llegado a esa temperatura,
adicionar más sal y agitar.
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MC. Rosalba Patiño Herrera
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La primera etapa de este procedimiento es determinar el punto de congelación del disolvente puro. Se pipetea
al aparato 50 mls. de disolvente (benceno). Se debe tener la precaución de anotar la temperatura del
laboratorio en ese momento. Tanto el recipiente de vidrio en el que se vierte el benceno como la pipeta deben
estar absolutamente secos. En su interior se introduce la termómetro, también bien seca. Se puede enfriar
previamente el disolvente sumergiéndolo directamente en la mezcla frigorífica hasta que su temperatura sea
del orden de 15 ºC. Debe tomarse la precaución de que el termómetro no toque ni el fondo ni las paredes del
recipiente de vidrio que
contiene al benceno.
Se agita suave pero
continuamente
el
disolvente durante toda la
determinación del punto
de congelación. Se lee y
anota la temperatura
cada 20 segundos. El
disolvente
puro
constituye un sistema de
un solo componente y,
por consiguiente, hay una
temperatura única a la
cual pueden coexistir en
equilibrio sólido y líquido.
Probablemente
tendrá
lugar
un
ligero
sobreenfriamiento (ver figura) ya que la cristalización no comienza hasta que la temperatura haya descendido
un poco por debajo de la del punto de solidificación, esto es, la disolución se sobre enfría, pero una vez tiene
que lugar la formación de núcleos cristalinos, el calor latente de cristalización tiende a elevar la temperatura
hasta un valor constante, que indica que sobreviene la congelación. Una vez concluido el proceso, se saca del
hielo el matraz, se funde el disolvente calentándolo con la mano sin la camisa hasta unos 12ºC y se repite la
experiencia.
Con el disolvente nuevamente en estado líquido, se introduce en él una muestra de soluto (naftaleno) cuyo
peso exacto, con cuatro cifras decimales, debe anotarse y estar comprendido entre 0.2900 y 0.3100 gramos.
Una vez disuelta la muestra se determina el punto de congelación de la disolución de la misma manera que
para el disolvente puro.
Al contrario que el disolvente puro, la disolución no tiene por qué dar un punto de congelación constante, ya
que a medida que congela el benceno, la disolución remanente va aumentando su concentración, con lo que
la solidificación de más benceno desde esas disoluciones de creciente concentración va siendo diferente. Este
descenso continuaría hasta que se alcance el punto eutéctico, temperatura a la que se solidifica la disolución
entera. Sin embargo, ese progresivo descenso de la temperatura de congelación es muy lento y nosotros nos
quedaremos con el primer patrón de temperatura, que nos indica la congelación del benceno desde la
disolución que nosotros hemos preparado. Repetir también la experiencia con la disolución, operando como lo
hemos hecho con el disolvente.
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MC. Rosalba Patiño Herrera
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Se representarán las curvas de enfriamiento obtenidas, para observar la forma de estas curvas y comprobar la
existencia de sobreenfriamiento en la curva de la disolución. Se obtendrá un valor medio de los descensos
crioscópicos obtenidos y se calculará el peso molecular con ayuda de la ecuación correspondiente. Para
calcular la masa de disolvente empleado tendremos en cuenta los c.c. pipeteados y la densidad del mismo a la
temperatura existente en el laboratorio cuando aquel se pipeteó.
Si se emplea benceno, su densidad en g/ml. a t grados centígrados cumple la ecuación:
ρ = 0.879 − 0.001(t − 20)
Si se emplea otro disolvente, consultar el Handbook. Calculada la masa molecular es interesante que el
estudiante repita el cálculo variando el descenso crioscópico en una centésima de grado (el mínimo error
esperable en la determinación de la temperatura) y así comprobar la precisión en la masa molecular
determinada.
Interpretación de resultados
1. Informa el punto de congelación de la solución.
2. Indica el descenso crioscópico observado en esta solución.
3. Calcula la molalidad de la solución que preparaste.
4. Calcula el descenso crioscópico teórico para la solución preparada.
Propuesta para discusión
1. ¿Qué son propiedades coligativas de las soluciones?
2. Cita tres ejemplos de propiedades de las soluciones que no dependan del tipo de partículas de soluto.
3. ¿Qué es la molalidad de una solución?
4. ¿Qué sucede con el potencial químico de una sustancia líquida pura cuando se le agrega un soluto no
volátil?.
5. ¿Qué consecuencias trae esto sobre las propiedades del disolvente?.
6. ¿Qué sucede con las propiedades coligativas si el soluto no volátil agregado es de naturaleza iónica?.
7. ¿Qué es la constante crioscópica y como se calcula?.
8. ¿Cuál expresión matemática relaciona la masa molar del soluto con el abatimiento de la temperatura de
congelación del disolvente?.