UNIDAD I Semana 2 PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS QUÍMICA II PROF. CLARA FIGUEROA C. Las principales propiedades del estado líquido son: • Viscosidad • Tensión superficial • Acción capilar • Evaporación • Condensación • Presión de vapor • Punto de ebullición VISCOSIDAD: ¿Qué es? Es la resistencia de un líquido a fluir. A mayor viscosidad mayor resistencia a fluir (ej. la miel es más viscosa que el agua, pues posee más resistencia a fluir). Se manifiesta solo en líquidos en movimiento, ya que en reposo solamente actúa la gravedad (g) ¿De qué factores externos depende? • La viscosidad es característica tanto de los gases como de los líquidos, aunque éstos presentan coeficientes de viscosidad mucho más altos que los gases. • Los coeficientes de viscosidad en la mayoría de los casos disminuyen al aumentar la temperatura, ya que la mayor energía cinética de las moléculas les permite superar las fuerzas intermoleculares. • La presión tiene poca o nula incidencia dado que es un estado condensado. • En los líquidos el factor dominante para determinar la viscosidad es la interacción molecular. Propiedades de los líquidos Viscosidad es una medida de la resistencia de los líquidos a fluir.La viscosidad vendría a ser algo así como el grado de " pegajosidad " que tiene un líquido, es el rozamiento que tienen los líquidos. Fuerza intermolecular fuerte Alta viscosidad ¿Cómo influyen las fuerzas intermoleculares? Las sustancias con fuerzas intermoleculares mayores serán más viscosas. Las sustancias con posibilidad de formar puentes de hidrógeno tienen altas viscosidades (glicerina). El incremento de tamaño y área superficial de las moléculas aumenta las fuerzas de London y en consecuencia la viscosidad. Cuanto más largas son las moléculas más difícil les resulta fluir. Ejemplo de la viscosidad de la leche y el agua. Líquidos con altas viscosidades no forman salpicaduras. (www.wikipedia.com) TENSION SUPERFICIAL Es el fenómeno por el cual la superficie de un líquido se comporta como una pequeña película elástica. Puede representarse como la cantidad de energía necesaria para aumentar la superficie de un líquido por unidad de área. A nivel microscópico se debe a que las moléculas del interior están sometidas a distintas fuerzas que las de la superficie. La tensión superficial puede afectar impidiendo, por ejemplo, el hundimiento de un clip en el agua. ¿A que se debe este efecto? • Las moléculas del interior son atraídas en todas las direcciones por las fuerzas intermoleculares. • Las moléculas de la superficie son atraídas por las moléculas vecinas hacia los costados y hacia adentro. Estas atracciones hacia el interior provocan que la superficie se tense como una película elástica. • Los sistemas tienden a estar en el estado energético mas bajo posible. Como las moléculas del interior del líquido tienen menor energía promedio, el sistema tiende a bajar su energía disminuyendo el número de moléculas en la superficie. Tensión superficial es la cantidad de energía necesaria para estirar o aumentar la superficie de un líquido por unidad de área • Fuerza intermolecular grande • Alta tensión superficial ACCION CAPILAR Se denomina de esta manera al ascenso de un líquido a través de un tubo de pequeño diámetro (capilar) que está sumergido en aquel. Actúan fuerzas: Cohesivas, entre moléculas semejantes Adhesivas, entre moléculas diferentes Ejemplos de acción capilar Debido a la acción capilar el agua sube por los intersticios de un terrón de azúcar o sobre un trozo de papel secante. Es en parte también gracias a este efecto que el agua puede subir a través de los conductos de una planta para transportar nutrientes. • Cohesión es una atracción intermolecular entre moléculas semejantes • Adhesión es una atracción entre moléculas distintas Adhesión Cohesión PRESION DE VAPOR Las partículas de la superficie de un líquido tienden a escapar si logran vencer la atracción del resto. Algunas partículas tienen más energía cinética y velocidad que el promedio; son éstas las que pasan al estado gaseoso. El valor de la presión de vapor de un líquido depende de la temperatura. Al aumentar la T, aumenta la velocidad de evaporación y el sistema tiende a volver al equilibrio, aumentando la cantidad de moléculas que condensan. PRESION DE VAPOR • Con el aumento de T se alcanza un nuevo valor de presión de vapor, más elevado puesto que hay más moléculas en el vapor. • El valor de la presión de vapor a una T dada es una característica propia de cada líquido. Variación de la presión de vapor de éter, benceno y agua con la temperatura ACTIVIDAD Cuál de los enunciados siguientes es incorrecto? • La presión de vapor está determinada por un equilibrio dinámico entre el líquido y el vapor. • Los líquidos volátiles tienen fuerzas intermoleculares relativamente débiles. • Cuando más intensas son las fuerzas intermoleculares, tanto mayor es la presión de vapor. • La presión de vapor aumenta con la temperatura. • Cuanto mayor es la temperatura, más probable es que una molécula tenga la energía suficiente para escapar a la fase gaseosa Punto de ebullición El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión externa. El punto de ebullición normal es la temperatura a la cual un líquido hierve cuando la presión externa es 1 atm. PUNTO DE EBULLICION • Cuando se suministra calor a un líquido en su p. de eb. la T permanece constante. Todo el calor suministrado se emplea para vencer las fuerzas de cohesión del líquido para formar vapor. • El punto de ebullición varía en forma directamente proporcional a la presión externa a la que está sometido el líquido. • El punto de ebullición es una de las constantes físicas que caracterizan a las sustancias. • Las diferencias entre los p. de eb., a una T dada, se debe a las diferencias en las fuerzas cohesivas de distintos líquidos. Transferencia de calor y cambios de estado Para alcanzar el punto de ebullición de un líquido debe suministrarse calor. Frecuentemente se trabaja a presión constante (p. atmosférica). El Calor molar de vaporización o Entalpía de vaporización H vap es la cantidad de calor, a presión constante, que se debe suministrar a un mol de líquido en su punto de ebullición para transformarlo en vapor sin que cambie la temperatura. Las unidades que se emplean son kJ/mol ó kc/mol. Si los valores de H son >0, el proceso es endotérmico, el sistema absorbe calor del medio, Por el contrario el proceso es exotérmico cuando libera calor al medio y H es <0. Calores de vaporización, puntos de ebullición y presiones de vapor de algunos líquidos Líquido P.eb. H vap en P.eb. (torr 20 °C) (en °C a 1 atm) (kJ/mol) Pvap PM Agua 18,0 17,5 100 40,7 Etanol 46,1 43,9 78,3 39,3 Benceno 78,1 74,6 80,1 30,8 Dietil éter 74,1 442.2 34,6 26,0 Tetracloruro de Carbono 153, 8 85,6 76,8 32,8 197,3 58,9 Etilen glicol 67,1 0,1 ¿Qué sucede al condensar el vapor? La condensación es el proceso inverso a la evaporación. El calor de condensación de un líquido es igual en magnitud pero de signo opuesto al calor de vaporización. La vaporización siempre tiene para un líquido H >0, es un proceso endotérmico y la condensación es un proceso exotérmico (H <0). •REVISAR SEPARATA SOBRE PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS. •REVISAR LIBRO WHITTEN: pág.455-462 Propiedades coligativas de las soluciones • Las Propiedades Coligativas son propiedades universales de las soluciones y son: • · Descenso de la presión de vapor • · Ascenso del punto de ebullición • · Descenso crioscópico • · Presión osmótica La descripción de una disolución implica conocer sus componentes y sus cantidades relativas concentración. Es necesario recordar, algunas: Formas de expresar la concentración como: • Fracción molar (x), del soluto y del solvente • Molalidad (m) •Molaridad (M) ni mi k g d iso lvente PROPIEDADES COLIGATIVAS 1. DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN DE • • • • VAPOR (P) Podemos definir el descenso de la presión de vapor como la diferencia entre la presión de vapor del solvente puro y la de la solución. Lo podemos expresar de la siguiente manera: Pv = Pvo - Pvs Pv -- descenso de la presión de vapor Pvo -- presión de vapor del solvente puro Pvs -- presión de vapor de la solución PROPIEDADES COLIGATIVAS DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR (P) Solvente puro Molécula de solvente Molécula de soluto Solución Psolvente = Xsoluto P0solvente Ley de Raoult Xsoluto = fracción molar del soluto P0solvente = presión de vapor del disolvente puro PROPIEDADES COLIGATIVAS DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR (P) Ejemplo 1 - Calcule la presión de vapor de la siguiente solución a 50ºC: 98 moles de agua y 2 moles de sacarosa. La presión de vapor del agua a esta temperatura es 92,51 mmHg. Psolvente = Xsoluto P0solvente 2 x 92,51 = -------100 = 1,85 mmHg Esto significa que la presión de vapor del solvente puro ha disminuido en 1,85 mmHg, es decir, la presión de vapor de la solución es: 92,51-1,85 = 90,66 mmHg PROPIEDADES COLIGATIVAS PRESIÓN DE VAPOR (P)DE LA SOLUCIÓN O bien, Psolución = Xsolvente P0solvente 98 = ----------x 92,51 (98 + 2) = 90,66 mmHg Ejemplo 2 • Calcular la reducción en la presión de vapor causada por la adición de 100 g de sacarosa (masa molar = 342) a 1000 g de agua. La presión de vapor de agua pura a 25°C es 23,69 mmHg. 1. Se halla la fracción molar de soluto (XB): sacarosa: 342 g ----- 1 mol 100 g ----- X X = 0,292 moles agua: 18 g ----- 1 mol 1000 g ----- X X = 55,556 moles (0,292 moles) XB = ------------------------------=5,229 x 10 -3 (0,292 moles + 55,556 moles) 2. Cálculo de la disminución de la presión de vapor. PV = (23,69 mmHg) (5,229 x 10-3) PV = 0,124 mmHg Ejemplo 3: Para resolver El naftaleno C10H8, se utiliza para hacer bolas para combatir la polilla. Suponga una solución que se hace disolviendo 0,515 g de naftaleno ( Masa molar: 128,18) en 60,8 g de cloroformo CHCl3, calcule el descenso de la presión de vapor del cloroformo a 20°C en presencia del naftaleno. La p de v del cloroformo a 20°C es 156 mm Hg. Suponer que el naftaleno es no volátil comparado con el cloroformo. ¿Cuál es la presión de vapor de la solución? PROPIEDADES COLIGATIVAS 2. ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN (Tb) Ebullición Se forman burbujas y suben, ya que la Pv sobrepasa la P atm. Tb = Kbm Kb = constante molal de elevación del punto de ebullición (ºC/m) o constante ebulloscópica. m = molalidad Cualquier disminución en la presión de vapor -al agregar un soluto no volátil- producirá un aumento en la temperatura de ebullición. Se considera ascenso ebulloscópico a la diferencia entre la temperatura de ebullición de la solución y la del solvente puro. También podremos definir ascenso ebulloscópico molal, Te como la elevación del punto de ebullición de una solución 1 molal de un soluto no volátil en el solvente, comparado con el punto de ebullición del solvente puro Podemos escribir la ecuación del ascenso ebulloscópico molal, como: Te =ke. m Donde: ke es la constante ebulloscópica y es característica de cada solvente – no depende de la naturaleza del soluto y m es la concentración molal del soluto. Si queremos calcular la Temperatura de ebullición de una solución a la presión atmosférica : T e = Tes + T e Te = temperatura ebullición de la solución Tes = temperatura de ebullición del solvente T e = ascenso ebulloscópico PROPIEDADES COLIGATIVAS ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN (Tb) Ejemplo 1 - Calcule el punto de ebullición de la siguiente solución: 100 g de agua y 10 g de glucosa. Kb H2O = 0,512 ºC/m. PMglucosa = 180 g/mol. Tb = Kbm 10 Tb = 0,512 x ---------------0,1 x 180 = 0,29ºC Si el punto de ebullición del agua pura es 100ºC, significa que el punto de ebullición de la solución es (100 + 0,29) = 100,29ºC • Ejemplo 2. Calcular el punto de ebullición de una solución de 100 g de anticongelante etilenglicol (C2H6O2) en 900 g de agua (Keb = 0,52 °C/m). Aplicamos las ecuaciones: Teb = Teb-Tºeb Teb = Keb m Moles de soluto X Molalidad X : = : = Ecuación 1 Ecuación 2 62 g ----- 1 mol 100 g ----- X 1,613 moles de soluto 1,613 moles ----- 900 g de solvente X ----- 1000 g de solvente 1,792 molal Aplicando la ecuación 2, tenemos: Teb = Keb m Teb = (0,512 °C/molal) (1,792 molal) Teb = 0,9319 °C Aplicando ecuación 1, tenemos: Teb = Teb Tºeb 0,9319 °C = Teb 100 °C Teb = 100,9319 °C Para una solución ideal: Si los componentes son los líquidos A y B: Psolución = P°A XA + P°B XB Psolución : Presión de la solución ideal P°A y P°B : Presiones de vapor de A y B puros XA y XB : Fracciones molares de A y B ... aplicación • Una solución líquida consiste en 0,35 fracciones mol de dibromuro de etileno, C2H4Br2, y 0,65 fracciones mol de dibromuro de propileno, C3H6Br2. Ambos son líquidos volátiles; sus presiones de vapor a 85°C son 173 mm Hg y 127 mm Hg, respectivamente. Calcule la presión de vapor total de la solución. PROPIEDADES COLIGATIVAS DISMINUCIÓN DEL PUNTO DE CONGELACIÓN (Tc) Tc = Kcm Kc = constante molal de disminución del punto de congelación o constante crioscópica (ºC/m) m = molalidad Algunas propiedades de disolventes comunes I Solvente Agua Benceno Alcanfor Fenol Ac. Acético CCl4 Etanol Pe (°C) Kb (°C/m) Pf(°C) 100,0 80,1 207,42 182,0 118,1 76,8 78,4 0,512 2,53 5,61 3,56 3,07 5,02 1,22 0,0 5,48 178,4 43,0 16,6 - 22,3 - 114,6 Kf (°C/m) 1,86 5,12 40,00 7,40 3,90 29,8 1,99 PROPIEDADES COLIGATIVAS DISMINUCIÓN DEL PUNTO DE CONGELACIÓN (Tc) Ejemplo 1. - Calcule el punto de congelación de la siguiente solución: 500 g de agua y 100 g de sacarosa. Kc H2O = 1,86 ºC/m. PMsacarosa = 342 g/mol. Tc = Kcm 100 Tc = 1,86 x -------------0,5 x 342 Tc = 1,09ºC Si el punto de congelación del agua pura es 0ºC, significa que el punto de congelación de la solución es (0 – 1,09) = -1,09ºC • Ejemplo 2. Calcular el punto de congelación de una solución de 100g de anticongelante etilenglicol (C2H6O2), en 900 g de agua (Kc = 1,86 °C/molal) Aplicamos ecuaciones: Tc = Tc = T°c Kc m - Tc Ecuación 1 Ecuación 2 la molalidad de la solución que podemos calcular a partir de los siguientes datos: Moles de soluto : 62 g ----- 1 mol 100 g ----- X X = 1,61 moles de soluto Molalidad : 1,61 moles ----- 900 g de solvente X ----- 1000 g de solvente X = 1,79 molal Aplicando ecuación 2, tenemos: Tc = Kc m Tc = (1,86 °C/molal) (1,79 molal) Tc = 3,33 °C Aplicando ecuación 1, tenemos: Tc = T°c -Tc 3,33 °C = 0° -Tc Tc = - 3,33 °C PROPIEDADES COLIGATIVAS Estas propiedades permiten calcular el PM de compuestos Ejemplo 3: Si se disuelven 7,08 g de un compuesto en 125 g de CCl4, se observa una variación en el punto de congelación de 10,4 ºC. Determine el PM del compuesto. Kc del solvente = 29,8. msoluto T = Kc x m = Kc x ------------------msolvente x PM msoluto PM = Kc x ------------------- = 29,8 x 7,08 msolvente x T 0,125 x 10,4 PM = 162,3 g/mol PROPIEDADES COLIGATIVAS PRESION OSMÓTICA Moléc. pequeña Moléc. grande membrana PV = nRT P = nRT P = CRT V C = concentración, generalmente Molaridad R = constante de los gases = 0,082 atm.L/mol K T = temperatura PRESIÓN OSMÓTICA > P Agua pura Disolución Osmosis Normal PRESIÓN OSMÓTICA P > Agua pura Osmosis inversa P Disolución PROPIEDADES COLIGATIVAS PRESION OSMÓTICA Ejemplo 1 - Calcule la presión osmótica a 27ºC producida por una solución acuosa de sacarosa, cuya concentración es de 18 g/L. PMsacarosa = 342 g/mol. P = MRT 18/342 x 0,082 x 300 P = ----------1 P = 1,29 atm. Ejercicios de Propiedades Coligativas 1. Calcular los puntos de ebullición y de congelación de una solución de sacarosa 0,5 molal. Los valores de las constantes son respectivamente, Kb = 0,512 y Kc =1,86. 2. Determinar el peso molecular de una sustancia sabiendo que una solución que contiene 0,5 g de ella en 186 g de agua congelada a –0,11 ºC. Kc agua = 1,86. 3. Una solución acuosa de una sustancia orgánica que contiene 96 g de soluto por litro, tiene una presión osmótica de 0,474 atm. a la temperatura de 0 ºC. Calcular el peso molecular del soluto. Ejercicios de Propiedades Coligativas 4. Una solución anticongelante de glicerina C3H8O3, (PM = 92 g/mol), se diluye en agua, obteniéndose una solución que contiene un 40 %p/v de glicerina. La densidad de la solución es 1,099 g/mL, Kc H2O = 1,86 ºC/m, KbH2O = 0,512 ºC/m y la presión de vapor del agua a 25ºC es de 42,2 mm Hg. Con la información entregada, determine: a) Fracción Molar de glicerina y agua b) Presión de vapor del agua en la solución a 25ºC c) Molalidad de la solución d) Aumento del punto de ebullición del solvente e) Descenso del punto de congelamiento del solvente f) Molaridad de la solución d) Presión Osmótica de la solución APLICACIONES COLIGATIVAS DE LAS PROPIEDADES Los fenómenos de desecación y liofilización en el laboratorio se ven favorecidos por la disminución de la presión de vapor. Si queremos desecar una solución, la colocamos en un ambiente cerrado al lado de otra solución que tenga una presión de vapor muy baja (agente desecante). Como hay una tendencia a que ambas soluciones se equilibren, la solución evapora agua que se condensa sobre el agente desecante o es absorbida por este último. Si quisiéramos que este proceso sea más rápido se puede aplicar vacío. · Otros ej: Durante el invierno se esparce sal sobre las carreteras en las latitudes septentrionales, para evitar la formación de hielo, con sus nefastas consecuencias, ya que la sal disminuye el punto de fusión de la nieve fundida (descenso crioscópico). · Los químicos orgánicos pueden juzgar la pureza de un compuesto controlando su punto de fusión, que será menor que el normal, si contiene impurezas. Esto se usa en el laboratorio por ejemplo para evaluar la pureza del ácido acético. · •SEPARATA DE EJERCICIOS DE PROPIEDADES COLIGATIVAS. •Whitten: 512- 531
