punto de ebullición y punto de fusión

Universidad de PamplonaPamplona - Norte de Santander - Colombia

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PROPIEDADES FÍSICAS.

PUNTO DE EBULLICIÓN Y PUNTO DE FUSIÓN

Sosa P. Julio E.; Quiñones Marie Helena; Maldonado A. Jenny Y.

Química OrgánicaIngeniería química

Facultad de Ingenierías y Arquitectura. Universidad de Pamplona, Pamplona, Norte de Santander, Colombia.

Abstract: The present practice is to evaluate the melting point of benzoic acid and ethanol boiling point following the methodology of work. For each compound the chemical and physical properties of them were considered, because these data are used to correct the temperature considering Pamplona atmospheric pressure. With a practical assembly, obtaining experimental values which corroborate the theory, resulting in a corrected temperature 72.2˚C boiling ethanol, and 80˚C to perform direct measurement was achieved. Melting point 124˚C benzoic acid with melting range 3˚C and identifying a sample is studied using the temperature change from solid to liquid as a reference for determination.

Keywords: Melting point, Boiling point, Temperature, Atmospheric Pressure, String of Bubbles

Resumen: La presente práctica consistió en evaluar el punto de fusión del ácido benzoico y el punto de ebullición del etanol siguiendo la metodología de trabajo. Para cada compuesto se consideraron las propiedades químicas y físicas de ellos, debido a que estos datos se utilizan para corregir la temperatura teniendo en cuenta la presión atmosférica de Pamplona. Con un montaje práctico, se logró la obtención de valores experimentales los cuales se corroboraron con la teoría, resultando una temperatura de ebullición corregida del etanol de 72.2˚C, y de 80˚C al realizar su medición directa. Se estudió el punto de fusión del ácido benzoico a 124˚C con un rango de fusión de 3˚C y también la identificación de una muestra problema usando la temperatura del cambio de estado sólido a líquido como referencia para su determinación.

Universidad de Pamplona1

Palabras clave: Punto de fusión, Punto de ebullición, Temperatura, Presión Atmosférica, Rosario de Burbujas.



INTRODUCION

El punto de ebullición de una sustancia en estado sólido cambia a estado gaseoso. El punto de ebullición varía con diferentes líquidos, mientras que cambia con la cantidad de presión atmosférica a la que éste se expone.

Fig. 1 burbujeo o rosario

“Las burbujas pueden formarse y ascender ya que la presión del vapor puede superar a la presión atmosférica”. En la imagen podemos ver que las burbujas, al encontrarse en un ambiente con igual presión a la presión atmosférica, tienden a dejar el espacio anteriormente ocupado.

El punto de ebullición se denomina temperatura normal de ebullición al nivel del mar, en grandes alturas, donde el vapor del aire es ligero, los líquidos bullen más lento. Es importante resaltar que si se tiene una sustancia la cual bulle a una temperatura determinada, esta misma sustancia necesitará un valor menor de temperatura para bullir si se encuentra en un punto más alto, geográficamente hablando [1] [2].

El punto de fusión de un sólido es la temperatura a la cual éste cambia de estado sólido a estado líquido a presión atmosférica. En el punto de fusión, se dice que tanto el estado sólido como el líquido, se encuentran en equilibrio [3].

Fig. 2. punto de fusión

En la anterior figura se puede apreciar un claro ejemplo de punto fusión, el cubo de hielo que es la forma sólida del agua que se conoce, al alcanzar un valor predeterminado de temperatura, comienzo a derretirse, o bien, a fusionarse. En este momento, los átomos que componen la materia y la estructura de la sustancia, van perdiendo cada vez más y más su forma, dando lugar así a un estado indefinido de materia a lo que llamamos estado líquido.

El punto de fusión de una sustancia depende de la presión y es usualmente especificada como presión normal. Cuando nos referimos a la temperatura del cambio invertido entre el estado líquido y el estado sólido, hablamos de punto de cristalización, punto de congelación o bien, punto de solidificación [4].

A continuación, se explicará cuál fue el procedimiento con el que se llevó a cabo la práctica de laboratorio, el cual consta de dos montajes, uno para la determinación del punto de ebullición y otro para la determinación del punto de fusión. En ambos casos, se utilizaron reactivos y compuestos, éstos fueron manipulados con las debidas normas de seguridad, tanto exigidas por el laboratorio como por el docente a cargo de la práctica.

METODOLOGIA

Determinación del punto de ebullición

El primer montaje consta de un soporte universal con anillo de fierro, malla de asbesto, vaso de precipitados de 150 mL, un tubo de ensayo, un termómetro, cinta de enmascarar, un capilar y un mechero de Bunsen.

El montaje se realizó de la siguiente manera:




Fig. 3. Montaje para el punto e ebullición

Dentro del vaso de precipitado se insertó el tubo de ensayo, el cual contenía etanol, en este primer caso; Así mismo, se introdujo el termómetro dentro del tubo de ensayo con un capilar atado a éste con alambre de cobre. Dicho capilar estaba sellado en su parte superior y se dejó abierto en su parte inferior.

Luego, se sometió vaso de precipitado fuego gradual, poniendo en funcionamiento el mechero de Bunsen por debajo de la malla de asbesto. Al pasar unos cuantos minutos, se pudo observar un rosario de burbujas, en ese momento se alejó el fuego del sistema y se vio la temperatura a la cual estaba el termómetro, esta se anotó como Ta; luego de unos cuantos segundos, el líquido comenzó a subir por el capilar y se procedió a tomar el dato de temperatura como Tb.

Determinación del punto de fusión

La segunda parte de la práctica fue la determinación del punto de fusión de las sustancias propuestas por la docente a cargo. Se elaboró un segundo montaje correspondiente al punto de fusión. Para ello se necesitó, soporte universal con anillo de hierro, malla de asbesto. Se realizó para el ácido benzoico (C6H5COOH) y una muestra problema.

Fig. 4. Montaje para punto de fusión.

Se puede observar la distribución de los utensilios, teniendo en cuenta que en la práctica se reemplazó el tubo Thiele por un vaso de precipitados de 150 mL.Se tomó un capilar, se procedió a sellar con fuego por uno de sus extremos; luego de sellado se le adiciono una pequeña cantidad de ácido benzoico; se colocó el vaso de precipitado sobre la malla de asbesto, conteniendo éste, 50 mL de glicerina aproximadamente, la cual actuó como aceite mineral. Posteriormente, se introdujo el termómetro, se ató con el extremo abierto en su parte superior y el extremo sellado en su parte inferior con el fin de calentar la sustancia contenida en el capilar, se expuso el montaje al fuego encendiendo el mechero de Bunsen situándolo justo en el brazo del tubo Thiele (como se observa en la figura 4), después de unos cuantos minutos se pudo observar cómo el sólido perdía su forma y comenzó a formarse una especie de cristales que poco a poco fueron desapareciendo, en ese momento se anotó la temperatura cuando empezó a fundirse y otro valor cuando estaba fundida por completo el sólido.Así mismo fue el montaje de la muestra problema 2 que fue dada por el docente en el laboratorio para determinar su punto de fusión y conocer qué tipo de sustancia es.

RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Determinación del punto de ebullición




Se buscó identificar la temperatura de ebullición del etanol, para ello se utilizó un tubo pírex que contenía en su interior un tubo capilar con el fin de facilitar la observación del fenómeno (rosario de burbujas). La sustancia se encontraba inicialmente a una temperatura de 22 °C, luego de aplicar un calentamiento progresivo se generó la primera burbuja, a partir de la cual se mantuvo especial cuidado con el fin de observar cuidadosamente la temperatura del líquido al momento de darse la cadena de burbujas (Ta), la cual se empleó como indicador del proceso de cambio de estado, suspendiendo de inmediato el calentamiento. Esto ocurre porque la presión atmosférica del aire contenido dentro del tubo capilar se acerca a la presión del vapor de etanol, y por diferencia de presiones el aire sale hacia la atmósfera en forma de burbujas. Cuando el aire sale completamente del capilar, significa que la presión del vapor de etanol se ha igualado a la presión atmosférica local, registrando el valor de temperatura a la cual el líquido ascendió por completo por el tubo capilar(Tb). Estos valores se muestran a continuación.

Tabla 1. Resultados obtenidos para el Etanol

Compuesto

Formula estructural

Punto de ebullicio

n

Ascenso por el capilar

Etanol

C2H6O78° C 82°C

Para determinar el valor de la temperatura usado como experimental, se realiza un promedio de las temperaturas registradas en la tabla anterior, así:

T=Ta+Tb2

=78+822

=80℃

La temperatura de ebullición normal se halla usando la siguiente expresión:

Tbn=(Rln ( P ˳ )∆ Hvap

+ 1T ˳

)−1

[1]

Donde ∆ Hvap es la entalpía de vaporización del Etanol; T ˳ es el valor experimental de la temperatura de ebullición; R es la constante para los gases ideales y P ˳ es la Presión de vapor del etanol a la temperatura experimental dada, calculada por la ecuación de Antoine como sigue:

log 10 P ˳=A+ BT +C [2]

Para el etanol, los valores de las constantes de Antoine son:

log 10 P ˳=8.20417+ 1648.22T+230.918

Para T=80℃, P ˳=799.88 mmHg=1.0525 atm

Reemplazando este valor en la ecuación 1, tomando R=8.314 J/mol y T ˳ =80℃,

Tbn=(8.314 J

molln (1.0525 )

38600 J /mol+ 1

353.15 K)

−1

Al hacer los cálculos correspondientes se obtuvo una temperatura de ebullición normal de:Tbn=351.78 KTbn=78.63 ℃CORRECCION DEBIDO A LA PRESION

Tabla 2. Factores de corrección del punto de ebullición por cambios en la presión.

Y=A+BX




Realizando la regresión lineal de los datos dados en la Tabla 1 para compuestos polares como el Etanol, se obtuvo la curva de calibración de la temperatura ante variaciones de presión atmosférica:

Y=0.27+0.001 X

Fig. 5. Curva de Calibración de la Temperatura según la presión.

Donde X es el valor experimental de la temperatura T=80℃.

Obteniendo, Y=A=0.35℃.

La ecuación (3) permite corregir los valores del punto de ebullición obtenido teniendo en cuenta la presión atmosférica local (Pamplona=583 mmHg).

F . C .=∆ P∗A10 mmHg (3)

F .C .=(760∗583 ) mmHg∗0.3510 mmHg

F.C.=6.195℃.

Teb=T teórica – F.C.Teb=78.4℃. -6.195 ℃.Teb=72.2℃.

El etanol es un líquido asociado, cuyas moléculas se mantienen unidas por puentes de hidrógeno. Teniendo en cuenta esto se hizo uso de la constante para líquidos asociados K=0,00012, anteriormente se calculó la corrección de la temperatura de ebullición del etanol y conociendo la presión del medio que es de 583mmHg se calculó la corrección debido a la presión dando un valor ∆=7.3413. Estos cálculos se muestran a continuación:∆=K (760−P )∗T (4)

∆=0.00012 (760−583 )∗72.2℃ ∆=1.5335℃Luego este resultado se adicionó a la temperatura experimental dando un valor de 81.53°C que es una temperatura alta para una presión menor a 1 atm y que supera la temperatura de ebullición normal real.

Tabla 3. Temperaturas obtenidas para el Etanol Liquido

Polaridad

Teb normal, °C

Teb , °C(corregida)

Teb , °C(laboratorio)

Error* (%)

Etanol

Polar

81.53°C

72,2˚C

80˚C 10.8%

error=80 ° C−72,2° C72,2° C

x100=10.8 %

Con la corrección de la presión se obtiene una temperatura menor para el punto de ebullición del etanol, mientras que la temperatura experimental fue de 80 ˚C. Esta medida presenta un error porcentual de 10.8%, lo que es posible si la sustancia empleada para esta determinación presenta impurezas.

Determinación del punto de fusión

Tabla 4. Temperaturas de fusión obtenidas en la práctica

COMPUESTO

FORMULA ESTRUCTURAL

T1 T2

ACIDO BENZOICO

C6H5COOH121 °C

124 °C

MUESTRA PROBLEMA

2

118 °C

120°C

Se sostiene que, para sustancias puras, el cambio de estado de sólido a líquido ocurre en un rango pequeño de variación de temperatura de 0.5 °C. En esta práctica el punto de fusión del ácido benzoico fue de 124°C al ser sometido a un proceso gradual de calentamiento, específicamente en un intervalo de 121 a 124°C con un rango de fusión de 3°C. Dado esto se observó que el rango de fusión es mayor que lo previsto, lo cual permite deducir la posible muestra de impurezas en la muestra, que hacen que se presente un error porcentual de 1.64%, al tener un rango mayor de temperaturas de fusión.




Por otro parte, el punto de fusión de la muestra problema presentó un rango de fusión de 2°C al mantenerse en un intervalo de 118°C-120°C. Y de acuerdo a los puntos de fusión de las posibles sustancias analizadas, la ACETANILIDA es la sustancia con el valor de fusión más aproximado y cercano al registrado en el laboratorio al observar los diferentes puntos de fusión de las posibles muestras analizadas. También se puede argumentar que el punto de fusión de la sustancia no coincidió exactamente con los valores de la literatura por posibles impurezas en la muestra de ACETANILIDA.

CONCLUSIONES

En ésta práctica se pudo observar las propiedades físicas de sustancias orgánicas a través del fenómeno de punto de fusión, su comportamiento y utilidad para estudiar un compuesto determinado. A través de la muestra dada se pudo comprobar la pureza del ácido benzoico. Para analizar el punto de ebullición del etanol es necesario tener en cuenta factores como la presión atmosférica local y realizar la respectiva corrección para la temperatura obtenida. Cabe notar que hubo factores fisicoquímicos que pudieron afectar la exactitud de las mediciones lo que dificulta una buena determinación de las propiedades en estudio.

REFERENCIAS

[1] Fisicoquímica para Ingenieros Químicos. Parte II. Dr. JOSÉ JAVIER LÓPEZ CÁSCALES, Universidad Politécnica de Cartagena 30203, Cartagena, Murcia, 23 de abril de 2008.

[2] Revista Ingeniería e investigación. Vol26 1abril de 2006 (pag45-50).

[3] Levaduras y la fermentación alcohólica, QUIQUE COLLADO, 27 de noviembre de 2001. México.

[4] Historia de la Caña, azucares, aguardientes y rones Venezuela. JOSÉ ÁNGEL RODRÍGUEZ. 1ra edición: mayo de 2005. Caracas Venezuela.

ANEXOS

Anexo 1. Variación de la Temperaura con el Tiempo

Anexo 2. Variación de la Presión de Vapor con respecto a la Temperatura

Anexo 3. Montaje para determinación de Punto de Fusión




Anexo 4. Descripción del montaje para punto de ebullición


punto de ebullición y punto de fusión

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