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UNNE

FaCENA

QUIMICA GENERAL TEORÍA TRABAJOS PRÁCTICOS LABORATORIO

Carreras: • Profesorado en Ciencias Químicas y del Ambiente • Licenciatura en Ciencias Químicas • Bioquímica

2 QUIMICA GENERAL MATERIALES DE USO COMÚN 1-Vasos de precipitados: Se los conoce también como vasos de Berlín, pueden ser de forma alta (de Berzelius) o bajos (de Griffin), vienen de distintas capacidades, algunos tienen graduación, pero no son materiales volumétricos, los más convenientes para el uso corriente tienen pico para facilitar el vertido de líquidos y permitir la salida de gases y vapores cuando están tapados (con un vidrio de reloj por ejemplo). Se utilizan para calentar líquidos (si son de vidrio), preparar soluciones y en general como material auxiliar en muchos procedimientos comunes en el laboratorio. 2-Erlenmeyers: Son frascos o vasos cónicos, de base ancha y cuello angosto. Tienen muchas aplicaciones, se utilizan: para hervir líquidos, pues al tener mucha base tienen mucha superficie de calefacción y de esta manera se logra un rápido calentamiento; para preparar soluciones y en volumetría para hacer titulaciones ya que por su forma es fácil la agitación (tomándolo del cuello) sin temor de pérdidas por salpicaduras. 3-Embudos: Se utilizan para trasvasar líquidos y para el proceso de separación llamado filtración; para la realización de este procedimiento debe seleccionarse el mismo cuidadosamente, el ángulo del cono debe ser de 60°, el vástago no debe ser demasiado largo (de otro modo sería difícil mantenerlo lleno de líquido) y debe adelgazarse ligeramente en el extremo. 4- Matraces aforados: Son recipientes de fondo plano y con forma de pera que tienen un cuello largo y angosto con una línea fina grabada alrededor y que indica un cierto volumen de líquido contenido a una temperatura definida. Se utilizan para la preparación de soluciones (es un material volumétrico). 5-Probetas: son recipientes cilíndricos, graduados por vertido, de vidrio grueso y con pico, que se utilizan para medidas volumétricas aproximadas (es un material volumétrico). 6- Pipetas aforadas: Son tubos cilíndricos de vidrio, mas anchos en la parte media y angostados en los extremos abiertos, pueden tener uno o dos anillos grabados (aforos) en sus extremos, sirven para emitir un determinado volumen de líquido (es un material volumétrico). 7-Pipetas graduadas: Son tubos cilíndricos, de vidrio, graduados, abiertos en ambos extremos, con los que se puede medir distintos volúmenes de líquido (es un material volumétrico). 8-Buretas: Son tubos largos, graduados, de calibre uniforme, provistos en su extremo inferior de una llave o robinete que regula la caída del líquido. Es un material que se utiliza para medir cantidades variables de líquido y por esta razón se subdivide en muchas divisiones pequeñas. Para usarlas se las sujeta mediante una pinza a un soporte universal, (es un material volumétrico). 9-Probetas gasométricas: son tubos cilíndricos de vidrio, graduados y cerrados en un extremo. Se utilizan para la recolección y medición de volúmenes de gases en cubas hidroneumáticas 10-Tubos de ensayo: Se fabrican de distintas dimensiones y materiales (vidrio-plástico). Para sostenerlos se emplean según los casos, pinzas o gradillas. 11- Balones: Son frascos que se utilizan para el calentamiento de líquidos. Estos matraces pueden ser de fondo redondo o de fondo plano. 12-Balones de destilación: Son frascos de fondo redondo que se caracterizan por tener una tubuladura lateral, se utilizan en la destilación y cuando se desea recoger el gas producido en una reacción química. 13-Condensadores Liebig: Comúnmente llamados tubos refrigerantes, consisten en un tubo largo rodeado de otro tubo concéntrico, de mayor diámetro por donde se hace circular agua corriente; se utilizan en las destilaciones donde el vapor que circula en el tubo central se condensa por la acción de la refrigeración producida por el líquido que constantemente se renueva.

3 14-Tubos se seguridad: Son embudos de vidrio con vástagos largos, se los utiliza en equipos productores de gases, introducido dentro de un tapón perforado sirve de tapa a balones con salida lateral, al extremo del vástago se le introduce en un tubito que con el agregado de líquido por el embudo superior produce un cierre hidráulico. Permite el agregado de reactivos líquidos 15- Frascos lavadores de gases: Constan de dos partes, una inferior que es el frasco propiamente dicho y contiene los líquidos de lavado y la tapa, que generalmente es esmerilada, contiene los tubos: el de entrada que se prolonga hasta el fondo del frasco - lo que permitirá que el gas entrado burbujee en el líquido - y el de salida. 16-Aparato de Thiele: Es un tubo de vidrio con una tubuladura lateral en forma de codo. Se lo utiliza para la determinación de puntos de fusión. Dado la forma que tiene este aparato asegura una calefacción uniforme a través de corrientes de convección del líquido utilizado como baño de calefacción 17-Kitasatos: Son frascos de forma semejante a los erlenmeyers, pero fabricados en vidrios de mayor espesor y con una tubuladura o ramificación en el cuello que permiten conectarlo a un productor de vacío. Se usan para filtrar al vacío, colocándoles, por medio de un tapón de goma, un embudo de Buchner. 18-Trompas de vacío: Se fabrican de vidrio o metal. Una corriente de agua que entra por la parte superior al salir por el estrechamiento final del tubo aumenta la velocidad, reduciendo por lo tanto la presión, y ejerciendo una fuerza de succión por el tubo lateral unido al recipiente donde queremos hacer el vacío. La trompa se une a la cañería de agua mediante un tubo de goma especial. Se emplean para producir relativamente poco vacío, unos 10 a 14 mmHg. 19- Ampollas de separación o decantación: Son recipientes con forma de pera con un vástago provisto de una llave esmerilada, se usan para separar líquidos inmiscibles. 20-Cristalizadores: Son recipientes de forma cilíndrica, con base plana, de poca altura y con un gran diámetro, por lo que su superficie abierta es grande. Se usan principalmente para evaporar rápidamente el líquido de una solución, facilitando la cristalización del soluto. 21-Vidrios de reloj: Son vidrios cóncavos de forma circular, de diversas aplicaciones en el laboratorio, por ejemplo: contener sustancias para pesar o evaporar, tapar vasos de precipitados etc. 22- Tubo en "U" para secar: Como su nombre lo indica es un tubo curvado en forma de “U” que en la parte superior de ambos ramales posee tubuladuras laterales. Se lo utiliza para secar gases con sustancias sólidas ávidas de agua, poniéndose éstas en forma granulada dentro del tubo. 23- Desecadores: Son recipientes grandes de vidrio que se usan para mantener en ambiente seco materiales afectables por la humedad. Poseen dos compartimientos, uno superior donde se colocan los materiales o sustancias que deben permanecer en atmósfera seca y uno inferior para el desecante; ambos están separados por una placa de porcelana con orificios donde se apoyan o introducen los crisoles. La tapa, de borde esmerilado, se ajusta perfectamente y para sacarla es necesario hacerla deslizar horizontalmente. El borde esmerilado de la tapa y del desecador se cubren ligeramente con vaselina o una grasa especial para asegurar un buen cierre y un fácil deslizamiento. Algunas sustancias deben desecarse al vacío es por eso que algunos desecadores poseen en la tapa una llave que permite la conexión con alguna fuente de vacío. Se usan para cargar desecadores sustancias que tienen la propiedad de absorber fuertemente vapor de agua por ejemplo cloruro de calcio anhidro, ácido sulfúrico concentrado, y gel de sílice (posee un indicador de humedad azul: anhidro y rojo: hidratado), entre otros. 24-Termómetros: Se utilizan para la medición de temperaturas. Los más comunes son tubos graduados de vidrio que en su parte inferior tienen un depósito de mercurio que se prolonga en un capilar interno, al aumentar la temperatura el mercurio se expande en el depósito y se observa como asciende por la columna graduada 25- Crisoles: Son recipientes que se utilizan para someter sustancias a altas temperaturas, para el uso común en el laboratorio son de porcelana, pero los hay otros materiales (cobre, níquel, platino, hierro, cuarzo, etc.),

4 tienen fondo plano y mayor diámetro en la parte superior, se los utiliza para calcinar precipitados y calentar pequeñas porciones de sólidos. 26- Cápsulas de porcelana: Son recipientes poco profundos, con pico y de forma redondeada, se utilizan para evaporaciones y ebulliciones. 27- Mortero y pilón: Los de uso común en los laboratorios de Química General e Inorgánica son de porcelana, pero existen de hierro, vidrio, ágata, etc. Constan de un recipiente redondeado, que es donde se ubica la sustancia a moler y de un pilón. La trituración de las sustancias sólidas es conveniente ya que de esta manera se aumenta enormemente la superficie de contacto y por ello las reacciones químicas se pueden llevar a cabo más rápidamente. 28-Embudos Buchner: Son de porcelana. La parte superior es cilíndrica y termina en una placa perforada sobre la cual se coloca un disco de papel de filtro; debajo de la placa perforada toma forma cónica que termina en vástago el que se introduce en un tapón perforado que se ajusta a un kitasato. Se utilizan para filtraciones al vacío. 29-Aros metálicos: Como su nombre lo indica son aros, generalmente de hierro, soldados a un tubo del mismo material, que en su extremo tienen una agarradera por la que pueden ser sujetados a un soporte universal. Sirven de soporte a balones u otros materiales componentes de un equipo. 30-Agarraderas: Se fabrican de hierro y constan de dos partes prensiles, una para sujetarse al soporte universal llamada nuez que permite sujetar la pinza a la barra del soporte universal y debe colocarse con su parte cóncava hacia abajo, de manera que, en caso de aflojarse accidentalmente, el vástago de la pinza queda apoyado en la nuez evitando así el riesgo de caída de la pinza y del material que sujeta y otra parte denominada pinza que sirve para sostener balones, tubos, etc. Este último extremo se encuentra recubierto con corcholina para evitar que dañe al material de vidrio. 31- Trípodes: Son mesillas de hierro a las que se le apoyan telas metálicas y se utilizan para sostener el material a calentar. 32-Soportes de hierro: También conocidos como soportes universales, constan de una base estable a la que se encuentra atornillada una varilla, también de hierro, constituyen el esqueleto para el armado de aparatos, ya que sostienen (a través de pinzas) los elementos que lo componen. 33- Telas metálicas con centro de amianto: Son superficies cuadradas en tela metálica de malla de hierro (las comunes) con centro de amianto, que se utilizan para sostener vasos de precipitados, erlenmeyer o balones cuando se calientan sobre la llama, evitando calentamientos demasiado rápidos. 34-Triángulo de porcelana (triángulo de pipa): Son colocados sobre aros metálicos y sirven como soporte para los crisoles. El montaje de este equipo sencillo sirve para calcinar muestras. 35- Gradillas para tubos de ensayos: Son soportes generalmente de madera ,también los hay de metal y de plástico, y mantienen parados a los tubos. Existen gradillas de diferentes tamaños dependiendo de los tubos que se utilizan por ejemplo las hay para tubos comunes, de centrifuga, de hemólisis, etc. 36- Perforadores de tapones: O taladracorchos; como su nombre lo indica tienen por función horadar tapones de corcho o de goma. Es un juego de cilindros huecos, generalmente de bronce, de distinto diámetro afinados en la parte inferior y que pueden ser afilados con el instrumento adecuado. 37-Tapones: Los hay de corcho y de goma. Los de corcho se fabrican con la corteza del alcornoque, que crece principalmente en la península Ibérica y los de goma provienen del caucho natural, que es un producto de la secreción de ciertos árboles tropicales posteriormente vulcanizado, dependiendo de la cantidad de azufre su elasticidad. También existen los de caucho sintético, que es más resistente a los agentes químicos.

5 38-Espátulas de vidrio o porcelana: Son varillas que se ensanchan en ambos extremos tomando una superficie plana de un lado y una cóncava (como una cuchara) del otro para poder extraer sustancias sólidas de los frascos. 39- Espátulas de metal: Constan de una hoja metálica montada sobre un mango de madera; se utilizan para extraer sustancias de los frascos. 40-Propipetas: materiales de goma en forma esférica con una válvula superior de entrada y salida de aire y una prolongación con dos dispositivos con flechas que indican la succión y la descarga. Permiten cargar y descargar una pipeta sin riesgo y en forma higiénica 41-Pinzas de madera: Son utilizadas para sostener a los tubos de ensayos durante el calentamiento. 42-Tenazas: Son pinzas generalmente de níquel macizo o de alguna aleación de hierro inoxidable; las más comunes tienen forma doblemente curvada y se utilizan para manejar objetos calientes (retirar objetos de la estufa, manejar crisoles recién calcinados, etc.). 43-Escobillas: Para la limpieza del material de vidrio se utilizan unos cepillos de cerda con un plumerillo en la punta, con el objeto de remover la posible suciedad sin rayarlo; por esa razón deben desecharse los que no están en buenas condiciones. 44-Frascos lavadores o pisetas: Los de plástico (como el que se muestra en la lámina), son de fácil construcción ya que a un recipiente de plástico flexible se lo tapa con un tapón perforado que contenga un tubo que llegue hasta el fondo del frasco, al extremo exterior se lo acoda y se lo adelgaza en la punta, de tal forma que con una presión en el recipiente con líquido, este dispara un chorro fuerte y fino. Son muy útiles para el lavado de precipitados y para la transferencia de las ultimas porciones del mismo. Los frascos lavadores de vidrio tienen dos tubos en la tapa, por uno de ellos es necesario soplar, eso aumenta la presión en el frasco y provoca la salida del líquido por el otro tubo 45-Mecheros: Están formados por un tubo metálico atornillado a la base por donde entra el gas y con un dispositivo que permite graduar de la entrada de aire. Están diseñados para mezclar aire y gas dentro del tubo conocido con el nombre de chimenea y producir una mezcla combustible, confiable y eficiente. Hay distintos modelos; los más conocidos son los mecheros Bunsen, Teclu y Meker. Bibliografía Brescia. Arents . Meislich. Turk. Métodos de Laboratorio. Compañía Editorial Continental S. A. México. Brescia, F ; Arents, J. ; Meislich, H. ; Turk, A. Fundamentos de Química. Compañía Editorial Continental S. A. México. Masterton, William L.; Slowinski, Emil J. ; Stanitski. Química General Superior. Editorial Mc Graw Hill /Interamericana de México, S.A. de C. V. Whitten, Kenneth; Davis, Raimond E. ; Peck, M. Larry. Química General. McGraw-Hill Interamericana de España. Rodriguez Santos E. Técnica Química de Laboratorio Vitoria. Eduardo P. Prácticas Químicas para Laboratorio. 4º Edición. Miguel Casals Editor. Barcelona

6 QUIMICA GENERAL MEDICIÓN DE VOLUMENES Materiales Volumétricos: Los materiales volumétricos son aquellos que permiten medir con precisión volúmenes de líquidos. Es pertinente mencionar la diferencia fundamental entre los términos exactitud y precisión: la precisión describe que tan reproducible son las mediciones, es decir que tan semejantes son los resultados que se han obtenido exactamente de la misma manera; por lo general la precisión de una medición se puede determinar simplemente repitiendo la medición en porciones semejantes de la muestra, en cambio la exactitud indica que tan cercana está una medición de su valor verdadero o aceptado, que se expresa como error. La exactitud mide la concordancia entre un resultado y su valor verdadero mientras que la precisión mide la concordancia entre varios resultados que se han medido de la misma manera. Clasificación de los materiales volumétricos Están aquellos que vierten volúmenes definidos como pipetas y buretas y aquellos que contienen los volúmenes que indican por ejemplo las probetas y matraces aforados. A su vez los materiales volumétricos pueden ser: Aforados: para verter o contener sólo un volumen determinado, siendo el aforo una línea o marca sobre el vidrio del material indicándonos un volumen fijo definido. Graduados con distintas escalas para medir volúmenes variables de líquidos. Manejo del material Para hacer un buen uso del material hay que conocer de él su capacidad, graduación (si la tuviera) y la apreciación (que puede hacerse con un material volumétrico graduado), como asimismo saber enrasar teniendo en cuenta el tipo de líquido a medir. El volumen de un cuerpo o sustancia es el espacio ocupado por el cuerpo o sustancia. Su unidad en el SI es el m3. El volumen de un material volumétrico es el espacio que ocupa la sustancia contenida en él y que generalmente es un líquido. La capacidad de un material volumétrico indica el máximo volumen que puede contener dicho material. Su unidad es el litro (L). Para medir volúmenes en los materiales volumétricos graduados (presentan múltiples marcas) es imprescindible conocer su graduación. La graduación es el volumen comprendido entre dos marcas o divisiones sucesivas. 6

150

7

100

(a) Pipeta o Bureta

(b) Probeta

Figura Nº 1 En la figura Nº 1 (a) observamos una porción de un material volumétrico que emite líquidos (pipeta o bureta) y que tiene marcado entre 6 mL y 7 mL diez divisiones, o sea que tenemos 1 mL dividido 10 partes, cada parte va a representar la graduación del material. G=

1 mL = 0,1 mL 10

Al dejar escurrir un líquido en ese material podemos leer: 6,1; 6,2; 6,3; 6,4; ... 7,0 mL. En la figura Nº 1 (b) observamos una porción de un material volumétrico que contiene líquidos (probeta) y que tiene marcado entre 100 mL y 150 mL diez divisiones, o sea que tenemos 50 mL dividido en 10 partes, cada parte va a representar la graduación del material G=

50 mL = 5mL 10

O sea que en esa porción del material podemos medir 100; 105; 110; 115; 120; ... 150 mL. En forma general la graduación de cualquier material volumétrico se la puede calcular por la expresión:

7 G=

volumen de líquido contenido entre dos marcas o graduaciones numeradas número de divisiones entre las dos marcas

La apreciación es el volumen que puede estimar, entre dos divisiones, el operador al realizar una medición. La apreciación depende del tipo de material volumétrico con el cual se trabaja. Para la bureta la apreciación se calcula como: A=

G 5

Lo que quiere decir es que el espacio entre dos divisiones sucesivas se divide en 5 partes, si volvemos a la figura Nº 1 (a) considerando que la porción del tubo dibujada corresponde a una bureta si queremos leer un volumen escurrido que está entre 6,3 y 6,4 mL por ejemplo y sabiendo la apreciación A=

0,1 mL = 0,02 mL 5 partes

lo podremos hacer estimando que el líquido escurrido es: 6,32; 6,34; 6,36; 6,38 mL... dependiendo el valor a leer del nivel del líquido (leemos 6,3 y estimamos la segunda cifra). Para el resto de los materiales volumétricos graduados (pipetas – probetas) se considera que la apreciación debe hacerse dividiendo en dos partes el espacio entre dos divisiones consecutivas. En la figura 1 (b), averiguamos que la graduación es 5 mL, la apreciación será: A=

G 5 mL = = 2,5 mL 2 2

por lo tanto entre 100 y la división siguiente podremos apreciar 102,5 mL. La razón principal para que no se considere la apreciación de igual manera en los materiales volumétricos se debe principalmente a que en la bureta la caída del líquido se regula con una llave (robinete) y que son construidas muy cuidadosamente buscando que el calibre del tubo sea uniforme, es por ello que la bureta es el material volumétrico más preciso. Otra cosa a tener en cuenta cuando se mide volúmenes es que a mayor diámetro del material, mayor error puede cometerse, ya que una pequeña diferencia de nivel representa un volumen mayor de líquido. Los líquidos al estar contenidos en recipientes de diámetros estrechos presentan en su superficie libre una concavidad o convexidad debido a las interacciones entre las moléculas del líquido y las paredes del material a esto se lo llama menisco. El menisco es la curvatura que adquiere la superficie de un líquido contenido en un tubo de pequeño diámetro Los líquidos que mojan las paredes poseen superficie cóncava y los que no mojan las paredes presentan superficies convexas; (figura Nº 2).

Menisco convexo Menisco cóncavo

Figura Nº 2 Enrasar es hacer coincidir el menisco con el aforo o con la graduación, siempre evitando cometer error de paralaje. Así se le llama a la incorrecta lectura de la medida por la mala ubicación del operador. Para evitar el error se debe tener en cuenta que el ojo del observador debe estar a la misma altura que la parte inferior del menisco del líquido (líquido transparente) o a la parte superior (líquido opaco); (ver figura Nº 3). VISUAL Demasiado alto CORRECTO Demasiado bajo

Figura Nº 3

8 Para realizar un correcto enrase se debe tener en cuenta el líquido con el cual se está trabajando

Figura Nº 4 Buretas: son tubos divididos en mL provistos en su parte inferior de una llave de vidrio (figura ( Nº 5). Las buretas, permiten al analista verter un volumen cualquiera de líquido hasta la máxima capacidad del instrumento. La precisión que se puede alcanzar es mayor que con la pipeta graduada. En general, las buretas consisten en un tubo graduado que contiene el líquido, y una válvula o llave (robinete) por medio de la cual se puede regular el flujo de salida de aquel por el extremo inferior o pico. Las principales diferencias que existen entre las distintas clases de buretas es en el tipo de llave o robinete que disponen, pueden ser de teflón o de vidrio. En las buretas con llave de vidrio sólo se puede conseguir un cierre hermético si se engrasan con un lubricante (grasa de silicona) las superficies esmeriladas de la llave. Algunas soluciones, (las alcalinas por ejemplo) dan lugar por contacto Figura Nº 5 prolongado a que las llaves de vidrio se peguen, por lo cual hay que proceder a un lavado a fondo de las buretas cada vez que se emplean tales soluciones. Capacidad: las más comunes son de 10 mL, 25 mL, y 50 mL Graduación: ej: 1/10 = 0,1mL Apreciación: A =

G (porque se puede dividir visualmente en 5 partes) 5

Uso de la bureta 1. Una bureta está graduada para medir cantidades variables de líquido. Las buretas, en general, tienen las marcas principales señaladas por números que indican mililitros. 2. Para ara que el volumen medido sea correcto la bureta debe estar limpia y desengrasada. De este modo no quedan gotas de disolución en las paredes de la bureta, cuando un líquido o disolución fluye por su interior. 3. Después de limpiar la bureta se enjuaga con tres porciones sucesivas, cada una de 3 mL aproximadamente, de la disolución a llenar, inclinando y girando la bureta cada vez, de tal forma que toda la superficie interior esté en contacto con la solución y descartando estos líquidos de lavado. 4. En estas condiciones la bureta, con la llave cerrada, se llena por encima de la línea 0. El líquido se deja fluir, con la llave abierta a través del pico de la bureta para llenar el espacio situado en la parte inferior de la llave, sin que queden burbujas de aire. Finalmente, se deja caer líquido hasta conseguir enrasar exactamente con la línea del 0 (el menisco debe ser tangente a la línea de enrase), (figura ( Nº 6).

9 5. Se abre la llave y se deja fluir gota a gota la cantidad deseada de disolución. .

Figura Nº 6

Pipetas: las pipetas pueden ser aforadas y graduadas. Las primeras pueden tener uno o dos aforos y sirven para medir un volumen determinado terminado de líquido. Se construyen de distintos tipos, la más corriente consiste en un tubo de vidrio con un ensanchamiento cilíndrico en el centro. El extremo inferior está estirado y termina en una abertura de 0,5 a 1 mm (figura Nº 7). ). Se emplean pipetas pipeta de 1, 2, 5, 10, 20, 25, 50 y 100 mL de capacidad. Las pipetas graduadas: tienen grabadas múltiples marcas y terminan en punta estirada como las pipetas aforadas. Capacidad: las más comunes son de 1, 2, 3, 5, 10, 20, 25 y 50 mL Graduación: hay de distintass graduaciones. Apreciación:

G 2

Todos los tipos de pipetas se llenan del mismo modo, aspirando el líquido hasta la marca inicial de aforo o cero (ubicado en la parte superior) y se vacían haciendo ingresar aire por la parte superior

Figura Nº 7

10 Uso de la pipeta 1. Una pipeta aforada nos permite transferir un volumen determinado de líquido; tiene un anillo grabado en su parte superior. Si la pipeta se llena por succión hasta este anillo y se deja caer luego el líquido contenido, el volumen de líquido transferido será el especificado. Hay también pipetas de doble enrase, según se especifica en la figura Nº 8. El volumen especificado en la pipeta es el vertido cuando exactamente se desaloja el líquido contenido entre ambas señales, en este tipo de pipetas. 2. Introducir la pipeta limpia y seca en la disolución a tomar, succionar por el extremo superior hasta introducir en ella una pequeña cantidad de solución para homogeneizar su superficie interna. Después se vacía la pipeta descargando este líquido. Seguidamente se llena de disolución por succión hasta un punto ligeramente superior a su enrase.

Advertencia: ¡No meta nunca la pipeta directamente en los frascos de reactivos!

3. Accionando como indica la figura Nº 8, se ajusta el nivel del líquido de forma que el fondo del menisco quede tangente sobre el enrase. Para transferir el volumen deseado basta separar el dedo índice permitiendo que la solución salga completamente. Al llenar una pipeta, el extremo del pico debe estar siempre introducido bajo la superficie de la disolución a tomar. Si no se hace esto así, se succiona aire y la disolución puede pasar a la boca. 4. Para asegurar la transferencia completa del volumen indicado, el pico de la pipeta debe apoyar en ángulo de 45º en la pared del recipiente al que se quiere trasvasar. (ver figura Nº 8c). La pequeña cantidad de líquido que queda siempre en el extremo no debe vaciarse soplando o sacudiendo la pipeta.

a

b

Figura Nº 8

c

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Matraces aforados: son recipientes de cuello largo y estrecho, provistos de una señal llamada aforo. (figura Nº 9) Se disponen de matraces aforados de diversas capacidades, que van desde los 5 mL hasta los 5 litros, los cuales contienen el volumen que especifican, cuando están llenos hasta una línea que llevan grabada en el cuello, llamada aforo. Se utilizan para la preparación de soluciones, y para la dilución de muestras a volumen conocido, de los cuales se toman partes alícuotas con la pipeta.

Figura Nº 9

Probetas: son recipientes cilíndricos graduados en mL, de variadas capacidades; solo se emplean para medidas aproximadas (figura ( Nº 10). Capacidad: las más comunes son de 25mL, 50mL, 100mL, y 250mL Graduación: hay de distintas graduaciones, la que se calcula por la expresión volumen de líquido contenido entre dos marcas o graduaciones numeradas número de divisiones entre las dos marcas G Apreciación: A = 2

G=

Figura Nº 10

Efecto de la temperatura sobre las mediciones de volumen El volumen de una masa dada de líquido varía con la temperatura. Lo mismo ocurre con el volumen de cualquier aparato empleado para medir esta cantidad. En consecuencia, las mediciones volumétricas exigen que se tenga en cuenta el efecto de la temperatura. La mayor parte de los instrumentos empleados en las mediciones volumétricas volumétricas se construyen de vidrio, material que tiene un coeficiente de dilatación pequeño. Si el material del aparato es vidrio de borosilicato (por ejemplo pirex), la dilatación es aun más pequeña. Las mediciones volumétricas se tienen que referir a alguna temperatura temperatura que se tome como patrón; para reducir el mínimo la necesidad de cálculos, se ha tomado como punto de referencia la temperatura de 20º C; temperatura ambiente media. Como en la mayor parte de los laboratorios las temperatura suele diferir sólo en pocos cos grados de la citada raras veces aparece la necesidad de hacer la corrección de temperaturas. No obstante, el coeficiente de expansión cúbica de muchos líquidos orgánicos es considerablemente mayor que el de el agua o de las soluciones acuosas diluidas. diluidas. Para obtener buenas mediciones de líquidos es necesario muchas veces, realizar correcciones.

12 Limpieza del material volumétrico: Quizás la regla más importante que debe seguirse al limpiar el material de vidrio volumétrico es vaciar y limpiar cada pieza inmediatamente después de usarla, dos o tres lavados con agua de canilla, agitación moderada con una solución detergente diluida y agua destilada son suficientes si la pieza se vacía inmediatamente después de su uso. Debe evitarse el uso de soluciones detergentes concentradas. Los materiales utilizados en la preparación de soluciones deben estar perfectamente limpios. La suciedad destruye la pureza de la solución a preparar, facilita la retención de burbujas de aire y hace que el líquido fluya irregularmente en las pipetas, probetas y buretas. Si la suciedad es grasa deforma el menisco y dificulta la lectura correcta del volumen. Se comprueba que el material de vidrio esta limpio llenándolo con agua destilada y dejándolo escurrir, si se adhieren gotas a las paredes no está limpio. Para eliminar la grasa puede emplearse algunos de los siguientes procedimientos: 1. Mezcla sulfocrómica (ácido sulfúrico + dicromato de potasio) o mezcla sulfonítrica; actúan destruyendo la materia orgánica por oxidación en medio fuertemente ácido. 2. Solución aproximadamente 1M de hidróxido de sodio en etanol; elimina la grasitud del material volumétrico pero el álcali ataca al vidrio por lo que el tiempo de exposición debe ser breve. Observación: En el caso de la bureta con llave de vidrio, se debe tener en cuenta la limpieza de la llave y su posterior lubricación con grasa de silicona. Para ello una vez desarmada, se retira cuidadosamente toda la grasa que contenga la misma y su barril, limpiándolas con una toalla de papel y secando cuidadosamente ambas partes. Luego, se debe engrasar ligeramente la llave evitando esta acción en áreas adyacentes al orificio. Se debe insertar la llave dentro del barril y hacerla girar presionando ligeramente hacia adentro. La cantidad de grasa es la adecuada cuando: 1. el área de contacto entre la llave y el barril aparece casi transparente. 2. queda bien sellado y 3. no sale grasa por la punta.

Bibliografía: F.P. Treadwell. Tratado de Química Analítica Séptima edición. Tomo II. Análisis Cuantitativo. Douglas A. Skoog Donald M. West Introducción a la Química Analítica. Séptima edición. Editorial Mc Graw-Hill Interamericana Editores, S.A. 2001 Fischer Robert B.; Peters Dennis G. Análisis Químico Cuantitativo. Editorial Interamericana S.A. Tercera Edición. Kolthoff I. M.; Sandel E. B.; Meehan E.J.; Bruckenstein Stanley. Análisis Químico Cuantitativo. Librería Editorial Nigar, S.R.L. Vogel Artur I. Química Cuantitativa. Volumen I Editorial Kapeluz.

13 QUÍMICA GENERAL SISTEMAS MATERIALES – SEPARACIÓN DE FASES

La materia es todo aquello de lo cual está hecho el mundo y el universo. En En la naturaleza se puede encontrar como: • Sustancias: son clases homogéneas de materia, de composición química invariable. Las sustancias simples o elementos son clases homogéneas de materia que están formadas por un mismo tipo de átomos. No pueden descomponerse en otras sustancias más simples por métodos químicos. q Ejemplos: cobre, hierro, oxígeno. Las sustancias compuestas o compuestos son clases homogéneas de materia formadas por dos o más átomos de elementos distintos. Pueden descomponerse por medios químicos en sustancias más simples. Ejemplos: agua, cloruro ruro de sodio (sal de mesa), ácido clorhídrico. • Mezclas: son muestras formadas por dos o más sustancias en cantidades variables. Cada una de dichas sustancias conserva su composición y sus propiedades. Las mezclas homogéneas son aquellas tienen las mismas propiedades físicas intensivas en todos sus puntos y están constituidas por una sola fase, también se llaman soluciones. Ejemplos: mezcla de agua y alcohol, sal disuelta en agua. Las mezclas heterogéneas son aquellas que no tienen las mismas propiedades físicas intensivas en todos sus puntos y están constituidas por dos o más fases. Ejemplos: agua y arena, agua y aceite.

Un sistema material es una porción del universo que se aísla para su estudio experimental. Denominamos fase de una mezcla a toda porción homogénea que se encuentra en un sistema material heterogéneo. OPERACIONES DE SEPARACIÓN Y FRACCIONAMIENTO DE MEZCLAS Las operaciones de separación se utilizan para separar las fases de un sistema heterogéneo, heterogéneo las más comunes son: filtración, decantación, flotación, separación magnética, tamización, tría, levigación. Las operaciones de fraccionamiento se utilizan para separar las sustancias puras (componentes) en una mezcla homogénea. Ejemplos: destilación, cristalización, cromatografía. I- Filtración: se utiliza para separar una fase sólida de una líquida, por ejemplo arena-agua, arena agua turbia. Se emplean ean capas porosas (filtros) cuyos poros permiten retener las partículas sólidas, dejando pasar el líquido en el cual aquellas estaban en suspensión. El filtro generalmente colocado dentro de un embudo puede ser de papel, tela especial, arena, lana de vidrio. vidr

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El plegado del papel de filtro se hace de la siguiente manera: 1- Recorte un círculo de papel de filtro de tamaño adecuado al embudo a utilizar y doble por la mitad. 2- Vuelva a doblar según se indica en el dibujo, cortando un trozo de la esquina. La finalidad de esto es lograr que el filtro se adapte mejor al embudo. 3- Abra el círculo de papel de filtro y colóquelo sobre el cono del embudo. 4- Moje el papel con unas gotas tas de agua destilada para adherirlo firmemente al embudo.

Existen otras formas de plegado de papel. Cuando se quiera acelerar el filtrado, puede realizarse una filtración al vacío.

embudo buchner

kitasato

II- Decantación: Esta operación permite separar mezclas a) sólido-líquido sólido líquido (arena y agua), b) líquido – líquido de diferentes densidades (tetracloruro de carbono - agua). En a) primero se lo deja cierto ciert tiempo en reposo para que sedimente el sólido y luego se separa el líquido, trasvasándola con cuidado a otro recipiente o succionándolo con pipeta o sifón, en b) se utiliza una ampolla de decantación, para ello se introduce la

15 mezcla y se la deja reposar hasta que se separen las fases líquidas, luego se abre la llave para recoger el líquido más denso y se la cierra cuando esté por pasar el segundo líquido. La sedimentación es la separación de un sólido suspendido en un líquido, por acción de la fuerza de gravedad, aprovechando la diferencia de densidad, la fase sólida se denomina sedimento y la fase líquida sobrenadante. (a) (b)

MEZCLA

La centrifugación es un procedimiento que permite acelerar la sedimentación del sólido en una mezcla que contiene partículas en suspensión, para ello se introduce el sistema en tubos cónicos que giran a gran velocidad dentro de aparatos llamados centrífugas, lo cual determina dete que las partículas mas densas precipiten ocupando el fondo de dichos tubos.. Una vez lograda la separación de las fases se procede a la decantación del líquido.

III- Flotación: Cuando dos sólidos tienen diferente densidad, tal como la mezcla de arena y corcho, se agrega un líquido que tenga una densidad intermedia con respecto a ellos, como el agua. El corcho flota y la arena se deposita en el fondo

me es hierro, IV- Separación magnética: Puede utilizarse cuando uno de los sólidos que forma la mezcla consiste en separar este elemento atrayéndolo con un imán.

16 V- Tamización:: Este método se utiliza cuando en una mezcla hay componentes sólidos de diferente tamaño por ejemplo canto rodado y arena, consiste en pasar la mezcla a través de una malla de metal o plástico (tamiz), se sacude y entonces las partículas más pequeñas atraviesan la malla y las de mayor tamaño son retenidas.

VI- Tría: se utiliza cuando una de las fases se encuentra en trozos bien diferenciados, consiste en separarlos tomándolos con una pinza.

VII- Levigación: permite separar sistemas heterogéneos formados por fases sólidas de distinta densidad, como la arena y el oro, consiste en hacer circular una corriente de agua que arrastra la mezcla a través de canales, entonces las partículas de la más densa sedimentan, mientras que las de la más má liviana son arrastradas.

Levigación

FRACCIONAMIENTO DE UN SISTEMA HOMOGENEO I- Destilación: Es un procedimiento dimiento que consiste en la vaporización de un líquido y luego la condensación de sus vapores por enfriamiento, puede ser utilizado para separar un sólido disuelto, disuelto, de su solvente (cloruro de sodio disuelto en agua) o para separar separa dos líquidos que poseen diferentes puntos de de ebullición (solución de alcohol en agua)

17

II- Cristalización: consiste en separar un sólido cristalino (NaCl, CuSO4, KF) disuelto en un líquido, por evaporaciónn de éste último hasta obtener el residuo sólido seco. l cromatografía de III- Cromatografía: este método tiene diferentes variantes, una de las más usadas es la partición sobre papel, se ubica una tira de papel de filtro suspendida en un recipiente, cuya extremidad e inferior está sumergida en un solvente orgánico, la muestra a analizar se deposita sobre el papel próxima al solvente. Este asciende por capilaridad y arrastra las sustancias que forman la muestra, las cuales van alcanzando distintas alturas. De este modo se logra la separación de los diferentes componentes de una solución.

IV- La calcinación: consiste en calentar la mezcla mezcl sin fundirla con el fin de eliminar elimin sus componentes volátiles. Se utilizann crisoles que resisten altas temperaturas. En el laboratorio torio se utiliza utiliz frecuentemente después de l filtración, de esa maner nera se elimina primero el agua del papel pel y del sólido y luego el papel p (que se inflama y carboniza)

18

(A)

Mechero

Una de las fuentes de calor empleadas en un laboratorio es el mechero a gas, por lo que es importante saber cómo funciona y cómo pueden ajustarse el aire y el gas con vistas a obtener temperaturas apropiadas. Existen varios modelos de mechero como el Bunsen Bunsen y el Teclú, pero el fundamento de todos es la combustión. La combustión es la reacción química entre el combustible y el comburente donde se produce liberación de energía bajo la forma de luz y calor Los combustibles almacenan energía que puede transformarse. transformarse. Son compuestos generalmente de naturaleza orgánica que se queman liberando energía en forma de luz y calor cuando reaccionan con un comburente. El carbón, la hulla, la nafta, el gas-oil, oil, el fuel-oil, fuel oil, los derivados del petróleo en general son ejemplos ejemplo de combustibles. En el laboratorio el combustible que usamos es el gas envasado, compuesto por una mezcla de hidrocarburos livianos, fundamentalmente propano y butano, butano, la mezcla es inodora, pero contiene además una sustancia de olor desagradable llamada sulfuro de alilo, alilo, para detectar pérdidas en las instalaciones de gas y así evitar los accidentes. El comburente es la atmósfera que circunda al combustible. Es el agente gaseoso que permite la combustión el más común es el oxigeno del aire. Durantee la combustión se forma CO2 y H2O, productos que a la temperatura de la llama son gaseosos. Si el oxígeno es insuficiente, queda carbono sin consumir (humo, hollín, etc.) y el gas quema con llama brillante de color amarillo por las partículas incandescentes incandescentes de carbono en la llama, es una llama pobre con poco poder calorífico. Pero si hay aire suficiente mezclado con el gas, éste arde completamente y la llama adquiere un color azulado formando tres partes bien diferenciadas: 1): zona interna; formada por los l gases que todavía no arden, es la zona fría con temperaturas bajas, 2) zona media o zona de reducción (llamada así por su elevado contenido de carbono) aquí la combustión es incompleta y es la de color azul mas intenso. 3) zona externa, es la de máxima temperatura por la total combustión de los gases, también se la llama zona de oxidación por la abundancia de oxígeno en ella. (Figura 1) Es evidente que en operaciones que se requiera gran poder calorífico (calcinación, ablandamiento de vidrio, etc...), la entrada del aire deberá ser grande para que la combustión sea total y se deberá colocar el material por encima de la zona 3 (llama azulada externa).

Figura 1

19 Descripción del mechero Al examinar el mechero se distinguen en él las partes siguientes: un tubo (1) para la entrada del gas, el que luego pasa por un orificio a la cámara de mezclado con aire (2); en ella se busca una correcta relación de la mezcla combustible-aire para que la combustión sea completa. Con el anillo (3) se puede regular el paso del aire según convenga. La cámara (2) se prolonga por un tubo de 10 ó 12 cm de longitud denominada chimenea o tobera (4), de donde sale la llama. Este tubo cilíndrico tiene aberturas en la parte inferior, estas aberturas con el anillo gradúan la entrada de aire. (Figura 2) Cuando se quiera encender, en primer lugar cierre la cámara (2), para que no entre aire, moviendo el anillo, luego encienda un fósforo, aproxímelo a la parte superior del tubo y abra la llave de gas, por último regule la entrada de aire con el anillo hasta conseguir una buena llama (color azulado). Si hay exceso de aire observará que la llama tiende a separarse de la boca del tubo; pero si hay poco, la combustión será incompleta y el gas arderá con llama amarilla.

Mechero de Teclú

Mechero de Bunsen Figura 2

Bibliografía: F.P. Treadwell. Tratado de Química Analítica Séptima edición. Tomo II. Análisis Cuantitativo. Douglas A. Skoog Donald M. West Introducción a la Química Analítica. Séptima edición. Editorial Mc Graw-Hill Interamericana Editores, S.A. 2001 Fischer Robert B.; Peters Dennis G. Análisis Químico Cuantitativo. Editorial Interamericana S.A. Tercera Edición. Kolthoff I. M.; Sandel E. B.; Meehan E.J.; Bruckenstein Stanley. Análisis Químico Cuantitativo. Librería Editorial Nigar, S.R.L. Vogel Artur I. Química Cuantitativa. Volumen I Editorial Kapeluz. CBA Chemical Bond Approach Project. Editorial Reverté S.A. Celsi, S.; Copello M. Iniciación Experimental a la Química Analítica Cuantitativa. Libreria El Ateneo Editorial.

20 QUIMICA GENERAL MEDICION DE DENSIDADES Densidad La densidad de una sustancia es una propiedad física (su determinación no implica cambio en la composición), intensiva (no depende de la cantidad que se utilice) y es invariable en cualquier lugar de la tierra. Se define como la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo o como la masa de la unidad de volumen. Por ejemplo la densidad del cobre es 8,92 g/cm3, eso significa que 1 cm3 de cobre pesa 8,92 g . Se la representa con la letra griega “δ”. δ =

m V

La densidad es constante a una temperatura dada, por esta razón se la puede utilizar para identificar sustancias, o si sabemos de que sustancia se trata podremos comprobar si es pura. En los distintos sistemas, sus unidades son: SI cgs MKS

kg/m3 g/cm3 kg/m3

Usualmente se utiliza g/cm3 o g/mL para los sólidos y los líquidos y g/L para los gases. Peso específico El peso específico es una propiedad física e intensiva de las sustancias y se la define como el peso de la unidad de volumen o como la relación entre el peso y el volumen de un cuerpo. Al ser el peso de los cuerpos una propiedad que varía con el lugar de la tierra en que se lo determine (P = m . g) el peso específico no es invariable en cualquier lugar. Se lo representa con la letra griega “ρ”. ρ=

P V

Unidades SI

N /m3

cgs

dyn /cm3

técnico

kg /m3 o kgr / m3

Usualmente se expresa el peso específico en g /cm3; gr / cm3 o gr / mL Relación entre peso específico y densidad: ρ=

P V

teniendo en cuenta que P = m . g , resulta que el peso específico se puede escribir ρ=

m.g V

pero

m = δ por lo tanto la relación entre el peso específico y la densidad de una V

sustancia resulta: ρ=δ.g Densidad relativa (D): es el cociente entre la densidad de un cuerpo y la densidad de otro que se toma como referencia (generalmente agua para sólidos y líquidos y aire para los gases). δ1 : densidad absoluta de un cuerpo =

m1 V1

21 m δ2 : densidad absoluta de la sustancia que se toma como referencia = 2 V2 m1 δ1 V D= = 1 m2 δ2 V2

Si se toma un mismo volumen, V1 = V2, por ejemplo 1 cm3, la expresión de D resulta m1 3 m D = 1 cm = 1

m2

(1)

m2

1 cm 3

De la expresión anterior se concluye que la densidad relativa es la relación entre dos masas de iguales igual volúmenes y es un número adimensional que representa cuanto es mas pesada la sustancia considerada que la de referencia (si el valor es mayor que 1) o mas liviana (si el valor es menor que 1). Si se relacionan los pesos específicos de un cuerpo y de otro tomado como referencia: P1 ρ1 V = 1 P2 ρ2 V2

m1 .g 1 cm 3 = m 2 .g 1 cm 3

=

m1 m2

Se obtiene la expresión (1) por lo que las expresiones de la densidad relativa y del peso específico relativo son coincidentes ya que en ambos casos se relacionan masas de igual volumen. Picnómetros y densímetros El picnómetro es un frasco destinado a medir densidades relativas de un líquido líquido o de un sólido con respecto al agua destilada, es un recipiente que presenta un aforo que permite tomar siempre un mismo volumen de líquido o enrasar siempre a un mismo nivel.

Si queremos determinar la densidad de líquidos, líquidos usando una balanza averiguamos: 1-masa del picnómetro vacío (M), 2-masa masa del picnómetro con el líquido cuya D queremos averiguar (M’) 3-masa masa del picnómetro con agua destilada (M”). Para el cálculo de la densidad relativa se considera: D=

masa del líquido = masa del agua

M' - M M" - M

(son masas de igual volumen)

Para determinar la densidad relativa de sólidos necesitamos: 1-la masa del cuerpo (M) 2-la masa del picnómetro con agua ua y el cuerpo afuera (M’) 3-la la masa del picnómetro con agua y el cuerpo en su interior (M”) (para poder introducir el cuerpo en el picnómetro se debe sacar un volumen de agua igual al volumen del cuerpo). Para el cálculo de D se consideran masa del cuerpo y masa del agua extraída (son masas de igual volumen) :

22 D=

masa del cuerpo M = masa del agua desalojada M' - M"

Principio de Arquímedes: Todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un líquido recibe un empuje vertical de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del líquido que se desplaza. De la lectura del enunciado de Arquímedes surgen tres condiciones de equilibrio:

Sumergido totalmente un cuerpo dentro de un líquido puede ocurrir que: 1-Su Su peso sea mayor que el empuje que recibe, en cuyo caso irá al fondo,(por ejemplo un trozo de plomo) 2-El El empuje sea igual al peso: el cuerpo queda sumergido en el líquido entre dos aguas. 3-El El empuje sea mayor que el peso: si se lo deja en libertad libertad el cuerpo tiende a flotar semisumergido (por ejemplo: un corcho). Las condiciones de equilibrio de un cuerpo que se sumerge en un líquido dependen de los pesos específicos del líquido y del cuerpo que se sumerge. Ese es el principio de funcionamiento de d los densímetros y areómetros:: el volumen sumergido de un cuerpo que flota (densímetro o areómetro) depende del peso específico del líquido, por lo tanto el volumen sumergido es un indicador de dicha magnitud. Los densímetros permiten leer directamente en en un vástago graduado la medida de la densidad relativa o peso específico relativo. A veces los densímetros reciben denominaciones particulares según el uso al que se los destina, por ejemplo: pesa-ácidos, ácidos, pesa-leche, pesa pesa-vino, urinómetro, etc. Los areómetros metros tienen en su parte superior un platillo al que se le agregan pesas hasta que el nivel del líquido coincide con el aforo marcado en el relación entre el valor de las instrumento, la pesas y las que deben colocarse cuando se sumerge en agua destilada da el valor de la densidad relativa.

23

DENSÍMETRO

AREÓMETRO

Disoluciones En ciertas reacciones es más conveniente emplear reactivos en solución en lugar de sólidos, líquidos o gases. Una solución o disolución es una mezcla homogénea, de dos o mas sustancias, frecuentemente las soluciones contienen dos componentes el soluto y el solvente o disolvente. El soluto es la sustancia que se disuelve, se halla en menor proporción y es la sustancia que siempre se nombra en la solución. El solvente o disolvente es la sustancia que permite la disolución del soluto, se halla en mayor proporción generalmente el estado de agregación del solvente coincide con el de la solución. Las soluciones que se utilizan en el laboratorio suelen ser líquidas y el disolvente mas empleado es el agua. Por ejemplo, las soluciones de hidróxido de sodio, se preparan disolviendo NaOH sólido en agua. Las densidades de las soluciones son datos muy valiosos, dependen de su concentración y están tabuladas. Las concentraciones de las soluciones se expresan en función de la cantidad de soluto en una masa específica o volumen de solución; o la cantidad de soluto disuelto en una masa o volumen de disolvente. La concentración de una disolución puede ser expresada en unidades físicas y unidades químicas. Entre las unidades físicas una de las mas usadas es la de % P/V (porciento peso en volumen), que indica, la masa de soluto por 100 mL de disolución. Por ejemplo una solución al 10 % P/V de NaCl contiene 10 g de NaCl disuelto en 100 mL de disolución. Bibliografía: Fernandez Y Galloni: “Prácticas De Física”. Findlay: “Práctica De Físico Química”. Masterton, Slowinski Y Stanitski: “Química General Superior”. Perez Carlevaro – Cortes Puente: “Trabajos Prácticos De Física”. Westphal: “Tratado De Física”. Whitten, Gayley Y Davis: “Química General”. Masterton, William L.; Slowinski, Emil J. ; Stanitski. Química General Superior. Editorial Mc Graw Hill /Interamericana de México, S.A. de C. V. Whitten, Kenneth; Davis, Raimond E. ; Peck, M. Larry. Química General. McGraw-Hill Interamericana de España.

24

QUIMICA GENERAL DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE FUSIÓN DE UNA SUSTANCIA ORGANICA

En condiciones ordinarias la materia existe en tres estados: sólido, líquido y gaseoso, cuyas características pueden resumirse en el siguiente cuadro comparativo. Sólidos Tienen forma y volumen propio

Líquidos No tienen forma pero si volumen propio Son poco compresibles Sus densidades tiene valores intermedios Partículas con movimiento al azar. Las atracciones entre ellas son menores que en los sólidos

Son prácticamente incompresibles Sus densidades tienen valores altos Tienen ordenadas sus partículas, las que solo pueden vibrar debido a que las fuerzas de atracción entre ellas son importantes. No fluyen Fluyen Difunden muy lentamente en Difunden en otros líquidos otros sólidos

Gases Sin forma ni volumen propio Son compresibles Sus densidades son bajas Sus moléculas se mueven en forma libre y desordenada, con fuerzas de atracción nulas o muy débiles. Fluyen Difunden rápidamente

Todo estado de la materia puede cambiar a cualquiera de los otros dos estados, estas transformaciones se denominan cambios de fase o de estado

Energía del

sistema aumenta

VAPOR Vaporización

Condensación

Sublimación

Sublimación regresiva (Deposición)

LÍQUIDO Fusión

Congelación o Solidificación

SÓLIDO Cada cambio de fase va acompañado por un cambio en la energía del sistema. Siempre que un cambio de fase implique pasar a un estado menos ordenado, es preciso proporcionar energía para vencer las fuerzas intermoleculares. Así se necesita energía para fundir un sólido. Hay que vencer las fuerzas de atracción que mantienen a las partículas en posiciones fijas dentro del sólido para formar el líquido.

25 Cuando un sólido cristalino se calienta, las partículas vibran con más energía. En cierto momento se alcanza una temperatura a la que estas vibraciones alteran el orden de la estructura cristalina, las partículas pueden deslizarse unas sobre otras, el sólido do pierde su forma definida y se convierte en un líquido. El proceso por el cual un sólido se convierte en líquido se llama fusión. Este proceso se produce con absorción de calor, es decir es un proceso endotérmico. El punto de fusión de un sólido es la temperatura a la cual el sólido y el líquido coexisten en el equilibrio. equilibrio El proceso por el cual un líquido se convierte en sólido se llama solidificación. Este proceso se produce con eliminación de energía, por lo tanto es un proceso exotérmico. El punto de solidificación o congelación de un líquido es la temperatura a la cual ual el líquido y el sólido coexisten en el equilibrio. El punto de fusión de un sólido y el punto de solidificación de un líquido son idénticos. Como ya se indicó anteriormente, en el punto nto de fusión, el sólido y el líquido coexisten en equilibrio. Si se calienta uniformemente una mezcla sólido--líquido líquido en equilibrio, la temperatura permanece constante mientras el sólido funde. Sólo cuando todo el sólido ha fundido, la temperatura empieza a ascender. De la misma manera, si extraemos calor uniformemente de una mezcla sólido-líquido sólido líquido en equilibrio, el líquido se solidifica a una temperatura constante. Puede determinarse el punto de fusión de un sólido en el laboratorio introduciendo una pequeña peque cantidad del sólido pulverizado en un capilar previamente sellado por un extremo (figura 1a), compactándolo bien hasta el fondo del extremo sellado (para lograr esto se lo deja caer a través de un tubo de vidrio de unos 60 cm de longitud apoyada sobre laa mesada (figura 1b), el golpe que recibe el capilar al chocar con la mesada, facilita el llenado del mismo. El choque es elástico y no se rompe el capilar).

Figura 1 El capilar se sujeta al termómetro con una bandita de goma, asegurándose que la muestra quede a la misma altura del bulbo del termómetro. Se sumergen ambos en un baño de calefacción sin que éste entre en el capilar y se calienta el recipiente lentamente le hasta que la fusión comienza y se completa. (figura 2) El tipo de recipiente que se utiliza para lograr una calefacción uniforme en la determinación del punto de fusión es el aparato de Thiele, que asegura una corriente de convección lográndose un

26 calentamiento uniforme. El calentamiento debe ser lento de forma que la temperatura del baño se eleve uniformemente. Los líquidos utilizados como baños de calefacción tienen que ser estables, de punto de ebullición alto, transparentes. Los más utilizados son glicerina, aceite de parafina y aceite de semilla de algodón. También se utiliza frecuentemente ácido sulfúrico concentrado que se puede calentar hasta unos 225 0C sin peligro. El punto de fusión es un valor constante, característico de cada sustancia química a una determinada presión, por ello se lo utiliza para identificar sustancias y también como ensayo de pureza, ya que el punto de fusión es algo más bajo en la sustancia con impurezas. Figura 2

Vidrio El vidrio es un material con algunas de las propiedades de los sólidos (rigidez, volumen propio) pero que carece de la estructura bien ordenada y definida de los sólidos cristalinos, razón por la cual no presenta las otras propiedades de estos, algunos autores consideran al vidrio como un sólido amorfo (al igual que al caucho, algunos plásticos y sulfuros) y otros como líquidos subenfriados porque fluyen como líquidos pero más lentamente. El vidrio no tiene un punto de fusión definido sino que se ablanda en un intervalo de temperaturas. Está formado por una mezcla fundida de dióxido de silicio, su principal componente, con compuestos como oxido de sodio, oxido de boro y ciertos óxidos de metales de transición que le confieren color y otras propiedades. Los más comunes son: Vidrio de cal-soda

SiO2 Na2O

Vidrio pirex (duro)

75% 15%

CaO SiO2

10% 60-80%

B2O3

10-25%

Al2O3

Es muy sensible a las sustancias químicas y a los choques térmicos, transmite la luz visible, se emplea principalmente en ventanas y botellas Expansión térmica baja, transparente a la luz visible. Utilizado en el laboratorio y en utensilios de cocina.

pequeña cantidad

Trabajos con tubos de vidrio Los tubos y varillas de vidrio utilizados en el laboratorio se venden al peso y se presentan en forma de tubos de unos dos metros de longitud. Para la realización de numerosos experimentos, es menester disponer de trozos de tubo de longitudes inferiores así como de codos o capilares, por lo que los suministrados comercialmente deben ser convenientemente manipulados (pueden cortarse con limas planas o triangulares y moldeados con la llama de un mechero Bunsen). Las técnicas de corte, pulido y doblado son aplicables para tubos y para varillas macizas utilizadas para agitación.

Corte

27 Con una lima plana o triangular, de aristas bien cortantes, se realiza una muesca en el punto por el que quiere cortarse el tubo y se humedece ligeramente el lugar marcado, luego se sujeta el tubo con las dos manos, de modo que los pulgares queden a ambos lados de la muesca (por su parte inferior), y se ejercen las fuerzas que se muestran en la figura.

Pulido El tubo de vidrio presenta un borde afilado en el lugar donde se ha producido el corte. Para evitar accidentes se procede al pulido del mismo mediante el calor, en la zona de mayor temperatura de la llama de un mechero Bunsen. Para ello se introduce en el fuego el extremo del tubo girándolo continuamente para conseguir una fusión uniforme de todo el borde cortante, tornandolo de este modo, en redondeado. No es conveniente mantener la calefacción mucho tiempo porque el extremo del tubo tiende a cerrarse. Una vez fuera de la llama el extremo calentado mantiene durante un tiempo una elevada temperatura. Antes de cualquier manipulación debe dejarse enfriar un rato teniendo la precaución de no depositar la zona pulida sobre la mesada ya que ésta puede quemarse (apoyar sobre una tela metálica con centro de amianto por ejemplo). Doblado Para doblar un tubo de vidrio debe procederse a su calentamiento en la zona donde quiere obtenerse el ángulo. Se hace girar continuamente el tubo sobre la llama de un mechero Bunsen. Cuando el tubo alcanza suficiente temperatura, comienza a fundir y se reblandece. FUERA DE LA LLAMA, se procede entonces a doblarlo hasta el ángulo deseado.

Estiramiento

Se procede al calentamiento de la zona a estrechar, girando constantemente el tubo sobre la llama directa de un mechero Bunsen. Cuando el tubo está blando, FUERA DE LA LLAMA se tira con ambas manos, en sentidos opuestos, hasta alcanzar el estiramiento deseado.

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Bibliografía: Brewster R. Q. “Química Orgánica”. Edit: Medico Quirurgica. 4ta Edición, 1963 Brown T. L., Lemay H. E., Jr, Bursten B. E.. “Química La Ciencia Central”. Editorial: Pearson Educación. 7ma Edición 1998 Brescia, Arents, Meislich, Turk. “Fundamentos De Química. Métodos De Laboratorio Químico”. Compañía Editorial Continental S.A. Chang R.. “Química”. Edit: Mc Graw Hill. 6ta Edición 1999 Burns R. A.. “Fundamentos De Química”. Edititorial: Prentice Hall. 2da Edición.

QUIMICA GENERAL DETERMINACION DE PUNTOS DE EBULLICIÓN Estados de la materia. Cambios de estado La materia se presenta en tres estados que son: sólido, líquido y gaseoso, los dos primeros reciben el nombre de estados condensados por que sus partículas se encuentran mas cercanas e interaccionan entre sí mediante fuerzas. Los diversos estados de la materia suelen ser inter.-convertibles. A medida que la energía interna de la materia aumenta, la distribución de las partículas constitutivas se torna mas desordenada, a medida que la energía disminuye las probabilidades de distribuciones ordenadas aumentan. El cambio de estado implica entonces una ganancia o pérdida de calor relacionada con una variación de energía. En los líquidos las moléculas están tan juntas que hay muy poco espacio vacío, por ello son más difíciles de comprimir y son muchos más densos que los gases. Las moléculas de un líquido se mantienen juntas por uno o mas tipos de fuerzas de atracción, sin embargo pueden moverse libremente entre ellas y vencer así en forma parcial sus fuerzas de atracción, permitiendo de esta manera que los líquidos puedan fluir, derramarse y adoptar la forma del recipiente que los contienen.

enfriar o incrementar la presión calentar o disminuir la presión

enfriar calentar líquido

sólido

Gas Al cambio de estado que ocurre de una fase líquida a una fase gaseosa se lo denomina vaporización, que puede ocurrir de dos formas, como evaporación: vaporización a cualquier temperatura en la superficie de los líquidos, o como ebullición que ocurre a una temperatura determinada y en toda la masa del líquido. Evaporación

29 La evaporación es propia de todos los líquidos y ocurre cuando las moléculas mas superficiales de cualquier líquido se desprenden y pasan a la fase gaseosa. Para ello las moléculas tienen que adquirir la energía cinética suficiente. La energía cinética de una molécula o de una fracción de moléculas es la energía que poseen estas partículas partí cuando se encuentran en movimiento a distintas velocidades. Es necesario que las moléculas del líquido alcancen la energía cinética mínima para poder vencer las fuerzas de atracción existentes entre ellas. Las moléculas que se encuentran en la fase gaseosa gaseosa como vapor pueden chocar posteriormente con la superficie del líquido y ser capturadas por ella. Este proceso, que es el inverso de la evaporación se llama condensación. Al producirse la evaporación en un recipiente cerrado, el volumen del líquido disminuye porque el número de moléculas de gas por encima de la superficie aumenta, pero como más moléculas de la fase gaseosa chocan con la superficie, el proceso de de condensación también aumenta, entonces el sistema compuesto de un líquido y sus moléculas ulas de gas alcanzan al poco tiempo un equilibrio dinámico en el cual la velocidad de evaporación se iguala a la velocidad de condensación en el recipiente cerrado. Sin embargo, si se deja el recipiente abierto a la atmósfera éste equilibrio no logra establecerse. Las moléculas de gas se alejan por difusión y las leves corrientes de aire, las arrastran alejándolas de la superficie. Esto permite que se produzca un aumento aumento de la evaporación para sustituir a las moléculas de vapor que se pierden y en consecuencia el líquido puede evaporarse en su totalidad después de un período de tiempo.

(a) (b) El líquido se evapora continuamente en un recipiente abierto. (b) Se establece un equilibrio en un recipiente cerrado (a)

Presión de vapor. Supongamos que se realiza un experimento en el que se coloca un cierto cierto volumen de etanol en un recipiente cerrado y vacío unido a una tubuladura lateral en forma de “U” que contiene mercurio líquido, este dispositivo actúa como un manómetro. El etanol comenzará a evaporarse rápidamente, en consecuencia la presión ejercida por el vapor encima del líquido comienza a aumentar. Después de un tiempo corto la presión del vapor alcanza nza un valor constante (ya no se observa que la altura de la columna mercurial varíe), en este momento entonces las velocidades de los procesos de evaporación evaporación y condensación son iguales por lo que el sistema se encuentra en equilibrio dinámico y dicha presión recibe el nombre de presión de vapor. Por lo tanto se define presión de vapor (Pv) de un líquido como la presión ejercida por su vapor cuando los estados stados líquido y gaseoso están en equilibrio dinámico. Como la velocidad de evaporación aumenta al elevarse la temperatura, las presiones de vapor de los líquidos se elevan al aumentar la temperatura. Eso se debe a que el aumento de temperatura provoca que las moléculas que hay en el vapor se muevan rápidamente, choquen más a menudo y con mas fuerza con las paredes del recipiente y a que una mayor fracción de moléculas adquieran suficiente energía para escapar del líquido. Todo esto provoca el aumento de la concentración de las moléculas del vapor y por consiguiente la elevación de la presión de vapor del líquido. También se puede demostrar que a una presión atmosférica dada, las presiones de vapor de los distintos líquidos son diferentes porque sus fuerzas de cohesión son otras. Los líquidos que se evaporan con facilidad se llaman volátiles y tienen presiones de vapor relativamente altas.

30 Presión de vapor (torr) Agua Benceno

0º C 4,6 27,1

25º C 23,8 94,4

50º C 92,5 271

75º C 300 644

Alcohol. metílico

29,7

122

404

1.126

Éter dietílico

18,5

470

1.325

2.680

100º C 760 1.360

125º C 1.741

4.859

Si observamos la tabla podemos deducir que el líquido mas volátil es el éter dietílico y el menos volátil es el agua. La explicación de estos comportamientos esta dado porque en el éter dietílico las fuerzas de cohesión entre sus moléculas son débiles, en cambio en el agua, sus moléculas están asociadas por un tipo de fuerzas dipolares intensas llamadas puentes de hidrógeno, que provocan que sus presiones de vapor sean bajas y su punto de ebullición alto.

Medición de presión atmosférica y de presiones de vapor El barómetro de mercurio es un instrumento sencillo para medir presiones atmosféricas. Básicamente consiste en un tubo de vidrio de unos 800 mm de longitud que se sella en un extremo, se llena de mercurio y después se invierte con cuidado sobre un cristalizador cristalizador con mercurio sin que pueda entrar aire. El mercurio cae en el tubo hasta el nivel al cual la presión del aire sobre la superficie del mercurio en el cristalizador iguala la atracción de la gravedad sobre el mercurio en el tubo. La presión del aire se se mide en términos de la altura de la columna de mercurio, contada desde el nivel de mercurio en el tubo y la superficie del mercurio en el cristalizador. La presión ejercida por la atmósfera es igual a la presión ejercida por la columna de mercurio.

El manómetro es un instrumento que nos permite medir las presiones de vapor de un líquido o la presión ejercida por cualquier gas encerrado en un recipiente. En el dibujo se puede observar una representación simplificada de la medición de la presión de vapor de un líquido a una temperatura dada. En el instante en que el líquido se adiciona al recipiente, el espacio por encima del líquido se va llenando de vapor hasta que se establece el equilibrio. El aumento en la altura de la columna de mercurio urio es una medida de la presión de vapor del líquido a esa temperatura.

31

Inicialmente: sólo líquido

Mercurio

Equilibrio: líquido y vapor

Ebullición. Punto de ebullición Cuando se calienta un líquido a una temperatura suficientemente alta a presión atmosférica, comienzan a formarse burbujas de vapor debajo de la superficie, éstas se elevan hasta la superficie y estallan liberando vapor al aire. El proceso físico se denomina denomina ebullición y es muy diferente de la evaporación, la ebullición ocurre en toda la masa de líquido, mientras que la evaporación ocurre solo en la superficie del líquido. Cuando la presión en el interior de las burbujas es menor que la que se aplica sobre la l superficie del líquido, las burbujas se colapsan tan pronto se forman, pero cuando el líquido hierve el hecho de que las burbujas sean estables y no se rompan indica que la presión en su interior y en el exterior es la misma. La presión en el interior de las burbujas es la presión de vapor del líquido a esa temperatura. La de afuera de las burbujas es la presión en la superficie del líquido, es decir la presión atmosférica. Se define punto dee ebullición de un líquido a la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido está en equilibrio con la presión atmosférica. atmosférica Si se sigue suministrando energía en forma de calor a un líquido en su punto de ebullición, la temperatura permanece constante, porque la energía se usa para superar las fuerzas cohesivas cohesivas en el líquido para formar vapor. El punto de ebullición normal de un líquido es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido está es en equilibrio con la presión de una atmósfera (1 atm = 760 torr = 760 mm Hg = 1013,25 hPa). hPa) Como un líquido hierve erve cuando su presión de vapor es igual a la presión que soporta sobre su superficie, puede cambiarse el punto de ebullición cambiando la presión aplicada sobre el líquido. La presión de vapor de agua es 760 torr a 100ºC, su punto de ebullición normal; si si se aplica una presión inferior a 760 torr, en lo alto de una montaña por ejemplo, el agua hervirá por debajo de los 100ºC, (por eso la cocción de los alimentos muy por encima del nivel del mar es más lenta). Pero el agua puede hervir a mas altas temperaturas aturas bajo altas presiones, así funcionan las ollas a presión con las que se cocina más rápidamente (el aumento de calor del agua hirviendo permite a los alimentos absorber el calor del agua más rápidamente). Como ya se mencionó antes las moléculas de los líquidos poseen distintas fuerzas de atracción, según su naturaleza, por lo tanto sus presiones de vapor son distintas eso provoca que alcancen la ebullición a diferentes temperaturas. En el siguiente gráfico se marcan los puntos de ebullición normales de algunos líquidos.

P torr

32 Presión de vapor torr

El punto de ebullición es una propiedad intensiva y propia de cada líquido puro, que depende de la presión exterior y que puede ser utilizado para su identificación y como criterio de pureza. En el laboratorio puede determinarse con un equipo de destilación simple o con micrométodos, como el de Siwoloboff. Destilación La destilación consiste en vaporizar un líquido y luego condensar sus vapores. El primer proceso ocurre al calentar el líquido en el balón y el segundo en el tubo refrigerante (condensador de Leibig).

EQUIPO DE DESTILACIÓN SIMPLE

Si observamos el esquema veremos que no se toma la temperatura del líquido en ebullición, sino la del vapor que asciende e ingresa al refrigerante. Se anota como temperatura de ebullición cuando la temperatura permanece constante y se recoge destilado en el erlenmeyer colector. La destilación es un método de fraccionamiento que permite separar separa los componente de una disolución. Por medio de una destilación simple se puede retener en el balón el sólido disuelto en un líquido (por ejemplo si se destila agua de mar, se vaporiza el líquido, el que luego es condensado y recogido, y en el balón permanecen las sales disueltas) ueltas) o si se trata de una solución formada por dos líquidos de puntos de

33 ebullición no próximos, primero va a destilar el líquido de menor punto de ebullición y luego el de mayor punto de ebullición (se suelen realizar “n” destilaciones simples para lograr una buena separación). En los casos en que los puntos de ebullición de los líquidos a separar sean próximos se utilizan columnas de destilación y el procedimiento se llama entonces de destilación fraccionada.

Método de Siwoloboff Este método tiene las ventajas de que puede ser usado con pequeñas cantidades de líquido y que los materiales a utilizar para armar el equipo son sencillos.

Calor Dentro del pequeño tubo se ubica la sustancia cuyo punto de ebullición se quiere determinar y un pequeño capilar cerrado en un extremo con la parte abierta sumergida en el líquido. Este capilar hace de manómetro indicando cuando la presión de vapor es igual a la presión atmosférica. Se anota la temperatura de ebullición en el momento en que cesa el burbujeo del capilar e ingresa el líquido en el mismo

Bibliografía Brown Theodore L., Lemay Eugene H., Bursten Bruce E. ; “Química: La Ciencia Central”, Séptima Edición; Editorial Prentice Hall.

34 Luder W. F., Arthur P. Vernon, Saverio Zuffanti; “Química General”; Editorial Alhambra S.A. Masterton William L. ,Slowinski Emil J, Stantniski Conrad L. ; “Química General Superior”, Sexta Edición; Editorial Mcgraw Hill. Raymond Chang; “Química”, Sexta Edición; Editorial Mcgraw Hill Interamericana Editores S.A. De C.V. Whitten Kenneth W., Davis Rymond E., Peck M Larry; “Química General”, Quinta Edición; Editorial Mcgraw Hill

QUIMICA GENERAL REACCIONES QUÍMICAS Reacción Química o cambio químico: es una transformación que experimenta la materia en la cual una o más sustancias llamadas “sustancias reaccionantes” o “reactivos” se convierten en otra u otras llamadas “productos de reacción”, o simplemente “productos”. Ecuación Química: es una descripción del cambio químico, mediante fórmulas químicas y factores numéricos llamados “coeficientes estequiométricos”. Coeficientes estequiométricos: son factores numéricos que se utilizan para balancear las ecuaciones químicas y representan el número relativo de moles de reactivo y productos que intervienen en una reacción química. El balance de las ecuaciones tiene por objetivo cumplir con la ley de conservación de la masa, que establece que en una reacción química ordinaria no hay cambio detectable de masa, esto significa que el número de átomos de un sistema es el mismo antes y después de la reacción. Clasificación de las reacciones químicas: Las reacciones químicas pueden clasificarse como: 1- Reacciones de combinación 2- Reacciones de desplazamiento 3- Reacciones de descomposición 4- Reacciones de metátesis o doble desplazamiento 5- Reacciones de oxidación-reducción o redox

1- Reacciones de combinación: Son cambios químicos en los cuales dos o mas sustancias reaccionan para formar un compuesto. Pueden producirse mediante: I) La combinación de dos elementos para formar un compuesto: Ejemplos: H2 (g) + F2 (g) → 2 HF(g) Mg(S) + Cl2 (g) → MgCl2 (S)

A + B → AB

35 2 Ca(S) + O2 (g) → 2 CaO (S) II) La combinación de un elemento y un compuesto para formar un nuevo compuesto: A + BC → ABC

Ejemplos: O2 (g) + 2 CO (g) → 2 CO2 (g) O2 (g) + 2 NO(g) → 2 NO2 (g)

III) La combinación de dos compuestos para formar un nuevo compuesto: AB + CD → ABCD

Ejemplos: CO2 (g) + H2O(L) → H2CO3 (ac)

BaO (S) + H2O(L) → Ba(OH)2 (ac) CaO (S) + SO3 (g) → CaSO4 (S) 2- Reacciones de desplazamiento: Son cambios químicos en los cuales un elemento desplaza a otro en un compuesto: A + BC → AB + C Ejemplos: Zn (S) + CuSO4 (ac) → ZnSO4 (ac) + Cu (S) Fe (S) + 2 HCl (ac) → FeCl2 (ac) + H2 (g) 2 K (S) + 2 H2O(L) → 2 KOH (ac) + H2 (g) 3- Reacciones de descomposición: Son cambios químicos en los cuales un compuesto se descompone para producir: I) Dos elementos:

Ejemplos: 2 H2O(L) 2 HgO (S)

AB → A + B →

2 H2 (g) + O2 (g)

→ 2 Hg (L) + O2 (g)

II) Un elemento y uno o más compuestos: ABC → A + BC ABCD → A + BD + CD Ejemplos: 2 KClO3 (S) → 3 O2 (g) + 2 KCl (S) 3 PbO2 (S) → O2 (g) + Pb3O4 (S) (NH4)2Cr2O7 (S) → N2 (g) + 4 H2O(g) + Cr2O3 (S) III) Dos compuestos Ejemplo: BeCO3 (S) → BeO (S) + CO2 (g)

ABC → AC + BC

36 4- Reacción de metátesis o doble desplazamiento: son cambios químicos en los cuales dos compuestos reaccionan para dar dos nuevos compuestos sin que se produzcan cambios en los números de oxidación de los elementos que los forman. AB + CD → AC + BD Ejemplos:

NaOH (ac) + HCl (ac) → NaCl (ac) + H2O (L) Ca(OH)2 (ac) + 2 HNO3 (ac) → Ca(NO3)2 (ac) + 2 H2O (L) BaCl2 (ac) + Na2SO4(ac) → BaSO4 (S) + 2 NaCl (ac)

5- Reacciones de oxidación-reducción: son cambios químicos en los cuales se modifican los números de oxidación de algunos de los elementos como consecuencia de una transferencia de electrones entre los reactivos. En todas las reacciones redox, la oxidación y la reducción ocurren en forma simultánea, y el aumento y disminución totales, en el número de oxidación es siempre el mismo. La reacción de combinación del hidrógeno y del flúor es una reacción redox: H2 (g) + F2 (g) → 2 HF (g) El hidrógeno incrementa su número de oxidación de 0 (cero) a +I, el hidrógeno se oxida, es decir es el agente reductor. El número de oxidación del flúor disminuye desde 0 (cero) a –I, por lo tanto se reduce, es decir es el agente oxidante. Para balancear reacciones de oxido-reducción más complejas se utiliza el método del ión-electrón.

Una reacción determinada puede ser de dos tipos o más y en general pueden hacerse las siguientes generalizaciones: - Las reacciones de metátesis nunca son redox. - Las reacciones de desplazamiento, combinación o descomposición en las que intervienen sustancias simples como reactivos o productos, son reacciones redox.

Bibliografía Brown Theodore L., Lemay Eugene H., Bursten Bruce E. ; “Química: La Ciencia Central”, Séptima Edición; Editorial Prentice Hall. Masterton William L. ,Slowinski Emil J, Stantniski Conrad L. ; “Química General Superior”, Sexta Edición; Editorial Mcgraw Hill. Raymond Chang; “Química”, Sexta Edición; Editorial Mcgraw Hill Interamericana Editores S.A. De C.V. Whitten Kenneth W., Davis Rymond E., Peck M Larry; “Química General”, Quinta Edición; Editorial Mcgraw Hill

37

QUIMICA GENERAL DISOLUCIONES Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias químicas en proporciones variables. Esta mezcla homogénea está formada por sustancias que reciben el nombre de componentes. Uno de los componentes se llama disolvente o solvente y el otro soluto, generalmente el disolvente suele ser el componente que no cambia de estado al efectuarse la disolución y, en el supuesto caso de que más de una de las sustancias que componen la mezcla no cambie de estado el disolvente será el que se encuentre en mayor proporción. A pesar de esto, la diferenciación entre el soluto y el disolvente en la mayoría de las disoluciones se realiza casi siempre de modo convencional. Es decir el disolvente o solvente es la sustancia que se halla en mayor proporción en una disolución, la cual tendrá un estado (sólido, líquido, gaseoso) igual al estado de la disolución. El soluto es la sustancia que se disuelve en el solvente, es la sustancia que se halla en menor proporción en una disolución. Si ambos, soluto y disolvente, existen en igual cantidad (como un 50% de etanol y 50% de agua en una disolución), la sustancia que es más frecuentemente utilizada como disolvente es la que se designa como tal (en este caso, el agua). Una disolución puede estar formada por uno o más solutos y uno o más disolventes. Características de las disoluciones I.- Son mezclas homogéneas, con propiedades intensivas iguales en todos sus puntos. Las sustancias pueden hallarse en forma de átomos (como el Cu y el Zn en el latón), iones (como el KCl disuelto en agua) o moléculas (como el azúcar común disuelto en agua). II.- La cantidad de soluto y la cantidad de disolvente se encuentran en proporciones que varían entre ciertos límites. La proporción en que tengamos el soluto en el seno del disolvente depende del tipo de interacción que se produzca entre ellos. Esta interacción está relacionada con la solubilidad del soluto en el disolvente. Una disolución que contenga poca cantidad de soluto será una disolución diluida. A medida que aumente la proporción de soluto tendremos disoluciones más concentradas, hasta que el disolvente no admite más soluto, entonces la disolución es saturada. Por encima de la saturación tenemos las disoluciones sobresaturadas. Por ejemplo, 100g de agua a 0 ºC es capaz de disolver hasta 37,5g de NaCl, pero si mezclamos 40g de NaCl con 100g de agua a la temperatura señalada, quedará una solución sobresaturada. III.- Las propiedades físicas (como la densidad) dependen de su concentración: • Disolución HCl 12 M δ = 1,18 g/cm3 • Disolución HCl 6 M δ = 1,10 g/cm3 IV.- Sus componentes se separan por cambios de fases, como la fusión, evaporación, condensación, etc. Clasificación de las disoluciones Las disoluciones por su concentración se clasifican en: no saturadas, saturadas y sobresaturadas.

38 Por su estado de agregación se clasifican en: sólidas, líquidas y gaseosas. El estado en el que se encuentren el soluto y el disolvente puede ser sólido, líquido o gaseoso. Pero si el disolvente está en estado sólido la disolución se clasificará como sólida, si se encuentra en estado líquido, diremos que se trata de una disolución líquida y cuando el disolvente esté en estado gaseoso, denominaremos a la disolución como gaseosa. I.- Soluciones sólidas: a) Sólido en sólido: aleaciones como Zn en Cu (latón), Ag en Au (oro de 14 kilates), C en Fe (acero), Sn en Cu (bronce) Las aleaciones se hacen mezclando dos o más metales fundidos o un metal con un no metal b) Gas en sólido: H2 en Pd,; H2 en V; H2 en Ni. Numerosos metales, en especial los pertenecientes a los elementos de transición tienen la capacidad de adsorber moléculas y átomos de gases los cuales se ubican en los espacios o intersticios que quedan entre los átomos que forman el metal. El tamaño del hueco es tal que permite la captación de numerosos gases, en particular moléculas de H2. c) Líquido en sólido: Hg en Ag (amalgama dental), Hg en Sn

II – Soluciones líquidas a) Líquido en líquido: C2H5OH (alcohol) en H2O; HCl en H2O; CH3COOH (ácido acético) en H2O b) Sólido en líquido: KI en H2O; Na2CO3 en H2O; AgNO3 en H2O c) Gas en líquido: O2 en H2O; CO2 en H2O; Cl2 en H2O III– Soluciones gaseosas a) Gas en gas: O2 en N2 (aire seco); C3H8 (propano) en C4H10 (butano) b) Líquido en gas: gotas de H2O en la atmósfera (aire húmedo) c) Sólido en gas: partículas de C en el aire Cabe destacar que las disoluciones más comunes son las líquidas, donde el disolvente es el agua y el soluto un sólido o un líquido. La mayoría de las reacciones químicas, en particular las de importancia biológica, ocurren en soluciones líquidas. El estudio de las reacciones en soluciones gaseosas es importante para el conocimiento de la química de la atmósfera que está directamente vinculada con algunos problemas de contaminación ambiental. Concentración En cualquier discusión de disoluciones, el primer requisito consiste en poder especificar sus composiciones, esto es, como está expresada la cantidad de soluto presente. La misma, referida a una cierta cantidad de solvente o solución, se denomina concentración del soluto en la solución o simplemente concentración. Es decir la concentración de una disolución es la cantidad de soluto disuelta en una cantidad de disolvente o de disolución. Muchas propiedades de las disoluciones dependen exclusivamente de la concentración por eso su estudio resulta de interés tanto para la física como para la química. La cantidad de soluto puede estar expresada en gramos, moles, equivalentes-gramo; la cantidad de disolución y de solvente pueden estar en gramos y en mL o L. La concentración haciendo una clasificación amplia se la puede expresar en unidades físicas y en unidades químicas. Unidades Físicas: I- Porcentaje de peso en peso: % P/P, esta concentración indica los gramos de soluto contenidos por cada 100 g de disolución II- Porcentaje de peso en volumen: % P/V, esta concentración indica los gramos de soluto contenidos por cada 100 mL de disolución III- Porcentaje de volumen en volumen: % V/V, esta concentración indica los mililitros de soluto contenidos por cada 100 mL de disolución.

39 IV- También son unidades físicas, partes por millón, ppm (1 parte contenida en 1 millón de partes) y partes por billón, ppb. Cuando en las unidades de porcentaje no se hace ninguna aclaración se considera que la concentración está expresada en % P/P Unidades Químicas I- Molaridad: M, expresa el número de moles de soluto por cada litro de disolución M=

número de moles de soluto número de moles de soluto o 1 litro de disolución 1000 mL de disolución

II- Normalidad: N, indica el número de equivalentes-gramos de soluto disueltos por cada litro de disolución N=

número de equivalentes - gramos de soluto número de equivalentes - gramos de soluto o 1 litro de disolución 1000 mL de disolución

III- Molalidad: m, expresa el número de moles de soluto por cada kilogramo de disolvente m=

número de moles de soluto número de moles de soluto o 1 kilogramo de disolvente 1000 g de disolvente

IV- Fracción molar, X. Esta concentración puede ser utilizada en disoluciones sólidas, líquidas y gaseosas. Supongamos una solución formada por los componentes A y B, las fracciones molares de los mismos se calculan: número de moles del componente A XA = número de moles del componente A + numero de moles del componete B

nA nA + nB De la misma manera,

en símbolos, XA =

XB =

número de moles del componente B número de moles del componente A + numero de moles del componete B

XB =

nB nA + nB

La suma de las fracciones molares de todos los componentes de una mezcla siempre es igual a la unidad. XA + XB = 1

Dilución Se llama dilución al procedimiento que se sigue para preparar una disolución de menor concentración a partir de otra de mayor concentración. Por ejemplo a partir de una disolución 3 M de HCl, mediante el agregado de disolvente (H2O) puede obtenerse una disolución más diluida. Al efectuar una dilución se añade más disolvente a una cantidad dada de la solución concentrada, por ende la concentración cambia (disminuye), pero no se modifica la masa, ni el número de equivalentes-gramos, ni los moles de soluto. En todos los casos se cumple: masa de soluto antes de la dilución = masa de soluto después de la dilución número de eq-g de soluto antes de la dilución = número de eq-g de soluto después de la dilución número de moles de soluto antes de la disolución = número de moles de soluto después de la dilución

40 Si a la disolución más concentrada llamamos “1” y a la más diluida “2” se puede generalizar: C1 . V1 = C2 . V2 Así se cumple que : M1 .V1 = M2 .V2 N1 .V1 = N2 .V2 La relación también se cumple para diluciones cuando el soluto es agua oxigenada, cuya concentración generalmente se halla expresada en “volúmenes”. Bibliografía: Brewster R. Q. “Química Orgánica”. Edit: Medico Quirurgica. 4ta Edición, 1963 Brown T. L., Lemay H. E., Jr, Bursten B. E.. “Química La Ciencia Central”. Editorial: Pearson Educación. 7ma Edición 1998 Brescia, Arents, Meislich, Turk. “Fundamentos De Química. Métodos De Laboratorio Químico”. Compañía Editorial Continental S.A. Chang Raymond “Química”. Editorial Mc Graw Hill. 6ta Edición 1999 Chang, Raymond. “Principios Esenciales de Química General” 4ª Edición. Editorial Mc Graw Hill. 2006 Burns R. A.. “Fundamentos De Química”. Edititorial: Prentice Hall. 2da Edición. QUIMICA GENERAL VOLUMEN MOLAR NORMAL DE UN GAS Masa Atómica Relativa (Ar). Los átomos son partículas extremadamente pequeñas, como comparación: una partícula de polvo contiene aproximadamente 1.1016 átomos, por esa razón es más práctico trabajar con masa relativa de los átomos, que nos indica cuanto es más pesado un átomo que otro, para ello es necesario definir una unidad de referencia. Actualmente, por acuerdo internacional la unidad de referencia es exactamente la doceava parte de la masa absoluta del isótopo 12 del carbono, a esta unidad se la denomina unidad de masa atómica (uma). Al fijarse ésta, se la utiliza para medir la masa atómica relativa de todos los elementos. La masa atómica relativa (peso atómico) de un elemento es un número que indica cuantas veces es más pesado el elemento que la unidad de masa atómica (uma). La Ar no tiene unidades, es adimensional por ser una cantidad relativa. El valor de la masa atómica relativa de cualquier elemento se saca de la Tabla Periódica de los Elementos. Masa Molecular Relativa (Mr). Se refiere a las masas relativas que tienen las moléculas de las diferentes sustancias. La masa molecular relativa o masa molecular o peso molecular de una sustancia es un número que indica cuantas veces es más pesada la molécula de la sustancia que la unidad de masa atómica. Es posible calcular las masas moleculares relativas de las moléculas a partir de las masas atómicas relativas de los átomos que las forman. Masa Molar (M). La masa molar se refiere a la masa que tiene un mol de átomos de cualquier elemento o la masa correspondiente a un mol de moléculas de cualquier sustancia. La masa molar de un mol de átomos es igual a la masa atómica relativa expresada en g/mol

M = Ar g/mol Ejemplo. La Ar del cloro es 35,45, por lo tanto M = 35,45 g/mol Este ejemplo indica que 6,022.1023 átomos de cloro tienen una masa de 35,45 g La masa molar correspondiente a un mol de moléculas es igual a Mr expresada en g/mol

M = Mr g/mol Ejemplo. La Mr del H2O es 18, por lo tanto M = 18 g/mol Este ejemplo indica que 6,022.1023 moléculas de agua tienen una masa de 18 g

41 Mol: Es una de las siete unidades básicas de medición del Sistema Internacional. Se define como la cantidad de sustancia que contiene tantas unidades fundamentales como átomos de carbono individuales hay en exactamente 12 gramos del isótopo 12 del carbono. Las unidades fundamentales pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, protones, etc. Número de Avogadro: El número de Avogadro representa el número de átomos de carbono individuales que hay en exactamente 12 g del isótopo 12 del carbono. Su valor ha sido determinado por numerosos métodos, el aceptado para los cálculos es 6,022.1023 NA = 6,022.1023 partículas/mol Volumen molar normal de un gas (Vm): Se define como el volumen que ocupa un mol de cualquier gas, en condiciones normales de presión y temperatura (CNPT). Vm = 22,4 L/mol CNPT: significa que la presión es igual a 1 atmósfera (atm), es decir 760 mmHg y la temperatura 0º C, o sea 273 K Puede determinarse el valor del volumen molar de un gas, mediante el empleo de la masa molar del gas (en g/mol ) y utilizando como factor de conversión, la densidad del mismo ( en CNPT.) Por ejemplo, el gas nitrógeno (N2) tiene M: =28,0 g/mol y δ = 1,25 g/L Por lo tanto, el volumen molar normal del nitrógeno es: 28,0 g N2 1 mol N2

.

1L 1,25 g

= 22,4 L/ mol

Con un equipo sencillo puede comprobarse en el laboratorio el valor del volumen molar normal de un gas. El gas elegido debe ser fácil de obtener, no debe reaccionar con el agua y debe ser relativamente insoluble en ella (los gases tienden a escapar de sus recipientes, por eso conviene obtenerlo y recolectarlo sobre agua), esas condiciones reúne el gas hidrógeno que puede obtenerse por la reacción entre el magnesio y el ácido clorhídrico según la reacción: Mg(S) + 2 HCl (ac) → H2 (g) + MgCl2 (ac) 1 mol 2 mol 1 mol 1 mol 24,312 g 2 . 36,450g 2,000 g 95,212g 22,4 L CNPT A partir de una masa conocida de magnesio y con cantidad suficiente de solución de ácido clorhídrico se obtiene de acuerdo a la relación estequiométrica un determinado volumen de gas hidrógeno en condiciones ambientales, usando la ecuación general de los gases ideales o ley del gas ideal, se lo reduce a las condiciones normales, luego se lo relaciona con lo que se obtendría con la masa de un mol de magnesio y el valor así obtenido representa el volumen de un mol de hidrógeno en CNPT calculado a partir de datos experimentales. Antes de pesar el trozo de cinta de magnesio a utilizar se debe eliminar la capa superficial de óxido que lo acompaña, sumergiéndola en solución diluida de HCl, hasta que quede brillante, la ecuación de la reacción que ocurre durante este proceso es: MgO + 2 HCl → H2O + MgCl2 . Esto es indispensable porque de lo contrario, al finalizar la reacción, el volumen de gas recogido será inferior al esperado para la masa de magnesio, ya que el MgO al reaccionar con HCl da agua y no hidrógeno. El esquema del dispositivo a armar es el siguiente: Probeta gasométrica

Solución de HCl

42

Hilo con el cual se sujeta la cinta de Mg

Agua

Tubito con cinta de Mg adentro Cuando se verifica que el magnesio reaccionó completamente con la solución de HCl conviene esperar 25 a 30 minutos para asegurarse un equilibrio de temperatura. Luego se procede a anotar el volumen de hidrógeno, la temperatura ambiente, la presión atmosférica y se mide con una regla la altura de la columna líquida en la probeta gasométrica y hasta el nivel del líquido. En la probeta gasométrica coexisten dos fases, una gaseosa formada por hidrógeno y vapor de agua y una columna líquida (solución acuosa diluida de HCl, que se agrega en exceso para la reacción con el magnesioy MgCl2, producto de la reacción). El volumen de gas leído corresponde al volumen de hidrógeno, ya que en una mezcla gaseosa, cada gas se expande uniformemente ocupando el volumen disponible, no ocurre lo mismo con la presión ya que la presión en la mezcla gaseosa va a ser la ejercida por el hidrógeno y el vapor de agua. Por lo tanto en nuestro sistema las presiones ejercidas dentro de la probeta gasométrica van a ser ejercidas por el hidrógeno, el vapor de agua y la columna líquida, esas presiones están equilibradas por la presión atmosférica aplicada sobre el nivel de la superficie del líquido en el cristalizador: P atm = PH + P vapor de agua + P columna líquida 2

Si deseamos calcular la presión parcial que ejerce el gas hidrógeno: PH2 =

Patm – Pvap. de agua – P columna

líquida

(1)

La presión atmosférica se determina con un barómetro y se toma como medida de la misma a la altura de la columna de mercurio que a 0º C y con aceleración normal de la gravedad equilibra a la presión atmosférica. La presión de vapor de agua se obtiene de tablas, depende de la temperatura ambiente y está expresada en mm de Hg (aquí se comete un pequeño error experimental, ya que la columna líquida no es de agua pura sino de una solución diluida de HCl y MgCl2, la presencia de estas sustancias reduce ligeramente la presión de vapor, pero la aproximación es válida, porque el error no es significativo). La presión que ejerce la columna líquida depende de su longitud y se mide con una regla. Las presiones atmosférica y de vapor de agua se encuentran expresadas en mm de Hg y la de la columna líquida en mm de agua, para hacer operable la expresión (1) deberemos efectuar una conversión. El teorema general de la hidrostática postula que la presión ejercida por una columna líquida es directamente proporcional a su altura, la constante de proporcionalidad es el peso específico del líquido. P columna de agua = ρ agua . h agua en cambio: P columna de Hg = ρ Hg . h Hg Para averiguar “qué altura de la columna de mercurio” ejercería la misma presión que la altura de la columna de agua, primero debemos condicionar que: P columna de agua = P columna de Hg Por lo tanto:

ρ agua . h agua =

ρ Hg . h Hg , despejando: h Hg =

ρ agua . h agua ρ Hg

(2)

El peso específico del agua = 1 gr /cm3 y el del mercurio = 13,6 gr /cm3 (datos obtenidos de tablas) Por lo que reemplazando en (2), la expresión para transformar los mm de agua en mm de mercurio queda:

43 3

h Hg =

1 gr/cm . h agua 13,6 gr/cm

3

=

h agua 13,6

Una vez calculada la presión parcial ejercida por el hidrógeno con la expresión (1), usando la expresión de la ecuación de la ley de los gases ideales se podrá pasar el volumen leído en las condiciones ambientales a las condiciones normales: P.V T

Volumen en condiciones normales Vo =

=

P0 . V0 T0

P . V. T 0 T. P 0

Donde: P = PH (calculada con la expresión 1) V = V H (leído en la probeta gasométrica) T0 = 273 K T = 273 + t (temperatura ambiente) P0 = 760 mmHg 2

2

El volumen así calculado es el volumen de hidrógeno obtenido en el laboratorio, como resultado de la reacción de m gramos de magnesio con una cantidad de solución de HCl en exceso, pasado a las condiciones normales de presión y temperatura. Para calcular volumen molar normal del gas bastará realizar la relación estequiométrica: CNPT

Mg (s) + 2 HCl (ac) → MgCl2 (ac) + H2 (g) 1 mol 1 mol 24,312 g Volumen molar normal

V 0 mL H 2 volumen molar normal = masa experimental de Mg 24,312 g Mg Volumen molar normal del hidrógeno =

V 0 mL hidrógeno . 24,312 g/mol de magnesio masa de magnesio

Bibliografía Fernandez Y Galloni: “Prácticas De Física”. Findlay: “Práctica De Físico Química”. Rown T. L., Lemay H. E., Jr, Bursten B. E.. “Química La Ciencia Central”. Editorial: Pearson Educación. 7ma Edición 1998 Chang R.. “Química”. Edit: Mc Graw Hill. 6ta Edición 1999 Burns R. A.. “Fundamentos De Química”. Edititorial: Prentice Hall. 2da Edición.

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