Termodinmica de disolucin de Brax

Laboratorio 5.
Termodinámica de disolución de Bórax
Objetivo
-
Determinar el producto de solubilidad de bórax como función de la
temperatura.
-
Determinar los cambios de energía de Gibb’s libre estándar, la entalpía
estándar y entropía estándar para la disolución de Bórax en solución
acuosa.
Introducción
Bórax, Na2B4O5(OH)4·8H2O, disuelve levemente en agua para dar iones sodio,
anion borato y agua de acuerdo a la siguiente ecuación ( 5-1)
1+
Na2B4O5(OH)4·8H2O(s)↔ 2Na
+ B4O5(OH)4
(aq)
2(aq)
+ 8H2O(l)
( 5-1)
El producto de solubilidad, Ksp, es igual al producto de las concentraciones
molares de los iones, cada uno elevados a sus respectivos coeficientes
estequiometricos en la ecuación balanceada.
Como consecuencia de la titulación y de acuerdo a la estequiometria de la
disolución de Bórax, la concentración molar del ion sodio en la solución saturada
es dos veces que la determinada experimentalmente del anion B4O5 (OH ) 4 2− .
[Na+] = 2x[ B4O5 (OH ) 4 2− ]
( 5-2)
El producto de solubilidad del bórax a la temperatura medida, por lo tanto es:
Ksp = [Na+]2[ B4O5 (OH ) 4 2− ] = [2x[ B4O5 (OH ) 4 2− ]]22x[ B4O5 (OH ) 4 2− ]= 4 [ B4O5 (OH ) 4 2− ]3
( 5-3)
Ksp = 4 x Molaridad Borax = 4 [ B4O5 (OH ) 4 2− ]3
( 5-4)
El anion B4O5 (OH ) 4 2− es la base conjugada del ácido bórico débil y es capaz de
aceptar dos protones de una ácido fuerte en solución acuosa:
B4O5 (OH ) 4 2− (aq) + 2 H+(aq) + 3H2O (l) ⇔ 4 H3BO3 (aq)
( 5-5)
Por lo tanto la concentración molar del anion en una solución saturada de Bórax
puede ser medida por análisis titrimetrico de una solución de bórax usando una
solución de ácido clorhídrico estandarizada como titulante.
La energía libre de un proceso químico es proporcional a su constante de
equilibrio de acuerdo a la ecuación:
0
∆G = -RTln(Ksp)
( 5-6)
Donde R es la constante de los gases y T es la temperatura en K.
Adicionalmente, el cambio en energía para un proceso químico es función del
cambio en entalpía, y el cambio de entropía para un proceso :
0
0
0
∆G = ∆H - T∆S
( 5-7)
Cuando las dos expresiones son iguales para una sal levemente soluble,
0
0
-RTln(Ksp)= ∆H - T∆S
( 5-8)
Rearreglando y resolviendo para lnKsp,
ln Ksp =
−∆H 0 1 ∆S 0
+
R T
R
(5-9)
Una relación lineal existes cuando los valores de LnKsp son obtenidos a varias
temperaturas y se grafican como función del inverso de estas temperaturas. La
pendiente negativa es igual a
−∆H 0
y el intercepto (cuando x=0) es igual a
R
0
0
∆S 0
. Puesto que R es una constante los valores de ∆H y ∆S son fácilmente
R
calculados.
Procedimiento
Precauciones:
-
No transfiera ningún sólido de Bórax para la titulación.
-
No olvide agitar constantemente antes de que se alcance el
equilibrio.
-
Para asegurar la formación de solución saturada, bórax sólido
siempre debe estar presente en la solución. Adicione mas bórax
si es necesario.
-
Si después de haber transferido alícuotas a determinada
temperaturas, la solución saturada queda con poca agua,
puede adicionar más.
Estandarización del HCl
Pese aproximadamente 0.500 gramos de carbonato de sodio (Na2CO3). Agregue
20 mL de agua destilada. Titule con HCl 0.1 M utilizando naranja de metilo como
indicador (cambia de color amarillo a rojo claro). Haga este procedimiento una
vez más y tabule sus datos.
Determinación de Ksp a diferentes temperaturas
En el laboratorio usted encontrara el siguiente montaje:
Solucion saturada
de Borax
Controlador de
temperatura
Figure 5-1. Montaje Experimental
1. Coloque el baño a 350C y espere que alcance esta temperatura.
2.
Permitir que el bórax se siente en el fondo del tubo hasta que la solución
este clara (eso tomara varios minutos, sea paciente). Después que halla
transcurrido este tiempo, el equilibrio se ha alcanzado.
3. Cuando el equilibrio térmico se halla alcanzado transfiera dos alícuota
5.00 mL de la solución clara con una pipeta aforada y transfiera cada
alícuota a un erlenmeyer (el cual previamente debe tener 10 mL de agua
destilada).
4. Titule estas soluciones con HCl 0.1 M (previamente valorizado) utilizando
verde de bromocresol como indicador (cambia de azul a amarillo claro).
5. Repita este procedimiento para 250C, 150C y 50C, para un total de 8
muestras. Anote todos sus datos en su tabla de datos
Cálculos
Determinación de la concentración real del HCl (M)
1.
VHCl (L)=
VHCl (mL)
1000
2. Moles de Na 2CO3 = gramos de Na 2CO3 x
1 mol
(PM)
106 g
3. Moles de HCl= Moles de Na 2CO3 x 2
4. Molaridad HCl (M)=
Moles de HCl 3
=
V HCl(L)
1
Exprese la molaridad como el promedio.
Determinación del producto de solubilidad (Ksp) para el bórax
El anion B4O5 (OH ) 4 2− es la base conjugada del ácido bórico débil y es capaz de
aceptar dos protones de una acido fuerte en solución acuosa:
B4O5 (OH ) 4 2− (aq) + 2 H+(aq) + 3H2O (l) ⇔ 4 H3BO3 (aq)
Por lo tanto la concentración molar del anion en una solución saturada de Bórax
puede ser medida por análisis titrimetrico de una solución de bórax usando una
solución de ácido clorhídrico estandarizada como titulante.
2−
⎛ moles HCl ⎞ 1mol B4O5 (OH )4
5. mol B4O5 (OH )42− = volumen HCl(L)xMolaridad HCl ⎜
⎟x
L
2 moles HCl
⎝
⎠
6.
Vsample (L)=
Vsample (mL)
1000
7. Molaridad B4O5 (OH )42− =
molesB4O5 (OH )42− 5
=
Volumen muestra(L) 6
8. Molaridad B4O5 (OH )42− = Molaridad Borax
Como consecuencia de la titilación y de acuerdo a la estequiometria de la
disolución de Bórax, la concentración molar del ion sodio en la solución saturada
es dos veces que la determinada experimentalmente del anion B4O5 (OH ) 4 2− .
[Na+] = 2x[ B4O5 (OH ) 4 2− ]
El producto de solubilidad del bórax a la temperatura medida, por lo tanto es:
Ksp = [Na+]2[ B4O5 (OH ) 4 2− ] = [2x[ B4O5 (OH ) 4 2− ]]22x[ B4O5 (OH ) 4 2− ]= 4 [ B4O5 (OH ) 4 2− ]3
9. Ksp = 4 x Molaridad Bórax = 4 [ B4O5 (OH ) 4 2− ]3
Determinar los valores de solubilidad molar y producto de solubilidad a cada
temperatura. Tabule sus cálculos de la siguiente forma
T (C )
MOLES
MOLARIDAD
MOLARID
B4O5 (OH ) 4 2−
DE
AD
B4O5 (OH ) 4
2−
BORAX
KSP
Para la construcción de la grafica experimental
Exprese la temperatura en grados Kelvin. Construye una Tabla de la siguiente
forma.
T (K) = C + 273.15
TEMPERATURA (K)
KSP
1/T
LN KSP
Grafique lnKsp (Eje x) Vs 1/T(K) (Eje y) para todos valores. Halle ∆Ho, ∆So y
∆Go usando la siguiente ecuación:
ln Ksp =
−∆H 0 1 ∆S 0
+
R T
R
Referencias
http://www.ccri.edu/chemistry/courses/CHEM_1100/Wirkkala/Labs/Thermodyna
mics_of_Borax_Dissolution.pdf#search=%22%20borax%20dissolution%22