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La depresión del punto de congelación es el fenómeno que se observa cuando el punto de congelación de una solución es menor que el del disolvente puro.
Este fenómeno es el resultado de las interacciones entre las moléculas de soluto y disolvente. La diferencia en las temperaturas de congelación es directamente proporcional al número de partículas de soluto disueltas en el disolvente.
La masa molar de un soluto no volátil se puede calcular a partir de la diferencia en las temperaturas de congelación si se conocen las masas del solvente y el soluto en la solución.
Este video presentará la relación entre la depresión del punto de congelación y la masa molar del soluto, un procedimiento para determinar la masa molar de un soluto desconocido y algunas aplicaciones del mundo real para inducir y observar cambios en la temperatura de congelación.
La depresión del punto de congelación es una propiedad coligativa, lo que significa que solo se ve afectada por la proporción de partículas de soluto a solvente, y no por su identidad.
En el punto de congelación de una sustancia pura, las tasas de fusión y congelación son iguales.
Cuando una solución se enfría hasta el punto de congelación de su solvente, las moléculas de solvente comienzan a formar un sólido. Es menos favorable energéticamente para formar una red mixta de partículas de solvente y soluto. Las partículas de soluto permanecen en la fase de solución. Solo las interacciones solvente-solvente contribuyen a la formación de red, por lo que las interacciones solvente-soluto reducen la velocidad de congelación en comparación con la del solvente puro.
La temperatura a la que comienza la congelación es el punto de congelación de la solución. La solución continúa enfriándose a medida que se congela, pero esta disminución continua de la temperatura refleja el aumento de la concentración de soluto en la fase de solución.
Eventualmente, la temperatura de la solución es tan baja y queda tan poco solvente en la fase líquida que se vuelve favorable para que las partículas de soluto formen una red. Una vez alcanzado este punto, la temperatura permanece aproximadamente constante hasta que la mezcla se haya congelado.
La masa molar del soluto y, por lo tanto, la identificación del soluto, se puede determinar a partir de la relación entre el punto de congelación del solvente puro, el punto de congelación de la solución y la molalidad de la solución. La molalidad, o m, es una medida de la concentración en moles del soluto por kilogramo del solvente. Esta relación depende de la constante de depresión del punto de congelación del disolvente y del número de partículas de soluto producidas por unidad de fórmula que se disuelve.
La molalidad se puede expresar en términos de masa molar, por lo que la ecuación se puede reorganizar para resolver la masa molar del soluto. Conectar esto a la ecuación del punto de congelación permite la elucidación de la masa molar, una vez que se conoce la diferencia de temperatura. Ahora que comprende el fenómeno de la depresión del punto de congelación, repasemos un procedimiento para determinar la masa molar de un soluto desconocido a partir de temperaturas de punto de congelación. El soluto es una molécula orgánica no iónica y no volátil que produce una partícula por unidad de fórmula disuelta, y el solvente es ciclohexano.
Para comenzar este experimento, conecte la sonda de temperatura a la computadora para la recopilación de datos. Inserte la sonda de temperatura y un agitador en el recipiente de muestras.
Establezca la duración de la recopilación de datos y la tasa de muestreo. Deje suficiente tiempo en la recolección de datos para que la muestra se congele.
Establezca los límites superior e inferior del rango de temperatura para muestrear.
Agregue 12 ml de ciclohexano a un tubo de ensayo limpio y seco. Limpie la sonda de temperatura con una toallita Kimwipe. Inserte el conjunto del tapón en el tubo de ensayo de manera que la punta de la sonda de temperatura quede centrada en el líquido y no toque los lados o el fondo.
En un vaso de precipitados, prepare un baño de agua helada. A continuación, inicie la recopilación de datos de temperatura.
Coloque el tubo de ensayo en el baño de agua helada, asegurándose de que el nivel de líquido en el tubo de ensayo esté por debajo de la superficie. Revuelva continuamente el líquido a una velocidad constante.
Una vez que comience la congelación, permita que la recopilación de datos continúe hasta que la parcela se haya estabilizado a una temperatura constante. Este es el punto de congelación del ciclohexano puro. Retire el tubo de ensayo del baño de agua helada y deje que se caliente a temperatura ambiente.
Una vez que el ciclohexano se haya derretido, pese con precisión el material sólido desconocido en papel de pesaje. Retire el tapón del tubo de ensayo y agregue el sólido. Evite que el compuesto se adhiera al tubo de ensayo.
Vuelva a colocar el tapón y revuelva la solución hasta que el sólido se disuelva por completo. Es importante que no queden cristales sólidos.
Establezca los parámetros para la recopilación de datos y prepare un baño de agua helada dulce. Comience la recolección, coloque el tubo de ensayo en el baño y revuelva continuamente a una velocidad constante. Una vez que comienza la congelación, el punto de congelación continúa disminuyendo debido al aumento de la concentración de soluto. Continúe recopilando datos hasta que la pendiente de esta disminución sea evidente. Cuando el experimento haya terminado, deje que la solución del compuesto desconocido se caliente a temperatura ambiente y luego deséchela de acuerdo con los procedimientos para desechos orgánicos.
En este experimento, se sabe que la sustancia desconocida es uno de los cinco compuestos posibles: bifenilo, bromoclorobenceno, naftaleno, antraceno y dibromobenceno. La identidad de lo desconocido se puede determinar comparando su masa molar con estas sustancias conocidas.
El soluto desconocido produce una partícula por unidad de fórmula disuelta. Para calcular la masa molar del compuesto desconocido, se necesitan la constante de depresión del punto de congelación del ciclohexano, la masa del soluto y el solvente utilizados, y la diferencia en las temperaturas de congelación.
En este ejemplo se utilizaron 0,147 g del soluto desconocido. La constante de depresión del punto de congelación del ciclohexano es 20,2 ? C-kg por mol de soluto. La densidad y el volumen del ciclohexano se utilizan para calcular la masa del disolvente.
Los valores del punto de congelación del disolvente puro y el punto de congelación de la solución se determinan a partir de las parcelas.
Si se sabe que el compuesto es uno de los pocos compuestos posibles, como en este experimento, la masa molar simplemente se puede comparar con esos compuestos. De las cinco opciones proporcionadas para este experimento, la naftalina es la que más se acerca.
El fenómeno de la depresión del punto de congelación tiene muchas aplicaciones tanto dentro como fuera del laboratorio.
Se prefiere el cloruro de calcio al cloruro de sodio para tratar las carreteras heladas debido a los efectos de la depresión del punto de congelación. Como el cloruro de calcio libera una partícula más que el cloruro de sodio, deprime aún más el punto de congelación del agua y, por lo tanto, derrite el hielo a temperaturas más bajas.
En este estudio, se llevó a cabo un experimento de fusión con dos mezclas diferentes de hierro y azufre. La muestra con la fracción de masa más alta de azufre estaba completamente líquida a la temperatura del experimento, mientras que la muestra con menos azufre todavía era parcialmente sólida. Esto demuestra que con el aumento de impurezas, en este caso azufre, el punto de fusión observado es menor que para el sólido puro. Aquí, las diferencias de punto de fusión entre las dos muestras dan una idea de la formación del núcleo de la Tierra.
Acabas de ver la introducción de JoVE al uso de la depresión del punto de congelación para determinar la identidad de un compuesto desconocido. Ahora debe comprender el fenómeno de la depresión del punto de congelación, la relación entre la depresión del punto de congelación y la masa molar del soluto, y por qué el fenómeno es útil para una variedad de industrias.
¡Gracias por mirar!
