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Depressão do ponto de congelamento para determinar um composto desconhecido

Freezing-Point Depression to Determine an Unknown Compound

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Freezing-Point Depression to Determine an Unknown Compound

1.6: Determining the Solubility Rules of Ionic Compounds

1.14: Using Differential Scanning Calorimetry to Measure Changes in Enthalpy

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08:53 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratório de Lynne O’ Connell — Boston College

Quando um composto sólido é dissolvido em um solvente, o ponto de congelamento da solução resultante é menor do que o do solvente puro. Este fenômeno é conhecido como depressão de ponto de congelamento, e a mudança de temperatura está diretamente relacionada com o peso molecular do soluto. Este experimento foi projetado para encontrar a identidade de um composto desconhecido usando o fenômeno da depressão de ponto de congelamento para determinar seu peso molecular. O composto será dissolvido em ciclohexano, e o ponto de congelamento desta solução, bem como o de ciclohexano puro, será medido. A diferença entre essas duas temperaturas permite o cálculo do peso molecular da substância desconhecida.

Principles

Certas propriedades de uma solução diferem das de um solvente puro devido às interações que ocorrem entre as moléculas de soluto e solvente. As propriedades que exibem tais alterações são chamadas de propriedades colligativas e incluem redução da pressão de vapor, elevação de ponto de ebulição, depressão de ponto de congelamento e alterações na pressão osmótica. Essas propriedades dependem apenas do número de partículas dissolvidas no solvente, não da identidade das partículas. Uma partícula, neste caso, é definida como um íon ou uma molécula. Este experimento se concentra na propriedade da depressão de ponto de congelamento.

Quando um soluto em particular é dissolvido em um solvente, a seguinte expressão é verdadeira:

ΔT = T_f°– T_f = K_fm

Os termos T_{f f}e T_f referem-se às temperaturas de ponto de congelamento do solvente puro e da solução, respectivamente. O termo “m” indica a molalidade da solução, que é definida como o número de mols de soluto por 1.000 g de solvente. Esta quantidade é usada, em vez de molaridade, porque não é dependente de temperatura. A constante, K_f,é referida como a constante de depressão ponto de congelamento e depende apenas do solvente. A mudança de temperatura também depende do número de partículas de soluto na solução – quanto mais partículas presentes, maior a mudança de temperatura. Por esta razão, a equação anterior é às vezes escrita como:

T_f° – T_f = K_fim

onde i = o número de partículas soluto produzidas por unidade de fórmula que se dissolve. Em uma solução contendo um eletrólito, cada íon é considerado uma partícula.

Este experimento usa ciclohexano, um composto orgânico que é um líquido à temperatura ambiente, como o solvente. O composto desconhecido é uma molécula orgânica não iônica; portanto, eu sou igual a 1. O peso molecular deste composto desconhecido pode ser determinado observando o ponto de congelamento de uma solução do composto em ciclohexano e comparando-o com o ponto de congelamento do ciclohexano puro.

O ciclohexano composto tem um ponto de fusão (ou ponto de congelamento) de cerca de 6 °C. Uma série de temperaturas de ciclohexano puro são obtidas à medida que esfria da temperatura ambiente através de seu ponto de congelamento em um banho de gelo. Essas temperaturas são então traçadas em função do tempo. Da mesma forma, as temperaturas de uma solução do composto desconhecido dissolvido em ciclohexano são obtidas à medida que esfria até o ponto de congelamento, que também são plotados. As tramas devem ser semelhantes às tramas da Figura 1. Os valores T_f°e T_f podem ser extrapolados, como mostrado. Na Figura 1b,a temperatura não permanece totalmente constante à medida que a solução congela. O ponto de congelamento da solução é o ponto em que ela começa a congelar e é indicada graficamente por uma mudança na inclinação da curva temperatura-tempo.

A molalidade, m, de uma solução pode ser expressa em termos da massa molar do soluto:

Substituindo essa expressão na equação para depressão de ponto de congelamento (onde i = 1), obtém:

Reorganizando-se para resolver para massa molar, obtém:

O peso molecular (em amu) de uma substância tem o mesmo valor numérico que sua massa molar.

A substância desconhecida é um dos seguintes compostos:

Bifenil (C₁₂H₁₀)
2-Bromochlorobenzene (C₆H₄BrCl)
Naftalina (C₁₀H₈)
Anthraceno (C₁₄H₁₀)
1,4-Dibromobenzene (C₆H₄Br₂)

Figura 1. Figura 1a é um parcela de temperatura em função do tempo para a determinação de T_f°para o solvente puro. Figura 1b é um parcela de temperatura em função do tempo para a determinação de T_f para a solução.

Procedure

Uma sonda de temperatura interfaceda a um computador é usada para adquirir as leituras de temperatura neste experimento. A sonda de temperatura tem uma incerteza de ±0,1 °C.

1. Definindo os parâmetros no software

Defina o comprimento do experimento para 800 s.
Defina a taxa de amostragem para 1 amostra por segundo.
Defina o limite superior para a faixa de temperatura para 40 °C e o limite inferior para 0 °C.

2. Medindo o ponto de congelamento do ciclohexano

Dispense 12,0 mL de ciclohexano da garrafa de distribuição em um tubo de ensaio limpo e seco.
Atenção: O ciclohexano é um solvente inflamável.
Limpe a sonda de temperatura com uma limpeza sem fiapos para ter certeza de que está seca.
Insira a rolha com a sonda de temperatura e o agitador de arame no tubo de ensaio.
Certifique-se de que a ponta da sonda de temperatura esteja no centro do líquido e não toque nas laterais ou na parte inferior do tubo de ensaio.
Encha um béquer de 600 mL cerca de um terço cheio de água, e adicione gelo até que o béquer esteja três quartos cheio.
Inicie a coleta de dados. O computador adquire uma leitura de temperatura a cada segundo.
Mova o tubo de ensaio para o banho de água gelada e segure-o para que o nível de líquido no tubo de ensaio fique abaixo do nível de água no banho.
Comece imediatamente a mexer o líquido com o agitador de arame, continuamente e em uma velocidade constante.
Uma vez que o congelamento começa, enquanto o líquido e o sólido estiverem presentes, a temperatura permanece constante até que toda a massa se solidifique. Deixe o computador continuar registrando a temperatura até que o gráfico tenha nivelado a uma temperatura constante.
Note que uma vez que o ciclohexano tenha congelado sólido, a temperatura começa a diminuir novamente.
Quando um número suficiente de pontos de dados tiver sido coletado, pare a coleta de dados.
Remova o tubo de ensaio do banho de água gelada e deixe aquecer até a temperatura ambiente.
Guarde os dados.
Ajuste os limites do eixo ypara que o enredo preencha a página. Título do gráfico, e depois imprimi-lo.

3. Preparando uma solução do composto desconhecido

Pesar com precisão 0,14 g do material sólido desconhecido em um pedaço de papel de pesagem.
Verifique se o ciclohexano contido no tubo de ensaio derreteu.
Remova a rolha do tubo de ensaio e adicione cuidadosamente o sólido desconhecido ao ciclohexano, evitando a perda de qualquer composto que aduna para os lados do tubo de ensaio ou rolha.
Substitua a rolha e repesar o papel para dar conta de quaisquer cristais que permaneçam nele.
Mexa a solução para dissolver completamente o sólido. É importante que não permaneçam cristais.
Faça um novo banho de água gelada.

4. Medindo o ponto de congelamento do composto desconhecido

Prepare o computador para coletar um segundo conjunto de dados.
Inicie a coleta de dados.
Mova o tubo de ensaio que contém a solução para o banho de água gelada.
Imediatamente comece a mexer a solução continuamente e em uma taxa constante.
Colete os dados para 300-500 s para ver claramente a mudança na inclinação que ocorre à medida que a solução congela.
Pare a coleta de dados.
Salve os dados, ajuste os limites do eixo y, titule o gráfico e imprima-os.
Não jogue nenhum composto ciclohexano ou desconhecido na pia. Despeje a mistura líquida no frasco “Resíduos de Laboratório”. Enxágüe o tubo de ensaio e a sonda de temperatura com acetona para remover os últimos traços de quaisquer cristais, despejando as enxágues no frasco de resíduos.

A depressão do ponto de congelamento é o fenômeno que é observado quando o ponto de congelamento de uma solução é menor do que o do solvente puro.

Este fenômeno resulta de interações entre as moléculas de soluto e solvente. A diferença nas temperaturas congelantes é diretamente proporcional ao número de partículas solucionas dissolvidas no solvente.

A massa molar de um soluto não volátil pode ser calculada a partir da diferença nas temperaturas congelantes se as massas do solvente e do soluto na solução forem conhecidas.

Este vídeo introduzirá a relação entre a depressão do ponto de congelamento e a massa molar do soluto, um procedimento para determinar a massa molar de um soluto desconhecido, e algumas aplicações do mundo real de induzir e observar mudanças na temperatura congelante.

A depressão de ponto de congelamento é uma propriedade colligativa, o que significa que só é afetada pela razão de soluto para partículas solventes, e não sua identidade.

No ponto de congelamento de uma substância pura, as taxas de derretimento e congelamento são iguais.

Quando uma solução é resfriada ao ponto de congelamento de seu solvente, as moléculas de solventes começam a formar um sólido. É menos energeticamente favorável formar uma rede mista de partículas solventes e solutas. As partículas soluto permanecem na fase de solução. Apenas as interações solventes-solventes contribuem para a formação de treliças, de modo que as interações solventes-solute reduzem a taxa de congelamento em comparação com a do solvente puro.

A temperatura em que o congelamento começa é o ponto de congelamento da solução. A solução continua esfriando à medida que congela, mas essa contínua diminuição da temperatura reflete a crescente concentração de soluto na fase de solução.

Eventualmente, a temperatura da solução é tão baixa e tão pouco solvente permanece na fase líquida que se torna favorável para as partículas solutas formarem uma rede. Uma vez que este ponto é atingido, a temperatura permanece aproximadamente constante até que a mistura tenha congelado sólido.

A massa molar do soluto e, portanto, a identificação do soluto, pode ser determinada a partir da relação entre o ponto de congelamento do solvente puro, o ponto de congelamento da solução e a molalidade da solução. Molalidade, ou m, é uma medida de concentração em mols do soluto por quilograma do solvente. Essa relação depende da constante de depressão do ponto de congelamento do solvente e do número de partículas soluto produzidas por unidade de fórmula que se dissolve.

A molalidade pode ser expressa em termos de massa molar, de modo que a equação pode ser reorganizada para resolver para a massa molar do soluto. Conectar isso na equação do ponto de congelamento permite a elucidação da massa molar, uma vez que a diferença de temperatura é conhecida. Agora que você entende o fenômeno da depressão do ponto de congelamento, vamos passar por um procedimento para determinar a massa molar de um soluto desconhecido a partir de temperaturas de ponto de congelamento. O soluto é uma molécula orgânica não iônica e não volátil que produz uma unidade de fórmula por partícula dissolvida, e o solvente é ciclohexano.

Para iniciar este experimento, conecte a sonda de temperatura ao computador para coleta de dados. Insira a sonda de temperatura e um agitador no recipiente de amostra.

Defina o tempo de coleta de dados e a taxa de amostragem. Permita tempo suficiente na coleta de dados para que a amostra congele.

Estabeleça limites superiores e inferiores da faixa de temperatura para amostrar.

Adicione 12 mL de ciclohexano a um tubo de ensaio limpo e seco. Limpe a sonda de temperatura com um Kimwipe. Insira o conjunto de rolha no tubo de ensaio de tal forma que a ponta da sonda de temperatura esteja centrada no líquido e não toque nas laterais ou na parte inferior.

Em um béquer, prepare um banho de água gelada. Em seguida, inicie a coleta de dados de temperatura.

Coloque o tubo de ensaio no banho de água gelada, garantindo que o nível de líquido no tubo de ensaio esteja abaixo da superfície. Mexa continuamente o líquido a uma taxa constante.

Uma vez que o congelamento começa, permita que a coleta de dados continue até que a trama tenha nivelado a uma temperatura constante. Este é o ponto de congelamento do ciclohexano puro. Remova o tubo de ensaio do banho de água gelada e deixe aquecer até a temperatura ambiente.

Uma vez que o ciclohexano tenha derretido, pesar com precisão o material sólido desconhecido no papel de pesagem. Retire a rolha do tubo de ensaio e adicione o sólido. Evite permitir que o composto adere ao tubo de ensaio.

Substitua a rolha e mexa a solução até que o sólido esteja completamente dissolvido. É importante que não permaneçam cristais sólidos.

Defina os parâmetros para a coleta de dados e prepare um banho de água gelada. Inicie a coleta, coloque o tubo de ensaio no banho e mexa continuamente em uma velocidade constante. Uma vez que o congelamento começa, o ponto de congelamento continua a diminuir devido à crescente concentração de soluto. Continue coletando dados até que a inclinação dessa diminuição seja evidente. Quando o experimento terminar, permita que a solução do composto desconhecido aqueça à temperatura ambiente e depois descarte-o de acordo com os procedimentos para resíduos orgânicos.

Neste experimento, a substância desconhecida é conhecida por ser um dos cinco compostos possíveis: bifenil, bromoclorobenzeno, naftalina, anticraceno e dibromobenzeno. A identidade do desconhecido pode ser determinada comparando sua massa molar a essas substâncias conhecidas.

O soluto desconhecido produz uma unidade de fórmula per partícula dissolvida. Para calcular a massa molar do composto desconhecido, a constante de depressão de ponto de congelamento do ciclohexano, a massa de soluto e solvente utilizada, e a diferença nas temperaturas congelantes são todas necessárias.

0,147 g do soluto desconhecido foram utilizados neste exemplo. A constante de depressão de ponto de congelamento do ciclohexano é de 20,2 °C-kg por mol de soluto. A densidade e o volume de ciclohexano são usados para calcular a massa do solvente.

Os valores do ponto de congelamento do solvente puro e do ponto de congelamento da solução são determinados a partir das parcelas.

Se o composto é conhecido por ser um dos poucos compostos possíveis, como neste experimento, a massa molar pode simplesmente ser comparada com esses compostos. Das cinco opções previstas para este experimento, a naftalina é a combinação mais próxima.

O fenômeno da depressão de ponto de congelamento tem muitas aplicações dentro e fora do laboratório.

O cloreto de cálcio é preferido para o cloreto de sódio para o tratamento de estradas geladas por causa dos efeitos da depressão do ponto de congelamento. Como o cloreto de cálcio libera mais uma partícula do que o cloreto de sódio, ele deprime ainda mais o ponto de congelamento da água e, portanto, derrete gelo a temperaturas mais baixas.

Neste estudo, foi realizado um experimento de fusão com duas diferentes misturas de ferro-enxofre. A amostra com a maior fração de massa de enxofre foi completamente líquida à temperatura do experimento, enquanto a amostra com menos enxofre ainda era parcialmente sólida. Isso demonstra que com o aumento das impurezas, neste caso enxofre, o ponto de fusão observado é menor do que para o sólido puro. Aqui, as diferenças de ponto de fusão entre as duas amostras dão uma visão da formação do núcleo da Terra.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE a usar depressão de ponto de congelamento para determinar a identidade de um composto desconhecido. Agora você deve entender o fenômeno da depressão do ponto de congelamento, a relação entre a depressão do ponto de congelamento e a massa molar do soluto, e por que o fenômeno é útil para uma variedade de indústrias.

Obrigado por assistir!

Results

A massa de ciclohexano que foi dispensada pode ser calculada. A densidade do ciclohexano é de 0,779 g/mL.

Os valores para T_f°e T_f podem ser determinados a partir das parcelas.

A massa molar, e assim o peso molecular, do composto desconhecido também pode ser calculado. Para ciclohexano, K_f = 20,2 °C kg/toupeira de soluto.

massa molar = 134 g/mol

peso molecular = 134 amu

Os pesos moleculares dos possíveis compostos são:

154.21 amu para Bifenil
191.46 amu para 2-Bromochlorobenzene
128.17 amu para Naftalina
178.23 amu para Anthracene
235,90 amu para 1,4-Dibromobenzene

O valor determinado experimentalmente para o peso molecular do composto desconhecido é mais próximo do valor da literatura para naftalina.

O erro percentual pode ser calculado.

% de erro = 4,55%

Applications and Summary

Talvez a aplicação mais visível do fenômeno da depressão do ponto de congelamento ocorra durante os meses de inverno, quando estradas e calçadas se tornam geladas, e o sal é usado para tratar as superfícies escorregadias. Quando o sal se mistura com o gelo, o ponto de congelamento da água fica deprimido para que o gelo derreta a uma temperatura mais baixa. Como o grau de depressão do ponto de congelamento depende do número de partículas em solução, sais que liberam três íons por unidade de fórmula, como cloreto de cálcio (CaCl₂), são frequentemente utilizados para este fim. Os sorveteiros também fazem uso da depressão do ponto de congelamento que ocorre quando sal e gelo são misturados. O ponto de congelamento do creme é bem abaixo de 0 °C, especialmente quando é combinado com açúcar e outros ingredientes usados para fazer sorvete. Por essa razão, o gelo e o sal de rocha são combinados no recipiente externo de uma máquina de sorvete, a fim de alcançar uma temperatura baixa o suficiente para congelar a mistura no recipiente interno.

Os químicos exploram o fenômeno da depressão do ponto de congelamento na análise de compostos orgânicos sólidos. A pureza de um produto sólido a partir de uma síntese química é muitas vezes determinada medindo o ponto de fusão (teoricamente, o mesmo que o ponto de congelamento) do material. Se houver uma impureza no composto, o ponto de fusão observado é menor do que o esperado. Isso ocorre porque, à medida que o sólido começa a derreter, a impureza age como um soluto que é dissolvido na forma líquida do composto; assim, o ponto de fusão, ou congelamento, do composto está deprimido.

A indústria farmacêutica utiliza grandes quantidades de solventes orgânicos para reações que levam à síntese de agentes terapêuticos. Esses solventes criam volumes substanciais de resíduos líquidos que são perigosos para o meio ambiente. Ocasionalmente, é possível aproveitar o fenômeno da depressão do ponto de congelamento para eliminar a necessidade de um solvente em uma síntese. Quando os reagentes sólidos envolvidos em uma reação são esmagados juntos, os pontos de fusão (ou congelamento) dos dois compostos são reduzidos. Se os dois compostos têm um ponto de fusão muito baixo, o par realmente se torna líquidos à temperatura ambiente quando estão moídos juntos, o que permite que as moléculas interajam entre si para que a reação possa ocorrer. Esses processos livres de solventes são um exemplo de química “verde”, que se refere a procedimentos químicos que reduzem ou eliminam o uso e a geração de substâncias perigosas.

Transcript

Freezing-point depression is the phenomenon that is observed when the freezing point of a solution is lower than that of the pure solvent.

This phenomenon results from interactions between the solute and solvent molecules. The difference in freezing temperatures is directly proportional to the number of solute particles dissolved in the solvent.

The molar mass of a non-volatile solute can be calculated from the difference in freezing temperatures if the masses of the solvent and the solute in the solution are known.

This video will introduce the relationship between freezing-point depression and the molar mass of the solute, a procedure for determining molar mass of an unknown solute, and some real world applications of inducing and observing changes in freezing temperature.

Freezing point depression is a colligative property, meaning it is only affected by the ratio of solute to solvent particles, and not their identity.

At the freezing point of a pure substance, the rates of melting and freezing are equal.

When a solution is cooled to the freezing point of its solvent, the solvent molecules begin to form a solid. It is less energetically favorable to form a mixed lattice of solvent and solute particles. The solute particles remain in the solution phase. Only solvent-solvent interactions contribute to lattice formation, so solvent-solute interactions reduce the rate of freezing compared to that of the pure solvent.

The temperature at which freezing begins is the freezing point of the solution. The solution continues cooling as it freezes, but this continued decrease in temperature reflects the increasing concentration of solute in the solution phase.

Eventually, the solution temperature is so low and so little solvent remains in the liquid phase that it becomes favorable for the solute particles to form a lattice. Once this point is reached, the temperature remains approximately constant until the mixture has frozen solid.

The molar mass of the solute, and therefore the identify of the solute, can be determined from the relationship between the freezing point of the pure solvent, the freezing point of the solution, and the molality of the solution. Molality, or m, is a measure of concentration in moles of the solute per kilogram of the solvent. This relationship depends on the the freezing point depression constant of the solvent and the number of solute particles produced per formula unit that dissolves.

Molality can be expressed in terms of molar mass, so the equation can be rearranged to solve for the molar mass of the solute. Plugging this into the freezing point equation allows the elucidation of the molar mass, once the temperature difference is known. Now that you understand the phenomenon of freezing point depression, let’s go through a procedure for determining the molar mass of an unknown solute from freezing point temperatures. The solute is a non-ionic, non-volatile organic molecule that produces one particle per formula unit dissolved, and the solvent is cyclohexane.

To begin this experiment, connect the temperature probe to the computer for data collection. Insert the temperature probe and a stirrer into the sample container.

Set the length of data collection and the rate of sampling. Allow sufficient time in the data collection for the sample to freeze.

Set upper and lower limits of the temperature range to sample.

Add 12 mL of cyclohexane to a clean, dry test tube. Wipe the temperature probe with a Kimwipe. Insert the stopper assembly into the test tube such that the tip of the temperature probe is centered in the liquid and does not touch the sides or bottom.

In a beaker, prepare an ice water bath. Then, start the temperature data collection.

Place the test tube into the ice water bath, ensuring that the level of liquid in the test tube is below the surface. Continuously stir the liquid at a constant rate.

Once freezing begins, allow data collection to continue until the plot has leveled off at a constant temperature. This is the freezing point of pure cyclohexane. Remove the test tube from the ice water bath and allow it to warm to room temperature.

Once the cyclohexane has melted, accurately weigh the solid unknown material on weighing paper. Remove the stopper from the test tube and add the solid. Avoid allowing compound to adhere to the test tube.

Replace the stopper and stir the solution until the solid is completely dissolved. It is important that no solid crystals remain.

Set the parameters for data collection and prepare a fresh ice water bath. Start collection, place the test tube into the bath, and stir continuously at a constant rate. Once freezing begins, the freezing point continues to decrease due to the increasing solute concentration. Continue collecting data until the slope of this decrease is evident. When the experiment has finished, allow the solution of the unknown compound to warm to room temperature and then dispose of it according to the procedures for organic waste.

In this experiment, the unknown substance is known to be one of five possible compounds: biphenyl, bromochlorobenzene, naphthalene, anthracene, and dibromobenzene. The identity of the unknown can be determined by comparing its molar mass to these known substances.

The unknown solute produces one particle per formula unit dissolved. To calculate the molar mass of the unknown compound, the freezing point depression constant of cyclohexane, the mass of solute and solvent used, and the difference in freezing temperatures are all needed.

0.147 g of the unknown solute were used in this example. The freezing point depression constant of cyclohexane is 20.2 °C-kg per mol of solute. The density and volume of cyclohexane are used to calculate the mass of the solvent.

The values of the freezing point of the pure solvent and the freezing point of the solution are determined from the plots.

If the compound is known to be one of a few possible compounds, as in this experiment, the molar mass can simply be compared to those compounds. Of the five options provided for this experiment, naphthalene is the closest match.

The phenomenon of freezing point depression has many applications both inside and outside the laboratory.

Calcium chloride is preferred to sodium chloride for treating icy roads because of the effects of freezing point depression. As calcium chloride releases one more particle than sodium chloride does, it depresses the freezing point of water further and thus melts ice at lower temperatures.

In this study, a melting experiment was conducted with two different iron-sulfur mixtures. The sample with the higher mass fraction of sulfur was completely liquid at the temperature of the experiment, whereas the sample with less sulfur was still partially solid. This demonstrates that with increased impurities, in this case sulfur, the observed melting point is lower than for the pure solid. Here, the melting point differences between the two samples lend insight into the formation of the Earth’s core.

You’ve just watched JoVE’s introduction to using freezing point depression to determine the identity of an unknown compound. You should now understand the phenomenon of freezing point depression, the relationship between freezing point depression and the molar mass of the solute, and why the phenomenon is useful to a variety of industries.

Thanks for watching!

Tags

Freezing-point Depression Unknown Compound Solute Solvent Freezing Temperature Molar Mass Non-volatile Solute Colligative Property Solute-solvent Interactions Lattice Formation