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Depressione del punto di congelamento per l'identificazione di un composto sconosciuto
 
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Depressione del punto di congelamento per l'identificazione di un composto sconosciuto

Overview

Fonte: Laboratorio di Lynne O' Connell — Boston College

Quando un composto solido viene sciolto in un solvente, il punto di congelamento della soluzione risultante è inferiore a quello del solvente puro. Questo fenomeno è noto come depressione del punto di congelamento e il cambiamento di temperatura è direttamente correlato al peso molecolare del soluto. Questo esperimento è progettato per trovare l'identità di un composto sconosciuto utilizzando il fenomeno della depressione del punto di congelamento per determinare il suo peso molecolare. Il composto sarà sciolto in cicloesano e verrà misurato il punto di congelamento di questa soluzione, così come quello del cicloesano puro. La differenza tra queste due temperature consente il calcolo del peso molecolare della sostanza sconosciuta.

Principles

Alcune proprietà di una soluzione differiscono da quelle di un solvente puro a causa delle interazioni che avvengono tra le molecole di soluto e solvente. Le proprietà che mostrano tali cambiamenti sono chiamate proprietà colligative e includono l'abbassamento della pressione di vapore, l'elevazione del punto di ebollizione, la depressione del punto di congelamento e i cambiamenti nella pressione osmotica. Queste proprietà dipendono solo dal numero di particelle disciolte nel solvente, non dall'identità delle particelle. Una particella, in questo caso, è definita come uno ione o una molecola. Questo esperimento si concentra sulla proprietà della depressione del punto di congelamento.

Quando un particolare soluto viene sciolto in un solvente, vale la seguente espressione:

ΔT = Tf° - Tf = Kfm

I termini Tf° e Tf si riferiscono rispettivamente alle temperature del punto di congelamento del solvente puro e della soluzione. Il termine "m" indica la molalità della soluzione, che è definita come il numero di moli di soluto per 1.000 g di solvente. Questa quantità viene utilizzata, piuttosto che la molarità, perché non dipende dalla temperatura. La costante, Kf, è indicata come costante del punto di congelamento-depressione e dipende solo dal solvente. Il cambiamento di temperatura dipende anche dal numero di particelle di soluto in soluzione: più particelle sono presenti, maggiore è il cambiamento di temperatura. Per questo motivo, l'equazione precedente è talvolta scritta come:

Tf° - Tf = Kfim

dove i = il numero di particelle di soluto prodotte per unità di formula che si dissolve. In una soluzione contenente un elettrolita, ogni ione è considerato una particella.

Questo esperimento utilizza cicloesano, un composto organico che è un liquido a temperatura ambiente, come solvente. Il composto sconosciuto è una molecola organica non ionica; pertanto, i è uguale a 1. Il peso molecolare di questo composto sconosciuto può essere determinato osservando il punto di congelamento di una soluzione del composto in cicloesano e confrontandolo con il punto di congelamento del cicloesano puro.

Il cicloesano composto ha un punto di fusione (o punto di congelamento) di circa 6 °C. Una serie di temperature di cicloesano puro si ottengono mentre si raffredda dalla temperatura ambiente attraverso il suo punto di congelamento in un bagno di ghiaccio. Queste temperature vengono quindi tracciate in funzione del tempo. Allo stesso modo, le temperature di una soluzione del composto sconosciuto disciolto nel cicloesano si ottengono mentre si raffredda fino al punto di congelamento, che sono anche tracciati. I grafici dovrebbero essere simili ai grafici nella Figura 1. I valori Tf° e Tf possono essere estrapolati, come mostrato. Nella Figura 1b, la temperatura non rimane del tutto costante quando la soluzione si congela. Il punto di congelamento della soluzione è il punto in cui inizia a congelarsi per la prima volta ed è indicato graficamente da un cambiamento nella pendenza della curva temperatura-tempo.

La molalità, m, di una soluzione può essere espressa in termini di massa molare del soluto:

Equation
Equation
Equation

Sostituendo questa espressione nell'equazione per la depressione del punto di congelamento (dove i = 1), si ottiene:

Equation

Riorganizzando per risolvere per massa molare, si ottiene:

Equation

Il peso molecolare (in amu) di una sostanza ha lo stesso valore numerico della sua massa molare.

La sostanza sconosciuta è uno dei seguenti composti:

  • Bifenile (C12H10)
  • 2-Bromoclorobenzene (C6H4BrCl)
  • Naftalene (C10H8)
  • Antracene (C14H10)
  • 1,4-Dibromobenzene (C6H4Br2)

Figure 1
Figura 1. La figura 1a è un grafico della temperatura in funzione del tempo per la determinazione di Tf° per il solvente puro. La figura 1b è un grafico della temperatura in funzione del tempo per la determinazione di Tf per la soluzione.

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Procedure

Una sonda di temperatura interfacciata a un computer viene utilizzata per acquisire le letture della temperatura in questo esperimento. La sonda di temperatura ha un'incertezza di ±0,1 °C.

1. Impostazione dei parametri nel software

  1. Impostare la durata dell'esperimento su 800 s.
  2. Impostare la frequenza di campionamento su 1 campione al secondo.
  3. Impostare il limite superiore per l'intervallo di temperatura a 40 °C e il limite inferiore a 0 °C.

2. Misurazione del punto di congelamento del cicloesano

  1. Erogare 12,0 ml di cicloesano dal flacone di erogazione in una provetta pulita e asciutta.
    Attenzione: il cicloesano è un solvente infiammabile.
  2. Pulire la sonda di temperatura con una salvietta priva di lanugine per assicurarsi che sia asciutta.
  3. Inserire il tappo con la sonda di temperatura e l'agitatore a filo nella provetta.
  4. Assicurarsi che la punta della sonda di temperatura si trova al centro del liquido e non tocchi i lati o il fondo della provetta.
  5. Riempire un becher da 600 ml pieno d'acqua per circa un terzo e aggiungere ghiaccio fino a quando il becher è pieno per tre quarti.
  6. Avviare la raccolta dei dati. Il computer acquisisce una lettura della temperatura ogni secondo.
  7. Spostare la provetta nel bagno di acqua ghiacciata e tenerla in modo che il livello di liquido nella provetta sia inferiore al livello dell'acqua nella vasca da bagno.
  8. Iniziare immediatamente a mescolare il liquido con l'agitatore a filo, continuamente e ad una velocità costante.
  9. Una volta iniziato il congelamento, finché sono presenti sia liquidi che solidi, la temperatura rimane costante fino a quando l'intera massa non si è solidificata. Consentire al computer di continuare a registrare la temperatura fino a quando il plottaggio non si è livellato a una temperatura costante.
    Si noti che una volta che il cicloesano ha congelato il solido, la temperatura inizia a diminuire di nuovo.
  10. Quando è stato raccolto un numero sufficiente di punti dati, interrompere la raccolta dei dati.
  11. Rimuovere la provetta dal bagno di acqua ghiacciata e lasciarla riscaldare a temperatura ambiente.
  12. Salvare i dati.
  13. Regolate i limiti dell'asse yin modo che il plottaggio riempia la pagina. Intitola il grafico e quindi stampalo.

3. Preparare una soluzione del composto sconosciuto

  1. Pesare accuratamente 0,14 g del materiale solido sconosciuto su un pezzo di carta pesata.
  2. Verificare che il cicloesano contenuto nella provetta si sia sciolto.
  3. Rimuovere il tappo dalla provetta e aggiungere con cura il solido sconosciuto al cicloesano, evitando la perdita di qualsiasi composto aderente ai lati della provetta o del tappo.
  4. Sostituire il tappo e pesare di nuovo la carta per tenere conto di eventuali cristalli che rimangono su di esso.
  5. Mescolare la soluzione per sciogliere completamente il solido. È importante che non rimangano cristalli.
  6. Fai un nuovo bagno di acqua ghiacciata.

4. Misurazione del punto di congelamento del composto sconosciuto

  1. Preparare il computer per la raccolta di un secondo set di dati.
  2. Avviare la raccolta dei dati.
  3. Spostare la provetta che contiene la soluzione nel bagno di acqua ghiacciata.
  4. Iniziare immediatamente a mescolare la soluzione in modo continuo e ad una velocità costante.
  5. Raccogliere i dati per 300-500 s per vedere chiaramente il cambiamento di pendenza che si verifica quando la soluzione si blocca.
  6. Interrompere la raccolta dei dati.
  7. Salvare i dati, regolare i limiti dell'asse y, intitolare il grafico e stamparlo.
  8. Non gettare alcun cicloesano o composto sconosciuto nel lavandino. Versare la miscela liquida nel barattolo "Rifiuti di laboratorio". Risciacquare la provetta e la sonda di temperatura con acetone per rimuovere le ultime tracce di eventuali cristalli, versando i risciacqui nel barattolo dei rifiuti.

La depressione del punto di congelamento è il fenomeno che si osserva quando il punto di congelamento di una soluzione è inferiore a quello del solvente puro.

Questo fenomeno deriva dalle interazioni tra le molecole di soluto e solvente. La differenza di temperature di congelamento è direttamente proporzionale al numero di particelle di soluto disciolte nel solvente.

La massa molare di un soluto non volatile può essere calcolata dalla differenza di temperature di congelamento se sono note le masse del solvente e del soluto nella soluzione.

Questo video introdurrà la relazione tra la depressione del punto di congelamento e la massa molare del soluto, una procedura per determinare la massa molare di un soluto sconosciuto e alcune applicazioni del mondo reale per indurre e osservare i cambiamenti nella temperatura di congelamento.

La depressione del punto di congelamento è una proprietà colligativa, il che significa che è influenzata solo dal rapporto tra le particelle di soluto e solvente e non dalla loro identità.

Nel punto di congelamento di una sostanza pura, i tassi di fusione e congelamento sono uguali.

Quando una soluzione viene raffreddata fino al punto di congelamento del suo solvente, le molecole di solvente iniziano a formare un solido. È meno energeticamente favorevole formare un reticolo misto di particelle di solvente e soluto. Le particelle di soluto rimangono nella fase di soluzione. Solo le interazioni solvente-solvente contribuiscono alla formazione del reticolo, quindi le interazioni solvente-soluto riducono il tasso di congelamento rispetto a quello del solvente puro.

La temperatura alla quale inizia il congelamento è il punto di congelamento della soluzione. La soluzione continua a raffreddarsi mentre si congela, ma questa continua diminuzione della temperatura riflette la crescente concentrazione di soluto nella fase di soluzione.

Alla fine, la temperatura della soluzione è così bassa e così poco solvente rimane nella fase liquida che diventa favorevole per le particelle di soluto formare un reticolo. Una volta raggiunto questo punto, la temperatura rimane approssimativamente costante fino a quando la miscela non si è congelata solida.

La massa molare del soluto, e quindi l'identificazione del soluto, può essere determinata dalla relazione tra il punto di congelamento del solvente puro, il punto di congelamento della soluzione e la molalità della soluzione. La molalità, o m, è una misura della concentrazione in moli del soluto per chilogrammo del solvente. Questa relazione dipende dalla costante di depressione del punto di congelamento del solvente e dal numero di particelle di soluto prodotte per unità di formula che si dissolve.

La molalità può essere espressa in termini di massa molare, quindi l'equazione può essere riorganizzata per risolvere la massa molare del soluto. Collegandolo all'equazione del punto di congelamento, è possibile chiarire la massa molare, una volta nota la differenza di temperatura. Ora che hai capito il fenomeno della depressione del punto di congelamento, passiamo attraverso una procedura per determinare la massa molare di un soluto sconosciuto dalle temperature del punto di congelamento. Il soluto è una molecola organica non ionica e non volatile che produce una particella per unità di formula disciolta e il solvente è cicloesano.

Per iniziare questo esperimento, collegare la sonda di temperatura al computer per la raccolta dei dati. Inserire la sonda di temperatura e un agitatore nel contenitore del campione.

Impostare la durata della raccolta dei dati e la velocità di campionamento. Concedere tempo sufficiente nella raccolta dei dati affinché il campione si blocchi.

Impostare i limiti superiore e inferiore dell'intervallo di temperatura da campionare.

Aggiungere 12 ml di cicloesano in una provetta pulita e asciutta. Pulire la sonda di temperatura con un Kimwipe. Inserire il gruppo tappo nella provetta in modo che la punta della sonda di temperatura sia centrata nel liquido e non tocchi i lati o il fondo.

In un becher, preparare un bagno di acqua ghiacciata. Quindi, avviare la raccolta dei dati di temperatura.

Posizionare la provetta nel bagno di acqua ghiacciata, assicurandosi che il livello di liquido nella provetta sia inferiore alla superficie. Mescolare continuamente il liquido a una velocità costante.

Una volta iniziato il congelamento, consentire alla raccolta dei dati di continuare fino a quando la trama non si è livellata a una temperatura costante. Questo è il punto di congelamento del cicloesano puro. Rimuovere la provetta dal bagno di acqua ghiacciata e lasciarla riscaldare a temperatura ambiente.

Una volta che il cicloesano si è sciolto, pesare accuratamente il materiale solido sconosciuto sulla carta pesata. Rimuovere il tappo dalla provetta e aggiungere il solido. Evitare di lasciare che il composto aderisca alla provetta.

Sostituire il tappo e mescolare la soluzione fino a quando il solido non è completamente sciolto. È importante che non rimangano cristalli solidi.

Impostare i parametri per la raccolta dei dati e preparare un bagno di acqua ghiacciata fresca. Iniziare la raccolta, posizionare la provetta nella vasca da bagno e mescolare continuamente a una velocità costante. Una volta iniziato il congelamento, il punto di congelamento continua a diminuire a causa dell'aumento della concentrazione di soluto. Continuare a raccogliere dati fino a quando la pendenza di questa diminuzione è evidente. Quando l'esperimento è terminato, lasciare che la soluzione del composto sconosciuto si riscaldi a temperatura ambiente e quindi smaltirla secondo le procedure per i rifiuti organici.

In questo esperimento, la sostanza sconosciuta è nota per essere uno dei cinque possibili composti: bifenile, bromoclorobenzene, naftalene, antracene e dibromobenzene. L'identità dell'ignoto può essere determinata confrontando la sua massa molare con queste sostanze conosciute.

Il soluto sconosciuto produce una particella per unità di formula disciolta. Per calcolare la massa molare del composto sconosciuto, sono necessari la costante di depressione del punto di congelamento del cicloesano, la massa di soluto e solvente utilizzati e la differenza di temperature di congelamento.

In questo esempio sono stati utilizzati 0,147 g del soluto sconosciuto. La costante di depressione del punto di congelamento del cicloesano è di 20,2 °C-kg per mol di soluto. La densità e il volume del cicloesano vengono utilizzati per calcolare la massa del solvente.

I valori del punto di congelamento del solvente puro e del punto di congelamento della soluzione sono determinati dalle trame.

Se il composto è noto per essere uno dei pochi composti possibili, come in questo esperimento, la massa molare può essere semplicemente confrontata con quei composti. Delle cinque opzioni previste per questo esperimento, il naftalene è la corrispondenza più vicina.

Il fenomeno della depressione del punto di congelamento ha molte applicazioni sia all'interno che all'esterno del laboratorio.

Il cloruro di calcio è preferito al cloruro di sodio per il trattamento di strade ghiacciate a causa degli effetti della depressione del punto di congelamento. Poiché il cloruro di calcio rilascia una particella in più rispetto al cloruro di sodio, deprime ulteriormente il punto di congelamento dell'acqua e quindi scioglie il ghiaccio a temperature più basse.

In questo studio, è stato condotto un esperimento di fusione con due diverse miscele di ferro-zolfo. Il campione con la frazione di massa più elevata di zolfo era completamente liquido alla temperatura dell'esperimento, mentre il campione con meno zolfo era ancora parzialmente solido. Ciò dimostra che con l'aumento delle impurità, in questo caso lo zolfo, il punto di fusione osservato è inferiore a quello del solido puro. Qui, le differenze di punto di fusione tra i due campioni forniscono informazioni sulla formazione del nucleo terrestre.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'uso della depressione del punto di congelamento per determinare l'identità di un composto sconosciuto. Ora dovresti capire il fenomeno della depressione del punto di congelamento, la relazione tra la depressione del punto di congelamento e la massa molare del soluto e perché il fenomeno è utile a una varietà di industrie.

Grazie per l'attenzione!

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Results

La massa di cicloesano che è stata erogata può essere calcolata. La densità del cicloesano è di 0,779 g/ml.

Equation

I valori per Tf° e Tf possono essere determinati dalle trame.

È anche possibile calcolare la massa molare, e quindi il peso molecolare, del composto sconosciuto. Per il cicloesano, Kf = 20,2 °C kg/mole di soluto.

Equation

Equation

massa molare = 134 g/mol

peso molecolare = 134 amu

I pesi molecolari dei possibili composti sono:

  • 154.21 amu per Bifenile
  • 191.46 amu per 2-Bromoclorobenzene
  • 128.17 amu per Naftalene
  • 178.23 amu per Antracene
  • 235.90 amu per 1,4-Dibromobenzene

Il valore determinato sperimentalmente per il peso molecolare del composto sconosciuto è il più vicino al valore di letteratura per il naftalene.

È possibile calcolare l'errore percentuale.

Equation

Equation

% di errore = 4,55%

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Applications and Summary

Forse l'applicazione più visibile del fenomeno della depressione del punto di congelamento si verifica durante i mesi invernali, quando strade e marciapiedi diventano ghiacciati e il sale viene usato per trattare le superfici scivolose. Quando il sale si mescola con il ghiaccio, il punto di congelamento dell'acqua viene depresso in modo che il ghiaccio si sciolga a una temperatura più bassa. Poiché il grado di depressione del punto di congelamento dipende dal numero di particelle in soluzione, i sali che rilasciano tre ioni per unità di formula, come il cloruro di calcio (CaCl2), sono spesso utilizzati per questo scopo. I gelatieri fanno anche uso della depressione del punto di congelamento che si verifica quando sale e ghiaccio sono mescolati. Il punto di congelamento della panna è ben al di sotto di 0 °C, soprattutto se combinato con zucchero e altri ingredienti utilizzati per fare il gelato. Per questo motivo, ghiaccio e salgemma vengono combinati nel contenitore esterno di una gelatiera in modo da raggiungere una temperatura abbastanza bassa da congelare la miscela racchiusa nel contenitore interno.

I chimici sfruttano il fenomeno della depressione del punto di congelamento nell'analisi dei composti organici solidi. La purezza di un prodotto solido da una sintesi chimica è spesso determinata misurando il punto di fusione (teoricamente, lo stesso del punto di congelamento) del materiale. Se nel composto è presente un'impurità, il punto di fusione osservato è inferiore al previsto. Ciò si verifica perché, quando il solido inizia a sciogliersi, l'impurità agisce come un soluto che si dissolve nella forma liquida del composto; quindi, il punto di fusione, o congelamento, del composto è depresso.

L'industria farmaceutica utilizza grandi quantità di solventi organici per le reazioni che portano alla sintesi di agenti terapeutici. Questi solventi creano volumi sostanziali di rifiuti liquidi pericolosi per l'ambiente. Occasionalmente, è possibile sfruttare il fenomeno della depressione del punto di congelamento per eliminare la necessità di un solvente in una sintesi. Quando i reagenti solidi coinvolti in una reazione vengono schiacciati insieme, i punti di fusione (o congelamento) dei due composti vengono abbassati. Se i due composti hanno ciascuno un punto di fusione molto basso, la coppia diventa effettivamente liquida a temperatura ambiente quando vengono macinati insieme, il che consente alle molecole di interagire tra loro in modo che la reazione possa verificarsi. Questi processi privi di solventi sono un esempio di chimica "verde", che si riferisce a procedure chimiche che riducono o eliminano l'uso e la generazione di sostanze pericolose.

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