(1) refracción molar y especifica de sustancias puras y disoluciones

Informe de laboratorio de fisicoquimica

1. 1

REFRACCIÓN MOLAR Y ESPECIFICA DE SUSTANCIAS PURAS Y DISOLUCIONES


RESUMEN

Se busca analizar y relacionar las propiedades físicas de sustancias liquidas puras
y en solución mediante el comportamiento de los índices de refracción , la
densidad, los grados Brix y el porcentaje p/p de sustancias puras como el Xilol,
Tolueno, Propilenglicol, Propanol, Butanol, Etilo Acetato y de una muestra
problema; y de disoluciones de agua con azúcar a diferentes concentraciones.

PALABRAS CLAVES: Densidad, Grados Brix, Índice de refracción,
Refractometría, Sacarosa.

LAURA L. CARDOSO C.
Código: 6101372
Universidad de América
[email protected]

JUAN F. ALVEAR Z.
Código: 6101389
Universidad de América
[email protected]

1. INTRODUCCIÓN

Cuando un haz de luz que se propaga por un medio
ingresa a otro distinto, una parte del haz se refleja
mientras que la otra sufre una refracción, que consiste en
el cambio de dirección del haz. Para esto se utiliza el
llamado índice de refracción del material, que nos servirá
para calcular la diferencia entre el ángulo de incidencia y
el de refracción del haz (antes y después de ingresar al
nuevo material).
[1]

Para medir el índice de refracción de las sustancias, como
el agua, Xilol, Tolueno, Propilenglicol, Propanol,
Butanol, Etilo Acetato y una muestra problema se usa un
refractómetro de Abbe; el cual tiene dos escalas: la
superior, que mide directamente la concentración de
azúcar en grados Brix, y la inferior, que mide el índice de
refracción; el índice de refracción depende de la
temperatura y de la longitud de onda de la luz utilizada.

El fenómeno de la refracción se rige de acuerdo con dos
leyes de las cuales la primera afirma que tanto el rayo
incidente como el refractado y la normal a la superficie
de refracción están contenidos en un mismo plano. La
segunda ley, llamada también ley de Snell, afirma que
para una luz con una frecuencia determinada, el cociente
entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del
ángulo de refracción es constante e igual al índice
relativo de ambos medios. Esta ley constituye el
fundamento del funcionamiento de los instrumentos
llamados refractrómetros empleados para la
determinación de los índices de refracción de los diversos
materiales a partir de la medición precisa de los ángulos
de incidencia y refracción.
[2]


Las determinaciones refractométricas se emplean
principalmente para la determinación cuantitativa de la
composición de disoluciones binarias, con el fin de
determinar los índices de refracción de una serie de
disoluciones de composiciones conocidas en este caso
azúcar y agua, y los valores obtenidos se representaran
gráficamente; la composición de una disolución o una
sustancia pura no conocida se puede deducir sobre el
grafico, siempre y cuando se haya determinado el índice
de refracción.


2. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Por medio de un picnómetro de 25 mL y un refractómetro
de Abbe de hallaron las densidades y el índice de
refracción de cada uno de los reactivos como el Tolueno,
Propilenglicol, Propanol, Butanol, Etilo Acetato y de una
muestra problema.

Donde:
m = masaT – masapic (gr)
V = 25 mL
masapic = 16,33 gr

Tabla 1. Datos de los reactivos.
Sustancia
MasaT
(gr)
m (gr) ρ ( n
Agua 41,33 25 1,00 1,3325
Xilol 37,79 21,46 0,8584 1,4990
Tolueno 37,85 21,52 0,8608 1,4970
Propilenglicol 42,11 25,78 1,0312 1,4320
Propanol 36,38 20,05 0,8020 1,3880
Butanol 36,54 20,21 0,8084 1,3995
Etilo Acetato 38,66 22,33 0,8932 1,3745
Muestra 32,76 16,43 0,6572 1,3785

2. 2


El índice de refracción (n) no tiene unidades y el mínimo
valor que puede tomar es de 1, por que la luz no se
propaga en ningún medio más rápido que el vacio.


Figura 1. Índice de refracción (n) vs. Densidad (ρ).



Podemos determinar que en algunos puntos de la graficas
hay sustancias que son muy parecidas, como es el caso
del Xilol y el Tolueno ya que el índice de refracción y la
densidad muestran valores muy cercanos.


Refracción molar de sustancias puras


Donde:
M = Peso molecular
Ρ = Densidad
N = Índice de refracción


Refracción molar especifica


Donde:
M = Peso molecular
R = Refracción molar


Radio de la molécula


Donde:
n = Índice de refracción
M = Peso molecular
Ρ = Densidad
L = Número de Avogadro = 6,022*10
23
mol
-1





Tabla 2. Radio, Refracción molar y Refracción especifica de
sustancias puras.
Sustancia
M
(
R r Radio
Agua 18 1,796 10,022 1,136*10
-8
Xilol 106,16 17,893 5,933 2,433*10
-8
Tolueno 92,14 15,218 6,055 2,316*10
-8
Propilenglicol 76,09 9,287 8,193 1,965*10
-8
Propanol 60,09 8,581 7,003 1,914*10
-8
Butanol 74,121 10,775 6,879 2,065*10
-8
Etilo Acetato 88,11 10,948 8,198 2,076*10
-8


Análisis de disoluciones

Se determina la densidad por medio de un picnómetro de
25 mL y el índice de refracción con un refractómetro de
Abbe para cada una de las disoluciones preparadas a
diferentes concentraciones de azúcar y agua.


Donde:
m = masaT – masapic (gr)
V = 25 mL
masapic = 16,33 gr


Tabla 3. Disoluciones de azúcar.
Muestra
Masa
T
(gr)
m
(gr)
ρ ( n ⁰Brix
10 mL 48,84 32,51 1,3004 1,4495 62,4 50
20 mL 47,16 30,83 1,2332 1,4270 52,3 42,9
30 mL 46,12 29,79 1,1916 1,4185 48,8 37,5
40 mL 45,42 29,09 1,1636 1,3995 38,8 33,3
50 mL 44,43 28,4 1,1360 1,3890 34 30


Figura 2. Índice de refracción (n) vs. ⁰Brix.



La relación que hay entre el índice de refracción (n) y los
grados Brix (⁰Brix) es directamente proporcional pues a
medida que se va aumentando la concentración de
azúcar, mayor será el índice de refracción.

1.35
1.4
1.45
1.5
1.55
0.6 0.8 1 1.2Índice de refracción (n)
Densidad (ρ)
n VS ρ
1.38
1.4
1.42
1.44
1.46
30 40 50 60 70
Índice de refracción (n)
⁰Brix
n VS ⁰Brix

3. 3



Figura 3. Índice de refracción (n) vs. Densidad (ρ).



Podemos determinar que la densidad (ρ) es directamente
proporcional con el índice de refracción (n) y que a
mayor densidad, mayor será el índice de refracción;
luego determinamos que como la temperatura es un
factor que actúa sobre la densidad se dice que, a mayor
temperatura menor densidad habrá.


Figura 4. ⁰Brix vs. Densidad (ρ).



Podemos decir que a mayor densidad, mayor será el
⁰Brix que tenga la disolución, por tanto son directamente
proporcionales y como nos referimos a la densidad, la
velocidad de onda que pasa por un líquido dependerá de
la densidad, entonces cuanto más denso sea el liquido,
menor velocidad tendrá la onda.


% Peso ⁄ Peso

50 gr Azúcar total → 60% (% )
0,6 * 50 gr = 30 gr Azúcar

= 20 mL H₂O









Figura 5. ⁰Brix vs. (% )




Figura 6. Índice de refracción (n) vs. (% )




Refracción molar de otras sustancias puras


Donde:
M = Peso molecular
Ρ = Densidad
N = Índice de refracción




1.38
1.4
1.42
1.44
1.46
1.11.151.21.251.31.35
Índice de refracción (n)
Densidad (ρ)
n VS ρ
30
40
50
60
70
1.11.151.21.251.31.35
⁰Brix
Densidad (ρ)
⁰Brix VS ρ
30
40
50
60
70
25 35 45 55
⁰Brix
%P/p
⁰Brix VS %P/p
1.38
1.4
1.42
1.44
1.46
0 20 40 60
Índice de refracción (n)
%P/P
n VS %P/p

4. 4


Tabla 4. Refracción molar de otras sustancias puras
.Sustancia M ( n ρ ( R
Agua 18 1,3325 1 1,796
Metano 16,04 1,286 0,00072 1938,96
Cloroformo 119,38 1,48 1,483 11,103
Etano 30,07 0,00138
Alcohol E. 46,07 1,361 0,789 6,272
A. Acético 60,05 1,372 1,049 6,315
Benceno 78,11 1,501 0,8786 12,722


3. CONCLUSIONES

La densidad es un factor importante de cada
sustancia que influye en el índice de refracción.

Los grados Brix nos determinaron la cantidad de
azúcar en la solución de sacarosa, en este caso
entre más disolvente de agua menos porcentaje
de grados Brix; además que la relación de
grados Brix y el índice de refracción, nos indica
que entre más concentración de azúcar en una
solución, el efecto de refracción será mayor.

Se determinaron sustancias puras desconocidas
por medio de sustancias puras conocidas, y por
medio de estas se realizo una grafica, Índice de
refracción (n) vs. Densidad (ρ) que la ser analizada
los datos muestran que las sustancias desconocidas
son muy cercanas a las de propanol.

Pudimos determinas que con las graficas de
Índice de refracción (n) vs. ⁰Brix, Índice de
refracción (n) vs. Densidad (ρ), ⁰Brix vs.
Densidad (ρ), ⁰Brix vs. (%P/p) y de refracción
(n) vs. (%P/p) los resultados muestran que hay
una relación directamente proporcional entre
estos.


4. CUESTIONARIO

 ¿De qué depende la medición del índice de
refracción?

El índice de refracción depende de la longitud de onda de
la luz, de la temperatura, de la composición y de la
concentración de la sustancia que se esta analizando
porque en ella es en donde se prolonga el haz de luz; por
lo cual se puede medir concentraciones de una sustancia
o identificar sustancias desconocidas.

 ¿Cómo influye la temperatura en la medición
del índice de refracción?

La temperatura es un parámetro de influencia en las
mediciones de índice de refracción, ya que en la mayoría
de los líquidos éste disminuye aproximadamente 0,00045
al aumentar 1 ºC, mientras que en los sólidos disminuye
únicamente 0,00001 por cada 1 ºC; el agua disminuye
0,00010 por cada 1 ºC.

En general la disminución del índice de refracción con el
aumento de temperatura se debe a la disminución de la
densidad y constante dieléctrica del medio.
[3]


 ¿Qué es el ángulo de emergencia y como se
puede hallar?

Si sobre el prisma incide un rayo luminoso, éste penetra
en el prisma y luego lo abandona por la otra cara. La
figura es un esquema del proceso y la fotografía de la
figura corresponde a un proceso real.

El ángulo que forma el rayo incidente con la normal
N1 se llama ángulo de incidencia i, el que forma el rayo
emergente con la normal N2 se denomina ángulo de
emergencia y el que forma el rayo incidente con el
emergente se llama ángulo de desviación .





El ángulo diedro del prisma, que en proyección plana es
el ángulo α de la figura 1a, es el denominado ángulo del
prisma; r1 es el refractado del incidente i; y r2 es el
incidente cuyo refractado es el emergente e. Con la letra
n se designa al índice de refracción relativo del
prisma respecto del medio exterior.



Al final esta ecuación establece una relación explícita
entre el ángulo de emergencia y el de incidencia si se
conoce el ángulo del prisma y el índice de refracción
relativo del prisma respecto del medio exterior.
[4]

5. 5


 ¿Cómo determinar momentos dipolares y
estructuras moleculares utilizando el índice
de refracción?

El índice de refracción de una sustancia es la relación
entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad en
la muestra. La velocidad de la luz es siempre menor en
un medio dieléctrico que en el vacío y la disminución de
la velocidad se debe a la interacción de los electrones
polarizables de las moléculas del medio con el campo
eléctrico oscilante de la radiación. Los dipolos
permanentes de las moléculas también pueden interferir,
pero la radiación visible utilizada para medir el índice de
refracción, cambia con tal rapidez el sentido del campo
eléctrico alternante, porque su frecuencia es del orden de
1015 ciclos/segundo, que las moléculas son incapaces de
orientarse unas respecto de otras con la rapidez suficiente
para seguir la variación de este campo. Por esta razón
solo interviene la polarizabilidad con el paso de la luz.

La teoría de Maxwell demuestra que, para las sustancias
formadas por moléculas que no tienen momento dipolar,
y es igual a n² donde n es el índice de refracción de la
sustancia. Es inmediato que, aunque las moléculas del
dieléctrico tengan momento dipolar, el término de
polarizabilidad de la polarización molar total P puede
calcularse así:


















El índice de refracción suministra, por tanto, un valor de
α, que puede ser utilizado a continuación, junto con el
valor de la constante dieléctrica, para obtener el momento
dipolar. Así es posible obtener valores para algunas
moléculas sencillas.

5. BIBLIOGRFÍA

1. [Online] Available at:
http://www.yio.com.ar/fo/indiceref.html
[Accesed 30 04 2012]

2. [Online] Availble at:
http://es.scribd.com/griseldagb/d/35404921-
Refractometria
[Accesed 30 04 2012]

3. [Online] Available at:
http://www.metas.com.mx/guiametas/La-Guia-
MetAs-08-12-refraccion.pdf
[Accesed 01 05 2012]

4. [Online] Available at:
http://heurema.com/PDF45.htm
[Accesed 01 05 2012]

5. [Online] Available at:
http://www.buenastareas.com/ensayos/Refracto
metria/1167652.html
[Accesed 01 05 2012]