Práctica de Laboratorio: Desviaciones del Volumen Ideal en Mezclas Líquidas: Contracción y Expansión de Volumen

 

Desviaciones del Volumen Ideal en Mezclas Líquidas: Contracción y Expansión de Volumen

 

Objetivo general

Investigar experimentalmente el comportamiento no ideal del volumen en mezclas líquidas mediante la observación y análisis de fenómenos de contracción y expansión de volumen, y relacionarlos con las interacciones intermoleculares presentes.

 

Objetivos específicos

• Observar y registrar el volumen final resultante al mezclar líquidos que presentan interacciones fuertes o débiles.
• Comparar el volumen experimental con el volumen ideal para determinar desviaciones positivas o negativas.
• Analizar las fuerzas intermoleculares involucradas en cada mezcla.
• Comprender la relación entre estructura molecular y comportamiento volumétrico.

 

Introducción

En las ciencias químicas, la precisión en la preparación de soluciones es esencial tanto en la investigación como en la industria. A menudo se asume que el volumen total de una mezcla líquida es igual a la suma de los volúmenes individuales de sus componentes. Sin embargo, esta suposición es válida únicamente en sistemas ideales. En la práctica, muchas mezclas líquidas muestran comportamiento no ideal, donde el volumen total observado difiere del volumen teórico esperado. Esta desviación puede manifestarse como una contracción (volumen observado menor) o una expansión (volumen observado mayor).

Este fenómeno se debe a las interacciones intermoleculares que ocurren al mezclar líquidos. Cuando los componentes presentan atracciones intermoleculares fuertes entre sí (como enlaces de hidrógeno o interacciones dipolo-dipolo), las moléculas tienden a organizarse más eficientemente, ocupando menos espacio y generando una contracción de volumen. Por otro lado, si las interacciones son débiles o desfavorables, las moléculas tienden a separarse o a ocupar más espacio, lo que provoca una expansión.

  

Figura 1.- Ejemplos de enlaces o puentes de hidrógeno.

  

Figura 2.- Ilustraciones de Interacciones dipolo-dipolo,

Estas desviaciones volumétricas no solo tienen un valor académico, sino que son relevantes en diversos campos como la formulación farmacéutica, la elaboración de bebidas alcohólicas, la preparación de disolventes industriales y la química ambiental. Comprenderlas permite optimizar procesos, evitar errores por imprecisiones de volumen y entender mejor las propiedades moleculares de las sustancias.

En esta práctica, se estudiarán tres mezclas con contracción de volumen y tres con expansión, utilizando cilindros graduados para mejorar la precisión de las mediciones.

 

Fundamentos teóricos

1. Soluciones ideales y no ideales

Una solución ideal cumple con la ley de Raoult y se comporta de manera que las interacciones entre moléculas de diferentes componentes son similares a las de los componentes puros. En estas condiciones, no hay cambios apreciables en propiedades como volumen o energía libre al mezclar.

En contraste, una solución no ideal muestra desviaciones de esta conducta. Estas desviaciones son el resultado de diferencias significativas en el tamaño, forma, polaridad y capacidad de formar enlaces entre las moléculas de los líquidos mezclados. Esto se traduce en variaciones en la entalpía de mezcla y en el volumen total.

2. Contracción de volumen

Cuando las moléculas de dos líquidos interactúan fuertemente entre sí, como ocurre entre el agua y compuestos polares capaces de formar puentes de hidrógeno, el volumen de la mezcla resultante es menor que la suma de los volúmenes individuales. Esto se conoce como contracción de volumen.

Ejemplos:

• Agua + Etanol
• Agua + Metanol
• Agua + Ácido acético

La contracción ocurre porque las moléculas se ordenan de manera más eficiente al establecer interacciones, llenando espacios vacíos que antes existían en los líquidos puros.

3. Expansión de volumen

Por el contrario, cuando los componentes de una mezcla tienen baja afinidad molecular entre sí, como líquidos de distinta polaridad o con estructuras moleculares incompatibles, se observa una expansión de volumen. Esto se debe a que las moléculas no logran acercarse lo suficiente, ocupando más espacio total.

Ejemplos:

• Acetona + Benceno
• Etanol + Ciclohexano
• Acetona + Tolueno

Este fenómeno refleja una debilidad en las fuerzas intermoleculares A-B, en comparación con las A-A o B-B.

4. Cálculo del volumen ideal y desviación

El volumen ideal es la suma de los volúmenes medidos de cada líquido antes de mezclarlos:

Después de mezclar, se mide el volumen experimental  . La diferencia de volumen se calcula como:

Donde: ​

• Si ΔV < 0: Habrá una contracción de volumen.
• Si ΔV > 0: Habrá una expansión de volumen.

 

Parte Experimental

Materiales y reactivos

Materiales

• 12 cilindros graduados de 50 mL
• Pipetas graduadas de 25 mL
• Etiquetas
• Guantes, gafas de seguridad y bata de laboratorio
• Papel absorbente

Reactivos

• Agua destilada
• Etanol
• Metanol
• Ácido acético glacial
• Acetona
• Benceno (o tolueno)
• Ciclohexano

 

Procedimientos experimentales

Todas las mezclas se prepararán usando 25 mL de cada componente, buscando un volumen ideal de 50 mL. Las mediciones se harán directamente en un cilindro graduado de 50 mL, para mejorar la precisión en el volumen final observado.

A. Mezclas con contracción de volumen

1. Agua + Etanol
• Medir 25 mL de agua y 25 mL de etanol en cilindros separados.
• Verter primero el agua en un cilindro limpio y seco de 100 mL.
• Añadir cuidadosamente el etanol.
• Agitar suavemente el cilindro y registrar el volumen final.
2. Agua + Metanol
• Repetir el procedimiento anterior, usando metanol en lugar de etanol.
3. Agua + Ácido acético
• Medir 25 mL de agua y 25 mL de ácido acético.
• Mezclar como en los casos anteriores y registrar el volumen final.

B. Mezclas con expansión de volumen

1. Acetona + Benceno
• Medir 25 mL de acetona y 25 mL de benceno.
• Verter primero la acetona en el cilindro y luego añadir el benceno.
• Agitar suavemente y registrar el volumen final.
2. Etanol + Ciclohexano
• Medir 25 mL de etanol y 25 mL de ciclohexano.
• Mezclar como antes y anotar el volumen final.
3. Acetona + Tolueno
• Medir 25 mL de cada componente y proceder como en los anteriores.

 

Tablas para recolección de datos

Tabla 1. Mezclas con contracción de volume

Mezcla	Volumen de A (mL)	Volumen de B (mL)	Volumen ideal (mL)	Volumen observado (mL)	ΔV (mL)
Agua + Etanol
Agua + Metanol
Agua + Ácido acético

 

Tabla 2. Mezclas con expansión de volumen

Mezcla	Volumen de A (mL)	Volumen de B (mL)	Volumen ideal (mL)	Volumen observado (mL)	ΔV (mL)
Acetona + Benceno
Etanol + Ciclohexano
Acetona + Tolueno

 

Cuestionario

1. ¿Qué mezclas presentaron contracción y cuáles expansión? ¿Qué lo explica?
2. ¿Cómo se relacionan las fuerzas intermoleculares con los cambios de volumen observados?
3. ¿Qué propiedades moleculares (tamaño, polaridad, grupos funcionales) influyen en estos fenómenos?
4. ¿Qué mezcla presentó la mayor desviación absoluta? ¿A qué se debe?
5. ¿Qué precauciones experimentales son necesarias para minimizar errores en la medición?
6. ¿Qué aplicaciones prácticas tiene este conocimiento?

 

Referencias Bibliográficas

·       Atkins, P., & De Paula, J. (2022). Físicoquímica (11.ª ed.). Editorial Médica Panamericana.

·       Chang, R., & Goldsby, K. A. (2017). Química (12.ª ed.). McGraw-Hill Education.

·       Rodríguez, R. (2009). Manual de prácticas de laboratorio de físico-química. Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM).

·       Skoog, D. A., West, D. M., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2014). Química analítica (9.ª ed.). Cengage Learning.

·       Daniels, F., & Alberty, R. A. (2010). Física y química para ciencias e ingeniería (5.ª ed.). Reverté.