Curvas De Calentamiento Y Enfriamiento 3r585s

CURVAS DE

CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO LABORATORIO DE QUÍMICA I

ELIANA CAROLINA FRANCO. (1123254), [email protected] Fecha de realización: 19 de Mayo de 2014. Fecha de entrega: 29 de Mayo de 2014.

RESUMEN: En esta práctica se mostró cómo se puede transformar la materia de un estado a otro de acuerdo con la temperatura a la que se sometida. Utilizando un trozo de hielo el cual se expuso a una fuente de calor, se observó cómo este se convirtió en líquido, este proceso físico se denomina fusión. Luego se dejó el líquido en la misma fuente de calor hasta su punto de ebullición y se observó cómo se convirtió en vapor, este proceso se denomina evaporación. Al realizarse esta primera parte de la práctica se puede apreciar el calor absorbido o gastado por la sustancia. En la segunda parte de la práctica se procedió a enfriar H2O y el etanol (C2H6O), observando el calor cedido por las sustancias. Palabras clave: fusión, evaporación, cambio de estado, solido, liquido, vapor.

1. INTRODUCCIÓN.

Las curvas de enfriamiento se definen como una representación gráfica de la temperatura de un material frente al tiempo conforme este se enfría, estas graficas pueden representar claramente en cuanto tiempo y que tanta disminución temperatura a presión constante se le debe aplicar a una sustancia en estado gaseoso para que esta alcance el estado líquido.

Con las curvas de calentamiento y enfriamiento se pueden determinar el calor ganado o el cedido por una sustancia, mediante estas se pueden determinar el equilibrio entre los estados solidos-liquidogaseosos como lo podremos determinar en la siguiente practica de laboratorio.

2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL.

Las curvas de calentamiento se definen como una representación gráfica de la temperatura de un material frente al tiempo conforme este se calienta, y con esta podemos establecer el equilibrio solido-líquido y si seguimos incrementando la temperatura estableceremos el punto de ebullición donde aparece la primera burbuja y se establece el equilibrio liquido-gaseoso.

PARTE 1 En un vaso de precipitado de 200 mL se agregó una cantidad de agua solida (hielo), pesándola y determinando su temperatura inicial. Luego, se comenzó a calentar suavemente y con buena agitación hasta que se fundiese el sólido, tomando la temperatura cada 30 segundos. Luego se aumentó la

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velocidad de calentamiento midiendo la temperatura cada 30 segundos hasta que el líquido empezara a bullir, sin embargo se continuó tomando datos de temperatura por 2 minutos más. En ese momento se dejó enfriar y se determinó la masa final del agua. PARTE 2 En un vaso de precipitados se vertió 20 mL de agua destilada, calentándola hasta que comenzase a bullir. Se introdujo el termómetro al vaso y se determinó una temperatura inicial. Luego se retiró la fuente de calor y se procedió a tomar la temperatura cada 30 segundos hasta que bajo a 30 o 35°C.

Figura 1. Cambios de fase del agua. Los cambios de estado al que se sometió un cubo de hielo al aplicarle calor, se dieron gracias a las fuerzas intermoleculares que son las fuerzas de atracción entre las moléculas, responsables de las propiedades macroscópicas de la materia como punto de fusión, punto de ebullición, etc.

Después se introdujo el vaso con el termómetro en un recipiente que contenía una mezcla frigorífica de hielo-sal y se determinando la variación de temperatura cada 15 segundos. Cuando la lectura del termómetro se estabilizase se tomaron datos por 2 minutos más.

La transformación de un sólido a líquido se conoce como fusión; el punto de fusión de un sólido es la temperatura a la cual las fases sólidas y líquidas coexisten en el equilibrio. Por otra parte, la transformación de un líquido a un gas se conoce como vaporación; el punto de vaporación de un líquido es la temperatura a la cual las fases liquidas y gaseosas conviven en equilibrio. Estas transformaciones se pueden observar en figura 2.

ESTE PROCEDIMIENTO SE REPITIO CON 10 mL DE ALCOHOL ETILICO. 3. DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS. PARTE 1. Las sustancias pueden existir en 3 estados fundamentales sólido, líquido y gaseoso. Los gases difieren de los líquidos y sólidos en la distancia que media entre las moléculas. En un sólido, las moléculas se mantienen juntas en forma ordenada con escasa libertad de movimiento. En la de un líquido están cerca unas de otras, sin que se mantengan en la posición rígida, por lo que pueden moverse. En un gas, las moléculas están separadas entre sí por distancias grandes en comparación con el tamaño de las moléculas mismas. El agua es la sustancia más común del planeta, razón por la que se conocen todas sus propiedades fisicoquímicas, entre esas sus cambios de fase y la temperatura a las que ocurre. En figura 1 podemos observar una interpretación de estos cambios de fase.

Figura 2. Curva de calentamiento del agua. Una demostración práctica de este equilibrio dinámico se dio con el bloque de hielo, el cual es un sólido cristalino, en donde sus moléculas están ordenadas en arreglos o

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patrones regulares repetitivos definidos y las fuerzas netas de atracción entre éstas moléculas están en su máximo, por esto no tienen libertad de movimiento si no que vibran en posiciones fijas. Después de haberle aplicado calor al bloque de hielo por determinado tiempo, éste comenzó a fundirse a una temperatura de 32.8°C, lo cual indicó la débil atracción entre las moléculas ocasionada por el aumento en la temperatura, ya que a medida que se calentaba el sólido , éste absorbía o ganaba calor y así su temperatura aumentó hasta que alcanzó su punto de fusión, debido a que a esta temperatura, la energía cinética promedio de las moléculas se ha vuelto lo bastante grande como para comenzar a superar las fuerzas intermoleculares que las mantenían juntas en el estado sólido.

Figura 3. Curva de enfriamiento del agua. La teoría cinética molecular, se basa en la suposición de que toda materia está constituida de diminutas partículas en constante movimiento llamadas moléculas. Al calentarse el agua y el etanol se logró que estas alcanzaran la ebullición, (93.1°C y 70.0°C respectivamente), estado en el cual las moléculas están muy separadas y las fuerzas intermoleculares son tan pequeñas que las partículas se mueven con gran libertad. Luego la temperatura de las dos sustancias comenzó a disminuir, logrando alcanzar el agua una temperatura de 33.7°C y el etanol de 35.1°C, temperatura en la cual estas sustancias comenzaron a cambiar del estado gaseoso al estado líquido, producto de una perdida de calor y disminución en la temperatura de las mismas, lo que ocasionó la reducción de la velocidad de las moléculas del gas aumentando las fuerzas de atracción entre éstas, obligándolas a unirse y pasar a formar parte del estado líquido; este es el proceso de una condensación y mientras se condesaban por completo, ocurrió, que la temperatura permaneció constante por un tiempo. Posteriormente se pasaron las soluciones a una mezcla frigorífica, los sistemas comenzaron a disminuir gradualmente su temperatura, buscando equilibrarse con la de la mezcla frigorífica. El sistema de agua y la mezcla frigorífica lograron estabilizarse completamente a una temperatura de 1.5°C; mientras que el sistema de etanol logró estabilizarse a una temperatura de –0.5°C, temperatura en la cual estas soluciones empezaron a formar parte del estado sólido, esto se dio, ya que, al seguir disminuyendo la temperatura del líquido las moléculas perdieron cada vez más energía y por ende su velocidad se redujo, obligándolas a estar lo más cerca posible,

Una vez que la sustancia se fundió por completo, se siguió aplicando calor al líquido, lo que generó que la sustancia absorbiera una mayor cantidad de calor y por ende ayudó a aumentar su temperatura hasta que alcanzó el punto de ebullición (97.9°C), aquí ocurrió la transición de la fase líquida a la gaseosa en la cual el calor absorbido se usó para romper las fuerzas intermoleculares que unían a las moléculas en la fase liquida; la temperatura se mantuvo constante por un tiempo, como respuesta al equilibrio que se daba entre el estado líquido-gaseoso mientras el líquido pasaba por completo al estado gaseoso. Al finalizar se calculó la masa restante del agua la cual fue menor a la masa inicial, esto debido a que cierta cantidad de líquido se evaporo. PARTE 2. Las curvas de calentamiento y enfriamiento sirven para visualizar de manera macroscópica lo que sucede con los cambios físicos de una sustancia, sin embargo para lograr una mejor interpretación de éste fenómeno se debe dirigir al campo microscópico de la materia. A continuación se muestra en figura 3 los cambios que sufre el gas de vapor para alcanzar un estado sólido.

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causando un incremento en las fuerzas de atracción entre las moléculas y reduciendo su movimiento hasta que se lograse así, alcanzar la solidificación.

Es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado.

Además observó, que la temperatura de condensación del agua es menor a la temperatura de condensación del etanol, lo que predice un punto de ebullición mayor para el agua en comparación con el etanol, ya que al tener el agua una temperatura menor de condensación sus partículas estarán más juntas y por ende las fuerzas intermoleculares serán mayores ya que la energía cinética promedio de las moléculas ha disminuido más en el agua, y para lograr que ésta se evapore se necesitará más energía para romper las fuerzas que unen las moléculas del agua que las fuerzas que unen las moléculas del etanol.

4.4. Realice las curvas de calentamiento y enfriamiento del agua y del etanol. 150 100 Temperatura °C

50 0 0

500 1000 1500 Tiempo (s)

Grafica 1. Curva de calentamiento del agua. 100

4. PREGUNTAS. 4.1.

¿Qué se específico?

entiende

por

80

calor

60 Temperatura °C

Calor específico, es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1gr de una sustancia en un grado, es decir, es la capacidad de una sustancia de absorber y almacenar energía térmica, por esto el calor específico es una propiedad intensiva; no depende de la cantidad de materia. El calor específico depende de la temperatura.

40 20 0 0

200 400 600 800 Tiempo (s)

Grafica 2. Curva de enfriamiento del agua.

4.2. ¿Qué se entiende por calor latente?

80

Sustancia que experimenta a veces un cambio de temperatura cuando se transfiere energía entre ella y su entorno. En algunas situaciones, la transferencia de energía no da lugar a un cambio de temperatura. Esto puede ocurrir cuando las características físicas de la sustancia cambian de una forma a otra. Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura; por tanto al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.

60 Temperatura °C

40 20 0 0 -20

200

400

Tiempo (s)

Grafica 3. Curva de enfriamiento del etanol.

4.3. ¿Qué se entiende por calor sensible?

4

600

4.5. Determine en las curvas, las temperaturas de fusión y ebullición del agua y el etanol.

La curva de calentamiento del agua va en forma ascendente y la de enfriamiento de forma descendiente, y que es más fácil calentar el H2O que enfriarlo si la temperatura ambiente está por encima de la temperatura del H2O y es más fácil enfriarlo si la temperatura está por debajo de la del H2O.

Etanol Temperatura de fusión: 70.0oC Temperatura de ebullición:-0.5oC Agua: Temperatura de fusión: 1.5 Temperatura de ebullición: 93.1oC

6. BIBLIOGRAFÍA. 1

Brown,T. Química la ciencia central: Materia y medición Pág 215. EDITORIAL PEARSON EDUCATION, México. 2009

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Serway, R. Fundamentos de física: Energía. Pág 120-130. EDITORIAL THOMSON. México, 2004

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Raymond, CHANG. Química. 10a Edición, Editorial Mc. Graw Hill. México D.F 2010.

4.6. Consulte el calor de fusión, el calor específico y el calor de vaporización del alcohol etílico. 3

Calor de Fusión: 104,2 (10 J/kg) Calor específico: 0.60 cal/gºC Calor de vaporización: 846 (103 J/kg)

5. CONCLUSIONES. La curva de calentamiento del agua es el resultado del calor adicionado al agua y el tiempo que esta se tardó en absorber el calor a sí mismo la curva de enfriamiento es el resultado del calor sustraído del agua por el tiempo que se demoró en salir el calor. El calor es energía que se cede o adsorbe un cuerpo, esta transferencia de calor ocasiona en las moléculas aumento en su energía cinética, ello ocasiona que aumente la distancia entre ellas ocasionando un cambio de estado.

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