Informe 1 de Quimica II uni

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM

INTRODUCCIÓN La termodinámica es la parte de la física que trata de los fenómenos relacionados con la energía térmica y de las leyes que rigen su transformación en otro tipo de energía. La variación de energía térmica acumulada en un medio en un proceso de calentamiento o de enfriamiento se obtiene como el producto de la masa del medio, por su calor específico y por el salto térmico. Pero no toda la energía térmica almacenada en un medio es utilizable. Todos los procesos de aprovecamiento energético recurren en un momento al intercambio de energía térmica. La energía nuclear genera una energía cinética que se transforma en energía térmica. La energía eólica es consecuencia de las variaciones térmicas en la atmósfera. !n el presente informe está orientado a transmitir al lector un mayor conocimiento acerca de la Termo Termodin dinámi ámica, ca, además además de analiz analizar ar y determ determina inarr a través través de los datos datos e"perim e"periment entale aless la capacidad calorífica de un calorímetro, el calor de neutralización y disolución en una reacción.

La#oratorio N$% de &uí'ica II

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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL  #ar a conocer la aplicación de los criterios termodinámicos relacionados con los cambios térmicos que acompa$an a las reacciones químicas, así como los cambios de energía que e"perimentan los procesos físicos.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS #eterminar e"perimentalmente la capacidad calorífica de un calorímetro. %alcular a partir de los datos e"perimentales recolectados en el laboratorio el calor de neutralización de una reacción acido&base. %alcular el calor de disolución de algunas sales utilizando un calorímetro.

FUNDAMENTO TEÓRICO La#oratorio N$% de &uí'ica II

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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL  #ar a conocer la aplicación de los criterios termodinámicos relacionados con los cambios térmicos que acompa$an a las reacciones químicas, así como los cambios de energía que e"perimentan los procesos físicos.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS #eterminar e"perimentalmente la capacidad calorífica de un calorímetro. %alcular a partir de los datos e"perimentales recolectados en el laboratorio el calor de neutralización de una reacción acido&base. %alcular el calor de disolución de algunas sales utilizando un calorímetro.

FUNDAMENTO TEÓRICO La#oratorio N$% de &uí'ica II

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TERMODINÁMICA La Termodinámica Termodinámica es la rama r ama de la 'ísica que estudia a nivel nivel macro macroscó scópi pico co las las trans transfor forma maci cione oness de la energía, y cómo esta energía puede convertirse en traba(o )movimiento*. !l punto de partida de la mayor parte de conside consideraci racione oness termod termodiná inámic micas as son las llamad llamadas as leyes o principios de la Termodinámica. !n términos sencillos, estas leyes definen cómo tienen lugar las transfo transforma rmacio ciones nes de energí energía. a. %on el tiempo tiempo,, an llegado a ser de las leyes más importantes de la ciencia.

SISTEMA TERMODINÁMICO +n sistema termodinámico, también denominado sustancia de traba(o se define como la parte del universo ob(eto de estudio. +n sistema termodinámico puede ser una célula, una persona, el vapo vaporr de una una máqu máquin inaa de vapo vaporr, la mezc mezcla la de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, etc. !l sistema termodinámico puede estar separado del resto resto del del univ univer erso so )deno )denomi minad nadoo alred alreded edore oress del sistema* por paredes reales o imaginarias. !n este ltimo caso, el sistema ob(eto de estudio sería, por e(emplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes )llamadas ) llamadas paredes adiabáticas* o permitir el flu(o de calor )diatérmicas*.

CLASIFICACIÓN Los sistemas termodinámicos se clasifican segn el grado de aislamiento que presentan con su entorno en Sistema Sistema aislad aislad- !s aquel que no intercambia ni materia ni energía con su entorno, es decir se encuentra en equilibrio termodinámico. +n e(emplo de esta clase podría ser un gas encerrado encerrado en un recipiente de paredes rígidas lo suficientemente suficientemente gruesas )paredes adiabát adiabática icas* s* como como para conside considerar rar que los interca intercambi mbios os de energía energía calorí calorífica ficasean despreciables y que tampoco puede intercambiar energía en forma de traba(o.


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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM  Sistema !e""ad- !s el que puede intercambiar energía pero no materia con el e"terior. /ultitud de sistemas se pueden englobar en esta clase. !l mismo planeta Tierra puede considerarse un sistema cerrado.

 Sistema a#ie"t- !n esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden observarse en la vida cotidiana. 0a que intercambia materia con el e"terior, además, intercambia energía con el entorno.

!"isten otros criterios para la clasificación de sistemas. La omogeneidad que pueda presentar un sistema es uno de ellos. #e esta manera se abla de sistemassi las propiedades  $m%&'es, macroscópicas de cualquier parte del sistema son iguales en cualquiera parte o porción del mismo. !l estado de agregación en el que puede presentarse el sistema puede ser cualquiera.

 $ete"%&'es, cuando no ocurre lo anterior

E(UILIBRIO TERMODINÁMICO !n Termodinámica se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando las variables intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo. %uando un sistema no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del sistema. Para que un sistema esté en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores. %uando un sistema cerrado está en equilibrio, debe estar simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico.


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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM  !quilibrio térmico- la temperatura del sistema es la misma que la de los alrededores.  !quilibrio mecánico- la presión del sistema es la misma que la de los alrededores.

VARIABLES TERMODINÁMICAS Las variables termodinámicas o variables de estado son las magnitudes que se emplean para describir el estado de un sistema termodinámico. #ependiendo de la naturaleza del sistema termodinámico ob(eto de estudio, pueden elegirse distintos con(untos de variables termodinámicas para describirlo. !n el caso de un gas, estas variables son-

 Masa )m ó n*- es la cantidad de sustancia que tiene el sistema. !n el 1istema 2nternacional se e"presa respectivamente en 3ilogramos )3g* o en nmero de moles )mol*.  Vl)me' )V *- es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. !n el 1istema 2nternacional se e"presa en metros cbicos )m*. 1i bien el litro )l * no es una unidad del 1istema 2nternacional, es ampliamente utilizada. 1u conversión a metros cbicos es- 4 l 5 46& m.  P"esi*' ) p*- !s la fuerza por unidad de área aplicada sobre un cuerpo en la dirección perpendicular a su superficie. !n el 1istema 2nternacional se e"presa en pascales )Pa*. La atmósfera es una unidad de presión comnmente utilizada. 1u conversión a pascales es- 4 atm . 467 Pa.  Tem+e"at)"a )T ó t *- 8 nivel microscópico la temperatura de un sistema está relacionada con la energía cinética que tienen las moléculas que lo constituyen. /acroscópicamente, la temperatura es una magnitud que determina el sentido en que se produce el flu(o de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. !n el 1istema 2nternacional se mide en 3elvin )9*, aunque la escala %elsius se emplea con frecuencia. La conversión entre las dos escalas es- T )9* 5 t ):%* ; <=.

EL CALOR ,Q!s la energía transferida de un sistema a otro )o de un sistema a sus alrededores* debido en general a una diferencia de temperatura entre ellos. !l calor que absorbe o cede un sistema termodinámico depende normalmente del tipo de transformación que a e"perimentado dico sistema. #os o más cuerpos en contacto que se encuentran a distinta temperatura alcanzan, pasado un tiempo, el equilibrio térmico )misma temperatura*. !ste eco se conoce como Principio %ero de la Termodinámica. La#oratorio N$% de &uí'ica II

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+n aspecto del calor que conviene resaltar es que los cuerpos no almacenan calor sino energía interna. !l calor es por tanto la transferencia de parte de dica energía interna de un sistema a otro, con la condición de que ambos estén a diferente temperatura. 1us unidades en el 1istema 2nternacional son los >oules )>* La e"presión que relaciona la cantidad de calor que intercambia una masa m de una cierta sustancia con la variación de temperatura ?t que e"perimenta es-

donde c es el !al" es+e!./i! de la sustancia.

Cal" Es+e!./i!0 !l calor específico )o capacidad calorífica específica* es la energía necesaria para elevar en un 4 grado la temperatura de 4 3g de masa. 1us unidades en el 1istema 2nternacional son >@3g 9. !n general, el calor específico de una sustancia depende de la temperatura. 1in embargo, como esta dependencia no es muy grande, suele tratarse como una constante. !n esta tabla se muestra el calor específico de los distintos elementos de la tabla periódica y en esta otra el calor específico de diferentes sustancias.

Ca+a!idad Cal"./i!a Mla" %uando se traba(a con gases es bastante abitual e"presar la cantidad de sustancia en términos del nmero de moles n. !n este caso, el calor específico se denomina capacidad calorífica molar C . !l calor intercambiado viene entonces dado por-

!n el 1istema 2nternacional, las unidades de la capacidad calorífica molar son >@mol9.  C"ite"i de si%'s- 8 lo largo de estas páginas, el calor absorbido por un cuerpo será positivo y el calor cedido negativo.

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA La#oratorio N$% de &uí'ica II

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+n sistema termodinámico puede intercambiar energía con su entorno en forma de traba(o y de calor, y acumula energía en forma de energía interna. La relación entre estas tres magnitudes viene dada por el principio de conservación de la energía.

Para establecer el principio de conservación de la energía retomamos la ecuación estudiada en la página dedicada al estudio de sistemas de partículas que relaciona el traba(o de las fuerzas e"ternas )W ext * y la variación de energía propia )?+*-

Aombramos igual a la energía propia que a la energía interna porque coinciden, ya que no estamos considerando la traslación del centro de masas del sistema )energía cinética orbital*. Por otra parte, el traba(o de las fuerzas e"ternas es el mismo que el realizado por el gas pero cambiado de signo- si el gas se e"pande realiza un traba(o )W * positivo, en contra de las fuerzas e"ternas, que realizan un traba(o negativoB y a la inversa en el caso de una compresión. 8demás, aora tenemos otra forma de suministrar energía a un sistema que es en forma de calor )Q*.

Luego la e"presión final queda-

!ste enunciado del principio de conservación de la energía aplicado a sistemas termodinámicos se conoce como Primer Principio de la Termodinámica.


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CALORÍMETRO !s un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. !s decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos. !l tipo de calorímetro de uso más e"tendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. 1e coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua asta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. 1i se conoce la capacidad calorífica del calorímetro )que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor*, la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. %uando la fuente de calor es un ob(eto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose segn se va enfriando el ob(eto.

CALOR DE REACCIÓN !n un sistema termodinámico cerrado en el que tenga lugar una reaccióna8 ; bC

c% ; d#

1e produce una rotura de enlaces y formación de otros, por lo que abrá una variación de la energía interna del sistema. 1e denomina calor de reacción a la cantidad de energía calorífica que el sistema a de ceder o absorber para que la temperatura permanezca constante durante todo el proceso de la reacción química. 1i el medio e"terior recibe energía la reacción se denomina e"otérmica y si el sistema absorbe energía se llama endotérmica. !n las reacciones e"otérmicas, se necesita menos calor para romper los enlaces del que se desprender al formar los nuevos, y en las reacciones endotérmicas, ocurre al contrario, se necesita más calor para romper los enlaces del que se desprende al formar los nuevos.

C1l!)l del Cal" de Rea!!i*' La#oratorio N$% de &uí'ica II

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Primero debemos definir la reacción química de 'ormación- ésta es la reacción que produce un mol de la sustancia a partir de sus elementos en su forma más estable. Por e(emplo, la reacción de formación del propano, %DE )g* se denota de la manera siguiente % )grafito* ; FD< )g* G %DE )g*

La e'tal+.a de /"ma!i*' será el calor que se produce o que se necesita para formar un mol de un compuesto a partir de sus elementos en su forma más estable. La entalpía estándar de formación, se denota de la manera siguiente Aos indica el calor de formación de los compuestos para condiciones estándares. Por convención los valores de la !ntalpías estándar de formación a
CALOR DE NEUTRALI2ACIÓN !l calor de neutralización es definido como el calor producido cuando un equivalente gramo de ácido es neutralizado por una base. !l calor de neutralización tiene un valor apro"imadamente constante, en la neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte, ya que en esta reacción se obtiene como producto en todos los casos un mol de agua, que es formada por la reacción-

!n cada una de las reacciones anteriores se obtienen 4,= 3cal. !sta constancia en la entalpía de neutralización, se entiende fácilmente cuando se recuerda que los ácidos y bases fuertes y las sales, están completamente disociados en sus soluciones diluidasB y, en tal consecuencia el efecto químico comn a todas estas neutralizaciones, que es sustancialmente el nico cambio La#oratorio N$% de &uí'ica II

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM responsable para el efecto térmico observado, es la unión de los iones idratados idrógeno e idro"ilo para formar agua no ionizada.

CALOR DE DISOLUCIÓN La entalpía de solución, entalpía de disolución o calor de disolución es el cambio de entalpía asociado a la disolución de una sustancia en un solvente a presión constante. !l proceso de disolución puede verse, termodinámicamente, como si consistiera en tres etapas-

 Iuptura de las atracciones soluto&soluto )endotérmica*, por e(emplo la energía reticular en el caso de las sales.  Iuptura de las atracciones solvente&solvente )endotérmica*, por e(emplo el enlace de idrógeno en el agua.  'ormación de atracciones solvente&soluto )e"otérmica*, en la solvatación. !l valor del cambio de entalpía global es la suma de los cambios de entalpía individuales de cada paso.

C1l!)l del Cal" de Disl)!i*' La cantidad ?Dsoln representa la diferencia entre la entalpía de la disolución final y la entalpía de los reactivos originales, como lo representa?Dsoln 5 Dsoln J Dcomponentes Ao es posible llevar a cabo esta medición, pero en un calorímetro a presión constante se puede determinar la diferencia y por ende K?DsolnK. 8l igual que los otros cambios de entalpía, para procesos e"otérmicos el signo de ?Dsoln será negativo )&*, y para procesos endotérmicos el signo será positivo );*.

PARTE E3PERIMENTAL La#oratorio N$% de &uí'ica II

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E(UIPOS 4 MATERIALES0

/ecero Cunsen

aso de Precipitado

!scobilla para lavar tubos de ensayo

Pizeta con agua destilada

Termómetro

Probeta

Pinzas para tubos de ensayo

Tubos de ensayo

E3PERIMENTO 50 DETERMINACIÓN CAPACIDAD DEL CALORÍMETRO La#oratorio N$% de &uí'ica II

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DE

LA


PROCEDIMIENTO  +tilizar como calorímetro un Termo, si no dispone de ello, preparar el calorímetro cubriendo un vaso de 476 ml en toda su superficie e"terna, con papel platinado de manera que la superficie platinada se vea acia el interior del vaso. Luego, colocar el vaso preparado, dentro de un vaso de <76 ml cuyo fondo contenga una placa de tecnoporn como aislante. #ebe disponerse con una tapa adecuada con dos orificios por el cual pasara un termómetro y un agitador alámbrico.  /edir e"actamente 76 ml de agua destilada fría, verter al calorímetro, y anotar la temperatura )t4*.  Llevar a otro vaso 77ml de agua asta ebullición. Ietirar el vaso del sistema de calentamiento. erter el agua ervida al calorímetro inmediatamente, previa medida de su temperatura. Iegistrar esta temperatura como )t<*.  Domogenizar el sistema agitando suavemente la mezcla y registrar su temperatura como )tm*.

 #eterminar y registrar el volumen de agua caliente a t< midiendo el volumen total de mezcla en una probeta, al cual debe restar los 76 ml de agua fría.

Para efectos de cálculo de la masa de agua, considerar la densidad del agua igual a 4.66gr@ml, por lo tanto el volumen de agua será igual a la masa de agua. Por otro lado asumir el calor especifico del agua )%e* igual a 4 cal@g:%.

DATOS 4 OBSERVACIONES Los datos obtenidos en el laboratorio son los siguientes-


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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM  8gua destilada fría-

Tem+e"at)"a ,t5-0 Vl)me' Masa ,m5-

<:% 76 ml 76 g.

 8gua destilada caliente-

 8gua

Tem+e"at)"a ,t6-0 Vl)me' Masa ,m6-

H:% 77 ml 77 g.

Tem+e"at)"a ,tm-0 Vl)me' Masa ,mm-

7F:% 467 ml 467 g.

destilada mezclada-

%ML%+LN1 Q 1 + Q 2 + Q 3= 0

( m ) .Ce. ( t m−t ) + ( m ) .Ce. ( t m −t ) + C CC ( t m −t )=0 1

1

2

2

1

O4 y O< representan el calor ganado por el agua por el agua fría y agua caliente respectivamente. O< corresponde al calor cedido por el agua caliente. m4 y m< representan la masa en gramos de agua fría y agua caliente respectivamente. t4, t< y tm representan la temperatura del agua fría, agua caliente y el agua resultante de la mezcla, respectivamente en grados centígrados. %cc es la capacidad calorífica del calorímetro en cal@:% #e la ecuación-

( 50 g ) . 1 cal . ( 54 ºC −26 ºC ) +( 55 g ) . 1 cal . (54 ºC − 96 ºC ) +C CC ( 54 ºC −26 ºC ) =0 g º C


g º C

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM C CC =¿ <.7 cal@:%

E3PERIMENTO 60 DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN METAL PROCEDIMIENTO  Procedemos a medir 76 ml de agua destilada en el calorímetro y anotar la temperatura, el cual nos da t 1 7 689C:  Pesamos 5; %"ams de granalla de metal y lo ponemos en un tubo de prueba vacío de <6 " 476 mm. %olocar una tapa para evitar salpicaduras de agua dentro del tubo. %olocamos el tubo de prueba que contiene dico metal, dentro de un vaso que contiene agua de ca$o, y procedemos a calentar el agua del vaso a ebullición durante un tiempo de 7 a 44 minutos con el fin de que el metal dentro del tubo adquiera la temperatura del agua en ese instante medimos la temperatura del agua en el vaso irviendo, el cual nos da t 7 <=9: Procedemos a transferir el metal al calorímetro, agitamos suavemente con el termómetro y registrar este dato como t m 7 6<>?9C: 2

DATOS 4 OBSERVACIONES 

t 1

5 <=Q%

B

v1

5 76 ml



t 2 5 HEQ%

B

m2

5 46 g



t m 5


C CC = 40 cal@Q%

#ondeQ1

y Q3 representan el calor ganado por el agua fría y el calorímetro respectivamente.


()gina *-

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM Q2 corresponde al calor cedido por el metal caliente. m1

y m representan la masa en gramos de agua fría y masa en gramos del metal caliente en 2

estudio, respectivamente. t 1

, t y t m representan la temperatura del agua fría, temperatura del metal caliente y el agua 2

resultante de la mezcla, repectivamente en grados centígrados. C CC

es la capacidad calorífica del calorímetro en cal@Q% allado en la primera e"periencia.

CÁLCULOS Q 1 + Q 2+ Q 3 = 0 m1 Ceagua ( t m −t 1 ) + m2 Cemetal ( t m−t 2 ) + C CC ( t m−t 1) =0 ; mh=V h ρ H 2 O V 1 ρ H 2 O Ce H 2 O ( t m −t 1 ) + m2 Cemetal ( t m− t 2 ) + C CC ( t m−t 1 )=0

50 ml x 1

g cal cal ( 29,5− 27 ) ℃ 5 6 x 1 x ( 29,5 −27 ) ℃ + 10 gxCemetal x ( 29,5− 98 ) ℃ + 40 ml g℃ ℃

Cemetal =0.328

cal ( Calor específico del metal ) g℃


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E3PERIMENTO @0 DETERMINACIÓN DEL CALOR DE NEUTRALI2ACIÓN !n el traba(o se propone medir el calor de neutralización del ácido clorídrico con la solución de idró"ido de potasio )potasa cáustica*. !n la neutralización de los ácidos fuertes y bases, el calor de neutralización es casi igual. 8 medida que se diluyen los reactivos, el calor de neutralización se apro"ima a una magnitud e"trema que es igual a &46 cal@mol a <6Q%. !sta magnitud representa el calor de formación de las moléculas de agua a partir de los iones idrógeno e idro"ilo. −¿

OH ( ac ) = H 2 O( l) + Q n Q n=−13.36 Kcal / mol ( 1) +¿

H ( ac) +¿

¿

La reacción de neutralización por e(emplo, de la solución del ácido clorídrico con la solución de idró"ido sódico puede escribirse HCl x ( H O ) + NaOH  ( H O) = NaCl ( x +  ) ( H O) + H 2 O( l) + Qn ( 2 ) 2

2

2

1iendo On el calor de neutralización. #onde " e y son los nmeros de moles de agua por 4 mol de reactivo. Los calores de las reacciones )4* y )<* se distinguen entre sí en el calor de dilución de los reactivos.

|Qg|=|Q p| , siendo

∑Q

Qg =

dil

+ Q calorímetro

Qg

5 calor ganado y Q p 5 calor perdido, pero Qg =m H O .Ce. ( t m−t 1 ) + C cc . ( t m−t 1 ) 2

t m=¿

Temperatura de la reacción ácido&base

t m=¿

Temperatura inicial del D%l5 Temperatura inicial del AaND5 Temperatura del

calorímetro Ce=¿

4cal@g&Q%


()gina *%

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM 1e asume la masa total del agua como la suma de los volmenes del D%l y el AaND, dado que en la neutralización de se obtiene agua a pD5=.

Para 4 mol de agua, en el e"perimento el calor de neutralización seráQn=1 mol H 2 O (−Q g)/ n H O 2

La estequiometria de reacción muestra que n H O =n HCl= n NaOH = N ! de ≡. de agua=( Normalidad x Volumen )"cido 2

PROCEDIMIENTO /edir 76ml de solución de AaND 6.
   

verter el ácido con el calorímetro y tapar rápidamente.  8gitar la mezcla suavemente con el termómetro y anotar la temperatura cada
Lectura de temperaturas

Tiem+  9C

6s

s

s

=s

5;s

56s

5s

5s

5=s

<=

<=.7

6.7

4

4.7

4.7

4.7

4

Rráfica de Temperatura vs. Tiempo


()gina *0


Temperatura vs Tiempo ,+ ,3 Tempera tura (°C) +1

+% +-

3 * + , - / % 0 1 2 *3 Tiempo (s)

t 1 : 27 ! C

t m :31.5 !C

Para determinar t m de la e"periencia AQ se realiza mediante el gráfico en la cual la porción 8C de la curva representa la variación de temperatura del calorímetro y su contenido )pudiendo ser esta agua fría, solución ácida o básica* se denota como t 1 a la temperatura antes que la reacción ocurra. !n un tiempo t inicia la reacción )puede ser una mezcla* siguiendo la curva el curso C%#. !l tramo %# representa la marca del enfriamiento. 1i el calorímetro no tiene fuga de calor, la curva %# es casi paralela a la curva 8C. %on el fin de obtener el valor real de la temperatura má"ima alcanzada durante la reacción, se traza una perpendicular C! en C, lo cual en ! a la prolongación de %# a lo que da lo mismo e"trapolar la curva %# asta !. La temperatura t m que corresponde al punto ! viene a ser la temperatura perdida. Luego para allar On el calor de neutralización#atos-



t 1 5 <=Q%



t m 5 4.7Q%.



C C =40 cal@Q%


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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM Ce H 2 O 5 4 cal@ g Q%

 

m H 2 O=70 ml 5 =6 g )76ml de AaND 6.< A;<6 ml de D%l 6.EA*

|Qg| 5 |Q p|=C C " ( t m−t ) ;

m H 2 O

1

|Qg| 5 |Q p|=¿

28

( t m−t )

x Ce H 2O x

1

cal@Q% " ( 31.5−27 ) ! C ;

70 g x 1 cal / g ! C

x

( 31.5−27 )

|Qg| 5 |Q p|=¿ FF4 Luego para 4 mol de agua, en el e"perimento el calor de neutralización seráQn

5 4mol H O x (−Q g)/¿

n H 2O

2

La estequiometría de reacción muestra quen H 2O

5 n ( HCl )=n ( NaOH )= N ! de ≡.deagua=( Normalidad x Volumen )("cido )

n H 2O

5

n ( HCl )=n ( NaOH )= N ! de ≡.deagua =¿ )6.< mol@L " 4L@4666 ml " <6 ml* 5

6.66F

Luego procedemos a allar el calor de neutralización, medianteQn Qn

5 4mol H O x (−Q g)/¿ 2

5 4mol H 2 O x (−441)/¿ Qn

n H 2O 0.004

5 &446.<7 9cal

E3PERIMENTO 0 DETERMINACIÓN DEL CALOR DE DISOLUCIÓN INTEGRAL DE UNA SAL DURANTE LA FORMACIÓN DE SOLUCIÓN SATURADA La#oratorio N$% de &uí'ica II

()gina *2


PROCEDIMIENTO  #eterminar la capacidad calorífica de un calorímetro )siguiendo los pasos del e"perimento AQ4*  /edir =
DATOS 4 OBSERVACIONES Medición de la temperatura del agua en el Calorímetro

1egundos Tem peratura

;
5?
@;
?

Medición de la temperatura de la solución en el Calorímetro

1egundos Temperatura

;
5? <=.=Q%

@; <=.Q%

<=.Q% es la temperatura más ba(a)tm*

CÁLCULOS #eterminamos el calor de disolución de la sal $ H

O4 ; O< ; O 5 6


()gina +3

segn-

disolución

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM 1iendoO4 el calor absorbido por la mezcla

O< el calor de disolución

$ H ¿

*

disolución

O el calor absorbido por el calorímetro

Dats V H O =72 ml % &'(=1.07 g t m =27.3 ! C t 1=28 ! C 2

Ce H O =1 2

cal g ! C

t m=)emperatura m"s *a+adela soluci,n de NH 4 Clresultante delame-cla t 1 =)emperatura delagua fríaen el calorímetro

Cal!)lams (5  (@ suponiendo el %e de la sal igual al del D
2

% H O g g ρ H O = . % H O =( 72 ml ) 1 =1 =72 g V H O ml ml 2

2

2

2

Q1=( 72 g + 1.07 g )( 1

cal )( 27.3 !C − 28 ! C ) g !C

Q1=−49.3 cal

C (¿¿ CC )( t m−t 1) Q 3 =¿

La capacidad calorífica del calorímetro fue calculada en el e"perimento AQ4 La#oratorio N$% de &uí'ica II

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM C CC =32.5

Q3=32.5

cal !C

cal ( 27.3 ! C −28 ! C ) ! C

Q3=−22.75 cal

Q2= $ H

#isolución

¿−( Q + Q ) 1

3

Q2=−(−49.3 cal −22.75 cal)

Q2=72.05 cal

Pa"a )'a dil)!i*' de ;; Aecesitamos F66 moles de D
m NH 4 Cl /% NH 4 Cl

 0.01 mol

(

53.45 g

mol

)=

m NH 4 Cl

m NH 4 Cl= 0.5345 g

!s la cantidad necesaria para preparar la dilución de F66


()gina ++


CUESTIONARIO 5: Reali!e ls !1l!)ls de la !a+a!idad !al"./i!a del !al".met": Q 1 + Q 2+ Q 3= 0

( 50 gr ) . 1 cal . ( 54 ºC −26 ºC ) +( 55 gr ) . 1 cal . ( 54 ºC − 96 ºC ) +C C ( 54 ºC −26 ºC )=0 grºC

grºC

C C =¿

<.7 cal@:%

6: ()e m&tds se a+li!a +a"a dete"mi'a" ls +ess at*mi!s a+"imads  !)1l de ells es la )e se "e!mie'da m1s  e' )& !ass 1e le denomina peso atómico o masa atómica. !l peso atómico equivale e"actamente a una doceava parte de la masa del ncleo del isotopo más abundante del carbono, el %4< .1e corresponde apro"imadamente con la masa de un protón )o un átomo de idrogeno*. Las masas atómicas de los elementos químicos se suelen calcular como la medida ponderada de las masas de los distintos isotopos de cada elemento teniendo en cuenta la abundancia relativa de cada una de ellos, lo que e"plica la no correspondencia entre la masa atómica en u de un elemento, y el nmero de nucleones que ay en el ncleo de su isotopo más comn. /esoatomico=

∑

/ 0 ' i / 1 '1 + /2 ' 2+ 1 100

=

100

@: E+li)e e' )& !'siste el e)iHale'te e' a%)a de )' !al".met">  !)1l se".a la !a+a!idad !al"./i!a e' !al9 del !al".met" si se tie'e' )' e)iHale'te e' a%)a de ?;% %uando un líquido contenido en un calorímetro recibe calor )energía* la absorbe, pero también la absorben las paredes del calorímetro. Lo mismo sucede cuando pierde energía. !l equivalente en agua de un calorímetro se entiende como la cantidad de agua que absorbe o cede la misma cantidad de calor que el calorímetro. 8ora, en la pregunta se nos pide allar la capacidad calorífica del calorímetro ) C c * para ello utilizaremos el concepto de equivalente en agua. La#oratorio N$% de &uí'ica II

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Q agua =Qcalorímetro Ce H O . m H O . $ ) = C c . $) 2

1

2

cal Kcal .50 g . 3 =C C g.! K 10 cal

C C =5.10

−2 Kcal

! K

: ()& e'tie'de +" e)iHale'te me!1'i! del !al"> !al" de /"ma!i*'K !al" de !m#)sti*' e+li)e e' !ada !as )tilia'd )' eem+l: E)iHale'te me!1'i! del !al": el concepto de equivalente mecánico del calor ace referencia a que el movimiento y el calor son mutuamente intercambiables, y que en todos los casos, una determinada cantidad de traba(o podría generar la misma cantidad de calor siempre que el traba(o eco se convirtiese totalmente en energía calorífica. !l equivalente mecánico del calor fue un concepto que tuvo un papel importante en el desarrollo y aceptación del principio de la conservación de la energía y en el establecimiento de la ciencia de la termodinámica en el siglo S2S. Eem+l0 E+e"ime't de J)le !n el e"perimento de >oule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía (oule )(ulio* y la unidad de calor caloría. /ediante esta e"periencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen peque$o de agua.

Des!"i+!i*': La#oratorio N$% de &uí'ica II

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM +n recipiente aislado térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir su temperatura, un e(e con unas paletas que se ponen en movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.

La versión original del e"perimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del e(e. La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial. %omo consecuencia, el agua agitada por las paletas se clienta debido a la fricción. 1i el bloque de masa M desciende una altura h, la energía potencial disminuye en Mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua )se desprecian otras pérdidas*. >oule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad )el calor específico de agua* es igual a F.4E >@)g :%*. Por tanto, F.4E > de energía mecánica aumentan la temperatura de 4g de agua en 4: %. 1e define la caloría como F.4E > sin referencia a la sustancia que se está calentando. 4cal5 F 4E >

Cal" de /"ma!i*': La entalpía de formación es un tipo concreto de entalpía de reacción, que recibe el nombre de entalpía de formación estándar o entalpía normal de formación si la reacción se lleva a cabo a <7:% y a 4 atm, que son las condiciones estándar en termoquímica. 8sí, la entalpía normal  est1'da" de /"ma!i*' )también llamada a veces calor normal de formación*, se representa por ?Dof y es la Ha"ia!i*' de e'tal+.a !)a'd se /"ma )' ml de !m+)est a +a"ti" de s)s eleme'ts e' estad '"mal )esto es, en el estado de agregación y forma alotrópica más estable a la que dicos elemento se allan en condiciones estándar*. !sta e'tal+.a de /"ma!i*' podrá ser positiva, reacción endotérmica, o negativa, reacción e"otérmica. Por e(emplo, es e"otérmica la "ea!!i*' de /"ma!i*' de +e"*id de id"*%e' a partir de sus elementos, idrógeno y o"ígeno, en estado gaseoso, que es como se encuentran en condiciones estándar-

/ientras que la "ea!!i*' de /"ma!i*' del ete', %
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Cal" de !m#)sti*': !l calor de combustión es la energía liberada en forma de calor cuando un compuesto se somete a combustión completa con el o"ígeno ba(o condiciones estándar. La reacción química es típicamente un idrocarburo reaccionar con el o"ígeno para formar dió"ido de carbono, agua y calor. Puede e"presarse con las cantidadesenergía@mol de combustible energía@masa de combustible energía@volumen de combustible

• • •

!l calor de combustión se mide convencionalmente con un calorímetro de bomba. También se puede calcular como la diferencia entre el calor de formación de los productos y reactivos.

?: S)+*'%ase )e se )ema' 6 % de )'a dete"mi'ada s)sta'!ia  !m+)est )e +"d)!e 55? l !)al eleHa la tem+e"at)"a del !al".met"  ?;% de a%)a e' ;:9C: E't'!es la !a+a!idad !al"./i!a  el e)iHale'te de a%)a del !al".met" s'0 2* Para determinar la capacidad calorífica ) C c *C e . magua . $ ) + C C . $ ) =Q

1

cal .450 g .0.64 ! C + C C .0.64 ! C =11595 cal g.!C

C C =17667.19

cal ! C

22* Para el equivalente en agua del calorímetroC c . $ ) =m e2. agua .$) .C e

17667.19

cal cal =me2. agua .1 ! C g.!C

me2. agua=17667.19 g

!l calorímetro tiene un equivalente en agua igual a 4=.=.4Hg.


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: C)1l es la mla"idad de la sl)!i*' /i'al e' el !al".met" ,e+e"ie'!ia N9@->  )& !'side"a!i'es de#e te'e" +"ese'te +a"a "ealia" s)s !1l!)ls 1e tiene inicialmente 76ml de AaND 6.
'inalmente, %olaridad ( % ) =

0.01 mol 1000 ml 70 ml

.

1l

% =0.143 %

Luego, las consideraciones a tomar son los errores que se pueden cometer durante el desarrollo del e"perimento, como que al momento de verter tanto el ácido como la base queden volmenes mínimos de estos en el envase. Ntra consideración a tomar es que estos realmente contengan la concentración dica en el e"perimento. 1i todo es correcto y no se comete errores, la molaridad debe coincidir con el cálculo realizado.

8: C)1l es la !a'tidad de !al" de 'e)t"alia!i*' +"d)!id e' la e+e"ie'!ia N9@ !ste resultado fue allado en el e"perimento AQ y dio como respuesta Qn=−110.25 Kcal

=: EHal)a" el e""" del Hal" ad)i"id del !al" de 'e)t"alia!i*' "es+e!t a 5@@;!alml 5;: E' )e !'siste )'a #m#a !al"im&t"i!a: E+li)e La bomba calorimétrica es una erramienta para determinar el valor calorífico de un combustible líquido o sólidoB para los combustibles en forma gaseosa se recurre del calorímetro de >un3ers. !l calor producido por la reacción de combustión del combustible en cuestión es absorbido por una masa de agua u otro líquido en el que se observa el aumento de la temperatura. 1e compone de un recipiente cilíndrico de alrededor de 766 cm , se cerró con un tapón de rosca, de la cual dos agu(eros caen acia el interior. !n uno de estos agu(eros se introduce una barra de ierro que sostiene un crisol de platino y un peque$o caracol de ierro. !n el crisol se introduce combustible queremos saber el valor calorífico )generalmente F6 cm * y se La#oratorio N$% de &uí'ica II

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM introduce o"ígeno ba(o presión. La bomba se encuentra inmersa en un calorímetro lleno de agua, equipado con agitador y termómetro. 1e pone el agitador en movimiento y, cuando el termómetro lee una temperatura constante, surge una diferencia de potencial entre las varillas de ierro que ace o"idar el espiral de ierroB de aquí se crea la combustión de nuestro material de prueba. !l termómetro marca la temperatura, que se eleva bruscamente a un valor determinado, luego disminuyó lentamente. #e esta manera es posible calcular el valor calorífico con la siguiente fórmula-

#onde T < y T 4 son, respectivamente, las temperaturas má"imas y mínimas, P es la cantidad de agua introducida en el calorímetro, 8 es el equivalente en agua del calorímetro y p es la cantidad de combustible utilizado.

55: E+li)e al%)'s !ass de disl)!i*' ,liiHia!i*'- de mi'e"ales )e !'tie'e "> +lata> !#"e: Re+"ese'te las e!)a!i'es de "ea!!i*' +a"a !ada !as> !'side"a'd la disl)!i*' e' medi a!)s ,id"*lisis-> e' medi 1!id ,%e'e"alme'te sl)!i'es de 1!id s)l/Q"i!> 1!id !l".d"i!->  e' medi al!ali' ,!mQ'me'te sl)!i'es de !ia')" +a"a la disl)!i*' del "-: LiiHia!i*'0 La li"iviación es una técnica ampliamente utilizada en metalurgia e"tractiva que convierte los metales en sales solubles en medios acuosos. !n comparación con las operaciones pirometalrgicas, la li"iviación es más fácil de realizar y muco menos da$ina, ya que no se produce contaminación gaseosa. La !ia')"a!i*' del "0 también conocida como el proceso de cianuro o el proceso de /ac8rtur&'orrest, es una técnica metalrgica para la e"tracción de oro de mineral ba(a calidad, que busca convertir el oro )insoluble en agua* en aniones metálicos comple(os de aurocianida, solubles en agua. !s el proceso más comnmente utilizado para la e"tracción de oro. #ebido a la naturaleza venenosa del cianuro, el proceso es muy controvertido y su uso está proibido en varios países y territorios. La reacción química se llama la ecuación de !lsner de la siguiente maneraF 8u ; E Aa%A ; N< ; < D
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RECOMENDACIONES  Las mediciones se deben acer con precisión, tener cuidado a la ora de pesar los reactivos y medir cuidadosamente el volumen en la probeta ya que peque$os errores pueden llevar a un mal cálculo.

 8l realizar las mediciones de las temperaturas debemos acerlas rápida y cuidadosamente ya que mucas de las reacciones ocurren instantáneamente y el tiempo en el que varía la temperatura es muy corto.

 !s necesario utilizar una bata de laboratorioB la misma protege tu ropa y tu piel del contacto con reactivos.  +sar guantes para cuando sea necesario tocar algn instrumento que se aya e"puesto a una llama.  +sar los lentes de protección en todo momento para evitar algn da$o a la vista. Ao mezclar sustancias desconocidas, ya que mucas veces, sustancias inofensivas producen reacciones violentas.


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Prestar

atención

a

las

recomendaciones del profesor

CONCLUSIONES GENERALES

 !l termómetro que se utilizó en el laboratorio no fue muy preciso, debido que no se pudo saber con e"actitud la variación de las temperaturas a la ora de diluir las sustancias.  1e debe tener en cuenta que para medir la capacidad calorífica del calorímetro debemos ser muy precisos y e"actos para que el margen de error sean relativamente mínimas. !n este laboratorio nos a sido posible comprender e"perimentalmente las leyes termodinámicas y entender más sobre los conceptos de capacidad calorífica, calor especifico, calor, etc. Aos fue posible calcular la capacidad calorífica de un calorímetro. 1e pudo calcular y comprobar el calor de una neutralización de un ácido J base. 1e pudo calcular el calor de una disolución de sales utilizando un calorímetro.  Pero lo más importante de este laboratorio es que nos a ayudado a entender como está presente la termodinámica en nuestra vida cotidiana, para así luego entender sus leyes y conceptos. La#oratorio N$% de &uí'ica II

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APLICACIONES A+li!a!i'es de DSC , Di//e"e'tial S!a''i'% Cal"imet"-

!studios de productos amiláceos- La calorimetría diferencial de barrido a sido ampliamente utilizada como técnica de caracterización de almidones de diferentes orígenes, sometidos a distintos tratamientos. Ciliaderis, /aurice, y ose )4HE6*, estudiaron la gelatinización de almidones de leguminosas )garbanzo, lente(a, frí(ol, entre otros granos* utilizando #1%. Los termogramas característicos de dos transiciones endotérmicas aparecieron a contenidos de umedad entre F&FEV )p@p* en todas las leguminosas analizadas. !ste estudio fue pionero en e"plicar el fenómeno de gelatinización del almidón utilizando como ayuda las ecuaciones de los polímeros sintéticos en relación al efecto de los plastificantes. Wang et al. )4HH4*, caracterizaron las transiciones de fase del almidón de maíz céreo utilizando #1% y simulación por computador, este programa calculaba teóricamente la cantidad de agua necesaria para la transformación del almidón por fusión y gelatinización, basándose en la relación estequiometria agua@glucosa. Los e"perimentos realizados a contenidos de umedad entre 6 J HH V, mostraron que el inicio de la aparición de una segunda endoterma por #1% se encuentra a un contenido de umedad alrededor de 6V, estos resultados son similares a los reportados para papa, arroz y maíz. Por consiguiente, para todos los almidones e"iste un nivel crítico de contenido de agua para que ocurra la gelatinización completa, se requiere la relación estequiometria de 4F moléculas de agua por molécula de glucosa, por deba(o de este rango el almidón sufre transformación por gelatinización asta un límite donde funde completamente.

Esta#ilidad de )'a m)est"a0


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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera  Metal!rgica " FIGMM La utilización de la calorimetría diferencial de barrido para estudiar la estabilidad a la o"idación de muestras requiere, generalmente, una cámara de muestra ermética. Reneralmente, tales ensayos se acen isotérmicamente cambiando la atmósfera de la muestra. Primeramente, la muestra es sometida a la temperatura de ensayo deseada ba(o una atmósfera inerte, usualmente nitrógeno. #espués, se adiciona o"ígeno al sistema. %ualquier o"idación que tenga lugar es observada como desviación de la línea base. Tales análisis pueden ser utilizados para determinar la estabilidad y las condiciones de almacenamiento óptimo de un compuesto.

A'1lisis m"/l*%i! de mate"iales0 La calorimetría de barrido diferencial puede ser utilizada para medir varias propiedades características de una muestra. +sando esta técnica es posible caracterizar procesos como la fusión y la cristalización así como temperaturas de transiciones vítreas )Tg*. La #1% puede ser también utilizada para estudiar la o"idación, así como otras reacciones químicas. Las transiciones vítreas se presentan cuando se aumenta la temperatura de un sólido amorfo. !stas transiciones aparecen como una alteración )o pelda$o* en la línea base de la se$al #1% registrada. !sto es, debido a que la muestra e"perimenta un cambio en la capacidad calorífica sin que tenga lugar un cambio de fase formal. 8 medida que la temperatura aumenta, un sólido amorfo se ará menos viscoso. !n algn momento las moléculas pueden obtener suficiente libertad de movimiento para disponerse por sí mismas en una forma cristalina. !sto es conocido como temperatura de cristalización )Tc*. !sta transición de sólido amorfo a sólido cristalino es un proceso e"otérmico y da lugar a un pico en la curva #1%. 8 medida que la temperatura aumenta, la muestra alcanza eventualmente su temperatura de fusión )Tm*. !l proceso de fusión resulta evidenciado por un pico endotérmico en la curva #1%. 8l igual, actualmente se usa en la caracterización de polímerosB es decir en la determinación de sus temperaturas de transición vítrea, puntos de fusión, calor específico y otras propiedades intrínsecas. !n los ltimos a$os esta tecnología a sido involucrada en el estudio de materiales metálicos. La caracterización de este tipo de materiales con #1% no es todavía fácil debido a la escasez de bibliografía al respecto. Ao obstante, es sabido que es posible utilizar #1% para encontrar temperaturas sólidos y liquidas de una aleación metálica, pero las aplicaciones más prometedoras son, por aora, en el estudio de precipitaciones, zonas Ruiner Preston, transiciones de fase, movimiento de dislocaciones, crecimiento de grano, etc. La#oratorio N$% de &uí'ica II

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Est)di de !"istales l.)ids0 La #1% puede también ser utilizada para el estudio de cristales líquidos. !n tanto pueden ser definidos como transiciones entre sólidos y líquidos, también pueden ser considerados como un tercer estado, que e"ibe propiedades de ambas fases. Xste líquido anisótropo es conocido como un líquido cristalino o un estado mesoformo. +tilizando la #1%, es posible caracterizar los peque$os cambios energéticos que acompa$an a las transiciones desde un sólido a un cristal líquido y desde un cristal líquido a un líquido isótropo.

I'd)st"ia /a"ma!&)ti!a0 La #1% es de utilización frecuente en las industrias farmacéuticas y de polímeros. Para químicos de polímeros, la #1% es una erramienta comn para estudiar procesos de curado, que permite el a(uste fino de propiedades poliméricas. !l entrecruzamiento )cross&lin3ing* de moléculas poliméricas que tiene lugar en el proceso de curado es e"otérmico y da lugar a un pico positivo en la curva #1% que usualmente aparece sucesivamente a la transición vítrea. !n la industria farmacéutica es necesario disponer de fármacos y drogas bien caracterizados para definir parámetros de procesado y a efectos de dosificación clínica. Por e(emplo, si es necesario administrar un fármaco en forma amorfa, es deseable procesar el fármaco a temperaturas por deba(o de aquella a la que la cristalización pueda presentarse.

I'Hesti%a!i*' alime'ta"ia0 !n investigación en alimentaria, la #1% se utiliza con(untamente con otras técnicas térmicas analíticas para determinar la dinámica del agua. %ambios en la distribución del agua pueden ser correlacionados con cambios en la te"tura. #e modo similar a lo que sucede en ciencia de materiales, también puede ser analizado el efecto del curado sobre los productos preparados. !l registro de las curvas #1% encuentra también aplicación en la valoración de la pureza de fármacos y polímeros. !sto es posible debido a que el intervalo de temperaturas en que funde La#oratorio N$% de &uí'ica II

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Informe 1 de Quimica II uni

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