LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL - UNIVERSIDAD DEL VALLE
RESUMEN DE LA PRÁCTICA La práctica se divide en dos partes, en la primera se pesa una cierta cantidad de hielo y posteriormente haciendo uso de estufa se calienta hasta fundirse, durante este proceso se toman registros cada 30 segundos de la temperatura de la sustancia. Una vez fundido el sólido se aumenta la temperatura del dispositivo usado, tomando registros de temperatura cada 30 segundos hasta que empieza a ebullir la sustancia, momento en el cual los registros de tiempo se toman durante dos minutos más y por ultimo se toma la masa final del agua. En la segunda parte se toma una cantidad de agua destilada y otra de alcohol etílico y ambas se llevan a calentamiento hasta la ebullición, después se retiran las sustancias de la fuente de calor y se toman registro de la temperatura cada 30 segundos hasta que se registre una temperatura de entre 30ºC y 35ºC, una vez llegado a esta temperatura las soluciones se llevan a enfriamiento introduciéndolas en un recipiente que contiene una solución de agua y sal, proceso durante el cual se toman registros de las temperaturas esta vez cada 15 segundos*, hasta obtener un registro estable de la temperatura. *Todos los datos obtenidos de las distintas temperaturas en cada uno de los proceso se muestran más adelante mediante tablas que registran el tiempo transcurrido y la temperaturas obtenida mediante la medición con el termómetro.
INTRODUCCION Supongamos que se tiene un vaso con cubos de hielo dentro de el, y que este vaso se deja a una temperatura X, la cual será la temperatura ambiente. Se notará como a medida que pasa el tiempo los cubos empiezan a fundirse y si la temperatura aumenta los hielos dejaran de ser hielo para convertirse en agua líquida. Pero ahora supongamos que este liquido obtenido es sometido a una temperatura muy elevada, ahora se notará que el agua empieza a emitir vapores y que se verán burbujas dentro de el. Pero que pasaría si en vez de incrementar la temperatura la disminuimos?, es decir, que pasaría si ponemos nuestro recipiente dentro de un sistema que esté a bajas temperaturas? Ahora veremos como el agua se enfría llegando incluso a regresar a la forma que tenía inicialmente de cubos de hielo esto llegando el caso de que las temperaturas a la que se someta sean extremadamente bajas comparadas a las que se llevó cuando se vieron las burbujas y los vapores. La transformación de un sólido en líquido es conocido como fusión, y al proceso inverso se le denomina congelación. Al calentar un sólido aumenta la temperatura de este, haciendo que los iones o las moléculas que lo componen se separen o rompan ese comportamiento ordenado característico que tiene las sustancias sólidas para pasar a ocupar posiciones más desordenadas, lo cual hace que tengan entre ellas una libertad para moverse unas respectos a las otras, además de aumentar el número y la intensidad de colisiones entre ellas, a esto es a lo que llamamos fusión. Al aumentar el calor, las moléculas del líquido aumentan la temperatura haciendo que se produzca un aumento en la energía de estas, lo cual hace elevar la concentración de las moléculas en fase gaseosa que se encuentran por encima del líquido, estás moléculas ejercen una presión denominada presión de vapor, el cual aumenta a medida que aumenta la temperatura, esta presión aumenta hasta igualarse con la presión atmosférica, es aquí cuando se dice que el líquido ebulle,
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LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL - UNIVERSIDAD DEL VALLE el efecto que se produce es una mayor separación de las moléculas presentes inicialmente en el sólido y la tendencia de estas a pasar a la fase de vapor. Ref 1
Figura 1 . Curva de calentamiento del agua
En la figura 1 se observa que a medida que pasa el tiempo y se va suministrando calor a la sustancia esta va elevando su temperatura y cambiando de estados. El calentamiento del hielo se representa en esta figura mediante los segmentos AB en el cual la sustancia pasa de sólido a liquido (fusión), dándose una variación de la temperatura de -25ºC a 0ºC. En el segmento BC se encuentra el punto de fusión que es la temperatura a la cual las fases sólido-líquido coexisten en el equilibrio, de igual manera se define el punto de congelación, siendo ambos la temperatura a la cual una sustancia se funde o se congela a una presión de 1 atm (atmosfera). La adición de más calor aumenta la temperatura hasta llegar a los 100ºC (segmento CD), es en este momento cuando el calor se usa para convertir agua en vapor a una temperatura constante de 100ºC, esto se conoce como el proceso de evaporización. El segmento DE indica el final de la curva de calentamiento, momento en el cual se ha conseguido gracias al calentamiento una temperatura final de 125ºC (bajo la condición de 1 atm de presión) y toda el agua se ha convertido en vapor. En los segmentos BC y DE una fase se convierte a otra a temperatura constante, esto se debe a que la energía agregada se utiliza para superar las fuerzas de atracción entre las moléculas y nos para aumentar sus energías cinéticas, es decir sus movimientos. Hay una importante norma general que se cumple en todos los cambios de estado: Durante los cambios de estado el calor recibido o perdido no se emplea en variar la temperatura sino en alterar la estructura interna del cuerpo. Ref 2 DATOS Y RECULTADOS
PARTE 1 Peso del vaso vacío:= 115.58 g Peso del vaso con hielo= 187.58 g Peso agua sólida (hielo) = 72g (0.072kg) 2
LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL - UNIVERSIDAD DEL VALLE Temperatura inicial agua sólida= -0.5 ºC (272.5ºK)
MEDIDA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
TEMPERATURA (ºC) -0.5 -0.8 -0.3 1.0 1.5 2.4 3.3 5.7 8.1 12.2 14.7 18.0 21.7 25.1 28.3 31.8 34.3 37.7 41.8 44.7 46.9 45.9 53 56.4 59.8
TIEMPO (min) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5
MEDIDA 26 27 28 29 30 31 32
TEMPERATURA (ºC) 62.7 64.9 67.0 68.9 71.2 71.3 74.9
TIEMPO (min) 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0
33 34 35 36 37 38 39
76.0 78.2 80.0 81.0 82.1 83.1 84.0
16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 19.5
40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
83.3 84.2 85.0 84.8 84.4 84.3 84.0 85.3 85.4 85.8 87.0
20.0 20.5 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 25.0
Tabla Nº1. Registros de la temperatura para fundición de la masa de hielo hasta dos minutos después del inicio de la ebullición.
Grafica 1
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Peso del vaso una vez el agua se enfrió= 173.81 g La masa final del agua está dada por: Peso del vaso una vez el agua se enfrió – peso del vaso vacío Masa final de agua = 173.81 g-115.58 g Masa final de agua = 58.23 g (0.05823Kg)
PARTE 2 DATOS PARA EL AGUA Temperatura registrada por el termómetro cuando inició la ebullición de los 20 mL de agua (Temperatura inicial) = 85.6 ºC (358.6ºK) Una vez se inició la ebullición se registró la temperatura inicial del vaso con el agua, este se retiró de la fuente de calor y se tomaron registros de la temperatura por intervalos de 30 segundos, obteniéndose lo arrojado en la siguiente tabla 2.
MEDIDA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
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TEMPERATURA (ºC) 64.8 61.3 59.1 54.2 52.2 51.1 48.2 48.8 47.8 45.3 44.9 43.8 42.2 40.7 40.7. 40.0 39.4 38.0 38.0 37.4 37.0 36.3 36.0 35.6
TIEMPO (min) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0
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34.8 34.0
12.5 13.0
Tabla Nº2
Grafica 2
La tabla Nº3 muestran los datos obtenidos cuando se introdujo el vaso con el termómetro en el otro vaso que contenía la solución de agua y sal. En este caso los registros de las temperaturas se tomaron cada 15 segundos, en total se tomaron 27 medidas. MEDIDA
TEMPERATURA TIEMPO (ºC) (min) 1 26.3 0.00 2 22.8 0.15 3 18.7 0.30 4 17.0 0.45 5 15.1 1.00 6 12.7 1.15 7 12.1 1.30 8 12.5 1.45 9 13.1 2.00 10 10.6 2.15 11 9.4 2.30 12 8.4 3.45 13* 7.0 4.00 14 7.2 4.15 15 7.0 4.30 16 7.0 4.45 17 6.1 5.00 18 6.0 5.15 19 5.7 5.30 20 5.4 5.45 *medida en la cual la temperatura del termómetro se estabilizó. Aunque en la guía de laboratorio indican que se tome la temperatura por dos minutos más en este caso se tomo la decisión de seguir tomando registros de temperatura por un minuto y medio más 21 5.7 6.00 22 5.4 6.15 23 5.0 6.30 24 4.7 6.45 25 3.8 7.00 26 4.0 7.15
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3.2 Tabla Nº3
7.30
.
Grafica 3
DATOS PARA EL ALCOHOL ETÍLICO La temperatura registrada por el termómetro para el alcohol etílico (Temperatura inicial) fue de = 76.2 ºC (349.2ºK) Una vez se inició la ebullición y se registró la temperatura inicial de los 10 mL de alcohol etílico, se tomaron datos de temperatura por intervalos de 30 segundos y se obtuvo lo mostrado en la tabla Nº4.
MEDIDA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
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TEMPERATURA (ºC) 73.0 66.5 64.0 60.9 58.0 55.0 53.9 50.7 48.9 47.2 45.9 44.2 42.7 41.6 40.5 39.7 38.5 38 37.3 36.6 35.9 35.5 34.5 34.3 Tabla Nº4
TIEMPO (min) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0
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º
Grafica 4
La siguiente tabla muestran los datos obtenidos cuando se introdujo el vaso con el termómetro en el otro vaso que contenía la solución de agua y sal. Al igual que con el agua las medidas de las distintas temperaturas se tomaron cada 15 segundos
MEDIDA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
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TEMPERATURA (ºC) 26.5 21.8 18.8 15.7 13.3 11.3 10.5 9.4 7.6 6.7 6.3 5.8 4.6 2.5 1.9 1.4 1.3 0.9 0.6 0.4 0.3 Tabla Nº5
TIEMPO (min) 0.00 0.15 0.30 0.45 1.00 1.15 1.30 1.45 2.00 2.15 2.30 3.45 4.00 4.15 4.30 4.45 5.00 5.15 5.30 5.45 6.00
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Grafica 5
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS PROPUESTAS Que se entiende por calor específico? El calor específico (c) es la cantidad de calor requerido para elevar a un grado centígrado de temperatura la masa de 1 g de sustancia pura, el calor especifico de una sustancia depende de la temperatura, sin embargo como esta dependencia no es muy grande, se suele tratar como una constante. El calor específico varía de una sustancia a otra y de una gama de temperatura a otra. El calor específico del agua es mínimo a 35ºC y aumenta proporcionalmente cuanto más nos alejamos de esta temperatura. A temperatura ambiente la capacidad calorífica específica del agua es superior a la de cualquier líquido o sólido, con excepción del litio. La capacidad calorífica específica elevada del agua implica que ésta mantiene muy bien su temperatura o, lo que es lo mismo, que la pierde con gran dificultad, razones por las que se utiliza como medio efectivo de calentamiento o enfriamiento.
Que se entiende por calor? Es la energía que se intercambia entre un sistema y sus alrededores debido a una diferencia te temperaturas entre ambos, pasando de cuerpo más caliente el cual tiene una temperatura mas alta, al cuerpo más frío en el cual la temperatura es más baja. A nivel molecular, las moléculas del cuerpo más caliente por medio ceden energía cinética o energía del movimiento a través de las colisiones al cuerpo más frío. En definitiva, el calor es una forma de energía que poseen todos los objetos materiales. Cuando un objeto se calienta, sus moléculas vibran con más energía, aumentan su movimiento y, por tanto, su energía cinética. Al enfriarse, un objeto caliente pierde energía térmica, pero no pierde todo su calor, simplemente tiene menos energía térmica que antes. La unidad tradicional de calor es la caloría: el calor que debe suministrarse a un gramo de agua a 15 0C para aumentar su temperatura un grado centígrado. Una caloría equivale a 4,19 julios.
Que se entiende por calor latente?
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LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL - UNIVERSIDAD DEL VALLE El calor latente se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de sustancia para que ésta cambie totalmente de fase (sólido a líquido, líquido a gas, etc), llamado así porque este calor está presente y a punto para ser usado cuando termina el proceso de cambio de estado. Por ejemplo, si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión atmosférica normal, la temperatura no aumenta por encima de los 100° C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse, recuperándose el calor latente como calor sensible. Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se almacena como energía en el agua. Ref 3 Las siguientes tablas resumen los distintos valores de calor latente de fusión, calor latente de vaporización para el agua y para el alcohol etílico, así como el calor específico del agua en sus distintos estados y el calor específico del alcohol etílico, los datos de estas tablas junto con los obtenidos experimentalmente se usarán para posteriores cálculos de calor absorbido y cedido por estas dos sustancias. CALOR ESPECIFICO DE LA SUSTANCIA SÓLIDA (Kj/Kg.ºC) 2.05
CALOR ESPECIFICO DE LA SUSTANCIA LIQUIDA (Kj/Kg.ºK) 4.18
CALOR ESPECIFICO DE LA SUSTANCIA VAPORIZADA (Kj/Kg.ºK) 1.96
CALOR LATENTE DE FUSION (kJ/kg)
CALOR LATENTE DE VAPORIZACION (Kj/kG)
334
2260
Tabla Nº6. Valores correspondientes al agua
CALOR ESPECIFICO (kJ/Kg.ºk)
CALOR LATENTE DE FUSIÓN (Kj/Kg)
CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN (kJ/Kg)
2.45
105
846
TablaNº7. Valores correspondientes al alcohol etílico
SUSTANCIA Agua Alcohol etílico
PUNTO DE FUSIÓN (ºC) 0 -114
PUNTO DE EBULLICIÓN (ºC) 100 105
Tabla 8. Valores de los puntos de fusión y de ebullición para el agua y para el alcohol etílico
Los puntos de congelamiento del agua y del etanol son muy diferentes se sabe que el agua se congela a 0 ºC y el etanol a -114 ºC por lo cual es más probable encontrar el agua en estado sólido que el etanol
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LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL - UNIVERSIDAD DEL VALLE El calor absorbido y cedidos por las sustancias (QT) se determinará mediante la siguiente suma QT = Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 Donde Q1,Q2,Q3,Q4 y Q5 se calcularán en según los lapsos de tiempo comprendidos entre un estado y otro, así como los estados de equilibrio, en los cálculos se usarán las siguientes abreviaciones en las formulas: m1 m2 Tf Te TF Ti Ces Cel Cev Ls Lv
Masa de la sustancia Diferencia de masas de agua inicial y final Temperatura de fusión Temperatura de ebullición Temperatura final Temperatura inicial Calor específico de la sustancia sólida Calor específico de la sustancia líquida Calor específico de la sustancia vaporizada Calor latente de fusión Calor latente de vaporización
Cantidad de calor absorbido por el agua en la primera parte del experimento Q1= (m1).(Ces).(Tf-Ti) Q1= (0.072kg)(2.05kj/Kg.ºk)[274ºK- (-272.5ºK)] Q1= 80.66Kj Q2= (m1)(Ls) Q2= (0.072Kg)(334Kj/Kg) Q2=24.04Kj Q3= (m1)(Cel)(Te-Tf) Q3= (0.072Kg)(4.18Kj/Kg.ºK)(358.3ºK-274ºK) Q3= 25.37Kj Q4= (m2)(Ls) Q4= (0.072Kg-0.05823Kg)(334Kj/Kg) Q4= 4.60Kj
Q5= (m2)(Cev)(TF-Te) Q5= (0.072Kg-0.05823Kg)(1.96Kj/Kg.ºK)(360ºK-358.3ºK) Q5= 0.04Kj
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La cantidad de calor absorbido por el agua es QT= Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 QT= 135.71Kj
Cantidad de calor cedido por el agua en la segunda parte del experimento Para saber la masa del agua destilada usada en la segunda parte del experimento se usa la densidad del agua (D): D= m/V Entonces m= D.V, con D= 1g/cm3 m= (1g/cm3)(20cm3) m= 0.02 Kg Q1= (m)(Cev)(Ti-Te) Q1= (0.02kg)(196KJ/Kg.ºK)(352.2ºK-358.6ºK) Q1= -25.08Kj Q2= (m)(Lv) Q2= (0.02Kg)(8.46Kj/Kg) Q2= 0.16J Q3= (m)(Cel)(Tf-Te) Q3= (0.02Kg)(4.18Kj/Kg.ºK(311ºK-352.2ºK) Q3= -3.44Kj Q4= (m)(Ls) Q4=(0.02Kg)(334Kj/Kg) Q4= 6.68Kj Q5= (m)(Ces)(TF-Tf) Q5= (0.02Kg)(2.05Kj/kg.ºK)(276.2ºK-311ºK) Q5=-1.435Kj La cantidad de calor cedido por el agua está dada por QT=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 QT= -23.115Kj
Cantidad de calor cedido por el alcohol etílico
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LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL - UNIVERSIDAD DEL VALLE Para calcular la masa de alcohol etílica usada en el experimento se hará nuevamente uso d ela formula de la densidad (D=m/V), teniendo en cuenta esta vez la densidad del alcohol etílico. Entonces m= D.V, con D= 0.789g/cm3 (7.89x10-4 Kg/cm3) m= (7.89x10-4Kg/cm3)(20cm3) m= 0,015 Kg Q1= (m).(Ces).(Te-Ti) Q1= (0.015kg)(2.45Kj/Kg.ºK)[346ºK – 351.6ºK)] Q1=- 0.2058Kj Entre t1 y t2 Q2= (m)(Lv) Q2= (0.015Kg)(850,000J/Kg) Q2= 0.33KJ Q3= (m)(Cel)(Tf-Te) Q3= (0.015kg)(2.45Kj/Kg.ºK)((-114ºK)-351.6ºK) Q3= -17.11Kj Entre t3 y t4 Q4= (m)(Ls) Q4= (0.015kg)(10,5Kj/Kg) Q4= 0.157Kj Q5= (m)(Cev)(TF-Tf) Q5= (0.015kg)(2.45Kj/Kg.ºK)((-114)ºK-273.3ºK) Q5= -14.23Kj La cantidad de calor absorbido por el alcohol etílico es QT=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 QT= -31.06 SUSTANCIA Agua Alcohol etílico
CALOR ABSORBIDO 135.71
CALOR CEDIDO -23.115 -31.06
Tabla Nº9 . Resultados obtenidos de los cálculos de calor ganada y cedido por el agua y por el alcohol etílico
CONCLUSIONES
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LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL - UNIVERSIDAD DEL VALLE 1- Las curvas de calentamiento y enfriamiento son una representación gráfica de los diferentes cambios de fase que sufre una determinada sustancia al aumentar o disminuir la temperatura, ya sea también por ganancia o pérdida de calor. 2- La capacidad calorífica es la cantidad de calor que se necesita para incrementar la temperatura de una sustancia en un grado centígrado; es decir que depende de la cantidad de material que se tenga. 3- El calor específico a diferencia de la capacidad calorífica, es aquel que mide la cantidad de calor que se necesita para incrementar en 1 mol o 1 gramo en un grado centígrado de una sustancia. 4- La transferencia de calor está relacionada con los cuerpos calientes y fríos llamados fuente y receptor, en donde la fuente es el que tiene una mayor temperatura en comparación con el receptor. Entonces podemos decir que es de gran importancia en cada uno de los procesos ya que se trata de un tipo de energía que se encuentra en tránsito (va de los cuerpos de mayor temperatura a os de menor temperatura hasta llegar al equilibrio térmico)
BIBLIOGRAFÍA CHANG R., Química general. Séptima edición. McGraw-Hill, 2003. Ref 1, Ref 3 BROWM Y OTROS AUTORES., Química general. Duodécima edición. Ref 2
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