Experimentación asistida por ordenador de Química (EUROCIENCIA)

Equipo VTT Actividades Experimentales de Química ÍNDICE INTERACTIVO Señale el apartado o la práctica que desea observar para acceder directamente.

Introducción Relación presión- Volumen Temperatura de solidificación Determinación del pH de diferentes líquidos Dilución del vinagre Valoración ácido base Determinación del pKa del ácido acético Error: Reference source not found Error: Reference source not found Error: Reference source not found Error: Reference source not found Anexo: Error: Reference source not foundError: Reference source not found

Actividades experimentales de QuĂ­mica

Introducci贸n

Actividades experimentales de Química

A continuación se presenta un manual con diez prácticas de Química para ser realizadas con la consola de medida VTT. Junto con esta Introducción y las diez prácticas mencionadas el manual incorpora un anexo, de uso común en todas las prácticas, donde se explica cómo grabar los datos obtenidos por la consola, transferirlos a un ordenador, visualizarlos y tratarlos numéricamente.

Las prácticas incluidas en este manual han sido pensadas para que las realicen alumnos que cursen el nuevo plan de estudios de bachillerato. Por ello cada práctica comienza con la lista de Objetivos generales, Contenidos y Criterios de evaluación de las materias optativas de Química, Química y Física, y de las materias optativas Ciencias de la Naturaleza y de la salud; Tecnología.

Se ha dado a cada práctica una estructura común que sigue, con pocas modificaciones, el modelo de un trabajo o artículo científico, con la finalidad de que el alumnado se vaya familiarizando en la manera cómo se transmite la información científica. Por tanto, las prácticas constan todas ellas de los siguientes apartados: 1. Objetivos. Se expone la ya mencionada lista de Objetivos generales, Contenidos y Criterios de evaluación según el número 168 del Diario Oficial de Galicia de 31 de agosto de 1994 por lo que se establece el currículo del Bachillerato.

2. Introducción. Se presenta, de manera muy breve, la práctica y se expone aquello que se estudiará. El alumno deberá ampliar esta parte en su informe de laboratorio explicando los conceptos Químicos objeto de estudio.

3. Material. Se lista el material necesario para hacer la práctica y los reactivos.

4. Procedimiento. Donde se explican con todo detalle loa pasos que deben seguirse para la correcta realización de las prácticas. Este apartado consta de las secciones: Montaje de la Práctica, Calibrado de la sonda (cuando sea necesario) y Obtención de datos.

5. Ejemplo de resultados. En este apartado se ofrece una muestra de los resultados que se pueden obtener y visualizar con el `programa visualizador de la consola o bien con algún otro programa de procesado de datos y gráficos como “EXCEL”.

En alguna práctica no se ha incluido este apartado pero si que se ha adjuntado una guía indicativa de los aspectos más importantes de la práctica en forma de cuestionario.

6. Observaciones de interés. Brevemente y de manera muy sintética se presentan las observaciones que se han considerado más relevantes para la comprensión y cumplimiento de los objetivos de la práctica.

7. Propuesta de experiencias. Se ofrece una lista de propuestas para la realización de más prácticas con la consola VTT que estén relacionadas con la práctica que se acaba de realizar. En algunas ocasiones son experiencias totalmente diferentes y en otros casos son derivaciones o complementos de la experiencia.

Actividades experimentales de Química

En cualquier caso, el presente manual no pretende ser una guía cerrada sino un punto de partida que aporte ideas para la obtención del máximo provecho de la consola de medida VTT. Estamos seguros que el profesorado será capaz de ampliar con creces estas prácticas y, con la colaboración de los propios alumnos y alumnas, diseñar nuevas experiencias e incluso impulsar la realización de trabajos monográficos que ayuden a conseguir los objetivos previstos al inicio de curso para cada materia.

La lista competa de prácticas es la siguiente: 1. Relación entre la presión y el volumen a Temperatura constante: Ley de Boyle.

2. Evolución de la temperatura de solidificación de diferentes líquidos.

3. Determinación y comparación del pH de diferentes líquidos.

4. Evolución del pH durante la dilución del vinagre.

5. Valoración de un ácido fuerte con una base fuerte.

6. Determinación del pKa mediante una valoración ácido-base.

7. Estudio de la conductividad de diferentes disoluciones.

8. Estudio de una pila galvánica.

9. La temperatura de una llama.

10. Determinación de la cinética de una reacción utilizando un colorímetro.

Actividades experimentales de Química

Relación de actividades experimentales 1. Relación entre la presión y el volumen a temperatura constante. Ley de Boyle.

1.1 Estudiar la evolución de la presión al descomprimir el aire.

1.2 Estudiar de forma cualitativa el efecto de la temperatura utilizando una atmósfera de aire caliente y/o frío.

2. Evolución de la Temperatura de solidificación de diferentes líquidos.

2.1 Evolución de la Temperatura de fusión de los mismos líquidos 2.2 Evolución de la Temperatura durante la ebullición de líquidos.

2.3 Utilizar la Temperatura de los cambios de estado como criterio de pureza de una sustancia.

3. Determinación y comparación del pH de diferentes líquidos.

3.1 Observar que sucede con el pH si se mezclan los líquidos.

4. Evolución cualitativa del pH durante la dilución del vinagre.

4.1 Evolución cuantitativa de la dilución el vinagre con la opción “Manual” de la consola.

4.2 Evolución del pH durante la concentración del vinagre.

5. Valoración de un ácido fuerte con una base fuerte.

5.1 Determinación del volumen de equivalencia por el método de la primera y segunda derivada, utilizando la consola y el procesador de datos “Excel”.

5.2 Realizar una valoración ácido- base fuertes con una relación estequiométrica diferente.

(Por ejemplo, H2SO4 a baja concentración con NaOH) 6. Determinación del pKa mediante una valoración ácido-base.

6.1 Valoración de un ácido diprótico débil e interpretar la gráfica obtenida.

7. Estudio de la conductividad de diferentes disoluciones acuosas.

7.1 Utilizar como disolvente hexano.

7.2 Utilizar como disolvente Etanol 7.3 Estudiar el efecto de la polaridad del disolvente en las medidas de la intensidad de corriente.

8. Pilas galvánicas.

8.1 Valoración redox: Valoración de Fe2+ con una disolución de MnO4- de concentración conocida.

8.2 Protección del hierro de la corrosión. Estudio del potencial cuando se conectan una barra de Zn y otra de Fe en una disolución de NaCl al 2%. Se evita la corrosión del hierro con la oxidación del Zn. 8.3 Electrólisis: Estudio de la deposición del Cu. (Barra de Cobre, barra de latón y una disolución de Cu2+ y H2SO4 en agua).

Actividades experimentales de Química

9. Estudio de la Temperatura de una llama de gas.

9.1 Estudiar la temperatura de una llama de vela.

9.2 Estudiar la Temperatura de la llama de combustión del cartón.

9.3 Estudiar el efecto del cambio de combustible en la temperatura.

10. Determinación de la cinética de una reacción utilizando un colorímetro.

10.1 Relación entre la energía absorbida y la concentración. Realizar una recta de calibrado y demostrar el cumplimiento de la ley de Beer en el rango lineal.

Relaci贸n presi贸n- Volumen

Actividades experimentales de Química

Objetivos Materia: Química Objetivos principales -

-

-

Comprender los conceptos, modelos y teorías fundamentales de Química que les posibiliten aproximarse a una interpretación científica de la naturaleza, valorando el papel que desempeñan en su propio proceso de aprendizaje.

Utilizar con autonomía estrategias características de la investigación y los procedimientos científicos, en el ámbito de la química, para realizar pequeñas investigaciones y, en general, explorar situaciones o fenómenos desconocidos para ellos.

Comprender la química, como conocimiento científico con limitaciones y sometido a revisión y evolución continua, de acuerdo con un proceso de elaboración en interacción con la tecnología y ligado a características y necesidades de la sociedad en cada momento histórico.

Contenidos -

Aproximación a la química.

Utilización de técnicas de consulta bibliográfica para la elaboración de informes sobre la evolución de alguna idea central de química.

Contenidos de actitud: Interés por la realización correcta de cálculos, analíticos o gráficos, una confección de informes, respetando las normas de utilización de datos y valorando la importancia de atención en todas las fases de realización.

Criterios de evaluación -

Valorar, en su momento histórico, la importancia de modelos y teorías de química, que suponen un cambio fundamental en la interpretación de la naturaleza y reconocer las influencias de la interacción ciencia, tecnología y sociedad.

Materia: Física y Química Objetivos principales -

-

Comprender los conceptos básicos, de los modelos y teorías de la física y de la química que les permitan interpretar, explicar y predecir fenómenos naturales, aplicados a situaciones cotidianas.

Analizar críticamente, los modelos y teorías diferentes que posibiliten desenvolver el pensamiento crítico.

Actividades experimentales de Química

Contenidos -

-

Evaluación de las ideas científicas. Historia de la construcción de algunos conceptos y de los procesos que llevan a su elaboración.

Contenidos de actitud: Interés en una realización correcta de medidas, recogida de datos en tablas y confección de informes de acuerdo con los principios de la metodología científica.

Los estados líquidos y gaseosos.

Descripción macroscópica de un gas. Ley de Boyle.

Criterios de evaluación -

Aplicar estrategias propias de la metodología científica a la resolución de situaciones problema para los alumnos.

Actividades experimentales de Química

Introducción la presión y volumen de los gases aplicando la Ley de Boyle. Se registrará y observará la evolu En esta práctica se experimentará a cerca de la relación entre ción de la presión en el interior de un recipiente con aire si sé varía su volumen mientras la temperatura permanece constante.

La Ley de Boyle establece que la presión de un gas en el interior de un recipiente está relacionada con el volumen del gas.

Así se deberá comprobar si la relación es proporcionalmente directa o inversa.

Material • • • •

Consola VTT Sensor de presión Conector de ajuste rápido (tubo de plástico) Jeringuilla 50 ml

Procedimiento 1. Montaje de la práctica •

Conectar el sensor de presión en uno de los extremos del tubo de plástico. Y conectarlo a la entrada de la consola Y1.

• Introducir la punta de la jeringuilla en el otro extremo del tubo de plástico.

•

Comprobar que la jeringuilla y el sensor están cerrados herméticamente. Ajustar el volumen de aire a 20 ml y 10 ml. Si el montaje es correcto debería ser más difícil empujar a volúmenes más pequeños.

•

Ajustar el volumen inicial de aire de la jeringuilla en 50 ml. Para fijar los volúmenes del pistón de la jeringuilla se debe desconectar el sensor de la consola, desplazar el pistón a la posición deseada y volver a conectar el sensor y la consola (Y1)

2. Obtención de datos •

Encender la VTT.

•

Pulsar F1 (Aplic). Seleccionar “Grabador” y seleccionar “Manual”.

•

Seleccionar la tecla σσ y la opción “Texto”

•

Pulsar la tecla azul para presentar los resultados en forma de tabla.

Actividades experimentales de Química

•

Cuando la primera medida esté estabilizada, pulsar la tecla verde “Mem” y dentro de la pantalla (Escrit.txt.) escribir el volumen correspondiente. (Después de cada carácter se tiene que validar “OK”)

•

Apretar “Mem” para hacer la segunda lectura.

•

Mover el émbolo de la jeringuilla y comprimir el aire contenido a 45 ml. Cuando esté la medida estabilizada proceder del mismo modo que en el caso anterior.

•

Repetir la misma operación en intervalos de 5ml hasta llegar a 15 ml.

•

Si se dispone de tiempo, repetir el experimento.

•

Pulsar la tecla azul para visualizar los valores de la presión en función del volumen en forma de tabla o gráfico.

•

Pulsar F1 (Menú) y seleccionar “Guardar”. Escribir el nombre de la práctica y pulsar “Mem”

•

Podrán grabarse los resultados, ser transferidos a un PC, visualizarse y manipularse según se explica en el Anexo.

Actividades experimentales de Química

Ejemplo de resultados Los resultados que nos da directamente la consola son los representados a continuación.

Con el visualizado del centro de control de la consola VTT se obtiene la gráfica de la figura:

Para obtener esta gráfica se ha tenido que cambiar la escala del valor de la presión (en el menú “edición/escalas” se cambia el valor máximo a 2100hPa y el mínimo a 600 hPa).

Puede observarse que el gráficos obtenido muestra los volúmenes de forma decreciente. Con la ayuda de Microsoft Excel podemos realizar una posterior manipulación de los resultados. (Ver Anexo).

PRESIÓN EN FUNCIÓN DEL VOLUMEN

p (hPa)

2100 1600 1100 600 0

10

20

30

V (ml)

40

50

60

La representación de la presión en función del volumen nos muestra que la desviación de la línea recta es destacable.

Actividades experimentales de Química

Si representamos la presión en función de la inversa de los volúmenes medidos y se representa gráficamente, se obtiene una recta. Sin embargo puede eliminarse el último punto y el comportamiento rectilíneo será mejor.

PRESIÓN EN FUNCIÓN DE 1/V

PRESIÓN EN FUNCIÓN DE 1/V 2100

2100

y = 26768x + 464,63

2

R = 0,9773

p (hPa)

p (hPa)

y = 22821x + 577,23 1600 1100

1600

2

R = 0,9917

1100 600

600 0

0,02

0,04

1/V

0,06

0,08

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

1/V

Observaciones de interés • • • • • •

Aumento de la presión al disminuir el volumen del interior de la jeringuilla. Es interesante poder comprobar cual es la relación existente.

La gráfica obtenida de la consola directamente nos representa la presión vs el volumen de la jeringuilla de un modo decreciente porqué estamos realizando una compresión del gas. Así pues, se puede observar que el comportamiento no es lineal.

Si hacemos una representación gráfica de la presión vs 1/V donde V es el volumen en el interior de la jeringuilla, se observa un comportamiento lineal con lo cual la presión y el volumen son inversamente proporcionales.

Se puede hacer el cálculo de la constante de proporcionalidad entre P i 1/V. Destacar que la Ley de Boyle supone un comportamiento ideal que únicamente es seguido por los gases en condiciones límite, cuando la presión tiende a cero.

Una fuente de error importante es la poca precisión de la jeringuilla. Así pues se recomienda hacer la experiencia por triplicado y utilizar jeringuillas lo más grandes posible.

Propuesta de experiencias • •

Estudiar la evolución de la presión al descomprimir el aire.

Estudiar de forma cualitativa el efecto de la temperatura utilizando una atmósfera de aire caliente y/o frío.

Temperatura de solidificaci贸n

Actividades experimentales de Química

Objetivos Materia: Química Objetivos principales -

-

-

Comprender los conceptos, modelos y teorías fundamentales de Química que les posibiliten aproximarse a una interpretación científica de la naturaleza, valorando el papel que desempeñan en su propio proceso de aprendizaje.

Utilizar con autonomía estrategias características de la investigación y los procedimientos científicos, en el ámbito de la química, para realizar pequeñas investigaciones y, en general, explorar situaciones o fenómenos desconocidos para ellos.

Comprender la química, como conocimiento científico con limitaciones y sometido a revisión continua, de acuerdo con un proceso de elaboración en interacción con la tecnología y ligado a características y necesidades de la sociedad en cada momento histórico.

Contenidos * Aproximación a la química.

- Valoración de las aspiraciones de la ciencia al desarrollo de la sociedad, a las condiciones de vida y de adquisición de conceptos no deterministas. * Equilibrio químico.

- Elaboración de informes sobre la evolución experimental de una reacción química y, tomar datos de la concentración/tiempo, realizando la estimación gráfica o analítica de su velocidad.

- Formulación de hipótesis sobre la evolución de algún equilibrio químico o modificas los factores que los condicionan, contrastando las predicciones y los datos experimentales.

- Contenidos de actitud: - Interés por la correcta planificación y por la correcta realización experimental de las reacciones químicas, así como por la formulación de conclusiones basadas en los datos recogidos.

Criterios de evaluación -

Reconocer las aportaciones de algunas relevantes aplicaciones tecnológicas de la química a la vida cotidiana, valorando los impactos ejercidos sobre el medio ambiente y salud a lo largo del tiempo.

Actividades experimentales de Química

Materia: Física y Química Objetivos principales -

Utilizar experimentos en los que les permitan diseñar procesos y estrategias para la resolución de situaciones problemáticas, formular teorías a partir de análisis de los resultados y utilizarlos para matizar conceptos de acuerdo con principios de metodología científica.

Materia y cambio -

Diseño y realización de procesos de cambio de estado y de preparación de sistemas dispersos, registrando las variaciones y propiedades.

Criterios de evaluación -

Aplicar estrategias propias de la metodología científica a la resolución de situaciones y problemas para los alumnos.

Contenidos -

Diseño y realización de medidas en las que se evidencie la perturbación producida, por el propio proceso, una de las magnitudes a cuantificar.

Contenidos de actitud: Interés por la realización correcta de medidas, recogida de datos en tablas y confección de informes

Actividades experimentales de Química

Introducción En esta práctica se registrará y observará la evolución de la temperatura durante la solidificación de diferentes líquidos: Agua destilada Mezcla de agua destilada + algunos gramos de sal Ciclohexano Se estudiarán dos sustancias puras con diferente estructura molecular y fuerzas moleculares diferentes como son el agua y el Ciclohexano.

También se estudiará cual es el efecto de la sal en la temperatura de solidificación del agua.

Relacionar los resultados obtenidos con la energía cinética media de las partículas

Material • • • • • •

Consola VTT Sensor de temperatura Abrazadera Tubo de ensayo Tapón de goma para el tubo de ensayo Vaso de precipitados de 250 ml

Reactivos: • • • •

Agua destilada Hielo picado Sal común.

Ciclohexano

Procedimiento 1. Montaje de la práctica •

Conectar el sensor de temperatura a la entrada de la consola Y1.

•

Añadir hielo picado y un poco de sal en un vaso de precipitados de 500ml.

•

Insertar la sonda de temperatura en el tapón de goma. Sumergir la sonda en un tubo de ensayo que contenga un centímetro del líquido objeto de estudio de modo que la sonda esté en contacto con el líquido.

•

Introducir el tubo de ensayo en el entorno refrigerante constituido por hielo picado y sal.

•

Mover el sensor con cuidado durante los primeros minutos.

•

Parar de mover el sensor y dejar que el líquido se hiele en el interior del tubo. Añadir más hielo cuando se derrita.

Actividades experimentales de Química

Tapón de goma

Sonda de Temperatura tubo de ensayo

Hielo picado

líquido a estudiar

2. Obtención de datos •

Encender la VTT.

•

Pulsar F1 (Aplic). Seleccionar “Grabador”. Seleccionar “automático”.

•

Pulsar la tecla verde “Mem” para iniciar la medición.

•

Cuando el líquido del interior del tubo de ensayo esté solidificado pulsar la tecla verde “Mem”.

•

Pulsar la tecla azul para visualizar los valores de la temperatura en función del tiempo en forma de tabla o gráfico.

•

Pulsar F1 (Menú) i seleccionar “Guardar”. Escribir el nombre de la práctica i pulsar “Mem”

•

Podrán grabarse los resultados, ser transferidos a un PC, visualizarse y manipularse según se explica en el Anexo.

Actividades experimentales de Química

Ejemplo de resultados Con resultados obtenidos directamente de la consola es complicado poder determinar los comportamientos de los tres líquidos:

Sin embargo, con el visualizador del centro de control de la consola VTT se puede obtener la representación gráfica que se muestra. (con la opción “edición/copiar” y “edición/pegar”) Agua Agua con sal ciclohexano

Para obtener esta gráfica se ha tenido que cambiar la escala del valor de temperaturas máxima y ínima (en el menú “edición/escalas”) Para visualizar mejor la tendencia de la temperatura de solidificación en función del tiempo se pueden exportar los datos a una hoja de cálculo como “Excel” para su posterior manipulación.

Actividades experimentales de Química

El agua destilada empieza a solidificar aproximadamente a 1ºC hasta –0.5ºC intervalo dónde la temperatura disminuye lentamente. A partir de aquí la temperatura disminuye más rápido. Así pues, la solidificación se produce a una temperatura casi constante.

El agua con sal no empieza a solidificarse hasta los –2 ºC. La sal ha ocasionado algún efecto en la estructura del agua que impide la solidificación a la temperatura habitual.

El Ciclohexano tiene una temperatura de solidificación más alta que el agua, empieza aprox. 6ºC y termina a aprox. 5ºC. Al ser una sustancia pura la variación de temperatura durante el proceso no es acusada. A partir de 5ºC la temperatura disminuye más rápidamente.

Observaciones de interés • • • • •

La temperatura de solidificación, por la cual una sustancia pasa del estado líquido a sólido, es una propiedad física característica de una sustancia a presión constante.

Una sustancia pura tiene siempre la misma temperatura de solidificación. Una misma sustancia tiene partículas iguales i las fuerzas atractivas también son iguales.

Cada sustancia tiene su propia temperatura de solidificación. Cada sustancia tiene un tipo de partículas característico, i por lo tanto, se atraen de forma diferente; así la energía para juntarlas difiere de una a la otra.

Mientras dura la solidificación la temperatura se mantiene constante Cuando se mezclan dos sustancias la solidificación tiene lugar en un intervalo de temperatura.

En una mezcla hay dos tipos de partículas i dos tipos de fuerzas, y por lo tanto, la energía necesaria para juntarlas varia en un intervalo.

Propuesta de experiencias • • •

Estudiar la fusión de los tres líquidos antes expuestos. Comparar la temperatura de solidificación con la de fusión y estudiar que sucede con la energía cinética de las partículas en las diferentes etapas de los procesos.

Estudiar la temperatura durante la ebullición de líquidos.

Utilizar la temperatura en los cambios de estado como criterio de pureza de una sustancia.

Determinaci贸n del pH de diferentes l铆quidos

Actividades experimentales de Química

Objetivos Materia Química Objetivos principales -

-

-

Comprender los conceptos, modelos y teorías fundamentales de Química que les posibiliten aproximarse a una interpretación científica de la naturaleza, valorando el papel que desempeñan en su propio proceso de aprendizaje.

Utilizar con autonomía estrategias características de la investigación yl os procedimientos científicos de la química, para realizar pequeñas investigaciones y, en general, explorar situaciones o fenómenos desconocidos para ellos.

Comprender la química, como conocimiento científico con limitaciones y sometido a revisión y evolución continua, de acuerdo con un proceso de elaboración en interacción con la tecnología y ligado a características y necesidades de la sociedad en cada momento histórico.

Contenidos * Aproximación a la química -

Valoración de las aportaciones de la ciencia al desarrollo de la sociedad, a las condiciones de vida y de adquisición de conceptos no deterministas.

* Acidez y basicidad -

-

Elaboración de tablas clasificadoras y comparativas de substancias tanto ácidas como básicas, según sus diferencias experimentales de reactividad, y comparación de estos comportamientos que ocurren en nuestro entorno.

Interés por la interpretación de fenómenos ácido-base y por la identificación de sus repercusiones sobre la salud y el medio ambiente.

Valoración de la importancia de las teorías ácido-base en la construcción del conocimiento químico de las substancias.

Criterios de evaluación -

-

Reconocer las aportaciones de algunas relevantes aplicaciones tecnológicas de la química a la vida cotidiana, valorando los impactos ejercidos sobre el medio ambiente y la salud a largo tiempo.

Aplicar los conceptos de ácido base para predecir cualitativa y cuantitativamente el comportamiento de substancias sencillas en un medio acuoso y confirmarlo experimentalmente.

Actividades experimentales de Química

Materia: Física y Química Objetivos principales -

Utilizar experimentos que les permitan diseñar procesos y estrategias para la resolución de situaciones problemáticas, formular teorías a partir de análisis de los resultados y utilizarlos para matizar conceptos.

Contenidos -

Diseño y realización de medidas en las que se evidencie la perturbación producida, por el propio proceso, una de las magnitudes a cuantificar.

Contenidos de actitud: Interés por la realización correcta de medidas, recogida de datos en tablas y confección de informes con principios de metodología científica.

Criterios de evaluación -

Aplicar estrategias propias de la metodología científica a la resolución de situaciones problemáticas para los alumnos.

Actividades experimentales de Química

Introducción El objetivo de esta práctica es registrar y comparar las diferencias de pH entre diferentes bebidas y líquidos.

Agua destilada Agua del grifo Agua jabonosa Zumo de naranja natural Zumo de naranja envasado Cola Los ácidos son sustancias solubles en agua, que conducen la corriente eléctrica en disolución, tienen sabor agrio, reaccionan con los metales como el Zinc y con los carbonatos, y viran el color del papel de pH a rojo.

Los álcalis son sustancias solubles en agua, que conducen la corriente en disolución, tienen un sabor amargo i un tacto deslizadizo, y viran el color del papel de pH a azul.

La escala de pH mide el grado de acidez o alcalinidad de una disolución que va de 0 a 14. Las soluciones ácidas tienen un pH inferior a 7, las soluciones básicas un pH superior a 7 y las soluciones neutras un pH igual a 7.

Una manera de identificar las sustancias sin la necesidad de probarlas es utilizar un sensor de pH (pH-metro).

Material • • •

Consola VTT Sensor de pH Sonda de pH

Reactivos • • • • • • • •

Disolución tamponada pH alto (pH 7) Disolución tamponada pH bajo (pH 4) Agua destilada Agua del grifo Agua jabonosa Zumo de naranja natural Zumo de naranja envasado Cola

Procedimiento 1. Montaje de la práctica •

Conectar el sensor y la sonda de pH. Introducir la clavija del sensor en el receptáculo de la sonda y girar la clavija hasta que se ajuste correctamente.

Actividades experimentales de Química

•

Conectar el sensor de pH provisto de una sonda de pH a la entrada Y1 de la VTT.

•

Verter cada uno de los líquidos en varios recipientes y atribuir un número a cada uno.

•

Introducir la sonda de pH al primer líquido y seguir los pasos descritos posteriormente en el apartado de obtención de datos.

•

Limpiar la sonda con agua destilada antes de introducirla en otro líquido.

2. Calibrado de la sonda de pH. •

Encender la VTT. Utilizar la opción “multímetro”

•

Retirar la sonda de pH de su botella de disolución tampón. Dejar la sonda con agua destilada durante unos 5 minutos.

•

Secar con mucho cuidado el extremo de la sonda con papel secante. Introducir la sonda en la disolución tampón de pH 7. Ajustar el valor de 7 en la consola girando la rueda del sensor de pH que contiene el distintivo: σσ.

•

Sacar la sonda de la disolución tampón de pH 7 e introducirla en un vaso con agua destilada.

•

Secar con mucho cuidado el extremo de la sonda con papel secante. Introducir la sonda en la disolución tampón de pH 4. Ajustar el valor de 4 en la consola girando la rueda del sensor de pH que contiene el distintivo: σ.

•

Sacar la sonda de la disolución tampón de pH 4 e introducirla en un vaso con agua destilada.

•

Secar con mucho cuidado el extremo de la sonda con papel secante. Volver a introducir la sonda en la disolución tampón de pH 7 y pH 4 y comprobar si la consola indica el pH correcto. Si no está totalmente ajustado el valor de pH repetir el proceso de calibrado tantas veces como sea necesario hasta obtener los valores de los tampones.

•

Observación importante: El proceso de calibrado es indispensable cada vez que se conecta el sensor de pH con la sonda de pH. Por lo contrario, si se mantiene el sensor y la sonda unidos el sistema no se descalibra tan rápidamente, sin embargo, comprobar siempre si el sistema está calibrado antes de empezar cualquier actividad experimental.

3. Obtención de datos •

Encender la VTT.

Actividades experimentales de Química

•

Pulsar F1 (Aplic). Seleccionar “Grabador”. Seleccionar “manual”

•

Pulsar la tecla σσ y seleccionar la opción “Numerada”

•

Pulsar F2 y seleccinar la opción “Histograma”

•

Pulsar la tecla “Mem” para registrar el pH.

•

Pulsar la tecla azul para visualizar los valores de la presión en función del volumen en forma de tabla o gráfico.

•

Pulsar F1 (Menú) y seleccionar “Guardar”. Escribir el nombre de la práctica y pulsar “Mem”

•

Podrán grabarse los resultados, ser transferidos a un PC, visualizarse y manipularse según se explica en el Anexo.

Actividades experimentales en Química

Ejemplo de resultados Los resultados obtenidos directamente en la consola son los siguientes: La relación de números que se ha dado es: Agua destilada =1 Agua del grifo = 2 Agua jabonosa = 3 Zumo de naranja natural = 4 Zumo de naranja envasado =5 Cola =6

La representación en forma de histograma nos permite ver rápidamente las diferencias entre el pH de los líquidos.

En el próximo apartado se explica a que se deben estas diferencias.

Observaciones de interés • • • •

El pH del agua destilada es 7 ya que no contiene ningún ion que pueda alterar su neutralidad.

Sin embargo el agua del grifo contiene iones que pueden alterar el valor del pH. El agua jabonosa tiene un pH básico debido a los grupos funcionales que contiene el detergente.

Las naranjas contienen ácido cítrico por lo cual el pH es inferior a 7. Comprobar que el pH del zumo de naranja natural y del embotellado no es el mismo. De la misma manera, si se comparan dos naranjas su contenido de ácido puede diferir y el valor del pH será diferente.

La Cola tiene un pH ácido debido al ácido fosfórico. Para comprobar mejor la acidez se puede concentrar el volumen inicial hirviendo el líquido.

Propuesta de experiencias •

Observar qué sucede con el pH si se mezclan los líquidos.

Diluci贸n del vinagre

Actividades experimentales de Química

Objetivos Materia: Química Objetivos principales -

-

Comprender los conceptos, modelos y teorías fundamentales de la química que les posibiliten aproximarse a una interpretación científica de la naturaleza, valorando el papel que desempeñan en su propio proceso de aprendizaje.

Utilizar con autonomía fenómenos desconocidos para ellos.

Comprender la química, como conocimiento científico con limitaciones y sometido a revisión y evolución continua, de acuerdo con un proceso de elaboración en interacción con la tecnología y ligado a características y necesidades de la sociedad en cada momento histórico.

Contenidos * Aproximación a la química - Valoración de las aportaciones de la ciencia al desarrollo de la sociedad, a las condiciones de vida y de adquisición de conceptos no deterministas. * Acidez y basicidad - Interés por la interpretación de fenómenos ácido-base y por la identificación de sus repercusiones sobre la salud y el medio ambiente.

- Valoración de la importancia de las teorías ácido-base en la construcción del conocimiento químico de las substancias.

Criterios de evaluación -

Estrategias características de la investigación y los procedimientos científicos, en el ámbito de la química, para realizar pequeñas investigaciones y, en general, explorar situaciones o

-

Reconocer las aportaciones de algunas relevantes aplicaciones tecnológicas de la química a la vida cotidiana, valorando los impactos ejercidos sobre el medio ambiente y la salud a largo plazo.

Emitir hipótesis y formular estrategias posibles de contraste sobre las variaciones que se producirán en un equilibrio químico o modificar alguno de los factores.

Aplicar los conceptos de ácido-base para predecir cualitativa y cuantitativamente el comportamiento de substancias en un medio acuoso y confirmarlo experimentalmente.

-

Actividades experimentales de Química

Materia: Física y Química Objetivos principales -

Utilizar experimentos que les permitan diseñar procesos y estrategias para la resolución de situaciones problemáticas, formular teorías a partir de análisis de los resultados para matizar conceptos.

Contenidos -

Diseño y realización de medidas en las que se evidencia la perturbación producida, por el propio proceso, una de las magnitudes a cuantificar.

Contenidos de actitud: Interés por la realización correcta de medidas, recogida de datos en tablas y confección de informes de acuerdo con principios de metodología científica.

Criterios de evaluación -

Aplicar estrategias propias de la metodología científica a la resolución de situaciones problemáticas para los alumnos.

Actividades experimentales de Química

Introducción El objetivo de esta práctica es registrar y observar la evolución del pH durante la dilución del vinagre.

El vinagre es una dilución de ácido acético en agua. Este ácido es débil y por lo tanto no está totalmente disociado: CH3COOH + H2O

CH3COO - + H3O+

Con la dilución del vinagre disminuye su concentración y también la concentración de protones que se encuentran en el agua. Esto afectará directamente al pH ya que el cálculo teórico de su valor se hace con la expresión: pH = -log [H3O+].

Se deberá estudiar que le sucede al pH y dar una explicación al hecho experimental.

Material • • • • • •

Consola VTT Sensor de pH Sonda de pH Vaso de precipitados de 500ml Bureta Agitador magnético y barra magnética

Reactivos • • • •

Disolución tamponada pH alto (pH 7) Disolución tamponada pH bajo (pH 4) Agua destilada Vinagre

Procedimiento 1. Montaje de la práctica •

Conectar el sensor de pH provisto de una sonda de pH a la entrada Y1 de la VTT.

•

Verter aproximadamente 25 ml de vinagre en un vaso de precipitados de 500 ml. Introducir una barra magnética en el vaso.

•

Situar el recipiente con vinagre sobre un agitador magnético.

•

Introducir el sensor de pH de modo que la sonda esté dentro del vinagre pero sin estar en contacto con la barra magnética.

Actividades experimentales de Química

•

Utilizar una abrazadera para montar la bureta de modo que su extremo quede por encima del vinagre. Llenarla con agua destilada.

• Abrir la llave de la bureta y verter 10 ml de agua al vinagre y esperar que la medida de pH se estabilice. Tomar la medida y añadir 10 ml más.

Bureta

Sonda pH

Vinagre

Agitador magnètico

2. Calibrado de la sonda de pH. •

Encender la VTT. Utilizar la opción “multímetro”

•

Retirar la sonda de pH de su botella de disolución tampón. Dejar la sonda con agua destilada durante unos 5 minutos.

•

Secar con mucho cuidado el extremo de la sonda con papel secante. Introducir la sonda en la disolución tampón de pH 7. Ajustar el valor de 7 en la consola girando la rueda del sensor de pH que contiene el distintivo: σσ.

•

Sacar la sonda de la disolución tampón de pH 7 e introducirla en un vaso con agua destilada.

•

Secar con mucho cuidado el extremo de la sonda con papel secante. Introducir la sonda en la disolución tampón de pH 4. Ajustar el valor de 4 en la consola girando la rueda del sensor de pH que contiene el distintivo: σ.

•

Sacar la sonda de la disolución tampón de pH 4 e introducirla en un vaso con agua destilada.

Actividades experimentales de Química

•

Secar con mucho cuidado el extremo de la sonda con papel secante. Volver a introducir la sonda en la disolución tampón de pH 7 y pH 4 y comprobar si la consola indica el pH correcto. Si no está totalmente ajustado el valor de pH repetir el proceso de calibrado tantas veces como sea necesario hasta obtener los valores de los tampones.

•

Observación importante: El proceso de calibrado es indispensable cada vez que se conecta el sensor de pH con la sonda de pH. Por lo contrario, si se mantiene el sensor y la sonda unidos el sistema no se descalibra tan rápidamente, sin embargo, comprobar siempre si el sistema está calibrado antes de empezar cualquier actividad experimental.

3. Obtención de datos •

Encender la VTT.

•

Pulsar F1 (Aplic). Seleccionar “Grabador”. Seleccionar “manual”.

•

Seleccionar la tecla σσ y la opción “Texto”

•

Cuando la primera medida esté estabilizada (cuando todavía no se ha vertido agua), pulsar la tecla verde “Mem” y dentro de la pantalla (Escrit.txt) escribir el volumen correspondiente.

(Después de cada carácter se tiene que validar “OK”)

•

Apretar “Mem” para realizar la segunda medida. Tomar medidas cada 10 ml. hasta que se hayan vertido unos 500 ml. (recordar que los volúmenes que se introducen como texto tienen que tener en cuenta los volúmenes añadidos anteriormente)

•

Pulsar la tecla azul para visualizar los valores de pH en función del tiempo en forma de tabla o gráfico.

•

Pulsar F1 (Menú) y seleccionar “Guardar”. Escribir el nombre de la práctica y pulsar “Mem”

•

Podrán grabarse los resultados, ser transferidos a un PC, visualizarse y manipularse según se explica en el Anexo.

Actividades experimentales de Química

Ejemplo de resultados Con el visualizador del centro de control de la consola VTT se obtiene la gráfica siguiente.

Debe tenerse en cuenta que el valor máximo de la escala es de un valor de pH de 6, con lo cual indica que la variación en el pH durante toda la actividad experimental no supera las dos unidades de pH.

Las siguientes figuras muestran el pH antes de iniciar el experimento y al final

Observaciones de interés • • •

Al diluir el vinagre la concentración de protones disminuye y por tanto el pH va aumentando.

La suma de la cantidad de moles de iones acetato, de ácido acético y de protones se mantienen constantes a lo largo de la experiencia.

Notar que el pH no es función de la cantidad de moles de protones que haya en la solución sino de su concentración.

Propuesta de experiencias • •

Evolución cuantitativa del pH durante la dilución del vinagre.

Evolución del pH durante la concentración del vinagre.

Valoraci贸n 谩cido base

Actividades experimentales de Química

Objetivos Materia: Química Objetivos principales -

Comprender los conceptos, modelos y teorías fundamentales de la química que les posibiliten aproximarse a una interpretación científica de la naturaleza, valorando el papel que desempeñan en su propio proceso de aprendizaje.

Utilizar con autonomía estrategias características de la investigación y los procedimientos científicos, en el ámbito de la química, para realizar pequeñas investigaciones y, en general, explorar situaciones o fenómenos desconocidos para ellos.

Comprender la química, como conocimiento científico con limitaciones y sometido a revisión y evolución continua, de acuerdo con un proceso de elaboración en interacción con la tecnología y ligado a características y necesidades de la sociedad en cada momento históricos.

Contenidos * Aproximación a la química - Valoración de las aportaciones de la ciencia al desarrollo de la sociedad, a las condiciones de vida y de adquisición de conceptos no deterministas. * Acidez y basicidad - Interés por la interpretación de fenómenos ácido-base y por la identificación de sus repercusiones sobre la salud y el medio ambiente.

- Valoración de la importancia de las teorías ácido-base en la construcción del conocimiento químico de las substancias.

Criterios de evaluación -

Reconocer las aportaciones de algunas relevantes aplicaciones tecnológicas de la química a la vida cotidiana, valorando los impactos ejercidos sobre el medio ambiente y la salud a largo plazo.

Emitir hipótesis y formular estrategias posibles de contraste sobre las variaciones que se producirán en un equilibrio químico o modificar alguno de los factores.

Aplicar los conceptos de ácido-base para predecir cualitativa y cuantitativamente el comportamiento de substancias en un medio acuoso y confirmarlo experimentalmente.

Actividades experimentales de Química

Materia: Física y Química Objetivos principales -

Utilizar experimentos que les permitan diseñar procesos y estrategias para la resolución de situaciones problemáticas, formular teorías a partir de análisis de los resultados para matizar conceptos.

Contenidos -

Diseño y realización de medidas en las que se evidencia la perturbación producida, por el propio proceso, una de las magnitudes a cuantificar.

Contenidos de actitud: Interés por la realización correcta de medidas, recogida de datos en tablas y confección de informes de acuerdo con principios de metodología científica.

Criterios de evaluación -

Aplicar estrategias propias de la metodología científica a la resolución de situaciones problemáticas para los alumnos.

Actividades experimentales de Química

Introducción El objetivo de esta práctica es realizar una valoración de un ácido fuerte con una base fuerte utilizando el sensor de pH. Se valorará una disolución de ácido clorhídrico, HCl, de concentración desconocida, con una disolución de NaOH, de concentración conocida.

Esta determinación se lleva a cabo aprovechando la reacción de neutralización entre una base y un ácido. El punto de equivalencia de la neutralización se alcanza cuando los moles de OH - y H3O+ coinciden.

Se deberá ser capaz de interpretar las variaciones producidas en los valores de pH y determinar la concentración del ácido problema.

Material • • • • • • •

Consola VTT Sensor de pH Sonda de pH Vaso de precipitados de 250 ml Agitador i barra magnética Pipeta 10ml Bureta de 50 ml

Reactivos • • • •

Disolución tampón pH alto (pH 7) Disolución tampón pH bajo (pH 4) Ácido Clorhídrico (HCl) aprox. 0.10M Hidróxido de Sodio (NaOH) 0.10M

Procedimiento 1. Montaje de la práctica •

Conectar el sensor de pH provisto de una sonda de pH a la entrada Y1 de la VTT.

•

Verter 50 ml de agua destilada en un vaso de precipitados de 250 ml.

•

Pipetear 10 ml de HCl de la solución problema y añadirlos con el agua destilada.

•

Introducir una barra magnética en el vaso de precipitados. Situar el recipiente sobre un agitador magnético.

•

Ambientar la bureta con la solución de NaOH 0.1M. Desechar la disolución utilizada.

Actividades experimentales de Química

•

Utilizar la abrazadera para situar la bureta encima de la solución ácida pero sin estar en contacto.

•

Llenar la bureta de NaOH 0.1M hasta el enrase.

•

Encender el agitador magnético y dejar que la solución se homogeneiza.

•

Registrar el valor de pH antes de empezar las adiciones.

Bureta (NaOH 0.1M)

Sonda pH

HCl

Agitador magnètico

2. Calibrado de la sonda de pH •

Encender la VTT. Utilizar la opción “multímetro”

•

Retirar la sonda de pH de su botella de disolución tampón. Dejar la sonda con agua destilada durante unos 5 minutos.

•

Secar con mucho cuidado el extremo de la sonda con papel secante. Introducir la sonda en la disolución tampón de pH 7. Ajustar el valor de 7 en la consola girando la rueda del sensor de pH que contiene el distintivo: σσ.

•

Sacar la sonda de la disolución tampón de pH 7 e introducirla en un vaso con agua destilada.

•

Secar con mucho cuidado el extremo de la sonda con papel secante. Introducir la sonda en la disolución tampón de pH 4. Ajustar el valor de 4 en la consola girando la rueda del sensor de pH que contiene el distintivo: σ.

Actividades experimentales de Química

•

Sacar la sonda de la disolución tampón de pH 4 e introducirla en un vaso con agua destilada.

•

Secar con mucho cuidado el extremo de la sonda con papel secante. Volver a introducir la sonda en la disolución tampón de pH 7 y pH 4 y comprobar si la consola indica el pH correcto. Si no está totalmente ajustado el valor de pH repetir el proceso de calibrado tantas veces como sea necesario hasta obtener los valores de los tampones.

•

Observación importante: El proceso de calibrado es indispensable cada vez que se conecta el sensor de pH con la sonda de pH. Por lo contrario, si se mantiene el sensor y la sonda unidos el sistema no se descalibra tan rápidamente, sin embargo, comprobar siempre si el sistema está calibrado antes de empezar cualquier actividad experimental.

3. Obtención de datos •

Encender la VTT.

•

Pulsar F1 (Aplic). Seleccionar “Grabador” y seleccionar “Manual”.

•

Seleccionar la tecla σσ y la opción “Texto”

•

Pulsar la tecla azul para presentar los resultados en forma de tabla.

•

Cuando la primera medida esté estabilizada, pulsar la tecla verde “Mem” y dentro de la pantalla (Escrit.txt.) escribir el volumen de NaOH añadido. (Después de cada carácter se tiene que validar “OK”)

•

Apretar “Mem” para hacer la segunda lectura.

•

Abrir la válvula de la bureta y añadir la primera cantidad de NaOH 0.1M (incrementos de 1ml) cuando esté la medida estabilizada tomar la medida. (Observación: Cuando se escriban los volúmenes añadidos se tienen que tener en cuenta los volúmenes anteriores)

•

Repetir la misma operación en intervalos de 1ml hasta llegar a un pH superior a 10 y que el pH permanezca constante. Finalizar la recogida de datos.

•

Parar el agitador magnético, retirar el sensor de pH de la disolución y secarlo con cuidado.

•

Pulsar la tecla azul para visualizar los valores del pH en función del volumen en forma de tabla o gráfico.

•

Pulsar F1 (Menú) y seleccionar “Guardar”. Escribir el nombre de la práctica y pulsar “Mem”

Actividades experimentales de Química

•

Podrán grabarse los resultados, ser transferidos a un PC, visualizarse y manipularse según se explica en el Anexo.

•

Esta primera valoración nos indicará dónde se encuentra el punto de equivalencia y nos permitirá poder hacer una segunda valoración con los incrementos de volúmenes óptimos para determinar nítidamente el volumen de equivalencia. En los volúmenes próximos al punto de equivalencia el pH cambia muy rápidamente y será mejor añadir volúmenes de NaOH inferiores.

Actividades experimentales de Química

Ejemplo de resultados Los resultados obtenidos directamente de la consola son los que se muestran en la figura de la izquierda. En la figura de la derecha se muestra la gráfico obtenida con el visualizador del centro de control de la consola VTT.

Se podría pensar que las adiciones de volúmenes de base han sido todas iguales pero eso no es así. Es de destacar que la opción “texto” de la consola no distingue entre los diferentes intervalos de volúmenes que se le dan. Divide el gráfico en tantas partes como textos se le han introducido.Se pueden visualizar todos los valores de pH escogiendo “Cuadro” en el menú “Mostrar”.

También debe tenerse en cuenta que para poder tener una representación gráfica a escala correcta se pueden exportar los datos a una hoja de cálculo como “Excel”.

VALORACIÓN

pH

De 0 a 7 ml intervalos de 1ml De 7 a 8.5 ml intervalos de 0.5ml De 8.6 a 10 intervalos de 0.2ml.

De 10 a 15 ml intervalos de 0.5ml

14 12 10 8 6 4 2 0 0

Antes de iniciar la actividad sería bueno calcular el punto de equivalencia teórico para tomar intervalos de volumen adecuados.

Ve= CHCl · VHCl / CNaOH = 0.1310/0.1= 10 Hay dos maneras para determinar el volumen de equivalencia de una valoración ácido base fuertes:

5

V base (ml)

10

15

1. Interpolar el volumen cuando el pH es 7 (Tiene que corresponder con el salto de pH) 2. Utilizar el método de la primera derivada. (con el “Excel”). El volumen de equivalencia corresponde con el máximo.

Actividades experimentales de Química

En los dos métodos no se obtiene un volumen de equivalencia de 10ml sino de 8.9ml. la PRIMERA DERIVADA 30 1.D

20 10 0 -10 0

5

10

15

V'

concentración de base era de 0.112M y la de ácido 0.99M.

Observaciones de interés •

•

Los resultados muestran que cuando una disolución de ácido Clorhídrico es titulada con una disolución de hidróxido de Sodio, el pH de la solución ácida es inicialmente bajo. A medida que se añade base, el pH empieza a aumentar lentamente al principio, luego aumenta con rapidez cerca del punto de equivalencia y finalmente se nivela después que se alcanza el punto de equivalencia.

Los iones hidroxilo (OH-) del hidróxido de Sodio (NaOH) reaccionan con los protones (H +) del ácido Clorhídrico (HCl) formando agua durante la reacción: HCl(aq) + NaOH(aq)

•

• • •

NaCl(aq) + H2O

El punto de equivalencia se presenta a un pH de 7. En el punto de equivalencia, la solución es neutra porque ninguno de los iones de la sal que permanece en solución (NaCl) se hidrolizan.Destacar la relación estequiométrica 1:1 que nos lleva a que el número de moles de ácido y base en el punto de equivalencia es el mismo Determinar el valor medio del volumen de NaOH justo antes y después del salto de pH y comprobar que coincide con el volumen de equivalencia Determinar el número de moles de HCl teniendo en cuenta la relación estequiometrica de la reacción de neutralización.

Calcular la concentración de HCl en (mol/l). Recordar que se pipetearon 10 ml de ácido.

Propuesta de experiencias • •

Determinar el volumen de equivalencia de la misma práctica utilizando el método de la primera y segunda derivada, utilizando la consola y el procesador de datos “Excel” ((dpH/dV) será un máximo).

Realizar una valoración ácido-base fuertes pero con una relación estequiometrica distinta.

(Por ejemplo una valoración de H 2SO4 a baja concentración con NaOH). Determinar que diferencias hay para hacer los cálculos de la concentración problema.

Determinación del pKa del ácido acético

Actividades experimentales de Química

Objetivos Materia: Química Objetivos principales -

Comprender los conceptos, modelos y teorías fundamentales de la química que les posibiliten aproximarse a una interpretación científica de la naturaleza, valorando el papel que desempeñan en su propio proceso de aprendizaje.

Utilizar con autonomía estrategias características de la investigación y los procedimientos científicos, en el ámbito de la química, para realizar pequeñas investigaciones y, en general, explorar situaciones o fenómenos desconocidos para ellos.

Comprender la química, como conocimiento científico con limitaciones y sometido a revisión y evolución continua, de acuerdo con un proceso de elaboración en interacción con la tecnología y ligado a características y necesidades de la sociedad en cada momento histórico.

Contenidos * Aproximación a la química - Valoración de las aportaciones de la ciencia al desarrollo de la sociedad, a las condiciones de vida y de adquisición de conceptos no deterministas. * Acidez y basicidad - Interés por la interpretación de fenómenos ácido-base y por la identificación de sus repercusiones sobre la salud y el medio ambiente.

- Valoración de la importancia de las teorías ácido-base en la construcción del conocimiento químico de las substancias.

Criterios de evaluación -

Reconocer las aportaciones de algunas relevantes aplicaciones tecnológicas de la química a la vida cotidiana, valorando los impactos ejercidos sobre el medio ambiente y la salud a largo plazo.

Emitir hipótesis y formular estrategias posibles de contraste sobre las variaciones que se producirán en un equilibrio químico o modificar alguno de los factores.

Aplicar los conceptos de ácido-base para predecir cualitativa y cuantitativamente el comportamiento de substancias en un medio acuoso y confirmarlo experimentalmente.

Actividades experimentales de Química

Materia: Física y Química Objetivos principales -

Utilizar experimentos que les permitan diseñar procesos y estrategias para la resolución de situaciones problemáticas, formular teorías a partir de análisis de los resultados para matizar conceptos.

Contenidos -

Diseño y realización de medidas en las que se evidencia la perturbación producida, por el propio proceso, una de las magnitudes a cuantificar.

Contenidos de actitud: Interés por la realización correcta de medidas, recogida de datos en tablas y confección de informes de acuerdo con principios de metodología científica.

Criterios de evaluación -

Aplicar estrategias propias de la metodología científica a la resolución de situaciones problemáticas para los alumnos.

Actividades experimentales de Química

Introducción El objetivo de esta práctica es determinar el pKa de un ácido débil por el punto de equivalencia.

Realizar una valoración de un ácido débil, CH 3COOH, con una base fuerte NaOH, utilizando el sensor de pH. Un ácido débil se ioniza pero sus iones pueden volver a la forma molecular original y se alcanza un equilibrio: CH3COOH + H2O CH3COO - + H3O+ La expresión que da el valor de Ka es: Ka= [CAcetato· CH3O+ ] / [CÁcido] El logaritmo negativo de Ka se conoce también coma pKa de ácido.

Si se añade una base al ácido, el ácido es neutralizado para formar sal y agua.

CH3COOH + NaOH

CH3COONa + H2O

La presencia de la sal del ácido débil en disolución con el ácido forma una disolución tampón en un intervalo de la valoración.

El comportamiento del pH durante el sistema tamponado sigue la siguiente ecuación: pH = pKa + log ([sal]/[ácido]) Será esta disolución tampón la que nos permitirá calcular el pKa bajo unas condiciones especiales (Cuando se haya neutralizado el 50% del ácido presente) Se deberá ser capaz de interpretar las variaciones producidas en los valores de pH.

Material • • • • • • •

Consola VTT Sensor de pH Sonda de pH Vaso de precipitados de 250 ml Agitador i barra magnética Pipeta 10ml Bureta de 50 ml

Reactivos • • • •

Disolución tampón pH alto (pH 7) Disolución tampón pH bajo (pH 4) Ácido Acético 0.1M (CH3COOH) Hidróxido de Sodio (NaOH) 0.10M

Actividades experimentales de Química

Procedimiento 4. Montaje de la práctica •

Conectar el sensor de pH provisto de una sonda de pH a la entrada Y1 de la VTT.

•

Verter 25 ml de ácido acético en un vaso de precipitados de 250 ml.

•

Introducir una barra magnética en el vaso de precipitados. Situar el recipiente sobre un agitador magnético.

•

Ambientar la bureta con la solución de NaOH 0.1M. Desechar la disolución utilizada.

•

Utilizar la abrazadera para situar la bureta encima de la solución ácida pero sin estar en contacto.

•

Llenar la bureta de NaOH 0.1M hasta el enrase.

•

Encender el agitador magnético y dejar que la solución se homogeneiza.

•

Registrar el valor de pH antes de empezar las adiciones.

Bureta (NaOH 0.1M)

Sonda pH

CH3COOH Agitador magnètico

Actividades experimentales de Química

5. Calibrado de la sonda de pH •

Encender la VTT. Utilizar la opción “multímetro”

•

Retirar la sonda de pH de su botella de disolución tampón. Dejar la sonda con agua destilada durante unos 5 minutos.

•

Secar con mucho cuidado el extremo de la sonda con papel secante. Introducir la sonda en la disolución tampón de pH 7. Ajustar el valor de 7 en la consola girando la rueda del sensor de pH que contiene el distintivo: σσ.

•

Sacar la sonda de la disolución tampón de pH 7 e introducirla en un vaso con agua destilada.

•

Secar con mucho cuidado el extremo de la sonda con papel secante. Introducir la sonda en la disolución tampón de pH 4. Ajustar el valor de 4 en la consola girando la rueda del sensor de pH que contiene el distintivo: σ.

•

Sacar la sonda de la disolución tampón de pH 4 e introducirla en un vaso con agua destilada.

•

Secar con mucho cuidado el extremo de la sonda con papel secante. Volver a introducir la sonda en la disolución tampón de pH 7 y pH 4 y comprobar si la consola indica el pH correcto. Si no está totalmente ajustado el valor de pH repetir el proceso de calibrado tantas veces como sea necesario hasta obtener los valores de los tampones.

•

Observación importante: El proceso de calibrado es indispensable cada vez que se conecta el sensor de pH con la sonda de pH. Por lo contrario, si se mantiene el sensor y la sonda unidos el sistema no se descalibra tan rápidamente, sin embargo, comprobar siempre si el sistema está calibrado antes de empezar cualquier actividad experimental.

6. Obtención de datos •

Encender la VTT.

•

Pulsar F1 (Aplic). Seleccionar “Grabador” y seleccionar “Manual”.

•

Seleccionar la tecla σσ y la opción “Texto”

•

Pulsar la tecla azul para presentar los resultados en forma de tabla.

•

Cuando la primera medida esté estabilizada, pulsar la tecla verde “Mem” y dentro de la pantalla (Escrit.txt.) escribir el volumen de NaOH añadido. (Después de cada carácter se tiene que validar “OK”)

Actividades experimentales de Química

•

Apretar “Mem” para hacer la segunda lectura.

•

Abrir la válvula de la bureta y añadir la primera cantidad de NaOH 0.1M (incrementos de 1ml) cuando esté la medida estabilizada tomar la medida. (Observación: Cuando se introduzca los volúmenes añadidos se tiene que tener en cuenta los valores añadidos con anterioridad)

•

Repetir la misma operación en intervalos de 1ml hasta llegar a un pH superior a 12 y que el pH permanezca constante. Finalizar la recogida de datos.

•

Parar el agitador magnético, retirar el sensor de pH de la disolución y secarlo con cuidado.

•

Pulsar la tecla azul para visualizar los valores del pH en función del volumen en forma de tabla o gráfico.

•

Pulsar F1 (Menú) y seleccionar “Guardar”. Escribir el nombre de la práctica y pulsar “Mem”

•

Podrán grabarse los resultados, ser transferidos a un PC, visualizarse y manipularse según se explica en el Anexo.

•

Esta primera valoración nos indicará dónde se encuentra el punto de equivalencia y nos permitirá poder hacer una segunda valoración con los incrementos de volúmenes óptimos para determinar nítidamente el volumen de equivalencia. En los volúmenes próximos al punto de equivalencia el pH cambia muy rápidamente y será mejor añadir volúmenes de NaOH inferiores.

Actividades experimentales de Química

Ejemplo de resultados Los resultados obtenidos directamente de la consola VTT son los que se muestran a la izquerda.

A la derecha se observa la representación gráfica con el visualizador del centro de control de la consola VTT.

Se podría pensar que las adiciones de volúmenes de base han sido todas iguales pero eso no es así. Es de destacar que la opción “texto” de la consola no distingue entre los diferentes intervalos de volúmenes que se le dan. Divide el gráfico en tantas partes como textos se le han introducido.

Se pueden visualizar todos los valores de pH escogiendo “Cuadro” en el menú “Mostrar”.

También debe tenerse en cuenta que para poder tener una representación gráfica a escala correcta se pueden exportar los datos a una hoja de cálculo como “Excel”.

VALORACIÓN 15 10 pH

De 0 hasta 21ml en intervalos de 1ml De 21 hasta 24.4 ml en intervalos de 0.2ml .

5 0 0

5

10 15 V base (ml)

20

25

Actividades experimentales de Química

Antes de iniciarse la actividad debería calcularse el volumen de equivalencia teórico. En este punto el sistema no es más que una solución de una base débil y el pH se calcula: CH3COO- + H2O

CH3COOH + OH-

x2 / (F – x) = Kb = Kw/Ka pH = -log Kw/x Para nuestra solución x = 5.37 3 10-6 y un pH = 8.73.

Hay dos maneras para determinar el volumen de equivalencia de una valoración ácido base fuertes: 3. Interpolar el volumen en la mitad del salto de pH. 4. Utilizar el método de la primera derivada. (con el “Excel”). El volumen de equivalencia corresponde con el máximo.

PRIMERA DERIVADA 8

1.D

6 4 2 0 0

5

10

15

20

25

30

V'

En los dos casos nos da un volumen de equivalencia de 21.8 ml que le corresponde un pH de aproximadamente 9.1.

Para determinar el pKa sabemos que el pKa es igual al pH cuando el volumen es la mitad que el de equivalencia. Así cuando el volumenes 21.8/2= 10.9 el pH es de 4.72. El pKa teórico es de 4.757.

Observaciones de interés • • • •

•

Antes de añadir la base, la solución sólo contiene ácido en agua. Este es el problema de cálculo del pH de un ácido débil.

Desde la primera adición de NaOH hasta justo antes de alcanzar el punto de equivalencia, se tiene una mezcla de ácido sin reaccionar y su base conjugada. Se trata de un tampón.

En el punto de equivalencia todo el ácido se ha convertido en su base. El problema es el mismo que si se hubiera preparado una disolución que contiene acetato en agua. Tenemos el caso de una base débil.

Después del punto de equivalencia, lo que se hace es añadir un exceso de NaOH a una solución de acetato. Es una consideración satisfactoria considerar que la base fuerte impone el pH de la solución.

Las soluciones reguladoras que se forman antes del punto de equivalencia hacen que la variación del pH sea más lenta que en el caso de una valoración de ácido fuerte-base fuerte, por eso la pendiente de la curva es menor.

• •

El pH, cuando la mitad del ácido esta neutralizado, es decir, cuando C Acetato = CÁcido es igual al pKa. Así, podemos encontrar el pKa de un ácido débil midiendo el pH de una disolución del ácido que se haya neutralizado la mitad con una base fuerte.

El aumento de pH cerca del punto de equivalencia en una valoración ácido débil-base fuerte no es tan acusado como en una valoración de ácido fuerte-base fuerte. Esto hace que sea más difícil determinar con exactitud el punto de equivalencia.

Propuesta de experiencias •

Valoración de un ácido diprótico débil e interpretar la gráfica obtenida.