Experimentación Asistida por ordenador de Química (ALECOP) by elvira gonzalez

Q1 LEY DE BOYLE Tema(s) Gases Tiempo estimado 30 minutos

 Objetivo Estudiar el comportamiento de los gases en relación con la presión y el volumen, es decir, comprobar la proporcionalidad inversa entre P y V para un gas contenido en un recipiente cerrado a T constante.

 Material necesario Equipamiento ExAO Material general de laboratorio

Interface Sensor de presión absoluta Jeringa de plástico de 20 ó 50 ml Tubo de plástico para conectar la jeringa al sensor de presión

 Información inicial Los gases representan el estado de agregación más simple de la materia y el único para el que hay una ley aproximada que relaciona su volumen con la presión, la temperatura y la cantidad de sustancia. Su comportamiento se puede justificar a partir de los postulados, relativamente simples, de la teoría cinética. En este experimento vamos a comprobar la relación inversamente proporcional entre la presión y el volumen de un gas, cuando las otras dos variables, cantidad de sustancia (cantidad de gas) y temperatura no cambian.

EXPERIENCI  Preparación  Montaje general Es muy sencillo. No hace falta más que unir una jeringa con el módulo del sensor de presión mediante un tubo de plástico.  Calibración de los sensores El sensor de presión absoluta habrá sido calibrado al recibir el equipo, y habrá tenido calibraciones periódicas. No hace falta una calibración específica para esta experiencia.

Química

Q1-1

Ley de Boyle

 Parámetros de la captación Se ha de programar una adquisición discreta en modo PC. El valor inicial de la magnitud (volumen de gas) ha de ser el volumen inicial del gas en la jeringa, y depende de lo que queramos hacer. Por ejemplo, si se hace con una jeringa de 20 ml y lo que se pretende es disminuir el volumen del gas, empezaremos con un valor inicial de 20 ml y programaremos 10 medidas, con un incremento de 2 ml, y se ha de indicar que el valor de la magnitud disminuirá; si se quiere expandir el gas, empezaremos con unos 10 ml de volumen inicial, con un incremento de 1 ml, y hay que indicar que el valor de la magnitud aumentará. Además, hay que indicar el nombre de la magnitud, "Volumen", y las unidades en que se mide, "ml".

 Desarrollo Se conecta una jeringa al sensor de presión absoluta mediante un tubo de plástico, y cuando el émbolo está en la posición deseada, al pulsar la tecla “Espacio” el programa medirá la presión que corresponde a ese volumen. Cada vez que se pulsa “Espacio” se obtiene un nuevo punto en la gráfica. La captación finalizará cuando se realicen todas las medidas previstas o cuando se pulse la tecla “Esc”.

 Análisis de datos Una vez realizadas las medidas se obtiene la gráfica de P en función de V. Conviene buscar la función aproximada mediante la opción “Útiles / Aproximar función”. Cabe esperar una función del tipo P = k/V o bien P = k·V -1, por lo que utilizaremos ese tipo. Obtener el valor de k y el exponente de V.

Cuestiones y preguntas • •

¿De qué depende el valor de la constante k? ¿Cómo será el valor de dicha constante en dos casos en los que el volumen inicial del gas en uno de ellos es el doble del otro?

 Sugerencias de ampliación Dado que el tiempo requerido para realizar una toma de datos es pequeño, se puede probar con varias jeringas de diferente capacidad.

Química

Q1-2

Q1-P LEY DE BOYLE  Comentarios generales La realización de la experiencia básica y el tratamiento de los datos son muy rápidos, de modo que es posible realizar diversas variaciones de la experiencia con mucha facilidad.

 Comentarios a la experiencia Es conveniente que el tubo de plástico sea lo más corto posible, para que su volumen pueda no ser tenido en cuenta sin alterar apreciablemente el volumen de gas en la jeringa. Si el tubo es largo habrá que tener en cuenta su volumen como indicaremos en un próximo apartado. Caben diferentes posibilidades para realizar la experiencia. Se puede empezar por un volumen grande a presión atmosférica e ir comprimiendo, por ejemplo, empezar por el máximo volumen de la jeringa y comprimir en incrementos de 1 ml. O bien se puede comenzar por un volumen pequeño a presión atmosférica e ir expandiendo. Hay que tenerlo claro antes de programar la captación, porque hay que indicarle al programa si los incrementos de volumen van a ser positivos o negativos. Una tercera posibilidad, y la más interesante, es comenzar por un volumen intermedio de 5 ml, por ejemplo, con el aire comprimido e ir expandiendo con incrementos de 1 ml; de este modo se aprovecha al máximo la escala del sensor, por encima y por debajo de la presión atmosférica. Los resultados suelen ser buenos, pero hay que tener en cuenta: • Que la jeringa no tenga pérdidas de gas. Para evitarlo es mejor utilizar las de plástico, que tienen una doble junta, que las de vidrio. • Que la conexión del tubo a la entrada del sensor no tenga pérdidas. • Que el tubo de plástico que conecta la jeringa y el sensor sea corto, ya que su volumen también es “volumen de gas de la jeringa”.

 Comentarios al análisis de datos Respecto a la gráfica obtenida hay que hacer notar que si hemos optado por tomar las medidas de la presión mientras se expandía el gas, la curva que obtenemos es la característica de la Ley de Boyle, una hipérbola en la que el valor de V va aumentando y el de P disminuyendo. Pero si hemos optado por tomar las medidas de la presión mientras el gas se comprimía, en la curva obtenida V va disminuyendo, mientras P aumenta; es un modo poco habitual de representar la relación entre P y V, pero es correcto y se corresponde con la experiencia realizada. El valor de k de la función aproximada es, en realidad, k = 10 -3·n·R·T, de acuerdo con la ley de los gases perfectos; el factor 10-3 se debe a que hemos expresado el volumen en ml (cm 3) en lugar de m3, y la presión en kPa en lugar de Pa. Si el volumen del tubo de plástico es despreciable frente al volumen inicial del gas de la jeringa, la aproximación será buena. Si no es así, podemos hacer el siguiente tratamiento: P = k / (Vjer + Vtub) Si tomamos 1/P, tendremos: 1/P = Vjer/k + Vtub/k

Química

Q1-1P

Ley de Boyle

De acuerdo con esto, podemos emplear la opción “Ütiles/Operaciones con módulos” para hacer la representación de 1/P en función de V (de v jer, que es el que cambia en realidad). Se obtendrá una recta que confirma la ecuación anterior. Si se quiere, se pueden buscar los valores d k y de Vtub. 

Respuestas a las cuestiones planteadas

• El valor de la constante k depende de la temperatura del gas y de la cantidad de gas que hay en la jeringa (de la cantidad de sustancia, en realidad). • Si volumen inicial del gas es el doble en uno de los casos, a iguales condiciones de presión y temperatura, le corresponde el doble de cantidad de sustancia; por tanto, el valor de la constante k será el doble.

 Ejemplos de gráficas y resultados La ventana BOYLE1B muestra las medidas correspondientes a la compresión del gas de una jeringa, inicialmente a la presión atmosférica, empezando en 20 ml y acabando en 10 ml.

La ventana BOYLE1BB nos da la función aproximada, que resulta: P = 1,67·103 / V0,939 El exponente de V (0,939) es próximo al valor esperado.

Química

Q1-3P

Ley de Boyle

La ventana BOYLE1C contiene los datos de una expansión de aire inicialmente a presión atmosférica desde 10 ml hasta 19 ml.

La función aproximada contenida en la ventana BOYLE1CC es la siguiente: P = 9,43·102 / V0,972

Nótese que el valor de k es aproximadamente la mitad del caso anterior, ya que el volumen inicial del gas es de 10 ml, y antes era de 20 ml. Como antes hemos comentado, si V es la mitad y P y T son iguales (presión atmosférica en ambos casos y temperatura ambiente), le corresponde un valor de k que también será la mitad.

Química

Q1-3P

Q2 LEY DE GAY-LUSSAC Tema(s) Gases Tiempo estimado 45 minutos

 Objetivo Estudiar el comportamiento de los gases en relación con la presión y la temperatura, es decir, comprobar la proporcionalidad entre P y T para un gas contenido en un recipiente cerrado y rígido (V constante).

 Material necesario Equipamiento ExAO Material general de laboratorio

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Interface Sensor de presión absoluta Sensor de temperatura Vaso grande, de 1l Resistencia calefactora de inmersión de unos 250 w Agitador magnético Erlenmeyer de 100 ml Tapón perforado Tubo de plástico para conectar la jeringa al sensor de presión

 Información inicial Los gases representan el estado de agregación más simple de la materia y el único para el que hay una ley aproximada que relaciona su volumen con la presión, la temperatura y la cantidad de sustancia. Su comportamiento se puede justificar a partir de los postulados, relativamente simples, de la teoría cinética. En este experimento vamos a comprobar la relación de proporcionalidad entre la presión y la temperatura de un gas, cuando las otras dos variables, cantidad de sustancia (cantidad de gas) y volumen no cambian.

EXPERIENCI  Preparación  Montaje general

Química

Q2-1

Ley de Gay-Lussac

Es sencillo, si los materiales están a mano. Hay que colocar el erlenmeyer dentro del vaso grande (se puede sujetar con un soporte, una nuez y una pinza), que estará lleno hasta la mitad de agua, de modo que el erlenmeyer quede cubierto de agua casi hasta arriba, con el agitador magnético y la resistencia calefactora en su interior. En el erlenmeyer no hay más que aire. Vamos a medir la presión de ese aire mediante un tubo de plástico que atraviesa el tapón perforado y lo conecta con el módulo del sensor de presión. Es evidente que el erlenmeyer debe quedar herméticamente cerrado.  Recomendaciones de seguridad El experimento es sencillo y no hay que tener especiales precauciones. Únicamente hay que cuidar de que la resistencia calefactora no quede enchufada cuando la saquemos del agua.  Calibración de los sensores Tanto el sensor de presión absoluta como el de temperatura habrán sido calibrados al recibir el equipo, y habrán tenido calibraciones periódicas. No hace falta una calibración específica para esta experiencia.  Parámetros de la captación Es conveniente programar una adquisición automática en modo PC. El programa medirá la presión absoluta del gas y la temperatura del agua del baño mientras ésta se calienta. Cuando se acaben las medidas se podrá hacer la representación de la presión en función de la temperatura. Basta con calentar el agua desde la temperatura ambiente hasta unos 80 °C. Como la toma de datos es un poco larga conviene que, de entrada, las gráficas muestren las variaciones de las dos magnitudes de una forma clara. Por tanto, se puede fijar un intervalo de representación de la temperatura de 20 a 100 °C y de la presión de 90 a 150 kPa. De esta manera las variaciones de P y T a lo largo de la experiencia se pondrán de manifiesto con más facilidad.

 Desarrollo Una vez que la toma de datos comience el programa irá midiendo la presión del gas encerrado en el erlenmeyer a diferentes temperaturas, ya que supondremos que la temperatura del gas dentro del erlenmeyer es la misma que la del agua que le rodea. Cuando el agua llegue a unos 80 °C se pueden detener las medidas.

 Análisis de datos Una vez realizada la captación de datos se obtienen las gráficas de T y P en función del tiempo. Pero no es eso lo que nos interesa, sino más bien la dependencia que tiene P respecto de T. Una forma relativamente directa de estudiar dicha dependencia puede ser representar gráficamente la variación de la expresión: 1.000·P / (T+273) a lo largo del tiempo. Para hacerlo hay que activar la opción “Útiles / Operaciones con curvas” y cumplimentar la tabla con las operaciones correspondientes. Nótese que el programa indica los símbolos que hay que utilizar para indicar la presión y la temperatura.

Química

Q2-3

Ley de Gay-Lussac

Otra posibilidad para estudiar la relación entre T y P es hacer la representación gráfica de la presión en función de la temperatura. Para ello hay que emplear la opción “Representación / Selección curvas”, y representar T en el eje x y P en el eje Y.  Cuestiones y preguntas • • •

¿Por qué es lineal la variación de T respecto del tiempo? ¿Y la variación de P respecto del tiempo? ¿Qué indica la constancia del valor de la expresión 1.000·P / (T+273) a lo largo del tiempo? ¿Tiene alguna relación la constancia de la expresión citada en la cuestión anterior con la forma de la curva obtenida al representar P en función de T?

 Sugerencias de ampliación • •

Química

Comprobar que el valor de la constante obtenida del cociente Presión/Temperatura absoluta se aproxima al que se obtendría aplicando la Ley de los gases perfectos. A partir de la recta obtenida al representar P en función de T, extrapolar el valor del cero absoluto, es decir, obtener la función y calcular la temperatura a la que P = 0.

Q2-3

Q2-P LEY DE GAY-LUSSAC  Comentarios generales El vaso ha de ser grande, de 1 l o más, con el fin de que quepan en él, sumergidos en el agua, el erlenmeyer, la resistencia calefactora y el agitador magnético. Es conveniente disponer de, al menos, uno de éstos en el laboratorio con el fin de que la temperatura del agua durante el calentamiento sea uniforme y así la temperatura del gas dentro del erlenmeyer coincida con la misma.. Igualmente, la resistencia calefactora de inmersión es de gran utilidad y preferible a otros sistemas de calentamiento, como un hornillo de gas, por ejemplo, más peligrosos trabajando con substancias inflamables.

 Comentarios a la experiencia El calor que la resistencia calefactora transmite es proporcional al tiempo, Q = E = P·t = 250·t, si la potencia es realmente de 250 w. Si nos interesa cerciorarnos, podemos medir la intensidad que atraviesa la resistencia con un sensor de intensidad, y así calcular la potencia consumida por la misma: P = V·I Por tanto, dada la citada proporcionalidad entre el calor transmitido y el tiempo, la variación de temperatura (y de presión) será aproximadamente lineal. Pero la representación de P y T a lo largo del tiempo que obtendremos tiene poco interés, ya que mostrará únicamente cómo la temperatura y la presión aumentan simultáneamente, pero no nos indicará su dependencia. En el próximo apartado comentaremos el modo de estudiar dicha dependencia.

 Comentarios al análisis de datos Según lo dicho, utilizaremos el valor de la expresión: 1.000·P / (T+273) a lo largo del tiempo para estudiar la relación entre presión y temperatura. Dicha expresión, en realidad, nos da el cociente Presión/Temperatura absoluta , ya que el factor 1.000 nos transforma los kPa que miden los sensores en Pa, y el denominador (T+273) transforma la temperatura en escala Celsius medida por el sensor en temperatura absoluta. El cociente Presión/Temperatura absoluta ha de mantenerse constante a lo largo del tiempo. Dicha constancia indica la relación lineal que hay entre P y T, relación que se puede comprobar en la representación de P en función de T  Respuestas a las cuestiones planteadas •

• •

Química

El hecho de que la temperatura aumente con el tiempo de forma lineal indica que el calentamiento es constante, es decir, le energía que la resistencia calefactora transmite al agua por unidad de tiempo es constante. En cuanto a la presión, ello es consecuencia de la relación de proporcionalidad entre P y T. La constancia de ese cociente indica, como hemos dicho, que la presión aumenta linealmente al aumentar la temperatura. Lógicamente, la citada relación de proporcionalidad entre la presión y la temperatura debe verse reflejada en la curva de P en función de T, que debe ser una recta.

Q2-1P

Ley de Gay-Lussac

 Ejemplos de gráficas y resultados En todas las ventanas T indica la temperatura en escala Celsius y t indica el tiempo. La ventana PT1 muestra la variación de la presión y de la temperatura del aire del erlenmeyer a lo largo del tiempo, en una captación automática. Se ha empleado un tubo de plástico de medio metro, aproximadamente, para conectarlo al sensor.

Nótese el aumento aproximadamente lineal de la temperatura y la presión a lo largo del tiempo. La ventana PT1C muestra la representación de la expresión 1.000·P / (T+273) a lo largo del tiempo. En realidad la expresión se ha escrito 1.000*B / (C+273) , donde B indica la magnitud correspondiente al sensor conectado a la entrada B (presión) y C el conectado a la entrada C (temperatura).

Se obtiene aproximadamente una recta horizontal que demuestra que el cociente es constante, que la presión es directamente proporcional a la temperatura absoluta. El valor de la constante de proporcionalidad está entre 327 y 335. Por último, se demuestra igualmente la relación lineal entre la presión y la temperatura del gas en la representación gráfica de P en función de T. Dicha representación se muestra en la ventana PT1B Química

Q2-3P

Ley de Gay-Lussac

 Respuestas a las sugerencias de ampliación •

•

Química

Podemos tomar 331 como el valor del cociente 1.000·P / (T+273) , ya que es el valor promedio de los extremos 327 y 335. Por tanto Presión/Temperatura absoluta = 331 Dicho valor, según la ley de los gases perfectos, es: 331 = n·R/V = n·8,3/V, Siendo R = 8,3 en las unidades del S.I. Luego; 331/8,3 = 39,9 = n/V ⇒ V/n = 0,025 m3/mol Si calculamos teóricamente el volumen molar del gas encerrado en el erlenmeyer en las condiciones iniciales del problema (P = 99.000 Pa y T = 22 °C = 295 K), tenemos: V/n = R·T/P = 8,3·295/99.000 = 0,0247 m 3/mol , que es aproximadamente el valor obtenido experimentalmente. Mediante el botón “Tabla de datos” podemos pasar a la tabla correspondiente a dicha función y, calculando la pendiente de la recta y la ordenada en el origen, obtener la función: P = 92 + 0,3·T Y en ella haciendo P = 0, obtenemos T = -306 °C , que se acerca aceptablemente al valor teórico –273 °C del cero absoluto.

Q2-3P

Q3 MEDIDA DE LA PRESIÓN DE VAPOR DE UN LÍQUIDO Tema(s) Gases Tiempo estimado 30 minutos

 Objetivo Medir la presión de vapor de un líquido volátil a temperatura ambiente y estudiar el proceso de evaporación y condensación como un caso particular de sistemas en equilibrio, comprobando cómo se llega gradualmente al estado de equilibrio.

 Material necesario Equipamiento ExAO Productos químicos y reactivos

Material general de laboratorio

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Interface Sensor de presión diferencial Acetato de etilo Metanol Acetona Diclorometano Erlenmeyer de 100 ml Tapón de goma con dos orificios que ajuste en el erlenmeyer Cuentagotas Cristalizador Soporte con nuez y pinza Tubo de plástico para conectar la jeringa al sensor de presión diferencial

 Información inicial La presión de vapor es la presión que ejerce el vapor de un líquido contenido en un recipiente cerrado, cuando está en equilibrio con el líquido, cuando los procesos de evaporación y condensación están en equilibrio.

EXPERIENCI  Preparación  Montaje general Hay que acoplar un tubo de plástico en un tapón de goma de dos orificios, colocando un cuentagotas en el otro orificio. El erlenmeyer, bien cerrado, se sujeta con una pinza, una nuez y un soporte, de manera que se pueda sumergir en un cristalizador con agua a fin de mantener la Química

Q3-1

Medida de la presión de vapor de un líquido

temperatura constante. Se puede controlar la constancia de la temperatura con un sensor de temperatura. El tubo de plástico es conectado a la entrada P del sensor de presión diferencial. La función del cuentagotas, como indicaremos más adelante, es permitir la introducción del líquido del que se quiere medir la presión de vapor.  Recomendaciones de seguridad El acetato de etilo, el metanol y la acetona son líquidos inflamables y hay que mantenerlos alejados de cualquier llama. Sus vapores son tóxicos, igual que los del diclorometano, y no se deben inhalar. Si se quieren utilizar otros líquidos hay que informarse sobre su toxicidad.  Calibración de los sensores Si es necesario, el sensor de presión diferencial se ajustará de manera que su lectura siga próxima a cero con las dos entradas abiertas al aire. Excepto en el caso del diclorometano, que es mucho más volátil y puede provocar una gran variación de presión, la escala del sensor puede colocarse de –20 kPa a 20 kPa. Para el diclorometano es preferible que la escala siga de -200 kPa a 200 kPa.  Parámetros de la captación Es conveniente programar una adquisición automática en modo PC para el sensor de presión diferencial. Hay que definir un intervalo inicial de representación entre -10 kPa y 20 kPa, si no de trata del diclorometano.

 Desarrollo Como hemos dicho, se conecta el tubo de plástico a la entrada “P” del sensor de presión diferencial (la otra entrada es “Pref”). Se sumerge el erlenmeyer, mediante la pinza, la nuez y el soporte, en el cristalizador con agua a temperatura ambiente. Se puede controlar la constancia de la temperatura con un sensor de temperatura introducido en el agua del cristalizador. Se coloca entonces el tapón doblemente perforado en el erlenmeyer y se inicia la captación automática. A continuación se coge el cuentagotas, se llena con unos cuantos ml del líquido del que queremos medir la presión de vapor y se coloca con cuidado en su orificio (SIN HACER QUE SALGA NADA DE LÍQUIDO). Al oprimir la goma del cuentagotas, cae el líquido al fondo del erlenmeyer, se evapora y la presión aumenta gradualmente. Ese aumento quedará indicado en la gráfica. Al cabo de unos minutos se interrumpe la captación pulsando la tecla “ESC”. Entonces, podemos sustituir el líquido del cuentagotas por otros y repetir la experiencia

 Análisis de datos Una vez realizada la captación de datos se obtienen las gráficas de P y T en función del tiempo. Como cabía esperar, la T permanece prácticamente constante a lo largo del tiempo. Pero no así la P, que tiene una variación significativa. Guardaremos en diferentes ventanas la gráfica de la variación de P para cada uno de los líquidos.

Química

Q3-3

Medida de la presión de vapor de un líquido

 Cuestiones y preguntas • •

¿Por qué aumenta la presión del gas en el interior del erlenmeyer cuando introducimos el líquido? ¿Tiene relación el valor de la presión de vapor con la temperatura de ebullición?

 Sugerencias de ampliación • •

Química

Compárese la volatilidad de los diferentes líquidos empleados. ¿Cuál de ellos tendrá una temperatura de ebullición más baja para una presión dada?

Q3-3

Q3-P MEDIDA DE LA PRESIÓN DE VAPOR DE UN LÍQUIDO  Comentarios generales Si se quiere, para niveles superiores al bachillerato, se puede hacer un estudio teórico previo a la medida de datos experimentales, calculando el valor de las presiones de vapor de los líquidos citados mediante la expresión: log10 Pvapor = (-0,2185·A / T) + B , donde T es la temperatura absoluta y A y B son constantes características de cada líquido, que en nuestro caso valen: Líquido Acetato de etilo metanol acetona diclorometano

A 8301,1 8978,8 7641,5 7572,3

B 8,0012 8,6398 7,9040 8,1833

 Comentarios a la experiencia Una vez realizado el montaje y colocado el tapón en el erlenmeyer, es conveniente esperar un par de minutos antes de poner en marcha la captación automática, a fin de que la temperatura del erlenmeyer sea uniforme. Y una vez iniciada la captación, cabe esperar unos 30 segundos antes de dar comienzo al goteo, a fin de que se estabilice la medida de la presión. Igualmente, es conveniente secar el exterior del cuentagotas con un trozo de papel de filtro antes de introducirlo en el orificio del tapón. Colocado el cuentagotas, la presión indicada por el sensor de presión diferencial no debe cambiar. Una vez introducido el líquido en el erlenmeyer e iniciado el aumento de presión, hay que esperar el tiempo suficiente para que el vapor esté en equilibrio con el líquido, de modo que el incremento de presión sea igual a la presión de vapor del líquido a esa temperatura.

 Comentarios al análisis de datos Como es previsible en un proceso de equilibrio de evaporación-condensación, la nueva presión tarda unos minutos en estabilizarse, y lo hace de una forma exponencial, al principio rápidamente y después lentamente, como se podrá observar con claridad en la gráfica. La variación final de P debida a la evaporación del líquido es su presión de vapor a la temperatura del baño de agua.  Respuestas a las cuestiones planteadas •

•

Química

Al evaporarse parte del líquido dentro del erlenmeyer (hemos escogido líquidos volátiles que lo hacen con rapidez), hay más gas que al principio (el vapor del líquido se ha sumado al aire presente inicialmente), en el mismo volumen y a la misma temperatura. Según la Ley de los gases perfectos debe aumentar la presión. Por supuesto que guarda una estrecha relación. Cuanto mayor es la presión de vapor de un líquido, menor es su temperatura de ebullición a una presión determinada.

Q3-1P

Medida de la presión de vapor de un líquido

 Ejemplos de gráficas y resultados La ventana ACETONA muestra el resultado del experimento cuando el líquido que se evapora es acetona. Nótese el incremento gradual de la presión en el tiempo (a lo largo de unos tres minutos) y cómo se alcanza la situación de equilibrio.

El incremento total de presión, a una T = 18,6 °C, es de 21,4 kPa (15,09 + 6,35 , puesto que el sensor no estaba ajustado al cero inicialmente y medía una presión de –6,35 kPa), es decir, 161 mm Hg. El valor teórico de la presión de vapor de la acetona a esta temperatura es de 150,7 mm Hg

 Respuestas a las sugerencias de ampliación •

La volatilidad de un líquido indica la facilidad con la que se evapora. En realidad, la volatilidad ha de ser proporcional a la presión de vapor. Se han medido de acuerdo con la experiencia descrita las presiones de vapor de los cuatro líquidos citados, a una temperatura alrededor de 16 °C, y los resultados obtenidos han sido: Líquido Acetato de etilo Metanol Acetona Diclorometano

•

Química

Presión de vapor (kPa) 4,6 7,1 16,3 33,7

Por tanto, el orden de volatilidad sería el siguiente: diclorometano > acetona > metanol > acetato de etilo El punto de ebullición más bajo corresponderá, lógicamente, al diclorometano, ya que a la temperatura dada de 16 °C es el que tiene mayor presión de vapor. Un líquido comienza su ebullición cuando el valor de la presión del vapor del mismo iguala al valor de la presión del aire que lo rodea (normalmente, el valor de la presión atmosférica normal, 101,3 kPa). Como la presión de vapor aumenta con la temperatura, en el caso del diclorometano será necesario un aumento de temperatura menor que para los demás líquidos, ya que a 16 °C su presión de vapor es notablemente superior a la de los demás, y le falta menos para alcanzar la presión atmosférica. Estos son los valores correspondientes a los cuatro líquidos a presión normal: Q3-3P

Medida de la presión de vapor de un líquido

Líquido Acetato de etilo metanol acetona Diclorometano

Temperatura de ebullición(°C) 77,1 64,9 56,2 40,0

En la próxima experiencia estudiaremos la variación de la presión de vapor con la temperatura.

Química

Q3-3P

VARIACIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR DE UN LÍQUIDO CON LA TEMPERATURA Tema(s) Gases Tiempo estimado 45 minutos

 Objetivo Estudiar la variación de la presión de vapor con la temperatura.

 Material necesario Equipamiento ExAO Productos químicos y reactivos

Material general de laboratorio

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Interface Sensor de presión diferencial Sensor de temperatura Acetato de etilo Metanol Acetona Diclorometano 2 erlenmeyer de 100 ml 2 tapones de goma, uno con un orificio y el otro con dos orificios, que ajusten en los erlenmeyer 2 cuentagotas Cristalizador amplio en el que quepan los dos erlenmeyer 2 soportes con nuez y pinza 2 tubo de plástico para conectar la jeringa al sensor de presión diferencial Vaso de 500 ml Resistencia calefactora de unos 250 w

 Información inicial El valor de la presión de vapor (la presión que ejerce el vapor de un líquido contenido en un recipiente cerrado) aumenta de un modo no lineal con la temperatura del líquido.

Medida de la presión de vapor de un líquido

EXPERIENCI  Preparación  Montaje general Se colocan los dos erlenmeyer (sujetos con su pinza, nuez y soporte) dentro del cristalizador con agua a temperatura ambiente. Hay que acoplar un tubo de plástico en cada uno de los tapones de goma, tanto en el de dos orificios como en el de uno. El tubo que está acoplado al tapón de dos orificios se conecta a la entrada “P” del sensor de presión diferencial, y el acoplado al tapón de un orificio se conecta a la entrada “Pref”. El sensor de temperatura permanecerá sumergido en el agua del cristalizador para medir su temperatura. Después de cerrar los dos erlenmeyer con los tapones, se coloca cuidadosamente un cuentagotas (con unos cuantos ml del líquido en estudio) en el segundo orificio del tapón de dos orificios, para permitir la introducción del líquido del que queremos estudiar cómo varia su presión de vapor con la temperatura. Por otro lado, prepararemos el vaso de 500 ml con agua y la resistencia calefactora en su interior para disponer de agua caliente cuando sea necesario.  Recomendaciones de seguridad El acetato de etilo, el metanol y la acetona son líquidos inflamables y hay que mantenerlos alejados de cualquier llama. Sus vapores son tóxicos, igual que los del diclorometano, y no se deben inhalar. Si se quieren utilizar otros líquidos hay que informarse sobre su toxicidad.  Calibración de los sensores Si es necesario, el sensor de presión diferencial se ajustará de manera que su lectura siga próxima a cero con las dos entradas abiertas al aire. No es necesario ajustar el sensor de temperatura si ha sido calibrado al recibir el equipo  Parámetros de la captación Es conveniente programar una adquisición automática en modo PC. El programa medirá la diferencia de presión de los gases dentro de los dos erlenmeyer, así como la temperatura a la que se encuentran (midiendo la temperatura del agua del baño mientras ésta va variando). Cuando se acaben las medidas se podrá ver en una gráfica la diferencia de presión de los gases de los dos erlenmeyer a diferentes temperaturas.

 Desarrollo Una vez que hemos realizado el montaje anteriormente descrito iniciaremos la captación automática.

Química

Q3-3P

Medida de la presión de vapor de un líquido

Al oprimir la goma del cuentagotas, cae el líquido al fondo del erlenmeyer, se evapora y la presión aumenta gradualmente. Ese aumento quedará indicado en la gráfica. Al cabo de unos minutos (3 o 4 minutos) la presión se estabiliza, de modo que su valor corresponde a la presión del vapor a esa temperatura. Es el momento de variar la temperatura del gas para observar el nuevo valor de la presión de vapor. Lo vamos a lograr vertiendo un poco de agua bien caliente en el cristalizador, de modo que la temperatura del agua del baño aumente. Con ello podemos observar el aumento de la presión de vapor debido al aumento de temperatura, pero es necesario esperar unos minutos a que la presión se estabilice, igual que antes. Repitiendo el proceso varias veces se logra medir el valor de la presión de vapor a diferentes temperaturas. Cuanto tengamos medidas suficientes, se interrumpe la captación pulsando la tecla “ESC”. Entonces, podemos sustituir el líquido del cuentagotas por otros y repetir la experiencia

 Análisis de datos Una vez realizada la captación de datos se obtienen las gráficas de T y P en función del tiempo. De su observación se pueden sacar conclusiones sobre la variación de la presión de vapor con la temperatura. Si queremos ver la dependencia que tiene P respecto de T hay que hacer la representación gráfica de la presión en función de la temperatura. Para ello hay que emplear la opción “Representación / Selección curvas”, y representar T en el eje x y P en el eje Y.

Química

Q3-3P

Q4-P VARIACIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR DE UN LÍQUIDO CON LA TEMPERATURA  Comentarios generales La idea básica del montaje que permite medir la variación de la presión de vapor con la temperatura es la que a continuación expondremos. Hay que tener dos recipientes exactamente iguales (los erlenmeyer, los tapones, los tubos de plástico de la misma logitud...) conectados a las dos entradas del sensor de presión diferencial. Si calentáramos los dos erlenmeyer cerrados y llenos de aire a la vez, la presión del aire aumentaría del mismo modo en ambos (debido al aumento de temperatura), y el sensor de presión diferencial no indicaría diferencia de presión. Si queremos ver cómo varía la presión de vapor con la temperatura mantendremos los dos erlenmeyer sumergidos en el agua (cuya temperatura va a aumentar), pero sólo en uno de ellos habrá líquido volátil, en el que está conectado a la entrada “P” del sensor. En el otro no habrá más que aire. De este modo, al ir aumentando la temperatura del agua del baño (añadiendo agua caliente en varias etapas) habrá un aumento de presión en ambos erlenmeyer, pero en todo momento será mayor la presión del erlenmeyer con el líquido en estudio, debido a la presión del vapor del líquido, y la diferencia de presiones será justamente la presión del vapor a esa temperatura. El aumento de presión del aire del erlenmeyer debido al aumento de temperatura queda anulado porque es justamente el valor de la presión en el otro erlenmeyer, y el sensor de presión diferencial la resta. Así podemos obtener el valor de la presión de vapor para diferentes temperaturas.

 Comentarios a la experiencia El principio de la experiencia es igual a la experiencia anterior, por lo que hay que tener las mismas precauciones: secar el exterior del cuentagotas con un trozo de papel de filtro antes de introducirlo en el orificio del tapón, evitar que caiga líquido al colocar el cuentagotas, esperar unos 30 segundos antes de dar comienzo al goteo, esperar el tiempo suficiente para que el vapor esté en equilibrio con el líquido, de modo que el incremento de presión sea igual a la presión de vapor del líquido a esa temperatura... Una vez estabilizado el valor de la presión y obtenido, por tanto, el valor de la presión de vapor a esa temperatura, tenemos que aumentar la temperatura del gas, aumentando la temperatura del agua del baño. Para ello se vierte agua en el cristalizador hasta que la temperatura alcance el valor deseado (8 o 10 °C mayor al anterior), valor que podemos controlar gracias al sensor de temperatura. Procederemos así sucesivamente, aumentando la temperatura del gas y observando el nuevo valor de la presión de vapor.

Química

Q4-1P

Medida de la presión de vapor de un líquido

Comentarios al análisis de datos En las gráficas de P y T en función del tiempo obtenidas, se puede observar que la temperatura sufre una serie de saltos coincidentes con el vertido de agua caliente en el cristalizador. Para cada uno de ellos hay un aumento de la presión del gas y, como es previsible en un proceso de equilibrio de evaporación-condensación, la nueva presión tarda unos minutos en estabilizarse, y lo hace de una forma exponencial, al principio rápidamente y después lentamente. El valor estabilizado de P a cada T es su presión de vapor a la temperatura del baño de agua. Tras representar P en función de T se obtiene una curva aproximadamente exponencial (más bien un pequeño intervalo de la misma), que es la que expresa la dependencia de la presión de vapor con la temperatura.

 Ejemplos de gráficas y resultados En la ventana ACETO2 se muestra el resultado del experimento, esto es, cómo aumenta la presión de vapor con la temperatura, cuando el líquido que se evapora es acetona. Nótense los diferentes niveles que indican la temperatura y la presión, así como el incremento gradual de la presión en el tiempo (a lo largo de unos dos o tres minutos) y cómo alcanza la situación de equilibrio cada vez que se añade agua caliente.

Sin embargo, tras cada adicción de agua, la temperatura de la misma en el cristalizador desciende lentamente. Si se representa la presión diferencial en función de la temperatura obtenemos la gráfica mostrada en la figura ACET2B.

Química

Q4-3P

Medida de la presión de vapor de un líquido

En ella se observan una serie de puntos que son los que expresan la dependencia de la presión de vapor con la temperatura. Dichos puntos son los siguientes: T (°C) 18,8 29,1 35,7 41,9

P (kPA) 16,6 23,9 28,8 37,4

Hay que tener en cuenta que inicialmente el sensor no estaba ajustado a cero, por lo que hay que incrementar en 5,9 kPa cada uno de los valores de la presión estabilizada (la presión de vapor a esa temperatura).

 Respuestas a las sugerencias de ampliación •

Presión de vapor (kPa) 4,6 7,1 16,3 33,7

Por tanto, el orden de volatilidad sería el siguiente: diclorometano > acetona > metanol > acetato de etilo •

Química

El punto de ebullición más bajo corresponderá, lógicamente, al diclorometano. Estos son los valores correspondientes a los cuatro líquidos a presión normal:

Q4-3P

Variación de presión de vapor de un líquido con la temperatura

Líquido Acetato de etilo metanol acetona diclorometano

Temperatura de ebullición(°C) 77,1 64,9 56,2 40,0

En la próxima experiencia estudiaremos la variación de la presión de vapor con la temperatura y la relación con la temperatura de ebullición.

Q4-4P

Química

Q5 LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA ES PROPORCIONAL A LA PROFUNDIDAD Tema(s) Presión hidrostática Tiempo estimado 30 minutos

 Objetivo Comprobar que el valor de la presión hidrostática en un punto dentro de un líquido es proporcional a la profundidad de ese punto.

 Material necesario Equipamiento ExAO Material general de laboratorio

       

Interface Sensor de presión diferencial Probeta de 500 ml Tubo de plástico para acoplar al sensor de presión Regla de 30 cm Cinta adhesiva Tubo de vidrio de 6 mm de diámetro y 40 cm de longitud Soporte con dos nueces y dos pinzas

 Información inicial La presión hidrostática en el interior de un líquido no tiene nada que ver con la presión que hace un gas debida a los choques de sus partículas con las paredes del recipiente que lo contiene, sino que es debida únicamente a su peso.

EXPERIENCI  Preparación  Montaje general Hay que llenar la probeta de 500 ml con agua, casi hasta arriba (prescindir en todo momento de la graduación de la probeta). Con dos tiras de cinta adhesiva se fija la regla al costado de la probeta, longitudinalmente, de manera que el “0” de la regla coincida con la superficie del líquido. Hay que conectar el tubo de plástico a la entrada ”P” del sensor de presión diferencial y dejar la entrada “Pref” abierta al aire. Química

Q5-1

La presión hidrostática es proporcional a la profundidad

A continuación se acopla el tubo de vidrio al tubo de plástico conectado al sensor de presión diferencial mediante un trozo de tubo de goma flexible, como el que se utiliza para refrigerar. Aunque no es estrictamente necesario, conviene colocar un soporte con una nuez y una pinza para sujetar a la probeta y otra nuez con su pinza que sirva de guía al tubo de vidrio cuando es sumergido.  Calibración de los sensores Si es necesario, el sensor de presión diferencial se ajustará de manera que su lectura siga próxima a cero con las dos entradas abiertas al aire, cuando el tubo no esté sumergido. Suele haber pequeñas fluctuaciones que hacen que el ajuste exactamente a cero sea un poco laborioso  Parámetros de la captación Se ha de programar una adquisición discreta en modo PC. El número de medidas puede ser de 10 o 12, dependiendo de la longitud de la probeta. El nombre de la magnitud que varía puede ser “Profundidad”, y su valor inicial será “0”. Las unidades en que se mide, serán "cm", y el incremento de la misma será de 1 0 2 cm, dependiendo de la profundidad total.

 Desarrollo La primera medida, correspondiente a la profundidad 0, se puede hacer con el tubo de vidrio fuera del agua. A continuación, el tubo de vidrio irá sumergiéndose en el agua y cuando el menisco esté a la profundidad deseada (según el incremento que se haya establecido), al pulsar la tecla “Espacio” el programa medirá la diferencia de presión que hay entre el interior del tubo de vidrio a esa profundidad y la presión atmosférica normal. Cada vez que se pulsa “Espacio” se obtiene un nuevo punto en la gráfica. La captación finalizará cuando se realicen todas las medidas previstas o cuando se pulse la tecla “Esc”.

 Análisis de datos El programa va a medir la diferencia de presión que hay entre la posición del menisco en el interior del tubo de vidrio a diferentes profundidades y la presión atmosférica exterior. Una vez que tenemos ya la gráfica podemos hacer un “zoom” (mediante el botón correspondiente) para ver mejor la zona de variación de la presión. Igualmente, conviene buscar la función aproximada mediante la opción “Útiles / Aproximar función”, para así poder determinar la pendiente de la función.  • •

Química

Cuestiones y preguntas ¿Cómo es la gráfica que se obtiene? ¿Qué nos indica sobre la relación existente entre las presión y la profundidad? ¿De qué puede depender la pendiente de la recta obtenida?

Q5-3

La presión hidrostática es proporcional a la profundidad

 Sugerencias de ampliación Una vez comprobada la proporcionalidad directa entre la presión hidrostática y la profundidad, el siguiente paso lógico sería estudiar la relación entre la presión y el valor de la densidad del líquido.

Química

Q5-3

Q5-P LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA ES PROPORCIONAL A LA PROFUNDIDAD 

Comentarios generales

Se puede utilizar un sensor de presión absoluta en lugar del de presión diferencial. Pero en ese caso, las variaciones de presión en el interior del agua a las profundidades que vamos a medir (no más de 30 cm) son muy pequeñas comparadas con el valor de la presión inicial, a profundidad “0” (el valor de la presión atmosférica), y se aprecian poco. De todos modos, realizando un “zoom” de la zona de variación sí que se podrían llegar a ver. En lugar de la probeta de 500 ml, puede servir cualquier recipiente cilíndrico y largo, y sería mejor que no estuviera graduado. En cualquier caso, interesa que sea un recipiente lo más ancho posible para que no se produzca un incremento de altura apreciable a medida que se sumerge en él el tubo de vidrio. Como el tubo de plástico está conectado con el de vidrio a través de un tubo de goma flexible, hay que tener cuidado de que éste último no esté doblado cuando se hacen las medidas o cuando se está calibrando el sensor, ya que el valor de la presión podría ser erróneo.



Comentarios a la experiencia

A lo largo del experimento el tubo de vidrio se irá sumergiendo dentro del líquido, de manera que el menisco que delimita el aire y el líquido, dentro del tubo de vidrio, incremente su profundidad en intervalos de 1 o 2 cm. Pero hemos de controlar cuidadosamente que no es el extremo del tubo de vidrio, sino la posición del menisco que se forma en su interior, el que desciende 1 o 2 cm. Por tanto, conviene que un alumno controle la posición del menisco y otro pulse la tecla del ordenador para hacer la medida.



Comentarios al análisis de datos

La función obtenida al representar la presión frente a la profundidad es, lógicamente, aproximadamente una recta, aunque sólo vamos a obtener un intervalo pequeño de la misma, ya que las variaciones de profundidad que podemos obtener con el montaje experimental propuesto no van más allá de 30 cm. De todos modos, es suficiente para obtener conclusiones sobre la relación entre la presión y la profundidad.  • •

Química

Respuestas a las cuestiones planteadas La gráfica obtenida es una recta que pasa por el origen (0,0) de coordenadas, lo que demuestra que la presión hidrostática es directamente proporcional a la profundidad. La pendiente de la recta depende de la densidad del líquido empleado. Concretamente, según la Ley fundamental de la hidrostática, P = ρ·g·h , la pendiente será igual a “ρ·g” (siendo ρ la densidad del líquidoy h la profundidad). Teniendo en cuenta las unidades empleadas, kPa para la presión y cm para la profundidad, si queremos obtener la densidad en unidades del Sistema Internacional, hemos de realizar la siguiente conversión: P·1.000 = ρ·g·h/100 ⇒ P = (ρ·g/100.000)·h ⇒ ρ·g = 100.000·P/h , donde ya ρ está dada en unidades del S.I., kg/m3. Q5-1P

La presión hidrostática es proporcional a la profundidad

Es decir, hemos de multiplicar por 100.000 el valor de la pendiente que calcula el programa para obtener el producto ρ·g en las unidades del S.I.



Ejemplos de gráficas y resultados

La ventana AIGUA muestra la variación de la presión hidrostática cuando sumergimos un tubo en una probeta de 500 ml llena de agua, con incrementos de 2 cm.

La ventana AIGUAB nos da la recta aproximada a esta medidas. Nótese que el sensor no estaba inicialmente ajustado a cero, pero en cualquier caso, la variación de presión en función de la profundidad es una recta de pendiente 0,1077 kPa/cm.

Como hemos indicado anteriormente, el valor de la pendiente ρ·g en unidades del Sistema Internacional, será: ρ·g = 100.000·0,1077 = 10.777 ; tomando el valor 9,8 como la aceleración de la gravedad, resulta una densidad del agua de 1.099 kg/m3 , un poco superior al valor correcto.

Química

Q5-3P

La presión hidrostática es proporcional a la profundidad



Respuestas a las sugerencias de ampliación

El estudio de la relación entre la presión hidrostática y la densidad del líquido tiene la entidad suficiente como para abordarlo en una práctica independiente. Por tanto, lo trataremos en la próxima práctica.

Química

Q5-3P

Q6 LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA ES PROPORCIONAL A LA DENSIDAD DEL LÍQUIDO Tema(s) Presión hidrostática Tiempo estimado 45 minutos



Objetivo

Comprobar que el valor de la presión hidrostática a una determinada profundidad dentro de un líquido es proporcional a la densidad del mismo.



Material necesario

Equipamiento ExAO Productos químicos y reactivos Material general de laboratorio

         



Interface Sensor de presión diferencial Etanol o acetona Cloroformo o diclorometano Probeta de 100 ml Tubo de plástico para acoplar al sensor de presión Regla de 30 cm Cinta adhesiva Tubo de vidrio de 6 mm de diámetro y 40 cm de longitud Soporte con dos nueces y dos pinzas

Información inicial

La presión hidrostática en el interior de un líquido no tiene nada que ver con la presión que hace un gas debida a los choques de sus partículas con las paredes del recipiente que lo contiene, sino que es debida únicamente a su peso. Y en el valor del peso del líquido, como es lógico, debe influir la densidad del mismo.

EXPERIENCI 

Preparación 

Montaje general

En este caso es conveniente utilizar una probeta de 100 ml, para no tener que utilizar tanta cantidad de líquido. Habrá que llenarla igualmente, casi hasta arriba.

Química

Q6-1

La presión hidrostática es proporcional a la densidad del líquido

El resto del montaje es igual al realizado en la experiencia anterior: se coloca con dos tiras de cinta adhesiva la regla al costado de la probeta, longitudinalmente, de manera que el “0” de la regla coincida con la superficie del líquido; se conecta el tubo de plástico a la entrada ”P” del sensor de presión diferencial y se deja la entrada “P ref” abierta al aire; se acopla el tubo de vidrio al tubo de plástico conectado al sensor de presión diferencial mediante un trozo de tubo de goma flexible; y, si se quiere, se coloca un soporte con una nuez y una pinza para sujetar a la probeta y otra nuez con su pinza que sirva de guía al tubo de vidrio cuando es sumergido. 

Recomendaciones de seguridad

El etanol y la acetona son líquidos inflamables y hay que mantenerlos alejados de cualquier llama. El diclorometano y el cloroformo son substancias tóxicas, por lo que no se deben inhalar sus vapores. 

Calibración de los sensores

Si es necesario, el sensor de presión diferencial se ajustará de manera que su lectura siga próxima a cero con las dos entradas abiertas al aire, cuando el tubo no esté sumergido. Suele haber pequeñas fluctuaciones que hacen que el ajuste exactamente a cero sea un poco laborioso 

Parámetros de la captación

Se ha de programar una adquisición discreta en modo PC. El número de medidas puede ser de 10 o 12. Como ahora utilizaremos una rpobeta de 100 ml, menos profunda que la de la experiencia anterior, conviene que los incrementos de profundidad sean de 1 cm. El nombre de la magnitud que varía será, igualmente, “Profundidad”, su valor inicial será “0” y las unidades en que se mide, serán "cm".



Desarrollo

Empezaremos por el líquido más denso que el agua, cloroformo, por ejemplo. Al igual que en la experiencia anterior, la primera medida, correspondiente a la profundidad 0, se puede hacer con el tubo de vidrio fuera del agua. A continuación, el tubo de vidrio irá sumergiéndose en el agua y cuando el menisco esté a la profundidad deseada (según el incremento establecido de 1 cm), al pulsar la tecla “Espacio” el programa medirá la diferencia de presión que hay entre el interior del tubo de vidrio a esa profundidad y la presión atmosférica normal. Cada vez que se pulsa “Espacio” se obtiene un nuevo punto en la gráfica. La captación para este líquido finalizará cuando se realicen todas las medidas previstas o cuando se pulse la tecla “Esc”. Es el momento de sustituir el cloroformo por un líquido menos denso que el agua, etanol, por ejemplo, y de repetir la experiencia en los mismos términos.



Análisis de datos

El programa va a medir la diferencia de presión que hay entre la posición del menisco en el interior del tubo de vidrio a diferentes profundidades y la presión atmosférica exterior.

Química

Q6-3

La presión hidrostática es proporcional a la densidad del líquido

Una vez que tenemos ya la gráfica podemos hacer un “zoom” (mediante el botón correspondiente) para ver mejor la zona de variación de la presión. Hecho esto, hay que comparar el valor de la presión a una misma profundidad para cada uno de los líquidos de diferentes densidades empleados. Igualmente, conviene buscar la función aproximada mediante la opción “Útiles / Aproximar función”, para así poder determinar la pendiente de la función.  •



Cuestiones y preguntas ¿Cómo se justifica que el líquido más denso tenga un valor de la presión mayor que los demás a la misma profundidad?

Sugerencias de ampliación • •

Química

Investigar la razón de la notable desviación observada entre el valor teórico de la densidad del cloroformo y el valor obtenido experimentalmente. Investigar el valor de la presión hidrostática en el seno de un líquido a una determinada profundidad en función de la forma del recipiente.

Q6-3

Q6-P LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA ES PROPORCIONAL A LA DENSIDAD DEL LÍQUIDO 

Comentarios generales

Recomendamos la probeta de 100 ml, para no tener que consumir tanta cantidad de líquido, ya que ahora no es agua lo que utilizamos. En cualquier caso, una vez realizadas las medidas con el líquido en cuestión, conviene guardarlo en un recipiente propio, y reservarlo para hacer siempre esta experiencia, sin devolverlo al recipiente original. Se puede utilizar un sensor de presión absoluta en lugar del de presión diferencial. Pero en ese caso, las variaciones de presión en el interior del agua a las profundidades que vamos a medir (no más de 30 cm) son muy pequeñas comparadas con el valor de la presión inicial, a profundidad “0” (el valor de la presión atmosférica), y se aprecian poco. De todos modos, realizando un “zoom” de la zona de variación sí que se podrían llegar a ver. Como el tubo de plástico está conectado con el de vidrio a través de un tubo de goma flexible, hay que tener cuidado de que éste último no esté doblado cuando se hacen las medidas o cuando se está calibrando el sensor, ya que el valor de la presión podría ser erróneo.



Comentarios a la experiencia



Comentarios al análisis de datos

Las curvas que vamos a obtener al representar la presión frente a la profundidad para cada líquido van a ser rectas. Nuestro objetivo va a ser el comprobar que la presión hidrostática depende de la densidad, que es directamente proporcional a la misma. Para ello nos fijaremos en una profundidad determinada, 6 cm, por ejemplo, y compararemos los valores de la presión a esa profundidad para los distintos líquidos. Como dato inicial podemos partir del valor de la densidad de los mismos: Densidad a 20 °C Agua destilada Etanol Acetona Cloroformo Diclorometano  Química

g/ml 1,00 0,79 0,79 1,48 1,33

Respuestas a las cuestiones planteadas Q6-1P

La presión hidrostática es proporcional a la densidad del líquido

•



La presión hidrostática en el interior de un líquido es debida al peso del mismo situado por encima del punto en que nos encontremos (más el valor de la presión ejercida por el aire, la presión atmosférica, lógicamente). Por tanto, para un líquido más denso, el valor de la presión a una determinada profundidad será mayor, ya que el peso de la misma altura líquido situado por encima es mayor.

Ejemplos de gráficas y resultados

En la experiencia anterior hemos visto la gráfica obtenida para el agua y la función aproximada que ha resultado. Por lo que respecta al cloroformo, la ventana CLOROF muestra la variación de la presión hidrostática con la profundidad, con incrementos de 1 cm, para el mismo.

La ventana CLOROFB nos da la recta aproximada a esta medidas. Nótese que el sensor seguía sin estar inicialmente ajustado a cero, pero en cualquier caso, la variación de presión en función de la profundidad es una recta de pendiente 0,11643 kPa/cm.

Química

Q6-3P

La presión hidrostática es proporcional a la densidad del líquido

Al igual que en la experiencia anterior, a partir del valor de la pendiente podemos obtener el valor experimental de la densidad del cloroformo, que resulta ser de 1.673 kg/m 3 = 1,673 g/ml , superior al valor correcto. Se observa que la desviación respecto al valor teórico es mayor en el caso del cloroformo que en el del agua. En cuanto a la comparación del valor de la presión a la misma profundidad, considerando las variaciones de presión respecto de la profundidad “0”, es decir, los valores que obtendríamos caso de que el sensor estuviera inicialmente ajustado a cero, y tomados los valores a la profundidad de 6 cm obtenemos: Líquido Etanol Agua Cloroformo

P a la profundidad de 6 cm (kPa) 0,56 0,65 0,98

Se observa que hay una relación de proporcionalidad entre el valor de la presión a una determinada profundidad y el de la densidad del líquido.



Respuestas a las sugerencias de ampliación •

•

Química

La fuente de error más evidente es la siguiente: cuando sumergimos el tubo de vidrio gradualmente el nivel del líquido sube respecto al 0 de la regla inicial. Por tanto, cuando hemos sumergido el tubo de manera que el menisco está a una profundidad de 20 cm respecto al 0 de la regla, hay una profundidad de líquido real mayor que 20 cm. La profundidad es más grande que lo que le decimos al ordenador, por lo que la presión medida es mayor de lo que le correspondería, como si la densidad del líquido fuese mayor de lo que es realmente. El citado error es más acusado en las probetas más estrechas, en la de 100 ml, por ejemplo, ya que en ellas el nivel del líquido sube más al sumergir el tubo. De ahí la notable desviación en el valor experimental de la densidad del cloroformo. Aparentemente, podría parecer que en el fondo de un recipiente con agua (u otro líquido) más amplio en la parte superior la presión debería ser mayor que en el fondo de un recipiente con agua más amplio en la parte inferior. Se puede comprobar que no es así empleando un matraz aforado grande lleno de agua y una probeta llena hasta la misma altura. Se puede emplear el sensor independiente, con el visor encima, sin transferir los datos al ordenador, o emplear la pantalla del ordenador para monitorizar las medidas del sensor (mediante la opción “Captación/Monitorizar”).

Q6-3P

Q7 PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LAS DISOLUCIONES. AUMENTO DEL PUNTO DE EBULLICIÓN DEL AGUA Tema(s) Propiedades coligativas Tiempo estimado 30 minutos



Objetivo

Observar cómo el punto de ebullición de un líquido aumenta cuando hay una sustancia disuelta, que el aumento es proporcional a la concentración del soluto y calcular la constante ebulloscópica del agua.



Material necesario

Equipamiento ExAO Productos químicos y reactivos Material general de laboratorio



     

Interface Sensor de temperatura Nitrato de potasio Vaso de precipitados de 500 ml Probeta Resistencia calefactora de inmersión, de unos 250 w

Información inicial

La temperatura a la que un líquido entra en ebullición sufre variaciones cuando se disuelve algo en el líquido. Dichas variaciones dependen de la concentración del soluto, y son reflejadas por la constante ebulloscópica. El valor de dicha constante es el incremento registrado en el punto de ebullición por cada mol de soluto disuelto en 1 kg del líquido en cuestión. En el caso del agua el valor es de 0,512 °C / (mol/kg).

EXPERIENCI 

Preparación 

Montaje general

Es sumamente sencillo. Basta con verter 200 ml de agua (medidos con una probeta) en un vaso de precipitados de 500 ml, y colocar una resistencia calefactora de inmersión, de unos 250 w, en su interior.

Química

Q7-1

Aumento del punto de ebullición del agua.



Recomendaciones de seguridad

No hay recomendaciones especiales. Únicamente, tal vez, hay que cuidar de que la resistencia calefactora no quede enchufada cuando la saquemos del agua. 

Calibración de los sensores

No es necesaria una calibración especial del sensor de temperatura. Únicamente, si observamos que el desajuste es muy grande, podemos aprovechar que en la práctica se va a utilizar agua en ebullición para calibrarlo, colocando el visor encima del módulo de temperatura. 

Parámetros de la captación

Se ha de programar una captación general en modo PC, con un intervalo de tiempo total de 10 minutos y toma de muestras cada segundo. Cuando el programa nos pida el intervalo inicial de representación de la temperatura, nos mostrará –20 a 120 °C, que es el margen permitido por el sensor. Parece mejor colocar un margen de 95 a 105 °C, para apreciar mejor las variaciones de temperatura que tienen lugar en el experimento.



Desarrollo

Se conecta el calefactor y cuando la temperatura del agua se acerca a su punto de ebullición, se da comienzo a la captación. Cuando ya dispongamos de un trozo de gráfica que muestre el punto de ebullición del agua, con el calefactor conectado dentro del líquido , se añaden 10 g de KNO3 al agua. Cuando nuevamente dispongamos de un trozo de gráfica que muestre la ebullición del agua, se vuelven a añadir 10 g más de KNO3, y así sucesivamente, para poder medir el incremento del punto de ebullición que tiene lugar cada vez. Cuando pulsemos la tecla “Esc” terminará la adquisición de datos.



Análisis de datos

Acabada la captación se obtiene la gráfica de la temperatura de la disolución en función del tiempo. En ella se aprecian las “chimeneas” de creciente altura que corresponden a los puntos de ebullición de la disolución, cada vez más concentrada conforme añadimos más soluto. Para ver la proporcionalidad entre el aumento de la temperatura de ebullición y la concentración, antes hay que calcular ésta. Lo vamos a hacer utilizando la molalidad, es decir, calculando los moles de soluto disueltos en cada kg de doisolvente. Para calcular los moles de KNO 3 disueltos hay que tener en cuenta que su masa molar es de 101 g/mol; y para calcular la masa de agua, que la densidad de la misma es de 1 g/ml. Una vez calculadas las concentraciones se puede ya representar la temperatura de ebullición frente a la concentración, para ver su relación. Por último, hay que calcular la constante ebulloscópica del agua, teniendo en cuenta que es el incremento del punto de ebullición por cada unidad de molalidad.  •

Química

Cuestiones y preguntas ¿Cómo se justifica que la temperatura permanece constante mientras se produce la ebullición del líquido? Q7-3

Aumento del punto de ebullición del agua.

•



¿Por qué aumenta la temperatura de ebullición al aumentar la concentración de la disolución?

Sugerencias de ampliación • •

Química

¿Por qué no coinciden el valor teórico de la constante ebulloscópica y el valor obtenido experimentalmente? Investigar si todos lo líquidos tienen el mismo valor para la constante ebulloscópica.

Q7-3

Q7-P PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LAS DISOLUCIONES. AUMENTO DEL PUNTO DE EBULLICIÓN DEL AGUA 

Comentarios generales

Se puede utilizar cualquier otro soluto, pero hemos de asegurarnos que su solubilidad será tal que toda la sustancia añadida sea disuelta. Habrá que mirar en una tabla y escoger sustancias de alta solubilidad en agua. Se puede realizar una captación automática, si se prevé que la duración de un experimento individual no se va a alargar más de 5 minutos. En todo caso, si programamos la captación general, al dar el tiempo total de duración, hay que tener en cuenta que no es posible prorrogar el tiempo de adquisición de datos si el que se ha definido resulta insuficiente. Por lo que respecta a las fuentes de error, no se tenido en cuenta la evaporación del agua, que provoca un aumento de la concentración.



Comentarios a la experiencia

Puede ser conveniente agitar el agua con un agitador magnético para mantener la temperatura uniforme. Igualmente, puede ser interesante colocar el visor sobre el módulo del sensor de temperatura para controlar cuándo nos estamos acercando al punto de ebullición del agua, para dar comienzo a la captación. Cuando añadimos los 10 g de KNO3, la temperatura baja un poco, pero al cabo de unos instantes vuelve a subir y enseguida empieza de nuevo la ebullición. Hay que mantener cada vez la ebullición un rato, con un minuto puede ser suficiente, para garantizar una temperatura más o menos estable.



Comentarios al análisis de datos

En la curva obtenida se observa claramente que la temperatura de ebullición sube al aumentar la concentración de soluto. Para precisar el valor correspondiente a cada concentración, será muy útil emplear la opción “Representación/Niveles”. También se ve que a medida que la concentración aumenta la temperatura de ebullición no es tan constante, tiene fluctuaciones. En esos casos puede ser conveniente para determinarla emplear la opción “Útiles/Valores singulares” para que nos proporcione el valor medio. Los resultados obtenidos están en el siguiente apartado. Por lo que respecta al cálculo de la constante ebulloscópica, dado que el incremento del punto de ebullición obedece a la ley: ∆Teb = Keb·m , siendo m la molalidad, la gráfica de la temperatura de ebullición frente a la molalidad debe ser una recta del tipo: T eb = T0 + Keb·m , donde la pendiente es el valor de la constante ebulloscópica.  •

Química

Respuestas a las cuestiones planteadas Cuando calentamos un líquido, la energía que éste recibe hace que aumente la velocidad de vibración de sus partículas, cuyo valor medio viene dado por la temperatura. Cuando el líquido llega a su temperatura de ebullición, la agitación térmica de sus partículas es Q7-1P

Aumento del punto de ebullición del agua.

•



tal que consigue vencer las fuerzas de atracción que hay entre las mismas, y el líquido se convierte en gas a lo largo de todo su volumen. La energía que se suministre al líquido a partir de ahí no hará aumentar más la velocidad de vibración, la temperatura, sino que hará que más partículas se “liberen” de las fuerzas de atracción y pasen a estado gaseoso. La temperatura permanece por eso constante mientras dura la ebullición. El aumento de la concentración de la disolución incide sobre las fuerzas que mantienen cohesionado al líquido, las fuerzas de atracción entre sus partículas, y hace que la velocidad de vibración haya de ser mayor para conseguir que se “liberen”, por lo que es necesaria una mayor temperatura para que la ebullición comience.

Ejemplos de gráficas y resultados

La ventana NITRAT muestra la variación de la temperatura a lo largo del tiempo, y en ella se observan las diferentes temperaturas de ebullición obtenidas al aumentar la concentración de soluto.

Los valores obtenidos para la temperatura de ebullición a las diferentes concentraciones son los siguientes: Teb (°C) 99,8 100,5 101,0 101,7 102,2

Cantidad de KNO3 (g) 0 10 20 30 40

Cantidad de KNO3 (mol) 0 0,1 0,2 0,3 0,4

Concentración (mol/kg) 0 0,5 1.0 1,5 2,0

La ventana APROXIM muestra la recta de regresión que corresponde a esta tabla. Se comprueba en ella que, efectivamente, el aumento de la temperatura de ebullición y la concentración de la disolución son proporcionales.

Química

Q7-3P

Aumento del punto de ebullición del agua.

El valor de la pendiente, que corresponde a la constante ebulloscópica, como hemos dicho antes, resulta ser de 1,17 °C / (mol/kg).



Respuestas a las sugerencias de ampliación •

•

Química

La notable diferencia existente en este caso entre los valores teórico y experimental (el valor obtenido es aproximadamente el doble del esperado) no se debe a errores a lo largo de la experiencia. Hay un factor que no se ha considerado, y es la posibilidad de que la substancia disuelta se disocie en iones, caso de que sea una substancia iónica, por supuesto. En este caso el nitrato de potasio lo es, y la disociación en iones nitrato (KNO3-) y iones potasio (K+) hace que el valor obtenido de la constante ebulloscópica resulte prácticamente el doble del esperado, ya que cada mol de nitrato de potasio disuelto aporta dos moles de iones a la disolución, y así las molalidades correspondientes son el doble de las de la tabla. Convendría comprobar que esto no ocurre con una substancia no iónica, como la sacarosa, por ejemplo. La utilización de otro líquido para la ebullición (y de otro soluto, por tanto), supone, en realidad, la realización de otra experiencia. Es la siguiente a ésta.

Q7-3P

Aumento del punto de ebullición del agua.

PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LAS DISOLUCIONES. CÁLCULO DE LA CONSTANTE EBULLOSCÓPICA DE LA ACETONA Tema(s) Propiedades coligativas Tiempo estimado 30 minutos



Objetivo

Calcular la constante ebulloscópica de otro líquido diferente al agua, la acetona, en este caso.



Material necesario

Equipamiento ExAO Productos químicos y reactivos Material general de laboratorio



       

Interface Sensor de temperatura Acetona Ácido benzoico Cristalizador Probeta Erlenmever de 25 ml Soporte, nuez y pinza

Información inicial

La temperatura a la que un líquido entra en ebullición sufre variaciones cuando se disuelve algo en el líquido. Dichas variaciones dependen de la concentración del soluto, y son reflejadas por la constante ebulloscópica. El valor de dicha constante es el incremento registrado en el punto de ebullición por cada mol de soluto disuelto en 1 kg del líquido en cuestión. En la experiencia anterior hemos calculado que para el caso del agua el valor es de 0,512 °C / (mol/kg). Vamos a ver si para otro líquido, la acetona, el valor es el mismo.

EXPERIENCI 

Preparación 

Montaje general

Es bastante sencillo. Hay que llenar un cristalizador con agua caliente (70 –80 °C) e 54

Aumento del punto de ebullición del agua.

introducir en él el erlenmeyer de 25 ml con 20 ml de acetona (medidos con una probeta) y el sensor de temperatura en su interior. 

Recomendaciones de seguridad

La acetona es inflamable y en ningún caso ha de ser calentada con una llama. Se propone calentarla al baño maría. Pero incluso para calentar el agua tampoco se puede utilizar llama, que podría inflamar los vapores de la acetona. Dichos vapores son tóxicos y no deben ser inhalados, por lo que hay que realizar la experiencia con las ventanas abiertas. 

Calibración de los sensores

No es necesaria una calibración especial del sensor de temperatura. Además, se supone que se ha calibrado en la experiencia anterior. 

Parámetros de la captación

Se ha de programar una captación general en modo PC, con un intervalo de tiempo total de 10 minutos y toma de muestras cada segundo. Cuando el programa nos pida el intervalo inicial de representación de la temperatura, nos mostrará –20 a 120 °C, que es el margen permitido por el sensor. Parece mejor colocar un margen de 50 a 75 °C, para apreciar mejor las variaciones de temperatura que tienen lugar en el experimento, ya que el punto de ebullición de la acetona a presión normal es de 58 °C.

 Desarrollo Una vez que introducimos el erlenmeyer en el cristalizador, cuando la temperatura se acerque a la de ebullición de la acetona, se da comienzo a la captación. Al cabo de un rato comenzará la ebullición de la acetona. Se deja que la temperatura se estabilice y se añaden 2,5 g de ácido benzoico. Cuando empiece de nuevo la ebullición y se estabilice la temperatura, volveremos a añadir 2,5 g de ácido benzoico, y así sucesivamente, para poder medir el incremento del punto de ebullición que tiene lugar cada vez. Cuando pulsemos la tecla “Esc” terminará la adquisición de datos.



Análisis de datos

Al igual que en la experiencia anterior, acabada la captación se obtiene la gráfica de la temperatura de la disolución en función del tiempo. En ella de aprecian las “chimeneas” de creciente altura que corresponden a los puntos de ebullición de la disolución, cada vez más concentrada conforme añadimos más soluto. Del mismo modo, se puede calcular la constante ebulloscópica de la acetona a partir del incremento del punto de ebullición, la cantidad de ácido benzoico disuelto, el volumen de acetona y su densidad.



Sugerencias de ampliación 55

Aumento del punto de ebullición del agua.

•

¿A qué puede deberse la notable diferencia entre el valor teórico y el experimental de la constante ebulloscópica?

Q8-P PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LAS DISOLUCIONES. CÁLCULO DE LA CONSTANTE EBULLOSCÓPICA DE LA ACETONA 

Comentarios generales

Dado el carácter inflamable de la acetona, no se puede utilizar llama para calentarla. En lugar del baño maría propuesto, cabe el calentarla mediante una placa calefactora. Se puede realizar una captación automática, si se prevé que la duración de un experimento individual no se va a alargar más de 5 minutos. En todo caso, si programamos la captación general, al dar el tiempo total de duración, hay que tener en cuenta que no es posible prorrogar el tiempo de adquisición de datos si el que se ha definido resulta insuficiente.



Comentarios a la experiencia

El sensor de temperatura es mejor que esté sujeto mediante una pinza (con su nuez y soporte) para evitar que se caiga. Puede ser conveniente agitar el agua con un agitador magnético para mantener la temperatura uniforme. Es conveniente colocar el visor sobre el módulo del sensor de temperatura para controlar cuándo nos estamos acercando al punto de ebullición de la acetona (56 °C), para dar comienzo a la captación. Cuando añadimos los 2,5 g de ácido benzoico, la temperatura baja un poco, pero al cabo de unos instantes vuelve a subir y enseguida empieza de nuevo la ebullición. Es conveniente no mantener mucho tiempo la ebullición de la acetona, ya que sus vapores son tóxicos, como hemos dicho, y hay que evitar su inhalación. Por eso el laboratorio deberá estar ventilado en todo momento.



Comentarios al análisis de datos

Química

Q8-1P

La presión hidrostática es proporcional a la profundidad



Ejemplos de gráficas y resultados

La ventana ACETONA muestra la variación de la temperatura a lo largo del tiempo, y en ella se observan las diferentes temperaturas de ebullición obtenidas al aumentar la concentración de soluto.

Hemos obtenido una temperatura de ebullición inicial (sin soluto) de 55,9 °C. Con 2,5 g de ácido benzoico disueltos la temperatura de ebullición ha resultado ser de 57,7 °C. El incremento de la temperatura de ebullición, por tanto, ha resultado ser de 1,8°C. Dado que la masa molar del ácido benzoico es de 122 g/mol, los 2,5 g disueltos suponen 0,0205 moles. Los 20 ml de acetona, como la densidad de ésta es de 0,789 g /ml, tienen una masa de 0,0158 kg. La molalidad de la disolución era, por tanto, de 1,29 mol/kg. Aplicando la ecuación anterior: ∆Teb = Keb·m ,el valor de la pendiente, que corresponde a la constante ebulloscópica, resulta ser de 1,4 °C / (mol/kg), mientras que el valor teórico es de 1,7 °C / (mol/kg).



Respuestas a las sugerencias de ampliación •

Química

La notable diferencia existente en este caso se debe a la mínima cantidad de medidas tomadas, sólo dos. Con sólo dos medidas, el error ha de ser necesariamente grande.

Q5-58P

Q9 VALORACIÓN ÁCIDO-BASE Tema(s) Ácidos y bases Tiempo estimado 30 minutos



Objetivo

Estudiar y practicar la metodología necesaria para realizar valoraciones ácido-base en el laboratorio empleando un sensor de pH y realizar una valoración con ácido y base fuertes.



Material necesario

Equipamiento ExAO Productos químicos y reactivos Material general de laboratorio



        

Interface Sensor de pH Hidróxido de sodio Ácido clorhídrico Bureta Pipeta de 10 ml Vaso de precipitados de 100 ml Agitador magnético Soporte, con dos nueces y dos pinzas

Información inicial

Las reacciones de ácido-base que tienen lugar en las disoluciones acuosas son algunos de los procesos más importantes en los sistemas químicos y biológicos. A través de las experiencias relacionadas con las valoraciones ácido-base, se pueden extraer conclusiones sobre las propiedades de las substancias que han participado en la reacción.

EXPERIENCI 

Preparación 

Montaje general

La utilización del sistema de adquisición de datos simplifica la toma de medidas y muy especialmente su representación tratamiento, pero no nos libera de la tarea de preparar las disoluciones. Es conveniente preparar disoluciones 1M a partir de las cuales se obtienen, cuando convenga, más fácilmente las disoluciones 0,1M. Por tanto, para esta experiencia prepararemos:

Química

Q9-1

Valoración Ácido-Base

• •

Hidróxido de sodio 1M: 40 g de NaOH, agua hasta un volumen de 1 l. Ácido clorhídrico 1M: 81,2 ml de ácido concentrado comercial, agua hasta un volumen de 1 l. En cuanto al montaje, es el de una típica valoración. Se coloca la bureta sujeta con la pinza sobre el vaso de precipitados de 100 ml. Se enrasa la bureta con la disolución 0,1M de NaOH y se vierten 10 o 15 ml de disolución 0,1M de ácido clorhídrico, medidos con una pipeta. 

Recomendaciones de seguridad

No hay que tener especiales precauciones si se trabaja con disoluciones diluidas. En cualquier caso, hay que evitar a toda costa las salpicaduras a los ojos. Si, como es previsible, se preparan estas disoluciones diluidas a partir de disoluciones más concentradas, hay que tener las precauciones usuales en la utilización de pipetas. Esencialmente: JAMÁS SE HA DE PIPETEAR DIRECTAMENTE UNA DISOLUCIÓN CONCENTRADA, HAY QUE EMPLEAR UNA PERA O UNA JERINGA ESPECIAL PARA ACOPLAR A LAS PIPETAS. Quien haya de preparar las disoluciones a partir de los ácidos concentrados comerciales, ha de ir aún con más cuidado. En caso de que se produzcan salpicaduras en los ojos, lo primero que hay que hacer es lavar con agua muy abundante y después ir al médico. Si se salpica la piel y es lavada rápidamente con agua, posiblemente no sea necesario nada más. 

Calibración de los sensores

Antes de emplear el sensor de pH hay que tenerlo en agua destilada al menos durante 10 minutos. Si hace tiempo que no empleamos la sonda hay que comprobar su calibración y, si es necesario, ajustarla empleando la disolución tampón de pH suministrada con el equipo. Si hacemos una valoración normal a temperatura de 20-25 °C no hay que emplear la sonda de compensación de temperatura. Una vez finalizada la experiencia hay que limpiar la sonda de pH con agua destilada y taparla. El mantenimiento que hay que tener con la sonda se explica con detalle con el manual del equipo. 

Parámetros de la captación

Se ha de programar una captación discreta en modo PC. Esto significa que el programa medirá el pH de la disolución cada vez que pulsemos la tecla “Espacio”, hasta que se haga el número de medidas previsto o se pulse la tecla “Esc”. El programa nos pedirá una serie de informaciones que cumplimentaremos así: • El nombre de la magnitud del eje x: en este caso el volumen de la disolución que añadimos desde la bureta; se puede escribir: Volumen_NaOH_0,1M (nótese que no se pueden poner espacios). • La unidad de medida de esa magnitud: ml • El número de medidas que se quieren hacer: éste depende del volumen de la bureta y del volumen que se añada en cada incremento; es importante no quedarse corto, ya que después no se puede aumentar este número; así, si calculamos que vamos a hacer unas 20 medidas, podemos poner tranquilamente 40 o más, por si acaso. • El valor inicial de la variable del eje x: el volumen inicial en este caso; puede ser 0 o puede ser otro, como luego explicaremos. • El incremento de la magnitud del eje x entre dos medidas: es el volumen de disolución que vamos a añadir antes de hacer la siguiente medida; como luego

Química

Q9-3

Valoración Ácido-Base

•



veremos, si se trata de la primera valoración orientativa, el incremento será de 1 ml, y si es la valoración más precisa, será de 0,2 ml. Si la magnitud que va a variar aumenta o disminuye: en nuestro caso, evidentemente, aumenta.

Desarrollo

Como en las valoraciones convencionales, vamos a repetir cada experiencia dos veces, la primera para buscar el punto de equivalencia aproximado y la segunda para buscarlo más cuidadosamente. Así, una vez preparada como se ha dicho la sonda de pH se introduce en el vaso sujeta por una pinza, se programa la adquisición discreta con un valor inicial de 0 ml y un incremento de 1 ml, se toma la primera medida (correspondiente a 0 ml), se abre la llave, se vierte 1 ml, se agita bien, se pulsa la tecla “Espacio” y así sucesivamente. Una vez obtenido aproximadamente el volumen necesario para neutralizar, se vuelve a enrasar la bureta y se valora una nueva muestra. En este caso, conviene añadir directamente, sin hacer medidas, un volumen un poco inferior al necesario para llegar al punto de equivalencia: por ejemplo, si hacen falta 10 ml para neutralizar, se añaden 8 ml. Entonces, se programa la adquisición discreta con un valor inicial de 8 ml y un incremento de mucho menor que antes, de 0,2 ml, se toma la primera medida (correspondiente a 8 ml), se abre la llave, se vierte 0,2 ml, se agita bien, se pulsa la tecla “Espacio” y así sucesivamente. Cuando hayamos acabado, podemos pulsar la tecla “Esc” para parar.



Análisis de datos

Acabada la primera captación se obtiene la gráfica del pH de la disolución en función del volumen de disolución básica añadida a la disolución ácida. Tras la segunda captación, la curva es más suave, ya que hay muchos más puntos, y el punto de inflexión (punto de equivalencia) es mucho más preciso. Una vez acabada la toma de medidas, si se quiere resaltar el punto de inflexión, puede resultar conveniente hacer la derivada de la curva mediante la opción “Útiles/Derivada”. 

Cuestiones y preguntas

Hágase el cálculo del volumen de equivalencia

Química

Q9-3

Q9-P VALORACIÓN ÁCIDO-BASE 

Comentarios generales

Dado que quien hace el experimento debe ir controlando el volumen de la bureta a intervalos de 1 ml o menores, la pinza que sujeta la misma ha de colocarse de modo que no impida las lecturas, por ejemplo, en la parte próxima a la llave, donde ya no hay graduación. Es muy conveniente utilizar agitador magnético mientras se hace la valoración. Si no es posible, habrá que agitar constantemente el contenido del vaso de precipitados. Conviene introducir la sonda de pH en agua destilada antes de empezar a realizar el montaje. Así, cuando finalicemos ya estará lista para empezar a medir. Es igualmente conveniente colocar el visor sobre el módulo de pH a lo largo de todo el experimento.



Comentarios a la experiencia

El modo de realizar la valoración no es el convencional, cuando se utiliza un indicador, es decir, regular la bureta de manera que gotee a un ritmo razonable. Ello implicaría que cada vez que el menisco pasara por la marca de volumen definida como incremento habría que pulsar la tecla “Espacio” para realizar la medida. De esta manera no se podría perder la bureta de vista, no se podrían hacer comentarios a los alumnos sobre la evolución de la gráfica y no estaríamos seguros de que todo el volumen caído de la bureta hubiera ya reaccionado con la disolución del vaso. Pro ello nos parece mejor añadir de un golpe el volumen que se haya definido como incremento y cerrar la llave; se espera a que la agitación asegure que la reacción se ha producido, se hacen los comentarios que sea menester y se pulsa la tecla “Espacio” para que el sensor efectúe la medida. Abrimos la llave nuevamente y así sucesivamente. Hay que tener en cuenta que la primera medida ha de hacerse sin añadir nada. Si se quiere, se puede añadir a la disolución ácida del vaso una gota de disolución de fenolftaleína, para correlacionar la valoración visual y la instrumental.



Comentarios al análisis de datos

 Respuestas a las cuestiones planteadas •

Química

Dado que la reacción que se produce es: HCl + NaOH ⇒ NaCl + H2O , las cantidades de sustancia del ácido y de la base han de ser iguales. Si partíamos de 10 ml de disolución 0,1M de ácido, teníamos: n = 0,1 mol/l · 0,01 l = 0,001 mol de HCl Luego necesitábamos justamente 0,001 mol de NaOH. Como la disolución era también 0,1M, el volumen necesario era: V = 0,001 mol / 0,1 mol/l = 0,01 l = 10 ml de disolución de NaOH

Q9-1P

Valoración Ácido-Base



Ejemplos de gráficas y resultados

La ventana HCL1 muestra la curva obtenida en una valoración de 10 ml de HCl, de concentración 0,1M, con NaOH 0,1M, a partir de un volumen 0, con incrementos de 1 ml y 25 medidas previstas.

Una vez detectado el punto de equivalencia aproximado (unos 9,5 ml) se ha repetido la valoración de un modo más cuidadoso. En este caso, mostrado en la ventana HCL2, se han añadido 8 ml de hidróxido antes de comenzar la captura de los datos, y a partir de este punto se ha añadido la base en incrementos de 0,2 ml, con 40 medidas previstas.

En esta segunda curva se pueden buscar mejor los valores del volumen de base y de pH correspondientes al punto de equivalencia. Pero también se puede generar la derivada, mostrada en la ventana HCL2B, que indica más claramente el punto de inflexión de la curva.

Química

Q9-3P

Valoración Ácido-Base

Nótese que el valor obtenido como volumen de equivalencia, 9,5 ml, corresponde bastante bien al valor esperado (10 ml), de acuerdo con las concentraciones del ácido y la base. Igualmente, el valor del pH del punto de equivalencia, 6,7 , es aproximadamente el que corresponde a una disolución neutra (de NaCl).

Química

Q9-3P

Q10 VALORACIÓN ÁCIDO-BASE DE UN ÁCIDO DÉBIL (MONO Y POLIPRÓTICO) CON UNA BASE FUERTE Tema(s) Ácidos y bases Tiempo estimado 45 minutos



Objetivo

Comprobar que en la reacción entre un ácido débil (mono y poliprótico) y una base fuerte el pH del punto de equivalencia es básico, y calcular la constante de acidez a partir de la curva de neutralización.



Material necesario

Equipamiento ExAO Productos químicos y reactivos Material general de laboratorio



         

Interface Sensor de pH Hidróxido de sodio Ácido acético Ácido fosfórico Bureta Pipeta de 10 ml Vaso de precipitados de 100 ml Agitador magnético Soporte, con dos nueces y dos pinzas

Información inicial

EXPERIENCI 

Preparación 

Montaje general

Química

Q10-1

Valoración Ácido-Base de un ácido débil con una base fuerte

• • •

Hidróxido de sodio 1M: 40 g de NaOH, agua hasta un volumen de 1 l. Ácido acético 1M: 60 ml de ácido glacial, agua hasta un volumen de 1 l. Ácido fosfórico 1M: 68 ml de ácido fosfórico comercial, agua hasta un volumen de 1 l. En cuanto al montaje, es el de una típica valoración. Se coloca la bureta sujeta con la pinza sobre el vaso de precipitados de 100 ml. Se enrasa la bureta con la disolución 0,1M de NaOH y se vierten 10 o 15 ml de disolución 0,1M de ácido clorhídrico, medidos con una pipeta. 

Recomendaciones de seguridad

Calibración de los sensores

Parámetros de la captación

Química

Q10-3

Valoración Ácido-Base de un ácido débil con una base fuerte

•



Desarrollo

Al igual que en la experiencia anterior, vamos a repetir cada experiencia dos veces, la primera para buscar el punto de equivalencia aproximado y la segunda para buscarlo más cuidadosamente. Empezaremos por verter 10 ml de ácido acético aproximadamente 0,1M en el vaso de precipitados. Se introduce la sonda de pH en el vaso sujeta por una pinza, se programa la adquisición discreta con un valor inicial de 0 ml y un incremento de 1 ml, se toma la primera medida (correspondiente a 0 ml), se abre la llave, se vierte 1 ml, se agita bien, se pulsa la tecla “Espacio” y así sucesivamente. Una vez obtenido aproximadamente el volumen necesario para neutralizar, se vuelve a enrasar la bureta y se valora una nueva muestra. En este caso, conviene añadir directamente, sin hacer medidas, un volumen un poco inferior al necesario para llegar al punto de equivalencia: por ejemplo, si hacen falta 10 ml para neutralizar, se añaden 8 ml. Entonces, se programa la adquisición discreta con un valor inicial de 8 ml y un incremento de mucho menor que antes, de 0,2 ml, se toma la primera medida (correspondiente a 8 ml), se abre la llave, se vierte 0,2 ml, se agita bien, se pulsa la tecla “Espacio” y así sucesivamente. Cuando hayamos acabado, podemos pulsar la tecla “Esc” para parar. Es el momento de vaciar el vaso, limpiarlo y verter en él 10 ml de ácido fosfórico aproximadamente 0,1M, y repetir la experiencia igual que en el caso anterior.



Análisis de datos

Acabada la primera captación se obtiene la gráfica del pH de la disolución en función del volumen de disolución básica añadida a la disolución ácida. En el caso del CH3COOH el intervalo de pH es un poco más estrecho, ya que el pH de partida (2,8) es más alto que para el HCl (1,4), que es un ácido más fuerte, y el pH final, el correspondiente al NaOH es, lógicamente, casi igual (12 en este caso y 12,1 en el anterior). A pesar de ello, se aprecia muy bien el punto de inflexión y se puede determinar el volumen de equivalencia aproximado. Tras la segunda captación, la curva es más suave, ya que hay muchos más puntos, y el punto de inflexión (punto de equivalencia) es mucho más preciso. Una vez acabada la toma de medidas, si se quiere resaltar el punto de inflexión, puede resultar conveniente hacer la derivada de la curva mediante la opción “Útiles/Derivada”. En el caso del H3PO4 , al tratarse de un ácido poliprótico, hay más de un punto de equivalencia.  •



Cuestiones y preguntas Hágase el cálculo del volumen de equivalencia que cabe esperar tanto para el CH3COOH como para el H3PO4.

Sugerencias de ampliación

Calcular la constante de acidez del ácido acético.

Química

Q10-3

Q10-P VALORACIÓN ÁCIDO-BASE DE UN ÁCIDO DÉBIL (MONO Y POLIPRÓTICO) CON UNA BASE FUERTE 

Comentarios generales



Comentarios a la experiencia

El modo de realizar la valoración no es el convencional, cuando se utiliza un indicador, es decir, regular la bureta de manera que gotee a un ritmo razonable. Ello implicaría que cada vez que el menisco pasara por la marca de volumen definida como incremento habría que pulsar la tecla “Espacio” para realizar la medida. De esta manera no se podría perder la bureta de vista, no se podrían hacer comentarios a los alumnos sobre la evolución de la gráfica y no estaríamos seguros de que todo el volumen caído de la bureta hubiera ya reaccionado con la disolución del vaso. Por ello nos parece mejor añadir de un golpe el volumen que se haya definido como incremento y cerrar la llave; se espera a que la agitación asegure que la reacción se ha producido, se hacen los comentarios que sea menester y se pulsa la tecla “Espacio” para que el sensor efectúe la medida. Abrimos la llave nuevamente y así sucesivamente. Hay que tener en cuenta que la primera medida ha de hacerse sin añadir nada. Si se quiere, se puede añadir a la disolución ácida del vaso una gota de disolución de fenolftaleína, para correlacionar la valoración visual y la instrumental. En el caso de la valoración del ácido fosfórico, resulta que necesitamos aproximadamente 30 ml de disolución, con lo que si la bureta es de 25 ml la tendremos que volver a llenar. Ello, no obstante, no plantea ningún problema con el sistema de captación que tenemos programado.



Comentarios al análisis de datos

Para poder determinar con precisión el volumen de disolución básica y el valor del pH que corresponden al punto de inflexión de la curva, será muy útil emplear la opción “Representación/Niveles”, tanto en la curva obtenida directamente de las medidas del sensor como en la derivada de la misma. En el caso del CH3COOH el pH del punto de equivalencia es un poco básico, ya que corresponde a una disolución de acetato de sodio. Por lo que respecta a la curva de valoración del ácido fosfórico, hay que resaltar que ha de tener más de un punto de equivalencia, por tratarse de un ácido poliprótico.

Química

Q10-1P

Valoración Ácido-Base de un ácido débil con una base fuerte

 •

Respuestas a las cuestiones planteadas La reacción es semejante a la de la experiencia anterior: CH3COOH + NaOH ⇒ CH3COOHNa + H2O , por tanto, las cantidades de sustancia del ácido y de la base han de ser iguales. Si partíamos de 10 ml de disolución 0,1M de ácido, teníamos: n = 0,1 mol/l · 0,01 l = 0,001 mol de CH3COOH Luego necesitábamos justamente 0,001 mol de NaOH. Como la disolución era también 0,1M, el volumen necesario era: V = 0,001 mol / 0,1 mol/l = 0,01 l = 10 ml de disolución de NaOH En el caso del ácido fosfórico, la reacción es: H3PO4 + 3 NaOH ⇒ Na3PO4 + 3 H2O , por tanto, la cantidad de sustancia de la base ha de ser el triple que la del ácido. Si partíamos de 10 ml de disolución 0,1M de ácido, teníamos: n = 0,1 mol/l · 0,01 l = 0,001 mol de H3PO4 Luego necesitábamos justamente 0,003 mol de NaOH. Como la disolución era también 0,1M, el volumen necesario era: V = 0,003 mol / 0,1 mol/l = 0,03 l = 30 ml de disolución de NaOH



Ejemplos de gráficas y resultados

La ventana ACETIC2 muestra la curva obtenida en una valoración de 10 ml de CH 3COOH, de concentración 0,1M, con NaOH 0,1M, a partir de un volumen 0, con incrementos de 1 ml y 25 medidas previstas.

Una vez detectado el volumen de equivalencia aproximado (unos 11 ml) se ha repetido la valoración de un modo más cuidadoso. En este caso, mostrado en la ventana ACETIC3, se han añadido 8 ml de hidróxido antes de comenzar la captura de los datos, y a partir de este punto se ha añadido la base en incrementos de 0,2 ml, con 40 medidas previstas.

Química

Q10-3P

Valoración Ácido-Base de un ácido débil con una base fuerte

En esta segunda curva se pueden buscar mejor los valores del volumen de base y de pH correspondientes al punto de equivalencia. Pero también se puede generar la derivada, mostrada en la ventana ACETIC3B, que indica más claramente el punto de inflexión de la curva.

el valor obtenido como volumen de equivalencia es 11,2 ml , lo que nos indica que la concentración inicial de ácido acético no era 0,1 M sino 0,112M. El valor del pH del punto de equivalencia es 8,5, un poco básico, ya que el ácido acético es débil, y no como en el caso de la experiencia anterior, donde con un ácido y una base fuertes el pH del punto de equivalencia era prácticamente neutro. Por lo que respecta al ácido fosfórico, en la curva se debían de obtener tres inflexiones, pero la tercera es tan suave que difícilmente se puede apreciar, como podemos ver en la ventana FOSFORI1. Esta corresponde a la curva de valoración de 10 ml de H 3PO4 aproximadamente 0,1M con NaOH 0,1M, en incrementos de 1 ml. Las dos primeras neutralizaciones se aprecian bien, mientras que la tercera no se detecta.

Química

Q10-3P

Valoración Ácido-Base de un ácido débil con una base fuerte

Se puede apreciar cómo los puntos de equivalencia corresponde a volúmenes prácticamente dobles (10,5 y 21 ml) a un pH de 4,6 y 8,7 respectivamente. La razón de que el tercer punto de equivalencia no se aprecie es que el valor de la constante de acidez del ión HPO42- es sumamente pequeña (Ka3 = 2,1·10-13), mientras que las de las otras dos constantes eran mayores (Ka1 = 7,6·10-3 y Ka2 = 6,2·10-8). Se ha repetido la valoración añadiendo 8 ml de hidróxido antes de comenzar la captura de los datos, y a partir de este punto se ha añadido la base en incrementos de 0,2 ml, como se ve en la ventana FORFOR2.

Ha resultado un volumen de equivalencia de 10,5 ml.



Respuestas a las sugerencias de ampliación •

Q10-4P

Como antes hemos calculado, en los 11,2 ml de NaOH que han sido necesarios para la neutralización había 0,00112 mol de NaOH, y ello nos indica que se han producido 0,00112 mol de acetato de sodio. Omo el volumen es de 21,2 ml, la concentración resulta ser 0,053M.

Química

Valoración Ácido-Base de un ácido débil con una base fuerte

Si consideramos que el ión acetato es la base conjugada de un ácido débil, tendrá carácter básico y se disociará del siguiente modo: CH3COO- + H2O ⇒ CH3COOH + OH[ini] 0,053 [fin] 0,053-x x x En el punto de equivalencia la concentración de iones acetato es 0,053. Este ión, de carácter básico, captura un protón del agua, de acuerdo con la reacción anterior. Como el pH que hemos medido en el punto de equivalencia es 8,5, el pOH es 5,5 y la concentración de iones OH- correspondiente, es decir, el valor de x resulta 3,16·10 -6, con lo que se ha de cumplir que: Kb = x2/(0.053-x) = 1,88·10-10, que corresponde a una constante de acidez del ácido acético de 5,3·10-5

Química

Q10-5P

Q11 VALORACIONES ÁCIDO-BASE DE PRODUCTOS DOMÉSTICOS Tema(s) Ácidos y bases Tiempo estimado 45 minutos



Objetivo

Utilizar materiales domésticos para, a partir de sus curvas de valoración, deducir el tipo de ácido o base que tienen disuelto, así como su concentración.



Material necesario

Equipamiento ExAO Productos químicos y reactivos

Material general de laboratorio



           

Interface Sensor de pH Hidróxido de sodio Ácido clorhídrico Coca-cola Limpiador amoniacal Bureta Pipeta de 10 ml Vaso de precipitados de 100 ml Agitador magnético Soporte, con dos nueces y dos pinzas Hornillo y rejilla

Información inicial

El realizar experiencias relacionadas con las valoraciones ácido-base con sustancias del laboratorio resulta interesante, pero aún lo es más el utilizar materiales de uso cotidiano. Aún así, se pueden extraer conclusiones sobre las propiedades de las substancias que han participado en la reacción.

EXPERIENCI 

Preparación 

Montaje general

El montaje que hay que realizar es el mismo que el de las experiencias anteriores de ácidos y bases. Para valorar vamos a utilizar NaOH y HCl. Por tanto, para esta experiencia prepararemos:

Química

Q11-1

Valoración Ácido-Base de Productos Domésticos

• • 

Hidróxido de sodio 1M: 40 g de NaOH, agua hasta un volumen de 1 l. Ácido clorhídrico 1M: 81,2 ml de ácido concentrado comercial, agua hasta un volumen de 1 l. Recomendaciones de seguridad

No hay que tener especiales precauciones, además de las ya indicadas en las experiencias anteriores de ácidos y bases, para la valoración de la Coca-cola, pero dado que la valoración del limpiador amoniacal se realiza con HCl 1M, es decir, un ácido no muy diluido, habrá que tener más cuidado. 

Calibración de los sensores

Igualmente, habrá que seguir las instrucciones detalladas en las experiencias anteriores de ácidos y bases. 

Parámetros de la captación

Respecto a la captación, cabe decir lo mismo. No difiere en nada a la programada en las experiencias anteriores de ácidos y bases. Únicamente cabe decir que en la valoración del limpiador amoniacal, dado el carácter básico de éste, utilizaremos ácido clorhídrico, por lo que habrá que indicarlo así en el campo correspondiente al nombre de la magnitud que va en el eje x.



Desarrollo

En el caso de la Coca-cola, para comprobar el efecto del ácido carbónico antes citado, empezaremos por verter 40 ml, medidos con una probeta, de Coca-cola sacados directamente de una lata recién abierta en el vaso de precipitados. Una vez introducida la sonda de pH en el vaso sujeta por una pinza, se programa la adquisición discreta con un valor inicial de 0 ml y un incremento de 0,5 ml, y se siguen los pasos descritos en las experiencias anteriores de ácidos y bases. A continuación repetiremos la valoración, pero con 50 ml de Coca-cola hervida previamente, y con más cuidado, con incrementos de NaOH de 0,1 ml. Por lo que respecta al limpiador amoniacal, vamos a realizar una única valoración de 10 ml vertidos en un vaso de precipitados donde previamente había otros 10 ml de agua, con HCl 1M, sin diluir, con un valor inicial de 0 ml y un incremento de 1 ml.



Análisis de datos

En el caso de la Coca-cola, acabada la primera valoración se obtiene la gráfica del pH de la disolución en función del volumen de disolución básica añadida. Viendo que el pH de partida es 2,8 y dada la forma de la curva de valoración, en la que se aprecian bien dos puntos de inflexión, se puede deducir que en la Coca-cola hay un ácido débil poliprótico. La segunda valoración más cuidadosa (y sin ácido carbónico) nos permitirá realizar cálculos. Por lo que respecta al limpiador amoniacal, obtenemos la gráfica del pH de la disolución en función del volumen de disolución ácida añadida. En ella se aprecia que el pH de partida es de11, básico, y que el pH del punto de equivalencia es ácido, por lo que nos encontramos con que se trata de la valoración de una base débil con un ácido fuerte. Química

Q11-3

Valoración Ácido-Base de Productos Domésticos

Una vez acabada la toma de medidas, para resaltar el punto de inflexión, puede resultar conveniente hacer la derivada de la curva mediante la opción “Útiles/Derivada”.  • •

Química

Cuestiones y preguntas Hágase el cálculo de la concentración de ácido fosfórico en la Coca-cola. Hágase el cálculo de la concentración de amoníaco en el limpiador.

Q11-3

Q11-P VALORACIONES ÁCIDO-BASE DE PRODUCTOS DOMÉSTICOS 

Comentarios generales

Los comentarios que caben hacer son los mismos que se han hecho en las experiencias anteriores de ácidos y bases. Pero sí hay una particularidad en la valoración de la Coca-cola. Es evidente, por las burbujas, que ésta tiene dióxido de carbono disuelto, es decir, ácido carbónico, y la presencia de este ácido, además de modificar el resultado de la valoración del otro ácido presente, resulta cambiante, su concentración varía con el tiempo que lleve abierto el recipiente, con la espuma que se haya producido al verterla... Por tanto las medidas son cambiantes. Podemos evitar este inconveniente eliminando el ácido carbónico. Para ello hemos de hacer hervir la Coca-cola, pero sólo durante un par de minutos de suave hervor, para evitar que se evapore una cantidad de agua que haga variar significativamente la concentración.



Comentarios a la experiencia

Parece conveniente disponer de Coca-cola ya hervida y enfriada (si no queremos tener que utilizar la sonda de compensación de temperatura) guardada en un recipiente. Así, si algo sale mal, podríamos repetir la experiencia. Por lo demás, los comentarios que se pueden hacer son los mismos que se han hecho ya en las experiencias anteriores de ácidos y bases.



Comentarios al análisis de datos

Como en las experiencias anteriores de ácidos y bases, para poder determinar con precisión el volumen de disolución básica y el valor del pH que corresponden al punto de inflexión de la curva, será muy útil emplear la opción “Representación/Niveles”, tanto en la curva obtenida directamente de las medidas del sensor como en la derivada de la misma. Vista la curva de valoración que se obtiene para la Coca-cola y comparada con la que se ha obtenido en la experiencia anterior con el ácido fosfórico, se puede deducir que ese es el ácido presente en la Coca-cola, que si bien debería tener tres puntos de equivalencia, por tratarse de un ácido triprótico, como hemos visto antes no se le aprecian más que dos, dado el carácter demasiado débil del tercer protón. Las curvas resultan semejantes, aunque no coincidentes, ya que los valores del pH de los puntos de equivalencia no tienen por qué coincidir, puesto que además de la constante de acidez dependen también de la concentración, y ésta no es la misma en ambos casos. Por lo que respecta al limpiador amoniacal, nos encontramos ante la curva de la valoración de una base débil con un ácido fuerte  •

Química

Respuestas a las cuestiones planteadas De acuerdo con los resultados obtenidos en la segunda valoración, si han sido necesarios 3,0 ml de NaOH 0,1M (es decir, 0,0003 mol de NaOH) para alcanzar el primer punto de

Q11-1P

Valoración Ácido-Base de Productos Domésticos

•



equivalencia, ello indica que hay 0,0003 mol de ácido fosfórico en los 50 ml de Cocacola, con lo que la concentración es 0,006M. De acuerdo con los resultados obtenidos en la valoración, si han sido necesarios 22,5 ml de HCl 1M (es decir, 0,0225 mol de HCl) para alcanzar el punto de equivalencia, ello indica que hay 0,0225 mol de amoníaco en los 10 ml de líquido limpiador, con lo que la concentración es 2,25M.

Ejemplos de gráficas y resultados

La ventana COCA1 muestra primera valoración propuesta para la Coca-cola.

La curva muestra una inflexión clara a 2,5 ml y otra a 13,9 ml, correspondientes a unos pH de 4,3 y 8,2. Dichos puntos se resaltan sise emplea la opción “Útiles/Derivada”, como se ve en la ventana COCA1B.

Caso de repetir la valoración, el primer punto de inflexión aparece en el mismo lugar, pero el segundo puede cambiar notablemente (por ejemplo, puede estar a 16 ml), debido a la diferente cantidad de ácido carbónico que hay en el líquido, como antes se ha comentado.

Química

Q11-3P

Valoración Ácido-Base de Productos Domésticos

El que el primer punto de inflexión no cambie se debe a que éste sólo depende de la concentración de ácido fosfórico, ya que la constante de acidez del ácido fosfórico (en la primera ionización) es 104 veces mayor que la del ácido carbónico. Sin embargo, la constante del ión H2PO4- es 10 veces menor que la del ácido carbónico, con lo que la concentración de éste influye mucho en el segundo punto de inflexión. Para evitar estos problemas hemos eliminado el ácido carbónico antes de hacer una segunda valoración. El resultado se muestra en la ventana COCBU2, y con su correspondiente derivada en COCBU2B.

La primera neutralización se ha conseguido con 3,0 ml de base, con un pH de 4,3, y la segunda a un volumen de 8,0 ml y a un pH de 8,1. Vemos que el volumen de la segunda baja notablemente, como era de esperar al eliminar el ácido carbónico. Por lo que respecta al limpiador amoniacal, la ventana AMONI1 muestra la curva obtenida, y la ventana AMONI2 la misma con su correspondiente derivada.

Química

Q11-3P

Valoración Ácido-Base de Productos Domésticos

En ella se aprecia que la neutralización se consigue con un volumen se 22,5 ml de HCl 1M, y que el valor del pH en el punto de equivalencia es de 4,8.

Q11-4P

Química

Q12 CALENTAMIENTO Y CAMBIO DE ESTADO EN EL AGUA Tema(s) Termoquímica Tiempo estimado 45 minutos



Objetivo

Comprobar que el aumento de temperatura de una substancia es proporcional a la energía suministrada y que la temperatura no cambia durante los cambios de estado, así como calcular el calor específico y la entalpía de vaporización a partir de la curva de calentamiento.



Material necesario

Equipamiento ExAO Material general de laboratorio

     



Interface Sensor de temperatura Vaso de precipitados de 500 ml Probeta de 250 ml Resistencia calefactora de inmersión, de unos 250 w Agitador magnético

Información inicial

Al analizar la curva de calentamiento del agua a lo largo del tiempo se observan dos intervalos claramente definidos que corresponden al aumento de temperatura anterior al cambio de estado y a la constancia de la temperatura durante el mismo. Del análisis detallado de la curva se puede deducir el valor de tanto el calor específico como de la entalpía de vaporización.

EXPERIENCI 

Preparación 

Montaje general

Es sumamente sencillo. Basta con verter 250 ml de agua (medidos con una probeta) en un vaso de precipitados de 500 ml, y colocar una resistencia calefactora de inmersión, de unos 250 w, en su interior.

Química

Q12-1

Calentamiento y cambio de estado en el agua



Recomendaciones de seguridad

No hay recomendaciones especiales. Únicamente, tal vez, hay que cuidar de que la resistencia calefactora no quede enchufada cuando la saquemos del agua y tener cuidado de no quemarse con el agua hirviendo. 

Calibración de los sensores

No es necesaria una calibración especial del sensor de temperatura. Únicamente, si observamos que el desajuste es muy grande (si vemos que el agua no hierve a 100 °C), podemos aprovechar que en la práctica se va a utilizar agua en ebullición para calibrarlo, colocando el visor encima del módulo de temperatura. 

Parámetros de la captación

Se ha de programar una captación general en modo PC. Si la resistencia calefactora es de 250 w y la cantidad de agua es de 250 ml, la duración del calentamiento y la ebullición para que se evapore la cantidad conveniente de agua es de unos 20 minutos. Naturalmente, esta duración cambia si tenemos un calefactor diferente o si empleamos otra cantidad de agua. Por tanto, programaremos un intervalo de tiempo total de 20 minutos y toma de muestras cada segundo. Con este tipo de captación tendremos toda la gráfica en la pantalla.



Desarrollo

Se introduce el sensor de temperatura dentro del agua y se da comienzo a la captación. Al cabo de unos segundos se conecta el calefactor. Se deja el sistema en funcionamiento hasta que empiece a bullir y entonces se deja en ebullición durante unos 5 minutos, para conseguir que se evapore una cantidad de agua apreciable. Entonces se desenchufa el calefactor y se pulsa la tecla “Esc” para que termine la adquisición de datos. A continuación se deja enfriar el líquido un poco y se mide su volumen con una probeta, para determinar la cantidad de agua evaporada.



Análisis de datos

Acabada la captación se obtiene la gráfica de la temperatura del agua en función del tiempo. Mediante la opción “Representación/Niveles” se miden la temperatura inicial y la de ebullición, así como la duración del calentamiento y de la ebullición. A partir de los datos anteriores y de la cantidad de agua evaporada (calculada midiendo el volumen final de agua) hay que calcular el calor específico del agua y la entalpía de vaporización (o calor latente de vaporización). En estos cálculos no se va a tener en cuenta la capacidad calorífica del vaso, ni la del calefactor ni la del sensor, que podemos considerar pequeñas en relación a la cantidad de agua (relativamente importante) con lo que los resultados no serán muy exactos.



Cuestiones y preguntas

• ¿Cómo se justifica que la temperatura permanece constante mientras se produce la ebullición del líquido?

Química

Q12-3

Calentamiento y cambio de estado en el agua



Sugerencias de ampliación • •

Química

Calcular de un modo simple el calor específico del agua y la entalpía de vaporización. Repetir los cálculos teniendo en cuenta la evaporación del agua al acercarnos a la temperatura de ebullición.

Q12-3

Q12-P CALENTAMIENTO Y CAMBIO DE ESTADO DEL AGUA 

Comentarios generales

La experiencia se va a realizar sin calorímetro. Esto tiene ventajas e inconvenientes. El inconveniente más grave es el error que se introduce a priori en el experimento y el hecho de obviar el trabajo cuidadoso con calorímetros y la medida de su constante. Las ventajas parecen compensar estos inconvenientes. Si ignoramos el efecto del vaso y las sondas así como las pérdidas de energía, podemos centrar la atención en los detalles físicos y químicos de los fenómenos que se estudian y reducir de una forma muy considerable la duración de la experiencia. Como al final los resultados son aceptables parece que estas aproximaciones pueden ser toleradas. Si no tenemos seguridad en cuanto a la duración de la experiencia (si se hace por primera vez, por ejemplo), más vale programar una captación automática, ya que si programamos la captación general no es posible prorrogar el tiempo de adquisición de datos si el que se ha definido resulta insuficiente. Por el contrario, con la captación automática mientras se toman las medidas solamente podremos ver en pantalla los últimos 250 datos, y no dispondremos de todos hasta que acabe la captación, mientras que con la captación general tendremos toda la gráfica en la pantalla y podremos ir discutiendo algunas características de la curva mientras se hacen las medidas.



Comentarios a la experiencia

Es conveniente agitar el agua con un agitador magnético para mantener la temperatura uniforme dentro del líquido. Es importante para el resultado de la experiencia el que el calefactor esté desenchufado cuando termina la captación. Puede ser interesante repetir la experiencia con 100 ml de agua en un vaso de 250 ml, para poder observar así que la masa influye en la pendiente de la curva de calentamiento, que el aumento de temperatura en un tiempo determinado es inversamente proporcional a la masa de agua.



Comentarios al análisis de datos

Puede resultar un poco difícil determinar cuándo ha empezado a bullir el líquido, ya que cuando la temperatura se acerca a la de ebullición la curva de calentamiento es muy suave. Hay que destacar que la temperatura aumenta proporcionalmente al tiempo de calentamiento, es decir, a la cantidad de energía suministrada, y que la temperatura no aumenta mientras el agua está bullendo. Pero una observación más detallada de la curva obtenida nos permitirá apreciar detalles más sutiles. Fundamentalmente, que la curva de calentamiento sólo es lineal en su primer tramo. Al hacer el experimento se ve a simple vista que a partir de 80 °C la evaporación de agua es considerable. Esto ocasiona que la energía suministrada al agua provoque un menor aumento de temperatura a partir de ese momento, ya que una parte se consume en evaporar el agua. En la gráfica esto se traduce en que la pendiente es más suave cuando la temperatura se acerca al punto de ebullición (por eso cuesta determinar con exactitud cuándo empieza a bullir el líquido). Cuando se llega al punto de ebullición toda la energía suministrada se invierte en evaporar el agua. Habrá que tener en cuenta este hecho a la hora de hacer los cálculos. Química

Q12-1P

Calentamiento y cambio de estado del agua

Los resultados obtenidos están en el siguiente apartado.

 •

Respuestas a las cuestiones planteadas

Cuando calentamos un líquido, la energía que éste recibe hace que aumente la velocidad de vibración de sus partículas, cuyo valor medio viene dado por la temperatura. Cuando el líquido llega a su temperatura de ebullición, la agitación térmica de sus partículas es tal que consigue vencer las fuerzas de atracción que hay entre las mismas, y el líquido se convierte en gas a lo largo de todo su volumen. La energía que se suministre al líquido a partir de ahí no hará aumentar más la velocidad de vibración, la temperatura, sino que hará que más partículas se “liberen” de las fuerzas de atracción y pasen a estado gaseoso. La temperatura permanece por eso constante mientras dura la ebullición.



Ejemplos de gráficas y resultados

La ventana AIGUA2 muestra la variación de la temperatura a lo largo del tiempo de 250 ml de agua, partiendo de T0 = 18 °C, contenidos en un vaso de 500 ml, con una resistencia calefactora de 250 w.

Se observa perfectamente la disminución de la pendiente al acercarnos al punto de ebullición. El tiempo transcurrido hasta empezar la ebullición es aproximadamente de unos 425 s. Por otro lado, medido el volumen de agua final, ha resultado que se han evaporado 94 g de agua. Para poder estudiar la zona de calentamiento donde no hay una evaporación significativa, se ha hecho un zoom (mediante la opción “Representación/Zoom”) ente las temperaturas de 22 y 53 grados, que se aprecia en la ventana AIGUA2B.

Química

Q12-3P

Calentamiento y cambio de estado del agua

Luego se ha calculado la función aproximada mediante la opción “Útiles / Aproximar función”, y el valor de la pendiente obtenido ha sido 0,236.

 •

Respuestas a las sugerencias de ampliación

Mediante cálculos sencillos, podemos decir que la energía suministrada al agua durante el calentamiento ha sido: Q = P·t = 250 w·425 s = 106.250 J Dado que la energía suministrada es igual a m·c·∆T , tenemos: c = Q / m·∆T = 106.250 / 0,25·(100-18) = 5.183 J/kg°C El valor del calor específico del agua es de 4.200 J/kg°C, por lo que vemos que el cálculo es bastante erróneo. Igualmente, por lo que respecta al calor latente de vaporización, si consideramos que los 94 g de agua (5,22 mol) evaporados lo han hecho desde los 425 s hasta los 1200 s, la energía suministrada para la evaporación ha sido: Q = P·t = 250·(1200-425) = 193.750 J Dado que la energía suministrada es igual a L·∆n , tenemos: L = Q / ∆n = 193.750 / 5,22 = 37.117 J/mol El valor del calor latente de vaporización del agua es de 40.600 J/mol , por lo que vemos que la diferencia sigue siendo notable.

•

Ahora bien, teniendo en cuenta, como antes se ha explicado, que conforme nos acercamos al punto de ebullición una parte de la energía suministrada se consume en evaporar agua, y aprovechando la zona de la curva en que esto no ocurre, tenemos que la pendiente de esa recta sería: Q = P·t = m·c·∆T = m·c·(T-T0) ⇒ T = T0 + (P/m·c)·t Como la pendiente obtenida en la ventana AIGUA2B era 0,236, el valor del calor específico resulta: 0,236 = P/m·c ⇒ c = 250/0,25·0,236 = 4.237 J/kg°C Vemos que se obtiene un valor más que aceptable. En cuanto al calor latente de vaporización, si tomamos el experimento en su totalidad, tenemos que la energía suministrada se ha utilizado en: Q = P·t = m·c·∆T + L·∆n Sustituyendo todos los datos y despejando L se obtiene 40.300 J/mol, un valor mucho más cercano al real.

Química

Q12-3P

Q13 CALORES DE REACCIÓN. VALORACIONES TERMOMÉTRICAS Tema(s) Termoquímica Tiempo estimado 30 minutos



Objetivo

Medir la energía liberada en una reacción ácido-base y comprobar que sólo se libera energía mientras existe reacción.



Material necesario

Equipamiento ExAO Productos químicos y reactivos Material general de laboratorio



         

Interface Sensor de pH Sensor de temperatura Hidróxido de sodio Ácido clorhídrico Bureta Pipeta de 20 ml Vaso de precipitados de 100 ml Agitador magnético Soporte, con dos nueces y dos pinzas

Información inicial

En una reacción ácido-base se libera energía mientras dura la reacción, es decir, antes del punto de equivalencia. Cuando se ha superado el punto de equivalencia ya no se libera energía. Por tanto, una inflexión en el aumento de la temperatura nos indica que hemos llegado al punto de equivalencia de una reacción ácido-base. La medida de la temperatura se puede emplear para determinar el punto final de la valoración.

EXPERIENCI 

Preparación 

Montaje general

El montaje es el mismo que el descrito para las valoraciones ácido-base. La única diferencia estriba en que en este caso hay que colocar el sensor de temperatura dentro del vaso de precipitados.

Química

Q13-1

Calores de reacción. Valoraciones termométricas.

En cuando a las disoluciones que hay que preparar para esta experiencia: • Hidróxido de sodio 1M: 40 g de NaOH, agua hasta un volumen de 1 l. • Ácido clorhídrico 1M: 81,2 ml de ácido concentrado comercial, agua hasta un volumen de 1 l. 

Recomendaciones de seguridad

Vamos a trabajar con disoluciones un poco concentradas. Por tanto, hay que evitar a toda costa las salpicaduras a los ojos. Hay que tener las precauciones usuales en la utilización de pipetas. Esencialmente: JAMÁS SE HA DE PIPETEAR DIRECTAMENTE UNA DISOLUCIÓN CONCENTRADA, HAY QUE EMPLEAR UNA PERA O UNA JERINGA ESPECIAL PARA ACOPLAR A LAS PIPETAS. Quien haya de preparar las disoluciones a partir de los ácidos concentrados comerciales, ha de ir aún con más cuidado. En caso de que se produzcan salpicaduras en los ojos, lo primero que hay que hacer es lavar con agua muy abundante y después ir al médico. Si se salpica la piel y es lavada rápidamente con agua, posiblemente no sea necesario nada más. 

Calibración de los sensores

Es igual que la descrita para las valoraciones ácido-base . 

Parámetros de la captación

Son iguales que los descritos para las valoraciones ácido-base. Únicamente habrá que indicar que la magnitud del eje x es: Volumen_HCl_1M (nótese que no se pueden poner espacios), que el volumen inicial es 0 y que los incrementos van a ser de 0,5 ml.



Desarrollo

Vamos a realizar una valoración de 20 ml NaOH 1M con HCl 1M, mientras medimos la temperatura en todo momento. Por tanto, el procedimiento a seguir es el descrito para las valoraciones ácido-base. Se vierten 20 ml de NaOH 1M en el vaso, mientras que en la bureta tenemos HCl 1M. Se colocan los sensores de pH y de temperatura y se da comienzo a la captación discreta, partiendo de 0 ml y con incrementos de 0,5 ml. Cuando hayamos acabado, podemos pulsar la tecla “Esc” para parar.



Análisis de datos

Acabada la captación se obtiene la gráfica del pH de la disolución y de la temperatura en función del volumen de disolución ácida añadida. La temperatura subirá mientras haya reacción, es decir, hasta el punto d equivalencia. A partir de ese momento la temperatura bajara, porque estamos añadiendo más disolución ácida fría. Una vez determinado el punto de inflexión (punto de equivalencia), se recoge la temperatura asociada al mismo y se calcula la energía que se ha desprendido en la reacción, la energía que ha absorbido la disolución.

Química

Q13-3

Calores de reacción. Valoraciones termométricas.



Sugerencias de ampliación •

Química

Realizar la medida del calor de reacción en alguna otra reacción ácido-base para comprobar si éste depende de las substancias en cuestión o de la reacción simple de neutralización de los protones de ácido con los iones hidróxido de la base: H +(aq) + OH-(aq) ⇒ H2O (l)

Q13-3

Q13-P CALORES DE REACCIÓN. VALORACIONES TERMOMÉTRICAS 

Comentarios generales

Las recomendaciones son las mismas que hemos dado para las valoraciones ácido-base. Si se encuentra, es mejor utilizar un vaso de poliestireno expandido en lugar del vaso de vidrio, para minimizar las pérdidas de calor.



Comentarios a la experiencia

Las recomendaciones son las mismas que hemos dado para las valoraciones ácido-base. Es necesario que las disoluciones que han de reaccionar estén a la misma temperatura antes de empezar la experiencia, lo que exige que hayan sido preparadas con bastante antelación.



Comentarios al análisis de datos

Se podría determinar la variación de temperatura a lo largo de la valoración sin emplear la sonda de pH, simplemente comparando la temperatura inicial con la máxima temperatura alcanzada en la valoración. Pero como la gráfica muestra algunas irregularidades es mejor emplear también la sonda de pH. Para poder determinar con precisión el volumen de disolución básica y el valor del pH que corresponden al punto de inflexión de la curva, será muy útil emplear la opción “Representación/Niveles”. Vamos a suponer que la densidad de la disolución es la del agua, 1 g/ml (si se quiere mayor exactitud se puede pesar la disolución), y que su calor específico es el del agua, 4.180 J/kg°C.



Ejemplos de gráficas y resultados

La ventana NACL1 muestra las curvas obtenidas para el pH y para la temperatura en una valoración de 20 ml de NaOH, de concentración 1M, con HCl 1M, a partir de un volumen de 0 ml y con incrementos de 0,5 ml. La temperatura inicial era de 19,1 °C.

Química

Q13-1P

Calores de reacción. Valoraciones termométricas.

El punto de equivalencia resulta ser a 21,4 ml, y la temperatura correspondiente 24,9 °C. A partir de ese momento la temperatura baja lentamente, con lo que se comprueba que únicamente se libera calor mientras dura la reacción. Podemos ya calcular la energía absorbida por la disolución, según la expresión: Q = m·c·∆T La disolución tiene en ese momento un volumen de 41,4 ml (20 ml de la base y 21,4 ml del ácido), y si le suponemos la densidad del agua (1 g/ml), tiene 41,4 g de masa. Si consideramos que su calor específico es también el del agua (4.180 J/kg°C), tenemos: Q = 0,0414·4.180·5,8 = 1.004 J Dicha energía se ha liberado en la reacción de 20 ml de NaOH 1M con clorhídrico, por lo tanto había 0,02 mol de NaOH, y se han producido 0,02 mol de NaCl, según la reacción: NaOH + HCl ⇒ NaCl + H2O Luego el calor de reacción molar será: 1.004 J / 0,02 mol = 50.200 J / mol El valor en tablas es de 57.000 J / mol. La diferencia se debe a las pérdidas de energía por el calentamiento del vaso y de los sensores.



Respuestas a las sugerencias de ampliación •

Química

La comprobación indicada se puede hacer neutralizando 20 ml de NaOH 1M con H 2SO4 2M. La temperatura inicial era de 18,8 °C. La curva del pH de la disolución y de la temperatura en función del volumen de disolución ácida añadida se muestra en la ventana SULFNA. En ella se ve que la neutralización ha tenido lugar con 5,3 ml de ácido y a una temperatura de 28,6 °C.

Q13-3P

Calores de reacción. Valoraciones termométricas.

Calculando la energía liberada en esta reacción del mismo modo que antes resulta ser de 1.036J, lo que da un calor de reacción molar de 51.900 J / mol. Vemos, por tanto, que el resultado es prácticamente el mismo, aún tratándose de un ácido diferente. La misma valoración termométrica, sin emplear la sonda de pH, se muestra en la ventana SULFNA1.

El aumento de temperatura resulta ser en este caso de 9,2 °C (antes ha resultado ser de 9,8 °C). Es más difícil determinar el punto de equivalencia para conocer el volumen añadido de ácido y poder calcular el calor de reacción.

Química

Q13-3P

Q14 REACCIONES ENDOTÉRMICAS Y EXOTÉRMICAS Tema(s) Termoquímica Tiempo estimado 30 minutos

 Objetivo • •

Constatar que algunas reacciones son endotérmicas y otras exotérmicas Medir aproximadamente la energía liberada o absorbida en este tipo de reacciones.

 Material necesario Equipamiento ExAO Productos químicos y reactivos

Material general de laboratorio

         

Interface Sensor de temperatura Solución de ácido cítrico (H3C6H5O7) Bicarbonato sódico (NaHCO3) Ácido clorhídrico (HCl) Magnesio, Mg Probeta de 50 mL Balanza Vaso de precipitados de 250 ml Taza de poliestireno (blanco) aislante del calor.

 Información inicial Algunas reacciones químicas liberan energía cuando se producen. Estas reacciones que liberan energía se denominan exotérmicas. Otras reacciones, en cambio, absorben energía del medio en el que se realizan y reciben el nombre de endotérmicas. En la presente experiencia se estudiará una reacción exotérmica y una endotérmica. En la primera parte, se estudiará la reacción entre el ácido cítrico y el bicarbonato sódico. La ecuación de dicha reacción es la siguiente: H3C6H5O7(ac)+ 3 NaHCO3(s) 3 CO2(g) + 3 H2O (l) + NaC6H5O7(ac) En la segunda parte se estudiará la reacción entre el magnesio metal y el ácido clorhídrico. la ecuación de esta reacción es la siguiente: Mg(s) + 2 HCl(ac)  H2(g) + MgCl2(ac)

EXPERIENCI Química

Q14-1

Reacciones endotérmicas y exotérmicas

 Preparación 

Montaje general

No se requiere de ningún montaje especial. Meteremos el sensor de temperatura en la taza de poliestireno y ambos dentro de un vaso de precipitados. Ver figura.



Recomendaciones de seguridad

• Tened precaución con las disoluciones que se van a manejar. El ácido clorhídrico es cáustico, y se debe evitar que caiga en la piel o en la ropa. Trabajad con bata de laboratorio y guantes en todo momento. En caso de producirse algún accidente, notifícalo inmediatamente al profesor. • El magnesio es un sólido altamente inflamable, por tanto, no acercar a ninguna llama o cualquier otro foco calorífico intenso en su manipulación. • No inhaléis los vapores que se desprenden de la reacción del ácido clorhídrico con el magnesio. 

La interface y los sensores

•

Alimenta la interface con la fuente de alimentación o bien con la pila (ver el apartado “Modos de alimentación de la interface” del Manual de utilización del equipo), conéctala al ordenador por medio del cable serie y enciéndela. Para mayor información consulta el apartado “Instalación y funcionamiento/Montaje y comprobación” del Manual de utilización del equipo.

•

Conecta el sensor temperatura en la vía A. 

Parámetros de la captación Tipo Duración Tiempo de muestreo Comienzo

General 300 s 500 ms tecla

 Desarrollo 1. Realiza el montaje de la figura del apartado “montaje general”.

Química

Q14-3

Reacciones endotérmicas y exotérmicas

2. Añade en la taza de poliestireno 30 mL de una disolución de ácido cítrico. Introduce el sensor de temperatura dentro de la taza. 3. Ejecuta el programa general de captación y análisis y selecciona la opción “Captación/Modo PC/General”. Para la captación, selecciona el sensor temperatura (si hay más sensores conectados). Introduce los parámetros definidos en la sección de este manual “Experiencia/Parámetros de la captación” y pulsa el botón [Aceptar]. 4. Pulsa una tecla cualquiera del ordenador (por ejemplo, [Space]), con el fin de que la captación comience. Transcurridos unos 20 segundos, añade al ácido cítrico 10 g de bicarbonato sódico. Remueve bien la mezcla para que sea homogénea. 5. Continúa la captación hasta que la temperatura vuelva de nuevo a estabilizarse. Para finalizar la captación, esperar a que pase el tiempo definido como duración o bien pulsar la tecla [ESC]. 6. Cuando finalice la captación, pulsa la opción “Ventana/Cambiar nombre” e identifica la experiencia, por ejemplo, con el texto “Reacción entre ácido cítrico y bicarbonato sódico”. 7. Guarda el contenido de la ventana de captación (opción “Archivo/Guardar archivo de captación”

) en un archivo que puedes llamar RE_TER_1.SDX.

8. Si quieres puedes imprimir la curva, activando la opción “Archivo/Imprimir ventana” ( )o bien la tabla de datos, activando la opción “Captación/Exportar o imprimir datos/Imprimir”. 9. Para la segunda parte, echa el contenido de la taza de poliestireno y enjuaga el interior en agua. Añade en la taza 30 mL de ácido clorhídrico e introduce el sensor de temperatura en el interior. Ten en cuenta las medidas de seguridad a las que nos hemos referido en el apartado correspondiente. 10. Vuelve a definir en el programa otra captación con los mismos parámetros. Tienes dos opciones: seleccionar la opción “Captación/Repetir captación” ( ) o bien seguir los pasos del apartado 3. 11. Pulsa una tecla cualquiera del ordenador para comenzar la captación. NOTA: deben pasar por lo menos 45 segundos desde que se coloca el sensor de temperatura en la taza y el comienzo de la captación. 12. Obtén una pieza de magnesio que te dará el profesor. Pasados unos 20 segundos desde el comienzo de la captación, echa la pieza de magnesio en la taza y observa en la pantalla del ordenador lo que ocurre con la temperatura. 13. Para finalizar la captación, esperar a que pase el tiempo definido como duración o bien pulsar la tecla [ESC]. Cuando finalice la captación, pulsa la opción “Ventana/Cambiar nombre” e identifica la experiencia, por ejemplo, con el texto Reacción ácido clorhídrico y magnesio. 14. Guarda el contenido de la ventana de captación (opción “Archivo/Guardar archivo de captación”

) en un archivo que puedes llamar RE_TER_2.SDX

 Análisis de datos 1. Si no lo tienes en pantalla, recupera el archivo RE_TER_1.SDX (opción “Archivo/Abrir archivo de captación (SDX)”

Química

)

Q14-3

Reacciones endotérmicas y exotérmicas

2. Con el zoom ( ), puedes seleccionar la parte de la gráfica que quieres ver con más detalle. 3. Con la ayuda de las herramientas del programa, calcula los valores de la temperatura inicial y final y apúntalos en la tabla del final de esta sección, así como la diferencia de temperatura entre estos instantes. Una forma de calcular estos dos valores es seleccionando la opción “Útiles/Valores singulares”. Se creará otra ventana en donde aparecerán los valores máximo, mínimo y medio de la temperatura. El valor máximo es el inicial y el mínimo el final. Otra opción es seleccionar la opción “Representación/Niveles” ( ) y elegir el icono correspondiente al sensor de temperatura. Saldrá una recta horizontal a través de la cual podemos calcular los valores de la temperatura inicial y final. Otra opción es imprimir la tabla de datos y tomar de ahí estos valores. 4. A la vista de los datos obtenidos, ¿se trata de una reacción exotérmica o endotérmica?. Explica la razón de tu elección. 5. Si no lo tienes en pantalla, recupera el archivo RE_TER_2.SDX (opción “Archivo/Abrir archivo de captación (SDX)”

)

6. Con el zoom ( ), puedes seleccionar la parte de la gráfica que quieres ver con más detalle. Con la ayuda de las herramientas del programa, calcula los valores de la temperatura inicial y final y apúntalos en la tabla del final de esta sección, así como la diferencia de temperatura entre estos instantes. 7. A la vista de los datos obtenidos, ¿se trata de una reacción exotérmica o endotérmica?. Explica la razón de tu elección. 8. Para ambas reacciones, apunta tres razones que sugieren que las reacciones químicas se han verificado. 9. ¿En cuál de los dos casos se verifica una mayor velocidad de reacción?. ácido cítrico + bicarbonato (ºC)

ácido clorhídrico + magnesio (ºC)

Temperatura final, tf Temperatura inicial, ti Cambio de temperatura, ∆t=tf-ti

 Sugerencias de ampliación Estudiar para reacciones conocidas si se trata de reacciones exotérmicas o endotérmicas.

Q14-4

Química

Q14-P REACCIONES ENDOTÉRMICAS Y EXOTÉRMICAS  • •

Información general

Instruya a sus estudiantes en el pesaje de los 10 g de bicarbonato sódico. Las disoluciones pueden ser preparadas como sigue:  Ácido cítrico 1,5M: 288,2 g de H 3C6H5O7 en 1 L de agua. Ha de tenerse cuidado en la manipulación porque es un producto que puede irritar los ojos.  Ácido clorhídrico 1M: 85,6 mL de de reactivo concentrado en 1 L de agua. El ácido clorhídrico es altamente tóxico en ingestión o inhalación y corrosivo si cae en la piel u ojos.

• •

Se recomienda tener el magnesio en tiras ya recortadas de 0,1 g. Se añade el vaso de precipitados a la taza de poliestireno porque le confiere mayor estabilidad y un mayor aislamiento calorífico. • Antes de comenzar la experiencia, compruebe que el sensor de temperatura no se encuentra descalibrado.

 Ejemplos de resultados

Temperatura final, tf Temperatura inicial, ti Cambio de temperatura, ∆t=tf-ti

Química

ácido cítrico + bicarbonato (ºC) 1,2 ºC 20,8ºC -19,6ºC

ácido clorhídrico + magnesio (ºC) 35ºC 21,1ºC 13,9ºC

Q14-1P

Reacciones endotérmicas y exotérmicas.



Respuestas del apartado “Análisis de datos”

1. La reacción del ácido cítrico con el bicarbonato es endotérmica porque la temperatura ha decrecido. Para tener lugar la reacción se ha debido tomar energía del entorno y se ha hecho en forma de calor. Por este motivo, la temperatura ha disminuido. 2. La reacción del ácido clorhídrico con el magnesio es exotérmica porque la temperatura ha aumentado. L tener lugar la reacción seha liberado energía que ha sido absorbida por el entorno en forma de calor y, en consecuencia, ha aumentado la temperatura. 3. Razones que evidencian que la reacción entre el ácido cítrico y el bicarbonato se ha realizado:  La temperatura ha decrecido  Ha desaparecido todo el bicarbonato  Se ha producido gas. Razones que evidencian que la reacción entre el ácido cítrico y el bicarbonato se ha realizado:  La temperatura ha aumentado  El magnesio ha desaparecido  Se ha producido gas. 4.

La mayor velocidad de reacción se verifica en la reacción entre el ácido clorhídrico y el magnesio, ya que alcanza la temperatura estable más rápidamente que la otra. Esta reacción alcanza la temperatura estable más o menos a los 80 segundos y la otra a los 205 segundos.

Química

Q14-106P

Q15 ENERGÍA CONTENIDA EN LOS ALIMENTOS Tema(s)

Termoquímica

Tiempo estimado

60 min

 Objetivo El objetivo de esta actividad de laboratorio es calcular la energía cedida cuando pequeños trozos de diferente tipo de alimentos son quemados.

 Material necesario Equipamiento ExAO

Material general de laboratorio

Productos químicos y reactivos

Software general de captación y análisis Sensor de Temperatura Balanza Base y varilla de sujeción. Bote, pequeño (para el calorímetro) Pinza de sujeción Bureta. Soporte. Probeta graduada. Aro (4 pulgadas). Tapón con orificio. Varilla agitadora (2). Agua fría. Alimentos (dos tipos diferentes), por ejemplo: • Gominolas. • Cacahuetes. • Anacardos • Palomitas. Cerillas. Tablilla de madera.

 Teoría Todas las actividades que realiza el cuerpo humano requieren energía, obtenida al quemar alimentos. Existe algunos patrones de comportamiento en las cantidades de energía cedida cuando algunos cuerpos son quemados. Cuando un cuerpo se quema y calienta una cantidad conocida de agua, la cantidad de calor cedida por el cuerpo es teóricamente igual a la cantidad de calor absorbida por el agua:

Química

Q15-1

Energía contenida en los alimentos.

Q es la cantidad de energía. m es la masa de agua. c es el calor específico del agua. ∆T es el cambio de temperatura del agua.

Q = m x c x ∆T

El calor especifico del agua es: C =1

julio caloria = 4.18 gramoº C gramoº C

 Cuestiones iniciales 1. ¿Cómo es, teóricamente, la energía cedida cuando un cuerpo es quemado para calentar agua y la energía absorbida por el agua?   

Mayor. Igual. Menor

2. Un bote, que contiene 0,5 litros agua, es calentado quemando unas gominolas. La temperatura inicial del agua era de 17ºC y está aumenta hasta 21ºC. ¿Cuál ha sido la cantidad de energía cedida por las gominolas?

EXPERIENCI  Preparación  Montaje general • • •

Aparte del montaje del equipo de toma de datos (indicado en el apartado “La interface y los sensores”) hay que hacer un montaje que se describe a continuación. Realiza dos agujeros en sitios opuestos en el bote de metal, de tal manera que una varilla de agitación pueda ser deslizada a través de dichos agujeros. Mide el peso del bote de metal vacío y guarda el valor del mismo en la sección Análisis de Datos / Tabla de Datos. Añade 50mL de agua fría en el bote y mide y guarda el peso del bote mas el agua en la sección Análisis de Datos / Tabla de Datos. • •

• • •

Peso del bote vacío = Peso del bote + agua =

g g

Monta la anilla en la varilla de sujeción. Sobre un soporte pon una tablilla de madera. Pon un trozo de comida encima de la tablilla. La tablilla debe permitir que un trozo de comida pueda ser alojado entre la parte inferior del Bote de metal y la mesa de trabajo, por lo cual la comida puede ser quemada libremente. Coloca el bote de metal aproximadamente 2,5cm por encima del trozo de comida ajustando la anilla en la varilla soporte. La varilla de agitación debe quedar por encima de la anilla con lo que se sujetará el bote en la anilla.

Química

Q15-3

Energía contenida en los alimentos.

• •

Usa la pinza de sujeción para alojar el tapón. Introduce en su agujero la sonda de temperatura hasta que se toque el agua fría dentro del bote. El sensor no debe tocar el fondo del bote de metal. El montaje debe de quedarte como la siguiente figura:

Figura1

 Recomendaciones de seguridad • • •

Viste equipo de protección mientras manejes los productos químicos. Sigue las instrucciones para usar el equipo. Utiliza todos los productos químicos de manera apropiada.

 La interface y los sensores •

Alimenta la interface con la fuente de alimentación o bien con la pila (ver el apartado “Modos de alimentación de la interface” del Manual de utilización del equipo), conéctala al ordenador por medio del cable serie y enciéndela. Para mayor información consulta el apartado “Montaje y comprobación” del Manual de utilización del equipo.

•

Conecta el sensor de temperatura en la vía A.

 Calibración de los sensores •

No es necesario calibrar el sensor de temperatura.

 Parámetros de la captación Tipo Duración Tiempo de muestreo Forma de comienzo

Química

General 45 segundos o más 2s Inmediato

Q15-3

Energía contenida en los alimentos.

 Desarrollo  Obtención de datos – Reactivo A + Reactivo B 1. Apunta que tipo de alimento estas usando para el primer ensayo en la sección Análisis de Datos / Tabla de Datos. 2. Mide el peso del trozo de comida y la tablilla de madera y apúntalo la sección Análisis de Datos / Tabla de Datos. Masa inicial: trozo de comida + tablilla de madera =

3. Prende la tablilla de madera con una cerilla y úsalo para quemar el trozo de comida. Rápidamente sitúa el trozo de comida debajo del bote de metal con agua. Deja que se caliente el agua hasta que el fuego se apague. PRECAUCION: Mantén el pelo, ropa y otros elementos alejados de las llamas. 4. Ejecuta el software general y selecciona en el menú “Captación” la opción “Captación modo

6. 7. 8.

PC/General” ( ). Introduce los parámetros de la captación definidos en el apartado Parámetros de la captación. Después pulsa [Aceptar] y comenzará la adquisición de datos. Deja el sensor de temperatura en el agua por lo menos 45 segundos después de que el fuego se halla acabado. Después agita el agua hasta que la temperatura deje de aumentar La captación finalizará cuando haya transcurrido el tiempo definido como duración, cuando se pulse la tecla [ESC] o bien cuando se cierre la ventana en donde se están registrando los valores (ventana de captación). Una vez finalizada, se cargarán desde la interface todos los datos recogidos y se mostrará la gráfica correspondiente. Activa la opción “Ventana/Cambiar nombre” o bien haz clic con el botón derecho del ratón encima de la ventana de captación y selecciona la opción “Cambiar nombre”. Identifica la experiencia con algún texto. Por ejemplo, puedes poner: Ensayo 1. Antes de continuar, guarda esta captación en un archivo, por si en un descuido se borra la captación. Siempre tendrás tiempo de borrar el archivo si no te interesa. Llama a este archivo, por ejemplo, EALIMT_1.SDX Pesa el peso del trozo de comida carbonizada y el fijador y apúntalo en la sección Análisis de Datos / Tabla de Datos. Masa final: trozo de comida + tablilla de madera =

9. Repite el proceso de adquisición de datos con otro trozo de comida diferente. Vacía el bote de metal y llénalo con 50 ml de agua fría. 10. Cuando finalice la captación, pulsa la opción “Ventana/Cambiar nombre” e identifica la experiencia, por ejemplo, con el texto Ensayo 2. Guarda el contenido de la ventana de captación en un archivo que puedes llamar EALIMT_2.SDX.

 Análisis de datos / Cuestiones y preguntas 1. Recupera el archivo EALIMT_1.SDX. (opción “Archivo/Abrir archivo de captación (SDX)” ) 2. Activa la opción “Útiles/Valores singulares”. Aparecerá otra ventana con los valores mínimo, máximo y medio correspondientes a esta curva. 3. Apunta los valores mínimo y máximo en la tabla adjunta.

Q15-4

Química

Energía contenida en los alimentos

4. Apunta el valor Min (mínimo) de temperatura como la temperatura inicial del agua en el bote del Ensayo 1. Apunta el valor Max (Máximo) de temperatura como la temperatura final del agua en el bote de metal para el Ensayo 1. 5. Resta el valor de temperatura inicial del agua del valor de temperatura final. Determina el cambio de temperatura del agua ∆T, para el Ensayo 1. 6. Repite estas operaciones con el archivos EALIMT_2.SDX. 7. Calcula la energía absorbida por el agua, Q, para cada trozo de comida. Usa la ecuación: Q = m x c x ∆T 8. Recuerda que para el agua c = 4.18J/gºC. Convierte el valor de energía absorbida a Kilojulios (KJ) y apunta el resultado en la Tabla de Datos. 9. Resta la masa del trozo de comida carbonizada de su masa inicial para determinar el peso de comida quemada. Apunta el resultado en la Tabla de Datos. 10. Calcula la cantidad de energía, o relación de calor en Kilojulios/gramos, para cada trozo de comida. 11. Apunta los resultados de otros grupos de tu aula en la Tabla de Resultados del Aula.

 Tabla de Datos: Descripción Masa del bote vacío Masa del bote + agua Masa del agua Masa inicial: trozo de comida + tablilla de madera Masa final: Trozo de comida + tablilla de madera Cambio de masa en el trozo de comida Temperatura inicial Temperatura final Cambio de temperatura, ∆T Energía, Q Energía contenida en el trozo de comida.

Ensayo 1 Ensayo 2 (__________) (__________) g g g g g g g g g g g g C C C C C C kJ kJ kJ/g kJ/g

 Tabla de Resultados del Aula: Gominolas (kJ/g)

Química

Cacahuetes (kJ/g)

Anacardos (kJ/g)

Palomitas (kJ/g)

Q15-5

Energía contenida en los alimentos Energía media contenida por cada trozo de comida: Gominolas (kJ/g)

Cacahuetes (kJ/g)

Anacardos (kJ/g)

Palomitas (kJ/g)

 Cuestiones. • • • •

¿Cuál es el alimento que más cantidad de energía desprende? ¿Cuál es el alimento que menos energía desprende? La energía se expresa en una unidad llamada caloría. En una caloría existen 4.18 kilojulios. Basándote en la cantidad de energía media por cada trozo de comida, calcula las calorías que existen en un paquete de 50 gramos de cacahuetes. Dos de los alimentos utilizados en los experimentos tienen un alto contenido en grasas (cacahuetes y anacardos) y los otros dos tienen un alto contenido en Carbohidratos (gominolas y palomitas). Basándote en los resultados, que conclusión puedes sacar con respecto a los alimentos con alto contenido en grasa o en Carbohidratos?

Química

Q15-5

Aditvidad de los calores de reacción: ley de Hess

ENERGÍA CONTENIDA EN LOS ALIMENTOS  Comentarios generales La presente experiencia requiere de la realización de un montaje que no es demasiado complicado. Los detalles de este montaje se pueden ver en la sección Comentarios a la experiencia.

 Respuestas a las cuestiones iniciales 3. Teóricamente, la energía cedida cuando un cuerpo es quemado para calentar agua y la energía absorbida por el agua son iguales. 4. Q es la cantidad de energía. m = 0,5l = 500 gr (densidad del agua = 1 Kg/litro). C =1

julio caloria = 4,18 gramoº C gramoº C

Q = m·c·∆T = 500 ·1 · 4 = 2000calorias

∆T = 21ºC – 17ºC = 4ºC

 Comentarios a la experiencia En esta actividad, un cuerpo será quemado para calentar una cantidad conocida de agua. El sensor de temperatura mide el cambio de temperatura en el agua mientras es calentado por el trozo de comida quemada. El Software general de captación y análisis obtendrá y visualizará el cambio de temperatura. El alumno deberá calcular la cantidad de energía cedida por el cuerpo quemado. La cantidad de energía cedida por un cuerpo será comparada con la cantidad de energía cedida por otro cuerpo diferente. Para calcular la energía cedida por diferente tipo de alimentos se realizará el montaje de la siguiente figura:

113 Química

Q16-3

Aditvidad de los calores de reacción: ley de Hess

Para ello los alumnos deberán seguir las siguientes instrucciones: •

•

• •

Los alumnos deberán coger un bote de metal y realizar dos agujeros en sitios opuestos en el bote de metal, de tal manera que una varilla de agitación pueda ser deslizada a través de dichos agujeros. A continuación se introducirá un varilla por los orificios de tal manera que la varilla sea pasante. Sobre un soporte se pondrá una tablilla de madera. Encima de la tablilla de madera se pondrá el trozo de alimento del cual se hará el estudio. La tablilla debe permitir que un trozo de comida pueda ser alojado entre la parte inferior del Bote de metal y la mesa de trabajo, por lo cual la comida puede ser quemada libremente. El bote de metal debe estar colocado aproximadamente 2,5cm por encima del trozo de comida ajustando la anilla en la varilla soporte. La varilla de agitación debe quedar por encima de la anilla con lo que se sujetará el bote en la anilla. Usa la pinza de sujeción para alojar el tapón. Introduce en su agujero la sonda de temperatura hasta que se toque el agua fría dentro del bote. El sensor no debe tocar el fondo del bote de metal.

 Ejemplos de gráficas y resultados Las gráficas obtenidas son similares a las mostradas en la siguiente figura:

 Respuestas a las cuestiones planteadas en el análisis de los datos • • •

El alimento que más energía desprende, teóricamente, son los cacahuetes. Puede ser que por factores externos los anarcados desprendan mas calor. El alimento que menos energía desprende son las gominolas, aunque dependerá del tipo de gominolas que se escojan para el experimento. Una caloría equivale a 4,18 julios. Las calorías contenidas en un paquete de 50 gramos de cacahuetes serán: caloria Q = m · c · ∆T = 50 g · 1 · 1ºC = 50 calorias. gramoº C

114 Química

Q16-3

Aditvidad de los calores de reacción: ley de Hess

•

Los alimentos con alto contenido en carbohidratos son los que más energía interna poseen y los alimentos grasos los que menos. Este hecho se da en la vida diaria si estudiamos la alimentación de la raza humana. Los alimentos que ingerimos son quemados para producir la energía que necesitamos para realizar nuestras actividades diarias. Los alimentos con alto contenido en grasas no contienen mucha energía, y una vez quemados todavía tienen mucha grasa, la cual no se quema, este hecho es el principio de la obesidad, mientras que los alimentos con alto contenido en carbohidratos se queman prácticamente al 100% lo que no deja restos de grasa en el organismo. Los alimentos con alto contenido en carbohidratos son que habitualmente consumen los deportistas ya que aportan una gran dosis de energía al organismo para realizar grandes esfuerzos físicos.

115 Química

Q16-3

Aditvidad de los calores de reacción: ley de Hess

ADITIVIDAD DE LOS CALORES DE REACCIÓN: LEY DE HESS Tema(s)

Termoquímica

Tiempo estimado

60 min

 Objetivo • •

Verificar que los calores de reacción son aditivos. Conocer e interpretar la ley de Hess



Material necesario

Equipamiento ExAO

Material general de laboratorio

Productos químicos y reactivos

Interface Software general de captación y análisis Sensor de Temperatura Base y varilla de sujeción. Nuez y pinza de sujección. Varilla agitadora o agitador magnético Vaso de precipitados de 250 mL Taza blanca de poliestireno 50 mL de NaOH, 1M 50 mL de HCl, 1M 100 mL de HCl, 0,5M 400 mL de agua 4,00 g de NaOH sólido

 Información inicial En este experimento usaremos la taza de poliestireno blanca como un calorímetro para medir los calores desprendidos en tres reacciones que comentaremos a continuación. Una de las ecuaciones que corresponde a una de las reacciones es combinación de las otras dos. Por consiguiente, y de acuerdo con la ley de Hess, el calor de reacción correspondiente a la ecuación será combinación de los calores de reacción de las otras dos. A veces se refiere a este concepto como “aditividad de los calores de reacción”. El primer objetivo de este experimento es confirmar esta ley. Utilizaremos las tres ecuaciones siguientes: (1) Hidróxido de sodio sólido disuelto en agua para formar una solución acuosa de iones sodio NaOH  Na+(ac) + OH− (ac) 116 Química

∆H1=?

Q16-3

Aditvidad de los calores de reacción: ley de Hess

(2) Hidróxido de sodio sólido reaccionando con una disolución de ácido clorhídrico para formar agua y una solución acuosa de cloruro de sodio. NaOH(s) + H+ (ac) + Cl− (ac)  H2O(l) + Na+(ac) + Cl−(ac)

∆H2=?

(3) Soluciones acuosas de hidróxido de sodio y ácido clorhídrico reaccionan para formar agua y una solución acuosa de cloruro de sodio Na+(ac) + OH−(ac) + H+(ac) + Cl− (ac)  H2O(l) + Na+(ac) + Cl− (ac)

∆H3=?

En el experimento utilizaremos la taza de poliestireno como calorímetro y asumiremos que la pérdida de calor de este calorímetro y la pérdida debido al aire circundante son despreciables. Incluso aunque no consideremos despreciables estos efectos, contribuyen de la misma forma en cada ecuación, por lo que el efecto en los resultados es muy pequeño.

 Cuestiones iniciales En el espacio siguiente combina dos de las ecuaciones anteriores para obtener la tercera. Señala con su correspondiente número cada ecuación, así como la operación que debe realizarse entre las dos ecuaciones para obtener la tercera. ______

_______________________________________________________________

______

_______________________________________________________________

______

_______________________________________________________________

EXPERIENCI  Preparación  Montaje general •

Realiza el montaje de la figura.

117 Química

Q16-3

Aditvidad de los calores de reacción: ley de Hess

 Recomendaciones de seguridad • •

Manipular las disoluciones con cuidado, tanto la de hidróxido sódico como la de ácido clorhídrico, pues son tóxicas si se ingieren o inhalan. Tened especial cuidado de que no caigan sobre los ojos o la ropa. Utilizad guantes y bata de laboratorio.

 La interface y los sensores •

Alimenta la interface con la fuente de alimentación o bien con la pila (ver el apartado “Modos de alimentación de la interface” del Manual de utilización del equipo), conéctala al ordenador por medio del cable serie y enciéndela. Para mayor información consulta el apartado “Montaje y comprobación” del Manual de utilización del equipo.

•

Conecta el sensor de temperatura en la vía A.

 Calibración de los sensores •

No es necesario calibrar el sensor de temperatura.

 Parámetros de la captación Tipo Duración Tiempo de muestreo Forma de comienzo

General 200 segundos 1s por tecla

 Desarrollo  Reacción (1) 11. Prepara el montaje del apartado “Montaje general” 12. Ejecuta el software general y selecciona en el menú “Captación” la opción “Captación modo PC/General” ( ). Introduce los parámetros de la captación definidos en el apartado Parámetros de la captación. Después pulsa [Aceptar]. 13. Vierte 100 mL de agua en la taza y después el sensor de temperatura. 14. Prepara 2 g de hidróxido sódico (sólido), con un error en el peso de alrededor de 0,01 g. Utiliza para ello una balanza electrónica. 15. Pulsa una tecla del teclado del ordenador. La captación comenzará y se podrá leer el valor de la temperatura. Esperar hasta que la temperatura se mantenga constante (3 ó 4 lecturas iguales), pues puede suceder que el sensor se encuentre a diferente temperatura que el agua. Después, añade los 2 g de hidróxido sódico a la taza con el agua. Remueve la solución con la varilla agitadora. 118 Química

Q16-3

Aditvidad de los calores de reacción: ley de Hess

16. Verás que la temperatura cambia durante un tiempo, hasta que de nuevo se estabiliza en otro valor. Cuando se llegue a la situación de nueva estabilización termina con la captación. Recordemos que la captación finalizará cuando haya transcurrido el tiempo definido como duración, cuando se pulse la tecla [ESC] o bien cuando se cierre la ventana en donde se están registrando los valores (ventana de captación). Una vez finalizada, se cargarán desde la interface todos los datos recogidos y se mostrará la gráfica correspondiente.

119 Química

Q16-3

Aditvidad de los calores de reacción: ley de Hess

17. Activa la opción “Ventana/Cambiar nombre” o bien haz clic con el botón derecho del ratón encima de la ventana de captación y selecciona la opción “Cambiar nombre”. Identifica la experiencia con algún texto. Por ejemplo, puedes poner: Reacción (1): NaOH sólido + agua 18. Antes de continuar, guarda esta captación en un archivo, por si en un descuido se borra la captación. Siempre tendrás tiempo de borrar el archivo si no te interesa. Llama a este archivo, por ejemplo, HESS_1.SDX 19. Con ayuda de las herramientas del software, calcula las temperaturas inicial (temperatura estable del comienzo) y final (temperatura estable del final). Una forma de calcular estos dos valores es seleccionando la opción “Útiles/Valores singulares”. Se creará otra ventana en donde aparecerán los valores máximo, mínimo y medio de la temperatura. El valor máximo es el inicial y el mínimo el final. Otra opción es seleccionar la opción “Representación/Niveles” ( ) y elegir el icono correspondiente al sensor de temperatura. Saldrá una recta horizontal a través de la cual podemos calcular los valores de la temperatura inicial y final. Otra opción es imprimir la tabla de datos y tomar de ahí estos valores. 20. Apunta en la tabla de datos los valores de la masa de hidróxido sódico, del agua y los valores de las temperaturas inicial y final. 21. Saca el sensor de temperatura, sécalo y déjalo un tiempo a temperatura ambiente hasta que alcance la misma y se estabilice.

 Reacción (2) 22. Repite los pasos 1 al 11, utilizando 100 mL de ácido clorhídrico (HCl) 0,5 M en vez de agua. PRECAUCIÓN: manipula el ácido clorhídrico con cuidado. En cuanto al nombre de la ventana, se puede poner: “Reacción (2): NaOH sólido + HCl”. El nombre del archivo al salvarlo: HESS_2.SDX

 Reacción (3) 23. Repite los pasos del 1 al 11 con las siguientes consideraciones:  En el paso 3, utiliza 50,0 mL de ácido clorhídrico (HCl) 1,0M en vez de agua  En el paso 4, en vez de NaOH sólido prepara en una probeta 50,0 mL de una disolución de Hidróxido sódico (NaOH) 1,0M. Esta solución es la que se verterá en el paso 5.  En el paso 7, el texto que se puede poner como encabezamiento de la ventana: “Reacción (3): NaOH + HCl”  En el paso 8, el nombre del archivo puede ser HESS_3.SDX

 Tabla de Datos: DATOS Y CÁLCULOS PARA LAS TRES REACCIONES Reacción (1) Reacción (2)

Reacción (3) (no hay NaOH sólido) g

1. Masa de NaOH sólido

2. Masa total de la disolución

3. Temperatura final, t2

°C

4. Temperatura inicial, t1

°C

ºC

°C

5. Diferencia de temperatura, ∆t=t2-t1

°C

Q16-4

Química

Aditvidad de los calores de reacción: ley de Hess

6. Calor, Q 7. ∆H 8. Moles de NaOH 9. ∆H/mol

kJ kJ mol kJ/mol

10. Suma valor ∆H/mol (en kJ/mol) de las reacciones (1) y (3) : 11. Valor de ∆H/mol (en kJ/mol) de la reacción (2) : 12. Porcentaje de error (%) :

 Análisis de datos / Cuestiones y preguntas 1. Determina la masa de los 100 mL de disolución para cada una de las reacciones (asumiremos que la densidad de cada disolución es de 1,00 g/mL). Apunta los datos y cálculos en la tabla de datos. 2. Determina el cambio de temperatura para cada reacción. 3. Calcula el calor absorbido por el conjunto del sistema y responsable del cambio de temperatura en cada una de las reacciones (Q), utilizando la fórmula: Q=Cp·m·∆t (Cp= 4,18 J/g·ºC; m=masa de la disolución) 4. Calcula ∆H para cada una de las reacciones (∆H1, ∆H2 y ∆H3), sabiendo que ∆H=-Q 5. Calcula los moles de NaOH utilizados en cada reacción. En las reacciones (1) y (2) se pueden conseguir a través de la masa de NaOH. En la reacción (3) se puede calcular utilizando el dato de la molaridad, M, y el volumen. 6. Calcula los datos ∆H/mol de NaOH en cada una de las tres reacciones a partir de los datos obtenidos en los apartados anteriores. 7. Para verificar los resultados del experimento, combina el calor de reacción (∆H/mol) de la reacción (1) y la reacción (3). La suma de estos dos valores debe ser similar al calor de reacción (∆H/mol) de la reacción (2), ya que la suma de las ecuaciones (1) y (3) dan como resultado la ecuación (2). Esta es la base de la ley de Hess. Compara el valor de la suma de las reacciones (1) y (3) con el valor hallado para la reacción (2) y calcula el error cometido (en %).

Química

Q16-5

Q16-P ADITIVIDAD DE LOS CALORES DE REACCIÓN: LEY DE HESS  Comentarios generales 1. Preparación de las soluciones:  HCl 0,5M: 42,8 mL de HCl concentrado en 1 L de disolvente  HCl 1M: 85,6 mL de HCl concentrado en un 1 L de disolvente  NaOH, 1,0M: 40 g de NaOH sólido en 1 L de disolvente 2. Es aconsejable preparar las soluciones al menos con un día de antelación para que en la experiencia se encuentren ya a la temperatura ambiente. 3. En la presente experiencia se han realizado algunas aproximaciones que conviene discutir con los estudiantes. Una primera aproximación es considerar que C p es igual al valor del agua pura Cp=4,18 J/g·ºC. En la realidad están muy cerca de este valor. La segunda consideración asumía que la densidad de las disoluciones es de 1g/mL, es decir, como si fuera agua pura. Se puede calcular la verdadera densidad de las disoluciones y se verá que el valor es muy próximo a 1 g/mL En la reacción 3 se ha asumido que las temperaturas iniciales de las disoluciones de HCl y de NaOH son iguales, pero puede ocurrir que sean diferentes y, por tanto, haya un error en la determinación de la temperatura inicial. Este error desaparece si se preparan las disoluciones con suficiente antelación como para que ambas se encuentren a la misma temperatura ambiente.

 Respuestas a las cuestiones iniciales La reacción (2) es la suma de las reacciones (1) y (3) (1) NaOH  Na+(ac) + OH− (ac) (3) Na+(ac) + OH−(ac) + H+(ac) + Cl− (ac)  H2O(l) + Na+(ac) + Cl− (ac) _______________________________________________________________ (2) NaOH(s) + H+ (ac) + Cl− (ac)  H2O(l) + Na+(ac) + Cl−(ac)

 Ejemplo de resultados DATOS Y CÁLCULOS PARA LAS TRES REACCIONES Reacción (1) Reacción (2)

Reacción (3) (no hay NaOH sólido) 100 g

1. Masa de NaOH sólido

2,00 g

2. Masa total de la disolución

100 g

3. Temperatura final, t2

27,0ºC

33,8ºC

29,1ºC

4. Temperatura inicial, t1

22,0 ºC

22,2ºC

22,3ºC

5,0ºC

11,6ºC

6,8ºC

5. Diferencia de temperatura, ∆t=t2-t1

Química

Q16-1P

Aditividad de los calores de reacción: ley de Hess

6. Calor, Q

(4,18)·(100 g)·(5,0ºC) = 2090 J = 2,09 kJ

(4,18)·(100 g)·(11,6ºC) = 4850 J = 4,85 kJ

(4,18)·(100 g)·(6,8ºC) = 2840 J = 2,84 kJ

7. ∆H

∆H1=-Q1=-2,09 kJ

∆H2=-Q2=-4,85 kJ

∆H3=-Q3=-2,84 kJ

8. Moles de NaOH

(2,00 g)·(1 mol/40 g) = 0,05 mol

(1,92 g)·(1 mol/40 g) = 0,048 mol

(1 mol/L)·(0,05 L) = 0,05 mol

9. ∆H/mol

-41,8 kJ/mol

-101 kJ/mol

-56,8 kJ/mol

10. Suma valor ∆H/mol de las reacciones (1) y (3) : -41,8 KJ/mol + (-56,8 KJ/mol) = -98,6 KJ/mol 11. Valor de ∆H/mol (en kJ/mol) de la reacción (2) : -101 KJ/mol 12. Porcentaje de error (%) :

Química

−101 − (−98,6) −101

x100 = 2,4%

Q16-124P

Q17 CALOR DE COMBUSTIÓN: MAGNESIO Tema(s)

Termoquímica

Tiempo estimado

60 min

NOTA: para un mejor aprovechamiento de esta experiencia, conviene realizar antes la experiencia número 16 (Aditividad de los calores de reacción: ley de Hess).

 Objetivo •

Aplicar la ley de Hess en el cálculo del calor de combustión del magnesio.

 Material necesario Equipamiento ExAO

Material general de laboratorio

Productos químicos y reactivos

Interface Software general de captación y análisis Sensor de Temperatura Base y varilla de sujeción. Nuez y pinza de sujección. Varilla agitadora o agitador magnético Vaso de precipitados de 250 mL Taza blanca de poliestireno Probeta graduada de 100 mL Balanza Ácido clorhídrico (HCl), 1M

 Información inicial En la experiencia 16, se trabajó la propiedad que tienen los calores de reacción de poder combinarse al igual que se combinan las ecuaciones que representan las reacciones, es decir, se trabajó con la ley de Hess. En esta experiencia, utilizaremos este principio o ley para determinar el calor de reacción de la combustión de una tira de magnesio sólido (calor de combustión) cuyo valor es muy difícil de obtener de forma experimental. La ecuación de combustión del magnesio se puede obtener por combinación de otras ecuaciones que representan reacciones cuyo calor si se puede obtener de forma sencilla experimentalmente. Aplicando la ley de Hess, podemos obtener el calor de combustión del magnesio combinando los resultados experimentales de los calores de reacción de las demás. La reacción de combustión edl magnesio está representada por la ecuación: (4)

Mg(s) + ½ O2(g)  MgO(s)

Esta ecuación puede ser obtenida por combinación con estas otras tres ecuaciones que representan a sendas reacciones químicas: (1)

Química

MgO(s) + 2 HCl(ac)  MgCl2(ac) + H2O(l)

Q17-1

Calor de combustión: magnesio

(2)

Mg(s) + 2 HCl(ac)  MgCl2(ac) + H2(g)

(3)

H2(g) + ½ O2  H2O(l)

Antes de comenzar con la experiencia en sí, conviene ver qué combinación ente las ecuaciones (1), (2) y (3) da como resultado la ecuación (4). Los calores de reacción de las ecuaciones (1) y (2) las calcularemos mediante la experiencia práctica que realizaremos, mientras que el calor de reacción de la ecuación (3) lo daremos por conocido, ya que se trata de una reacción química básica y elemental. El calor de reacción para la ecuación (3) es: ∆H3=-285,8 kJ

 Cuestiones iniciales En el espacio siguiente combina las ecuaciones (1), (2) y (3) para obtener la ecuación (4). Señala con su correspondiente número cada ecuación. El la primera línea señala la ecuación que señala la operación u operaciones que deben realizarse entre las tres primeras ecuaciones para obtener la cuarta Ecuación: __(4) = _____________________

______

_______________________________________________________________

______

_______________________________________________________________

______

_______________________________________________________________

______

_______________________________________________________________

EXPERIENCI  Preparación  Montaje general •

Realiza el montaje de la figura.

 Recomendaciones de seguridad Química

Q17-3

Calor de combustión: magnesio

• • •

Manipular el ácido clorhídrico con cuidado. Es tóxico si se ingieren o inhalan. Tened especial cuidado de que no caigan sobre los ojos o la ropa ya que podrían ocasionar quemaduras en ambos. Evitar inhalar el polvo de óxido de magnesio. Utilizad guantes y bata de laboratorio.

 La interface y los sensores •

Alimenta la interface con la fuente de alimentación o bien con la pila (ver el apartado “Modos de alimentación de la interface” del Manual de utilización del equipo), conéctala al ordenador por medio del cable serie y enciéndela. Para mayor información consulta el apartado “Montaje y comprobación” del Manual de utilización del equipo.

•

Conecta el sensor de temperatura en la vía A.

 Calibración de los sensores •

No es necesario calibrar el sensor de temperatura.

 Parámetros de la captación Tipo Duración Tiempo de muestreo Forma de comienzo

General 500 segundos 1s por tecla

 Desarrollo  Reacción (1) 1. Prepara el montaje del apartado “Montaje general” 2. Ejecuta el software general y selecciona en el menú “Captación” la opción “Captación modo PC/General” ( ). Introduce los parámetros de la captación definidos en el apartado Parámetros de la captación. Después pulsa [Aceptar]. 3. Vierte 100 mL de HCl, 1M en la taza y después introduce el sensor de temperatura (sujeto con la pinza de sujección). 4. Prepara 1,00 g de Óxido de Magnesio en polvo en un trozo e papel secante grueso o en un reloj de vidrio. Utiliza para ello la balanza electrónica. Apunta el valor de esta masa en la tabla de datos. 5. Pulsa una tecla del teclado del ordenador. La captación comenzará y se podrá leer el valor de la temperatura. Esperar hasta que la temperatura se mantenga constante (3 ó 4 lecturas iguales), pues puede suceder que el sensor se encuentre a diferente temperatura que la disolución de ácido clorhídrico. Después, añade el gramo de óxido de magnesio blanco en polvo a la taza con el HCl. Remueve la solución con la varilla agitadora.

Química

Q17-3

Calor de combustión: magnesio

6. Verás que la temperatura cambia durante un tiempo, hasta que de nuevo se estabiliza en otro valor. Cuando se llegue a la situación de nueva estabilización termina con la captación. Recordemos que la captación finalizará cuando haya transcurrido el tiempo definido como duración, cuando se pulse la tecla [ESC] o bien cuando se cierre la ventana en donde se están registrando los valores (ventana de captación). Una vez finalizada, se cargarán desde la interface todos los datos recogidos y se mostrará la gráfica correspondiente. 7. Activa la opción “Ventana/Cambiar nombre” o bien haz clic con el botón derecho del ratón encima de la ventana de captación y selecciona la opción “Cambiar nombre”. Identifica la experiencia con algún texto. Por ejemplo, puedes poner: Reacción (1): óxido de magnesio + HCl 8. Antes de continuar, guarda esta captación en un archivo, por si en un descuido se borra la captación. Siempre tendrás tiempo de borrar el archivo si no te interesa. Llama a este archivo, por ejemplo, COMBMG_1.SDX 9. Con ayuda de las herramientas del software, calcula las temperaturas inicial (temperatura estable del comienzo) y final (temperatura estable del final). Una forma de calcular estos dos valores es seleccionando la opción “Útiles/Valores singulares”. Se creará otra ventana en donde aparecerán los valores máximo, mínimo y medio de la temperatura. El valor máximo es el inicial y el mínimo el final. Otra opción es seleccionar la opción “Representación/Niveles” ( ) y elegir el icono correspondiente al sensor de temperatura. Saldrá una recta horizontal a través de la cual podemos calcular los valores de la temperatura inicial y final. Otra opción es imprimir la tabla de datos y tomar de ahí estos valores. 10. Apunta en la tabla de datos los valores de la masa de óxido de magnesio, el volumen de HCL, y los valores de las temperaturas inicial y final. 11. Saca el sensor de temperatura, sécalo y déjalo un tiempo a temperatura ambiente hasta que alcance la misma y se estabilice.

 Reacción (2) 12. Repite los pasos del 1 al 11 con las siguientes consideraciones:  En el paso 4, en vez de 1 g de óxido de magnesio, prepara 0,5 g de magnesio. Trata de que el magnesio sólido se encuentre en tiras o pequeñas barras de 0,5 g. ¡¡ATENCIÓN!!, no inhalar los vapores producidos por la reacción del magnesio con el HCl.  En el paso 7, el texto que se puede poner como encabezamiento de la ventana: “Reacción (2): magnesio + HCl”  En el paso 8, el nombre del archivo puede ser COMBMG_2.SDX

 Tabla de Datos: DATOS Y CÁLCULOS PARA LAS REACCIONES Reacción (1) MgO 1. Volumen e HCl, 1,00M mL 2. Masa de sólido g

Reacción (2) Mg mL g

3. Temperatura final, t2

°C

4. Temperatura inicial, t1

°C

ºC

5. Diferencia de temperatura, ∆t=t2-t1

°C

Q17-4

Química

Calor de combustión: magnesio

6. Calor, Q 7. ∆H 8. Moles de NaOH 9. ∆H/mol

kJ kJ mol kJ/mol

10. ∆H/mol para la reacción (4)* (1)_______________________________________________

_________

(2)_______________________________________________

_________

(3)_______________________________________________

_________

(4)*______________________________________________

_________

11. Porcentaje de error (%) con respecto al valor teórico:

 Análisis de datos / Cuestiones y preguntas 1. Determina el cambio de temperatura para cada reacción. 2. Calcula el calor absorbido por el conjunto del sistema y responsable del cambio de temperatura en cada una de las reacciones (Q), utilizando la fórmula: Q=Cp·m·∆t donde, Cp= 4,18 J/g·ºC;

m= 100 g de disolución HCl.

3. Calcula ∆H para cada una de las reacciones (∆H1 y ∆H2), sabiendo que ∆H=-Q 4. Calcula los moles de MgO y Mg utilizados en cada reacción. 5. Calcula el valor de ∆H/mol de MgO en la reacción (1) y de ∆H/mol de Mg en la reacción (2), a partir de los datos obtenidos en los apartados anteriores. 6. Sabiendo que de ∆H3=-285,8 kJ, calcula el valor de de ∆H/mol de Mg para la reacción (4), teniendo en cuenta las operaciones que se deben realizar para obtener la ecuación (4) a partir de las otras tres. 7. Determina el porcentaje de error cometido entre el resultado obtenido experimentalmente por nosotros y el valor de ∆H4 que aparece en los libros (pide este dato a tu profesor).

Química

Q17-5

Q17-P CALOR DE COMBUSTIÓN: MAGNESIO  Comentarios generales 1. Tomar precauciones al manipular el óxido de magnesio, el magnesio y el ácido clorhídrico. El magnesio es un sólido altamente inflamable ante focos de calor intensos. El ácido clorhídrico es tóxico en ingestión o inhalación y altamente corrosivo para la piel y ojos. 2. Cada estudiante o grupo de estudiantes (si realizan la experiencia por grupos) necesita 200 mL de HCl, 1M (unos 85,6 mL de HCL concentrado). 3. El valor aceptado para el calor de combustión del magnesio es de ∆H= -602 kJ/mol de Mg. Utilice este dato para proporcionárselo a los estudiantes en el punto 7 del apartado “Análisis de datos” para calcular el porcentaje de error.

 Respuestas a las cuestiones iniciales Ecuación : (4) = (2) + (3) – (1) (1)

MgO(s) + 2 HCl(ac)  MgCl2(ac) + H2O(l)

(2)

Mg(s) + 2 HCl(ac)  MgCl2(ac) + H2(g)

(3)

H2(g) + ½ O2  H2O(l)

_______________________________________________________________ (4) Mg(s) + ½ O2(g)  MgO(s)

 Ejemplo de resultados DATOS Y CÁLCULOS PARA LAS REACCIONES Reacción (1) MgO 1. Volumen e HCl, 1,00M 100 mL

Reacción (2) Mg 100 mL

2. Masa de sólido

1,00 g

0,5 g

3. Temperatura final, t2

29,7 ºC

44,2 ºC

4. Temperatura inicial, t1

22,3 ºC

22,4 ºC

5. Diferencia de temperatura, ∆t=t2-t1

7,4 ºC

21,8 ºC

6. Calor, Q

Q1= (4,18 J/g·ºC)·(100 g)·(7,4 ºC) = 3090 J = 3,09 kJ

Q2= (4,18 J/g·ºC)·(100 g)·(21,8 ºC) = 9110 J = 9,11 kJ

7. ∆H

∆H1= -Q1 = -3,09 kJ

∆H2= -Q2 = -9,11 kJ

(1 g)·(1 mol/40,3 g) = 0,0248 mol de MgO

(0,5 g)·(1 mol/24,3 g) = 0,0206 mol de Mg

8. Moles

Química

Q17-1P

Aditividad de los calores de reacción: ley de Hess

-3,09 KJ/0,0248 mol = -125 kJ/mol

9. ∆H/mol

-9,11 KJ/0,0206 mol = -442 kJ/mol

10. ∆H/mol para la reacción (4)* - (1) MgO(s) + 2 HCl(ac)  MgCl2(ac) + H2O(l)

∆H1= +125 kJ/mol

(2)

Mg(s) + 2 HCl(ac)  MgCl2(ac) + H2(g) ∆H2= -442 kJ/mol

(3)

H2(g) + ½ O2  H2O(l)

∆H3= -286 kJ/mol

(4) Mg(s) + ½ O2(g)  MgO(s) ∆H4= -603 kJ/mol 13. Porcentaje de error (%) con respecto al valor teórico: − 602 −( −603) −602

Química

x100 =0,17%

Q16-132P

Q18 CONSTANTE DE DISOCIACIÓN DE UN ÁCIDO Tema(s)

Reacciones químicas

Tiempo estimado

45 min

 Objetivo • •

Determinar experimentalmente la constante de disociación de un ácido, Ka. Investigar el efecto de la concentración de disolución inicial en la constante de equilibrio.



Material necesario

Equipamiento ExAO

Material general de laboratorio

Productos químicos y reactivos

Interface Software general de captación y análisis Sensor de pH Base y varilla de sujeción. Nuez y pinza de sujección. Varilla agitadora o agitador magnético Vaso de precipitados de 100 mL Probeta graduada de 100 mL Pipetas Bulbos para pipetas (para absorber las disoluciones) Agua destilada Ácido acético HC2H3O2, 2M

 Información inicial El ácido que vamos a emplear para determinar la constante de disociación va a ser el ácido acético, HC2H3O2. Se trata de un ácido débil cuya ecuación de disociación es la siguiente: HC2H3O2(ac)  H+(ac) + C2H3O2−(ac) Utilizaremos el sensor de ph en la experiencia para determinar la concentración de los iones hidrógeno H+, ya que como sabéis: pH= - log [H+]

 Cuestiones iniciales 1. Escribe la expresión de la constante de equilibrio, K a, para el caso del ácido acético HC2H3O2. Escribe dicha expresión en el cuadro 3 de la tala de datos. 2. Realizaremos la experiencia para dos concentraciones de ácido acético diferentes. Llamaremos a estas concentraciones C1 y C2.Los valores de estas concentraciones las dará el profesor (por ejemplo, una puede ser una disolución de ácido acético 0,4M y otra 1M). Todas las disoluciones se obtendrán a partir de ácido acético 2M. Deberéis calcular, por tanto, el volumen de ácido

Química

Q18-1

Constante de disociación de un ácido, Ka

acético 2M que deberéis mezclar con otro volumen de agua destilada para obtener las concentraciones deseadas (apuntad este valor en el cuadro 4 de la tabla de datos).

EXPERIENCI  Preparación  Montaje general • •

Obtén unos guantes para realizar la experiencia. Fija el sensor de pH en unas pinzas de sujección, tal y como se muestra en la figura adyacente.

 Recomendaciones de seguridad • •

Utiliza guantes en la manipulación de los productos y reactivos químicos. Manipular el ácido acético con cuidado, pues puede ocasionar quemaduras en piel y ojos si cae en ellos.

 La interface y los sensores •

Alimenta la interface con la fuente de alimentación o bien con la pila (ver el apartado “Modos de alimentación de la interface” del Manual de utilización del equipo), conéctala al ordenador por medio del cable serie y enciéndela. Para mayor información consulta el apartado “Montaje y comprobación” del Manual de utilización del equipo.

•

Conecta el sensor de pH en la vía A.

 Calibración de los sensores •

Antes de utilizar el sensor de pH es conveniente calibrarlo. Para realizar esta operación, consulta las hojas de características que acompañan a este sensor, en el apartado “Calibración”.

 Parámetros de la captación •

No se hará ninguna captación en el tiempo. Utilizaremos la monitorización para nuestras medidas.

 Desarrollo 1. Prepara el montaje del apartado “Montaje general”. No olvides calibrar antes el sensor de pH.

Química

Q18-3

Constante de disociación de un ácido, Ka

2. Ejecuta el software general y selecciona en el menú “Captación” la opción “Monitorización” ( ). Selecciona el sensor de pH. 3. Vamos a obtener 100 mL de una disolución de ácido acético de concentración C 1. Primeramente, deberás realizar el cálculo del volumen de ácido acético 2M y de agua destilada que necesitas para obtener 100 mL de disolución de concentración C 1. Imaginemos que este volumen (repito que lo deberás calcular tú en función de la concentración que haya asignado el profesor) lo llamamos V1. 4. Con ayuda de una pipeta y una bomba para absorber líquidos (absorbe-pipetas) toma de la disolución de ácido acético 2M el volumen V1. Vierte esta disolución en una probeta graduada de 100 mL. Añade agua destilada hasta completar los 100 mL. 5. Determina el pH de la disolución como sigue:  Utiliza unos 40 mL de agua destilada contenida en un vaso de precipitados de 100 mL para introducir el sensor de pH y enjuagarlo. Espera unos segundos hasta que el valor de pH se estabilice. Realizamos esta operación para limpiar el electrodo de pH de cualquier resto que pueda desvirtuar la medida.  Vierte 30 mL de la disolución de ácido acético en un vaso de precipitados limpio de 100 mL y sumerge el sensor de pH en el mismo. Espera unos segundos hasta que el valor marcado por el sensor se estabilice.  Repite la operación anterior sumergiendo el electrodo de pH en otro vaso de precipitados que contenga 30 mL de la disolución de ácido acético. Espera unos segundos hasta la estabilización de la medida.  Utiliza los 40 mL restantes de la disolución de ácido acético para realizar la verdadera lectura del pH. Sumerge el electrodo de pH en estos 40 mL de disolución y espera unos segundos a que la medida se estabilice. Anota el valor de pH en la tabla de datos.  Una vez acabado, sumerge el electrodo de pH en el agua destilada y vuelve a enjuagarlo para que quede limpio. Este procedimiento asegura la precisión de la medida. 6. Repite todo el procedimiento para la segunda concentración, C2.

 Tabla de Datos: DATOS Y CÁLCULOS PARA LAS REACCIONES C1

1. Concentración

6. [C2H3O2 ]eq

7. [HC2H3O2]eq

2. Medida del pH 3. Expresión de Ka 4. Volumen de ácido acético +

5. [H ]eq −

8. Cálculo de Ka

Química

Q18-3

Constante de disociación de un ácido, Ka

Química

Q18-3

Constante de disociación de un ácido, Ka

 Análisis de datos / Cuestiones y preguntas 1. A partir del valor de pH, calcula para cada caso el valor de la concentración de los iones H + en el equilibrio ([H+]eq). 2. Utiliza el valor anterior y la ecuación de equilibrio HC2H3O2(ac)  H+(ac) + C2H3O2−(ac) para calcular [HC2H3O2]eq y [C2H3O2−]eq. 3. Sustituye las concentraciones anteriores en la expresión de la constante K a que has escrito en el cuadro 3 de la tabla de datos. 4. Compara tus resultados con los de otros estudiantes. 5. Compara tus resultados y los de los demás con el valor de la constante K a que aparecen en los libros y tablas de constantes. ¿Cuál es el efecto en Ka de la concentración inicial de la disolución?, ¿depende este valor de la concentración inicial?.

Q18-4

Química

Q18-P CONSTANTE DE DISOCIACIÓN DE UN ÁCIDO, KA  Comentarios generales 1. Si se quiere ahorrar tiempo, es aconsejable preparar las disoluciones que van a emplearse con anterioridad, aunque es más didáctico que sean los propios estudiantes quienes hagan los cálculos y preparen las disoluciones. 2. Asigne concentraciones C1 y C2 sencillas de preparar. Por ejemplo, concentraciones de 0,2M, 0,3M, 0,4M y 0,5M en 100 mL de disolución, requieren de 10, 15, 20 y 25 mL de ácido acético 2M. 3. Se pueden sustituir los vasos de precipitados por probetas graduadas. 4. En la mayoría de los casos las pipetas más cómodas y que mejores resultados dan son las de 10 mL. 5. Se puede realizar esta misma experiencia con otros ácidos. 6. Es muy importante calibrar el sensor de pH antes de realizar la experiencia. Consulte para ello las hojas de características que acompañan al sensor. En cualquier caso, reproducimos la operación de calibrado:  Horas antes (o un día antes), llene el tapón del electrodo de solución tampón pH=7 y vuelva a colocarlo en la punta del electrodo de modo que esta solución bañe toda la punta del electrodo. de esta forma nos aseguramos que el electrodo se ioniza, requisito indispensable para una buena medida.  A la hora de calibrar, conecte el sensor de pH a la interface y ponga todo el sistema de toma de datos en funcionamiento.  Ejecute en el ordenador el software general de captación y análisis y active la opción “Captación/Monitorizar”, para ver los datos dados por el sensor.  Vierta en un tubo de ensayo solución tampón pH=7 e introduzca el electrodo de pH (con el tapón quitado) en dicho tubo de ensayo hasta que la punta quede totalmente sumergida en la solución.  Con ayuda de un pequeño destornillador, mueva el tornillo situado en la parte frontal de la caja acondicionadora del sensor (junto a la salida del cable del electrodo de pH) hasta que en la pantalla del ordenador se obtenga el valor correspondiente a la solución tampón, en este caso, pH=7.

 Respuestas a las cuestiones iniciales

[ H ][C H O ] = −

1. K a

[ HC 2 H 3 O2 ]

2. Por ejemplo, concentraciones de 0,2M, 0,3M, 0,4M y 0,5M en 100 mL de disolución, requieren de 10, 15, 20 y 25 mL de ácido acético 2M.

Química

Q18-1P

Aditividad de los calores de reacción: ley de Hess

 Ejemplo de resultados

1. Concentración

0,4M

2. Medida del pH

2,57

[ H ][C H O ] = −

3. Expresión de Ka 4. Volumen de ácido acético +

5. [H ]eq

[ HC 2 H 3 O2 ]

(0,1 L) x (0,4 mol/L) = 0,04 mol (0,04 mol) x (1 L/2 mol) = 0,02 L 20 mL 2,57 = - log [H+] [H+] = 2,69 x 10-3 M

6. [C2H3O2−]eq

[C2H3O2−] = H+] = 2,69 x 10-3 M

7. [HC2H3O2]eq

0,04 – 0,003 = 0,397 M

8. Cálculo de Ka

Química

(2,69 x 10 −3 ) 2 =1,82 x 10 −5 0,397

Q16-139P

Q19 TABLA DE POTENCIALES DE REDUCCIÓN Tema(s)

Electroquímica

Tiempo estimado

60 min

 Objetivo •

Establecer una tabla de potenciales de reducción de 5 metales diferentes (que no sabemos cuales son) con respecto a un metal arbitrariamente seleccionado.



Material necesario

Equipamiento ExAO Material general de laboratorio

Productos químicos y reactivos

Interface Software general de captación y análisis Sensor voltaje (voltímetro) Plato de vidrio (15x15 cm) o un vaso de Petri (φ11,5 cm) Papel de filtro (φ11 cm) Planchas cuadradas (1x1 cm) de varios metales M1, M2, M3, M4 y M5 Nitrato de sodio NaNO3, 1M Soluciones de M12+, M22+, ..., M52+

 Información inicial El principal objetivo de esta experiencia consiste en establecer una tabla de potenciales de reducción de 5 metales diferentes (que no sabemos cuales son) con respecto a un metal arbitrariamente seleccionado. Esto se hará midiendo el voltaje o diferencia de potencial existente entre pares de semi-celdas. Una celda voltaica utiliza una reacción espontánea de oxidación-reducción para producir energía eléctrica. Estas celdas se basan en el emplazamiento de una pieza de metal en una solución que contiene cationes del mismo metal (por ejemplo, Cu metal en una solución de CuSO 4 o Cu2+). En esta micro-versión de una celda voltaica la mitad de la celda será una pequeña pieza de metal situada en papel de filtro que contiene 3 gotas de disolución. Esta disolución es la del catión correspondiente al metal. Las dos semireacciones están normalmente separadas por una barrera porosa o un puente salino. Aquí, el puente salino se hará con algunas gotas de disolución NaNO 3 vertidas en el papel de filtro entre las dos medias celdas. El borne positivo del sensor voltímetro (el positivo) hará contacto con el metal de referencia y el borne negativo con el otro. Para comprobar que la conexión es correcta, en la pantalla del ordenador tiene que aparecer un valor positivo. Si no es así, invierte las conexiones.

Química

Q19-1

Potenciales de reducción

El metal en contacto con el borne positivo es el cátodo (reducción) y de esta manera es más positivo, tiene un mayor potencial de reducción. El metal en contacto con el borne negativo es el ánodo (oxidación). Compararemos el potencial de reducción de varias medias celdas voltaicas y haremos una tabla.

EXPERIENCI  Preparación  Montaje general • •

Obtén unos guantes para realizar la experiencia. Leer directamente el paso 3 del apartado “Desarrollo”.

 Recomendaciones de seguridad • •

Utiliza guantes en la manipulación de los productos y reactivos químicos. Utiliza una bata de laboratorio.

 La interface y los sensores •

•

Alimenta la interface con la fuente de alimentación o bien con la pila (ver el apartado “Modos de alimentación de la interface” del Manual de utilización del equipo), conéctala al ordenador por medio del cable serie y enciéndela. Para mayor información consulta el apartado “Montaje y comprobación” del Manual de utilización del equipo. Conecta el sensor voltímetro en la vía A.

 Parámetros de la captación •

No se hará ninguna captación en el tiempo. Utilizaremos la monitorización para nuestras medidas.

 Desarrollo 1. Obtén unos guantes para realizar la experiencia 2. Ejecuta el software general y selecciona en el menú “Captación” la opción “Monitorización” ( ). Selecciona el sensor voltímetro. 3. En un papel de filtro realiza el dibujo de la figura adyacente. Este papel de filtro debe ir en el fondo del plato de vidrio o el vaso de Petri, así que debes calcular el diámetro exterior para que quepa dentro del recipiente (pongamos que sea de 11,5 cm de diámetro). Dibuja 5 pequeños círculos con líneas de conexión punteadas, tal y como se aprecia en la figura. Con unas tijeras, corta corta las cuñas que quedan entre los círculos (las secciones de círculo que quedan entre

Química

Q19-3

Potenciales de reducción

cada círculo pequeño). Identifica cada pequeño círculo con las letras M 1, M2, M3, M4 y M5. Coloca el papel de filtro en el fondo del plato de vidrio. 4. Obtén 5 piezas planas de metal M1, M2, M3, M4 y M5. Pueden ser por ejemplo, cobre, zinc, plomo, hierro, plata, ... Lija bien cada una de las dos superficies del metal. Coloca cada pieza de metal cerca del círculo con su letra identificativa. 5. Deposita 3 gotas de cada solución catiónica (M12+, M22+, ..., M52+) en su correspondiente círculo. después, coloca la pieza de metal encima de cada círculo humedecido con la disolución de su respectivo catión. La otra superficie del metal debe permanecer seca. 6. Añade algunas gotas de NaNO3, 1M, en las líneas punteadas de unión entre los círculos y el punto central. Asegúrate que existe continuidad de solución NaNO 3 entre cada círculo y la línea central, como si fuera un pequeño cable invisible de unión sin cortes. Durante el experimento habrá que humedecer periódicamente estas líneas con solución de NaNO 3. ATENCIÓN: manipula la solución de nitrato de sodio (NaNO3) con precaución, ya que puede resultar venenoso si se ingiere. También pueden causar manchas difíciles de quitar. 7. Utiliza el metal M1 (por ejemplo, el cobre) como metal de referencia. Determina la diferencia de potencial entre el metal M1 y M2 (M1/M2), entre M1 y M3 (M1/M3), entre M1 y M4 (M1/M4), y entre M1 y M5 (M1/M5). Para ello, conecta el polo positivo del voltímetro con el metal de referencia M1 y el negativo en el otro metal, espera unos 5 segundos a que el valor del voltaje se estabilice. Si el voltaje es negativo, invierte la polaridad de las conexiones. Apunta el valor del voltaje en la tabla de datos (tabla 1). Apunta también qué metal es el que está conectado al borne positivo del voltímetro y cuál al negativo. Esto nos vendrá bien para clasificar estos potenciales. 8. Vete al punto 1 del apartado “Análisis de datos/Cuestiones y preguntas”, y atendiendo al criterio explicado en el mismo, clasifica los potenciales correspondientes a cada metal (en referencia a M1) de menor a mayor potencial de reducción, Eº (tabla 2), incluido el metal de referencia M1. Puesto que hemos tomado el metal M1 como metal de referencia, es obvio que la diferencia de potencial con respecto a M1 es de 0 V, es decir, su potencial Eº de reducción tiene el valor 0 V. Coloca este valor también en la tabla. 9. Con la clasificación anterior como referencia, predice los potenciales que podemos obtener de cada una de las 6 combinaciones de pares de metales que aún podemos considerar (M 2/M3, M2/M4, M2/M5, M3/M4, M3/M5 y M4/M5). Apunta estos valores predichos en la tabla 3. 10. Mide los potenciales correspondientes a cada par de metales de las 6 combinaciones del punto anterior. Apunta estos valores en la tabla de datos (tabla 3). No olvidar de mantener humedecidas con solución de NaNO3 las líneas de unión entre cada círculo y el centro de la circunferencia grande. 11. Al finalizar, utiliza unas pinzas para quitar las piezas de metal de encima del papel de filtro. Lava cada una de estas piezas de metal con agua de grifo, sécalas y guárdalas. Toma con pinzas el papel de filtro y sácalo del plato. Después elimínalo echándolo a la basura. Lava el palto con agua de grifo y sécalo. Asegúrate en todo momento que tus manos no están en contacto con ninguno de los elementos que hemos utilizado (plato, papel de filtro, piezas de metal)

Química

Q19-3

Potenciales de reducción

 Tablas de Datos: TABLA 1 Celda voltaica (metales usados)

Potencial medido (V)

Metal conectado al borne (+)

Metal conectado al borne (-)

M1 / M2 M1 / M3 M1 / M4 M1 / M5

TABLA 2 Metal (Mx)

Menor potencial de reducción, Eº (V)

Mayor potencial de reducción, Eº (V)

TABLA 3 Potencial predicho (V)

Potencial medido (V)

Error (%)

M2 / M3 M2 / M4 M2 / M5 M3 / M4 M3 / M5 M4 / M5

 Análisis de datos / Cuestiones y preguntas Q19-4

Química

Potenciales de reducción

1. Una vez finalizado el paso 7 del apartado “Desarrollo”, clasifica los 5 metales en función del valor del potencial de reducción (que llamaremos Eº) con respecto a M 1. Ordénalos desde el menor potencial de reducción (el más negativo) hasta el mayor potencial de reducción (el más positivo). Para realizar correctamente esta clasificación, debemos tener en cuenta las siguientes consideraciones:  El metal M1, la referencia estándar, tiene un valor arbitrario de 0V como potencial de reducción.  El borne positivo del voltímetro lo hemos conectado siempre, al principio, al metal de referencia M1 y el oro al borne negativo. Si el otro metal se ha mantenido correctamente conectado al borne negativo, se debe poner el metal por encima de M1 en la tabla (con un potencial de reducción Eº negativo). Si se ha tenido que cambiar por el borne positivo, el metal debe estar colocado por debajo del metal de referencia M1 (con un potencial de reducción Eº positivo). El valor numérico será el que se ha apuntado en al tabla 1. 2. Calcula el error cometido entre el valor predicho y el medido para cada uno de los pares de metales del paso 9 del apartado “Desarrollo”. Apúntalo en la tabla 3. 3. (Opcional). Se pueden identificar los metales utilizados comparando los potenciales medidos en la experiencia con el de las tablas de reducción que aparecen en los libros. Solamente debemos tener en cuenta que en las tablas estándares, la referencia es el hidrógeno (al que corresponde un potencial de reducción de 0V) y que nosotros hemos utilizado como referencia el cobre.

Química

Q19-5

Q19-P TABLA DE POTENCIALES DE REDUCCIÓN  Comentarios generales 1. Las pequeñas dimensiones de las celdas voltaicas que se utilizan en este experimento permiten ahorrar grandes cantidades de disoluciones 1M. Cada estudiante o grupo de estudiantes utiliza aproximadamente 0,15 mL de cada solución catiónica que tiene que emplear en cada celda. En consecuencia, para toda la clase, bastaría con unos 5 mL. Cabría esperar que un bote de unos 30 mL podría durar hasta varios años. La pequeña escala de las celdas permite también que se pueda utilizar la plata como uno de los metales y la solución de nitrato de plata (AgNO 3) 1M. El coste de esta misma experiencia con celdas en macro-escala sería prohibitivo. 2. Preparación de las soluciones:  CuSO4 (M12+), 1M: 24,96 g de CuSO4·5H2O sólido en 100 mL de agua destilada. ATENCIÓN: irritable en contacto con la piel y al respirarlo; tóxico en ingestión o inhalación. Código: C- algo peligroso.  ZnSO4 (M22+), 1M: 28,76 g de ZnSO4·7H2O sólido en 100 mL de agua destilada. ATENCIÓN: irritable en contacto con la piel y al respirarlo; moderadamente tóxico en ingestión o inhalación. Código: D- relativamente poco peligroso.  Pb(NO3)2 (M32+), 1M: 33,10 g de Pb(NO3)2 sólido en 100 mL de agua destilada. ATENCIÓN: tóxico en ingestión o inhalación; muy oxidante; peligroso en contacto con material orgánico. Código: B- peligroso.  AgNO3 (M42+), 1M: 16,99 g de AgNO3 sólido en 100 mL de agua destilada. ATENCIÓN: sólido corrosivo; irritable en contacto con la piel y al respirarlo; tóxico. Código: Bpeligroso.  FeSO4 (M52+), 1M: 27,80 g de FeSO4·7H2O sólido en 100 mL de agua destilada. ATENCIÓN: moderadamente tóxico en ingestión. Código: C- algo peligroso.  NaNO3, 1M: 8,5 g de NaNO 3 sólido en 100 mL de agua destilada. ATENCIÓN: fuerte oxidante; moderadamente tóxico en ingestión; evitar fricciones porque pueden producir explosiones. Código: B- peligroso. Las cantidades son suficientes para llenar tres botes limpios de 30 mL 3. Todas las disoluciones pueden almacenarse bien excepto el FeSO 4 . Se recomienda que esta solución se prepare fresca cada cierto tiempo (por ejemplo, un año). La solución de AgNO 3 debería guardarse en una botella opaca y en un armario oscuro cuando no se utiliza. 4. Las piezas de metal pueden ser cortadas en trozos de 1x1 cm aproximadamente. Los metales pueden ser los siguientes: M1=Cu; M2=Zn; M3=Pb; M4=Ag; M5=Fe.

Química

Q19-1P

Potenciales de reducción

 Ejemplo de resultados TABLA 1 Celda voltaica (metales usados)

Potencial medido (V)

Metal conectado al borne (+)

Metal conectado al borne (-)

M1 / M2

1,08 V

M1 / M3

0,47 V

M1 / M4

0,45 V

M1 / M5

0,64 V

TABLA 2 Metal (Mx)

Menor potencial de reducción, Eº (V)

M2 (Zn/Zn2+)

-1,08 V

M5 (Fe/Fe2+)

-0,64 V

M3 (Pb/Pb2+)

-0,47 V

M1 (Cu/Cu2+)

0,00 V

M4 (Ag/Ag2+)

+0,45 V Mayor potencial de reducción, Eº (V)

TABLA 3 Potencial predicho (V)

Química

Potencial medido (V)

Error (%)

M2 / M3

-0,47-(-1,08)=0,61 V

0,60 V

1,6%

M2 / M4

0,45-(-1,08)=1,53 V

1,49 V

2,6%

M2 / M5

-0,64-(-1,08)=0,44 V

0,46 V

4,5%

M3 / M4

0,45-(-0,47)=0,92 V

0,90 V

2,2%

M3 / M5

-0,47-(-0,64)=0,17 V

0,16 V

5,9%

M4 / M5

0,45-(-0,64)=1,09 V

1,07 V

1,8%

Q19-3P

Potenciales de reducción

 Respuestas del apartado “Análisis de datos” 1. (Opcional). Los resultados de la tabla 2 están basados en la utilización el cobre como metal de referencia (potencial de referencia estándar Eº=0V). Si en vez del Cu se utiliza el hidrógeno (H2), como en las tablas estándares de casi todos los libros, se debe añadir a cada valor del potencial de reducción el valor 0,34V. Esto desplazaría al Cu de su posición de 0V a la de +0,34V. En la segunda columna de la tabla 3 se hallan valores medidos en nuestra experiencia y en la columna 3 los valores correspondientes a la Tabla Estándar de Potenciales de Reducción. Con la posible excepción del hierro (que seguramente lo confundiríamos con el Ni, Eº=0,28V), el resto de metales puede ser fácilmente identificable atendiendo a los valores que hemos obtenido en la experiencia. Metal

Química

Eº experimental

Eº estándar

M2 (Zn)

-0,74 V

-0,76 V

M5 (Fe)

-0,30 V

-0,44 V

M3 (Pb)

-0,13 V

M1 (Cu)

+0,34 V

M4 (Ag)

+0,79 V

+0,80 V

Q19-3P

Q20 CONDUCTIVIDAD EN ÁCIDOS Y BASES Tema(s)

Reacciones químicas

Tiempo estimado

60 min

 Objetivo •

Utilizar la medida de conductividad, en particular la variación de la conductividad con la concentración, como herramienta para el estudio del grado de disociación de sustancias disueltas. • Comprobar que en un ácido fuerte (o base fuerte), la conductividad es aproximadamente proporcional a la concentración. • Comprobar que la conductividad de un ácido o una base fuerte es más grane que la correspondiente a un ácido o base débil. • Comprobar que en un ácido débil (o base débil), la conductividad es aproximadamente proporcional al cuadrado de la concentración.

 Material necesario

Equipamiento ExAO

Material general de laboratorio

Productos químicos y reactivos

Interface Software general de captación y análisis Sensor de conductividad electrolítica Vasos de precipitados de 100 y 250 mL Agitador magnético Base, varilla, nuez y pinzas soporte Probeta de 100 mL Bureta Ácido clorhídrico (HCl), 1M Hidróxido sódico (NaOH), 1M Ácido acético, 1M Amoníaco, 1M

 Información inicial La medida de la conductividad se realiza con las células de conductividad. Una célula de conductividad consiste en dos láminas rectangulares paralelas separadas una pequeña distancia. Estas láminas se sumergen en la disolución cuya conductividad se quiere conocer y se alimentan con un circuito de corriente alterna, para evitar la electrólisis del líquido . La resistencia de un líquido que se encuentra entre estas dos láminas se define por medio de la conocida fórmula R=r·L/A, donde R es la resistencia, r la resistividad del líquido, A la superficie de cada lámina y L la distancia de separación entre ellas. Definida la resistencia, se define la conductancia como la inversa de la resistencia: C=k·A/L, siendo k=1/r la conductividad del líquido. En los líquidos, el parámetro más habitual que se utiliza es la conductividad. El valor L/A es una característica de la célula de conductividad y se denomina “constante de la célula”.

Química

Q20-1

Conductividad en ácidos y bases

En lo que respecta a las unidades, la conductividad se mide en Siemen/cm (S/cm), siendo S= ohm -1. En general, se utilizan submúltiplos de esta unidad como el microsiemen por centímetro (µS/cm) o el milisiemen por centímetro (mS/cm). El significado de la conductividad de un líquido es el mismo que el de la conductividad eléctrica de cualquier material. Se trata de una magnitud que define la facilidad del material para que la corriente eléctrica fluya a través del mismo. Puesto que la corriente eléctrica no es más que el movimiento de cargas eléctricas, la conductividad define la adecuación del material para que las cargas eléctricas se muevan en su interior. Cuando se disuelve una sal, la conductividad depende de los iones de signo contrario que aporta dicha sal. La conductividad, de acuerdo con su definición, será más grande cuanto más fácilmente puedan moverse en la disolución (iones de pequeño tamaño) y cuanto mayor sea la carga de cada uno de ellos. Puesto que no existe un solo tipo de iones en una disolución, se puede asignar una conductividad determinada a cada tipo de iones. la conductividad total de la disolución será la suma de conductividades de cada ión presente en la misma. La conductividad electrolítica de una disolución depende exclusivamente del tipo y de la concentración de los iones presentes, es decir, de las cargas que se forman en la disolución. Cuanto mayor sea la concentración de estos iones más grande será la cantidad de carga que se puede mover, por tanto, mayor la conductividad. El volumen de los iones solvatados también es un factor que afecta a la conductividad: cuanto más grandes sean mayor será la dificultad en el movimiento de las cargas (los iones) y la conductividad será más baja. La conductividad molar es la conductividad correspondiente a cada mol/L de una especie disuelta, se expresa en S·cm2/mol y se puede referir a la sustancia o bien a cada uno de los iones individuales que se forman en su disolución. Cuando se tienen sustancias que se disocian totalmente, se podría pensar que la conductividad es directamente proporcional (dependencia lineal) a la concentración y que la conductividad molar se mantiene constante. En realidad esto no es exactamente cierto, ya que a medida que la concentración varía, las interacciones entre los iones no son las mismas y la conductividad molar tiene una pequeña variación. De cualquier forma, en nuestra experiencia intentaremos comprobar si la desviación con respecto a la relación de proporcionalidad es pequeña o grande. Si las sustancias que se disuelven se disocian parcialmente, como sucede con un ácido o base débil, el grado de disociación no es constante sino que depende de la concentración. Por este motivo, la variación de la conductividad y la conductividad molar con respecto a la concentración es muy grande. En ambos casos, lo que se tabula es la conductividad molar límite, es decir, la conductividad molar extrapolada a la situación en la que la disolución se encuentra infinitamente diluida. La conductividad molar de una sal es la suma de las conductividades molares de sus iones, multiplicada cada una de ellas por el subíndice que aparece en la fórmula de dicha sal y que indica el número de iones que se liberan cuando se disuelve un mol de dicha sustancia. Generalmente, las tablas expresan las conductividades molares límites de algunos iones, que permiten calcular la conductividad molar límite de las sales formadas por estos iones. Algunos ejemplos:

Química

Q20-3

Conductividad en ácidos y bases

IÓN H+ Na+ K+73 NH4+ Zn2+ Cu2+ Ba2+ Pb2+ OH− Cl− Br− CH3COOH− SO4−

CONDUCTIVIDAD MOLAR LÍMITE (S·cm2/mol) 349 50 73 73 105 107 127 146 199 76 78 41 160

Se puede demostrar que en ácidos o bases fuertes la conductividad aumenta de una forma aproximadamente lineal con el volumen añadido a la disolución, ya que estos se disocian totalmente de manera que la concentración de los iones, que son los responsables de la conductividad de la disolución, es linealmente proporcional al volumen de ácido o base añadido desde la bureta. Supongamos que tenemos un volumen V0 de agua a la que añadimos un volumen V de ácido o base fuerte de concentración M (mol/L). La concentración c (mol/L) de ácido o base en la disolución después de haber añadido el volumen V será: c=MV/(V+V0). Si el volumen V añadido es pequeño con respecto a V 0, la expresión anterior se puede aproximar a la siguiente: c=MV/V0 Supongamos también que se trata de una base del tipo BOH o un ácido fuerte del tipo HA. En este caso, la concentración de iones positivos y negativos será c. La conductividad será proporcional a esta concentración de forma que podemos poner que : Conductividad=K·c, donde K es la constante de proporcionalidad, diferente para cada sustancia y que depende del tipo de iones que formen el ácido o la base. Si sustituimos c, podemos ver que la conductividad de la disolución varía con el volumen V añadido según la expresión: Conductividad= KMV/V0= (KM/V0)·V De esta manera, la conductividad de la disolución es proporcional al volumen V de ácido o base añadido, o dicho de otra manera, en una representación gráfica de la conductividad en función del volumen V, el factor KM/V0 es la pendiente de la recta. Por lo tanto: K= V0/M ·(pendiente de la recta de la gráfica) En nuestras experiencias, M=1 mol/L y V0= 50 mL, por lo que la constante de proporcionalidad K será: K= pendiente de la gráfica x 50. El valor de K, para cada sustancia, está relacionado con la conductividad molar límite de los iones que lo forman. Cuanto más grandes sean estas conductividades iónicas mayor será el valor de K. Si nos atenemos a la tabla de conductividades mostrada anteriormente, podemos prever que la conductividad de los ácidos será más grande que la de las bases, debido a la elevada conductividad de los iones H+, superior a la de cualquier otro ión.

Química

Q20-3

Conductividad en ácidos y bases

EXPERIENCI  Preparación  Montaje general • • •

•

Obtén unos guantes para realizar la experiencia. Vierte 50 mL de agua en un vaso de precipitados de 100 mL. Coloca el vaso de precipitados encima del agitador magnético e introduce el electrodo de conductividad dentro del vaso (sujeto con una pinza para que se mantenga fijo), tal y como se puede apreciar en la figura adjunta. Coloca una bureta encima del vaso con la sustancia que se va a diluir en el agua y sujétala con una pinza. Ver dibujo adjunto.

 Recomendaciones de seguridad • •

• •

Utiliza guantes en la manipulación de los productos y reactivos químicos. No hay que tener especiales precauciones si se trabaja con disoluciones diluidas. En cualquier caso, hay que evitar a toda costa las salpicaduras a los ojos. Si, como es previsible, se preparan estas disoluciones diluidas a partir de disoluciones más concentradas, hay que tener las precauciones usuales en la utilización de pipetas. Esencialmente: JAMÁS SE HA DE PIPETEAR DIRECTAMENTE UNA DISOLUCIÓN CONCENTRADA, HAY QUE EMPLEAR UNA PERA O UNA JERINGA ESPECIAL PARA ACOPLAR A LAS PIPETAS. Quien haya de preparar las disoluciones a partir de los ácidos concentrados comerciales, ha de ir aún con más cuidado. En caso de que se produzcan salpicaduras en los ojos, lo primero que hay que hacer es lavar con agua muy abundante y después ir al médico. Si se salpica la piel y es lavada rápidamente con agua, posiblemente no sea necesario nada más. Utiliza una bata de laboratorio.

 La interface y los sensores •

Alimenta la interface con la fuente de alimentación o bien con la pila (ver el apartado “Modos de alimentación de la interface” del Manual de utilización del equipo), conéctala al ordenador por medio del cable serie y enciéndela. Para mayor información consulta el apartado “Montaje y comprobación” del Manual de utilización del equipo.

•

Conecta el sensor conductividad en la vía A.

 Calibración de los sensores Leer detenidamente la hoja de características del sensor de conductividad, en donde se explica el procedimiento para calibrar correctamente el sensor. Q20-4

Química

Conductividad en ácidos y bases

 Parámetros de la captación •

Las captaciones que se harán serán de tipo “Discreta”. Tipo Nombre de la magnitud Unidad de medición Nº de puntos Valor inicial Valor absoluto del incremento Signo del incremento Nº de decimales

Discreta Volumen_NaOH mL 50 0 0,5 Creciente 2

 Desarrollo 1. Realiza el montaje explicado en el apartado “Montaje general”. Vierte en la bureta unos 10 mL de hidróxido sódico (NaOH). Pon en marcha el agitador magnético. Si no lo tienes, utiliza una varilla agitadora. Anota en la tabla de datos del apartado “Tabla de datos”, los valores de M y de V0 correspondientes al NaOH. 2. Prepara todo el sistema de captación de datos según el apartado “La interface y los sensores”. Selecciona en el sensor de conductividad la escala más alta (la de 20 ms/cm). 3. Ejecuta el programa general de captación y análisis y selecciona la opción “Captación/Modo PC/Discreta”. Introduce los parámetros definidos en la sección de este manual “Experiencia/Parámetros de la captación” y pulsa el botón [Aceptar]. 4. Sin añadir ningún volumen de NaOH, pulsa la tecla [SPACE], para registrar el valor de la conductividad cuando el volumen de NaOH añadido sea 0. 5. Abre la llave de la bureta y vierte 0,5 mL de NaOH al vaso de precipitados. Cierra de nuevo la llave de la bureta. 6. Espera unos segundos a que el volumen de NaOH vertido se disuelva bien en el vaso de precipitados. Si no dispones de agitador magnético, remueve la disolución con una varilla agitadora para conseguir el mismo efecto. 7. Pulsa una tecla del teclado del ordenador por ejemplo, la tecla [SCAPE], como la primera vez). En la gráfica de la pantalla del ordenador se registrará el valor de conductividad. 8. Repite los pasos 5, 6 y 7 hasta haber vertido unos 6 mL de NaOH desde la bureta al vaso de precipitados. 9. Pulsa la tecla [ESC] para dar por finalizada la captación. 10. Pulsa la opción “Ventana/Cambiar nombre” e identifica la experiencia, por ejemplo, con el texto Conductividad del NaOH (base fuerte). Guarda el contenido de la ventana de captación en un archivo que puedes llamar COND_BF1.SDX 11. Lava con agua de grifo la punta del electrodo de conductividad de forma que se eliminen los iones que se han podido adherir al medir la disolución de NaOH, a fin de evitar que añada iones no deseados cuando se sumerja en otra disolución. 12. Repite la experiencia anterior pero sustituyendo el NaOH por el ácido clorhídrico (HCl) y teniendo en cuenta las siguientes consideraciones:  En el punto 1, sustituye el NaOH por el HCl  En el punto 3, al introducir los parámetros de la captación sustituir el nombre “Volumen_NaOH” de la magnitud en el OX por el nombre “Volumen_HCl”.  En el punto 10, identifica la ventana con el texto “Conductividad del HCl (ácido fuerte)” y llama al archivo en donde vas a guardar la captación con el nombre COND_AF1.SDX

Química

Q20-5

Conductividad en ácidos y bases

13. Lava con agua de grifo la punta del electrodo de conductividad, sécala con cuidado de no dañar las láminas paralelas de color negro y guarda el electrodo en su lugar habitual.

 Análisis de datos / Cuestiones y preguntas 1. Si no lo tienes en pantalla, recupera el archivo COND_BF1.SDX (opción “Archivo/Abrir archivo de captación (SDX)” ). ¿Qué tipo de curva crees que se ha obtenido (aproximadamente) en la captación: una recta, un parábola, una exponencial, una hipérbola, una senoide, ...?. 2. Selecciona la opción “Útiles/Función aproximada/Automática”( ) y dentro de las posibles curvas que tienes para elegir, selecciona la función lineal ax+b. Inmediatamente, se dibujará la recta de este tipo que más se aproxima a los puntos resultantes de la captación. ¿Crees que la recta dibujada puede aproximarse bastante a los datos obtenidos en la captación?. Qué significado tienen los coeficientes a y b?. ¿Cuáles son las unidades de estos dos coeficientes?. 3. Calcula la pendiente de la recta aproximada. Anota este valor en la tabla de datos. 4. De acuerdo con la expresión que relacionaba la constante de proporcionalidad K entre la conductividad y la concentración (K=V0/M x pendiente de la recta), calcula el valor de K. Anota este valor en la tabla de datos del apartado siguiente. 5. Si no lo tienes en pantalla, recupera el archivo COND_AF1.SDX (opción “Archivo/Abrir archivo de captación (SDX)” ). ¿Qué tipo de curva crees que se ha obtenido (aproximadamente) en la captación: una recta, un parábola, una exponencial, una hipérbola, una senoide, ...?. 6. Selecciona la opción “Útiles/Función aproximada/Automática”( ) y dentro de las posibles curvas que tienes para elegir, selecciona la función lineal ax+b. Inmediatamente, se dibujará la recta de este tipo que más se aproxima a los puntos resultantes de la captación. Calcula la pendiente de la recta aproximada. Anota este valor en la tabla de datos. 7. De acuerdo con la expresión que relacionaba la constante de proporcionalidad K entre la conductividad y la concentración (K=V0/M x pendiente de la recta), calcula el valor de K. Anota este valor en la tabla de datos del apartado siguiente. 8. Compara las gráficas y datos relativos al NaOH con los relativos al HCl. A la vista de los resultados, ¿cuál de las dos sustancias es más conductora disuelta en agua?. ¿Cuál crees que es la causa?. 9. Con los datos experimentales de los que dispones, calcula cuántas veces es mayor conductora una disolución que la otra, es decir, calcula la relación de conductividades entre el NaOH y el HCl. Anótala en la tabla de datos. 10. Teniendo en cuenta los datos teóricos siguientes, calcula la conductividad molar límite del NaOH y del HCl. IÓN Na+ OH− H+ Cl−

CONDUCTIVIDAD MOLAR LÍMITE (S·cm2/mol) 50 199 349 76

11. Calcula, seguidamente, la relación teórica de conductividades entre el NaOH y el HCl, anótala en la tabla de datos y compárala con la obtenida experimentalmente en el punto 10. ¿Se aproximan estos valores o, por el contrario, son totalmente diferentes?.

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Q20-5

Conductividad en ácidos y bases

 Tablas de Datos Disolución

Concentración inicial M (mol/L)

Volumen de disolvente V0 (mL)

Pendiente de la recta aproximada

Constante K (mS ·cm 2/mol)

NaOH HCl

Teórica

Basada en los datos de la experiencia

Relación de conductividades entre el NaOH y el HCl

 Sugerencias de ampliación 1. Realizar esta misma experiencia utilizando un ácido débil y una base débil y comparar el comportamiento de ambos con respecto a un ácido fuerte y una base fuerte.

Química

Q20-7

Q20-P CONDUCTIVIDAD EN ÁCIDOS Y BASES  Comentarios generales 1. La base teórica se ha expuesto en la parte correspondiente al alumno, pero conviene que el profesor dedique cierto tiempo a que los alumnos entiendan lo que en ella se dice. 2. Preparación de las disoluciones La mayor parte de la preparación de la experiencia está asociada a la correcta preparación de las disoluciones indicadas. Esta correcta preparación de las disoluciones implica ciertos hábitos de trabajo en el laboratorio que pueden resumirse en dos: la limpieza del material debe realizarse siempre con el cuidado necesario y se debe cuidar también que los reactivos no se contaminen debido a manipulaciones incorrectas. Las disoluciones de ácidos y bases que se emplean en la experiencia se pueden preparar de la manera siguiente:  HCl, 1M: se miden 81 mL de HCl comercial (densidad 1,18 mg/L; 35,6%) y se diluyen en 1L.  NaOH, 1M: se pesan 40 g de NaOH y se diluyen en 1 L  Ácido acético (CH3COOH), 1M: se toman 60 mL de ácido acético comercial (densidad 1,05 g/mL; 98-99%) y se diluyen en 1L.  NH4OH, 2M: se diluyen 18 mL de amoníaco comercial (densidad 0,91 g/mL; 25%) en un 1 L. 3. Lavar bien la punta del electrodo de conductividad antes de medir cuando se cambia el tipo de disolución objeto de la medida. 4. Tiempo de preparación y realización: la preparación del material es prácticamente la misma para todas las valoraciones conductimétricas. Se puede prever unos 10 minutos para el montaje, suponiendo que todo lo neesario se encuentra a mano. Se aconseja que las disoluciones estén preparadas de antemano, ya que en caso contrario se podría perder mucho tiempo. La realización de cada valoración dura unos 15 minutos. El tratamiento posterior es muy rápido. Si se va corto de tiempo se pueden realizar dos valoraciones (se aconseja la de un ácido fuerte y un ácido débil o realizar una paralela de una base fuerte y una base débil), para poder ver la diferencia en la disociación. 5. Con respecto a los parámetros de la captación: en todas las valoraciones conductimétricas se empleará la captación modo PC y discreta. Esto significa que el programa medirá la conductividad cada vez que se pulse una tecla (normalmente la tecla [SPACE]), hasta que se hayan tomado el número total de medidas definido o bien se pulse la tecla [ESC]. En cuanto a los parámetros de esta captación discreta, pueden variar dependiendo del tipo de valoración. Algunas consideraciones con respecto a los mismos:  Número de medidas: este número se encuentra relacionado con el volumen de la bureta y el volumen que se añade a la disolución en cada una de las medidas. es importante no quedarse corto, ya que después de definir el número máximo de medidas no se puede cambiar. Si creemos que con el volumen de reactivo de la bureta podemos conseguir 25 puntos, pongamos 50 y acabar cuadno queramos pulsando la tecla [ESC]. No hay porqué esperar a conseguir los 50 puntos.  Incremento de la magnitud en el eje OX: se trata del volumen de reactivo que añadimos entre una medida y otra. La primera medida normalmente se realiza antes de añadir

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Conductividad en ácidos y bases

nada, es decir, para un volumen de 0 mL. Si se quiere realizar una valoración orientativa, el incremento de volumen puede ser grande, de 1 ó 2 mL. Si se quiere hacer más precisa, deberemos emplear incrementos de volumen de 0,5 mL. Tener en cuenta que el tiempo de espera entre dos medidas consecutivas debe ser el adecuado para garantizar que la agitación de la disolución ha permitido que la sustancia añadida desde la bureta ha reaccionado completamente al disolverse. 6. Para la realización de la valoración hay dos alternativas: a) La primera es similar a una valoración cuando se emplea un indicador. Se regula la llave de la bureta de forma que el goteo se realice a un ritmo razonable (de acuerdo al ritmo de agitación de la disolución) y cada vez que el nivel del menisco del reactivo pasa por el volumen definido en el incremento, pulsar la tecla [SPACE] para registrar el dato. Tiene un gran inconveniente: no podemos perder la lectura de la bureta en ningún momento; por lo que se hace desaconsejable para experiencias de demostración o bien cuando la experiencia la realizan los alumnos. b) Cada vez que se tenga que añadir el incremento de volumen, abrir la llave de la bureta, verter el incremento definido y volver a cerrarla. S esperan unos instantes a que el nuevo volumen añadido reaccione con la disolución que tenemos en el vaso de precipitados y se vuelve a repetir la operación anterior. Permite un mayor control de la situación, comentar la evolución de la gráfica, escribir en la pizarra,... Esta alternativa es la recomendada en el trabajo con los alumnos. Si el profesor se encuentra tranquilo y se trata de probar la experiencia, se puede tener en cuenta la primera alternativa, ya que es más rápida.

 Ejemplo de resultados

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 Respuestas del apartado “Análisis de datos” 1. Se puede apreciar que, aproximadamente, la representación gráfica es una línea recta. 2. Si la experiencia se ha realizado correctamente, la recta teórica aproximada se acerca bastante a la recta experimental obtenida. El coeficiente b es la pendiente de la recta y señala la proporcionalidad entre la conductividad de la disolución y el volumen de base NaOH. Sus unidades: mS·cm2/mol. El coeficiente a señala el valor de la conductividad en el origen, es decir, cuando no se le añade nada al volumen inicial de agua. Representa, por tanto, la conductividad del agua empleada como disolvente. Sus unidades: mS/cm. 3. Según la ecuación de la recta aproximada, la pendiente tiene un valor de 3,29 mS·cm2/mol 4. KNaOH = V0/M · (pendiente de la recta) = 50/1 · 3,29 ≈ 164 5. Al igual que en el caso del NaOH, se aprecia claramente que se aproxima a una línea recta. 6. Según la ecuación de la recta aproximada, la pendiente tiene un valor de 5,2 mS·cm2/mol 7. KHCl = V0/M · (pendiente de la recta) = 50/1 · 5,2 = 260 8. Es más conductora la disolución de HCl porque su conductividad es mayor, tal y como puede apreciarse en la mayor pendiente de la recta. La causa es debida a que la conductividad de los iones H+ y Cl− formados por la disolución del HCl en agua es mucho mayor que la de los iones OH− y Na+ formados por la disolución del NaOH en agua. La conductividad del ión H +, especialmente, es mucho mayor que el resto de iones de estas sustancias, debido a su pequeño tamaño. 9. Si dividimos las constantes de proporcionalidad del NaOH y HCl, esta relación nos dará directamente la relación existente entre sus conductividades, ya que ambos parámetros son proporcionales en el caso que nos ocupa (ácido y base fuerte). El ratio es KHCl/KNaOH= 1,58

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y se puede interpretar diciendo que el HCl disuelto es unas 1,58 veces más conductor que el NaOH. 10. Conductividad molar límite del NaOH = 199+50= 249

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Conductividad molar límite del HCl = 349+76= 425 11. La relación entre conductividades molares límite señala también la relación entre conductividades de las dos sustancias, ya que ambos parámetros son proporcionales en este caso. El ratio teórico es, por tanto: rteorico= 425/249=1,7 Teniendo en cuenta las aproximaciones realizadas (que el volumen V de sustancia añadido al inicial de agua V0 es tan pequeño comparado con él, que podemos decir que la conductividad es proporcional al volumen V) y los errores experimentales presentes en toda experiencia práctica, el valor experimental de 1,58 podemos darlo como bueno con respecto al valor teórico de 1,7.

 Tablas de Datos Disolución

Concentración inicial M (mol/L)

Volumen de disolvente V0 (mL)

Pendiente de la recta aproximada

Constante K (mS·cm 2/mol)

NaOH

3,29

164

HCl

5,2

260

Relación de conductividades entre el NaOH y el HCl

Teórica

Basada en los datos de la experiencia

1,70

1,58

 Sugerencias de ampliación 1. Si se realiza la experiencia con una base débil (NH 3, 2M) y un ácido débil (ácido acético, CH3COOH, 1M), se puede apreciar que la curva ya no se aproxima a una recta, es decir, la conductividad no es directamente proporcional a la concentración, pero se puede apreciar que si lo es con respecto al cuadrado de la concentración.

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