Práctica. Conductividad eléctrica de las sustancias.

Transcripción

1 Práctica. Conductividad eléctrica de las sustancias. Todo obstáculo cede al esfuerzo persistente, predeterminado. Leonardo Da Vinci. Marco teórico o Introducción (Información básica). Un sistema puede estar fuera de equilibrio porque la materia o la energía, o ambas, están siendo transportadas entre el sistema y sus alrededores o entre una y otra parte del sistema. A estos fenómenos se les llama fenómenos de transporte. La parte de la ciencia que estudia las velocidades y los mecanismos de los fenómenos de transporte se llama cinética física. Ejemplo, la difusión, la viscosidad, el flujo de fluidos, movimiento browniano, conductividad eléctrica. En 1813, Michael Faraday realizó experimentos de la descomposición de soluciones de ácidos, bases y sales mediante la corriente eléctrica. Con la ayuda del historiador de la ciencia William Whewell, inventó un vocabulario para estudios de electroquímica. Ion en griego significa el que va; Los cationes son los iones de carga positiva, que se mueven por el electrolito hacia el cátodo (en griego, cuesta abajo). Los aniones son los iones de carga negativa que se dirigen al ánodo (en griego, cuesta arriba). Un faraday = C/mol = Coulomb/mol. Es la unidad de capacidad eléctrica y es la cantidad de carga en coulombs que lleva un mol de iones de una sola carga. 1 e = 1.60x10-19 C. Por lo tanto: F = (L)(e) = constante de Avogadro. La conductividad de los electrolitos siguen la ley de Ohm (V = RI, diferencia de voltaje o potencial = (Resistencia)(Intensidad). La conductividad es independiente de la diferencia de potencial. La capacidad de que tiene un electrolito de conducir la electricidad no es algo producido por el campo eléctrico aplicado. Los electrolitos son compuestos que al formar una solución acuosa se disocian en iones haciendo que la solución acuosa sea un conductor eléctrico. Los iones transportan a las cargas eléctricas. Con base en la conductividad de los electrolitos, los clasificaron en electrolitos fuertes (por ejemplo, sales y ácidos fuertes como el nítrico y el clorhídrico) tienen conductividades molares altas que aumentan ligeramente al incrementar su dilución. Los electrolitos débiles (como el ácido acético y otros

2 ácidos orgánicos y el amoníaco acuoso) tienen conductividades molares mucho más bajas a concentraciones elevadas; pero sus valores aumentan considerablemente al incrementar su dilución. Un conductor es el material que opone poca resistencia al flujo de electrones a través de él. Conductividad eléctrica es la medida de la facilidad con la que los electrones pueden fluir a través de material y producir una corriente eléctrica. La conductividad eléctrica es un fenómeno de transporte en el cual la carga eléctrica (en forma de electrones o iones) se mueve a través del sistema. Q = Ixt = (cantidad de carga) = (Intensidad)(tiempo). Sustituyendo las unidades se tiene: C = (A)(s). La corriente eléctrica representa transferencia de cargas. La carga puede conducirse a través de electrolitos líquidos puros o soluciones que contengan electrolitos mediante metales. La conductividad iónica o electrolítica es la conducción de corriente eléctrica por el movimiento de iones a través de una solución o un líquido puro. Los iones con carga positiva migran hacia el electrodo negativo, mientras que los iones con carga negativa migran hacia el electrodo positivo. De 1869 a 1880, Friedrich Kohlrausch y colaboradores publicaron mediciones de la conductividad a diferentes temperaturas, presiones y concentraciones. Usaron agua purificada por 42 destilaciones sucesivas al vacío. La conductividad de los electrolitos siguen la ley de Ohm (V = RI; Diferencia de voltaje o potencial = (Resistencia)(intensidad). La conductividad es independiente de la diferencia de potencial. La capacidad de que tiene un electrolito de conducir la electricidad no es algo producido por el campo eléctrico aplicado. Ampere (A) es la unidad de intensidad de corriente eléctrica (I). 1 A = C/s. Ohm (Ω) es la unidad de resistencia eléctrica y es igual a la resistencia que opone un conductor cuando la diferencia de potencial es de un volt y la intensidad de la corriente es de un ampere. Volt (V) es la unidad de potencial y se define como la fuerza electromotriz necesaria para que pase la corriente de un ampere a través de una resistencia de un ohm. Coulomb (C) es la unidad práctica de carga y se define como la cantidad de electricidad que fluye a través de una sección transversal de un conductor en un segundo, cuando la corriente es de un ampere. La unidad de carga eléctrica es el coulomb (C) y se define como la cantidad de carga que atraviesa un punto determinado cuando se Hace fluir un ampere (A) de corriente eléctrica durante un segundo. Un ampere de corriente es igual a un coulomb por segundo. Un faraday es igual a la carga de coulombs. 1 ampere = 1 coulomb/segundo. Expresado en unidades: 1 A = 1C/s. 1 faraday = C. En 1887, el fisicoquímico sueco Svante Arrhenius (19-II-1859=2-X-1927) propuso una nueva teoría para explicar el comportamiento de las soluciones de electrolitos. Postuló que hay un equilibrio en una solución entre las moléculas de solutos no disociadas y los iones que se originan de éstos por disociación electrolítica. Los ácidos y las bases están casi completamente disociados, por lo cual su interacción en todos los casos equivale a: H + + OH H 2 O; esto explica la constancia de la entalpía de neutralización. En 1887, el fiscoquímico holandés Jacobus Henricus van t Hoff (30-VIII-1852=1-III-1911) publicó sus resultados de estudios de la presión osmótica de las soluciones: = icrt. Donde el factor i de van t Hoff para los electrolitos fuertes se aproximaba al número de iones que se formarían en caso de que la molécula de soluto se disociara totalmente, según lo establecido en la teoría del fisicoquímico sueco Svante Arrhenius (19-II-1859=2-X-1927). Na 2 SO 4(s) H 2 O 2 Na + (ac) + SO 2 4(s) donde i = 3.

3 Cuando el agua disuelve a un sólido iónico, hace posible el flujo de corriente eléctrica a través de la solución. El flujo de corriente eléctrica en la solución implica el movimiento de partículas cargadas. Cuando el cloruro de sodio, NaCl, se disuelve en agua se separan (disocian) los iones que forman el sólido, NaCl, y se mueven hacia el electrodo de carga opuesta al ión. Cada ión se solvata, rodeándose de moléculas de agua, y se mueven a través de la solución. NaCl (s) H 2 O Na + (ac) + Cl (ac) En los electrolitos al número de iones que se forman al entrar en solución, se le llama factor i de Van t Hoff. Los iones de una solución no se comportan independientemente uno de otro, hay interacciones inter-iónicas (Ley límite de Peter Debye y Erch Hükel, 1923). El factor i de van t Hoff para los electrolitos fuertes se aproxima al número de iones que se formarían en caso de que la molécula de soluto se disociara, según lo establecido en la teoría de Arrhenius. Por ejemplo, para el NaCl, i = 2, Na + + Cl ; para BaCl 2, i = 3, Ba Cl ; etc. Para que el foco se encienda (donde el electrolito cierra el circuito eléctrico) es necesario que la corriente eléctrica fluya entre los dos electrodos. Problema. Cómo se puede observar cualitativamente la conductividad eléctrica de diferentes soluciones acuosas? Hipótesis. Debido a que los iones son partículas con carga eléctrica positiva o negativa pueden conducir la electricidad, por lo que se espera que las soluciones acuosas iónicas conduzcan la electricidad. Objetivos El alumno detectará la presencia de iones en una solución acuosa o en un líquido midiendo la capacidad para conducir la corriente eléctrica, utilizando un aparato adecuado para que se cierre un circuito eléctrico. El alumno identificará y clasificará las diferentes sustancias según el tipo de electrolito al que corresponda. Sustancias: Agua destilada, cloruro de sodio, cloruro de hierro III, sacarosa (por hidrólisis produce glucosa, fructosa), maltosa, glicerina, manosa, galactosa, lactosa, etanol (pe = 78ºC y ps = 114ºC), sulfato de cobre II, cloruro de potasio, carbonato ácido de sodio, etc. Material y equipo. Agua destilada. 2 vasos de precipitados de 250 ml. Aparato (fuente externa de electricidad, extensión con clavija y un foco, y electrodos de carbono, grafito) para probar la conductividad eléctrica de diferentes compuestos. Procedimiento. 1. Colocar una cantidad del compuesto muestra. Introducir los electrodos (puntas del alambre descubierto), alejarlos y acercarlos dentro de la sustancia evitando que se toquen. Anotar las observaciones en el cuaderno y explicar lo ocurrido. 2. Preparar una solución del compuesto, del caso anterior. Introducir los electrodos (puntas del alambre descubierto), alejarlos y acercarlos dentro de la sustancia evitando que se toquen. 3. Anotar las observaciones en el cuaderno y explicar lo ocurrido. (Haz un esquema o dibujo del proceso con el equipo utilizado).

4 4. Indicar el tipo de enlace que tiene el compuesto usado en cada experimento. Contesta el cuestionario. 1. Escribe el nombre químico y la fórmula de 4 electrolitos. 2. Escribe la ecuación química de la disociación en agua de los electrolitos, señalados en Define conductividad eléctrica de una solución. 4. Qué es una solución acuosa? 5. Define ión, anión y catión, y escribe 2 ejemplos de cada uno de ellos. 6. Define solvatación y escribe un ejemplo. 7. Define electrolito y escribe 4 ejemplos. 8. Define cantidad de carga y escribe su fórmula. 9. Escribe la ley de Ohm y define cada término e indica las unidades en que se miden. 10. Explica qué es el factor de Van t Hoff y escribe 2 ejemplos. 11. Explica la relación que hay entre la conductividad eléctrica de una solución acuosa y el enlace químico del soluto. Procesos de razonamiento crítico: Observar y distinguir propiedades de diferentes compuestos. Comparar y contrastar propiedades; predecir; reconocer causas y efectos; deducir; elaboración y uso de tablas; analizar las evidencias para concluir; establecer semejanzas y diferencias; interpretación de datos; elaborar conclusiones; sintetizar para elaborar conceptos. Comprensión, conexión y aplicación de conceptos. Actitudes del alumno: Interés, curiosidad, creatividad e imaginación. Iniciativa, perseverancia y autonomía. Flexibilidad de pensamiento. Escepticismo informado. Respeto a los demás. Responsabilidad. Libertad. Honestidad. Solidaridad. Bibliografía. - Garzón G. Guillermo Fundamentos de Química General. Segunda edición con manual de laboratorio. Mc Graw-Hill. México. - Petrucci-Harwood-Herring Química General. Prentice Hall; Pearson Educación. España. - Levine N. Ira Fisicoquímica. McGraw-Hill Interamericana México. - Moore J. Walter Fisicoquímica Básica. Prentice Hall Interamericana. México. - Silberberg Martin S Química. La naturaleza molecular del cambio y la material. McGraw-Hill Interamericana Editores. México. Elaborada por Ramón Tamayo Ortega. Septiembre 2013

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