PRÁCTICAS PUNTO FUSIÓN Y EBULLICIÓN, CALOR LATENTE PRÁCTICA: FECHA: EQUILIBRIO TÉRMICO I FUNDAMENTO: La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto por tanto no depende de su tamaño. Al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energía al de menos temperatura hasta que sus temperaturas se igualan. Se alcanza así lo que llamamos "equilibrio térmico". La energía calorífica (calor) no pasa del cuerpo que tiene más energía al que tiene menos sino del que tiene mayor temperatura al que la tiene menor. MATERIALES Y REACTIVOS: - Vasos de precipitados de 250 cm 3. - Tubo de ensayo 15 cm 3. - Probeta 100 cm 3. - Pipeta 10 cm 3. - Placa calefactora. - 2 termómetros de 10 ºC a 100 ºC. - Reloj o cronómetro. - Pie o soporte. - Pinzas para termómetro. - Papel milimetrado u ordenador con hoja de cálculo Excel. SLA1 ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 1 de 118
PRÁCTICAS PUNTO FUSIÓN Y EBULLICIÓN, CALOR LATENTE PROCEDIMIENTO: 1. Tomar un vaso de precipitados de 250 cm 3 y verter en él 100 cm 3 de agua destilada. 2. Introducir un termómetro en el vaso y anotar la temperatura indicada (T v 0 ). 3. Preparar un baño maría sobre una placa calefactora con un vaso de precipitados de 250 cm 3 agua con unos 150 cm 3. 4. Tomar un tubo de ensayo de unos 20 cm 3. Echar en el tubo de ensayo 10 cm 3 de agua destilada. 5. Introducir un termómetro en el tubo de ensayo. 6. Colocar el tubo de ensayo en el baño maría y comenzar a calentar. 7. Calentar hasta que el termómetro indique una temperatura entre 85 ºC y 90 ºC. Anotar la temperatura (T t 0 ). Procurar que el termómetro no toque las paredes del termómetro durante el calentamiento. 8. Retirar rápidamente el tubo con el agua e introducir en el vaso de precipitados con el agua fría tal y como se indica en la figura. 9. Anotar las temperaturas de los dos termómetros en intervalos de 30 segundos hasta que se alcance el equilibrio térmico cuando los dos termómetros indiquen la misma temperatura. 10. Construir la gráfica de equilibrio. SLA1 ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 2 de 118
PRÁCTICAS PUNTO FUSIÓN Y EBULLICIÓN, CALOR LATENTE TABLA DE RESULTADOS Y GRÁFICA: La gráfica obtenida será similar a la que se muestra a continuación. Equilibrio térmico Tiempo (min) T t agua tubo (ºC) T v agua vaso (ºC) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 SLA1 ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 3 de 118
PRÁCTICAS PUNTO FUSIÓN Y EBULLICIÓN, CALOR LATENTE Tª ºC 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tiempo minutos OBSERVACIONES: SLA1 ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 4 de 118
PRÁCTICAS PUNTO FUSIÓN Y EBULLICIÓN, CALOR LATENTE EQUILIBRIO TÉRMICO II PROCEDIMIENTO: Ahora vamos a realizar el equilibrio térmico siendo el tubo de ensayo el que contienen el líquido frio y el vaso el que contiene el líquido caliente. 1. Tomar un tubo de ensayo de unos 20 cm 3. Echar en el tubo de ensayo 10 cm 3 de agua destilada. Introducir un termómetro y anotar la temperatura (T t 0 ). 2. Medir con una probeta 100 cm 3 de agua destilada. 3. Tomar un vaso de precipitados de 250 cm 3 y verter en él los 100 cm 3 de agua destilada. 4. Colocar el vaso sobre la placa calefactora. 5. Introducir un termómetro en el vaso con ayuda de un soporte y pinzas sin que el termómetro toque las paredes del vaso. 6. Iniciar el calentamiento hasta que el agua alcance una temperatura entre 68 ºC y 72 ºC). Anotar la temperatura alcanzada (T v 0 ). 7. Retirar el vaso con cuidado de la placa calefactora y realizar el montaje de la figura. El tubo de ensayo con los 10 cm 3 en el vaso con los 100 cm 3. 8. Anotar las temperaturas de los dos termómetros en intervalos de 30 segundos hasta que se alcance el equilibrio térmico cuando los dos termómetros indiquen la misma temperatura. 9. Construir la gráfica de equilibrio. SLA1 ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 5 de 118
PRÁCTICAS PUNTO FUSIÓN Y EBULLICIÓN, CALOR LATENTE TABLA DE RESULTADOS Y GRÁFICA: Obtendremos en esta ocasión una gráfica similar a esta. Equilibrio térmico Tiempo (min) T t agua tubo (ºC) T v agua vaso (ºC) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 SLA1 ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 6 de 118
PRÁCTICAS PUNTO FUSIÓN Y EBULLICIÓN, CALOR LATENTE Tª ºC 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tiempo minutos OBSERVACIONES: SLA1 ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 7 de 118
PRÁCTICAS PUNTO FUSIÓN Y EBULLICIÓN, CALOR LATENTE PRÁCTICA: FECHA: COMPROBACIÓN DE UN TERMÓMETRO. CALIBRACIÓN. FUNDAMENTO: La calibración de un termómetro es muy importante a la hora de determinar con precisión temperaturas, puntos de fusión y puntos de ebullición. Se trata de comprobar dos temperaturas de un termómetro tomando como referencias los puntos de fusión del hielo y de ebullición del agua a la presión ambiente. Se puede comprobar además que la temperatura de ebullición de un líquido no es siempre la misma, sino que depende del lugar geográfico y de las condiciones climatológicas. También se puede comprobar que durante los cambios de estado las temperaturas permanecen constantes. MATERIALES Y REACTIVOS. Aro soporte. Barómetro. Embudo. Mechero. Nuez doble. Pinzas de bureta. Probeta de 100 cm 3. Rejilla. Temómetro de -10 ºC a +100 ºC. Vasos de precipitados. Cuerda. Papel milimetrado. Varilla de agitación. Tablas variación puntos ebullición y fusión del agua con la presión. SLA1 ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 8 de 118
PROCEDIMIENTO: DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE FUSIÓN DEL HIELO: 1. Realizar el montaje de la figura. 2. Machacar el hielo en trocitos pequeños y colocarlos en el embudo. 3. Colocar el termómetro (el bulbo debe quedar cubierto por el hielo). 4. Añadir algo de agua y cuando comience a fundirse el hielo y gotear, anotar la temperatura. 5. Repite la lectura a intervalos de tiempo de un minuto hasta que se estabilice la posición del mercurio en el termómetro. 6. Esta operación también puede realizarse con un calorímetro. RESULTADOS: DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE FUSIÓN DEL HIELO: Temperaturas (ºC):.,,..,..,.. Temperatura estabilizada:. Temperatura esperada según tablas:.. Error del termómetro (0 ºC):.. NOTA: el punto de fusión del hielo y de cualquier sustancia no varía significativamente con la presión. En el caso del agua unos 0,0072 ºC por cada atmósfera de presión por lo que podemos considerar a presiones atmosféricas habituales la temperatura de fusión del hielo de 0 ºC. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 9 de 118
PROCEDIMIENTO: DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN DEL AGUA: 1. Realizar el montaje de la figura. 2. Colocar agua en el erlenmeyer hasta una altura de unos 5 cm. y calentar con la placa calefactora hasta observar que el agua empieza a hervir. 3. Efectuar lecturas cada minuto hasta observar que la columna de mercurio se estabiliza. 4. Anotar los resultados obtenidos. 5. Consultar el barómetro y anotar el valor de la presión atmosférica. En el caso de que el termómetro no esté totalmente inmerso en el vapor es necesario hacer una corrección debido a la columna emergente. Corrección (ºC) = K L (T obs T amb ) Donde: K = coeficiente de expansión diferencial entre el líquido y el vidrio (1/6000). L = longitud no expuesta al vapor, expresada en ºC. T obs = temperatura observada en el termómetro. T amb = temperatura a la que está expuesto el resto del termómetro = temperatura ambiente DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN DEL AGUA: Temperaturas (ºC):.,,..,..,.. Temperatura estabilizada y corregida:. Temperatura esperada según tablas:.. Error del termómetro (100 ºC):.. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 10 de 118
EXPRESIÓN DE LOS RESULTADOS: Debemos determinar la presión del laboratorio para efectuar correcciones a la lectura del termómetro. Precisamos también tablas de temperatura ebullición según la presión atmosférica. Presión atmosférica mm de Hg Temperatura de ebullición ºC Presión atmosférica mm de Hg Temperatura de ebullición ºC 633,9 657,6 682,1 707,3 733,2 760,0 95 96 97 98 99 100 787,5 815,8 845,1 875,0 906,1 101 102 103 104 105 La temperatura del termómetro se traduce en verdadera con la fórmula siguiente: t v tmedida ( error punto 0) = (100 + error punto 100) ( error punto 100 0) Presión atmosférica laboratorio Temperatura fusión hielo presión laboratorio Temperatura medida termómetro fusión hielo Calibración de un termómetro ºC ºC Temp. ebullición agua a presión laboratorio Temperatura medida ebullición agua mm Hg Error de 0 ºC ºC Error de 100 ºC ºC Conversión de medidas del termómetro a medidas verdaderas: tmedida ( error punto 0) tv = (100 + error punto 100) ( error punto 100 0) Medida 1 ºC Medida verdadera 1 ºC Medida 2 ºC Medida verdadera 2 ºC Medida 3 ºC Medida verdadera 3 ºC ºC ºC GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 11 de 118
CUESTIONES: Observaciones a lo determinado en la práctica. Busca los resultados obtenidos por otros grupos e indica qué termómetros han resultado más fiables: los de alcohol o los de mercurio? Con qué otras sustancias podríamos realizar la calibración de un termómetro? GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 12 de 118
PRÁCTICA: FECHA: DETERMINACIÓN DE PUNTOS DE FUSIÓN DE SÓLIDOS CON TUBO DE THIELE FUNDAMENTO: El punto de fusión tiene un valor constante en los compuestos puros y sirve de valiosa ayuda en la identificación de productos orgánicos sólidos. Los compuestos puros tienen un rango de fusión de 0,1 0,3 ºC, mientras que los menos puros tienen un rango de 2 3 ºC. Se considera una pureza aceptable cuando el rango es de 1 ºC. El punto de fusión de un sólido cristalino es la temperatura a la cual la sustancia sólida cambia del estado sólido al líquido. Existen varios métodos para la determinación del punto de fusión (tubo de thiele, aparato de Büchi o con microscopio Kofler). En esta determinación utilizaremos el tubo de Thiele. En este tubo se produce el calentamiento en el asa con el fin de producir una corriente de líquido caliente que sigue el sentido de circulación representado en la figura. El calentamiento se ha de producir en el asa con un ligero movimiento del mechero de forma horizontal y retirándolo de vez en cuando para evitar la formación de burbujas. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 13 de 118
MATERIALES Y REACTIVOS. Sólido problema: azufre, naftaleno, ácido acetil salicílico, Líquido calefacción (agua, aceite de calefacción, glicerina...) Tubo de thiele. Termómetro de -10 ºC a +100 ºC. Mechero. Pinzas soporte. Tubos capilares. Alambre o hilo fino. Gomas sujeción o hilo fino. Mortero de porcelana. Balanza. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 14 de 118
PROCEDIMIENTO: 1. Se toma un tubo capilar abierto y se cierra por un extremo a la llama del mechero. 2. Pulverizar finamente en un mortero 1 gramo de muestra a ensayar. 3. Se toman 0,1 gramos de sustancia en un tubo capilar, golpeando ligeramente éste sobre la mesa para que entre la sustancia hasta, aproximadamente, la mitad del capilar. En esta fase podemos ayudarnos de un alambre o hilo para ir compactando la muestra. 4. Se adosa el capilar al termómetro con ayuda de unas gomas o hilos. El producto debe estar a la misma altura que el bulbo del termómetro 5. Se coloca todo en el aparato de thiele y se calienta con cuidado el codo del aparato de thiele. En este momento cuidar de colocar el capilar con la muestra a la altura de la salida del codo del Thiele. 6. Se calienta con cuidado el asa del Thiele. El calentamiento se ha de producir en el asa con un ligero movimiento del mechero de forma horizontal y retirándolo de vez en cuando para evitar la formación de burbujas. La velocidad más adecuada sería aquella que consiga un aumento de temperatura de unos 2 ºC por minuto. 7. Se observa continuamente el capilar con la muestra hasta que se produce la fusión (normalmente, la muestra se vuelve incolora). Anotar la temperatura en ese momento. Esta temperatura la tomaremos como aproximación para las posteriores determinaciones. 8. Repetir el ensayo otras tres ocasiones para obtener el punto de fusión como media de estas tres determinaciones. Como ya conocíamos la temperatura aproximadamente el calentamiento será más lento en las proximidades del punto de fusión. 9. Busca en una tabla el compuesto del que puede tratarse según el punto de fusión obtenido Compuesto Punto de fusión ºC Xileno Ácido oleico Fenol Benzofenona Difenilamina Ácido palmítico Ácido esteárico Naftaleno Acetamida Ácido cítrico (hidratado) Ácido oxálico (hidratado) Resorcina Ácido benzoico Ácido salicílico Ácido cítrico Hidroquinona Ácido ftálico 13 16 42,5 48 54 62,9 69 80 82 100 101 110 121,7 159 153 169 206 GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 15 de 118
RESULTADOS: Punto de fusión con tubo de Thiele Muestra nº 1 Aspecto, color Ensayo nº 1 (aproximado) ºC Ensayo nº 3 ºC Ensayo nº 2 ºC Ensayo nº 4 ºC Valor medio ensayos 2, 3 y 4: ºC Qué sustancia podría ser? Muestra nº 2 Aspecto, color Punto de fusión con tubo de Thiele Ensayo nº 1 (aproximado) ºC Ensayo nº 3 ºC Ensayo nº 2 ºC Ensayo nº 4 ºC Valor medio ensayos 2, 3 y 4: ºC Qué sustancia podría ser? Muestra nº 3 Aspecto, color Punto de fusión con tubo de Thiele Ensayo nº 1 (aproximado) ºC Ensayo nº 3 ºC Ensayo nº 2 ºC Ensayo nº 4 ºC Valor medio ensayos 2, 3 y 4: ºC Qué sustancia podría ser? GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 16 de 118
EXPERIENCIA 2: 1. Toma unos trocitos de corcho y échalos en el thiele con agua. 2. Comienza el calentamiento y observa como los trocitos de corcho se mueven siguiendo las líneas de convección marcadas en el dibujo. OBSERVACIONES: GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 17 de 118
PRÁCTICA: FECHA: DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN POR DESTILACIÓN SIMPLE EN EQUIPO SEMI-MICRO FUNDAMENTO: La energía cinética de las moléculas de un líquido está cambiando continuamente a medida que chocan con otras moléculas. En cualquier instante, algunas de las moléculas de la superficie adquieren la suficiente energía para superar las fuerzas atractivas y escapan a la fase gaseosa ocurriendo la evaporación. La velocidad de evaporación aumenta a medida que se eleva la temperatura del líquido. La temperatura de ebullición es aquella a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión externa. En este punto, el vapor no solamente proviene de la superficie sino que también se forma en el interior del líquido produciendo burbujas y turbulencia que es característica de la ebullición. La temperatura de ebullición permanece constante hasta que todo el líquido se haya evaporado. El punto de ebullición que se mide cuando la presión externa es de 1 atm se denomina temperatura normal de ebullición y se sobreentiende que los valores que aparecen en las tablas son puntos normales de ebullición Corrección de la temperatura de ebullición En el caso de los líquidos, la temperatura de ebullición se ve afectada por los cambios en la presión atmosférica debidos a las variaciones en la altura. Cuanto más elevado se encuentra un sitio, la temperatura de ebullición se hace menor. A una altura de 1500 m ó 0,84 atm, el agua ebulle a 95 C mientras que al nivel del mar el agua hierve a 100 C. Se hace, por tanto, necesario corregir la temperatura normal de ebullición en un factor proporcional a la diferencia de presiones. Los factores de corrección se muestran en la tabla siguiente y dependen de la polaridad del líquido. Tabla: Factores de correción del punto de ebullición por cambios en la presión Variación en T por p = 10 mm Hg T eb normal ( C) Líquidos no polares Líquidos polares 50 0,380 0,320 60 0,392 0,330 70 0,404 0,340 80 0,416 0,350 90 0,428 0,360 100 0,440 0,370 110 0,452 0,380 120 0,464 0,390 130 0,476 0,400 GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 18 de 118
Ejemplo 1: La temperatura normal de ebullición del agua es de 100 C. Cuál será el punto de ebullición del agua en una localización a 1500 m de altura (p = 640 mm Hg) y a 2600 m (p = 560 mm Hg)? Para 2500 m: p = 760 mm Hg 640 mm Hg = 120 mm Hg F c = 120 mm Hg x 0,370 C/10 mm Hg = 4,4 C T e = 100 C 4,4 C = 95,6 C Para 2600 m: p = 760 mm Hg 560 mm Hg = 200 mm Hg F c = 200 mm Hg x 0,370 C/10 mm Hg = 7,4 C T e = 100 C 7,4 C = 92,6 C Ejemplo 2: La temperatura de ebullición del n-butanol (polar) a 1500 m es de 112 C, cuál será el punto de ebullición normal del n-butanol? p = 760 mm Hg 640 mm Hg = 120 mm Hg F c = 120 mm Hg x 0,382 C/10 mm Hg = 4,6 C T e = 112 C + 4,6 C = 117 C Nótese que para 112 C, el valor del factor de corrección en la tabla se estima aproximadamente por interpolación. OBJETIVO: Realizar la destilación de sustancias puras para determinar su punto de ebullición cuando se produzca la constancia en la temperatura. MATERIALES Y REACTIVOS. Sustancia o muestra a ensayar: alcohol, acetona, n-butanol Líquido calefactor: agua para temperaturas de ebullición menores a 100 ºC y glicerina o aceite calefactor para temperaturas de ebullición mayores de 100 ºC. Equipo semi-micro para destilación. Soportes y pinzas. Termómetro. Barómetro. Gomas para conexión y refrigeración. Perlas para matraz de destilación. Placa calefactora. Vaso de precipitados grande, de unos 500 cm 3 o baño de agua para calefacción. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 19 de 118
PROCEDIMIENTO: 1. Realizar el montaje de la figura utilizando el equipo semi-micro. 2. Echar unas perlas de vidrio en el matraz de destilación hasta cubrir unos 0,5 cm del fondo. 3. Realizar la conexión de las gomas a la toma de agua y al desagüe. 4. Echar la solución o muestra a ensayar en el matraz de destilación, aproximadamente unos 50 cm 3. 5. Sumergir en un baño calefactor (puede ser con agua, aceite de calefacción o glicerina). Para ello utilizaremos un vaso de precipitados grande. 6. Medir la presión atmosférica momentos antes de comenzar con la destilación. Anotar este valor en la tabla (P 1 ). 7. Comenzar la calefacción del baño con placa calefactora. 8. Anota la temperatura de ebullición cuando se haya mantenido constante durante varios minutos. 9. Dejar enfriar y volver a realizar la determinación, hasta un total de 3 ocasiones. NOTA: al ser volúmenes muy pequeños de muestra no es necesario un calentamiento muy rápido del baño calefactor. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 20 de 118
RESULTADOS: Muestra nº 1 Presión atmosférica (P 1 ) Determinación del punto de ebullición con equipo de destilación semi-micro POLAR/APOLAR mm Hg Ensayo nº 1 ºC Ensayo nº 3 ºC Ensayo nº 2 ºC Ensayo nº 4 ºC Valor medio punto de ebullición medido (T em ) ºC Corrección punto ebullición con la presión (760 mm Hg P 1 ) Factor corrección tabla Punto de ebullición real (T em + Corrección) ºC ºC Muestra nº 2 Presión atmosférica (P 1 ) Determinación del punto de ebullición con equipo de destilación semi-micro POLAR/APOLAR mm Hg Ensayo nº 1 ºC Ensayo nº 3 ºC Ensayo nº 2 ºC Ensayo nº 4 ºC Valor medio punto de ebullición medido (T em ) ºC Corrección punto ebullición con la presión (760 mm Hg P 1 ) Factor corrección tabla Punto de ebullición real (T em + Corrección) ºC ºC Muestra nº 3 Presión atmosférica (P 1 ) Determinación del punto de ebullición con equipo de destilación semi-micro POLAR/APOLAR mm Hg Ensayo nº 1 ºC Ensayo nº 3 ºC Ensayo nº 2 ºC Ensayo nº 4 ºC Valor medio punto de ebullición medido (T em ) ºC Corrección punto ebullición con la presión (760 mm Hg P 1 ) Factor corrección tabla Punto de ebullición real (T em + Corrección) ºC ºC GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 21 de 118
CUESTIONES: 1. Busca la definición de sustancia polar y sustancia apolar. Pon ejemplos de cada caso. 2. Busca la altitud de la población de Logroño y la presión atmosférica esperada a esa altitud. 3. Para qué se utilizan las perlas de vidrio en la ebullición? OBSERVACIONES GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 22 de 118
PRÁCTICA: FECHA: DETERMINACIÓN PUNTO DE EBULLICIÓN POR EL MÉTODO DEL CAPILAR FUNDAMENTO: Cuando la ebullición comienza en un líquido el vapor formado no solo proviene de la superficie si no que puede generarse en distintos puntos. El vapor se forma en las imperfecciones del vidrio o en puntos donde se forman burbujas y turbulencias características de la ebullición. Al comenzar la ebullición se producen burbujas en el interior del líquido que tienen preferencia para formarse en el extremo del tubo capilar. Corrección de la temperatura de ebullición En el caso de los líquidos, la temperatura de ebullición se ve afectada por los cambios en la presión atmosférica debidos a las variaciones en la altura. Cuanto más elevado se encuentra un sitio, la temperatura de ebullición se hace menor. A una altura de 1500 m ó 0,84 atm, el agua ebulle a 95 C mientras que al nivel del mar el agua hierve a 100 C. Se hace, por tanto, necesario corregir la temperatura normal de ebullición en un factor proporcional a la diferencia de presiones. Los factores de corrección se muestran en la tabla siguiente y dependen de la polaridad del líquido. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 23 de 118
Tabla: Factores de corrección del punto de ebullición por cambios en la presión Variación en T por p = 10 mm Hg T eb normal ( C) Líquidos no polares Líquidos polares 50 0,380 0,320 60 0,392 0,330 70 0,404 0,340 80 0,416 0,350 90 0,428 0,360 100 0,440 0,370 110 0,452 0,380 120 0,464 0,390 130 0,476 0,400 Ejemplo 1: La temperatura normal de ebullición del agua es de 100 C. Cuál será el punto de ebullición del agua en una localización a 1500 m de altura (p = 640 mm Hg) y a 2600 m (p = 560 mm Hg)? Para 2500 m: p = 760 mm Hg 640 mm Hg = 120 mm Hg F c = 120 mm Hg x 0,370 C/10 mm Hg = 4,4 C T e = 100 C 4,4 C = 95,6 C Para 2600 m: p = 760 mm Hg 560 mm Hg = 200 mm Hg F c = 200 mm Hg x 0,370 C/10 mm Hg = 7,4 C T e = 100 C 7,4 C = 92,6 C Ejemplo 2: La temperatura de ebullición del n-butanol (polar) a 1500 m es de 112 C, cuál será el punto de ebullición normal del n-butanol? p = 760 mm Hg 640 mm Hg = 120 mm Hg F c = 120 mm Hg x 0,382 C/10 mm Hg = 4,6 C T e = 112 C + 4,6 C = 117 C Nótese que para 112 C, el valor del factor de corrección en la tabla se estima aproximadamente por interpolación. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 24 de 118
MATERIALES Y REACTIVOS. Sustancia o muestra a ensayar: alcohol, acetona, Tubo de ensayo pequeño. Termómetro. Tubo de ensayo de 225 x 25. Tubo capilar cerrado por un extremo. Vaso de precipitados de 250 cm 3. Gomas para sujeción capilar al termómetro. Soportes y pinzas para el termómetro. Placa calefactora. Punto de ebullición de compuestos Etilamina Acetaldehido n-pentano Benzofenona Acetona Etanol Benceno Acetonitrilo Ácido fórmico Tolueno Ácido acético p-xileno Anhídrido acético m-xileno o-xileno Estireno Fenol Anilina Ácido cloroacético Benzaldehído Acetofenona p-nitrotolueno Nicotina Difenilamina 7 21 36 305,4 56,5 58,5 80 81 101 110,6 118 137 138 139 142 145 181 184 186 179 200 238 247 302 GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 25 de 118
PROCEDIMIENTO: 1. Se prepara un baño de agua con un vaso de precipitados de 250 cm 3 2. Se toma un tubo de ensayo pequeño y se llena del líquido del que se quiere determinar su punto de ebullición. 3. El conjunto se adosa a un termómetro con ayuda de una goma elástica de modo que el fondo del tubito coincida con el depósito de mercurio. Se introduce el conjunto en un vaso de precipitados (también podría realizarse esta práctica en un tubo Thiele). 4. Tomar la presión atmosférica en el barómetro momentos antes de iniciar el ensayo (P 1 ). 5. Realizar el calentamiento lentamente para evitar una ebullición muy brusca del líquido de ensayo. 6. Se toma como referencia del punto de ebullición del compuesto cuando se establece un rosario de burbujas que se originan en el capilar. 7. Efectuar al menos tres ensayos, para determinar el punto de ebullición como media de las medidas realizadas. NOTA: Cada vez que realicemos una determinación del punto de ebullición, debemos sacudir el capilar para que éste permanezca con aire en la determinación y sin líquido. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 26 de 118
RESULTADOS: Muestra nº 1 Presión atmosférica (P 1 ) Determinación del punto de ebullición por el método del capilar mm Hg Ensayo nº 1 ºC Ensayo nº 3 ºC Ensayo nº 2 ºC Ensayo nº 4 ºC Valor medio punto de ebullición medido (T em ) ºC Corrección punto ebullición con la presión (760 mm Hg P 1 ) Factor corrección tabla Punto de ebullición real (T em + Corrección) ºC ºC Muestra nº 2 Presión atmosférica (P 1 ) Determinación del punto de ebullición por el método del capilar mm Hg Ensayo nº 1 ºC Ensayo nº 3 ºC Ensayo nº 2 ºC Ensayo nº 4 ºC Valor medio punto de ebullición medido (T em ) ºC Corrección punto ebullición con la presión (760 mm Hg P 1 ) Factor corrección tabla Punto de ebullición real (T em + Corrección) ºC ºC Muestra nº 3 Presión atmosférica (P 1 ) Determinación del punto de ebullición por el método del capilar mm Hg Ensayo nº 1 ºC Ensayo nº 3 ºC Ensayo nº 2 ºC Ensayo nº 4 ºC Valor medio punto de ebullición medido (T em ) ºC Corrección punto ebullición con la presión (760 mm Hg P 1 ) Factor corrección tabla Punto de ebullición real (T em + Corrección) ºC ºC GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 27 de 118
CUESTIONES: 1. Realiza un dibujo del momento en qué se generan las burbujas dentro del líquido. OBSERVACIONES: GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 28 de 118
PRÁCTICA: FECHA: DETERMINACIÓN DEL EQUIVALENTE EN AGUA DEL CALORÍMETRO FUNDAMENTO: Es evidente que el sistema del calorímetro, por bien aislado que esté, toma una cierta cantidad de calor de la sustancia caliente que va a contener dentro. Cuando un líquido contenido en el calorímetro recibe calor (energía) la absorbe, pero también la absorben las paredes del calorímetro. Lo mismo sucede cuando pierde energía. Esa intervención del calorímetro en el proceso se representa por su equivalente en agua: su presencia equivale a añadir al líquido que contiene los gramos de agua que asignamos a la influencia del calorímetro y que llamamos: EQUIVALENTE EN AGUA. El equivalente en agua viene a ser la cantidad de agua que absorbe o desprende el mismo calor que el calorímetro. El calorímetro consta de un vaso de cristal con paredes dobles y vacío entre ellas. El vaso va provisto de un agitador, para homogeneizar la temperatura del agua. También lleva un termómetro para medir las variaciones de temperatura. El vaso de cristal va recubierto de una material aislante para que las pérdidas de calor sean mínimas. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 29 de 118
MATERIALES Y REACTIVOS. Calorímetro. Vasos de precipitados. Termómetros. Sistemas de calefacción (mechero, baños, placa calefactora ) Agua destilada. Probeta o bureta para medida de volúmenes. PROCEDIMIENTO: Para calcular el equivalente en agua de un calorímetro dado procedemos de la siguiente manera: 1. Echamos 100 cm 3, bien medidos, de agua destilada (M af = 100 g) en el calorímetro y esperamos hasta que se alcanza el equilibrio térmico. Anotamos la temperatura de equilibrio (T af ). 2. Tomar 200 cm 3, bien medidos, de agua destilada (M ac = 200 g). Echar en un vaso de precipitados y calentar suavemente hasta unos 70 ºC. Tomar esta temperatura exactamente (pueden ser 68,5 ó 72,3 ºC) pero ha de hacerse una determinación exacta (T ac ). 3. Con cuidado de hacer la operación en el menor tiempo posible. Verter los 200 g de agua caliente sobre los 100 g de agua fría del calorímetro. 4. Tapar el calorímetro y agitar con la varilla. 5. Tomamos la nueva temperatura de equilibrio a los 5 minutos o cuando se mantenga sin variación tras dos minutos (T e ). GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 30 de 118
CÁLCULOS: Operar como en el ejemplo siguiente suponiendo los resultados que se dan a continuación: M af = 100 g = 0,100 kg M ac = 200 g = 0,200 kg T af = 19,4 ºC = 19,4 K T ac = 68,9 ºC = 68,9 K T e = 50,5 ºC = 50,5 K Para los cálculos procedemos como sigue: Utilizando la ecuación calorimétrica: Q = m c e Δt Así: M = masa en kg c e = calor específico en J/kg K ΔT = incremento temperatura = (T f T i ) en K ΔQ perdido = + ΔQ ganado ΔQ perdido = M agua caliente c e (agua) (T equilibrio T ac ) = 0,2 kg 4184 J/kgK (50,5 68,9) K +ΔQ ganado = Q ganado agua + Q ganado calorímetro = M agua fría c e (agua) (T e T af ) + m equiv agua calorímetro c e (agua) (T e T af ) +ΔQ ganado = 0,1 kg 4184 J/kgK (50,5 19,4) K + m equiv agua 4184 J/kgK (50,5 19,4) K Igualando ambas ecuaciones: ΔQ perdido = + ΔQ ganado 0,2 kg 4184 J/kgK (50,5 68,9)K = 0,1 kg 4184 J/kgK (50,5 19,4) K + m equiv 4184 J/kgK (50,5 19,4)K Despejando el valor de m equivalente agua calorímetro = 0,018 kg = 18 gramos Podemos encontrar el valor del equivalente en agua como k o A en muchos problemas. Usar este calorímetro supone que debemos calentar las paredes, el termómetro y el agitador y que todo ello equivale a calentar 18 g de agua, siempre que el calorímetro se use con el mismo termómetro y el mismo agitador. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 31 de 118
RESULTADOS: Por aplicación de la fórmula de las mezclas puede hallarse el equivalente en agua del sistema calorimétrico como sigue: M ac c e H2O (T e T ac ) = (M af + A) c e H2O (T af T e ) A = M ac ( Te T ( T T ) af e ac ) M af Siendo A el valor en gramos del equivalente en agua del calorímetro, correspondiente a los accesorios del interior del calorímetro y de sus paredes. Equivalente en agua del calorímetro Masa agua caliente (M ac ) g Tª agua caliente (T ac ) ºC Masa agua fría (M af ) g Tª agua fría (T af ) ºC Temperatura de equilibrio (T e ) ºC Equivalente en agua del calorímetro (A) M ac ( Te Tac ) A = M g af ( T T ) af e NOTA: el dato obtenido como equivalente en agua del calorímetro debe ser guardado para la realización de otras prácticas con este equipo. El equivalente en agua es independiente para cada calorímetro. CUESTIONES: 1. Busca el valor del calor específico del agua en calorías. 2. Qué está mejor aislado un calorímetro con un valor de A (equivalente en agua) alto o bajo. Razona la respuesta. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 32 de 118
3.- Calcula la energía que se necesita para aumentar 1 litro de agua a 22 ºC hasta una temperatura de 45 ºC. Calor específico agua: 4180 J/kg K. Densidad agua: 1000 kg/m 3. 4.- Se mezclan 5 litros de aceite a 90 ºC con 2 litros de agua a 40 ºC: Calcula la temperatura final de la mezcla. Calor específico agua: 4180 J/kg K, del aceite: 2000 J/kg K. Densidad agua: 1000 kg/m 3 Densidad agua: 920 kg/m 3. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 33 de 118
PRÁCTICA: FECHA: DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN CUERPO SÓLIDO FUNDAMENTO TEÓRICO La capacidad que tienen los sólidos de admitir el calor, unos más rápidamente que otros, se denomina capacidad calorífica y es la relación que existe entre la cantidad de calor y el incremento de temperatura. Capacidad calorífica = Relacionado con la capacidad calorífica se define el calor específico de una sustancia como la cantidad de calor (calorías) que hay que suministrar a 1 gramo de sustancia para incrementar 1 ºC su temperatura. En el sistema internacional es la cantidad de calor que hay que suministrar a un kg de sustancia para elevar su temperatura 1 kelvin. El fundamento de esta determinación se basa en el incremento de temperatura que experimenta una masa de agua al sumergir en ella una masa conocida de un sólido a mayor temperatura. Q t MATERIALES Y PRODUCTOS - Calorímetro del cual se conozca el equivalente en agua. - Termómetros. - Sólidos cuyo calor específico queremos determinar. - Placa calefactora o baño de agua o estufa. - Vaso de precipitados. - Pinzas. - Agua destilada. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 34 de 118
PROCEDIMIENTO: 1. Debemos conocer previamente el equivalente en agua del calorímetro a utilizar (A). 2. Pesamos el cuerpo del cual se pretende determinar su calor específico (M s ). 3. Pesar una cantidad de agua en el calorímetro de unos 200 cm 3 (M a ). 4. Esperar unos minutos hasta que la temperatura del agua se haya estabilizado (T a ). 5. Calentar el sólido en una estufa durante una hora a 150 ºC (T s ). También podemos realizar este calentamiento en un baño de agua o de glicerina a menor temperatura unos 90 ºC. 6. Sumergir con cuidado y rápidamente el sólido en el calorímetro con el agua y agitamos continuamente. 7. Anotamos la temperatura minuto a minuto hasta que se produzca la temperatura de equilibrio (T e ). CÁLCULOS: Si se calienta un sólido de masa M s y calor específico c s a la temperatura T s y se introduce en una masa de agua fría M a. El agua se calentará subiendo su temperatura desde una temperatura inicial T a a una temperatura final T e. En el calorímetro con un equivalente en agua A sucederá lo mismo. Aplicando el balance de calor: el calor cedido por el sólido será igual al absorbido por el agua y por el calorímetro (su equivalente en agua). M s. c s. (T s T e ) = (M a + A). c a. (T e T a ) La única incógnita es el calor específico del sólido, siendo el resto de datos conocidos. Así: ( M c = s a + A) c M ( T s a s ( Te Ta ) T ) e GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 35 de 118
RESULTADOS: Completar la siguiente tabla de resultados hasta la temperatura de equilibrio Tiempo Temperatura Calor específico del sólido (1) Sólido problema Calor específico de un sólido 1 Masa agua inicial (M a ) g Temperatura agua (T a ) ºC Masa de sólido (M s ) g Temperatura sólido (T s ) ºC Calor específico del agua (c a ) cal/gºc J/kg K Equivalente en agua del calorímetro (A) Temperatura de equilibrio (T e ) ºC Calor específico calculado (c s ) ( M a + A) ca ( Te Ta ) cs = M ( T T ) s s e cal/gºc g J/kgK Tiempo Temperatura Calor específico del sólido 2 Sólido problema Calor específico de un sólido 2 Masa agua inicial (M a ) g Temperatura agua (T a ) ºC Masa de sólido (M s ) g Temperatura sólido (T s ) ºC Calor específico del agua (c a ) cal/gºc J/kg K Equivalente en agua del calorímetro (A) Temperatura de equilibrio (T e ) ºC Calor específico calculado (c s ) ( M a + A) ca ( Te Ta ) cs = M ( T T ) s s e cal/gºc g J/kg K NOTA: comparar los calores específicos hallados con tablas y comentar el error cometido. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 36 de 118
CUESTIONES: 1.- Buscar el calor específico de estos sólidos en tablas y comentar la diferencia encontrada con el obtenido experimentalmente. 2.- Para medir la capacidad calorífica de un material, se calienta 100 g de dicho material a una temperatura de 80 ºC. Se introduce en un recipiente de agua con 1 litro a 15ºC y se observa que la temperatura final asciende a 23 ºC. Calcula la capacidad calorífica de dicho material. Calor específico agua: 4180 J/kg K. Densidad agua: 1000 kg/m 3. 3.- Un trozo de aluminio de 80 g de masa se encuentra a una temperatura de 16 ºC y se introduce en 120 g de agua que se encuentra a 40 ºC. Calcular la temperatura a la que se alcanza el equilibrio. Calor específico del alumnio (910 J/kg K), calor específico del agua (4180 J/kg K). GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 37 de 118
PRÁCTICA: FECHA: CALOR LATENTE DE FUSIÓN DEL HIELO OBJETIVO Determinar el calor latente de fusión del hielo utilizando el método de las mezclas. Previamente será necesario calcular por el mismo procedimiento el equivalente en agua del calorímetro. FUNDAMENTO TEÓRICO La entalpía de fusión del hielo, H f, (también denominada calor latente de fusión), se define como la cantidad de calor necesaria para pasar la unidad de masa de hielo del estado sólido al líquido a la temperatura de fusión del mismo. Si la presión bajo la cual se produce el cambio de fase se mantiene constante e igual a 1 atmósfera, la temperatura de fusión también se mantiene constante y es igual a los 0 ºC. Podemos determinar el calor latente de fusión midiendo cómo varía la temperatura de una mezcla de agua y hielo cuando éste se funde. Para evitar intercambios de calor con el medio, debemos hacer la mezcla dentro de un calorímetro, el cual es, simplemente, un recipiente cerrado y térmicamente aislado. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 38 de 118
MATERIALES Y REACTIVOS - Calorímetro. - Agitador - Balanza. - Termómetro. - Vaso de precipitados. - Agua. - Hielo. PROCEDIMIENTO Determinación del equivalente en agua del calorímetro: Ya se habrá realizado en una práctica anterior (ver práctica de referencia) Determinación la entalpía de fusión del hielo El procedimiento utilizado de mezclar distintas masas a distintas temperaturas y medir la temperatura final de equilibrio se denomina método de las mezclas y vamos a utilizarlo para la determinación de la entalpía de fusión del hielo. 1. Tomar unos 200 cm 3 de agua a temperatura ambiente y verter en el calorímetro. Dejar unos minutos para que se estabilice todo el sistema térmicamente. 2. Para determinar la entalpía de fusión del hielo, tomar aproximadamente unos 40 g de hielo granizado y secarlo lo más posible sin tocarlo directamente con los dedos. Echar en un vaso de precipitados y pesar exactamente M h. 3. Justo antes de echar el hielo en el calorímetro, leer y anotar nuevamente la temperatura del calorímetro con el agua, T a. 4. Tapar el calorímetro y seguir atentamente la evolución de la temperatura del sistema (calorímetro, agua y hielo), durante unos minutos, hasta que todo el hielo se haya fundido. Para comprobar que el hielo se ha fundido, no se necesita estar destapando continuamente el calorímetro; se sabrá porque la temperatura deja de bajar y se estaciona en un cierto valor durante unos minutos. Esta temperatura se anota y la denominaremos temperatura de equilibrio (T e ). GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 39 de 118
CÁLCULOS: En este ensayo, el calor cedido por el agua caliente y el calorímetro deberá igualar al calor que ha tomado el hielo para fundirse (calor de fusión) más el necesario para elevar su temperatura desde la de fusión T fusión = 0 ºC hasta la temperatura de equilibrio T e. Si la masa de hielo es M h, este balance se expresa como: Q cedido agua = Q absorbido hielo M h H f + M h c a ( Te 0º C) = ( M a + A) ca ( Ta Te ) y por tanto, la entalpía de cambio de fase vendrá dada por: H f ( M = a + A) c M a h ( T a Te ) [ c a ( T e 0)] RESULTADOS: Completar la siguiente tabla de resultados hasta la temperatura de equilibrio Tiempo Temperatura Calor latente de fusión del hielo Calor latente de fusión del hielo Masa agua inicial (M a ) g Temperatura agua (T a ) ºC Masa de hielo (M h ) g Temperatura hielo inicial 0 ºC Calor específico del agua (c a ) J/kg K cal/gºc Equivalente en agua del calorímetro (A) g Temperatura de equilibrio (T e ) ºC Calor latente a calcular (C s ) ( M a + A) ca ( Ta Te ) kj/kg cal/g H f = [ ca ( Te 0)] M h GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 40 de 118
CUESTIONES: 1.- Indica el calor latente de fusión real del hielo y compáralo con el resultado experimental obtenido. Comentario. 2.- Para enfriar 500 g de refresco que está a 50 ºC, se utilizan 4 cubitos de hielo de 25 g cada uno a una temperatura de 18 ºC. Calcula la temperatura final del refresco. Calor específico refresco: 4180 J/kg K, calor específico hielo: 2090 J/kg K, calor latente hielo: 3,35 10 5 J/Kg. Densidad agua: 1000 kg/m 3. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 41 de 118
PRÁCTICA: FECHA: CALOR LATENTE DE FUSIÓN DE LA PARAFINA OBJETIVO Determinar el calor latente de fusión de la parafina utilizando el método de las mezclas. Previamente será necesario calcular por el mismo procedimiento el equivalente en agua del calorímetro FUNDAMENTO TEÓRICO Se denomina calor latente al calor cedido o absorbido por un gramo de sustancia para que realice un cambio de estado por lo tanto sin aumento de temperatura. Si fuera el caso de calor latente de vaporización del agua sería el valor absorbido por un gramo de sustancia en estado líquido para pasar al estado de vapor. Si observamos el dato de calor latente de fusión del hielo a 0º C; 334 kj/kg; 79,7 cal/ g; implica que para cambiar de 0º C hielo sólido a 0º C agua líquida de un kilogramo hace falta comunicar a cada kilogramo la cantidad de calor 334 kilojulios. En esta práctica utilizaremos parafina (C 33 H 66 ) reutilizada de las siguientes características - Punto de fusión: 56-58º C - Datos físicos: o o o Lentejas blancas Insoluble en H 2 O Punto de ebullición: 350º C - Aplicaciones: reactivo en análisis, en histología e industria farmacéutica y alimentaria. MATERIALES Y PRODUCTOS - Tubo de ensayo. - Agitador. - Balanza. - Termómetros. - Vaso de precipitados. - Baño de agua. - Vaso de precipitados con material aislante alrededor o vaso del calorímetro con tapa de aislante. - Agua destilada. - Parafina. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 42 de 118
PROCEDIMIENTO: 1. Se limpia y seca todo el material a utilizar. 2. Se tara un tubo de ensayo (M t ). 3. Se echan unos 20 gramos de parafina en el tubo de ensayo y se mide su masa con una aproximación de décimas de gramos: (M p = M t+p M t ). 4. Se introduce el tubo con la parafina en un vaso de precipitados y se calienta con una placa calefactora el conjunto hasta una temperatura de 60 ºC. La parafina a esta temperatura debería estar fundida completamente. Si no fuera así esperaremos hasta tener toda la parafina fundida. 5. Mantener el baño a 60 ºC. 6. Tomar 200 cm 3 o gramos (M a ) de agua a temperatura ambiente y verter en el vaso de precipitados recubierto con material aislante. Dejar unos minutos para que se estabilice todo el sistema térmicamente. 7. Justo antes de introducir el tubo con la parafina en el vaso con el aislante, leer y anotar la temperatura del calorímetro con el agua, (T a ). 8. Introducir el tubo con la parafina fundida a 60 ºC y anotar la temperatura del agua cada minuto. El intercambio de calor se habrá producido cuando la temperatura deje de ascender e inicie un leve descenso. Tomaremos como valor la temperatura más alta o de equilibrio térmico (T e ). 9. Repetir el ensayo en otras dos ocasiones. NOTA: el cálculo es aproximado porque no se puede tomar la temperatura de fusión justa de la parafina, ni el tubo de ensayo cabe en un calorímetro para hacer la determinación de una forma más exacta. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 43 de 118
CÁLCULOS: La práctica se basa en el hecho de que: Q cedido = Q absorbido El calor es cedido por la parafina fundida y el igual a: Q ced = M p C Lp El calor es absorbido por: o El vaso de precipitados: Q abs vidrio = m vidrio C e (vidrio) (T e T v ) Como el cálculo es aproximado, despreciaremos este valor en el cálculo final. o El agua: Q abs agua = m agua C e (agua) (T e T a ) Así sustituyendo en las ecuaciones resulta: M p C Lp = m vidrio C e (vidrio) (T e T v ) + m agua C e (agua) (T e T a ) Hemos considerado despreciable la intervención del vidrio en el intercambio, nos quedará: M p C Lp = m agua C e (agua) (T e T a ) Y el calor latente de la parafina será: C Lp = m agua C e (agua) (T e T a )/M p GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 44 de 118
RESULTADOS: Completar la siguiente tabla de resultados hasta la temperatura de equilibrio Calor latente de fusión de la parafina Tiempo Temperatura Calor latente de fusión de la parafina Masa agua inicial (M a ) g Temperatura agua (T a ) ºC Masa de pafina (M p ) g Temperatura parafina inicial (T p ) Calor específico del agua (c a ) J/kg K cal/gºc Temperatura equilibrio (T e ) Ensayo 1 ºC Ensayo 2 ºC Ensayo 3 ºC Media ensayos ºC Calor latente a calcular (C Lp ) C Lp = m agua C e (agua) (T e T a )/M p kj/kg cal/g ºC OBSERVACIONES: GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 45 de 118
PRÁCTICA: FECHA: CALOR DE DISOLUCIÓN FUNDAMENTO TEÓRICO Al disolver determinadas sustancias en agua se produce un desprendimiento de calor. La cantidad de calor desprendida al disolver 1 mol de sustancia se denomina calor de disolución. Podemos realizar este cálculo también por gramo de sustancia disuelta. Para calcular el calor de disolución nos basaremos en que el calor que se desprende en la disolución es absorbido por el agua, manifestándose en un aumento de temperatura. MATERIALES Y REACTIVOS - Calorímetro con equivalente en agua conocido o a calcular previamente según procedimiento estándar. - Termómetros. - Sustancias de las que determinamos su calor de disolución: o NaOH o H 2 SO 4 - Agua destilada. - Balanza. - Pipeta. - Pipeteador. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 46 de 118
PROCEDIMIENTO: Determinación del calor de disolución del NaOH 1. Debemos conocer previamente el equivalente en agua del calorímetro a utilizar (A) o calcularlo según procedimiento estándar antes de continuar con la práctica. 2. Tomar 200 cm 3 o gramos (M a ) de agua a temperatura ambiente y verter en el calorímetro. Dejar unos minutos para que se estabilice todo el sistema térmicamente. 3. Tomar unos 20 gramos de NaOH bien medidos con la balanza (M NaOH ). 4. Justo antes de añadir el NaOH en el calorímetro leer y anotar la temperatura del calorímetro con el agua, (T a ). 5. Añadir con mucho cuidado y precaución el NaOH al agua del calorímetro agitando constantemente. 6. Anotamos la temperatura minuto a minuto hasta que se produzca la temperatura de equilibrio. El intercambio de calor se habrá producido cuando la temperatura deje de ascender e inicie un leve descenso. Tomaremos como valor la temperatura más alta o de equilibrio térmico (T e ). PROCEDIMIENTO: Determinación del calor de disolución del H 2 SO 4 : 1. Debemos conocer previamente el equivalente en agua del calorímetro a utilizar (A) o calcularlo según procedimiento estándar antes de continuar con la práctica. 2. Tomar 200 cm 3 o gramos (M a ) de agua a temperatura ambiente y verter en el calorímetro. Dejar unos minutos para que se estabilice todo el sistema térmicamente. 3. Tomar unos 10 cm 3 de H 2 SO 4. Calcular la masa de sulfúrico concentrado (M H2SO4 ). 4. Justo antes de añadir el H 2 SO 4 en el calorímetro leer y anotar la temperatura del calorímetro con el agua, (T a ). 5. Añadir con mucho cuidado y precaución el H 2 SO 4 al agua del calorímetro agitando constantemente. 6. Anotamos la temperatura minuto a minuto hasta que se produzca la temperatura de equilibrio. El intercambio de calor se habrá producido cuando la temperatura deje de ascender e inicie un leve descenso. Tomaremos como valor la temperatura más alta o de equilibrio térmico (T e ). CÁLCULOS: El calor absorbido por el agua: El calor de disolución: Q = m c e (T e T a ) Q Q d = = J / mol o Julio/gramo moles disueltos También podría expresarse el calor de disolución como caloría /mol o caloría/gramo Q Q d = = J / g gramos disueltos GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 47 de 118
RESULTADOS: Masa agua inicial (M a ) Calor de disolución del NaOH g Temperatura inicial agua (T a ) Masa de NaOH (M NaOH ) g Número moles NaOH mol Riqueza del NaOH del recipiente % Equivalente en agua del calorímetro (A) Calor específico del agua J/kg K cal/gºc Temperatura de equilibrio (T e ) ºC Calor absorbido por el agua Q = m c e (T e T a ) Calor de disolución por mol y por gramo Q Q d = = J / mol moles disueltos Q Q d = = J / g gramos disueltos ºC g Julios Julio/mol cal/mol Julio/kg cal/g Masa agua inicial (M a ) Calor de disolución del H 2 SO 4 g Temperatura inicial agua (T a ) Masa de H 2 SO 4 (M H2SO4 ) g Número moles H 2 SO 4 mol Riqueza del H 2 SO 4 de la botella % Densidad del H 2 SO 4 de la botella Kg/m 3 g/cm 3 Equivalente en agua del calorímetro (A) Calor específico del agua J/kg K cal/gºc Temperatura de equilibrio (T e ) ºC Calor absorbido por el agua Q = m c e (T e T a ) Calor de disolución por mol y por gramo Q Q d = = J / mol moles disueltos Q Q d = = J / g gramos disueltos ºC g Julios Julio/mol cal/mol Julio/kg cal/g GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 48 de 118
CUESTIONES Y OBSERVACIONES: 1.- Observaciones realizadas en la ejecución de la práctica y los ensayos. 2.- Busca en tablas los calores de disolución del NaOH y del H 2 SO 4. Comenta la diferencia que existe entre el valor experimental obtenido y el valor de la tabla. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 49 de 118
PRÁCTICA: FECHA: CONDUCTIVIDAD TÉRMICA FUNDAMENTO. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE DISTINTOS METALES En esta práctica vamos a determinar la conductividad térmica de cinco metales diferentes utilizando para ello un instrumento con cinco barras metálicas diferentes. Estos metales son: - Latón - Cobre - Aluminio - Acero al carbono - Acero inoxidable El instrumento dispone de cinco barras de 100 mm de longitud y 5 mm de diámetro unidas a una parte central de cobre. Cada una de las barras posee en su extremo una cavidad para colocar una pequeña cantidad de parafina. El disco del centro se une a una barra de acero de 125 mm por donde se sujetará el instrumento. El instrumento se coloca de forma horizontal y se calentará en el disco central. El calor se irá propagando por la distinta conductividad de cada metal a los extremos de cada barra y fundirá la parafina del extremo. El tiempo en que se funde la parafina depende de la conductividad térmica de cada metal. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 50 de 118
MATERIALES Y REACTIVOS: - Soporte. - Pinza. - Mechero Bunsen. - Instrumento para medida de la conductividad térmica. - Parafina. - Espátula. - Cronómetro. - Regla. PROCEDIMIENTO: 1. Tomar una lenteja o escama de parafina y colocar en el extremo de una espátula. 2. Calentar suavemente a la llama del mechero hasta la fusión de la parafina. 3. Verter con cuidado una pequeña cantidad de parafina fundida en la cavidad situada en el extremo de uno de los metales de la estrella de la conductividad. Repetir el procedimiento con las cinco barras metálicas procurando echar una cantidad similar de parafina. 4. Esperar entre 5 y 10 minutos para que se estabilice la temperatura del instrumento y cada barra. 5. Colocar de forma horizontal en un soporte con pinza para que la zona central del instrumento quede a unos 7 u 8 centímetros del extremo del mechero. 6. Comenzar el calentamiento en la zona central del instrumento y poner en marcha el cronómetro. 7. Anotar el tiempo en el que se funde la parafina colocada en los extremos de los metales. 8. Repetir el ensayo en dos ocasiones más. Tener en cuenta que se necesita un tiempo hasta que los metales vuelven a estar a temperatura ambiente. 9. Determinar la conductividad térmica de cada metal como distancia desde la zona central al extremo de la barra dividida entre el tiempo que ha tardado la parafina en fundirse. GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 51 de 118
RESULTADOS: Elaborar la tabla de resultados siguiente: Medida de la conductividad térmica de distintos metales Metal Medida barra Tiempo 1 Tiempo 2 Tiempo 3 Latón mm s s s Cobre mm s s s Aluminio mm s s s Acero al carbono mm s s s Acero inoxidable mm s s s Metal Ensayo nº 1 Ensayo nº 2 Ensayo nº 3 Media Latón mm/s mm/s mm/s mm/s Cobre mm/s mm/s mm/s mm/s Aluminio mm/s mm/s mm/s mm/s Acero al carbono mm/s mm/s mm/s mm/s Acero inoxidable mm/s mm/s mm/s mm/s Elaborar una gráfica con los resultados obtenidos a continuación: GS ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS pág. 52 de 118