Guía para el docente Descripción curricular: - Nivel: 2.º Medio - Subsector: Ciencias químicas - Unidad temática: - Palabras claves: propiedades coligativas, ascenso ebulloscópico, descenso crioscópico, presión osmótica - Contenidos curriculares: Disoluciones - y su relación con situaciones de la vida cotidiana. - Contenidos relacionados: - 1.º Medio: El aire. Teoría cinético-molecular - 2.º Medio: Modelo atómico de la materia Disoluciones químicas - 3.º Medio: Reactividad y equilibrio químico - Aprendizajes esperados: - Valoran la importancia de las propiedades coligativas de las disoluciones para la comprensión de fenómenos comunes asociados a dichas propiedades. Aprendizajes esperados de esta actividad: - Identifican las propiedades coligativas. - Comprenden por qué las soluciones tienen diferentes propiedades en relación con el solvente puro. - Comprenden por qué asciende el punto de ebullición de una solución en relación con el solvente puro. - Analizan tablas de datos y pueden extraer conclusiones a partir de ellas. - Desarrollan la capacidad de investigar fenómenos naturales. - Reconocen aplicaciones o situaciones cotidianas en que están involucradas las propiedades coligativas. Recursos digitales asociados de www.educarchile.cl: - Ficha temática: - Diapositivas digitales (ppt): Química NM2 Disoluciones. 1
Actividad propuesta para este tema: En esta actividad se propone que los estudiantes analicen dos tablas referentes a dos propiedades coligativas (ascenso ebulloscópico y descenso crioscópico) y que a partir de ellas comprendan en qué consisten estas dos propiedades. ACTIVIDAD: : Propiedades qué? 1. Mapa de contenidos tratados Propiedades coligativas Reducción de la presión vapor Ascenso ebulloscópico Descenso crioscópico Presión osmótica 2. Desarrollo de la actividad: : Propiedades qué? Paso 1 Puede comenzar esta actividad preguntando a sus estudiantes: - Los autos utilizan un líquido anticongelante. Cómo funciona este líquido? - Existen también compuestos que retardan la ebullición de un líquido: cómo funcionarán? Observe qué responden sus estudiantes. Luego explíqueles que ambos comportamientos dependen de las propiedades coligativas de las disoluciones. Seguramente, los estudiantes no han escuchado antes estas propiedades; indíqueles qué son y de qué dependen. Distribuya la guía para el estudiante disponible en educarchile.cl. Lean la introducción a la guía en la que aparece una breve explicación de estas 2
propiedades y de cuáles son. Puede complementar la información con otro libro o con los contenidos vistos en clases. Paso 2 Comiencen la actividad que está enfocada en dos de las propiedades coligativas: ascenso ebulloscópico y descenso crioscópico. I. Ascenso ebulloscópico 1. Observa atentamente la siguiente tabla. En ella se indica el punto de ebullición de una solución que contiene sal común y agua. Número de moles Punto de ebullición de sal común, solución en ºC (T b ) disueltos en 1 kg de agua 0 100 0 0,5 100,26 0,26 1,0 100,52 0,52 1,5 100,78 0,78 2,0 101,04 1,04 2,5 101,30 1,30 3,0 101,56 1,56 3,5 101,82 1,82 4,0 102,08 2,08 4,5 102,34 2,34 5,0 102,60 2,60 6,0 6,5 7,0 8,0 Aumento del punto de ebullición en ºC ( T b ) 3
2. Investiga cuál es la expresión que nos permite calcular el aumento ebulloscópico en función de la cantidad de soluto en solución (concentración de la solución). Recuerda que en este caso nos conviene trabajar en molalidad que indica moles de soluto por kilos de solvente. Los estudiantes deben buscar esta expresión que se encuentra disponible en la ficha temática de este tema, libros y medios en internet. Las expresiones que nos permiten conocer el ascenso ebulloscópico Tb son: Tb = Tb 0 T b donde Tb es la temperatura de ebullición de la solución y 0 T b es la temperatura de ebullición del solvente puro. Las propiedades coligativas dependen de la cantidad de soluto en solución. El ascenso ebulloscópico dependerá de la constante ebulloscópica Tb = Kb m (k b ) y la molalidad (m) de la solución. Es importante que los estudiantes recuerden que la molalidad corresponde a moles de soluto por kilos de solvente. La constante ebulloscópica es única para cada tipo de solvente y sus unidades son: K(mol/kg). 3. Una vez que tengas esta expresión, utilízala para calcular el ascenso ebulloscópico para molalidades 6, 6,5, 7 y 8. Considera que la constante ebulloscópica del agua es 0,52 K(mol/kg). Número de moles Punto de ebullición de sal común, solución en ºC (T b ) disueltos en 1 kg de agua 0 100 0 6,0 103,12 3,12 6,5 103,38 3,38 7,0 103,64 3,64 8,0 104,16 4,16 Aumento del punto de ebullición en ºC ( T b ) 4
4. Qué ocurre con el punto de ebullición de una solución en relación con el punto de ebullición del solvente puro? Observando la tabla, los estudiantes deben concluir que cuando aumenta la concentración de la solución, el punto de ebullición aumenta con respecto al punto de ebullición del solvente puro. Paso 3 Una vez completada esta parte de la actividad, pregunte a los estudiantes: Por qué ocurre este fenómeno? La siguiente parte de la actividad pretende que los estudiantes descubran mediante preguntas cómo e aumenta el punto de ebullición de una solución a medida que aumenta la cantidad de soluto. 1. Qué es el punto de ebullición de un líquido? En este caso, cuando hierve el agua, qué está pasando? Los estudiantes deben recordar que el punto de ebullición es la temperatura a la cual se igualan la presión de vapor del líquido y la presión atmosférica. Cuando ocurre esto, el líquido cambia a estado gaseoso. Sus moléculas se separan y conforman un estado desordenado de la materia. 2. Qué nos indica que aumente el punto de ebullición de una solución? Se necesitará más o menos energía para que el líquido hierva? Si aumenta el punto de ebullición, la solución requiere de más energía para que cambie de estado. Si el agua pura requiere de 100 ºC para cambiar de estado, ahora requiere más energía para hacerlo. 3. Pensemos ahora en la estructura de la molécula de agua. Cómo se ordenan estas moléculas en estado líquido? Para responder esta pregunta es fundamental que los estudiantes recuerden que el agua es una molécula polar que concentra carga negativa en el oxígeno y carga positiva en ambos hidrógenos. 5
Esta molécula forma una red cristalina por medio de enlaces O-H (puente de hidrógeno). Para complementar esta información puede consultar la ficha temática 1 El agua o libros referentes a la estructura del agua. 4. Si disolvemos sal en agua, qué ocurrirá entre las moléculas de agua y las moléculas de sal? Hay interacciones entre ambas clases de moléculas? Para responder esta pregunta, los estudiantes deben saber que la sal común es un compuesto unido por enlaces iónicos que en agua se disocian formando electrolitos (Na + y Cl - ); y recordando que el agua es una molécula polar, debieran responder que existen interacciones electroestáticas entre el agua y la sal. 5. Con este antecedente: Cómo se ordenarán las moléculas de agua en relación con el catión sodio? Cómo se ordenarán las moléculas de agua en relación con el anión cloruro (Cl - )? Las moléculas de agua se ordenan en torno al catión sodio (Na + ) mediante el átomo de oxígeno que tiene una densidad de carga negativa. Los aniones cloruros (Cl-) se ordenarán en torno a los átomos de hidrógeno, que tienen una densidad de carga positiva. Con esto, la estructura que forma el agua entre sus moléculas se rompe y da lugar a otro tipo de estructura. Si consideramos que el aumento del punto de ebullición de una solución con respecto al solvente puro nos indica que esta solución requiere de más energía para hervir: 6. Por qué la solución requiere más energía para hervir que el agua pura? Considera las interacciones que existen en el interior de la solución. En esta nueva estructura, el agua interactúa con los iones de sodio y cloro, por lo tanto se requiere mayor energía para que cambie de estado debido a que, además, se deben romper estas interacciones. 6
Paso 4 Continúe la actividad con la segunda parte de la guía referente al descenso criscópico. II. Descenso crioscópico 1. Observa detenidamente la siguiente tabla. En ella se indica la temperatura de congelación de una solución agua-sal. Número de moles Punto de congelación de sal, disueltos en de la solución en ºC 1 kg de agua (T f ) 0 0 0 0,5-0,93 0,93 1,0-1,86 1,86 1,5-2,79 2,79 2,0-3,72 3,72 2,5-4,65 4,65 3,0-5,58 5,58 3,5-6,51 6,51 4,0-7,44 7,44 4,5-8,37 8,37 5,0-9,3 9,3 6,0-11,16 11,16 Aumento del punto de ebullición en ºC ( T f ) 2. Qué ocurre con el punto de congelación de una solución en relación con el punto de congelación del solvente puro? A partir de la observación de la tabla, los estudiantes deben responder que el punto de congelación de la solución disminuye a medida que aumenta la cantidad de soluto. Siempre, considerando el punto de ebullición del solvente puro. 7
3. Cuál es la expresión que nos permite conocer el descenso crioscópico? La expresión que nos permite calcular el descenso crioscópico ( T f ) es: 0 Tf = T f Tf, donde es la temperatura de fusión de la solución. 0 T f es la temperatura de fusión del solvente puro y Tf Por otra parte, estas propiedades dependen de la cantidad de soluto que existe en el interior de la solución; por tanto, se puede calcular conociendo esta cantidad utilizando la constante crioscópica Kf que depende de cada solvente. La cantidad de soluto se expresa en molalidad (m) que indica moles de soluto por kilos de solvente. Tf = kf m 4. Utiliza esta expresión para calcular el descenso crioscópico para molalidades 6, 6,5, 7 y 8. La constante crioscópica K f = 1,86 K(mol/kg). Número de moles Punto de congelación de sal, disueltos en de la solución en ºC 1 kg de agua (T f ) 0 0 0 6,5-12,09-12,09 7,0-13,95-13,95 8,0-14,74-14,74 Aumento del punto de ebullición en ºC ( T f ) Paso 5 Una vez revisada esta parte de la actividad, pregunte por qué disminuye el punto de congelación de una solución en relación con el solvente puro. Motive a sus estudiantes a que realicen, esta vez, ellos una investigación al respecto. 8
La respuesta es similar a la anterior: ellos deben responder que el agua forma una estructura cristalina que ordena cuando se congela (estado sólido), el que es más difícil de lograr cuando entre moléculas de agua hay un soluto. Paso 6 Para terminar, revise esta actividad, generando una discusión con el curso. Por último rescate las aplicaciones de estas propiedades que revisaron al inicio de la actividad, sobre el uso de anticongelantes en los automóviles. 9