Hielo Seco.docx

Principios Fisicoquímica Informe de Laboratorio Práctica No. 4, 6/10/2017

Evaluación Del Cambio De Fase Del Hielo Seco Lerly Abril, Cristian Baquero, Anyi García, Angie Gongora, Laura Lizarazo, Lorena Vargas. Programa de Ingeniería Agroindustrial, Facultad de Ciencias Agropecuárias y Recursos Naturales, Universidad de los Llanos Vereda Barcelona, Km 12 vía a Puerto López, Villavicencio, Meta, Colombia. [email protected]

Resumen: Se analizaron mediante una serie de experimentos sencillos, los cambios de fase que sufre una sustancia, en el objeto de este análisis se trabajó con hielo seco, en el primer ensayo se introduce el hielo seco a un vaso de precipitados que contiene agua con colorante y se observa un cambio de estado de solido a gaseoso, seguido el hielo seco es sometido a presión mecánica mediante una espátula metálica, con la cual al ejercer presión se observa una congelación instantánea del metal acompañado de un sonido, tercero con dos recipientes uno con agua y el otro con jabón conectados por una manguera se observó, el desplazamiento del gas por esta hacia el recipiente con jabón provocando burbujas, cuarto se observó las diferencias del comportamiento entre hielo seco y hielo de agua sobre una hoja de papel, finalmente se introdujo hielo seco en una pipeta Pasteur se selló se sometió a un cambio de temperatura y se observó que el hielo secó se desvanecía dentro de la pipeta pero no se evidencio desprendimiento de gas. Palabras clave: Sublimación, Fusión, Punto triple, Fase, Cambio de estado. Cambio de fase.

INTRODUCCIÓN El hielo seco es dióxido de carbono en estado sólido. Es más conocido comúnmente como hielo seco, debido a que al calentarse no pasa por el

estado líquido, si no que directamente se produce el cambio de estado de sólido a gas. A este proceso de cambio de estado de sólido a gas, que presentan todos los sólidos a presiones situadas por debajo de la de

punto triple, se le conoce como sublimación. Para el hielo seco el punto triple está situado a 5,11 atm a –56,6 °C, aunque a presión atmosférica el dióxido de carbono sólido tiene una temperatura de –78,2 °C 195,15 K -108,4 °F. Estos valores también indican que el CO2 puede ser líquido a presiones superiores a 5,11 atm., (Umaña, 2012). En el aire, este gas que no es tóxico ni corrosivo, pero sí asfixiante, se encuentra en un porcentaje próximo al 0,03%, y además forma parte de los minerales, de las aguas de manantiales y del gas de los volcanes. Su exceso en la atmósfera origina el sobrecalentamiento de la misma debido a la absorción de radiación IR procedente de la Tierra en lo que se conoce como efecto invernadero intensificado. (Benavides y León, 2007) No se tiene constancia de que la nieve carbónica exista de forma natural en la Tierra, sin embargo, parece ser que se encuentra presente en el núcleo de los cometas, así como en los casquetes polares de Marte. (Universidad de Granada, 2010). El hielo seco aprovecha el conocido efecto JouleThompson mediante compresiones y expansiones bruscas del gas. Primero se licua el gas sometiéndolo a una presión aproximadamente de 64 kg/cm2 mediante compresores que actúan en tres fases y luego se introduce en condensadores refrigerados con agua; a continuación, se deja que el líquido se expansione a presión atmosférica, con lo que su temperatura desciende por debajo del

punto triple. El resultado es la formación de la nieve carbónica, que una vez extraída de la cámara de expansión se comprime mecánicamente para formar bloques de forma cilíndrica. (Zemansky,1968 y Schroeder, 2000). El producto así obtenido se aplica en múltiples procesos, por ejemplo: Refrigeración: como es sabido, la refrigeración impide o retrasa el desarrollo de bacterias y mohos, además impide algunas reacciones químicas no deseadas que pueden tener lugar a temperatura ambiente, tiene por objeto enfriar alimentos, conservar determinadas sustancias perecederas, pieles, productos farmacéuticos, etc. El hielo seco presenta un mayor poder de refrigeración que el hielo de agua; así, medio kilogramo de CO2 sólido a presión atmosférica produce un efecto refrigerante de unas 7000 calorías. Extintores de incendios: En estos aparatos se almacena el gas en forma líquida a presión elevada, al descargarse se solidifica parcialmente formando copos blancos, por lo que estos extintores se llaman de nieve carbónica. Apaga principalmente por sofocación, desplazando el oxígeno del aire y produciendo a la vez un enfriamiento. Se emplea para apagar fuegos sólidos y líquidos (clases A y B). El CO2 no mantiene la combustión de los combustibles habituales (derivados del carbono). Criocirugía: La nieve carbónica puede producir temperaturas adecuadas para el tratamiento de lesiones cutáneas benignas y superficiales

(para las que se requieren temperaturas de –20 ºC), tales como las verrugas o la queratosis solar, aunque no son tan eficaces como el nitrógeno líquido para destruir los cánceres cutáneos. Producción de lluvia artificial: Es interesante la utilización del CO2 sólido para eliminar las nubes sobre los aeródromos. Las nubes están compuestas de diminutas gotas de agua sobreenfriada, un estado metaestable cuya perturbación puede conducir a la precipitación de lluvia o nieve. Esto se logra dispersando sobre las nubes CO2 sólido desmenuzado en forma de pequeñas partículas. Cada granito de CO2 al atravesar la nube provoca la cristalización de las gotas vecinas, creando un número enorme de copos de nieve germinales. Como la presión del vapor de agua sobre estos copos es menor que sobre el agua sobreenfriada, crecen y precipitan. (Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, 2005)

METODOLOGÍA

Burbujas CO2: Se tomó un Erlenmeyer con al cual se le agregó agua y hielo seco se tapó y se le coloco una manguera, esta manguera se sumergió en un vaso de precipitado el cual contenía agua con jabón, se procedió a observar la reacción. Hielo seco-Hielo de agua: se colocaron sobre una hoja de papel cuaderno y se observó las características de cada uno y sus respectivas reacciones. Punto triple: Para observar este fenómeno se utilizó una pipeta Pasteur la cual se le deposito hielo seco, esta tenía la punta tapada para así ejercer presión y retener el gas.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

Agua-Colorante: Se logró observar rápidamente el desprendimiento de CO2, el cual produjo un fuerte burbujeo, es decir el proceso de sublimación del CO2 fue más acelerado por el cambio de temperatura ya que esta es mayor en la disolución.

Agua-Colorante: En un vaso de precipitados con agua, se le adiciono colorante rojo, se diluyo y se procedió a cortar el hielo seco el cual se tomó varios cubos y se adicionaron a cada al vaso, se observó la reacción.

El vapor observado es dióxido de carbono que al estar a baja temperatura condensa el agua presente en el aire del ambiente, generando gotas muy pequeñas, que por efectos de la luz se observan de color blanco. (ver figura 1).

Hielo seco-cuchara: Se tomó para este procedimiento un pequeño trozo de hielo seco se colocó sobre el mesón, al cual se le ejerció presión con una espátula metálica.

Este vapor blanco se ubica en la parte superior del líquido el cual al salir del recipiente no se eleva si no que cae ya que este CO2 gaseoso es más denso

que el aire (A condiciones normales ρCO2= 1,842 Kg/m3 y ρaire= 1,205 Kg/m3). Figura 1 Hielo seco + colorante

Burbujas CO2: Al introducir la manguera por la cual sale el CO2 al agua con jabón, esto consiste en una capa de líquido con dos películas muy finas de jabón y agua que forman una esfera que contiene CO2 gaseoso, que se desprende del hielo junto con el agua que condensa. (ver figura 3) Figura 3 Burbujas CO2

Fuente: los autores Hielo seco-espátula: Al presionar el hielo seco sobre el mesón con la espátula se puede oír un sonido por unos breves segundos, esto se da ya que al contacto del hielo con la cuchara se genera gas ya que esta se encuentra a temperatura ambiente, dicho gas trata de empujar la cuchara de su superficie provocando una vibración la cual genera el ruido escuchado, la vibración también es generada por la contracción del metal al enfriarse con el hielo seco. (ver figura 2). Figura 2 Hielos seco + espátula

Fuente: los autores. Hielo seco-Hielo de agua: se observó sobre la hoja de papel de cuaderno donde el hielo seco se sublima sin dejar rastro de humedad, en cambio el hielo de agua deja el papel totalmente mojado. Esto se debe a la deferencia entre el cambio de estados ya que en el hielo seco el cambio de estado se da por sublimación pasando de solido a gas en el hielo de agua se presenta una fusión pasando de solido a líquido. (ver figura 4) Ya que hubo cambio de temperatura y no de presión (0,946 atm – presión de Villavicencio), se puede contemplar en los diagramas de fases de ambas sustancias (CO2 y H2O), que hay un desplazamiento isobárico hacia la derecha. Donde el H2O pasa de la fase solida a la liquida y el CO2 por su parte pasa de solido a gas directamente.

Fuente: los autores.

Figura 4 hielo seco vs hielo de agua

Figura 7 Punto triple

Fuente: los autores. Fuente: los autores. Punto triple: El punto triple es el punto en el que la sustancia puede coexistir en equilibrio en las tres fases, liquido, sólido y gaseoso, es de 5,1 atm de presión y -56,7°C de temperatura para el dióxido de carbono, como es observado en los diagramas de fases. (ver figura 6). Figura 5 diagrama de fases del agua.

CONCLUSIONES Se analizó el cambio de fases del hielo seco (solido-gas), comprendiendo los fundamentos de este cambio de fases. Se determinó mediante diferentes experimentos las diferencias entre los cambios de estado del agua y el CO2. Se comprendió la diferencia entre estados de la materia y cambios de fase mediante la experimentación del laboratorio con hielo seco.

BIBLIOGRAFÍA

Fuente: Ferrero Lisandro, 2012, p.4. Figura 6 diagrama de fases del CO2

Fuente: Fornaro, 2010

Umaña Cerros, Eduardo; 2012. Conservación de alimentos por frio. Fundación Salvadoreña para el Desarrollo Económico y Social (FUSADES); El Salvador; recuperado el 8/Oct./2017. Benavides Ballesteros Henry Oswaldo, León Aristizábal Gloria Esperanza; (2007). Información técnica sobre gases efecto invernadero y cambio climático. Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), subdirección de meteorología;

Bogotá-Colombia. 8/Oct./2017

Recuperado

el

Universidad de Granada (2010). Experimentos con CO2, Universidad de Granada, Facultad de Ciencias, Vicedecanato de Actividades Científicas, Culturales y de Practicas Externas. España. Recuperado el 10/Oct./2017 Zemansky, M.W. (1968). Heat and Thermodynamics, McGraw-Hill., p.182, 335 Schroeder, Daniel V. (2000). Thermal Physics, Addison Wesley Longman., p.142 Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, 2005. La captación y el almacenamiento del dióxido de carbono. Convención Marco de las Naciones Unidas para el Cambio Climático. Recuperado el 10/ Oct./2017. Ferrero Lisandro, 2012. Diagramas de fases, Universidad Nacional de Lujan, Departamento de tecnología, Ingeniería Industrial, Lujan-Argentina, recuperado el 10/Oct/2017. Fornaro Oswaldo, 2010; Termodinámica de los Diagramas de Fase, Curso de Termodinámica avanzada aplicada a la Metalurgia. IFIMAT - Facultad de Ciencias Exactas, UNCPBA Tandil – Argentina. Recuperado el 10/Oct/2017.