Laboratorio De Tension Superficial

PRÁCTICA 1 CALOR DE REACCIÓN 1.-INTRODUCCIÓN TEÓRICA: En la inmensa mayoría de los casos, la disolución de un soluto en un disolvente produce efectos de calor medibles. Calor: Es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre dos cuerpos diferentes, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye, desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo. Entre 1840 y 1849, el físico británico James Prescott Joule demostró de forma concluyente que el calor es una transferencia de energía y que puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo. Temperatura: La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura. Así, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto. Cuando se aporta calor a una sustancia, no solo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades físicas que pueden medirse con precisión. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia, y -en caso de un gas- su presión varía. La variación de algunas de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas. Escalas de temperaturas: En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas están la escala Celsius, también conocida como escala centígrada, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Rankine o la escala termodinámica internacional. En las diferentes escalas el punto de congelación y ebullición del agua son: Celsius (0ºC100ºC), en la Fahrenheit (32ºF-212ºF), en la Rankine (492ºR-672ºR). En la escala Kelvin el cero se define como cero absoluto de temperatura, es decir, 273.15ºC: la magnitud de su unidad se simboliza por K, se define como igual a un grado Celsius. Otra escala que emplea el cero absoluto como punto más bajo es la escala Rankine, en la que cada grado de temperatura equivale a un grado en la escala Fahrenheit. Unidades de calor: En las ciencias físicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en julios (J). Otra unidad es la caloría (cal), definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a una atmósfera de presión desde 15ºC hasta 16ºC. A una caloría le corresponden 4.1855 julios. Según la ley de conservación de la energía, todo el trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se realiza trabajo. Joule fue el primero en demostrarlo, para ello calentó agua en un recipiente

cerrado haciendo girar unas ruedas de paleta y halló que el ameno de temperatura es proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas. Cuando el calor se convierte en energía mecánica la ley de conservación de energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energía en forma de calor. Calor específico: La cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia se conoce como calor específico. Si el calentamiento se produce manteniendo constante el volumen de la sustancia o su presión, se habla de calor específico a volumen o a presión constante. En todas las sustancias, el primero es menor o igual que el segundo. Generalmente, los dos calores específicos de una sustancia dependen de la temperatura. Transferencia de calor: Los procesos físicos por los que se produce la transferencia de calor son la conducción y la radiación. Un tercer proceso, que también implica el movimiento de materia, se denomina convección. La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente. Calor de reacción: En esta práctica en concreto, lo consideramos a presión y volumen constante. Una fórmula de gran interés es: qp = qv + nRT. El término calor de reacción también se llama a veces entalpía de formación, se utiliza con frecuencia para indicar que en un proceso dado se absorbe o se libera calor. Las reacciones que ocurren desprendiendo calor reciben el nombre de exotérmicas, mientras que las que ocurren absorbiendo calor se denominan endotérmicas. 2.-OBJETIVO: Se pretende que el alumno determine la cantidad de calor intercambiado en las reacciones de disolución de distintos sólidos solubles:NaOH y KNO3. Para ello se preparará, para cada uno, una disolución de concentración 1M y se calculará la entalpía de cada una de las reacciones. Se utilizará un matraz erlenmeyer como calorímetro sencillo y se considerará que el calor desprendido en la disolución se utilizará para modificar la temperatura de la disolución acuosa y la del vidrio del matraz, despreciándose otras pérdidas al exterior. 3.-MATERIAL NECESARIO: - 2 matraces erlenmeyer de 100 mL.

- 1 espátula. •

1 frasco lavador.

•

Hidróxido sódico.

•

Nitrato potásico.

•

1 vidrio de reloj.

•

1 termómetro.

•

1 probeta de 100 mL.

4.-PROCEDIMIENTOS Y CÁLCULOS: Para NaOH.  Se pesa el Erlenmeyer limpio y seco en la balanza analítica y se anota el valor obtenido (masa vidrio).  Se mide con la probeta 50 mL de agua fría (masa agua = 50 g) y se vierten en el Erlenmeyer. Se mide esta temperatura y se anota (t1).  Se pesan en un vidrio de reloj 1.9-2 g de Hidróxido Sódico, anotándose la cantidad exacta que se ha pesado (masa NaOH).  Se añade Hidróxido Sódico al agua contenida en el Erlenmeyer, agitando hasta que se disuelva totalmente. Se introduce al mismo tiempo el termómetro y se anota la temperatura máxima alcanzada (t2).  Calcular el calor que se intercambia en la disolución de los gramos de NaOH pesados, utilizando la ecuación: Q = mvidrio · Ce (vidrio) (t2-t1) + mdisolución NaOH · Ce(d. NaOH) /(t2-t1) Sabiendo que: Masa vidrio = masa Erlenmeyer Ce (vidrio) = 0.2 cal/g.ºC T2 = temperatura final Masa d. NaOH 1M = masa NaOH + masa agua t1 = temperatura inicial

Ce (d. NaOH 1M) = 0.94 cal/g.ºC  Escribir la reacción de disolución del Hidróxido Sódico y determinar la cantidad de calor intercambiado expresando el resultado en cal/mol y J/mol. Para KNO3.  Se pesa el Erlenmeyer limpio y seco en la balanza analítica y se anota el valor obtenido (masa vidrio).  Se miden con la probeta 50 mL de agua fría (masa agua = 50 g) y se vierten en el Erlenmeyer. Se agita con cuidado con el termómetro hasta alcanzar una temperatura constante. Se mide esta temperatura y se anota (t1).  Se pesan en el vidrio de reloj aproximadamente 5 g de Nitrato potásico, anotándose la cantidad exacta que se ha pesado (masa KNO3).  Se añade Nitrato potásico al agua contenida en el Erlenmeyer, agitando hasta que se disuelva totalmente. Se introduce al mismo tiempo el termómetro y se anota la temperatura máxima alcanzada (t2).  Calcular el calor que se intercambia en la disolución de los gramos de KNO3 pesados, utilizando la siguiente ecuación: Q = m vidrio · Ce (vidrio) · (t2-t1) + m d.KNO3 · Ce (d.KNO3)·(t2-t1) Sabiendo que: Masa vidrio = masa Erlenmeyer T2 = temperatura final Masa d.KNO3 1M = masa KNO3 + masa agua Ce(d. KNO3 1M) = 0.21 cal/g.ºC  Escribir la reacción de disolución de Nitrato potásico y determinar la cantidad de calor intercambiado expresando el resultado en cal/mol y J/mol.  NaOH (s) ! Na+ (aq) + OH- (aq) Masa de disolución NaOH (1M) = masa NaOH + masa agua = (a + 50)g Q = masa vidrio · 0.2 cal/g.ºC · (t2-t1) + masa disolución · 0.94 cal./g.ºC ·(t2-t1)

(1 mol de NaOH/(40g/mol) = x/(1.g NaOH) x = y moles NaOH (y moles NaOH)/(z cal./g.ºC) = (1 mol NaOH)/x x = z´cal./mol NaOH 1J/0.24 cal. = x/z cal. x= z´´J (y mol NaOH)/z´´J = 1 mol NaOH/x x = z´´´J/mol NaOH.  KNO3 (s)! K+ (aq) + NO-3 (aq) Q = masa vidrio · 0.2 cal/g.ºC · (t2-t1) + masa disolución · 0.94 cal./g.ºC ·(t2-t1) (1 mol de KNO3/(101.1g/mol) = x/(1g.KNO3) x = y moles KNO3 (y moles KNO3)/(z cal./g.ºC) = (1 mol KNO3)/x x = z´cal./mol KNO3 1J/0.24 cal. = x/z cal. x= z´´J ( y mol KNO3)/z´´J = 1mol KNO3/x x = z´´´J/mol KNO3. NOTA: A causa de la pérdida de la hoja con los datos nos vimos obligados a realizar los cálculos, y por lo tanto sólo podemos indicar el procedimiento de los mismos. 5.-CUESTIONES: 5.1-¿De qué tipo es el proceso de disolución de NaOH y de KNO3? El del NaOH es exotérmico y el del KNO3 endotérmico.

5.2-Si sabemos que una reacción es endotérmica en un sentido. ¿Qué se puede decir de aquella en sentido contrario? La reacción en sentido contrario es exotérmica, ya que el incremento de entalpía es igual al sumatorio de entalpía de los productos menos el sumatorio de entalpía de los reactivos. 5.3-El proceso de disolución del nitrato de amonio en agua es endotérmico. ¿Cúal es el signo de Q? Como el proceso es endotérmico, entalpía será mayor de cero y el signo de Q negativo, pues Q=-AH. PRÁCTICA NO. 2

Efecto de la Temperatura sobre la Tensión Superficial de Diferentes Sustancias El siguiente informe presenta lo que es la tensión superficial y la variabilidad que tiene con respecto a la temperatura. Se presenta la variación de la tensión para varias sustancias debido a las propiedades únicas que poseen, así mismo se definen modelos matemáticos que explican la relación entre tensión superficial y temperatura creando una ecuación que permiten dar linealidad a esta relación.

Introducción

A continuación se muestran los resultados obtenidos en una serie de mediciones sobre la tensión superficial, suele representarse mediante la letra . La tensión superficial de un líquido es la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. La tensión superficial

junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial y le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar de radio determinado. El tubo capilar es un aparato usado para demostrar la capilaridad; cuando la parte inferior de un tubo de vidrio se coloca verticalmente, en contacto con un líquido como el agua, se forma un menisco cóncavo; la tensión superficial succiona la columna líquida hacia arriba hasta que el peso del líquido sea suficiente para que la fuerza de la gravedad se equilibre con las fuerzas intermoleculares. La ley de Jurin define la altura que se alcanza cuando se equilibra el peso de la columna de líquido y la fuerza de ascensión por capilaridad. Nuestro principal objetivo será poner en práctica estos conocimientos haciéndolo con diferentes sustancias para poder relacionar la tensión superficial con varias temperaturas y encontrar un modelo matemático que describa este comportamiento.

Método Experimental Equipo:

• • • • • • •

Tubos capilares 4 Beaker de 100 mL 2 o más Termómetro Cinta adhesiva Estufa Soportes verticales 2 o más Tubos de ensayo

Materiales:

• • • • • •

Acetona Alcohol Etílico Glicerina Agua Pie de Rey Refrigerador

Procedimiento Experimental: Preparativo de las Muestras: Primero se deposita de 3 a 4 mL (aproximadamente) de cada sustancia en un tubo de ensayo, luego se introduce un tubo capilar dentro del mismo, se nivela la altura del líquido dentro del tubo y se mantiene fijo con la cinta adhesiva. Mediciones del Ascenso Capilar: Se hacen pruebas en un rango de temperaturas abajo del punto de ebullición de cada una de las sustancias. Para el agua el rango será de 25 ºC a 85 ºC tomando haciendo 4 mediciones dentro del rango aumentando 20 ºC por punto a considerar. Para la glicerina se tomará el mismo rango del agua. Para el alcohol etílico se tomara de 5°C a 65°C. Para la acetona se usará un rango de 5°C a 65°C.

Montaje:

Soporte vertical

Capilar es

Tubos de ensayo Beake r

Estuf a

Resultados 1) Análisis del Agua A partir de una fórmula y mediciones (que a continuación se dan a conocer), obtuvimos una serie de resultados: Radio del Capilar (cm)= 0.09 Tc (Valor Real) [K]= 647.096 Maire (kg/mol)= 2.90E-02 Magua (kg/mol)= 1.8E-02

Definición de tensión superficial:

Tensión Superficial [dinas/cm]

Comportamiento de la Tensión Superficial respecto a la Temperatura 35 30 25 20 15

y = 0.2223x - 49.525

(Temperatura,Tensión Superficial) Tendencia de ? con respecto a T

10 5 0 0

100

200

300

400

Temperatura [K] Figura 1. En este gráfico se muestra la relación entre la Tensión Superficial(γ) y la variación de la Temperatura(T), todo para el Agua.

Utilizamos la ecuación de Katayama, para predecir la temperatura crítica de la sustancia pura que se esta probando:

Aplicando un modelo de regresión lineal (linealización), en donde: Y=γ X=T m = -γ0/Tc = 0.2212 b = γ0 = -49.218

Tc = -b/m = 49.218/0.2212 = 222.5K

2) Análisis de la Glicerina A partir de la fórmula antes mencionada, obtuvimos los siguientes resultados:

Radio del Capilar (cm)= 0.09 Tc (Valor Real) [K] = ? Mglicerina (kg/mol) 9.2E-02 Maire (kg/mol)= 2.90E-02

Comportamiento de la Tensión Superficial respecto a la Temperatura y = 0.0665x + 22.429

Tensión Superficial [dinas/cm]

47 46

(Temperatura, Tensión Superficial)

45

Tendencia de γ con respecto a T

44 43 42 0

100

200

300

400

Temperatura [K]

Figura 2. En este gráfico se muestra la relación entre la Tensión Superficial (γ) y la variación de la Temperatura(T), todo para la Glicerina.

Linealizando:

m = 22.254 b = 0.0665 Tc = 334.65K

3) Análisis de la Acetona A partir de la fórmula antes mencionada, obtuvimos los siguientes resultados: Radio del Capilar (cm)= 0.09 Tc (Valor Real) [K] = 508.2 Macetona (kg/mol)= 5.80E-02 Maire (kg/mol)= 2.90E-02

Comportamiento de la Tensión Superficial respecto a la Temperatura y = 0.0813x + 40.064

Tensión Superficial [dinas/cm]

68 67 66

(Temperatura, Tensión Superficial Tendencia de γ con respecto a T

65 64 63 62 61 0

100

200

300

Temperatura [K]

400

Figura 3. En este gráfico se muestra la relación entre la Tensión Superficial(γ) y la variación de la Temperatura(T), todo para la Acetona.

Linealizando:

m = 40.064 b = 0.0813 Tc = 492.79K

4) Análisis del Etanol A partir de la fórmula antes mencionada, obtuvimos los siguientes resultados:

Radio del Capilar (cm)= 0.09 Tc (Valor Real) [K] = 514.0 Metanol (kg/mol)= 4.6E-02 Maire (kg/mol)= 2.90E-02

Comportamiento de la Tensión Superficial respecto a la Temperatura y = 0.0839x + 44.4

Tensión Superficial [dinas/cm]

74 73 72

(Temperatura, Tensión Superficial)

71 70

Tendencia de γ con respecto a T

69 68 67 0

100

200

300

400

Temperatura [K]

Figura 4. En este gráfico se muestra la relación entre la Tensión Superficial(γ) y la variación de la Temperatura(T), todo para el Etanol.

Linealizando:

m = 0.0848 b = 44.071 Tc = 519.7K