• Author / Uploaded
• EDUARD MIGUEL CHAVEZ AREDO

Citation preview

DESCENSO TÉRMICO

1. OBJETIVOS Determinar el efecto térmico de dos mezclas frigoríficas a diferentes concentraciones.

2. INTRODUCCIÓN Una disolución es una mezcla homogénea a nivel molecular (a diferencia de una suspensión) de dos o más sustancias químicas que no reaccionan entre sí, y cuyos componentes se encuentran en una determinada proporción, la cual varía entre determinados límites. Una disolución consta de una fase dispersa llamada soluto y una fase dispersante denominada disolvente. Las partículas del soluto se encuentran dispersas entre las moléculas del disolvente. Tanto el disolvente como el soluto pueden estar en diferentes estados de agregación, y el volumen de la disolución es menor, en general, que la suma de los volúmenes de las sustancias por separado. El soluto no puede separarse por centrifugación (no sedimenta) ni filtración, sino que es necesario recurrir a cambios de fase [ CITATION UVE08 \l 10250 ]. Las propiedades coligativas de una disolución son aquéllas que dependen de la concentración de soluto y no de la naturaleza del mismo, y están relacionadas con las fuerzas de interacción o cohesión entre moléculas dependiendo de la cantidad de soluto presente, y en concreto con la presión de vapor que ejerce la fase de vapor sobre la fase líquida en un recipiente cerrado (línea de equilibrio de fases). Experimentalmente se constata que a medida que se añade soluto a un disolvente, se alteran algunas propiedades físicas de la disolución[ CITATION Man \l 10250 ]. La disolución es capaz de ejercer una presión osmótica, disminuye la presión de vapor en solutos no volátiles, el punto de ebullición es mayor (aumento ebulloscópico) y el de congelación. A este último fenómeno (disminución de la temperatura de fusión a presión constante) se le denomina descenso térmico [ CITATION Man \l 10250 ]. El estudio de las formas en las que es posible producir frío (disminuir la temperatura), basándose en principios químicos y físicos es lo que nos conlleva a estudiar las mezclas frigoríficas [CITATION San01 \l 10250 ] Las mezclas llamadas frigoríficas deben su propiedad al enfriamiento que produce, en general, la disolución de un cuerpo solido en un líquido, porque el primero, pasando al estado líquido, hace pasar al estado latente cierta cantidad de calor sensible de la mezcla [CITATION DMe57 \l 10250 ].

Cuadro N°1. Mezclas frigoríficas. Materiales Cloruro de amonio (NH4Cl) Nitrato de potasio (KNO3) Agua Cloruro de amonio (NH4Cl)

Temperatura de equilibrio −12 °C / 10 °F / 261 K

Sal común (NaCl)

−18 °C / 0 °F / 255 K

Nieve/hielo −15.5 °C / 4 °F / 257.5 K

Sulfato de sodio (Na2SO4) Ácido nítrico diluido (HNO3) Sulfato de sodio (Na2SO4) Ácido clorhídrico (HCl)

Temperatura de equilibrio

Nieve/hielo

Agua Nitrato de amonio (NH4NO3) Agua

Materiales

Hidróxido de potasio, cristalizado (KOH)

−26 °C / −15 °F / 247 K

Nieve/hielo −15.5 °C / 4 °F / 257.5 K

−51 °C / −60 °F / 222 K Ácido sulfúrico, diluido (H2SO4) Nieve/hielo

−16 °C / 3 °F / 257 K

−18 °C / 0 °F / 255 K

Cloruro de calcio (CaCl2) Ácido sulfúrico, diluido (H2SO4) Nieve/hielo

−55 °C / −67 °F / 218 K

−68 °C / −90 °F / 205 K

Fuente: Walker (1788).

Al realizar una mezcla de hielo con alguna sustancia soluble en agua, como la sal, se produce una disminución de la temperatura la cual es proporcional a la cantidad de sustancia que se haya añadido. [ CITATION Msc13 \l 12298 ]. 3. MATERIALES Y METODOS 3.1.

Materiales

- Hielo granulado o picado - NaCl (sal de mesa) - Urea (comercial) - Recipientes de mezcla - Balanza de precisión - Cuchillos - Termómetro digital 3.2. Métodos

a) Hielo - Sal

1

Se picó hielo finamente y se lo colocó en un recipiente amplio (jarra de 1000 ml). cantidades de 15, 30, 45, 60, 75 y 90 gr de acuerdo a las concentraciones (peso de mezcla 300 g).

Se pesó la sal en vasos de plastico obteniendo a diferentes concentraciones (5, 10, 15, 20, 25 y 30 %) pesos de 285, 270, 255, 240, 225 y 210.

2

Mezclar los granulos de sal con los trozos de hielo, y con ayuda del agitador se mezcló ( Cuchara).

3

Se midió la temperatura del contenido en el vaso, para esto se colocó el termómetro en la mezcla y se esperó a que la temperatura llegue a un valor constante es decir que ya no siga disminuyendo, se debe esperar unos segundos.

4

b) Agua – Urea

1 2

Se disolvio 5 concetraciones de urea al 7, 14, 20, 30, 40 y 50 %; con un peso de mezcla de 100 g.

Se peso el agua cuyos valores fueron 7, 14, 20, 30, 40 y 50 g de acuerdo con a las concentraciones correspondientes.

disolvio con una varilla los granulos de urea con la ayuda de un agitador (cuchara)

3 4

Se midió la temperatura del contenido en el vaso, para esto se colocó el termómetro en la mezcla y se esperó a que la temperatura llegue a un valor constante es decir que ya no siga disminuyendo, se debe esperar unos segundos.

4. RESULTADOS Y DISCUSIONES 4.1.

Resultados

Cuadro N°2. Concentraciones de la mezcla (NaCl: Hielo). NaCl : Hielo Concentración [%P/P] 5% 10 % 15 % 20 % 25 % 30 %

T [°C] -9.8 -11.5 -15.3 -17.7 -19.1 -19.5

Gráfica de Temperatura Vs concentración Temperatura (°C)

0 0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

-5 -10 -15

f(x) = - 42.11x - 8.11 R² = 0.94

-20 -25 Concentraci Ón Na Cl (%)

Figura N°1. Grafica de la Temperatura con respecto a la concentración.

Cuadro N°3. Concentraciones de la mezcla (Urea: Agua) Urea : Agua Concentración [%P/P] 7%

T [°C] 20.1

14 % 20 %

18.2 15

30 % 40 %

7.7 5.6

50 %

4.2

Gráfica deTemperatura Vs concentracion 25

Temperatura (°c)

20 15

f(x) = - 40.71x + 22.72 R² = 0.94

10 5 0 0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

Concentraci on de Urea (%)

Figura N°2. Grafica de la Temperatura con respecto a la concentración.

4.2.

Discusiones

El descenso del punto de congelación de una solución diluida depende de la concentración de soluto y del tipo de solvente utilizado. Las propiedades que dependen principalmente del número de partículas disueltas en lugar de la naturaleza de estas partículas se llaman propiedades coligativas (Osorio , 2009) Las temperaturas de congelación de las disoluciones son siempre menores que las del disolvente puro, debido a que la disolución tiene más entropía, más desorden, que el disolvente líquido puro. A mayor concentración de soluto, mayor desorden, mayor entropía en la disolución y, por lo tanto, menor temperatura y mayor descenso crioscópico [CITATION Maf94 \l 10250 ]. Comprobando lo mencionado por Mafart, ya que cada vez que añadíamos más soluto la temperatura disminuía, como en él se aprecia en ambos casos tanto como para la sal: hielo y la urea: agua, observándose en los cuadros 1 y 2 que cuando esta tenían una concentración mayor la temperatura de congelación descendía hasta -19.5 para el caso de la sal y 4.2 para la urea. Según Covenin (1996) La determinación del descenso térmico se basa en el hecho de que las sustancias diluidas en un líquido puro provocan un descenso del punto de congelación, el cual es directamente proporcional a la concentración de soluto e inversamente proporcional a su temperatura. Comparado con nuestros datos la temperatura de descenso de las disoluciones en función de la concentración de NaCl: hielo y urea: agua, de acuerdo a los datos incluidos en el cuadro N°1 y 2 respectivamente, se puede apreciar una proporción inversa tanto en los datos como en la pendiente dada en las gráficas cuyo valor es negativo. Donde al aumentar la concentración del soluto, este hace que la temperatura de congelación disminuya.

El menor valor de descenso térmico para las mezclas refrigerantes lo podemos comparar con valores teóricos para el NaCl: Hielo y urea CO(NH2)2 : agua, cuyos valores experimentales fueron -19.5 y 4.2. Según Walker (1788) nos menciona en el cuadro N° 1, las temperaturas de equilibrio para la mezcla de sal comun con agua o hielo es de −18 °C (255 K) cuyo valor es cercano al obtenido. Según Connor (1982) Cuando se enfría un disolución comparando el comportamiento del agua pura con el de la disolución, la fase sólida no aparece hasta que la temperatura ha llegado a menos de 0ºC; lo que significa que la temperatura de la disolución es menor que la del agua pura. Este descenso de la temperatura depende de la cantidad de soluto presente; cuanto más soluto haya disuelto, menor será la temperatura de congelación. Además según Lewis (1993) a media que aumenta la concentración de solutos en la disolución, disminuye el punto crioscópico de la misma. Comprobándose esto en el experimento que a mayor concentración de sustancia, es decir a mayor cantidad de soluto disuelto en la solución, el punto de congelación disminuirá, lo cual se reflejó en la Figura N°1, presentada en lo resultados para el caso de la solución salina. Una explicación del porque el la temperatura del hielo disminuye al añadirle sal, según Di Prinzio et al. (2011) nos menciona que al añadir la sustancia al hielo, el calor se transfiere de la sal al hielo lo cual provocará que este último empiece a fundirse, por su parte, la sal se disuelve en las caras de los trozos de hielo. A medida que se añade más sustancia al hielo este sigue fundiéndose mientras que la solución concentrada tiende a diluirse, el hielo absorbe el calor de la disolución en una cantidad equivalente a su calor latente de fusión. Como la disolución se encuentra perdiendo calor esta empieza a enfriarse es decir su temperatura desciende (