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PRACTICA #4, CURVAS DE CALENTAMIENTO Y DE ENFRIAMIENTO

PRESENTADO POR: SEBASTIAN ANDRES DE ORO CORDERO MARCELA ESTHER SÁNCHEZ CASTILLO

PRESENTADO A: PREFESOR, JOSE JOAQUIN PINEDO HERNANDEZ

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA

2020-1 RESUMEN Los cambios de fase o las transformaciones de una fase a otra, se presentan cuando se agrega o se quita energía (casi siempre en forma de calor). Los cambios de fase son cambios físicos que se distinguen porque cambia el orden molecular, en la fase sólida las moléculas alcanzan el máximo ordenamiento, y en la fase gaseosa tienen el mayor desorden. Conviene tener en mente que la relación entre el cambio de energía y el aumento disminución del orden molecular ayudará a entender la naturaleza de estos cambios físicos. ABSTRAC Phase changes or transformations from one phase to another, occur when energy is added or removed (almost always in the form of heat). Phase changes are physical changes that are distinguished in that the molecular order changes, in the solid phase the molecules reach their maximum order, and in the gas phase they have the greatest disorder. It should be borne in mind that the relationship between energy change and decreased molecular order increase will help to understand the nature of these physical changes.

INTRODUCCIÓN Esta práctica de laboratorio dará a conocer como una sustancia puede cambiar de estado sólido a líquido y de líquido a gaseoso todo con el objetivo de determinar las curvas de enfriamiento y calentamiento de una sustancia en particular; teniendo en cuenta que las moléculas de los sólidos están muy juntas y las fuerzas intermoleculares son mucho mayor; así mismo las moléculas de los líquidos y los gases están un poco separadas y sus fuerzas intermoleculares son menor.

Se tendrá en cuenta la temperatura como variable de determinación este será un calor que en determinados intervalos de tiempo se llamaron calor sensible o calor latente. Se tomó como referencia la sustancia llamada naftaleno; que radica y cambia de estado a diferentes temperaturas; dicho proceso se someterá en altas temperatura de glicerina y así mismo registrar en datos su enfriamiento y calentamiento. Todo esto radica a la importancia de los cambios de estado, cuando un equilibrio en dos fases, por lo cual las moléculas de dichas sustancias registran una temperatura cuando su calor latente cambia.

OBJETIVOS GENERAL. Observar los cambios de temperatura y los cambios de estado cuando se calienta y se enfría una sustancia.

ESPECÍFICOS. 1. Elaborar la curva de calentamiento y enfriamiento experimental del naftaleno. 2. Determinar la Temperatura de fusión y de solidificación del naftaleno. 3. Observar el comportamiento de un sólido sometido a calentamiento y de un líquido sometido a enfriamiento.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS Sustancias existen indistintamente en estado sólido, líquido o gaseoso, dependiendo del tamaño de sus fuerzas intermoleculares y de las condiciones de temperatura y Presión. Sabemos que del estado sólido las moléculas están casi en contacto ya que las fuerzas intermoleculares son muy grandes y por lo tanto, su energía cinética es mínima. En estado líquido las moléculas están separadas por distancias del orden de las distancias intermoleculares, o sea, que sus fuerzas intermoleculares son medias y sus moléculas poseen una energía cinética superior a la del estado sólido. En el estado gaseoso las moléculas están bastante separadas y poseen una gran energía cinética, por lo tanto, sus fuerzas intermoleculares son mínimas.

Según lo anterior, para que suceda un cambio de estado es necesario incrementar o disminuir la energía Cinética, esto se logra cambiando la presión o la temperatura. Sin embargo, los cambios de estado se efectúan a presión constante, o sea, variando la temperatura por adición o sustracción de calor, esto produce un aumento o una disminución de los niveles de energía cinética. Cuando a una sustancia se le agrega o sustrae calor pueden suceder dos procesos muy diferentes, uno en dónde la adición o sustracción de calor es detectado por un cambio en la temperatura del sistema y el calor agregado o sustraído se conoce como calor sensible; y el otro proceso en donde a pesar de que se agrega o se sustrae calor no hay cambio en la temperatura, y el calor agregado o sustraído se conoce como calor latente. En el primer proceso el calor agregado o sustraído solo afecta el incremento o disminución de la temperatura, en el segundo proceso el calor agregado o sustraído afecta el estado físico de la sustancia y produce un cambio de estado. La importancia de estos cambios

de estado radica en la creación de equilibrios entre dos fases cuando a una temperatura se iguala el número de moléculas que pasan de un estado a otro y viceversa.

Los cambios de estado en equilibrio son: Fusión y solidificación: solido ⇔ líquido Ebullición y licuefacción: líquido ⇔ vapor Sublimación y sublimación inversa: solido ⇔ vapor El proceso de agregar calor a un sistema se conoce con el nombre de calentamiento y se analiza a través de una gráfica de temperatura vs tiempo conocida como gráfica de calentamiento.

Iniciamos el proceso de calentamiento, agregando calor a una sustancia; que se encuentra a una temperatura T1, por debajo de la Temperatura de fusión de dicha sustancia.

En el proceso de calentamiento se encuentran al menos 5 etapas:

ETAPA I: En esta etapa se observa un cambio de T, por lo tanto, es un proceso sensible y la cantidad de calor agregado solamente es utilizado para incrementar la Energía cinética (Ee.) de las moléculas, que es detectado por un incremento de la T. El calor específico (Cp.) de una sustancia en cualquier estado, se define como la cantidad de calor que es necesaria adicionarle a una sustancia para cambiarle la temperatura 1°C. La cantidad de calor agregado al sistema desde el tiempo t0 tiempo t1 se calcula mediante la siguiente expresión: Q = m CP(s) ∆T Donde: m es la masa en gramos de la sustancia Cps, es el calor específico de la sustancia en el estado sólido ∆T es la diferencia de temperatura en °C (Tf—TI). En la etapa I se agrega calor desde la temperatura T1 hasta la temperatura de fusión Tf de la sustancia, sin que suceda cambio de estado. ETAPA II: En esta etapa no se observa cambio de Temperatura, por lo tanto, es un proceso latente, en donde la cantidad de calor agregado es utilizado para que las moléculas a la temperatura de fusión adquieran la energía cinética suficiente para alcanzar el equilibrio Sólido ⇔ Líquido. El calor se agrega desde el tiempo t1 hasta el tiempo t2, cuando la ultima molécula en estado sólido pasa al estado líquido. La cantidad de calor se calcula mediante la expresión: QLf=m ∆Hf Donde: m es la masa en gramos de la sustancia ∆Hf es el calor latente de fusión de la sustancia. El calor latente de fusión ∆Hf se define como la cantidad de calor que es necesario agregarle a un gramo o a un mol de sustancia en el estado

sólido para cambiarla al estado liquido a la temperatura constante de fusión y a presión constante. ETAPA III: es la otra etapa descrita por un proceso sensible; se agrega calor desde la temperatura de fusión Tf hasta la temperatura de ebullición Te, durante el tiempo T2 hasta el tiempo T3. En esta etapa no hay cambio de estado. La cantidad de calor se calcula mediante la siguiente expresión; Qm=m Cp. (l) ∆T Donde: m es la masa en gramos de la sustancia, Cp. (l) es el calor específico de la sustancia en el estado líquido, ∆T ES la diferencia de temperatura en °C (Te - Tf). ETAPA IV: Esta es otra etapa descrita por un proceso latente. Aquí el calor agregado es utilizado para cambiar la sustancia en estado líquido al estado de vapor, a la temperatura constante de ebullición, durante el tiempo t3 hasta el tiempo t4. La cantidad de calor agregado es calculada por la expresión: QLe =m ∆He Donde: m es la masa en gramos de la sustancia, ∆He es el calor latente de ebullición de la sustancia, el calor latente de ebullición (∆He) se define como la cantidad de calor que es necesario agregarle a un gramo o a una mol de sustancia en el estado liquido para que cambie al estado gaseoso, a la temperatura constante de ebullición. ETAPA V: Es otra etapa descrita por un proceso sensible, el calor agregado es utilizado para cambiar la temperatura de una sustancia desde la temperatura de ebullición Te hasta la temperatura final Tf, durante el tiempo t1 hasta el tiempo t5. En esta etapa nuevamente no hay cambio de estado. La cantidad de calor se calcula por la expresión: Qv=m Cp. (g) ∆T

Donde: m es la masa en gramos de la sustancia, Cp. es el calor específico de la sustancia en el estado gaseoso. ∆T es la diferencia de temperatura en "C (Tf - Te) La cantidad total de Calor (QT) es la suma de los calores de cada etapa: QT = Q1+ Q2 + Q3 +Q4... Si el signo de la cantidad expresada por QT es (+) significa que el sistema absorbe calor, o sea que se está suministrando calor al sistema. CURVAS DE ENFRIAMIENTO. Cuando a un sistema que se encuentra en estado de vapor, se le extrae calor hasta llevarlo al estado sólido, se dice que el sistema se está enfriando y se analiza a través de una curva de enfriamiento, que es totalmente inversa a la Curva de Calentamiento, o sea, se grafica la Temperatura Vs Tiempo, desde una Temperatura inicial Ti del sistema en estado de vapor hasta una temperatura final TF del sistema en estado sólido. En este proceso también se presentan 5 etapas, que son completamente las inversas a las etapas en el proceso de calentamiento. PUNTO DE FUSIÓN Y DE SOLIDIFICACIÓN. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la cual la sustancia pasa del estado sólido al estado líquido, esta temperatura permanece constante mientras dure el proceso de cambio de estado y es la misma a la cual la sustancia pasa del estado líquido estado sólido. (¿Cómo se llama este cambio?). El punto de fusión al igual que el punto de solidificación de una sustancia es una propiedad intensiva característica de ella que sirve para identificarla. Aunque la temperatura de fusión y de solidificación de una sustancia es la misma a determinadas condiciones, la fusión y la solidificación son dos procesos contrarios ya que mientras el primero requiere él suministro de calor, el segundo se realiza con desprendimiento de calor.

Recuerde que la fusión y la solidificación son cambios físicos, mientras que la temperatura de fusión y de solidificación es una propiedad característica de cada sustancia.

MATERIALES Y REACTIVOS.

1 Vaso de precipitado de 250 ml. 1 Soporte universal. 1 Aro metálico con nuez. 1 Malla de asbesto. 1 Pinza metálica para bureta con nuez. 1 Tubo de ensayo 13x150. 2 Termómetros de -10 a 150 °C. 1 Pinzas para tubo de ensayo. 1 Cronómetro (traer Alumno). 1 Mortero de porcelana con pistilo, 1 Mechero de Bunsen. REACTIVOS 10 a 20 gramos de Naftaleno.

PROCEDIMIENTO CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO

PARTE I

PARTE II

PARTE III

Calentar 200 ml de agua,

Llenar las ¾ partes del beaker con

Sacar el tubo de ensayo con la

tomar la temperatura al

agua, colocar en un tubo de ensayo

naftalina sólida del baño de

agua tibia y consígnela

5 g de naftalina, luego someter a

agua. Someter el agua del

como TO.

calentamiento suave hasta que se

beaker a calentamiento hasta

funda. Introducir un termómetro Esperar 3 minutos, tomar de

alcanzar la temperatura de

dentro de la naftalina liquida,

nuevo la temperatura y

90°C

continuar calentando hasta que la

consignar como Tf.

temperatura este entre 85°C y 90°C

Sumergir la mitad inferior del tubo de ensayo en el baño de

Dividir el trabajo en el grupo. El

agua caliente. Anotar la

1er primer estudiante leerá el

temperatura de la naftalina

tiempo cada 30 segundos, el 2do

cada 30 segundos en una tabla

estudiante anotara las

previamente elaborada.

observaciones echa por los demás miembros y anote la temperatura

Cuando todo el sólido se haya

de la naftalina.

desprendido de las paredes del tubo, empezar a mover el

Cuando el estudiante que lee el tiempo lo indique,

termómetro de arriba hacia

introducir rápidamente la mitad del tubo de ensayo

abajo.

en agua y sostener en esa posición. Registrar la temperatura cada 30 segundos en una tabla previamente elaborada, hasta que esté por debajo de 40°C.

CÁLCULOS DE LOS RESULTADOS Y CUESTIONARIO 1. ¿Cómo son las temperaturas de fusión y de solidificación para una misma sustancia, iguales o diferentes? Justifica su respuesta. R/= Las temperaturas de fusión y de ebullición para una misma sustancia son las mismas ya que esta temperatura marca el punto donde la sustancia pasa del estado sólido al líquido o del líquido al estado sólido. 2. ¿Qué efecto tendrá un aumento de la cantidad de naftalina sobre la formas de la curva de fusión y de solidificación? R/= un aumento en la masa de naftalina haría que el calor necesario para producir los cambios de estado fuera mayor, para justificar lo anterior, observamos. Q = m Ce ΔT

y

Q = m Δ Hi

En esta relación podemos deducir que a medida que la masa se va incrementando el calor también lo hace. OJO: el punto de ebullición de cualquier masa de agua es 100°C a 1 atm, si consideramos 1 gramo de agua, ebulle a esta temperatura, si ahora consideramos 50 gramos de agua el punto de ebullición no cambia a determinadas condiciones de presión, pero el calor necesario para absorber los 50 gramos de agua es mayor que el calor necesario para evaporar 1 gramo de la misma. 3. ¿será correcto hablar de “calor de fusión” o “calor de solidificación” de una sustancia, en lugar de hablar de su “temperatura de fusión” o “temperatura de solidificación”? justifique su respuesta.

R/= como aclaramos anteriormente la temperatura de ebullición no cambia para cualquier cantidad de sustancia pero el calor necesario para producir un cambio de estado crece a medida que aumenta la masa de la sustancia. 4. ¿cómo serán las temperaturas de ebullición y condensación de una misma sustancia, iguales o diferentes? Si son diferentes, ¿Cuál es mayor? ¿Por qué? R/= según la gráfica la temperatura de condensación y de ebullición son las mismas para una misma sustancia ya que el calor ganado para producir tal cambio es el mismo que debe ceder esa sustancia a esa temperatura para regresar a su estado normal. 5. Calcule

R

mCP (l)( Tf −Ti) tiempo (minuto )

R: velocidad o rata de calentamiento en

caloria minutos

m: masa del agua en gramos CP (L): capacidad calórica o calor especifico del agua líquida en

caloria g° C

Tf: temperatura final del agua después de calentarla t minutos Ti: temperatura inicial del agua antes de calentarla R/= primero calculamos la rata o caudal de calentamiento de la plancha empleada: R=

m∗Ce l∗∆ ❑

V: 200 ml H2O →m H2O = D*V = 200 ml * Ti = 23°C Tf = 63°C Tiempo = 3 minutos

1g = 200 g ml

R=

200

g∗1caloria ∗(63 ° C−23 ° C) g° C 3 minutos

R = 2666.6

caloria minuto

Ahora teniendo en cuenta esto calculamos el calor absorbido por la naftalina en los siguientes intervalos de tiempo. a) Entre t= 0s y t= 305 En t = 0s la temperatura es de 25°C En t = 30s la temperatura es de 40°C Entonces el calor absorbido por la naftalina en estado sólido es: Q = R*t entonces, Q = 2666.6

caloria 1min * (30s* ) minuto 30 s

Q = 1333.3 caloría Este calor eleva la temperatura de la naftalina de 25°C a 40°C b) Entre t = 30s y t = 60s Q = R*t entonces 2666.6

caloria 1min * (30s * ) minuto 60 s

Q = 1333.3 caloría Este es el calor necesario para pasar la temperatura de la naftalina de 48°C a 60°C c) En el intervalo t = 60s a t = 90s Q = 2666.6

caloria 1min * (30s * ) minuto 60 s

Q = 1333.3 caloría

Este es calor necesario para cambiar la temperatura de 60°C a 80°C, en conclusión cada 30s la naftalina absorbe 1333.3 calorías.

Los resultados obtenidos experimentalmente se resumen en la siguiente tabla: Tabla de calentamiento Temperatur

25

40

60

80

80

80

90

a °C Tiempo (s)

0

30

60

90

120

150

180

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

20

40

60

80

100

120

140

Ahora calculamos el calor específico de la naftalina solida Masa naftalina = 2,45 g

160

180

200

Q = m Ce ∆T → Ce = Q = RT → Ce =

Q m ∆T

RT m ∆T

calo s∗1 min ∗(90 ) min 90 s Ce = 2.45 g∗( 80 ° C−25 ° C ) 2666.6

Ce(s) =29.68

caloria g°C

Ahora calculamos el calor latente de fusión: Q = m Δ Hf → Δ Hf = Q = 2666.6

Q m

calo 1min * (60s * ) min 60 s

Q = 2666.6 caloría Δ Hf =

2666.6 caloria caloria = 1088.4 2.45 g g

Ahora calculamos el calor especifico de la naftalina liquida. Q = m Ce ΔT → Ce vapor =

Cesp vapor =

caloria s∗1 min ∗(30 ) minuto 60 s 2.45 g∗(90° C−80 ° C )

2666.6

Cesp vapor = 54.4

Δ Hf = 78.53

Q m ∆T

cal g°C

KJ 1000 s 1 cal 1 mol J * * * = 165.72 mol 1 KJ 4.18 J 128 g mol K

Grafica de enfriamiento de la naftalina

Los datos experimentales de enfriamiento de la naftalina. Temperatur

90

85

79

79

79

45

30

a °C Tiempo s

0

30

60

90

120

150

180

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Ahora calculamos el calor específico de condensación: Q = m Ce ΔT caloria s∗1 min 2666.6 ∗(60 ) Q minuto 60 s Ce (l) = = m ∆T 2.45 g∗( 80° C−90 ° C ) Ce (l) =

2666.6 caloria caloria = 108.8 g° C 2.45 g∗(−10° C)

Ahora calculamos el calor latente de ebullición de la naftalina Q = m ΔHv ΔHv =

cal ∗1 min Q R∗t −2666.6 mol = = m m 2.45 g

ΔHv = -1088.4

caloria g

180

200

Ahora calculamos el calor específico del líquido Q = m Ce (l) ΔT cal −2666.6 ∗1 min R∗t Q mol Ce = = = m ∆T m(Tf −Ti) 2.45 g(30−79) Ce =

−2666.6 caloria caloria = 22.21 −120.05 g ° C g°C

6. Con base en los gráficos determines a) temperatura de fusión de la naftalina b) temperatura de solidificación de la naftalina c) Cp para la naftalina solida d) Cp para la naftalina liquido e) calores sensibles y calores latentes en cada gráfica: f) calor de fusión g) calor de solidificación R/= Ahora haremos unos cálculos adicionales de capacidad calorífica: Cq =

Q m ∆T (° K)

O

Capacidad caloría de la naftalina solido: Cq =

3999.8 caloria caloria = 4.97 g° K 2.45 g (328° K )

Cq =2.4g C10H8 * Cq =

1 mol C 10 H 8 = 0.019moles C10H8 128 g C 10 H 8

3999.3 calorias caloria = 641.83 mol ° K 0.019 moles∗(328 ° K)

Q mol ∆ T (° K )

Capacidad calórica de la naftalina de líquido: Cq =

2666.6 calorias caloria = 3.84 mol ° K 2.45 g∗( 328° K )

7. ¿el tiempo que tarda una sustancia en cambiar de estado depende de la cantidad de masa? R/= Si, por que mayor cantidad de masa mayor cantidad de calor necesita absorber y como el calor es la medida del cambio de temperatura por unidad de tiempo Q=∫

ds dt

Con la igualdad anterior nos damos cuenta que el calor depende del tiempo y entre mayor masa más tiempo necesita el sistema en observar calor.

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Una de las cosas importantes en nuestras vidas es tener conocimientos previos y contundentes sobre lo que refleja una práctica de laboratorio, en este caso las curvas de calentamiento y de enfriamiento son de gran importancia para determinar la temperatura de fusión y solidificación de la naftalina. La naftalina es un sólido blanco que se volatiliza fácilmente y se produce naturalmente cuando se queman combustibles su punto de fusión es de 80,26°C lo que nos da a entender que tomamos 2g de naftalina y le medimos la temperatura en estado sólido y cuando se diluyó completamente en estado sólido tenía una temperatura de 45°C y al final de 37°C, obviamente sometiéndola a calentamiento, después se fue tomando el tiempo y al lapso de un tiempo (30segundos) se medía la temperatura. Cabe resaltar que la naftalina empezó a solidificarse a los 80°C y que esta tiene una gran importancia para el mejoramiento de las prácticas, es decir, el margen de error no fue tan alto porque nuestro valor experimental fue 78°C a 79°C.

CONCLUSIÓN A rasgos generales la curva de enfriamiento y calentamiento, nos permitió observas, conocer y fortalecerlos conocimientos de temperatura lo cual está sometida a una sustancia y así mismo tener en cuenta cuando existe una solidificación, una licuefacción, una sublimación y una sublimación inversa. Estos cambios de estado se pueden determinar por la ecuación general de determinados calores y estados como: Solido: Q= m CP(s) ∆T Q Lf = m∆ Hf Líquido: Q m = m C P (l) ∆T Q Le =m ∆ He Gaseoso: Qv = m CP (g) ∆T

BIBLIOGRAFÍA 1. Raymond Chang 7 edición 2. GARCIA R. AUBAD Y ZAPATA. Ed. cid Medellín- Colombia, ANDER P. Y SONNESA, principios de química. LIMUSA 3. Kenneth W. química general. Mc GRAW HILL. México 1996, PETRUCCI R. H Y HARWOOD W. S. QUIMICA general principios y aplicaciones modernas. 4. XORGE A. DOMINGUEZ, experimento de química general e inorgánica. Noriegalimusa. México.