Experimental II Tano Roy - Tp 1

FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, INGENIERÍA Y
AGRIMENSURA – U.N.R.
ESCUELA DE FORMACIÓN BÁSICA – FÍSICA EXPERIMENTAL II
_________________________________
“MEDICIÓN DEL PUNTO EUTÉCTICO PARA UNA SOLUCIÓN SALINA”
RESUMEN
A lo largo de este trabajo práctico, se obtuvo el punto eutéctico para una solución de
NaCl en agua. Además se determinó el diagrama de fases para el sistema NaCl-H20,
desprendiéndose de éste, la concentración y la temperatura eutéctica, la curva de
solubilidad de las soluciones y el punto de congelamiento para la solución a distintas
concentraciones. El valor obtenido para el punto eutéctico es:
Concentración:
Temperatura:
Durante la experiencia se enfriaron muestras de soluciones a distintas
concentraciones, desprendiéndose del comportamiento de la temperatura, los
resultados mencionados.
INTEGRANTES:
MENCHÓN, Rodrigo Ezequiel
PORTA, Estanislao
2007
INTRODUCCIÓN TEÓRICA
El punto de fusión de dos o mas sólidos en una solución depende de la proporción de cada uno
de los dos componentes. Una mezcla se denomina eutéctica cuando las proporciones son tales que el
punto de fusión es el menor posible y todos las sustancias que constituyen la mezcla solidifican al
mismo tiempo. La temperatura y la concentración a la que ocurre esto se denomina punto
eutéctico (de la voz griega eutektos, de fácil fusión).
La Figura 1 representa el diagrama de fases para un sistema compuesto por agua y una sal
soluble en ella. El tramo decreciente de la curva representa los puntos de inicio de la solidificación del
agua presente en la solución. El tramo creciente de la gráfica se interpreta como la curva de
solubilidad para la sal en solución de agua en función de la temperatura. El punto de intersección entre
las dos curvas y la recta horizontal es el punto eutéctico. De dicho punto se desprende la menor
temperatura posible a la que puede llegar la solución, y la concentración a la cual dicho fenómeno
tiene lugar.
Una solución salina cuya concentración es menor a la eutéctica permanecerá en estado líquido
a temperatura ambiente. Al enfriar dicha solución, se alcanzará la curva de solidificación, y el agua
presente en la solución comenzará a congelarse, causando la aparición de dos fases en la mezcla: hielo
y solución salina. De esta manera disminuirá la cantidad de agua en solución, provocando el aumento
de concentración de sal en ésta. Este fenómeno se seguirá desarrollando hasta que la solución
remanente alcance el punto eutéctico. A partir de ese momento la solución solidifica, formándose
hielo y cristales de sal, que, junto con el hielo formado anteriormente, constituyen las dos fases de la
mezcla por debajo de la temperatura eutéctica
Por el otro lado, al enfriar una solución cuya concentración original sea mayor a la eutéctica, se
alcanzará la curva de solubilidad, provocando que la sal presente en la solución forme cristales. De
esta manera, una vez alcanzada la curva, aparecen dos fases: solución salina y cristales de sal. La
concentración de sal disminuirá hasta que la solución alcance el punto eutéctico. Análogamente, la
solución solidifica, formándose hielo y cristales de sal, que, junto con los cristales de sal formados
anteriormente, constituyen las dos fases de la mezcla por debajo de la temperatura eutéctica
Al enfriar una solución a la concentración eutéctica, permanece en estado líquido hasta
alcanzar la temperatura eutéctica, momento a partir del cual se formarán al mismo tiempo los cristales
de sal y el hielo.
Para medir las curvas de equilibrio, un método se basa en la obtención de los puntos de
congelamiento y eutéctico para distintas concentraciones. Éstos se deducen de las curvas de
enfriamiento, a partir de los cambios de pendiente en las gráficas. El rango de temperaturas en el que
1
se efectuaron las mediciones de este informe está comprendido entre los 30ºC y los -50ºC.
GRAFIQUITO ESCANEADO
Figura 1. Diagrama de fases del sistema NaCl en agua.[1]
MÉTODO EXPERIMENTAL
Para la experiencia se emplearon:

Nitrógeno líquido.

Termo.

Tubos de ensayo de vidrio.

Termocupla de apreciación 0,05ºC.

Tapa de tubo de ensayo con orificio.

Tubo plástico.

Bolsa plástica.

Balanza electrónica de apreciación 0,0010 g.*

Agua destilada.

Sal entrefina.

Pipeta de apreciación 0,01 ml.
2

Probeta graduada de apreciación 0,2 ml.

Interfaz Pasco.

Computadora y software Science Workshop.
*Para la experiencia se consideró como 0,001g la apreciación de la balanza electrónica. Si bien
permite efectuar mediciones más precisas, no se consideraron dichas cifras significativas dado que la
masa del agua se había determinado hasta el orden de la centésima de gramo. (ya que dicho cálculo se
realizó a través de la medición directa de su volumen).
Primero se llenaron tubos de ensayo con el
volumen de agua establecido previamente, en este caso
Vagua = 15,0  0,2 ml. Luego se calculó la masa necesaria
de sal para cada concentración. Se decidió para esta
experiencia trabajar con 15 valores distintos de
concentración, siendo el menor de 0% y el mayor de
28%. Se decidió que este fuera el máximo ya que es
aproximadamente el límite de solubilidad de sal en agua
a temperatura ambiente. Todas las concentraciones
utilizadas son en masa de soluto sobre masa de solvente
[msoluto/msolvente].Para la determinación de la masa de
agua se utilizó la fórmula:
magua   Vagua
Donde magua es la masa de agua, Vagua es el
volumen de agua dentro del tubo de ensayo y
 es la densidad del agua destilada. Considerada como
Figura 2. Dispositivo experimental
empleado.
 = 0,998  0,003 g/cm [2].
3
A continuación se calcularon las masas de sal necesarias para cada concentración (ver Tabla
1.), utilizando para ello, la balanza electrónica, y fueron agregadas a los tubos de ensayo con agua.
Luego se metió a cada tubo de ensayo dentro de un tubo plástico aislante y a su vez todo en una
bolsa plástica. La termocupla se insertó en el agujero del tapón del tubo de ensayo, cuidando que no
3
tocara las paredes del tubo de ensayo y se sumergió la bolsa en el termo con nitrógeno líquido como
indica la Figura 2. Luego mediante el software se realizó la recolección de datos. El proceso se repitió
para cada tubo de ensayo.
Concentración[%] msoluto[g]± 0,001
2,00  0,03
0,306
4,02  0,05
0,627
6,00  0,08
0,955
7,96  0,10
1,295
10,01  0,12
1,665
12,01  0,14
2,043
13,98  0,16
2,433
15,98  0,18
2,848
18,0 
0,2
3,289
20,0 
0,2
3,744
22,0 
0,2
4,225
24,0 
0,2
4,727
26,0 
0,3
5,26
28,0 
0,3
5,821
Tabla 1. Valores de concentración y de masa de soluto correspondientes.
RESPECTO DEL AISLANTE
Para el aislamiento del tubo de ensayo se intentaron varios métodos, resultando el aquí
presentado como el más efectivo, dado que la velocidad de enfriamiento lograda es lo suficientemente
lenta como para una buena adquisición de datos por el software, y lo suficientemente rápida como para
que la experiencia no se extienda más de 25 minutos por tubo de ensayo. Los otros elementos
probados fueron: una cubierta cilíndrica de neoprene, cuya capacidad aislante era demasiado grande y
una manguera de plástico, cuya capacidad aislante era demasiado chica lo cual resultó en un descenso
abrupto de 70ºC en 1 minuto y provocó la destrucción de ese tubo de ensayo
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
ANÁLISIS DE LAS GRÁFICAS
A continuación se presentarán las gráficas obtenidas de temperaturas en función del tiempo
para las 15 concentraciones. Con el fin de facilitar el análisis y la lectura fueron dispuestas de acuerdo
a sus similitudes, mateniendo el orden de las concentraciones.
GRÁFICA DE H20
GRÁFICAS DE ALPHA, BETA
4
Respecto de las Gráficas 2 y 3
En las gráficas de enfriamiento anteriores, (Gráficas 2, 3) para las menores concentraciones
(menores al 6%), se observa claramente el cambio de fase en el cambio de pendiente de la curva. El
punto en que se presenta esta discontinuidad es el punto de congelación, en ese momento el agua
comienza a solidificarse, provocando el aumento de la concentración de sal en la solución. El valor
informado de la temperatura de congelamiento ( TC ) es la media de los puntos en el entorno del punto
de inflexión.
Para ubicar el entorno del punto de inflexión de estas gráficas, se utilizó el siguiente método
gráfico: se aproximaron linealmente las secciones de la curva momentos antes y después del cambio
de pendiente (en las Figuras 3 y 4, se presentan dichas rectas en color rojo y azul respectivamente).
Luego de extrapolar dichas rectas, se determinó la abscisa del punto de intersección de ambas. Este
valor fue tomado como el punto medio del intervalo de tiempo empleado para el cálculo de la
temperatura de congelamiento (en las Figuras 3 y 4 se puede observar en verde el punto de
intersección de ambas rectas y el entorno del valor de abscisa de dicho punto). El error en los valores
informados es la desviación estándar de las temperaturas correspondientes al conjunto antes
mencionado ( TC ).
5
Figura 3. Ejemplificación del método utilizado para la determinación del punto de inflexión.Gráfica
de Temperatura en función del tiempo para la concentración de 2% de NaCl en agua. La abscisa del
punto en este caso es: t = 153,361 s. El radio del entorno en este caso es de 25 s.
Figura 4. Gráfica de Temperatura en función del tiempo para la concentración de 2% de NaCl en
agua. Esta figura presenta un acercamiento a la zona en la que se halla el punto empleado en el
método de cálculo de la temperatura de congelamiento.
Respecto del punto eutéctico en estas gráficas, se notó la ausencia de mesetas en los
alrededores de la temperatura eutéctica. Esto puede explicarse teniendo en cuenta la construcción del
experimento; es posible que al llegar a la concentración eutéctica (por la solidificación del agua) el
volumen de ésta sea muy pequeño, lo cual resultará en que el cambio de fase tendrá lugar en un
intervalo de tiempo demasiado corto como para ser detectado claramente por la termocupla. Esto se
debe a que el error de apreciación de la termocupla es de un orden mayor a las variaciones que se
pretenden medir. También podría considerarse que el intervalo de tiempo entre cada toma de datos de
la termocupla es mayor a la duración del cambio de fase.
GRÁFICAS GAMMA, DELTA, EPSILON
Respecto de las Gráficas 4, 5 y 6
En estas gráficas (Gráficas 4, 5, 6) los valores de la temperatura de congelamiento y sus
respectivos errores fueron obtenidos por medio del método gráfico anteriormente explicado, utilizado
para las Gráficas 2 y 3.
Para el cálculo de la temperatura eutéctica, se utilizó el siguiente método gráfico: se buscó
gráficamente el intervalo de tiempo para el cual la curva presenta un cambio de concavidad, es decir
que hay un punto de inflexión. Éste se obtuvo buscando los puntos cuya recta tangente tenga pendiente
6
nula (En la Figura 5 se presenta en azul una recta de pendiente nula y en verde el punto de inflexión).
Alrededor de dicho punto se tomó un intervalo simétrico, para el cual se obtuvo la temperatura
eutéctica media ( TE ) y su respectiva desviación estándar ( TE ).
.
Figura 5. Ejemplificación del método utilizado para la determinación de la temperatura eutéctica de
la gráfica de Temperatura vs tiempo para la concentración de 8% de NaCl en agua. La abscisa en
este caso es t = 1580,294 s. El radio del entorno es de 25 s.
GRAFICAS 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24
Respecto de las Gráficas 7, 8, 9, 10, 11, 12 y 13
En estas gráficas (Gráficas 7, 8, 9, 10, 11, 12 y 13) los valores de la temperatura de
congelamiento, de la temperatura eutéctica y sus respectivos errores fueron obtenidos de manera
gráfica: se buscaron los intervalos de tiempo donde la curva presentaba máximos. Y se asociaron los
dos puntos donde la pendiente de la recta tangente se anula, a las temperaturas de congelación ( TC ) y
eutéctica ( TE ), tomando intervalos simétricos alrededor de dichos puntos, para los cuales se
obtuvieron dos temperaturas medias con sus respectivas desviaciones estándar ( TC , TE ).
7
Figura 6. Ejemplificación del método utilizado para la determinación de la temperatura eutéctica de
la gráfica de Temperatura vs tiempo para la concentración de 20% de NaCl en agua. La abscisa del
punto de congelamiento es t = 315,729 s. La abscisa del punto eutéctico es t = 655,075 s. Los radios
de ambos entornos son de 25 s.
Si bien ambos puntos asumen valores distintos de temperatura para cada gráfica, se observa
que uno de los valores disminuye al aumentar la concentración de la muestra, mientras que el otro se
mantiene oscilante alrededor de un valor fijo. De esta manera se consideró el primero de dichos puntos
como el punto de congelamiento y el otro como el valor de la temperatura eutéctica. Esto corrobora las
hipótesis de que la temperatura de congelación varía de acuerdo a las concentraciones mientras que la
temperatura eutéctica se mantiene constante.
RESPECTO A LAS SECCIONES QUE PRESENTAN CONCAVIDAD HACIA ARRIBA
PARA LAS Gráficas 7, 8, 9, 10, 11, 12 y 13
Se observa en este grupo de gráficas la existencia de concavidades hacia arriba un intervalo de
tiempo antes de la aparición del punto de congelamiento y antes de la aparición del punto eutéctico.
Esto refleja un sobreenfriamiento por nucleación que ocurre en el entorno de la termocupla. Este
sobreenfriamiento se debe a la existencia de impurezas en la sal
8
Respecto de las Gráficas 12 y 13: Al tratarse de concentraciones cercanas a la eutéctica, ambas
temperaturas deberían tener valores similares. Sin embargo, se observa que la temperatura del punto
de congelamiento está por debajo de la temperatura del punto eutéctico en ambas (para la
concentración de 22%: TC  TE  1.41ºC ; para la concentración de 24%: TC  TE  3,92ºC ). Esto
puede deberse a
GRAFICAS 26 Y 28% chi y omicron
Respecto de las Gráficas 14 y 15
En éstas gráficas (Gráficas 14 y 15) los valores de las temperaturas de congelamiento fueron
obtenidos de manera gráfica: se buscaron los intervalos de tiempo donde la temperatura permanecía
constante y se asociaron dichos valores a la temperatura de congelamiento ( TC ) y se tomó como error
( TC ), el desvío estándar de los valores de temperatura.
Figura 7. Ejemplificación del método utilizado para la determinación de la temperatura eutéctica de
la gráfica de Temperatura vs tiempo para la concentración de 28% de NaCl en agua. La abscisa del
punto eutéctico es t = 585,084 s. El radio del entorno es de 25 s.
En las gráficas se nota la ausencia de temperaturas eutécticas, dado que no hay puntos de
inflexión, mesetas o máximos a los cuales se los pueda asociar a dicha temperatura. Sería factible
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suponer que la recolección de datos haya cesado antes de la aparición del punto eutéctico para ambos
casos. El hecho de que se haya detenido la medición se debió a que las temperaturas en los momentos
finales era lo suficientemente baja como para destruir los tubos de ensayos, además de encontrarse por
debajo de la temperatura eutéctica esperada.
TABLA DE TEMPERATURAS DE CONGELAMIENTO Y TEMPERATURAS EUTÉCTICAS
Concentración[%]
2,00
4,02
6,00
7,96
10,01
12,01
13,98
15,98
18,0
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0














0,03
0,05
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
0,2
0,2
0,2
0,3
0,3
Tc[ºC]
-0,5
-2,05
-3,75
-4,8
-7,18
-9,25
-11,26
-12,76
-15,21
-19,42
-24,13
-25,62
-22,82
-22,06














Te[ºC]
0,3
0,08
0,16
0,3
0,14
0,10
0,07
0,10
0,07
0,06
0,09
0,08
0,09
0,08
-26,9
-25,8
-27,2
-25,87
-26,53
-27,23
-24,82
-22,96
-22,72
-21,7




























Tabla 2. Correspondiente a las temperaturas de congelamiento y eutécticas para cada concentración.
De la Tabla 2 se desprende la temperatura eutéctica como el promedio entre los valores
obtenidos, y es TE PROM = -25,173 ºC¸ y su error como la suma de la desviación estándar y el error por
propagación, TE = 2 ºC.
De esta manera el valor obtenido para la temperatura eutéctica es
TE = -25 ± 2 ºC
Comparando este valor con valores aceptados: puede que la sal empleada
Para el cálculo de la concentración eutéctica se buscaron las dos concentraciones cuyas
temperaturas de congelamiento sean tales que las diferencias entre cada una de éstas y la temperatura
eutéctica obtenida ( TE = -25 ± 2 ºC) sean mínimas. Así, se tomaron las concentraciones de 22,0 ± 0,2%
y 24,0 ± 0,2 % como las más aproximadas, de lo cual se calculó el promedio C E PROM = 23,0 % y su
error como el obtenido como la suma de los errores, C E = 0,4%
De esta manera el valor obtenido para la concentración eutéctica es
C E = 23,0 ± 0,4 %
10
5
0
Temperatura[ºC]
-5
-10
-15
-20
-25
-30
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Temperatura eutéctica = -25+- 2 ºC
18
20
22
24
26
28
30
Concentración[%]
Gráfica 16. Diagrama de fases para el sistema NaCl y agua.
Del diagrama de fases obtenido (Gráfica 16.) se puede observar que en la curva de solubilidad
(temperatura de congelamiento para concentraciones mayores a 23,0± 0,4 %) se da un crecimiento
menor que el predicho por la bibliografía (Figura 1.). Esto puede deberse a que la concentración real
de la solución salina es menor que la concentración calculada analíticamente. Diversos factores
explican esta discrepancia: El hecho que la solubilidad de NaCl en agua se reduce con la disminución
de la temperatura, y el hecho que la disolución de NaCl en agua es más difícil de lograr cuanto
mayores son las concentraciones de sal.
Teniendo en cuenta lo anteriormente mencionado, se podría proponer un modelo para el
cálculo de valores de concentración más cercanos a los valores verdaderos, para las concentraciones
mayores a la eutéctica:
CREAL  C ANALÍTICA
CONCLUSIONES
Se midió la curva de equilibrio del diagrama de fases para un sistema de NaCl en agua, en un
rango de concentraciones entre 0% y 28% de masa de soluto en masa de solvente, barriendo un rango
de temperaturas entre 30ºC hasta -50ºC.
Los valores obtenidos para el punto eutéctico de la solución salina es:
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Temperatura eutéctica
Concentración eutéctica
TE = -25 ± 2 ºC
C E = 23,0 ± 0,4 %
OTROS AUTORES
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REFERENCIAS
[1] General Chemistry Online. Frostburg State University's Department of Chemistry,
Frostburg State University. http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/index.shtml
[2] Handbook of Physics and Chemistry
APÉNDICE
PUNTOS MEDIOS DE LOS INTERVALOS DE CÁLCULO DE TEMPERATURAS
Las concentraciones utilizadas fueron las siguientes
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