Facultad de ingeniería. “Relación entre la química y las ciencias exactas.” Profesora: Dra. Elizabeth Vázquez Borges. Autor: Br. Luis Manuel Dzib Puc. Ingeniería civil. 1er semestre. Grupo B Fecha de entrega: 25/03/2019 Relación entre la química y las ciencias exactas. Experimento de evaporación y condensación del alcohol. Objetivos. Calcular y diferenciar matemáticamente las diferentes cantidades de energía que se necesitan para pasar de una temperatura a otra, en el agua. Comparar los cambios de magnitudes (temperatura, energía, etc.) que se producen en los diferentes pasos del proceso durante el experimento. Cuantificar, por medio de formulas, las cantidades de las magnitudes. Interpretar los resultados. Introducción. Los estados de agregación son las diferentes formas de la materia. Según la temperatura, presión o volumen a la que se vea sometida podemos encontrar dicha materia en diversos estados de agregación. Toda materia está constituida a partir de átomos y moléculas. Estas partículas poseen energía por lo que se encuentran en movimiento continuo. Esa energía cinética la percibimos como temperatura. Mientras más energía posea la materia mayor será el movimiento molecular y a su vez mayor temperatura percibiremos. Los cambios de estado se producen debido a la transformación energética. El primer estado de la materia es el sólido. Se forma cuando la fuerza de atracción de las moléculas es mayor que las de repulsión. Las moléculas se quedan fijas y el movimiento energético se queda limitado a vibración despreciable. A medida que la temperatura aumente, la vibración será mayor. El siguiente estado es el líquido. La materia se forma en este estado cuando la temperatura rompe la fijación de las moléculas en estado sólido. Aunque las moléculas pueden moverse se mantienen cerca cómo en la estructura sólida. Los líquidos poseen una forma indefinida ya que pueden adecuarse a su contenedor, pero tienen su volumen definido. Esto no ocurre con el tercer estado de agregación, el gaseoso. La materia en estado gaseoso podemos comprimirla modificando su densidad. El movimiento de las moléculas es mayor que el de atracción entre ellas, por lo que se mueven a cualquier dirección ocupando todo el espacio disponible. Metodología. En esta actividad se demostrará cómo reacciona el alcohol a diferentes cambios de temperatura, así como la variabilidad de algunas cantidades que podemos cuantificar. La razón de utilizar alcohol en este experimento es que se evaporará antes que el agua. Las moléculas del alcohol se impregnan con rapidez en la botella. En el estado que se someterá a las moléculas, estas se mueven con mucha libertad y a gran velocidad, por lo que su cohesión (fuerza de atracción) es casi nula y su energía cinética o de movimiento es muy grande. Materiales. 1 cronometro 1 taza medidora en mililitros 1 parilla eléctrica 1 cazuela pequeña/olla 3 tazones (De vidrio o plástico resistente al calor) 1 frasco de vidrio pequeño con tapa 800 ml de agua (aproximadamente) 1 cuchara Múltiples trozos pequeños de hielo 1 jeringa de insulina o graduada en 1ml .3 ml de alcohol 1 pinza (no de cocina) Procedimiento. Empezaremos vertiendo 240 mililitros de agua en la taza medidora. Posteriormente, el agua la pasaremos a la cazuela para colocarla en la parrilla para que empiece a calentarse y se detendrá con esto hasta que llegue a su punto de ebullición, que son los 100°C. Ayudándonos de la jeringa, mediremos .3ml de alcohol para depositarlos en el frasco de vidrio. Cuidadosamente, el agua de la olla se pondrá en un tazón, con las pinzas se pondrá dentro del mismo tazón el frasco de vidrio y se dejará reposar por 5 minutos para provocar una reacción por las diferentes temperaturas, puesto que el punto de ebullición el alcohol es de 78.37°C, observaremos el alcohol a través del frasco. Terminada la observación de la conversión de líquido a gas del alcohol, vaporización, se dejarán pasar 2 minutos y midiendo 240 mililitros de agua a la temperatura del ambiente, se vaciarán en otro tazón para luego sumergir el frasco, el cual permanecerá en ese lugar por 5 minutos. Cumplido el tiempo establecido, en el tercer tazón se pondrá el hielo para luego medir otros 240 mililitros de agua y vaciarlos en el contenedor donde están los trocitos de hielo, se mezclarán con una cuchara durante 15 segundos para que la temperatura del agua suba aproximándose a la del hielo. Como últimos pasos, introduciremos el frasco con el alcohol en el tercer tazón durante un intervalo de 5 minutos, y terminaremos observando lo que ha sucedido con el alcohol. Explicación. Lo que ha pasado es que, al someter a los .3 mililitros de alcohol a distintas temperaturas, su estructura material ha reaccionado de diferentes maneras, esto es porque las moléculas se comportan de distintas maneras dependiendo del ambiente y las condiciones en las que se encuentren. A temperatura ambiente, dentro de un sistema material cerrado y con la presión del nivel del mar, esa cantidad de alcohol se quedará de forma líquida, pero si le aplicamos calor de manera “indirecta”, o sea, rodeada por agua a mas de 78.37°C y no puesta a la parrilla, la energía del calor del agua se transmitirá al alcohol por las leyes de la termodinámica, y la energía cinética será mayor, haciendo que las moléculas se muevan de una manera más rápida y libre, en otras palabras: desorden. Como consecuencia de esto, se irán desprendiendo de su forma liquida para estar más separadas y convertirse en un gas. Cuando se sumerge en el segundo tazón a temperatura ambiente, el gas se condensará en las paredes del recipiente, dejando ver pequeñas gotitas de alcohol, esto es una señal de que esta volviendo a su estructura original. Para agilizar este proceso, se le pone una temperatura más baja de igual manera a como se le subió, alentando las moléculas y condensándose completamente hasta ser un líquido de nuevo. Relación de la química con la física, matemáticas y algebra. Energía necesaria para calentar 240 mililitros de agua a 100°C. Conversión de mililitros a litros: 240 ml = .24 l Y .24 l es igual a .24 kg, así que sale: m = .24 kg Suponiendo que ese día se tenían 33°C en el ambiente: Ta = 33°C La temperatura final es de 100°C, dejándonos con: Tf = 100°C Ecuación fundamental de la calorimetría: Q = (m)(Ce)(Dt) Donde “Q” es la energía necesaria, “m” es la masa, “Ce” es el calor especifico y Dt es la diferencia de temperatura, que se puedo calcular como: Dt = (Tf -Ta) = (100°C – 33°C) = 67°C El calor especifico es la energía que hay que darle a un “kilo” de agua para que se caliente un grado y el del agua líquida se sabe que es de 4183 j/(kg°C): Ce = 4183 j/(kg°C) Con estos datos, la Ecuación fundamental de la calorimetría queda: Q = (m)(Ce)(Dt) Q = [.24 kg] [ 4183 j/(kg°C)] [100°C – 33°C] Q = [.24 kg] [ 4183 j/(kg°C)] [67°C] Q = 67262.64 j Ese resultado se puede pasar a calorías: [(67262.64 j) (1cal/4.183 j/(kg°C))] = 16080 cal. Tiempo estimado para calentar en una parrilla eléctrica estándar: El calentador estándar proporciona 750 w de potencia: p = 750 w La potencia se define como: p = De / Dt Donde “De” es la diferencia de energía y “Dt” es la diferencia de tiempo. Despejamos para “Dt”: Dt = De / p Evaluamos: Dt = De / p Dt = [67262.64 j] / [750 w] Dt = 89.68352 s Este resultado se puede pasar a minutos por el diferencial del tiempo (DT): (89.68352 s) ( 1 min/ 60 s) = 1.49 min. = DT Cambiar el tiempo del agua sobre la parrilla: Si se quiere llegar más rápido al punto de ebullición del agua, se tiene que aumentar la potencia de los watts. Fig.1. Puntos formados a partir de la diferencia entre watts (eje y) y el tiempo (eje x), entre más watts en la parrilla, menor tiempo necesario para que se caliente el agua. Punto. P O N A F L M Fig.2. Modelado de la grafica watts/tiempo, donde se nota que hay asíntotas en ambos ejes. Es decir, en X=0 y X= 6726264 son asíntotas verticales y en Y=0 es asíntota horizontal. Coordenadas Watts (eje Coordenadas Y) (eje X) 67.26264 1000 74.73626667 900 84.0783 800 89.68352 750 134.52528 500 336.3132 200 672.6264 100 Tiempo Interpretación de los resultados. Q = 67262.64 j Q representa la energía necesaria generada por la parrilla para calentar 240 mililitros de agua. DT = 1.49 min DT se interpreta como el tiempo necesario para calentar a 100°C los 240 mililitros de agua en una parrilla eléctrica a 750 w. Sin embargo, si la parrilla tiene más watts, se requerirá menos tiempo e inversamente si la parrilla tiene menos watts (ver figuras 1 y 2), por ejemplo, si tenemos una parrilla de 1000 watts, se podría llegar a 100°C en tan solo 67 segundos, pero si tiene 100 watts, tardaríamos aproximadamente 11 minutos. Conclusiones. Si la parrilla tiene mas watts, el agua llegara más rápido a los 100°C Se necesitan 67262.64 j para calentar 240 mililitros de agua. Puedes saber el tiempo aproximado necesario que te llevara hervir el agua si tienes los watts, esto por medio de la gráfica. Para los experimentos que requieran el calor como catalizador, es necesario de la termodinámica. Las matemáticas son una herramienta que te permiten cuantificar magnitudes para saber como llevar a cabo de mejor manera los experimentos. Referencias. Cervantes, L., De la Torre, N., Trejo, L.M. y Verdejo, J.A. (2001). Fenómenos térmicos. Trabajo final, Diplomado en Ed. Química II. México: sin publicar. Cervantes, L., De la Torre N., Verdejo, A., Trejo, L.M., Córdova, J.L. y Flores, F. (2001). El concepto de calor en termodinámica y su enseñanza. Memorias del XVI Congreso Nacional de Termodinámica. 558-565 Hewitt, P.G. (1999). Física Conceptual. México: Addison Wesley Longman Sears, F.W., Zemansky, M.W., Young, H.D., Freedman, R.A. (2013). Física Universitaria. Volumen I. Décimo tercera edición. México: Pearson Education Jiménez, C.. (2014). Calor y calorimetría. Costa Rica: Publicaciones Porras.
