jueves, 30 de junio de 2016

Calor de disolución. Práctica virtual

Publicado por Ciudad Universitaria Virtual de San Isidoro
Calorímetro comercial RC1

El calor de disolución entalpía de disolución es el cambio de calor o entalpía que se produce al disolver una sustancia en un disolvente manteniendo la presión constante.

Se suele expresar en kJ/mol a temperatura constante. Es la diferencia de valores entre la energía absorbida o energía endotérmica, cuyo valor en kJ/mol es positivo, y la energía liberada o energía exotérmica, expresada en un valor positivo en kJ/mol. En Termodinámica, el valor que entra al sistema se considera positivo y el que sale negativo.

Cuando un gas se disuelve en un líquido, la emperatura disminuye y la solución libera energía. El calentamiento de un disolvente disminuye la solubilidad de un gas, por lo que la disolución de los gases es exotérmica.

El proceso termodinámico de disolución consta de tres etapas: ruptura de las atracciones soluto-soluto, ruptura de las atracciones solvente-solvente, y formación de atracciones solvente soluto, siendo el cambio de calor o entalpía la suma de los cambios de calor o entalpía de cada paso.

Por ejemplo, hay sustancias que al disolverse hacen descender la temperatura del agua, como el nitrato amónico, y otras que la aumentan, como el hidróxido sódico.


Introducción

- Lectura: Wikipedia. Entalpía de disolución



Guión de la práctica

- Lectura: UVA. Termoquímica

Este guión se puede simplificar notablemente. El calorímetro se puede sustituir por un vaso de precipitados en el que se coloque un termómetro.

Básicamente, la práctica consiste en lo siguiente:

1.- En un vaso de precipitados se coloca un termómetro (preferiblemente con un soporte, una nuez y unas pinzas).

2.- Se echa agua y se anota la temperatura. El bulbo del termómetro debe estar inmerso en el agua.

3.- Se disuelven sólidos conocidos y solubles y se anotan las variaciones de temperatura. Con algunos subirá (como el cloruro cálcico o la sosa caústica) y con otros bajará (como el cloruro amónico).


Formas de realizar la práctica

1. En laboratorio

La práctica usa elementos y sustancias comunes de un laboratorio de química y su implementación en la docencia es sencilla. No obstante, hay que guardar medidas de precaución si se usan sustancias peligrosas.

2. En laboratorio casero

La práctica se puede realizar en casa, con materiales comunes, y sin peligro si no se usan reactivos peligrosos.

Si se usan reactivos peligrosos, extremar las precauciones usando gafas de seguridad y guantes. ¡La sosa caustica puede causar lesiones irreversibles en los ojos!

3. De manera virtual

Viendo los siguientes vídeos, en el que se comprueban cambios en la temperatura al disolver distintas sustancias; o realizando la práctica virtual que se explica a continuación de los mismos.

En este experimento se halla el calor de disolución mediante el método de solubilidad, usando hidróxido sódico (sosa cáustica) y ácido benzoico.



La disolución de ácido sulfúrico en agua es muy exotérmica, elevándose mucho la temperatura (¡no hacerlo sin medidas de precaución! ¡el ácido sulfúrico es una sustancia muy peligrosa que provoca quemaduras graves!). Si, por el contrario, se echa agua sobre ácido sulfúrico pueden producirse proyecciones violentas y peligrosas. 



Los cambios en la temperatura y la explicación de los mismos se recrean en la siguiente práctica virtual:

La práctica virtual está en inglés. La traducción de los textos que aparecen es la siguiente:


En esta práctica de laboratorio, investigarás los cambios termodinámicos que se producen cuando se disuelven compuestos iónicos.

Después de disolver cada compuesto, serás capaz de ver lo que sucedió a nivel molecular en la reacción y por qué esto provocó un cambio de temperatura en la solución.


Cuando se carga el laboratorio, a continuación aparece un botón. Utiliza el botón para comenzar el laboratorio.

Empezar el laboratorio

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Antes de ver los ejemplos reales del laboratorio, utiliza la animación de abajo para comprobar como el bajo consumo de energía está relacionado con la ruptura y la formación de atracciones en una solución.

Mueve el control deslizante a un lado y a otro para observar los cambios que ocurren como se forman y rompen la entre dos partículas.

Mensaje del desplazamiento del control a la izquierda: La ruptura de atracciones es siempre un proceso endotérmico. La energía se toma de la solución y por tanto la temperatura disminuye.

Mensaje del desplazamiento del control a la derecha: La ruptura de atracciones es siempre un proceso exotérmico. La energía se libera de la solución y por tanto la temperatura aumenta.

Continuar

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En la recreación del laboratorio y lo hecho en clase al ver las animaciones de esta simulación, tienes que prestar mucha atención a como se crean y destruyen las atracciones. Estos cambios a nivel molecular son los responsables de los cambios de energía que se producen cuando se disuelve un compuesto.

Las atracciones a las que hay que estar atentos tienen las dos formas siguientes: ion-ion, agua-ion

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Haz clic en la cuchara para disolver el NH4Cl. A continuación, mira el cambio de temperatura que se produce.

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El NH4Cl se disuelve en el agua provocando un gran descenso de la temperatura. Haz clic en el botón de abajo para ver lo que sucede durante este proceso y por qué la temperatura disminuye.

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Usa el control deslizante para ver cómo cambia al NH4Cl al disolverse.

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Los iones NH4 + y Cl- se separan al disolverse. Se necesita energía para romper los iones del sólido. La energía se libera al formarse nuevas atracciones entre los iones y las moléculas de agua.

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Se necesita más energía para romper las atracciones ion-ion que la liberada al formarse las atracciones ion-agua. La energía circula desde el medio a los iones, por lo que la temperatura desciende.

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La mayoría de los sólidos iónicos absorben la energía ya que se disuelven debido a que la energía se emplea para romper la red cristalina. La razón de que estas sales se disuelven es el aumento de entropía.

Volver al laboratorio

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Haz clic en la cuchara para disolver el CaCl2. Mira entonces los cambios de temperatura cuando el sólido se disuelve.

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El CaCl2 se disuelve en el agua provocando un aumento de la temperatura. Haz clic en el botón de abajo para ver que ocurre durante este proceso y porque la temperatura aumenta.

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Usa el control deslizante para ver cómo cambia al CaCl2 al disolverse.

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Los iones Ca+2 y los iones Cl-. Al igual que antes, se requiere energía para separar los iones unos de otros.

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Hay también nuevas atracciones que se forman entre los iones y las moléculas de agua. Este proceso libera energía para el medio.

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En el caso del CaCl2, se libera mucha más energía en la formación de estas nuevas atracciones que la absorbida para separar los iones. El resultado general es un incremento de la temperatura.

Volver al laboratorio


Preguntas y actividades

1. Relacionar las atracciones soluto-soluto, solvente-solvente y soluto-solvente con el calor o entalpía de disolución.

2. Analizar el calor de disolución de distintos compuestos (se puede consultar la siguiente tabla), relacionándolo con su estructura química.

3. Relacionar la entropía con el calor de disolución (para aclarar ideas, se puede consultar este documento).

4. Buscar en Internet, modelos, diseños y funcionamiento del calorímetro.

5. ¿Tienen qué ver con el calor de disolución las comidas y bebidas autocalentables y autoenfriables?


Para saber más y ampliar conocimientos

- Lectura: Blanco Rodríguez, Sandra. Determinación del calor de una disolución (pdf)


Principios de Química y Estructura de la Materia

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