ACADEMIA COLOMBIANA DE CIENCIAS EXACTAS, FÍSICAS Y NATURALES

Apropiación de la ciencia desde el aula INDAGALA

Módulo: Química-1 Algunas propiedades y usos comunes del agua

PUNTO DE EBULLICIÖN

- Título: Actividad 1 : Punto de ebullición- País: Colombia- Autores: - José Muñoz. Profesor del Departamento de Química de la Universidad

Nacional de Colombia Sede Bogotá e mail jomuca08@gmail.com- Inés Bernal Alarcón Profesora del Departamento de Química de la

Universidad Nacional de Colombia. Sede Bogotá. Miembro de número la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas e. mail ibernal09@gmail.com

- Asesoría y edición: Ernesto Concha MSC. Física Universidad Nacional de Colombia- Ciclo: Básica Secundaria y media (en Colombia)- Tema: Punto de ebullición- Idioma: Español- Descripción: En esta actividad se contextualiza el proceso de ebullición en

referencia actividades comunes de la vida diaria. Previo al desarrollo de la parte práctica se sugiere un cuestionario de entrada que permita complementar la contextualización e indagar sobre los conceptos básicos que se necesitan para mejor comprensión de las cuatro experiencias propuestas; se enumeran los materiales necesarios para realizarlas, se plantean algunos puntos de reflexión y se finaliza con una lectura complementaria sobre los fundamentos de la propiedad estudiada.

- Propósitos: - Contribuir al enriquecimiento del ejercicio de la docencia en los niveles de educación básica y media, con elementos de la metodología ECBI aplicada al estudio del proceso de ebullición, en este caso, del agua.

- Identificar elementos que permitan describir esta propiedad de los líquidos.- Identificar situaciones de la vida diaria donde el proceso de ebullición es un factor

importante.- Duración: En condiciones de disponibilidad de espacio y materiales de laboratorio

se sugieren 90 minutos incluyendo preparación y discusión.-- Conceptos claves: presión, presión atmosférica, modelo corpuscular de la materia,

temperatura, energía calórica, escalas termométricas.

-- Materiales- Cada grupo necesita:-- 1 Vaso de precipitados de 250ml.- 1 balón de fondo redondo de 250 ml con tapa de caucho.- 1 Tubo de ensayo de 5 o 10 ml.- 1 Tubo de ensayo de 25 ml.- 1 tubo capilar pequeño y cerrado por un extremo- 1 tubo de ensayo pequeño - 1 varilla agitadora de vidrio- 1 termómetro de laboratorio hasta 120 o C.- 1 jeringa de 30 ml. con su aguja.- 1 tapón para la punta de la jeringa.- 1 soporte metálico con pinza.- 1 trípode con su malla o difusor de calor- 1 mechero de gas u otro medio calefactor. - 1 bolsa para hielo.- Agua (preferiblemente destilada)- Hielo- Aceite mineral para baño calefactor.- Recomendaciones: Por la naturaleza de las experiencias es necesario contar con

elementos de protección: gafas, blusa de laboratorio, extinguidor y elementos resistentes al calor para protección de los alumnos y los muebles; se debe trabajar sobre superficies inertes y lejos de cualquier sustancia combustible e ilustrar a los alumnos sobre las precauciones que deben observar para evitar quemaduras.

- Sugerencias: Antes de realizar las experiencias hay que enfatizar la importancia que tiene el proceso de observación para describir el fenómeno objeto de estudio.

- Durante la realización del proceso educativo debe mantenerse una dinámica que favorezca el permanente cuestionamiento.

- El trabajo en aula tiene varias posibilidades por ejemplo:- -Cada grupo de máximo 5 personas puede encargarse de una de las experiencias para

poder realizarlas simultáneamente. En este caso es deseable que se escoja previamente un alumno de cada grupo que pueda asumir el rol de monitor con orientación previa del profesor.

- -Las experiencias también pueden ser demostrativas ideando la forma para que los alumnos realicen adecuadamente el registro de las observaciones y enfatizando que este proceso es fundamental para la posterior discusión.

- La lectura complementaria se ha ideado como una síntesis teórica sencilla con la cual el profesor puede obtener el suficiente apoyo para dirigir la discusión y como complemento para favorecer la apropiación de los fundamentos teóricos por parte de los estudiantes

Objetivos- Contribuir al desarrollo de procesos de aula para la apropiación del concepto de

temperatura de ebullición y punto de ebullición.

- Identificar los parámetros que pueden describir estas características del agua, mediante experiencias sencillas.

- Relacionar los parámetros identificados para elaborar una descripción de la propiedad mencionada y algunas aplicaciones a la vida diaria.

FocalizaciónLa ebullición está presente en la vida diaria en tal forma que expresiones como “ponga a hervir el agua para el café, “hay que hervir la leche”, “cuidado que eso esta hirviendo” y muchas más entran a formar parte del lenguaje cotidiano desde edades tempranas. Posteriormente durante la primaria y el bachillerato se puede abordar el tema tanto en el hogar como en el aula, para llegar a desarrollar conceptos más elaborados para explicar o justificar por qué el agua a nivel del mar hierve (llega a la ebullición) a 100oC y en Bogotá a 92oC. Para iniciar el trabajo se invita a desarrollar el siguiente:

Cuestionario de entrada

Responda los siguientes interrogantes:

1- Qué entiende por temperatura de ebullición?

2- Es lo mismo que punto de ebullición? ___________

3- Averiguar el valor de la temperatura de ebullición del agua en la ciudad donde reside_____________________

4- Puede hervir el agua localmente a otras temperaturas? ________

Explique brevemente.

Explique

5- Explique el o los criterios para que el punto de ebullición se tome como referencia de pureza de una sustancia líquida en química.

6- -Explique brevemente la razón por la cual la temperatura de ebullición varía con la altura sobre el nivel del mar

- Consigne en una cartelera la definición de punto de ebullición señalando los parámetros que considera más importantes en ella y guárdela para la discusión.

-Dibuje un esquema sencillo del montaje para determinar la temperatura de ebullición de un líquido.

Exploración MaterialesCada grupo necesita:

1 Vaso de precipitados de 250ml.

1 balón de fondo redondo de 250 ml con tapa de caucho.1 Tubo de ensayo de 5 o 10 ml.1 Tubo de ensayo de 25 ml.1 tubo capilar pequeño y cerrado por un extremo1 tubo de ensayo pequeño 1 varilla agitadora de vidrio1 termómetro de laboratorio hasta 120 o C.1 jeringa de 30 ml. con su aguja.1 tapón para la punta de la jeringa.1 soporte metálico con pinza.1 trípode con su malla o difusor de calor1 mechero de gas u otro medio calefactor. 1 bolsa para hielo.Agua (preferiblemente destilada)HieloAceite mineral para baño calefactor.

Experiencia 1.

Tome con una jeringa agua, (previamente calentada a unos 80oC) hasta la mitad de su capacidad (Fig. 1). Desplazar el aire remanente y sellarla con un tapón de caucho (Fig. 2). Fijar la jeringa al soporte por medio de una pinza adecuada y halar el émbolo (Fig. 3).

figura 1 figura 2 figura 3

Anote qué observa en el agua.

¿Cómo interpreta lo observado?

Experiencia 2

Tome un recipiente de fondo redondo (balón de 250 mL.) y adicionar

alrededor de 125 mL. de agua. Fijar el balón a un soporte y calentar el agua hasta aproximadamente 80oC.(Fig A). Tapar el balón e invertir y sobre la parte no ocupada por el agua, cubrir con una bolsa de plástico que contenga hielo picado. (Fig. B).

Experiencia 3.

Otro método para determinar la temperatura de ebullición consiste en sumergir un tubo delgado invertido en el agua contenida en un tubo de diámetro mayor provisto de un termómetro de laboratorio. El calentamiento puede realizarse de dos formas: la primera (figura de la izquierda) es calentar directamente con el mechero procurando un calentamiento uniforme que puede lograse desplazando el mechero continuamente alrededor del tubo. En la segunda (figura de la derecha) el calentamiento se hace empleando un baño de aceite. Esta

segunda forma es la recomendable porque se logra un calentamiento uniforme. Cuando el líquido contenido en el tubo grande comienza a ascender por el tubo pequeño, la temperatura medida es la de ebullición del líquido. Anote su resultado. Explique lo que observa.

Experiencia 4.

Otro procedimiento que se encuentra en la mayoría de los textos de Química básica es mediante un montaje cuyo esquema se muestra en la figura, donde el agua se calienta directamente y cuando se aprecia la formación continuada de burbujas se toma cuatro veces la temperatura con un termómetro a intervalos de un minuto. Anote sus resultados. Qué observa?

¿Qué observa?. Explique

Reflexión

- Discutan las observaciones registradas por su grupo en las experiencias 1 y 2 y contrasten con la definición que habían registrado inicialmente en su cartelera.

- Si lo creen necesario redacten una nueva definición y coloquen la cartelera para discutirla en grupo.

- Cuál es la definición de punto de ebullición que más se ajusta a la experiencia?

- Qué respuesta da ahora a los interrogantes 1 y 2 del cuestionario de entrada?

Aplicación

- Elabore un registro, por escrito de por lo menos 5 usos comunes pero diferentes de esta propiedad del agua

Lectura complementaria: Punto de ebullición

De acuerdo al modelo cinético molecular de la materia las sustancias están formadas por moléculas que se encuentran unidas y en continuo movimiento. El tipo e intensidad de las fuerzas intermoleculares condiciona que la sustancia se comporte como gaseosa, líquida o sólida. La energía de los movimientos la identificamos como energía cinética.Esta energía impulsa a las moléculas a separase y a ocupar el mayor volumen posible; en las sustancias gaseosas se logra esto fácilmente pero en las sustancias líquidas el impulso se ve frenado por las paredes del recipiente y por la presión atmosférica sobre su superficie. Un líquido en contacto con el aire soporta la presión de la atmósfera que está

sobre él y existe un equilibrio dinámico entre la presión atmosférica y la presión del vapor del líquido a la temperatura dada. La presión de vapor depende únicamente de la naturaleza del líquido y de la temperatura que tenga y es independiente del volumen del líquidoLa Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la sensación de calor o frío que se percibe en contacto con ella. Aunque tiene relación con el calor no debe confundirse con este.. Cuando se suministra energía térmica al sistema líquido- aire, las moléculas del líquido tenderán a separarse para formar vapor en su superficie y abandonar el recipiente venciendo la presión atmosférica. La temperatura de ebullición de un líquido es aquella a la cual la presión de vapor es igual a la presión ejercida sobre él. El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido está en equilibrio con la presión atmosférica cuando esta es de una atmósfera; es una constante para cada sustancia y sirve para determinar su pureza. La unidad de medida de la temperatura en el sistema decimal es el grado Celsius establecido en el siglo XVIII por el astrónomo y físico sueco Anders Celsius , tomando como patrones las temperaturas de fusión del hielo y de ebullición del agua al nivel del mar.El patrón de medida para la presión es la atmosfera, unidad numéricamente igual al peso de una columna cilíndrica de mercurio de 76 cm de alto y 1 cm2 de sección propuesta por Evangelista Torricelli, físico y matemático italiano a principios del siglo XVII.En el texto anterior se han mencionado dos términos seguramente conocidos, punto de ebullición y presión de vapor, pero que con frecuencia se interpretan de manera errónea. Uno de los aspectos más familiares o comunes que nos relacionan con el comportamiento de los líquidos es el de la ebullición, que en el diario vivir lo asociamos con la producción de burbujas cuando el líquido se calienta. En tres de las experiencias propuestas en este módulo, este es el criterio que se ha tomado como referencia para decir que el líquido está en ebullición y mostrar la relación existente con presión y temperatura. Este último elemento es fundamental para la caracterización de los líquidos mediante lo que se llama “punto de ebullición” y “temperatura de ebullición” que con frecuencia se equiparan erróneamente con calor.Antes de dedicarnos a los términos mencionados es pertinente hacer un breve análisis sobre el concepto de temperatura y presión de vapor.La temperatura se asocia normalmente con caliente o frío, tibio y aun helado; inclusive su valor numérico dado por el termómetro se usa para diversos fines y nos es tan familiar que poca atención se le da a su origen; simplemente se mide y el valor leído permite realizar procesos y tener criterio para determinar si una acción dada se puede o no realizar.Para comenzar debemos analizar el significado de las expresiones frío y caliente para referirnos a la sensación que detectamos en un momento dado. Un indicativo de esta sensación se da cuando tocamos un objeto o líquido. La sensación de frío y caliente se atribuye a que nuestra mano cede o gana “calor” o “energía térmica”, lo cual implica que esta puede fluir de un cuerpo o sustancia a otra, pero para que esto ocurra debe darse un contacto físico y también tener evidencia para analizar la relación entre temperatura

baja y frío o temperatura alta y caliente. Pero si no se dispone de una referencia puede darse el caso de que lo que es frío o caliente para un individuo puede ser caliente o frío para otro. (ver: Cáceres y Muñoz,”La química al alcance de todos, colección notas de clase, Fac. Ciencias, Universidad Nacional de Colombia, págs. 57-64).

El análisis algo detallado de la situación nos lleva a la conclusión que el calor fluye del cuerpo caliente al frío, nunca en sentido opuesto y esto es la base de la referencia que origina la escala de temperatura, en la cual con base en el agua se fijan arbitrariamente dos puntos de referencia que todos conocemos o de los cuales hemos oído hablar en algún momento y son: Equilibrio sólido-líquido (fusión del agua sólida) y equilibrio líquido- vapor (ebullición del agua). Al

primero se le asignó el valor cero y al segundo el valor 100, ver figura. (tomada de Cáceres y Muñoz pag.61).El otro elemento que se tiene es el termómetro, instrumento que básicamente es un tubo capilar que contiene mercurio metálico y que forma una columna que al ganar o ceder “calor”, la dilatación o contracción se manifiesta por un aumento o disminución de la columna de mercurio dentro del tubo capilar que tiene un pequeño depósito o “bulbo” que se dispone o ensambla sobre una escala con divisiones iguales. Así cuando el extremo o “bulbo” y parte del termómetro (ver figura) se sumerge parcialmente en agua donde se presenta el equilibrio sólido-líquido se alcanza un estado en el cual se presenta equilibrio térmico, no hay flujo de calor en ningún sentido y la columna no varía en su longitud. Cuando esto se realiza bajo una atmosfera de presión (a nivel del mar) la posición del extremo de la columna sobre la escala se le asigna el valor CERO. Lo mismo se hace con el agua en ebullición, equilibrio líquido-vapor y al sumergir el termómetro la columna aumenta su longitud. Cuando se alcanza el equilibrio térmico con el termómetro nuevamente se estabiliza la longitud de la columna y a la posición del extremo sobre la escala se le asigna el valor 100. Esta es la base de la escala centígrada o Celsius. Cada una de las divisiones iguales entre 0 y 100 corresponde a un grado centígrado. Con esta base la escala puede ampliarse hacia valores superiores a 100 o inferiores a cero. También existen otras escalas de medidas propuestas por Kelvin y por FarenheitEl paso siguiente es analizar brevemente la relación entre temperatura y presión de vapor. La experiencia de la vida diaria nos dice que si dejamos un líquido en un recipiente abierto, al cabo de un tiempo el líquido ha desaparecido; decimos que el líquido se evaporó o simplemente se secó el recipiente que lo contenía. Una experiencia muy conocida consiste en dejar en recipientes pequeños abiertos el mismo volumen de agua, alcohol, acetona y éter. Después de un tiempo su volumen se ve disminuido y en el caso del éter puede rápidamente secarse; en otras palabras se evaporó, pero al mismo tiempo se tiene todavía agua, alcohol y eventualmente acetona líquidas. Se dice entonces que el éter es más volátil que el agua, el alcohol y la acetona. Si rodeamos con la mano el

recipiente donde se encuentra el éter líquido experimentaremos una sensación algo intensa de frío, con la acetona algo menos y con el agua es mínima esta sensación,.Esto permite suponer que ocurre un fenómeno que no vemos y que toma el calor de la mano, por eso la sensación de frío. ¿Qué se hace el vapor producido? Pasa a la atmósfera y allí se comporta como cualquier gas: se mezcla con los demás gases presentes y ejerce su propia presión parcial de acuerdo a la temperatura del medio y la masa presente del gas. Pero si las condiciones son tales que no se permite la evaporación continua del líquido mediante una barrera como en la olla a presión , a la temperatura de trabajo el líquido se evapora, pero se alcanza un estado en el cual el espacio sobre la superficie del líquido se “satura”1 del vapor, pero el proceso de evaporación continua y para que esto ocurra moléculas del gas pasan al líquido y se establece un equilibrio dinámico en el proceso líquido - gas. En estas condiciones la masa del gas proveniente del líquido es constante a la temperatura dada y por tanto la presión que ejerce es constante; esta es la presión de vapor. Si la temperatura del sistema se aumentara 10oC el espacio sobre el líquido puede recibir más moléculas de gas hasta alcanzar un nuevo equilibrio en el cual la masa gaseosa constante, a esta nueva temperatura, es mayor y por tanto la presión de vapor (Pv) que ejerce es mayor. Este comportamiento de los líquidos ha sido ampliamente estudiado y se describe mediante una gráfica de Pv vs. Temperatura. En la figura (tomada de Cáceres y Muñoz.pag. 49) se muestran tres ejemplos de líquidos en equilibrio con su vapor en función de la temperatura.

Las gráficas muestran la dependencia entre la Pv y la temperatura. Un punto importante es la temperatura a la cual la presión de vapor se hace igual a la presión atmosférica. a nivel del mar ( 1 atm. de presión) las temperaturas son 56oC, 78oC y 100oC para acetona alcohol, agua correspondientes a las temperaturas de ebullición de estos líquidos. Pero si la presión sobre el líquido es de solo 200 mm (0,263 atm.) las temperaturas de

ebullición serían: 21,5oC, 46,5oC y 66,5oC. En la experiencia realizada el agua alcanza la ebullición por debajo de los 80oC, es decir que la presión sobre el líquido sería aproximadamente de 360 mm (0,437 atm.).Aplicación¿Para que se usa corrientemente la olla a presión? Explique las ventajas y desventajas de su uso.¿Cómo podría usar los valores de la temperatura de ebullición del agua para calcular la altura sobre el nivel del mar?

Bibliografía

1 Se llena la capacidad del espacio disponible para albergar gas a las condiciones dadas de temperatura.

Memoria. Obras completas de Francisco José de Caldas. Universidad Nacional de Colombia 1966Cáceres y Muñoz. 2006 “La química al alcance de todos” Colección Notas de clase. Facultad de Ciencias . Universidad Nacional de Colombia. .

www.html.rincondelvago.com/punto-de-ebullicion.html

www.herramientas.educa.madrid.org/tabla/properiodicas/pebu.htmlwww.cie.unam.mx/rojs/pub/ Liquid3/node8.html