Práctica 1. Punto de ebullición - copia

Temperatura (°C)






Competencia
Determina el efecto de la concentración de un soluto en el punto de ebullición de soluciones.

Marco Teórico
Cuando se calienta un líquido, alcanza eventualmente una temperatura en la cual la presión del vapor es lo bastante grande que se forman burbujas dentro del cuerpo del líquido. Esta temperatura se llama punto ebullición. Una vez que el líquido comience a hervir, la temperatura permanece constante hasta que todo el líquido se ha convertido a gas. (Universidad Atónoma de México, 2013)
El punto ebullición normal del agua es 100 °C a una atmósfera de presión. Pero si se trata de cocinar un huevo en agua hirviendo mientras se acampa en la montaña a una elevación de 10,000 pies sobre el nivel del mar, se encontrará que se requiere de un mayor tiempo de cocción ya que el agua hierve a no más de 90 °C. No se podrá calentar el líquido por encima de esta temperatura a menos que utilice una olla de presión. En una olla de presión típica, el agua puede seguir siendo líquida a temperaturas cercanas a 120 °C y el alimento se cocina en la mitad del tiempo normal. Así, el punto de ebullición es variable en una misma sustancia si se varía la presión.
La ebullición de un líquido se da cuando la presión del vapor del gas que se escapa del líquido es igual a la presión ejercida en el líquido por sus alrededores. (Universidad Atónoma de México, 2013)
El punto de ebullición normal del agua es 100 °C porque ésta es la temperatura a la cual la presión del vapor del agua es 760 mmHg, o 1 atmósfera. Es decir que bajo condiciones normales, cuando la presión de la atmósfera es aproximadamente 760 mmHg, el agua tiene un punto de ebullición de 100 . A 10,000 pies sobre nivel del mar, la presión de la atmósfera es solamente 526 mmHg. A esta presión el punto de ebullición del agua ocurre a una temperatura de 90 °C.
Las ollas de presión se equipan con una válvula que permite escapar al gas cuando la presión dentro de la olla excede un cierto valor fijo. Esta válvula tiene comúnmente un valor fijo de 15 psi, que significa que el vapor de agua dentro de la olla debe alcanzar una presión de 2 atmósferas antes de que pueda escaparse. Ya que el agua no alcanza una presión de vapor de 2 atmósferas hasta que alcanza la temperatura de 120 °C, la temperatura de ebullición dentro del recipiente es de 120 °C.

-¿Por qué ocurre la ebullición?
La energía cinética de las moléculas de un líquido está cambiando continuamente a medida que chocan con otras moléculas. En cualquier instante, algunas de las moléculas de la superficie adquieren la suficiente energía para superar las fuerzas atractivas y escapan a la fase gaseosa ocurriendo la evaporación. La velocidad de evaporación aumenta a medida que se eleva la temperatura del líquido.
Si el líquido se encuentra en un recipiente cerrado, las moléculas del vapor quedarán confinadas en las vecindades del líquido, y durante el transcurso de su movimiento desordenado algunas de ellas pueden regresar de nuevo a la fase líquida. Al principio, la velocidad de condensación de las moléculas es lenta puesto que hay pocas moléculas en el vapor. Sin embargo, al aumentar la velocidad de evaporación, también aumenta la velocidad de condensación hasta que el sistema alcanza un estado en el que ambas velocidades son iguales.
En este estado de equilibrio dinámico, la concentración de las moléculas en el vapor es constante y, por lo tanto, también es constante la presión. La presión ejercida por el vapor cuando se encuentra en equilibrio con el líquido, a una determinada temperatura, se denomina presión de vapor y su valor aumenta al aumentar la temperatura. (Universidad de Antioquía, 2014)

-El punto de ebullición respecto a una solución:
El Punto de ebullición se eleva en una solución respecto del disolvente puro.
Una solución tiene un punto de ebullición más alto debido a que las fuerzas intermoleculares han aumentado causando así el aumento
del punto de ebullición.
El Enlace iónico es mucho más fuerte que la unión 
covalente. Por ejemplo, se necesita más energía térmica para romper la unión iónica en una solución de sal que el enlace covalente en una solución de azúcar, por lo que el punto de ebullición de una solución de sal es mayor.
Ahora bien, referente a cómo afecta una concentración el punto de ebullición de una sustancia, se tiene que es debido a los tipos de enlaces que forma, y qué tan fuerte se dan estos enlaces.

-La normalidad es una medida de concentración que expresa el número de equivalentes de soluto por litro de solución: 
N=equivalentes de soluto litros de solución

O bien:
N= WsPe Ns
, donde:
Ws = Peso de la solución.
Pe= Peso equivalente.
Vs= Volumen del matraz.

El peso equivalente depende de si éste es ácido o alcalino para su cálculo.
El peso equivalente de un ácido, se define como la masa en gramos que producirá una mol de iones H+ en una reacción.
El peso equivalente de una base, es la cantidad en gramos que proporciona una mol de iones de OH+ en una reacción.
La molaridad se refiere al número de moles de soluto que están presentes por litro de solución, lo que equivale a:
Molaridad = moles de soluto / litros de soluciónM = mol soluto / L soluciónMolaridad = moles de soluto / litros de soluciónM = mol soluto / L solución
Molaridad = moles de soluto / litros de solución
M = mol soluto / L solución

Molaridad = moles de soluto / litros de solución
M = mol soluto / L solución




- ¿Qué es la concentración?
La concentración se refiere a la cantidad de soluto que hay en una masa o volumen determinado de solución o solvente. (Universidad Autómoma de México, 2015)

Metodología
Materiales:
150 ml de agua desionizada.
2 g de "splenda"*.
Refrigerante/Anticongelante "Bardahl"*.
*Especificaciones de los materiales:
-"Splenda": contiene 95.8% de dextrosa, 3% de maltodextrina y 1.2% de sucralosa.
-Refrigerante/Anticongelante "Bardahl":
HOJA DE SEGURIDAD:
Marca: Bardahl.
Componentes: Etilenglicol (30-40%)-(45-55%), Aditivos inhibidores de corrosión (1-2%), y agua (60-70%)-(45-55%).
Estado físico: líquido.
Temperatura de inflamación: 110-112 °C.
Temperatura de ebullición: 105-108 °C.
pH: 10.0 típico.
Solubilidad en agua: soluble.
Síntomas y Efectos: Se supone que no hay riesgo agudo en condiciones normales de uso. En personas sensitivas puede causar reacciones alérgicas a la piel Inhalación: Trasladar al aire fresco. Si no hay recuperación rápida. Solicite atención médica.
Piel: Remover la ropa contaminada y lavar la piel afectada con agua y jabón. Si la irritación persiste, solicite ayuda médica. Cuando se usen equipos de alta presión, puede ocurrir que el producto se inyecte bajo la piel. Si ocurren heridas debido a la alta presión, el herido debe ser trasladado inmediatamente al hospital. No espere a que se desarrollen síntomas.
Ojo: Lavar los ojos con abundante agua. Si la irritación persiste, solicite ayuda médica.
Ingestión: No inducir al vómito. Lavar bien la boca con agua y solicitar soporte médico.
Comunicar al Doctor: Tratar sintomáticamente. La aspiración a los pulmones puede causar neumonitis química. La exposición repetida o prolongada a este producto puede causar dermatitis. Heridas causadas por la alta presión requieren intervención quirúrgica rápida y posiblemente terapia con esteroides para minimizar el daño a los tejidos y pérdida de funciones.
Precauciones Personales: Evitar contacto con la piel y ojos. Guantes de PVC, neopreno o goma nitrilo. Botas de goma, de seguridad, de caña alta y chaqueta y pantalones de PVC. Si hay riesgo de salpicaduras, use anteojos protectores o escudo facial completo.
Precauciones Ambientales: Evitar su expansión o entrada en drenajes, zanjas o ríos, usando arena, tierra, u otras barreras apropiadas y no contaminantes. Informar a las autoridades locales si no puede ser contenido.
Instrumentos/Herramientas:
Parilla de calentamiento.
Soporte universal.
2 pinzas para bureta.
1 vaso de precipitado de 600 ml.
2 vasos de precipitado de 10 ml.
2 matraces aforados de 50 ml.
Termómetro.
3 tubos de ensayo.
1 espátula.

Desarrollo
Se armó el soporte universal con la base, y el tubo en vertical. Fue colocada la parrilla encima de la base. Se encendió la parrilla y fue puesta en el nivel de calentamiento 6 de 8 totales (no marca temperatura).
Dentro del vaso de precipitado de 600 ml, fueron vertidos 410 ml de refrigerante "Bardahl". Fue colocado, posteriormente, encima de la parrilla para su calentamiento.
En uno de los tubos de ensayo, se vertió agua desionizada. Se tomó su temperatura, a través del termómetro, la cual fue reportada en 20°C. Fue colocada la muestra a baño maría sumergida dentro del refrigerante hasta que nivelara con el punto de línea final que ocupa el agua desionizada en el tubo de ensayo, a través de las pinzas de soporte.
Se colocó el termómetro sumergido en la muestra de agua desionizada, para tomar la temperatura de esta último, de tal manera que el termómetro no tocara las paredes ni el fondo del tubo de ensayo, para no cruzar la temperatura del material del tubo de ensayo y el agua desionizada. El termómetro fue sujeto con una segunda pinza de soporte.
Se reportaron los incrementos de temperatura del agua desionizada, empezando por dos primeros datos con intervalos de 30 segundos. Posteriores a estos, los reportes de temperatura se hicieron en intervalos de 1 minuto, hasta el minuto 35, en donde se dio por estabilizada la temperatura y alcanzado el punto de ebullición, presentándose burbujas y evaporación del agua desionizada.
Fue retirado el termómetro y el tubo de ensayo que contenía la muestra de agua desionizada. El termómetro fue puesto a temperatura ambiente para su regularización (para alcanzar la temperatura ambiente).

En un vaso de precipitado de 10 ml fueron pesados 0.5 g de splenda (0.5225 g), a través de una báscula.
Dentro de uno de los matraces aforados se vertió una pequeña cantidad de agua desionizada (menos de 25 ml), y después se le agregaron los 0.5225 g de splenda. Se cerró el matraz y se mescló el agua desionizada y el splenda. Se vertió agua desionizada al vaso de precipitado que contenía el splenda, para remover restos de esta última que pudiera contener. Se introdujo este enjuague dentro del matraz aforado. Se continuó mezclando.
Se volvió a verter más agua desionizada dentro del matraz y se continuó mezclando.
Por último, se vertió agua desionizada al matraz hasta alcanzar los 50 ml (proceso de aforado). Fue completamente mezclada la solución, dada al 1% (pues se tiene 99% de agua desionizada como disolvente, y 1% de splenda como soluto).
La solución fue vertida en un segundo tubo de ensayo. Fue tomada su temperatura a través del termómetro, reportándose en 21 °C. Posteriormente, fue colocado el tubo de ensayo que contenía la muestra en el soporte universal, de manera tal que la solución quedara sumergida a baño maría dentro del refrigerante, hasta que la superficie de la solución quedara anivelada con la superficie del refrigerante. Se colocó el termómetro dentro de la solución (sin tocar ninguna de las paredes ni el fondo del tubo de ensayo), sujeto con una de las pinzas de soporte.
Al darse el proceso de calentamiento de la solución, las temperaturas fueron reportadas por intervalos de 30 segundos.
En los primeros 30 segundos la solución registró una temperatura de 64 °C por el termómetro. En estos 64 °C la solución presentó la aparición de las primeras burbujas.
A los dos minutos y medio la solución se encontraba en estado de ebullición, con una temperatura de 87 °C.
El último registro de temperatura se dio a los seis minutos, con una temperatura de 87 °C, misma que no presentó variaciones desde el minuto 2.5.
Se retiró el termómetro para su regularización con la temperatura del ambiente. También fue retirado el tubo de ensayo que contenía la solución al 1%.

En un segundo vaso de precipitado de 10 ml fueron pesados 1.5 g de splenda a través de la báscula.
En el segundo matraz aforado, se vertió menos de 25 ml de agua desionizada, para posteriormente agregar los 1.5 g de splenda. Se cerró el matraz y se mezcló la solución. Se enjugó el vaso de precipitado de 10 ml, con agua desionizada, para eliminar restos de splenda, y se vertió en el matraz aforado. Se mezcló nuevamente. Se volvió a agregar agua desionizada al matraz aforado. Se mezcló.
Por último, se vertió agua desionizada al matraz aforado hasta alcanzar los 50 ml (proceso de aforado). Fue mezclada la solución.
Se vertió la solución al 3%, (97% de agua desionizada como disolvente, y 3% de splenda como soluto), dentro de un tercer tubo de ensayo. Se tomó su temperatura con el termómetro, reportándose en 21 °C.
Se colocó el tubo de ensayo con la solución sumergido a baño maría dentro del refrigerante, niveladas al mismo punto las superficies de la solución y el refrigerante. Fue fijado el tubo de ensayo al soporte universal al través de una de las pinzas para bureta. El termómetro fue sumergido dentro de la solución (sin tocar las paredes ni el fondo del tubo de ensayo), y fijado con ayuda de la segunda pinza para bureta.
Una vez iniciado el calentamiento de la solución, fueron tomadas las temperaturas de incremento por intervalos de 30 segundos.
Al llegar al primer minuto, la solución presentó las primeras burbujas, con 70 °C, según el termómetro.
En el minuto 4, la solución llegó a los 83 °C, presentándose la ebullición.
Se terminó de reportar la temperatura en el minuto 6.5, con 83 °C, que no habían variado desde el minuto 4.
Se apagó la parrilla, se retiró el termómetro, la solución y el refrigerante, y fue desarmado el soporte universal; dándose por terminada la práctica.

Resultados
A temperatura ambiente el agua desionizada presentó 20 °C. La ebullición se dio a partir del minuto 29, con 90.5 °C, invariables hasta el minuto 35.
Tabla 1. Reporte de temperaturas de la muestra de agua desionizada pura por intervalos de un minuto.
Minuto
Temperatura (°C)
0
20
0.5
22
1
23
2
28
3
30
4
32
5
36
6
38
7
40
8
44
9
47
10
50
11
52
12
55
13
58
14
60
15
63
16
66
17
68
18
70
19
73
20
75
21
77
22
79
23
80
24
83
25
85
26
87
27
88
28
90
29
90.5
30
90.5
31
90.5
32
90.5
33
90.5
34
90.5
35
90.5


A temperatura ambiente, la solución de agua desionizada y splenda al 1% presentó una temperatura de 21 °C. La ebullición comenzó a partir de la temperatura invariable de 87 °C a partir del minuto 2.5.
Tabla 2. Reporte de temperaturas de la muestra de agua desionizada y splenda al 1% por intervalos de 30 segundos.
Intervalos de 30 segundos
Temperatura (°C)
0
21
1
64
2
82
3
85
4
86
5
87
6
87
7
87
8
87
9
87
10
87
11
87
12
87


A temperatura ambiente, la solución de agua desionizada y splenda al 3% reportó una temperatura de 21 °C. La temperatura de ebullición se dio a los 83 °C a partir del minuto 4. Se tomaron datos hasta el minuto 6.5.
Tabla 3. Reporte de temperaturas de la muestra de agua desionizada y splenda al 3% por intervalos de 30 segundos.
Intervalos de 30 segundos
Temperatura (°C)
0
21
1
60
2
70
3
78
4
80
5
81
6
82
7
82
8
83
9
83
10
83
11
83
12
83
13
83


Gráfica 1. Gráfica de aumento de temperaturas hasta la ebullición de la muestra de agua desionizada pura.



Gráfica 2. Gráfica de aumento de temperaturas hasta la ebullición de la muestra de agua desionizada con splenda al 1%.

Gráfica 3. Gráfica de aumento de temperaturas hasta la ebullición de la muestra de agua desionizada con splenda al 3%.
Gráfica 4. Gráfica de comparación de los aumentos de temperatura de las muestras de: agua desionizada pura, agua desionizada con splenda al 1% y agua desionizada con splenda al 3%.
Tiempo (minutos)Tiempo (minutos)
Tiempo (minutos)
Tiempo (minutos)

Resulta evidente, por la gráfica anterior, que el agua desionizada pura alcanza la ebullición en un tiempo considerablemente más largo y a una mayor temperatura que cualquiera de las otras dos soluciones.
La diferencia entre los puntos de ebullición de las soluciones al 1% y al 3% es, comparativamente, menor; sin embargo, sí se presenta una diferencia. La muestra de agua desionizada con splenda al 1% alcanza el punto de ebullición a mayor temperatura, pero menor tiempo, que el caso de la solución de agua desionizada y splenda al 3%.
Discusión:
La muestra de agua desionizada pura no presentó el punto de ebullición a los 94 °C a los que ebulle el agua en Querétaro, sino que se dio 3.5 °C por debajo. Las consideraciones a tomar en cuenta para explicar los resultados son: el agua estaba sumergida en un refrigerante, el agua era agua desionizada, la altura en el estado y, más aún, en la cuidad, no es homogénea.

La solución al 1% fue considerablemente más rápida en presentar su punto de ebullición, comparada con la muestra de agua desionizada. Y este punto fue alcanzado con una temperatura 3.5 °C más baja.

Igualmente, la solución al 3% presentó un punto de ebullición más rápido y 7.5 °C por debajo del agua desionizada.

Así, las soluciones con splenda tienen un punto de ebullición más bajo.

La solución al 1% embulló a los 87 °C, mientras que la solución al 3% lo hizo a los 83 °C. Sin embargo, el punto de ebullición de la solución al 1% se presentó al minuto 2.5, y la de 3% lo hizo más rápido (minuto 4).

Así que se determinaron los puntos de ebullición de las distintas soluciones, y fue encontrado que se presentan variaciones debido a su concentración o distintos componentes.
Se cree que los distintos puntos de ebullición varían en las distintas soluciones por sus tipos de enlaces y concentraciones, pues alcanzar el punto de ebullición, según lo investigado, implica romper una unión molecular (un enlace), y mientras más fuerte sea el enlace, más energía es necesaria para romperlo.

Según los resultados de la práctica, entre más concentración se tenga de splenda (al menos hasta el 3%), más fácil o con menos energía se logra romper el enlace.


Conclusiones
El agua desionizada y el splenda forman una unión del tipo covalente. Un enlace covalente es más fácil de romper (se requiere menos energía) que un enlace iónico. Y aún más, hay variaciones en los requerimientos de energía para romper el enlace según el tipo de enlace covalente. Esto en base a lo investigado, que fue a su vez corroborado en la práctica.

El agua desionizada pura presentó un punto de ebullición más alto que cualquiera de las soluciones de agua desionizada con splenda.

Más aún, entre más concentración se presentó de splenda (hasta el 3%) más fácil (con menos energía requerida) alcanza el quiebre del enlace molecular para llegar a la ebullición de la solución.

En cuanto al tiempo que tardaron las soluciones al 1% y 3% para alcanzar el punto de ebullición, se da una variación de 1.5 minutos, alcanzando la ebullición la muestra de agua desionizada y splenda al 1% de manera más rápida. Además, la solución al 1% presentó burbujas desde los 64 °C; mientras que la solución al 3% lo hizo a los 70 °C. Esto podría estar relacionado con el comportamiento del refrigerante, y no de la solución en sí misma.

Para finalizar, el agua desionizada pura tiene un enlace más fuerte al presentar un punto de ebullición más alto. Seguido por la solución al 1%, con un punto de ebullición a los 87 °C. Y la solución al 3%, con el enlace más débil, con un punto de ebullición a los 83 °C.

Así que la competencia requería de una determinación del efecto de la concentración de un soluto en el punto de ebullición de soluciones. Efectivamente, fue encontrado que las concentraciones en las soluciones afectan directamente el punto al que se dará la ebullición de la sustancia. Según el tipo de enlace que se forme requerirá una específica cantidad de energía para romper el enlace, por lo que se presentan variaciones de tiempo y temperatura, tomándose la presión como constante.

Bibliografía

Ralph H. Petrucci, F. Geoffrey Herring, Jeffry D. Madura, Carey Bissonnette. (2011). Química General (Décima ed.). Pearson.
Raymond Chang, Kenneth A. Goldsby. (2013). Química (11 ed.). Cuidad de México: McGrawHill.
Universidad Atónoma de México. (2013). Punto de ebullición. (UNAM, Editor, & Físico-Química, Productor) Obtenido de http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Liquid3/node8.html
Universidad Autómoma de México. (2015). Concentraciones. (D. d. Físicoquímica, Editor, & UNAM, Productor) Obtenido de http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Apuntes_sobre_concentraciones_28204.pdf
Universidad de Antioquía. (2014). Temperatura de ebullición. (Prácticas, Ed.) Técnicas de Laboratorio Químico. Obtenido de http://docencia.udea.edu.co/cen/tecnicaslabquimico/02practicas/practica06.htm