Física y Química 3.º ESO · Curvas de calentamiento: sustancias puras y mezclas
Práctica de laboratorio: la curva de calentamiento del agua
Objetivo: Al terminar, sabrás cómo se obtiene en el laboratorio la curva de calentamiento del agua (o la de enfriamiento de una sustancia pura): material, procedimiento, normas de seguridad, toma de datos y representación e interpretación de la gráfica.
Explicación
Objetivo de la práctica
Obtener la curva de calentamiento del agua, desde hielo hasta que hierve, y comprobar que durante la fusión y la ebullición la temperatura no cambia.
Material
- Vaso de precipitados de 250 mL con hielo picado (mejor de agua destilada).
- Placa calefactora (o mechero Bunsen con trípode y rejilla).
- Termómetro digital de sonda o de alcohol (hasta 110 °C) sujeto con un soporte y una pinza.
- Varilla de vidrio para agitar.
- Cronómetro, gafas de protección y guantes térmicos o pinzas para el vaso.
Procedimiento
- Pon el hielo picado en el vaso y coloca el termómetro de forma que su extremo quede dentro del hielo, sin tocar el fondo ni las paredes del vaso.
- Anota la temperatura inicial y enciende la placa a potencia media. Pon en marcha el cronómetro.
- Anota la temperatura cada minuto (o cada 30 s) en una tabla. Antes de cada lectura, agita suavemente con la varilla para que la temperatura sea igual en todo el vaso.
- Anota también lo que ves: cuándo queda hielo, cuándo aparecen las primeras burbujas, cuándo hierve con fuerza.
- Sigue midiendo unos minutos después de que el agua empiece a hervir. Apaga la placa y deja enfriar el material antes de recogerlo.
- Representa la gráfica - y señala los tramos y las mesetas.
Normas de seguridad
- Gafas de protección todo el tiempo y el pelo recogido.
- No toques la placa ni el vaso caliente: usa guantes térmicos o pinzas. La placa sigue caliente un buen rato después de apagarla.
- No remuevas con el termómetro: se puede romper. Para eso está la varilla.
- No se usan termómetros de mercurio (el mercurio es tóxico).
Variante: curva de enfriamiento
Se funde un poco de ácido esteárico (una sustancia pura sólida que funde a unos 69 °C) en un tubo de ensayo al baño María, se saca del agua caliente y se anota su temperatura cada 30 s mientras se enfría. Aparece una meseta en la temperatura de solidificación.
Qué debe salir
- Una meseta a 0 °C mientras queda hielo (fusión).
- Un tramo que sube mientras se calienta el agua líquida.
- Una meseta en el punto de ebullición: unos 100 °C a nivel del mar; en Madrid, unos 98 °C, porque la presión es algo menor.
Puntos clave
- Se mide la temperatura a intervalos fijos de tiempo y se anota en una tabla.
- Hay que agitar antes de cada lectura para que la temperatura sea la misma en todo el vaso.
- El termómetro no debe tocar el fondo ni usarse para remover.
- La gráfica debe mostrar mesetas en la fusión (0 °C) y en la ebullición (unos 98 °C en Madrid).
- Gafas, pelo recogido y nada de tocar la placa o el vaso caliente.
Errores frecuentes
ErrorApoyar el termómetro en el fondo del vaso.
Cómo corregirloEl fondo está en contacto con la placa y está más caliente que el agua: el termómetro marcaría de más. Sujétalo con una pinza para que quede en medio del líquido.
ErrorNo agitar y medir solo cerca de la superficie.
Cómo corregirloSin agitar, el agua de abajo está más caliente que la de arriba. Agita con la varilla antes de cada lectura.
ErrorPensar que la práctica «ha salido mal» porque el agua hierve a 98 °C y no a 100 °C.
Cómo corregirlo100 °C es el punto de ebullición a nivel del mar. En Madrid la presión es algo menor y el agua hierve a unos 98 °C. Lo importante es que la temperatura se mantenga constante mientras hierve.
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1. Los datos de un grupo de clase de laboratorio (tabla y gráfica)
Un grupo de un instituto de Madrid ha hecho la práctica con hielo picado y ha obtenido estos datos:
t (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 T (°C) 0 0 0 0 1 8 18 29 40 51 62 72 81 89 95 98 98 98 98 Anotaron: «hasta el minuto 3 queda hielo; a partir del minuto 15 hierve con fuerza». a) Interpreta la gráfica tramo a tramo. b) ¿Qué conclusiones pueden sacar?
Resolución
a) Tramos:
- De 0 a 3 min, meseta a 0 °C: el hielo se está fundiendo; en el vaso hay hielo y agua líquida.
- De 3 a 15 min, la temperatura sube de 0 °C a 98 °C: solo hay agua líquida que se calienta. Al principio sube unos 10 °C por minuto; cerca de la ebullición, más despacio, porque el vaso pierde más calor hacia el aire cuando está muy caliente.
- De 15 a 18 min, meseta a 98 °C: el agua hierve; hay agua líquida y vapor.
b) Conclusiones: durante la fusión y la ebullición la temperatura se mantiene constante, como corresponde a una sustancia pura. El agua funde a 0 °C y, en Madrid, hierve a unos 98 °C.
Ejemplo 2. Enfriamiento del ácido esteárico experimental (curva de enfriamiento)
Otro grupo funde ácido esteárico en un tubo de ensayo al baño María, saca el tubo del agua caliente y mide la temperatura cada 30 s:
t (min) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 T (°C) 80 76 73 70 69 69 69 69 69 69 69 69 69 67 64 61 58 a) ¿A qué temperatura solidifica? b) ¿Qué ven dentro del tubo entre los minutos 2 y 6? c) ¿Es una sustancia pura?
Resolución
a) La temperatura se queda en 69 °C del minuto 2 al 6: es su temperatura de solidificación (igual a la de fusión).
b) En la meseta hay líquido y sólido a la vez: empiezan a aparecer cristales blancos en las paredes del tubo y el sólido va creciendo hasta que, hacia el minuto 6, todo está sólido.
c) Sí: solidifica a una temperatura fija (meseta horizontal). Una mezcla, como la parafina de las velas, no tendría meseta horizontal.
Ejercicios
De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.
1. Fácil
Ordena estos pasos de la práctica y explica por qué es importante el paso c): a) Representar la gráfica temperatura-tiempo. b) Poner hielo picado en el vaso y colocar el termómetro sin tocar el fondo. c) Agitar con la varilla antes de cada lectura. d) Encender la placa y el cronómetro. e) Anotar la temperatura cada minuto.
Ver solución
b → d → c → e (c y e se repiten cada minuto) → a. Hay que agitar para que la temperatura sea igual en todo el vaso.
Primero se monta (b), después se empieza a calentar y a contar el tiempo (d), y cada minuto se agita y se lee (c y e). Al final se hace la gráfica (a). Si no se agita, el agua del fondo, más cerca de la placa, está más caliente que la de arriba, y el termómetro no marca la temperatura de todo el líquido.
2. Media
Otro grupo midió cada 2 minutos y empezó con el hielo recién sacado del congelador:
t (min) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 T (°C) −6 0 0 0 0 14 36 58 79 95 98 98 a) Representa su curva en los ejes. b) Señala en ella dónde hay solo hielo, hielo y agua, solo agua, y agua y vapor.
Ver solución
a) Sube de −6 °C a 0 °C (0–2 min), meseta a 0 °C (2–8 min), sube hasta 98 °C (8–20 min), meseta a 98 °C (20–22 min). b) Solo hielo: 0–2 min; hielo y agua: 2–8 min; solo agua: 8–20 min; agua y vapor: 20–22 min.
a) Ejes: de 0 a 22 min; de −10 a 110 °C (1 cuadro = 10 °C). Se colocan los puntos y se unen con segmentos. b) El primer tramo inclinado es el hielo calentándose desde −6 °C; la meseta a 0 °C, la fusión; el tramo largo inclinado, el agua líquida calentándose; la meseta a 98 °C, la ebullición.
3. Difícil
Un grupo no agitó durante la fusión del hielo y obtuvo estos datos:
t (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 T (°C) −5 −1 0 0,5 1 2 3 9 Según sus notas, quedaba hielo en el vaso hasta el minuto 6. En su informe escriben: «el hielo no funde a una temperatura fija, así que no es una sustancia pura». ¿Están en lo cierto? ¿Qué ha podido pasar?
Ver solución
No. Al no agitar, el agua líquida que se forma cerca del termómetro (y del fondo caliente) se calienta por encima de 0 °C aunque quede hielo; la temperatura medida no es la de todo el vaso.
El hielo de agua destilada es una sustancia pura y funde a 0 °C. El error está en la medida: sin agitar, alrededor del termómetro se acumula agua líquida ya fundida que se calienta algo, mientras el hielo flota en otra zona; además, el fondo del vaso está más caliente. Por eso el termómetro marca entre 0,5 °C y 3 °C aunque aún quede hielo. Si agitaran, la mezcla de hielo y agua estaría a 0 °C hasta que se fundiera todo el hielo. Conclusión: antes de sacar conclusiones de unos datos, hay que revisar cómo se han tomado.
Para practicar más
1. Fácil
Escribe cuatro normas de seguridad para esta práctica y explica el motivo de cada una.
Ver solución
Por ejemplo: gafas (salpicaduras de agua hirviendo); no tocar la placa ni el vaso caliente (quemaduras); no remover con el termómetro (se rompe); pelo recogido (cerca de la fuente de calor).
Se acepta cualquier norma razonable con su motivo: gafas de protección por si salpica el agua hirviendo; guantes térmicos o pinzas para el vaso y no tocar la placa, que sigue caliente al apagarla; usar la varilla y no el termómetro para remover, porque el termómetro es frágil; pelo recogido y nada de papeles junto a la placa o el mechero; no usar termómetros de mercurio, que es tóxico.
2. Media
Un grupo ha medido el enfriamiento de una sustancia blanca y ha obtenido:
t (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 T (°C) 78 72 69 69 69 69 69 65 60 a) ¿Cuál es su temperatura de solidificación? b) ¿Cuánto dura la solidificación? c) ¿Puede ser ácido esteárico? ¿Por qué?
Ver solución
a) 69 °C. b) 4 min (del minuto 2 al 6). c) Sí: el ácido esteárico solidifica a unos 69 °C y la meseta horizontal indica sustancia pura.
a) La temperatura se mantiene en 69 °C entre los minutos 2 y 6. b) De 2 a 6 min: 4 min. c) Es compatible: hay una meseta horizontal (sustancia pura) a 69 °C, que es la temperatura de fusión y solidificación del ácido esteárico (dato aproximado).
3. Difícil
Si repitiéramos la práctica con el doble de hielo y la misma placa, ¿qué cambiaría en la curva y qué no? Justifícalo.
Ver solución
Las temperaturas de las mesetas (0 °C y unos 98 °C) serían las mismas; las mesetas y los tramos durarían más, porque hace falta más energía para fundir, calentar y hervir el doble de agua.
Los puntos de fusión y ebullición son propiedades características: no dependen de la cantidad de sustancia. Por eso las mesetas seguirían a 0 °C y a unos 98 °C. Lo que cambia es el tiempo: con el doble de hielo, la placa necesita más tiempo para fundirlo todo, para calentar el agua y para hervirla; las mesetas serían más largas y los tramos inclinados, menos inclinados (la temperatura subiría más despacio).