Experiencias de laboratorio
PRÁCTICA Nº 1. CALORIMETRÍA. LEY DE HESS: KOH-H2O-HCl
PRÁCTICA DE LAB. GUÍA PARA ESTUDIANTE
Situación de aprendizaje asociada
Acceso a las Tablas Termodinámicas
(valores estándar)
Propiedades termodinámicas: entalpía, entropía, energía de Gibbs… para aproximadamente 10.000 sustancias.
NBS Excel Propiedades Termodinámicas
Acceso a «The NBS Table of Chemical Thermodynamic Properties, 1982, publicada por «The American Chemical Society» y «The American Institute of Physics» para»The National Bureau of Standars». J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol 11, supl. 2). Janiel J. Reed (1989), The NBS Tables of Chemical Thermodynamic Properties: Selected Values for Inorganic and C1 and C2 Organic Substances in SI Units, National Institute of Standards and Technology, https://doi.org/10.18434/M32124 (Accessed 2023-01-20).
SIMULADORES/ Virtual Labs
- Máquina de Stirling.
- Primera ley de la termodinámica.
- Fundamentos. Refrigeración.
- Segunda ley de la termodinámica.
- Virtual Lab. Calor de disolución de sales en agua.
- Virtual Lab. Ley de Hess (KOH-H2O-HCl)
- Virtual Lab. Calor de neutralización.
- Virtual Lab. Calor de disolución de sustancias moleculares.
PARA PROFUNDIZAR:
Artículo-borrador
VALORACIÓN DE LO APRENDIDO.
Rúbrica. Criterios de evaluación SdA.
Cuestionario práctica docente (para el alumnado)
Encuesta de valoración (para el alumnado)
Valoración del modelo de intervención (para el profesor)
MODELO DUA. Medidas de atención ordinarias.
Principios y pautas.
Puntos de verificación. Orientaciones.
El modelo simplificado que se ha utilizado en esta experiencia (a presión constante) se basa en un simple frasco de PET (tereftalato de polietileno) con un termómetro digital incorporado para medir los valores de temperatura. En él podemos distinguir cuatro partes fundamentales: (a) proceso o reacción, (b) disolución acuosa, (c) paredes, y (d) aire o alrededores. Al considerar todas las partes, la ley de la conservación de la energía establece que la suma de los calores intercambiados por cada una de ellas es: Qreacción + Q(ac) + Qparedes + Qaire = 0. Si consideramos el aire un mal conductor del calor (con Qaire = 0), y las paredes del frasco utilizado muy delgadas, de masa insignificante, y con un calor específico inferior al del agua (aprox. 1-1.5 J/g·ºC), la ecuación termoquímica queda simplificada como: Qreacción = – Q(ac)
Simulador virtual (ChemCollective Virtual Labs Web), para la resolución de cuestiones y problemas sobre la medida de calores de disolución de varias sales realizadas con un calorímetro adiabático.
Ejemplo de aplicación de la propuesta de situación de aprendizaje que se presenta en la unidad de Termodinámica química para el alumnado de 2.º de Bachillerato de Ciencias y Tecnología. En ella se aborda la enseñanza y aprendizaje de las principales variables termodinámicas: calor (Q), trabajo (W), energía interna (U), entalpía (H), entropía (S) y energía de Gibbs (G). La experiencia se completó con un taller de calorimetría donde se llevó a cabo la comprobación experimental de la ley de Hess.
Alumnado de 2º BTO durante las prácticas de: «Laboratorio de Termoquímica. Medida de calores disolución de varias sales. Comprobación experimental de la ley de Hess».
El calentamiento del gas en el primer compartimento (primero a volumen constante) produce posteriormente la expansión isotérmica del mismo. El émbolo avanza hacia adelante acoplándose a una polea que la lleva a la mitad de un giro de vuelta. En el segundo compartimento el gas se enfría (primero con descenso de la temperatura a volumen constante) produciendo posteriormente una disminución del volumen del gas. El segundo émbolo retrocede y lleva a la polea hacia la otra mitad del giro resultando una vuelta completa.
Con una probeta se añaden 70 mL de agua (aprox. 70 g) al frasco de PET, y se registran varios valores de temperatura de la masa de agua añadida hasta que la temperatura se mantenga estable. Entretanto se pesa en la balanza una cantidad de nitrato de amonio asignada por el profesor: 2, 3, 4 o 5 gramos (ayúdate con un ¼ de una hoja A4). Con precaución se añade la masa pesada de sólido blanco al frasco de PET, y se introduce rápidamente el termopar, agitando el frasco con movimientos circulares, muy suavemente, lo justo para homogeneizar la mezcla. Se observan los distintos valores de temperatura que marca el termopar, y se anota el valor mínimo alcanzado.
Reacción fuertemente exotérmica cuando se hace reaccionar, en una cápsula de cerámica, unos 3 gramos de permanganato de potasio («en polvo: se trituran los cristales») con 3 mL de glicerina previamente calentada con un mechero de bolsillo. En pocos segundos se emite un vapor (CO2 y agua vapor) y se produce una llama brillante de color lila (característica de las sales de potasio). La reacción se puede simplificar de la siguiente manera:
14KMnO4(s) + 4C3H5(OH)3(l) → 7K2CO3(s) + 7Mn2O3(s) + 5CO2(g) + 16H2O(g) + calor
El residuo sólido que queda después de que se completa la reacción contiene un sólido verdoso además de los productos ya mencionados. Esta observación nos lleva a pensar que el proceso redox es más complejo. Si se agrega agua al residuo sobrante, se obtiene una solución verde que contiene un precipitado de color marrón oscuro. El autor (Shakashiri) sugiere que el verde de la solución es manganato de potasio, K2MnO4, Mn(6+) y el precipitado oscuro es óxido de manganeso(III), Mn(3+), y/o dióxido de manganeso, MnO2, Mn(2+). (Nota: se recomienda ventilar el aula y utilizar gafas de seguridad y guantes; el polvillo marrón es difícil de quitar cuando contacta con la piel; limpiar con un paño húmedo la mesa y el soporte). Shakashiri, B. Z. Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry; University of Wisconsin: Madison, 1983; Vol. 1, pp 83–84. Chemical Education
Se añade directamente unos 6 mL de H2O2 (al 30% p/V, 110 volúmenes) a una porción de virutas de plomo.
Se conoce que algunos metales como el aluminio, el cinc, el cromo, y entre ellos el plomo, se pasivan de modo natural, es decir, reaccionan con el oxígeno atmosférico formándose en su superficie una lámina (a escala atómica) de óxido que impermeabiliza por completo la superficie del resto del metal e impide que continue la oxidación. Es por ello que piezas metálicas de estos metales conservan sus propiedades por mucho tiempo. En el caso del plomo se forma una fina lámina de PbO. La oxidación a PbO2 solo ocurre en condiciones oxidantes fuertes pero no con el oxígeno atmosférico.
La descomposición catalitica de H2O2 con especies de Pb(2+) y Pb(4+) en disolución acuosa ha sido estudiada por varios autores. En fase heterogénea es difícil determinar un único mecanismo pero podemos llegar a las siguientes conclusiones de este atractivo ciclo catalítico:
H2O2 es capaz de oxidar Pb(2+) a Pb(4+)
a) H2O2 + PbO → PbO2 + H2O
H2O2 es capaz de reducir Pb(4+) a Pb(2+) para producir O2
b) H2O2 + PbO2 → PbO + H2O + O2
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2 H2O2 → 2 H2O + O2
La concentración de la disolución de peróxido de hidrógeno utilizada requiere de una extrema precaución. Un litro de disolución de H2O2 produce 110 litros de oxígeno en condiciones normales por lo que la experiencia ha de ser realizada exclusivamente por el profesor como experiencia de cátedra. Durante el transcurso de la reacción tiene lugar un aumento progresivo de la temperatura observándose un efecto volcán en los últimos segundos de la reacción.
[1] F. Strnad, Collect. Czech. Chem. Commun., 1939, vol. 11, 391. [2] Gmelins Handbuch der Anorganischem Chemie; Sauerstoff, Lieferung T, Verlag Chemie, Weinheim/Bergstr, 1966, p. 2320. [3]. M. M. J. Pieterse, m. Sluyters-Rehbach, and J. H. Sluyters, J. Electroanal. Chem. Intefacial Electrochem., 1980, 109, 41.
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