CAMBIOS DE FASE DE LA NAFTALINAGibbs, Josiah Willard (1839 - 1903).

Físico estadounidense nacido en New Haven (Connecticut); estudió en las universidades de Yale, París, Berlín y Heidelberg. Fue profesor de física matemática en Yale desde 1871 hasta su muerte. Entre 1876 y 1878 Gibbs escribió una serie de ensayos titulados colectivamente El equilibrio de las sustancias heterogéneas, considerados como uno de los mayores logros de la física del siglo XIX y la base de la química física. En estos ensayos Gibbs aplicó la termodinámica a la química y mostró la explicación y correlación de hechos aislados e inexplicables hasta ese momento. Entre los teoremas tratados está el de la regla de la fases. Los ensayos de Gibbs sobre la termodinámica se

publicaron en Transactions of the Connecticut Academy (Transacciones de la Academia de Connecticut), pero debido a su complejidad matemática y a su aparición en un periódico poco conocido, los científicos de Estados Unidos no los valoraron. La traducción de sus obras hizo que sus teoremas se utilizaran en Europa algunos años antes de que los químicos estadounidenses se dieran cuenta de su importancia. En 1901 Gibbs recibió la medalla Copley de la Sociedad Real británica.

Gibbs realizó también un destacado trabajo en mecánica estadística, en análisis vectorial y en la teoría electromagnética de la luz. Sus Ensayos científicos (1906) y Obras completas (1928) se recopilaron y se publicaron después de su muerte.

I. objetivos:

Investigar sobre la curva de fusión y de solidificación de la naftalina.

II. Equipos /Materiales:

1 Equipo de calentamiento 1 Soporte Universal 1 Tubo de prueba 1 Vaso de pirex

(500cc) Naftalina Papel milimetrado 2 Termómetros 2 Clamp o agarradores 1 Cronometro Agitador de vidrio Agua

III. Fundamento Teórico:

Diariamente convivimos con sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Bajo determinadas condiciones es posible cambiar la fase de una sustancia. Es de nuestro conocimiento por ejemplo que el agua líquida se puede transformar en agua sólida o vapor de agua.

El punto fundamental en este estudio es el hecho de la fase de una sustancia ser determinada por la temperatura (T) y por la presión (p) a que está sometida.

Así, dependiendo de ese par de valores (T y p), la sustancia puede estar en cualquiera de las fases (sólida, líquida o gaseosa), e inclusive en una situación que corresponde al equilibrio entre dos o entre tres fases.

En estado sólido, las partículas constituyentes del cuerpo se presentan distribuidas en el espacio en un padrón bien organizado, ocupando posiciones definidas, en función de la gran fuerza de atracción entre ellas.

Por ese motivo, un cuerpo en estado sólido presenta forma y volumen propio, o sea, un alto grado de cohesión.

En estado líquido, las partículas del cuerpo no se encuentran tan fuertemente ligadas como en el estado sólido y pueden por eso, deslizarse unas en relación a las otras. Siendo así, un cuerpo en estado líquido no tiene forma propia, un líquido siempre asume la forma del recipiente que lo contiene, a pesar de tener un volumen propio.

En estado gaseoso, las partículas del cuerpo tienen una libertad total de movimiento y prácticamente no ejercen fuerzas unas sobre otras. Por tanto, un cuerpo en estado gaseoso no presenta forma o volumen propio, los cuerpos gaseosos asumen la forma y el volumen total del recipiente donde están contenidos.

Al cambio de fase de solido a liquido de una sustancia se le denomina fusión, la temperatura asociada a este cambio se le denomina punto de fusión.

Al cambio de fase de liquido a solido se le denomina solidificación, la temperatura asociada a este cambio se denomina punto de solidificación.

En estos cambios de estado necesariamente interviene una energía de naturaleza térmica la cual es absorbida o disipada por el cuerpo. Esta tiene como fin hacer mas activas las moléculas que se encuentran ligadas por fuerzas atractivas; o en todo caso a reagruparlas.

El punto de solidificación coincide con el punto de fusión y durante la solidificación, el calor que fue absorbido en la fusión es liberado.

Cambio de Fase:

El cambio de fase es un fenómeno térmico que una sustancia sufre al alterar su estado físico.

Evaporación:

Es el tipo de vaporización lenta, que ocurre apenas junto a la superficie libre del líquido. Ese fenómeno no requiere condiciones físicas determinadas para suceder. En otras palabras, no existe una temperatura determinada para un líquido evaporarse. El agua de un tanque por ejemplo, se evapora a 5o C, a 20o C, a 60o C , etc.

Ebullición o Vaporización

Es la vaporización intensa y turbulenta que ocurre a lo largo de toda la masa líquida, con formación de burbujas de vapor junto a las superficies calentadas. Estas burbujas aumentan de volumen a medida que se elevan en el líquido, en virtud de la reducción de la presión. Al contrario de la evaporación, la ebullición solo sucede cuando es alcanzada una cierta temperatura, que depende de la presión ejercida sobre el líquido por el ambiente.

Conceptos Básicos

Punto de Fusión: Es la temperatura en la cual la sustancia cambia de su fase sólida a la fase líquida

Punto de Vaporización: Es la temperatura en la cual la sustancia cambia de su fase líquida a la fase gaseosa.

Sustancia Punto de Fusión ( o C ) Ponto de vaporización ( o C )

Mercurio -39 357

Nitrógeno -210 -196

Alcohol -115 78

Azufre 119 420

Hielo 0 —–

Plata 961 —–

Agua —– 100

Punto de Condensación: Es la temperatura en la cual la sustancia cambia de su fase gaseosa a la fase líquida.

Punto de Solidificación: Es la temperatura en la cual la sustancia cambia de su fase líquida a la fase sólida.

IV. procedimiento:

Montaje 1:

1. Coloque la Naftalina y un termómetro, que eventualmente puede servir como agitador (agite con cuidado), dentro del tubo de prueba.

Mnaftalina = 0.003 kg

2. Vierta 400ml de agua al pírex.3. Coloque en el tubo de ensayo la naftalina y el termómetro. Sumerja el tubo de

ensayo en el vaso de precipitado.4. Coloque un termómetro adicional en el agua para monitorear su temperatura

como se muestra en la figura N°1.5. Caliente el agua y registre los valores de la temperatura del tubo de ensayo

cada 30segundos hasta que la naftalina se funda y luego deje enfriar hasta que solidifique (Registre la temperatura durante todo el proceso).

Tabla N°1:

t(min) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

T(°C) 28 31 32.5 35 38 42 44 47 49 52

t(min) 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5

T(°C) 55 57 60 62 64 66 68 70 74 74

t(min) 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5

T(°C) 75 77 80 80 81 84 86 89 90 91

t(min) 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5

T(°C) 82 80 80 79 78 77 76 75 73 70

t(min) 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 24 24.5

T(°C) 66 63 58 55 52 49 46 44 42 40

t(min) 25 25.5 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5

T(°C) 38 37 36 35 34 33 32 32 31 31

Hacemos la tabla de mínimos cuadrados para el primer tramo de la gráfica.

X(ºC) Y( min) XY X*X

Σ= Σ= Σ= Σ=

Registre la temperatura de fusión:

Tfusion = 80°C

Indique en que instante y a que temperatura se realiza el proceso de solidificación.

t = 15.5 min

Tsolidificación = 80°C

V. Evaluación

1. Trace la gráfica de la curva de solidificación: temperatura T versus tiempo t y discuta cada tramo de la gráfica.

De 0-11,5 minutos .Debido al aumento de temperatura, se empezó a fundir la naftalina.

De 11,0 hasta 11,5 minutos. Se llegó al punto de fusión a 80⁰C, que es la temperatura a la cual encontramos el equilibrio de fases sólido - líquido, es decir la materia pasa de estado sólido a estado líquido, se funde. Cabe destacar que el cambio de fase ocurre a temperatura constante.

De 11,5 hasta 14,5 se sigue calentando y se funde la naftalina. De 14,5 a 15,5 .Comenzamos a enfriar De 15,5 a 16,0 .Ocurre la solidificación a 80⁰C, el cambio de estado de la

materia de líquido a sólido producido por la disminución en la temperatura. De 16,0 a 29,5. Disminución de la temperatura.

2. ¿Coincide el punto de fusión y solidificación en el proceso?

Si, resultando ambos 80⁰C

3. Si el punto de solidificación de la naftalina se considera 80ºC. ¿A que se debe la diferencia observada en la gráfica?

En el experimento hallamos que el punto de la solidificación de la naftalina es 89.4º C y en la curva solidificación, al dejarse enfriar, vemos que su temperatura esta disminuyendo dentro del cuerpo, lo cual no indica que esta desprendiendo calor. Si el punto de solidificación fuera 80º C la curva tendría una pendiente diferente y los valores de tiempo variarían también.

4. ¿Cuáles son las posibles fuentes de errores en este experimento?

Al momento de observar si la sustancia estaba disuelta por completo pudo haber una demora en ver la temperatura.

Fallas por la humedad No saber usar adecuadamente el termómetro. El material puede haber estado contaminado No haber medido correctamente el tiempo que se pide en el experimento

VI. Tarea

1. ¿Es posible determinar la cantidad de calor por unidad de tiempo que se desprende cada tramo de la grafica?

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2. Explique lo que son la fusión tranca y la fusión pastosa.

Fusión pastosa o fusión en los cuerpos amorfos:

En los cuerpos amorfos, como el vidrio, el alquitrán y las materias plásticas, el enlace entre las partículas es relativamente débil. Por eso, toda la aportación de calor no sólo favorece el trabajo de la liberación, sino que también sirve para provocar una elevación de la temperatura durante la fusión.Por eso, para estos cuerpos amorfos, se habla generalmente de punto de fusión “pastosa”, que es, de hecho, el punto más bajo en el cual estos cuerpos pasan por un estado parecido al estado propiamente líquido.

Fusión tranca o fusión normal:

La fusión tranca es la fusión es el proceso tras el cual un cuerpo sólido pasa al estado líquido, solamente los cuerpos cristalinos tienen un punto de fusión definido. Los cuerpos amorfos, al ser calentados, se reblandecen y se transforman poco a poco en cuerpos líquidos.

VII. Conclusiones

Con una entrega constante de calor en un tiempo determinado se puede observar el cambio de estado (fusión) de los 3gr de naftalina a temperatura de 80⁰C manteniendo esta temperatura hasta la fusión total de la naftalina, luego, transcurrido un lapso de tiempo (15min aprox.) mientras se enfría el sistema se vuelve a observar el cambio de estado (solidificación) de la naftalina a la misma temperatura de 80⁰C, al tomarse los

datos se puede ver con mayor precisión las mesetas del cambio de estado en la grafica en papel milimetrado, así se llega a comprobar la teoría.

VIII Sugerencias/ recomendaciones

Manipular con cuidado el sistema cuando llega a altas temperaturas en especial la probeta.

Para limpiar la probeta de la naftalina cuando se vuelve a solidificar, se debe volver a calentar el sistema para así en estado liquido la naftalina es más fácil de manipular.