Fundamentos de Química

Ingeniería Civil

Universidad de los Andes

2017

Ciencias para ingeniería - Química

Informe

Reacciones exotérmicas y endotérmicas,

y conductividad eléctrica

Autores:

➔ Ignacio F. Garcés

➔ Javier García

➔ Eduardo Gibson

➔ María Francisca Grandón

➔ Matías Gualda

Agradecimientos:

Profesores Alejandra Medina Armijo y Fidel Vallejo Gallardo

2017

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RESUMEN

Para favorecer la comprensión y claridad, las actividades realizadas descritas en este

informe se dividirán en dos experimentos, el primero abarca el tema de reacciones

endotérmicas y exotérmicas, y el segundo trata sobre conductividad eléctrica. Más

adelante se definirán estos conceptos.

En el experimento N° 1 se procedió a medir la temperatura antes y después de distintas

reacciones entre agua con NaOH, y posteriormente agua con Mg(NO3)2, en distintas

cantidades, para así relacionar la cantidad de masa con el cambio de temperatura que se

produce al juntarse estas sustancias.

En el experimento N° 2 se midió la conductividad eléctrica de distintas soluciones,

mediante electrodos conectados a una bombilla, la cual sirvió para indicar la

conductividad que se producía al mezclar dichas soluciones, al observar la luminosidad

producida.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS

1. Introducción ...................................................................................................... 3

1.1 Experimento N° 1 ....................................................................................... 3

1.2 Experimento N° 2 ....................................................................................... 3

1.3 Objetivo general ......................................................................................... 4

1.4 Objetivos específicos ................................................................................... 4

2. Revisión bibliográfica .......................................................................................... 5

2.1 Conceptos previos para el experimento N° 1 .................................................. 5

2.2 Conceptos previos para el experimento N° 2 .................................................. 6

3. Experimento N° 1 .............................................................................................. 8

3.1 Materiales ................................................................................................. 8

3.2 Reactivos .................................................................................................. 8

3.3 Metodología ............................................................................................... 9

3.4 Resultados ............................................................................................... 10

3.5 Discusiones sobre los resultados ................................................................ 11

4. Experimento N° 2 ............................................................................................ 13

4.1 Materiales ............................................................................................... 13

4.2 Reactivos ................................................................................................ 13

4.3 Metodología ............................................................................................. 14

4.4 Resultados ............................................................................................... 15

4.5 Discusiones sobre los resultados ................................................................ 16

5. Conclusiones ................................................................................................... 17

6. Bibliografía ...................................................................................................... 18

7. Anexos ........................................................................................................... 20

7.1 Experimento N° 1: Cálculos ....................................................................... 20

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1. INTRODUCCIÓN

En el presente informe se detallan dos experimentos realizados: en el primero se calcula

y evidencia el cambio de temperatura que provocan ciertas reacciones químicas, y en el

segundo la conductividad eléctrica de distintas soluciones.

1.1 EXPERIMENTO N° 1

Como bien sabemos existen distintos tipos de reacciones. En el primer experimento se

observaron las reacciones de tipo endo y exotérmicas. Lo que distingue a estas

básicamente es que pueden liberar o absorber energía en forma de calor de al

producirse.

Según dice la segunda ley de la termodinámica:

- Se pueden llevar a cabo las reacciones químicas de manera espontánea.

- Todo proceso de manera natural tiende a ir de un estado de mayor energía

potencial a uno de menor energía potencial. (conservación de la energía)

Entonces de acuerdo con esta ley, las reacciones que pueden ocurrir de manera

espontánea son aquellas en las que se libera energía, llamadas reacciones exotérmicas;

y en ellas, podría considerarse de cierta manera la energía como producto de la reacción.

En cuanto a las endotérmicas, la energía podría considerarse como reactivo, ya que es

una condición para que la reacción pueda llevarse a cabo; esta energía, en forma de

calor, es absorbida del ambiente.

1.2 EXPERIMENTO N° 2

La importancia de este experimento, en el cual se pone a prueba la conductividad

eléctrica de una solución, es comprobar la teoría de disociación electrolítica, para así

corroborar si las soluciones que generan iones o soluciones iónicas tienen la capacidad

de conducir la electricidad, y también de poder comprobar de que las soluciones no

iónicas (como agua destilada) no pueden conducir la electricidad.

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1.3 OBJETIVO GENERAL

Experimento N° 1:

Estudiar y estimar el calor producido o absorbido en algunas reacciones químicas.

Experimento N° 2:

Determinar la conductividad eléctrica de algunos solventes y soluciones.

1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Experimento N° 1:

➔ Evidenciar experimentalmente el cambio de temperatura al producirse ciertas

reacciones, ya sea una disminución o un aumento de esta.

➔ Saber utilizar la fórmula de calor ganado o cedido para así poder calcular el dato

requerido.

Experimento N° 2:

➔ Determinar la conductividad eléctrica de las siguientes soluciones: agua destilada,

ácido acético, sacarosa, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, hidróxido de amonio

y agua potable.

➔ Determinar si una solución es un electrolito o no.

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2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

Para comprender los siguientes experimentos es necesario conocer ciertos conceptos

básicos de química:

2.1 CONCEPTOS PREVIOS PARA EL EXPERIMENTO N° 1

A. Mol: Una mol es la cantidad de materia en 6,022 • 1023 partículas elementales

determinadas (ya sean átomos, moléculas, etcétera).

B. Calor: Es la energía que los cuerpos almacenan debido a la vibración de sus

moléculas. Este movimiento de moléculas se transfiera a otros cuerpos: el calor de

un cuerpo se traspasa a otro, hasta llegar a un punto de equilibrio entre ambos.

Para resumir, el calor es energía (cinética), que puede transmitirse. Para calcular

el calor ganado o perdido por el sistema en una reacción química, se usa la

siguiente fórmula.

En donde:

m agua = masa del agua (gramos)

C esp.agua = Calor específico del agua (cal/g°C)

∆𝑇 = 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = Cambio de temperatura a causa de la reacción (g°C)

Si esta fórmula da un valor positivo, entonces se gana calor. Si da negativo, se

pierde calor. Y en el caso de que de valor cero, indica que el calor se mantuvo.

C. Temperatura: Es la medida del calor. A mayor temperatura, mayor es el calor.

Para este informe, usaremos los grados centígrados (°C) como unidad de medida

de temperatura.

D. Calor específico: Es el calor necesario para elevar en 1°C la temperatura de una

sustancia, por unidad de masa (gramo).

E. Caloría: Es la unidad de medida del calor específico, y se denota Cal. Las calorías

representan la energía térmica necesaria para que un gramo de agua a 14,5°C

suba de temperatura a 15,5°C a presión normal.

F. Reacción exotérmica: Si se causa un aumento de la temperatura al producirse una

reacción química, esta es llamada exotérmica. En ella, se libera energía al

ambiente, en forma de calor. Esto se produce porque hay un exceso de energía:

se consume parte de la energía en transformar los reactivos en productos, y la

sobrante es manifestada como calor, y por ende, un aumento en la temperatura

del sistema.

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G. Reacción endotérmica: Si la reacción provoca una disminución de la temperatura,

es endotérmica. Esta absorbe energía (calor) del ambiente. No hay suficiente

energía para romper los enlaces de los reactivos para formar los productos, por lo

que se absorbe energía del ambiente, en forma de calor, y así se causa un

descenso en la temperatura del sistema.

H. Sistema: En química, sistema es un cuerpo o porción de él, con límites específicos,

en el que ocurre un suceso que se observa. Por ejemplo, puede ser un vaso con

una mezcla de dos sustancias que reaccionan.

2.2 CONCEPTOS PREVIOS PARA EL EXPERIMENTO N° 2

A. Conductividad eléctrica: La conductividad eléctrica es la capacidad de una

sustancia de conducir la electricidad, ya que esta sustancia posee iones positivos y

negativos que conducen la corriente. La cantidad conducida de electricidad

depende de la cantidad de iones que posee la sustancia.

B. Voltaje: Se define como la magnitud física con la que es posible medir la

diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos, en un aparato o sistema

eléctrico. De esta forma, el voltaje, que también es conocido como tensión o

diferencia de potencial, y es la presión que una fuente de suministro de energía

eléctrica o fuerza electromotriz ejerce sobre las cargas eléctricas o electrones en

un circuito eléctrico. En esta ocasión, mediremos el voltaje en milivoltios (mV).

C. Tester: Instrumento fundamental para la reparación de equipos electrónicos, ya

que permite verificar el estado de los componentes. y las tensiones a la que están

sometidos.

D. Concentración: En una disolución química, es la relación que hay entre soluto y

solvente, nos puede indicar sus proporciones relativas. La podemos medir en

molaridad (M), por ejemplo.

E. Ion: Es un átomo o molécula que no está en estado neutro, sino que posee un

número alterado de electrones. Si el número de electrones aumentó, es un anión

(carga negativa), y en otro caso, se denomina catión (carga positiva). Las

soluciones que poseen iones son capaces de conducir electricidad.

F. Electrolitos: Son partículas cargadas móviles, que permiten la formación de iones.

Y por tanto la conductividad de corriente eléctrica.

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G. Electrólisis: Se trata del movimiento de iones hacia los electrodos

correspondientes, por efecto de la electricidad. Así, los aniones se desplazarán

hacia el cátodo, y los cationes hacia el ánodo, debido a las fuerzas de atracción

entre cargas opuestas.

H. Teoría de Disociación Electrolítica: Establece que los electrolitos en una disolución

acuosa se disocian, produciendo iones positivos e iones negativos. Estos iones son

los responsables de que la solución sea conductora de electricidad.

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3. EXPERIMENTO N° 1

3.1 MATERIALES

● Pinza metálica.

● Soporte universal.

● Vasos térmicos (de poliestireno expandido, o “plumavit”).

● Termómetro.

● Probetas.

● Bagueta.

● Balanza sensible.

3.2 REACTIVOS

● Agua destilada (H2O)

● Nitrato de magnesio (Mg(NO3)2).

● Hidróxido de sodio (NaOH)

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3.3 METODOLOGÍA

1.- Se colocó en dos vasos térmicos 100 ml agua destilada en cada uno.

2.- Se midió la temperatura inicial del agua de cada vaso con el termómetro. Luego se

anotó.

3.- Una vez que se realizó esto, se agregó cuidadosamente 3,02 g de NaOH al primer

vaso, y se mezcló continuamente con la bagueta. Anotamos el cambio de

temperatura que se observó. Se repitió exactamente el mismo procedimiento con el

otro vaso adicionando 3 g de Mg(NO3)2.

4.- Luego se agregó 7,2 g de NaOH al primer vaso térmico, y se mezcló hasta que se

disolvió. Anotamos el cambio de temperatura que se presentó. Se añadió 7,2 g de

Mg(NO3)2 al segundo vaso y se registró los cambios.

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3.4 RESULTADOS

Para facilitar la comprensión de los resultados obtenidos de este experimento, se

dividirán los datos de ambos vasos, que llamaremos Vaso A y Vaso B.

Masa de agua en cada vaso: 84g

Calor específico del agua: 1 𝑐𝑎𝑙

𝑔°𝐶

Vaso A:

➔ 3,02 gramos de NaOH:

◆ Temperatura inicial del agua (Ti): 22°C

◆ Temperatura final del agua (Tf): 28°C

◆ Cambio de temperatura (∆T): 6°C

➔ 7,2 gramos de NaOH:

◆ Temperatura inicial del agua (Ti): 28°C

◆ Temperatura final del agua (Tf): 43°C

◆ Cambio de temperatura (∆T): 15°C

Vaso B:

➔ 3 gramos de Mg(NO3)2:

◆ Temperatura inicial del agua (Ti): 22°C

◆ Temperatura final del agua (Tf): 20,5°C

◆ Cambio de temperatura (∆T): 1,5°C

➔ 7,04 gramos de Mg(NO3)2:

◆ Temperatura inicial del agua (Ti): 20,5°C

◆ Temperatura final del agua (Tf): 18,5°C

◆ Cambio de temperatura (∆T): 2°C

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3.5 DISCUSIONES SOBRE LOS RESULTADOS

Se evidenció que, al haber más cantidad del reactivo que provoca que una reacción sea

endotérmica o exotérmica, mayor era el cambio de temperatura. Esto se debe a que, la

cantidad de reactivo y el cambio de temperatura son directamente proporcionales, por lo

que si uno aumenta el otro también lo hará.

Al mezclar NaOH con agua destilada se puede observar que esta solución es exotérmica,

debido a que la reacción del Hidróxido de sodio con agua libera 𝑁𝑎+ y 𝑂𝐻− en forma de

calor, aumentando la temperatura del sistema. Y por lo tanto al agregar más NaOH

aumenta más la temperatura, ya que desprende más 𝑁𝑎+ y 𝑂𝐻−.

Al mezclar Mg(NO3)2 con agua destilada se produce una reacción endotérmica, ya que

para que esta sustancia se disocie en 𝑀𝑔2+ y en 𝑁𝑂3−, se necesita energía que es

absorbida del ambiente en forma de calor.

Entonces, haciendo los cálculos necesarios, obtenemos lo siguiente:

Vaso A:

➔ 3,02 gramos de NaOH:

Calor ganado por el sistema: 504 cal

➔ 7,2 gramos de NaOH:

Calor ganado por el sistema: 1260 cal

Vaso B:

➔ 3 gramos de Mg(NO3)2:

Calor perdido por el sistema: 126 cal

➔ 7,2 gramos de Mg(NO3)2:

Calor perdido por el sistema: 168 cal

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Vaso A:

Al mezclar 84 gramos de H2O con 3,02 gramos de NaOH notamos que hubo un aumento

significativo de la temperatura (en 6°C). Esto se debe a que la reacción entre estas dos

sustancias es de tipo exotérmica por lo que terminó calentando de esta manera el

sistema. Luego de agregar el doble de soluto (NaOH), hubo un brusco cambio de

temperatura (15°C), de más del doble que con 3,02 gramos.

Vaso B:

Similarmente con lo sucedido en el vaso B, se midió el cambio de temperatura al diluir

en agua dos masas distintas (3 y 7,2 gramos) de la misma sustancia (Mg(NO3)2). Muy

similar al caso anterior, cuando se agregó 3 gramos de soluto al sistema, su temperatura

mermó en 1,5°C. Y cuando se agregó el doble de soluto (7,2 gramos) la temperatura

disminuyó en 2°C. Sabemos que teóricamente, según la fórmula, debió disminuir en 3°C

pero hay muchas variables dentro del laboratorio que es casi imposible para nosotros

poder controlarlo, he ahí el margen de error que se nos presentó.

Analizando todo lo anterior, se concluye que la masa del soluto, el cambio de

temperatura y el calor ganado (si es exotérmica) o perdido (si es endotérmica) por el

sistema son directamente proporcionales.

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4. EXPERIMENTO N° 2

4.1 MATERIALES

● Vaso precipitado 500 mL

● Probeta de 250 mL Espátula

● Bagueta

● Sistema de conductividad

● Tester

4.2 REACTIVOS

● Agua destilada

● Agua potable

● Ácido acético (HAc)

● Sacarosa (C12H22O11)

● Cloruro de sodio (NaCl)

● Hidróxido de sodio (NaOH)

● Hidróxido de amonio (NH4OH)

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4.3 METODOLOGÍA

1. A la probeta de 250 ml, agregamos 150 ml de agua destilada y verificamos la

conductividad eléctrica empleando el sistema de conductividad que se nos facilitó en el

laboratorio. Después introducimos los electrodos en el vaso precipitado, conectamos el

enchufe y luego encendimos el interruptor, anotamos los resultados, apagamos el

interruptor y retiramos los electrodos del vaso.

2. Adicionamos 150 ml de agua potable a un vaso de 250 ml y verificamos la

conductividad eléctrica usando el tester eléctrico según como lo hicimos en el paso 1.

3. Adicionamos 150 ml de agua destilada con una punta de espátula de sacarosa

agregada, en el agua destilada, en un vaso de 250 ml, y verificamos la conductividad

eléctrica de la solución.

4. Repetimos el paso Nº 3, pero reemplazamos la sacarosa por cloruro de sodio.

5. Verificamos la conductividad eléctrica de las siguientes soluciones de concentración

0.1 molar:

a) HCl b) NaOH c) HAc

6. Anotamos los resultados dados en cada caso.

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4.4 RESULTADOS

Agua destilada:

- En este caso, cuando prendimos el sistema de conductividad, no pasó

absolutamente nada, es decir, la luz no se prendió.

Ácido Acético:

- Cuando prendimos el sistema de conductividad, pudimos apreciar que la luz del

sistema se prendía intensamente y el voltaje que logramos medir era de 28,4 mV.

Sacarosa:

- Con este reactivo no se logró apreciar luz en el sistema, es decir, esta permaneció

apagada.

NaCl:

- Cuando utilizamos este reactivo y prendimos el sistema de conductividad, se pudo

prender la luz con gran intensidad y pudimos medir 34,1 mV en el sistema.

NaOH:

- Se logró encender la luz y medimos 13,4 mV en el sistema.

NH4OH:

- Se pudo prender la luz de manera intensa, en cuanto prendimos el sistema de

conductividad utilizando esta solución. El voltaje medido en el sistema fue de 27,4

mV.

Agua potable:

- Se prende la luz con una pequeña intensidad. El voltaje medido fue de 24,9 mV.

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4.5 DISCUSIONES SOBRE LOS RESULTADOS

Con los resultados dados, se puede determinar si el reactivo es un electrolito o no es un

electrolito, usando la Teoría de Disociación Electrolítica. Luego se puede inferir lo

siguiente:

- El agua destilada y la sacarosa no son electrolitos, ya que no conducen nada la

electricidad al no prenderse la bombilla. También, junto con esto, se puede saber

que las soluciones no son compuestos iónicos, ya que no generan iones.

- En el caso del NaCl se puede deducir que es un electrolito fuerte, ya que es un

gran conductor de la electricidad al prender la bombilla con mayor intensidad que

las demás.

- El ácido acético y el NH4OH son electrolitos “medios” ya que no conducen

fuertemente la electricidad, pero tampoco débilmente.

- Y por último el NaOH y el agua potable son electrolitos débiles, ya que conducen

la electricidad y prenden la bombilla, pero con baja intensidad.

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5. CONCLUSIONES

Podemos concluir en el experimento N° 1 que, en una reacción, si uno de los reactivos

causa que se produzca un cambio de temperatura, al agregar más cantidad de esta

sustancia, el efecto que provoca aumenta, y el cambio de temperatura se incrementa, y

por ende, el cambio de calor también es proporcional.

Con respecto al experimento N° 2, podemos concluir que las soluciones que presentan

compuestos iónicos sí son capaces de conducir la electricidad, gracias a que se comprobó

la teoría de la disociación electrolítica. En cambio, aquellas sustancias que no son

iónicas, no poseen esta capacidad de conducir la electricidad al no poseer iones.

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6. BIBLIOGRAFÍA

Full Química

↳ (http://www.fullquimica.com/2010/09/sistema-quimico.html) Definición y

características de un sistema químico. Hyper Physics

↳ (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/spht.html) Definición y

cálculo del calor específico.

DefiniciónABC

↳ (https://www.definicionabc.com/salud/caloria.php) Definición de caloría.

Profesor en línea

↳ (http://www.profesorenlinea.cl/Quimica/Mol_Avogadro.html) Definición de mol.

↳ (http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Calor_y_Temperatura.htm) Definición de

calor y temperatura.

De Conceptos

↳ (http://deconceptos.com/ciencias-naturales/calor) Definición de calor.

La guía 2000 química

↳ (http://quimica.laguia2000.com/elementos-quimicos/electrolito) Definición de

electrolitos.

IngenieríaEléctrica.org

↳ (https://ingenieriaelectronica.org/que-es-voltaje-definicion-y-caracteristicas/)

Definición de voltaje.

Equipos y Laboratorio ↳ (http://www.equiposylaboratorio.com/sitio/contenidos_mo.php?it=3020)

Definición de concentración y solubilidad.

Blog informática

↳ (http://karla-2b-telebach56.blogspot.cl/2012/03/que-es-ion-anion-y-cation.html)

Definición de ion, anión y catión.

Scribd

↳ (https://es.scribd.com/document/69596116/Definicion-de-Tester) Definición de

tester.

Edured

↳ (https://www.ecured.cu/Conductividad_el%C3%A9ctrica) Definición y

características de la conductividad eléctrica. Educarchile

↳ (http://www.educarchile.cl/ech/pro/app/detalle?ID=215744) Definición de

conductividad en disoluciones químicas.

19

Cibertareas

↳ (https://cibertareas.info/reacciones-exotermicas-y-endotermicas-biologia-1.html)

Definición y características de las reacciones exotérmicas y endotérmicas.

PDF extracto del libro General Chemistry, por Raymond Chang Overby (Chapter 4, Reactions in Aqueous Solutions, página 66) (http://www2.sunysuffolk.edu/joshiv/handouts/HWs/Chang_Overby_HW_Ans/Chang_Ov

erby_CH-4_HW.pdf)

Libro Química de Chang 10a Edición, por Raymond Chang Overby, editorial Mc. Graw Hill, año 2010. (Página 54) Definición y características de los iones.

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7. ANEXOS

7.1 EXPERIMENTO N° 1: CÁLCULOS

Aplicando fórmula en el cálculo de calor generado en el experimento 1:

VASO A:

➔ 3,02 gramos de NaOH:

84g • 1cal/g°C • 6°C = 504 cal

➔ 7,2 gramos de NaOH:

84g • 1cal/g°C • 15°C = 1260 cal

VASO B:

➔ 3 gramos de Mg(NO3)2:

84g • 1cal/g°C • 1,5°C = 126 cal

➔ 7,04 gramos de Mg(NO3)2:

84g • 1cal/g°C • 2°C = 168 cal