cesire.cat.mialias.netcesire.cat.mialias.net/recursos/context/quimica/RMT v1.0/RMT2.pdf · La...

____________________________________Centre de Documentació i Experimentació en ciències

Recursos del mar i de la terra 1 Química en context

RTM2

pàg.

Usos de la sal

Sal a les carreters. La conservació dels aliments. Els anticongelants. Els gelats. Les mescles frigorífiques.

Propietats col·ligatives: augment ebulloscòpic, descens crioscòpic, osmosi. Congelació de les mescles. Diferències entre mescles i substàncies pures.

RMT 2.1

(CC)

5 Què tenen en comú? Usos de la sal. Descens crioscòpic.

La sal com a conservant d’aliments.

RMT 2.2

(TP)

9 L’aigua destil·lada i l’aigua del mar, bullen a la mateixa temperatura?

Augment ebulloscòpic

RMT 2.3

(TP)

11 Com prepararíeu un glaçó salat? Solidificació mescles

RMT 2.4

(TP)

12 Fem gelats Descens crioscòpic. Mescles frigorífiques.

Concentració solucions.

RMT 2.5

(TP)

16 Síntesi-Conceptes. Què he après?



RMT 2.1 Què tenen en comú? pàg. 5

RMT 2.2 L’aigua destil·lada i l’aigua del mar bullen a la mateixa temperatura? pàg. 9



RMT 2.3 Com prepararíeu un glaçó salat? pàg. 11

RMT 2.4 Fem gelat pàg.12



RMT 2.5 Síntesi-Conceptes. Què he après? pàg.16



RMT 2.1 Què tenen en comú?

A continuació teniu tres fotografies on es presenta una situació real.

Feu 3 grups, cada grup descriu una fotografia i discuteix la resposta a la pregunta proposada.

Foto 1. Andorra la Vella, 20 de gener de 2012, -4ºC.

Per què tiren sal a les carreteres?

Foto 2. L’Antàrtida, 20 de gener de 2012, -10ºC.

Per què no es congela l’aigua del mar?



Foto 3. Badajoz, 20 de gener de 2012, 15ºC. (http://img.mujeresconestilo.com/wp-content/uploads/2011/06/jamón-ibérico-de-bellota-2.jpg)

Per què no es podreix la carn del pernil?

A continuació cada grup comentarà la seva foto a la resta (descripció general, pregunta i possible resposta). Penseu en el vostres coneixements de química. Quina relació creieu que hi ha entre les quatre situacions, a part de la data?



En química, s'anomenen propietats col·ligatives a les propietats d'una solució que depenen de la proporció de molècules o partícules de solut dissoltes, i no de la naturalesa o tipus de solut.

Hi ha propietats de les solucions que són notablement diferents entre sí i de les del dissolvent, com ara densitat, viscositat, tensió superficial, conductivitat elèctrica, conductivitat tèrmica, índex de refracció, etc. En aquest cas, la magnitud observada depèn de la naturalesa del solut. D'altres propietats no tenen una dependència important respecte de la naturalesa del solut, són molt semblants entre sí i a les del dissolvent, són les propietats col·ligatives. Aquestes propietats són quatre:

Descens de la pressió de vapor

Descens crioscòpic

Augment ebullioscòpic

Pressió osmòtica

El químic francès François Marie Raoult estudià les propietats col·ligatives de les solucions amb diversos dissolvents, com aigua, benzè i àcid acètic, i publicà els seus resultats el 1882 i el 1887. En el primer treball va estudiar el descens crioscòpic i en el segon explicà el descens de la pressió de vapor de les solucions i l'augment ebullioscòpic. Amb aquestes investigacions, Raoult posà a l'abast dels químics dos nous mètodes analítics de determinació de masses moleculars de substàncies dissoltes, per descens crioscòpic i per augment ebullioscòpic.

La temperatura a la qual congela una solució disminueix respecte a la temperatura de congelació de l’aigua pura proporcionalment a la quantitat de solut dissolta (de fet, és proporcional a la concentració en mol de solut per quilo de dissolvent). Aquesta propietat s’anomena “descens crioscòpic”. Per tant, si l’aigua que pot cobrir el ferm de la carretera, congela a 0ºC, en afegir

sal es formarà una solució, de tal manera que per congelar-se i formar una capa de gel a la carretera, haurà de fer més fred.

Per justificar aquest descens crioscòpic s’ha de tenir en compte les forces intermoleculars entre

les molècules d’aigua i els ions dels soluts. Els líquids estan formats per partícules en un estat de desordre relatiu i en moviment constant i els sòlids, en canvi, són un estat més ordenat. La disminució de moviment, és a dir, d’energia cinètica, afecta a les molècules de solut i a la

creació d’un ordre on intervenen també les partícules que formen el solut. Per tant cal “extreure”

més energia del sistema per congelar-se.

És un fet molt interessant que els soluts moleculars com la sacarosa, la glicerina... etc, rebaixen la temperatura de congelació de l’aigua en 1,86ºC per cada mol de solut dissolt en un quilo d’aigua. En canvi els soluts iònics com NaCl o KCl produeixen un descens crioscòpic doble. Durant mols anys això va quedar com un fet inexplicable fins que es va caure en el detall que aquests soluts, en dissoldre’s en aigua, per cada mol de solut, apareixen dos mols d’ions:

NaCl (s) Na+(aq) + Cl-(aq)

1 mol de solut dos mol d’ions en solució

Aquest fet junt amb la conductivitat de les solucions dels electròlits va portar al químic suec Svante Arrhenius a establir la teoria iònica de les solucions.

La magnitud de l'ascens ebullioscòpic, ∆Tc, ve donada per la diferència de temperatures de congelació (de fusió) del dissolvent pur i de la solució, Tf

* i Tf, respectivament:

Figura 1. Francois Marie Raoult, Químic francès (Fournes,1830 – Grenoble, 1901)



∆Tc = Tf* – Tf

Raoult, com hem comentat, arribà de forma experimental a la següent relació pel cas del descens crioscòpic de solucions diluïdes amb soluts que no es dissocien (no electròlits), que s'anomena llei de Raoult de descens crioscòpic.

∆Tc = kf · m on:

ΔTc és la diferència entre la temperatura de fusió del dissolvent pur i la temperatura de fusió de la solució.

kf és la constant crioscòpica, una constant que és característica del dissolvent.

m és la molalitat del solut, és a dir els mols de solut per quilogram de dissolvent. La concentració s'expressa en molalitat perquè és més pràctic a l'hora de realitzar mesures, encara que per a ser precisos s'hauria d'expressar en funció de la fracció molar com ho demostrà Raoult.

A la figura adjunta es representa el descens crioscòpic experimentat per una solució aquosa d'etanol en funció de la molalitat on s'observa la corba experimental en vermell i la recta que surt aplicant l'equació de Raoult (en blau) i que, pel cas de l'etanol, és vàlida fins a concentracions de 3 molal, aproximadament.

Quan una solució es posa en contacte amb el dissolvent pur a través d'una membrana semipermeable que deixa passar les molècules de dissolvent però no les de solut, les molècules de dissolvent que es troben en major concentració en el dissolvent pur, es difonen cap a la solució, on la seva concentració és més petita. Es pot arribar a una situació d'equilibri contrarestant aquesta tendència mitjançant l'aplicació d'una certa força sobre la solució, augmentant la pressió (aplicació de força en una determinada àrea), el que es coneix com pressió osmòtica de la solució i es representa amb la lletra grega π. Més endavant en farem un

estudi qualitatiu d’aquesta propietat.

Figura 3. Descens crioscòpic d'una solució aquosa d'etanol.

Figura 2. Representació de la pressió osmòtica.



RMT 2.2 L’aigua destil·lada i l’aigua del mar, bullen a la mateixa temperatura?

Penseu en la pregunta del títol i realitzeu una recerca per a trobar-ne la resposta. Podeu seguir les següents indicacions:

1) Plantegeu una hipòtesi raonada. No passa res si no l’encerteu al final.

2) Dissenyeu un procediment experimental que comprovi la vostra hipòtesi: material, productes químics, seqüència de passos, muntatges, etc

3) Un cop realitzat l’experiment, anoteu els resultats i comproveu si era vàlida la vostra hipòtesi. Redacteu-ho en forma de conclusió.

Ara cal explicar aquest resultat experimental fent servir un teoria i/o o un model teòric. En aquest cas farem servir la teoria cinèticomolecular aplicada a les solucions. La següent imatge ens ha de servir:

Figura 4. Representació de la dissolució del NaCl en aigua.

Redacteu un text que expliqui el resultat experimental fent servir el model teòric que representa el dibuix. Podeu fer servir les següents preguntes com a guia:

1) Què ens aporta la teoria cinèticomolecular en el cas de les solucions?

2) Què els passa a les partícules de l’aigua destil·lada quan bull?

3) Com estan els ions en solució?

4) Quines interaccions hi ha?



S’anomena augment o ascens ebullioscòpic a l'augment de la temperatura d'ebullició que experimenta una solució respecte de la temperatura d'ebullició del dissolvent pur.

La magnitud de l'ascens ebullioscòpic, ∆Tb, ve donada per la diferència de temperatures d'ebullició de la solució i del dissolvent pur, Tb i Tb

*, respectivament:

∆Tb = Tb - Tb*

L'augment o ascens ebullioscòpic és una de les propietats col·ligatives i, com la resta d'aquestes propietats, la magnitud de l'ascens només depèn de la naturalesa del dissolvent i de la quantitat dissolta de solut, és a dir, és independent de la naturalesa del solut. Dit en altres paraules, qualsevol solut, en la mateixa quantitat, produeix el mateix efecte. A la figura adjunta es representa el diagrama de fases de l'aigua. Una solució aquosa experimenta un descens de la pressió de vapor del líquid, la qual cosa es tradueix en un ascens de la temperatura d'ebullició ja que es necessita més temperatura perquè la pressió de vapor del dissolvent a la solució iguali la pressió atmosfèrica.

Raoult de forma experimental arribà a la següent relació pel cas de l'ascens ebullioscòpic de solucions diluïdes amb soluts que no es dissocien (no electròlits), que s'anomena llei de Raoult de l'augment ebullioscòpic.

∆Tb = kb · m on:

ΔTb és la diferència entre la temperatura d'ebullició de la solució i la temperatura d'ebullició del dissolvent pur .

kb és la constant ebullioscòpica, una constant que és característica del dissolvent.

m és la molalitat del solut, és a dir els mols de solut per quilogram de dissolvent. La concentració s'expressa en molalitat perquè és més pràctic a l'hora de realitzar mesures, encara que per a ser precisos s'hauria d'expressar en funció de la fracció molar com ho demostrà Raoult.

A la figura adjunta hi ha representats els augments ebullioscòpics de solucions de glucosa en aigua fins a 6 molal. S'observa que fins a una concentració 2 molal l'equació de Raoult concorda amb les dades experimentals, però s'allunya per a concentracions superiors.

Figura 5. Diagrama de fases de l'aigua amb el descens de la pressió de vapor i el descens crioscòpic.

Figura 6.Gràfic de l'ascens ebullioscòpic de dissolucions de D-glucosa.



RMT 2.3. Com prepararíeu un glaçó salat?

Expliqueu com preparar glaçons amb gust salat a casa vostra.

- Material necessari

- Productes químics

- Procediment experimental

Realitzeu l’experiment al vostre congelador.

A continuació us proposem que:

1) Tasteu el gust dels glaçons per la part de dalt (podeu passar-hi el dit i portar-lo a la boca) ? Estan salats?

2) Examineu un glaçó per tots els costats. Què observeu?

3) Expliqueu què ha passat durant la solidificació.

Podeu ampliar la informació consultant la següent adreça: http://www.angel.qui.ub.es/mans/Documents/Textos/glacons410-NPQ.pdf

http://www.angel.qui.ub.es/mans/Documents/Textos/glacons410-NPQ.pdf



RMT 2.4 Fem gelats

Anys enrere es feien gelats quan encara no hi havia ni neveres ni congeladors a les cases...

Tot i que sovint s’utilitza el terme gelat de manera genèrica, no

és exactament el mateix la crema de gelat, els sorbets, o els anomenats “polo”. Els gelats “crema de gelat” estan fets amb

preparats que contenen llet, sovint enriquida amb crema de llet, a la s’acostuma a afegir ou, sucre i algun aromatitzant (o suc de

fruita). El sorbet no conté pràcticament matèria grassa ni proteica i conté majoritàriament un suc de fruita i sucre. Els “polos”

contenen els mateixos ingredients que els sorbets però tenen major consistència per tal que es sostinguin enganxats en un pal.

Us proposem fer un “polo de taronja” per ajudar-vos a aprendre propietats de les mescles i el seu punt de congelació.

Com podríeu fer un “polo de taronja” sense utilitzar congelador?

En la preparació d’un gelat intervenen, al menys, dos sistemes físics: el sistema per refredar i la

mescla que es vol transformar en gelat. El fet que el que volem gelar no sigui només aigua, modificarà la temperatura de congelació? Per què?

En concret, discutiu en petit grup amb què refredaríeu la barreja de suc de taronja i sucre per poder aconseguir que solidifiqui. Raoneu la vostra proposta i anoteu-la abans de fer una posada en comú amb la resta de grups i el/la professor/a.

Ens interessa investigar les temperatures que s’assoleixen dins el sistema que emprem per

refredar i dins la mescla que volem transformar en gelat, per aquest motiu no ens limitarem només a fer el gelat sinó a mesurar les temperatures per fer-ne un seguiment.

Aquest seguiment el podeu fer amb termòmetres d’alcohol de baixa temperatura, però en el cas

que el professor/a us ho indiqui, podeu utilitzar un sistema de captació de dades emprant sensors de baixa temperatura.

Farem servir la següent recepta per preparar el gelat (per a tota la classe):

Recepta del “polo de taronja”

Ingredients:

200 mL de suc de taronja envasat

100 mL d'aigua

65 g de sucre

Preparació de la mescla a gelar:

Mesureu els volums d’aigua i de suc de

taronja i la massa del sucre. En un recipient de 500 mL introduïu l’aigua i afegiu de mica en mica el sucre i agiteu amb una vareta. Aboqueu el suc de taronja sobre la solució d’aigua i sucre i continueu agitant.



Utilitzant la mateixa solució a gelar, investigarem possibles diferències en la temperatura i el temps quan s’utilitzen diferents sistemes per refredar. Cada grup compararà dos sistemes

frigorífics diferents (p.ex gel i una mescla de gel i sal) i entre tota la classe obtindreu dades de la utilització de diversos sistemes frigorífics.

Disposeu del següent material:

Gradeta, tubs d’assaig, termòmetres de baixa temperatura, cronòmetres, recipient per a contenir

el sistema de refredament, pals de gelat, gel, sal, mescla a gelar.

Com preparareu els sistemes frigorífics? Quines variables haureu de controlar?

Cada grup ha d’enregistrar dades de temperatura i de temps en dos experiments utilitzant dos

sistemes frigorífics diferents. En l’experiment on espereu temperatures més baixes del sistema

frigorífic podeu posar alguns tubs d’assaigs en els quals s’introdueixi un pal de gelat en lloc del

termòmetre per poder preparar “polos” de taronja que podreu menjar.

Anoteu en una taula les temperatures del sistema frigorífic i de la mescla a gelar fent mesures a diferents intervals de temps.

Quin sistema frigorífic ha funcionat millor? Per què?

Què entenem per mescla frigorífica?

Amb quina mescla s’ha obtingut la temperatura més baixa?

Busqueu informació sobre les mescles frigorífiques i quina és la composició òptima de la mescla frigorífica de gel amb sal?

Expliqueu en base al model de la teoria atòmico-molecular de la matèria:

a) La diferència entre el punt de congelació de l’aigua i la mescla frigorífica d’aigua amb sal.

b) Com influiria la composició de la mescla a gelar en el punt de congelació de les substàncies i de les mescles?



Per fer a casa: Fabriqueu el vostre gelat sense congelador!

Necessiteu: - dues bosses de plàstic que tanquin hermèticament, com les usades per guardar congelats (anomenades zidar), una gran d’uns 27x28 cm; l’altre més petita, d’uns 18x20 cm - gel picat (0,5 kg aproximadament) i sal de cuina (uns 250 g) - ingredients per fer el gelat: ½ tassa de llet( 60 g); ½ tassa de nata (40 g) ; ¼ de tassa de sucre (30 g) i ¼ de tassa de fruita perfectament triturada (30 g) Procediment Feu sevir únicament bosses noves per posar-hi els ingredients. Poseu dins la bossa de plàstic petita els ingredients per fer el gelat. Tanqueu la bossa i remeneu. Ompliu la bossa gran amb el gel picat i la sal de cuina. Poseu la bossa petita dins la gran. Tanqueu la bossa gran. Aneu en compte en tocar la bossa amb la mescla crioscòpica, la temperatura és d’uns 20ºC sota zero. Convé embolicar-la amb un drap de cuina.

Cada 3 o 4 minuts aproximadament, sacsegeu les bosses suaument. Aneu en compte amb la temperatura tan baixa..

Repetiu la sacsejada cada 3 o 4 minuts durant uns 20 minuts. Comprovareu com la mescla d’ingredients agafa consistència.

Un cop fet el gelat podeu afegir, trossets de xocolata, ametlles picades, melmelada de maduixa...

Observacions Es poden utilitzar glaçons del congelador de casa, es trituren una mica (si no teniu trituradora, s’emboliquen amb un drap de cuina net i es colpegen contra una taula).

La temperatura inicial del glaçons (entre -18ºC i -20ºC, segons el congelador on es trobin) baixarà a uns -25ºC en barrejar-hi la sal, per això cal evitar posar els dits en contacte directe amb la mescla frigorífica.

Uns 30 minuts més tard, (en un dia d’estiu amb temperatura ambient de 28ºC), la mescla estava a -11º C i el gelat mantenia la seva consistència durant uns 10 minuts, a una temperatura entre -7ºC i -5ºC.

Abans d’obrir la bossa petita amb el gelat, elimineu la sal que hi queda adherida per fora.

Ingredients:

½ tassa de llet ½ tassa de

nata

¼ tassa de

sucre

¼ de tassa de

fruita triturada

(plàtan)



La bossa amb el gel picat i la sal El gelat ja està fet !

i servit ! - Com explicaríeu a la vostra família les raons per les quals s’ha d’utilitzar una mescla

frigorífica de gel i sal per poder obtenir el gelat?



RMT 2.5 Síntesi - Conceptes. Què he aprés?

En aquest apartat hem caracteritzat dues propietats col·ligatives de les solucions i la seva interpretació mitjançant el model cinèticocorpuscular, el “descens crioscòpic” i l’“augment ebulloscòpic”. A continuació teniu uns exercicis per consolidar les idees treballades.

Exercicis i qüestions

1. Si s’afegeix sal a l’aigua destil·lada s’impedeix que encara que la temperatura baixi uns

quants graus sota zero, no hi hagi congelació, per cada 58,5 g de Na Cl dissolts en 1 litre d’aigua, la temperatura de congelació disminueix en 3,7ºC. Calculeu quina serà la

temperatura de congelació de 20 litres d’aigua quan s’afegeixin 2 kg de sal. Resp: - 6,3 ºC

2. Un anticongelant és una substància que s’afegeix a un líquid per rebaixar-li el punt de congelació, aprofitant el fenomen del descens crioscòpic. Els anticongelants més emprats són alguns alcohols (metanol, etanol, glicerol, propilenglicol) i el clorur de calci. L'ús més estès dels anticongelants és per a evitar la congelació de l'aigua en circuits exposats a baixes temperatures. Així l'anticongelant més emprat és l'etilenglicol, però és tòxic, per la qual cosa només s'empra en circuits de refredament dels motors de combustió interna exposats a baixes temperatures. En canvi el propilenglicol no és tòxic i s'empra en el sistemes d'obtenció d'aigua calenta domèstica, com ara els panells solars, i no hi ha perill si es produeixen fuites que passin a l'aigua calenta sanitària.

Expliqueu a partir de les forces intermoleculars a que és degut el descens crioscòpic de l’aigua en l’utilitzar un anticongelant.

Figura 1. Panells solars per a producció d'aigua calenta. Incorporen propilenglicol en el circuit primari per evitar la congelació.

3. Expliqueu com pot ser que els soluts moleculars com la sacarosa, la glicerina... etc, rebaixin la temperatura de congelació de l’aigua en 1,86ºC per cada mol de solut dissolt

en un quilo d’aigua, i en canvi els soluts iònics com NaCl o KCl produeixen un descens crioscòpic doble.

cesire.cat.mialias.netcesire.cat.mialias.net/recursos/context/quimica/RMT v1.0/RMT2.pdf · La...

Documents

Transcript of cesire.cat.mialias.netcesire.cat.mialias.net/recursos/context/quimica/RMT v1.0/RMT2.pdf · La...