Fisicoquímica Experimental Contenido PDF

Preview

Summary

Fisicoquímica Experimental Tomás Montiel Santillán Sergio Miguel Durón Torres Virginia Flores Morales José García Elías 1 Contenido I.- Proemio 3 II.- Presentación 6 II.1 Medidas básicas de seguridad 8 II.2 Reglamento interno del laboratorio 13 II.3 Forma de trabajo y propuesta de evaluación 16 III....

Description

Fisicoquímica Experimental Tomás Montiel Santillán Sergio Miguel Durón Torres Virginia Flores Morales José García Elías

1

Contenido

I.- Proemio

3

II.- Presentación

6

II.1 Medidas básicas de seguridad

8

II.2 Reglamento interno del laboratorio

13

II.3 Forma de trabajo y propuesta de evaluación

16

III. Prácticas

19

P.1.

Reporte de laboratorio

20

P.2.

El laboratorio de fisicoquímica

24

P.3.

Mediciones

30

P.4.

Concentración de soluciones acuosas

37

P.5.

Propiedades fisicoquímicas A

44

P.6.

Propiedades fisicoquímicas B

57

P.7.

El modelo del gas ideal y los procesos politrópicos

66

P.8.

Primera ley de la termodinámica

77

P.9.

Cambios de entalpía en procesos físicos y químicos

85

P.10.

Aplicación de la ley de Hess

95

P.11.

Máquinas térmicas

IV. Apéndice La bitácora y el prelaboratorio

102

107 108

2

I. Proemio Al elaborar este libro, los autores hemos considerado la inclusión de experimentos que puedan ser realizados en cualquier laboratorio de fisicoquímica que cuente con una infraestructura básica. Así, los tópicos abarcan lo que normalmente se cubre en un curso teórico inicial de esta materia; es decir, sistemas de unidades, el estado gaseoso y las leyes de la termodinámica.

El libro inicia con una presentación formal del curso y de los responsables de impartirlo. En seguida, se hace la descripción de las principales medidas de seguridad que se deben de cumplir cuando se trabaja en cualquier laboratorio. Posteriormente, se proporciona un reglamento de trabajo y se presenta una propuesta de evaluación del curso práctico. A continuación, se suministran los once experimentos que cubren el curso, los cuales se pueden desarrollar en un semestre.

La primera experiencia se aboca a la redacción de los informes de trabajo. A juicio nuestro, en los últimos años hemos observado un detrimento en las habilidades redactoras de los estudiantes. En particular, hemos notado una creciente dificultad para expresar por escrito los resultados obtenidos en el laboratorio y la disertación sobre los mismos. Por ello, hemos incluido un experimento en el cual se aborda este tema.

La segunda práctica tiene que ver con el laboratorio mismo. Consideramos indispensable que el alumno conozca la distribución del espacio físico en el cual va a desarrollar sus actividades y las principales normas de seguridad que se deben seguir. Al mismo tiempo, en esta sesión se proporcionan pautas generales sobre manejo adecuado de materiales, reactivos y equipo. La práctica está destinada a que el alumno aproveche al máximo los recursos materiales y de infraestructura con los que cuenta el laboratorio.

La tercera experiencia se dedica a la recopilación, la organización y la interpretación de datos experimentales. Se hace énfasis en cómo efectuar mediciones de manera correcta, utilizando los instrumentos adecuados de acuerdo a la precisión deseada. Para el procesamiento de la información se incentiva el uso de los métodos estadísticos y del

3

concepto de cifras significativas. El siguiente experimento aborda una de las técnicas más utilizadas para determinar la concentración de soluciones acuosas: la titulación volumétrica.

Las siguientes dos prácticas están dedicadas a la determinación de algunas de las propiedades fundamentales en los estudios fisicoquímicos. En estos experimentos, dichas variables son evaluadas, tanto por métodos directos como indirectos. A continuación, se presenta una experiencia en donde se estudia el comportamiento de un gas sometido a diferentes condiciones de trabajo y a partir de este estudio se deducen las ecuaciones que gobiernan cada caso.

El experimento que le sigue tiene que ver con el principio de conservación de la energía a través de la primera ley de la termodinámica. En las dos prácticas subsecuentes se aborda el concepto de entalpía y su evaluación, tanto para procesos físicos como químicos. En este último caso, a través de la determinación del calor de reacción ya sea de manera directa o indirecta utilizando la ley de Hess. La última experiencia se avoca a la introducción de la segunda ley de la termodinámica y el concepto de entropía, a través del estudio de la eficiencia de una máquina térmica. En esta última sesión, el alumno deberá presentar un prototipo de una máquina térmica o de un refrigerador.

Las prácticas propuestas y los experimentos que las conforman fueron seleccionados, implementados, desarrollados y corregidos por los integrantes de este equipo de trabajo constituido de profesores y alumnos. Dado que los tiempos actuales marcan una tendencia a complementar con material adicional lo aprendido en las aulas, se han incluido artículos de divulgación y páginas de internet para que el alumno interesado tenga una formación más sólida en el campo de estudio.

En su calidad de documento perfectible es probable que surja la necesidad de realizar modificaciones o ajustes que enriquezcan los experimentos propuestos, así como el contenido del texto; por ello, acogeremos con agrado toda aquella aportación que sirva para la mejora de este trabajo. El producto de dichas sugerencias se verá reflejado en las próximas ediciones.

4

Reconocimientos Llevar a cabo la elaboración de un material como el que se presenta a continuación no es una labor individual. Por ello, los autores del presente texto deseamos agradecer a nuestros alumnos y compañeros de profesión su apoyo en tiempo y recursos físicos, materiales y económicos, así como sus valiosos comentarios.

El documento tuvo que recibir un formato y una estructura para su posterior publicación, actividad que realizó el personal de La Coordinación de Investigación y Posgrado de la Universidad Autónoma de Zacatecas, la cual es presidida por la Dra. Isabel Terán Elizondo; para ella y sus colaboradores nuestra gratitud.

Finalmente, nuestro reconocimiento a todas las personas, que directa o indirectamente, contribuyeron para la realización de este trabajo y anticipadamente reconocemos la valiosa utilidad de aquellas críticas, ideas y propuestas que recibamos para ediciones subsecuentes.

ATENTAMENTE

Los autores

5

II. Presentación La primera sesión tiene como objetivos:

 Presentar al personal académico que trabaja en el laboratorio y que estará a cargo del mismo.

 Hacer la presentación formal de la asignatura, comentar las principales medidas de seguridad y hacer del conocimiento de los alumnos el reglamento interno del laboratorio.

 Establecer el sistema de evaluación del curso y las condiciones bajo las cuales se desarrollarán las sesiones subsecuentes.

Personal académico. Para iniciar con esta sesión, el profesor debe presentarse ante los alumnos y presentar al auxiliar de laboratorio. Posteriormente, dará a conocer las funciones y responsabilidades de cada uno de ellos en el curso. El profesor deberá dar a conocer su horario de trabajo, ubicación de estancia en la institución y el horario de asesorías a los alumnos. Lo mismo hará el auxiliar de laboratorio, éste también les dará sugerencias a los alumnos respecto al cuidado y manejo de los instrumentos y equipos de laboratorio.

Laboratorio de Fisicoquímica

Objetivo General: Al finalizar este curso, el estudiante aplicará de forma práctica los conceptos fundamentales de la teoría fisicoquímica a diferentes problemas. Adquirirá también las habilidades en el manejo de equipo, material y reactivos que se encuentran comúnmente en un laboratorio de fisicoquímica. Conocerá las principales precauciones y medidas de seguridad que se deben observar durante su trabajo en este laboratorio.

6

Objetivos particulares: Al terminar el curso se pretende que el alumno sea capaz de:

Identificar, seleccionar y utilizar el material, equipo y reactivos químicos adecuados y necesarios para obtener datos confiables al realizar un experimento fisicoquímico.

Comprobar mediante la experimentación los resultados que predice la teoría fisicoquímica y utilizar dichos resultados para explicar distintos fenómenos fisicoquímicos.

Presentar resultados experimentales en forma correcta. Conocer y aplicar las normas de higiene y seguridad pertinentes que minimicen las situaciones de riesgo en el laboratorio y garanticen el respeto al ambiente.

7

II.1 Medidas básicas de seguridad

La seguridad dentro de un laboratorio es responsabilidad de todos: académicos, alumnos, personal administrativo y en general de toda persona que se encuentre dentro de las instalaciones de un laboratorio de fisicoquímica u otros laboratorios donde se desarrollen trabajos experimentales, sean de docencia o investigación. Las medidas de seguridad son establecidas para evitar cualquier tipo de accidente que ponga en peligro la integridad física de las personas que trabajan en el laboratorio, así como preservar en buen estado el equipo y material de trabajo.

Disposiciones Generales 1) Localizar los equipos de primeros auxilios y de seguridad: extintores, arena, regaderas, lavaojos, botiquines, válvulas de control de agua, gas y aire, interruptor de corriente eléctrica y demás puntos de riesgo o ayuda. 2) Respetar todos los tipos de señales indicadas en el laboratorio y no incurrir en actividades riesgosas: correr, jugar, utilizar teléfonos celulares, probar sustancias, aspirar vapores directamente, etc. 3) Mantener las zonas de trabajo limpias y las puertas de acceso al laboratorio libres de obstáculos y abiertas mientras se está trabajando dentro del mismo. 4) Usar la bata abotonada, no trabajar con el cabello largo suelto y evitar el uso de ropa demasiado holgada. 5) Conocer las propiedades y efectos de las sustancias que se están utilizando en un experimento químico 6) Para el manejo de reactivos utilizar el equipo básico de seguridad: guantes, perillas de succión, campana de extracción, etc. 7) Mantener etiquetados todos los reactivos químicos y recipientes que los contengan o que hayan sido utilizados para tal fin. 8) Tomar sólo la cantidad necesaria de reactivo para el desarrollo del experimento, procurando no regresar el reactivo sobrante al envase original.

8

9) En ningún momento, desatender un experimento. En caso de derrame o cualquier incidente, limpiar y reacondicionar adecuadamente el espacio de trabajo. 10) Evitar arrojar residuos sólidos en el drenaje. La disposición de desechos sólidos depende del riesgo químico y solamente las sustancias inocuas se depositan en el bote de basura. 11) Neutralizar y diluir con agua los residuos líquidos solubles, no orgánicos, antes de desecharlos. No verter al drenaje residuos líquidos insolubles, disolventes orgánicos ni disolventes volátiles; estos residuos se deben almacenar adecuadamente para su posterior tratamiento. 12) Almacenar los reactivos en envases pequeños y sin llenarlos totalmente, dejando espacio para contener vapores, en caso de que se desprendan. 13) Utilizar solamente material de vidrio en buenas condiciones. 14) No consumir alimentos de ningún tipo, ni fumar en el interior del laboratorio. 15) Lavarse perfectamente las manos con agua y jabón después de terminada la práctica. 16) Conocer la ubicación del servicio médico o protección civil, así como su número telefónico.

Manipulación de los reactivos químicos Para una manipulación correcta de los productos químicos, es necesario disponer de información adecuada acerca de los mismos. Dicha información incluye la identificación del producto, su composición, propiedades físicas, químicas y biológicas de la sustancia, identificación de peligros potenciales, efectos sobre la salud y medidas preventivas. Esta información se encuentra en la etiqueta del envase, por eso se recomienda leer las etiquetas antes de utilizar las sustancias. Si esta información no se encuentra en la etiqueta, entonces se puede recurrir a los catálogos impresos o en internet de las compañías que proveen dichas sustancias.

9

Existe una forma esquemática y práctica de saber qué tan seguro o peligroso es un reactivo, se le conoce como rombo de seguridad o Sistema SIRE (Salud, Inflamabilidad, Reactividad y Especiales). La Figura II.1 ilustra un esquema típico de la descripción del rombo SIRE.

Fig. II.1. Rombo SIRE

Como puede observarse, ésta es una forma de clasificar los riesgos de las sustancias con base en colores y números. Incluye cuatro conceptos básicos y cinco números que van de 0 a 4 y la combinación de ambos proporciona una referencia para saber cuáles precauciones se deben asumir al manejar un reactivo.

Por lo general, dicho rombo, o algún sistema parecido, viene en las etiquetas de los frascos que contienen a los reactivos. También se recomienda consultar las fichas de seguridad de los reactivos que se estén manejando.

10

Contenido de una etiqueta A continuación se presentan los principales elementos que debe contener la etiqueta que identifica a un reactivo.

a. Nombre del producto b. Composición c. Propiedades d. Clave numérica de riesgo o símbolo de advertencia e. Información de riesgos SIRE f. Equipo de protección para laboratorio g. Código de colores para almacenaje o tipo de sustancia

Tabla II.1. Almacenaje de reactivos por colores Color

Área de almacenamiento

Naranja

General

Blanco

A prueba de corrosión

Azul

Con suficiente ventilación

Rojo

Materiales inflamables

Amarillo

Materiales combustibles o inflamables

Extintores Para que el fuego se produzca es necesario que se presenten las tres condiciones siguientes: un combustible, un comburente y calor, estos tres elementos se han agrupado en lo que se denomina el triángulo del fuego (Fig. II.2).

Fig. II.2. Triángulo del fuego

11

La prevención del fuego y la lucha contra el mismo consisten en evitar dicho triángulo, eliminando cualquiera de sus partes. Ésta es precisamente la base sobre la cual se fabrican los diferentes tipos de extintores, los cuales se clasifican en varios tipos dependiendo del material que sea susceptible de sufrir la combustión.

Tabla II.2. Tipo de fuego, material extintor contenido y funcionamiento Clase

Material extintor

A

Agua

B

CO2

C

Polvo químico

D

Polvo seco

Funcionamiento Enfrían el material por debajo de su temperatura de ignición y remojando las fibras para evitar la re-ignición. Remueven el oxígeno, evitando que los vapores alcancen la fuente de ignición o impidiendo una reacción química en cadena. Utilizan agentes extintores que no conduzcan la corriente eléctrica. En la mayoría de los casos, estos absorben el calor del material enfriándolo por debajo de su temperatura de ignición.1

La siguiente figura muestra la recomendación sobre el tipo de extintor más adecuado que se debe utilizar, dependiendo del material que se esté consumiendo.

Fig. II.3. Recomendación para el uso de extintores.

1

Los extintores químicos de uso múltiple dejan un residuo que puede ser dañino para los equipos delicados tales como las computadoras u otros equipos electrónicos. En estos casos se prefieren los extintores de dióxido de carbono, pues dejan una menor cantidad de residuo.

12

II.2 Reglamento interno del laboratorio 1) El profesor formará equipos de trabajo para realizar las prácticas. El número de integrantes de cada equipo lo definirá el profesor, en función del número de estudiantes en el grupo y la disponibilidad de recursos materiales e infraestructura del laboratorio. No se admitirán personas en calidad de alumno-oyente. 2) Los alumnos deberán llegar dentro de los primeros 10 minutos de inicio de la sesión, después de este tiempo ningún estudiante podrá ingresar. 3) En el laboratorio, el alumno estará obligado a: a. Portar su bata abotonada b. Seguir, en todo momento, las medidas de higiene y seguridad generales y las indicadas en cada práctica c. Mantener limpio su espacio de trabajo 4) El estudiante deberá acudir a cada sesión de laboratorio con el siguiente material:  Bitácora

 Etiquetas o cinta adhesiva, franela, papel absorbente y jabón. 5) El alumno tendrá la obligación de estudiar con antelación la práctica a realizar, así como desarrollar todas las actividades prelaboratorio (aquellas que se deben de realizar antes de acudir a la sesión práctica) que se indiquen en la misma. Debe, además, investigar la toxicidad de las sustancias que va a manejar en cada sesión y el equipo de seguridad que debe utilizar. Un ejemplo de cómo reportar la toxicidad y las medidas de seguridad que se deben de tomar es: “Se va a trabajar con una disolución de hidróxido de sodi (NaOH), la cual es muy corrosiva. Puede dañar la piel y la ropa. Si la piel entra en contacto con esta disolución, se deberá lavar la zona afectada con abúndate agua.” 6) El auxiliar de laboratorio deberá entregar a los estudiantes el material que éstos vayan a utilizar en la sesión. Un integrante por equipo deberá dejar la credencial vigente de la institución educativa en la que estudie. Al regresar todo el material limpio y en buen estado, el auxiliar le devolverá al alumno su credencial.

13

7) Al final de cada sesión, los estudiantes tienen la obligación de dejar limpia su mesa e instrumentos de laboratorio utilizados. Deben asegurarse de que los equipos eléctricos han sido desconectados y las llaves de agua y gas estén cerradas. También tienen que verificar que las tarjas no tengan basura ni residuos químicos que puedan ocasionar un accidente o perjuicio a las mismas. 8) El profesor no aceptará bitácoras o reportes extemporáneos a la fecha y hora indicadas para su entrega. 9) Si por alguna razón todo el grupo no llevó a cabo una sesión, ésta deberá ser reprogramada. Sin embargo, no se realizarán prácticas de reposición por alumno. 10) El estudiante recibirá su calificación final personalmente en el lugar, día y hora que el profesor indique. Solamente en esa ocasión tendrá oportunidad de aclarar dudas o inconformidades respecto de su calificación. 11) Un profesor podrá pedirle a un alumno que abandone el laboratorio únicamente en los siguientes casos: i.

Cuando éste no cumpla con sus obligaciones.

ii.

Cuando le falte al respeto al profesor, al auxiliar o alguno de sus compañeros.

iii.

Cuando el estudiante, debido a su mal comportamiento genere un riesgo potencial hacia sus compañeros o a las instalaciones de la Institución.

12) El equipo de alumnos que por alguna razón dañe algún material deberá reponerlo a más tardar al final del semestre que estén cursando. El auxiliar de laboratorio elaborará un documento donde se describen las características del material que debe reponerse y dicho documento lo firmaran los miembros del equipo. En caso de que el material no sea repuesto en ese lapso de tiempo, los alumnos no tendrán derecho a calificación y se enviará un reporte al departamento de Servicios Escolares.

13) El profesor tiene las siguientes obligaciones:

 Tratar con respeto a sus compañeros y alumnos  En la primera sesión de laboratorio

o Deberá ...