012 – Propiedades físicas e identificación de los productos

No hay dos sustancias puras que compartan el mismo conjunto de propiedades físicas. Cada una tiene su propio punto de ebullición y su propia densidad, y estas constantes se catalogan en tablas de referencia que los químicos consultan todos los días. Es por esto que una botella sin etiqueta nunca se identifica mediante conjeturas: medir una o dos propiedades físicas bien elegidas y comparar los resultados con los valores conocidos suele ser suficiente para nombrar una sustancia. El mismo enfoque se utiliza en el control de calidad, en los laboratorios forenses y en la comprobación de la pureza de productos químicos fabricados.

Dos propiedades sustentan este laboratorio. El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión atmosférica circundante; mientras un líquido hierve, su temperatura deja de subir, porque el calor suministrado es consumido por el cambio de estado en lugar de calentar el líquido. La densidad es la relación entre la masa y el volumen, ρ = m/V. Es una propiedad intensiva —un fragmento grande y uno pequeño dan el mismo valor— y para un sólido irregular el volumen se mide más fácilmente por desplazamiento de agua, la perspicacia atribuida a Arquímedes.

En este laboratorio identificarán cuatro sustancias desconocidas. Dos líquidos desconocidos se calientan en placas calefactoras ajustadas a 105 °C mientras los termómetros registran su temperatura: la meseta que alcanza cada líquido es su punto de ebullición, y su nombre se deduce de este. A continuación, dos sólidos desconocidos se pesan en la balanza electrónica y se sumergen en un vaso de vertido lleno, recogiéndose el agua desplazada en una probeta graduada; la masa y el volumen juntos dan la densidad, y la densidad da la identidad.

Objetivos Educativos

Familiarización con el entorno del laboratorio

• Localizar y utilizar el equipo de una mesa de química húmeda: placas calefactoras, soportes universales y pinzas, agitadores magnéticos, la balanza electrónica, el vaso de rebose y el recipiente de recuperación.

Uso de equipo de protección y conducta segura en el laboratorio

• Use el equipo de protección adecuado para manipular líquidos cercanos a la ebullición y deseche las muestras usadas en el contenedor de recuperación.
• Los dedos no deben tocar el agua durante una medición de desplazamiento porque cualquier objeto sumergido añade su propio volumen y distorsiona el resultado.

Medición de volumen y masa

• Mida los volúmenes de líquido en el menisco con la probeta graduada adecuada.
• Pese los sólidos en una balanza electrónica utilizando un platillo de pesaje y registre cada medición con su unidad.

Determinación de un punto de ebullición

• Montar un sistema de calentamiento con un termómetro sujeto con pinza, una barra de agitación magnética y un registro cronometrado de la temperatura.
• Reconozca la meseta de temperatura que marca la ebullición, y utilícela —no el burbujeo en sí— como el punto de ebullición medido.

Determinación de la densidad por desplazamiento de agua

• Mide el volumen de un sólido irregular a partir del agua que desplaza de un vaso rebosadero lleno.
• Calcula la densidad como ρ = m/V a partir de una masa medida y un volumen desplazado.

Identificación de sustancias a partir de las propiedades físicas

• Compare un punto de ebullición o densidad medido con los valores de referencia y justifique la identificación.
• Establezca los límites de la comparación: qué tan cerca pueden estar dos valores de referencia antes de que una sola propiedad ya no separe a los candidatos.

Protocolo

Identificación de líquidos desconocidos

1. Mide con precisión 50 mL del líquido desconocido 1 con la probeta graduada de 50 mL.
2. Vierte el líquido contenido en la probeta en un vaso de precipitados de 100 ml etiquetado como A.
3. Enjuaga la probeta graduada.
4. Repita los pasos 1 a 3 con el líquido desconocido 2, con el vaso de precipitados B.
5. Coloca el vaso de precipitados A en la placa calefactora izquierda y el vaso de precipitados B en la placa calefactora derecha.
6. Coloque una barra de agitación magnética en cada vaso de precipitados.
7. Fija una abrazadera universal sobre el centro de cada vaso de precipitados en los soportes.
8. Coloca un termómetro en cada vaso de precipitados sujetándolos a las pinzas unidas a los soportes universales.
9. Pon en marcha el cronómetro.
10. Inicie los agitadores magnéticos.
11. Ajusta la temperatura de las placas calientes a 105 °C.
12. En la tabla de resultados, revise el cambio de temperatura.
13. Según la temperatura de ebullición, ¿qué podrían ser los líquidos desconocidos?
14. Cuando se haya alcanzado la temperatura máxima de ebullición para cada vaso de precipitados, detenga los agitadores magnéticos.
15. Detener el cronómetro.
16. Baje la temperatura de la placa calefactora a 15°C.
17. Desprenda los termómetros de las abrazaderas.
18. Retire las barras de agitación magnética de los vasos de precipitados.
19. Vacía el contenido de los vasos de precipitados en el contenedor de recuperación.

Identificación de sólidos desconocidos

1. Utilizando las pinzas, coloque 5 piezas del sólido desconocido 1 en la balanza usando el platillo de pesaje. Registre el peso total de las 5 piezas.
2. Usando agua del grifo, llena un recipiente de rebosadero hasta su capacidad máxima antes del desbordamiento (500 ml). Deja que el exceso de agua fluya hacia el fregadero.
3. Coloque el vaso de rebose en el mostrador justo al lado de la probeta graduada de 25 mL de modo que esta última quede posicionada bajo la abertura de rebose del vaso de rebose.
4. Vacíe suavemente las piezas del sólido 1 contenidas en el recipiente de pesaje en el recipiente de rebosamiento. ¡Atención! Los dedos no deben entrar en contacto con el agua para no distorsionar los resultados.
5. Usando el desbordamiento del recipiente de desbordamiento y el menisco en la probeta graduada, determina el volumen del sólido 1.
6. Espera a que el flujo se detenga por completo.
7. Registre el volumen ocupado. Con el peso de las piezas pesado en el paso 1, podrá así calcular la densidad.
8. Usando las pinzas, retire los trozos de sólido 1 del vaso de desbordamiento y tírelos al recipiente de recuperación.
9. Vacía el líquido contenido en la probeta de 25 mL en el contenedor de recuperación.
10. Usando agua del grifo, llene el recipiente de desbordamiento nuevamente hasta su capacidad total antes del desbordamiento (500 ml). Deje que el exceso de agua fluya hacia el fregadero.
11. Coloque el recipiente de rebosamiento de vuelta en el mostrador, justo al lado de la probeta graduada de 25 mL, de manera que esta última quede posicionada bajo la abertura de rebosamiento del recipiente de rebosamiento.
12. Usando las pinzas, coloque 5 trozos del sólido desconocido 2 en la balanza usando el platillo de pesaje. Registre el peso total de los 5 trozos.
13. Vacíe suavemente las piezas de sólido 2 contenidas en el recipiente de pesaje en el recipiente de rebosamiento. ¡Atención! Los dedos no deben entrar en contacto con el agua para no distorsionar los resultados.
14. Usando el desbordamiento del recipiente de desbordamiento y el menisco en la probeta graduada, determine el volumen del sólido 2.
15. Anote el volumen ocupado. Con el peso de las piezas pesadas en el paso 12, podrá calcular así la densidad.
16. Así podrá identificar los 2 sólidos desconocidos utilizando su densidad.

Resultados esperados

Parte A — los líquidos desconocidos. Ambos vasos de precipitados se calientan en placas ajustadas a 105 °C, justo por encima del punto de ebullición del agua, por lo que cada líquido alcanza finalmente una meseta que no puede superar. Las temperaturas de la meseta son la identificación.

Un líquido hierve cuando su presión de vapor es igual a la presión atmosférica que hay sobre él. A partir de ese momento, el calor que aporta la placa calefactora se destina a convertir el líquido en vapor en lugar de elevar la temperatura, por lo que la lectura del termómetro deja de subir —se alcanza una meseta— aunque la placa esté ajustada a una temperatura 5 °C superior. Dado que el líquido desconocido #2 hierve a 78 °C, muy por debajo de los 100 °C, es el primero en empezar a hervir; observar qué vaso de precipitados hierve antes es en sí mismo una prueba, y los valores de la meseta confirman entonces su identificación.

Parte B: los sólidos desconocidos. Se pesan cinco piezas de cada sólido y luego se introducen en un vaso de vertido lleno a su capacidad máxima (500 mL); el agua que desplazan cae en la probeta graduada de 25 mL, dando directamente el volumen de las piezas.

La relación fundamental es ρ = m/V. Para el sólido #1: ρ = 14,5 g ÷ 5,4 ml = 2,7 g/ml, lo que coincide con la densidad de referencia del carbonato cálcico, de 2,71 g/ml, dentro de la precisión de lectura del cilindro. Para el sólido #2: ρ = 63,75 g ÷ 12,2 mL = 5,2 g/mL, lo que coincide con el óxido de hierro (III), que tiene una densidad de 5,24 g/mL. La densidad es una magnitud intensiva, por lo que cinco piezas dan el mismo valor que una sola; el uso de cinco simplemente hace que tanto la masa como el volumen desplazado sean lo suficientemente grandes como para poder leerlos con precisión.

El método de desplazamiento funciona porque un sólido sumergido desplaza exactamente su propio volumen de agua —la idea de Arquímedes—. Requiere que el sólido se hunda y que sea prácticamente insoluble, condiciones que cumplen ambos. También explica la advertencia del protocolo sobre los dedos: cualquier otro elemento que entre en el agua añade su propio volumen al desbordamiento y falsea la lectura. También observarás que el agua adquiere un tono anaranjado tras añadir el sólido desconocido #2: finas partículas de óxido de hierro (III), el pigmento del óxido, quedan en suspensión en el agua. El color es una pista cualitativa útil, pero la densidad es la prueba definitiva.

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 9–10

• Enfoque: propiedades físicas como identificadores, y una medición cuidadosa con las unidades correctas.
• Actividades medir volúmenes y masas; observar los dos líquidos a medida que se calientan y registrar las temperaturas de meseta; dejar caer los sólidos pesados en el vaso de desbordamiento y leer el volumen desplazado; calcular cada densidad con ρ = m/V y hacer coincidir las cuatro incógnitas con los valores de referencia.

Undécimo grado

• Enfoque: el tratamiento cuantitativo de la ebullición y la densidad.
• Actividades represente gráficamente la temperatura en función del tiempo para ambos vasos de precipitados y explique la meseta en términos de la energía destinada al cambio de estado; explique por qué la placa está configurada a 105 °C; mantenga el número correcto de cifras significativas en ambos cálculos de densidad; explique por qué se utilizan cinco piezas en lugar de una.

12.º curso / Nivel universitario

• Enfoque: identificación de propiedad única y cuándo se necesita una segunda propiedad.
• Actividades Discutir la dependencia de la presión de los puntos de ebullición; evaluar cuándo la densidad por sí sola no puede separar a dos candidatos y proponer una prueba de confirmación independiente; clasificar las propiedades utilizadas como intensivas o extensivas y justificar por qué solo las propiedades intensivas identifican sustancias.

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Vasos de precipitados (100 mL)
• Balanza electrónica y cápsula de pesaje
• Probetas graduadas (25 mL y 50 mL)
• Placas calefactoras
• Soportes y pinzas de laboratorio
• Agitadores magnéticos y barras de agitación
• Vaso de desbordamiento (500 mL)
• Papelera de reciclaje
• Termómetros
• Temporizador
• Pinzas

Productos

• Líquidos desconocidos (#1 y #2)
• Sólidos desconocidos (#1 y #2)
• Agua del grifo