¿Cómo se distingue una sustancia de otra cuando ambas son sólidos blancos e inodoros? No por la apariencia, sino mediante la medición. Toda sustancia pura posee un conjunto de propiedades físicas que no dependen de la cantidad que se tenga de ella: su densidad, su punto de fusión, su punto de ebullición. Estas se denominan propiedades intensivas y funcionan como una huella dactilar. Los laboratorios de control de calidad verifican las materias primas de esta manera, los científicos forenses identifican muestras desconocidas de esta manera y los geólogos clasifican los minerales de esta manera.
La densidad es la proporción entre la masa de una muestra y su volumen; es decir, cuánta materia se concentra en cada mililitro. El punto de fusión es la temperatura a la cual la estructura ordenada del sólido colapsa para convertirse en líquido, y permanece constante mientras se lleva a cabo la fusión: el calor que ingresa se consume rompiendo la estructura y no elevando la temperatura, razón por la cual una sustancia que se funde muestra una meseta en un gráfico de temperatura frente al tiempo.
En este laboratorio medirá ambas propiedades para la cera de parafina. Primero pesará una muestra y determinará su volumen por desplazamiento de agua, obteniendo su densidad; luego fundirá una muestra pesada en un baño de agua, siguiendo la temperatura en la gráfica de la tableta para capturar la meseta de fusión. Juntos, los dos números caracterizan el material.
Objetivos Educativos
Familiarización con el entorno del laboratorio
- Identifique la disposición y el equipo del laboratorio, incluyendo la balanza electrónica, las probetas graduadas, la placa calefactora, el soporte de laboratorio y las pinzas, el termómetro, el temporizador y las pinzas de depilación.
Uso correcto de la balanza electrónica
- Utilice la barqueta de pesaje y la función de tara para que la balanza indique únicamente la masa de la muestra.
- Pese una muestra pieza por pieza hasta alcanzar una masa objetivo, registrando los datos sobre la marcha.
Medición del volumen de un sólido irregular
- Determine el volumen por desplazamiento de agua: lea el cilindro antes y después de agregar el sólido, y reste.
- Observa el menisco a la altura de los ojos.
Determinación de una densidad
- Calcule la densidad como masa dividida por volumen, con las unidades correctas (g/mL), y compare el resultado con un valor de referencia.
Medición de un punto de fusión
- Monta el montaje del baño maría de forma que el tubo de ensayo y el termómetro queden sujetos sin tocar el fondo, y explica por qué el termómetro no debe tocar el cristal.
- Siga el gráfico de temperatura frente al tiempo, identifique la meseta de fusión y lea el punto de fusión en él.
- Se utiliza un baño María en lugar del contacto directo con la placa calefactora para fundir la muestra porque proporciona un calentamiento más suave, gradual y uniforme, lo que evita el sobrecalentamiento local, la descomposición térmica de la muestra o la ignición si esta es inflamable.
Comprensión de las propiedades intensivas
- Explica por qué la densidad y el punto de fusión no dependen del tamaño de la muestra, y cómo eso las hace útiles para identificar sustancias.
Protocolo
Parte 1: Densidad
- Coloque el recipiente de pesaje en el plato de la balanza.
- Presione tara para poner la balanza a cero.
- Pesa 5 trozos de parafina.
- Mida el volumen de la muestra de parafina por desplazamiento de agua.
- a) Mide 20 mL de agua destilada con la probeta graduada.
- b) Tome el bote que contiene los trozos de parafina y vierta los trozos en la probeta dejándolos deslizar. Observe el aumento de volumen.
- c) El volumen final, menos el volumen inicial (20 mL), es igual al volumen de los trozos de parafina.
- Verificar que la masa y el volumen de parafina estén correctamente ingresados en la tabla de resultados de la tableta.
- La masa de parafina dividida por su volumen es igual a la densidad de la parafina (en g/mL).
Parte 2: El punto de fusión
- Llena un vaso de precipitados de 500 ml con agua fría del grifo (aproximadamente 6 °C).
- Coloca el vaso de precipitados con agua fría sobre la placa calefactora.
- Conociendo la densidad de la parafina, con ayuda de unas pinzas, depositar trozos de parafina sobre la balanza utilizando el bote de pesaje hasta obtener una masa que corresponda a un volumen de 18 mL (21.25 g).
- Vierta la parafina pesada en un tubo de ensayo vacío.
- Fije una pinza universal al soporte (posición inferior) encima del centro del vaso de precipitados.
- Engancha el tubo de ensayo a la pinza universal sobre el centro del vaso de precipitados.
- Fija una segunda pinza universal al soporte (posición superior) por encima del tubo de ensayo.
- Inserte el termómetro en el tubo de ensayo sujetándolo con la pinza universal. El termómetro no debe tocar el fondo del tubo de ensayo.
- Inicia el cronómetro (botón rojo).
- Ajuste la temperatura de la placa calefactora a 85 °C, espere a que la temperatura aumente a 57 °C. La parafina comenzará a fundirse aproximadamente 1 minuto después de alcanzar la temperatura de 57 °C (por lo tanto, se esperará un retraso).
La temperatura en el tubo de ensayo aumentará, se mantendrá en una meseta mientras la parafina se funde y luego continuará aumentando. Espere hasta que la parafina esté completamente derretida. Siga el progreso del experimento en el gráfico de la sección de resultados de la tableta.
- Baje la temperatura de la placa calefactora a 15°C.
Resultados esperados
Resultados esperados.
| Medición | Resultado esperado |
|---|---|
| Masa de 5 piezas de parafina | entre 21 y 22 g (unos 4,25 g por unidad) |
| Volumen por desplazamiento de agua | entre 24,7 y 25,9 ml |
| Densidad (masa ÷ volumen) | 0,85 g/ml |
| Punto de fusión | alrededor de 57 °C, leído de la meseta en el gráfico |
Por qué el desplazamiento da el volumen. Un sólido irregular no tiene una fórmula para calcular su volumen, pero aun así ocupa espacio: sumergido en agua, desplaza exactamente su propio volumen de líquido, y la lectura del cilindro graduado aumenta en esa cantidad. Si la lectura inicial es de 20 ml, la lectura final nos da directamente el volumen de la parafina por sustracción. De ahí se deduce la densidad: ρ = m/V = 21,25 g ÷ 25 ml = 0,85 g/ml. Fíjate en lo que revela inmediatamente esta cifra: la parafina es menos densa que el agua (1,00 g/ml), razón por la cual la cera de las velas flota.
¿Por qué la temperatura se mantiene estable?. Un sólido se funde cuando sus partículas adquieren la energía suficiente para romper su disposición ordenada. Mientras eso ocurre, cada joule aportado por el baño de agua se destina a desmantelar la estructura —el calor latente de fusión— y no queda nada para elevar la temperatura. Por lo tanto, la curva asciende, se estabiliza en torno a los 57 °C mientras se funde la parafina y vuelve a subir solo cuando el último resto de sólido ha desaparecido. El valor a medir es esa meseta, y no una lectura concreta del termómetro.
Por qué la configuración está construida de la forma en que lo está. El baño maría envuelve el tubo de ensayo con un medio que se calienta de manera uniforme y no puede superar los 100 °C, lo que protege la muestra del quemado que provocaría el contacto directo con la placa. El termómetro se sujeta a cierta distancia del cristal porque la pared del tubo, calentada desde el exterior, alcanza una temperatura superior a la de la propia muestra; tocarla sesgaría la lectura al alza. Y el retraso sobre el que advierte el protocolo obedece a una ley física real: el calor tarda en atravesar el agua y la cera hasta llegar al bulbo del termómetro.
Resumen de la asignación por rango de calificación
Grados 9–10
- Enfoque: la densidad y el punto de fusión como propiedades que identifican una sustancia, y una técnica de medición minuciosa.
- Actividades pesa los trozos de parafina usando la función de tara; mide su volumen por desplazamiento y calcula la densidad; realiza el experimento de fusión y lee el punto de fusión en la gráfica; comprueba ambos resultados con los valores esperados y sugiere razones para cualquier diferencia.
Undécimo grado
- Enfoque: calor latente y la interpretación de una curva de temperatura-tiempo.
- Actividades Explique la meseta de fusión en términos de calor latente de fusión; explique por qué el termómetro no debe tocar el tubo y por qué se utiliza un baño de agua; calcule la densidad; prediga la forma de la curva si se utilizara el doble de la masa de parafina.
12.º curso / Nivel universitario
- Enfoque: propiedades intensivas frente a extensivas, y diseño de la medición.
- Actividades clasifica cada cantidad medida como intensiva o extensiva y justifica la clasificación; explica por qué un sólido flotante frustra el desplazamiento ingenuo y cómo se debe diseñar la medición en un laboratorio real; explica la amplitud del rango de fusión de la parafina en términos de su composición hidrocarbonada mixta; expresa la densidad con las cifras significativas apropiadas.
Esenciales de laboratorio
Instrumentos
- Vasos de precipitados (50 mL, 100 mL, 500 mL y 1000 mL)
- Balanza electrónica
- Probetas graduadas (70 ml y 100 ml)
- Plancha eléctrica
- Soporte de laboratorio y pinzas
- agitador magnético
- Espátulas
- Tubos de ensayo
- Termómetros
- Temporizador
- Pinzas
Productos
- Parafina (trozos)