Esta sesión de laboratorio se centra en explorar el impacto de la temperatura en el agua carbonatada, examinando específicamente cómo las variaciones de temperatura influyen en la solubilidad del dióxido de carbono (CO2) en el agua.
Usando tres tubos de ensayo separados llenos de agua con gas, cada uno se coloca en una configuración de temperatura distinta: uno en agua fría con cubitos de hielo, otro en agua caliente y el tercero a temperatura ambiente. Los tubos de ensayo se dejan aclimatar a sus respectivas temperaturas antes de realizar observaciones.
Objetivos Educativos
- Observación de los efectos de la temperatura en el agua carbonatada: Los participantes observarán y anotarán las diferencias en la liberación de CO2 y la apariencia del agua con gas a varias temperaturas, con el objetivo de comparar directamente los efectos.
- Comprensión de la solubilidad de los gases en líquidos: El experimento está diseñado para ilustrar cómo la temperatura afecta la solubilidad de los gases en líquidos, centrándose en cómo las variaciones de temperatura alteran la capacidad del agua para disolver CO2.
- Aplicación de la termodinámica y la cinética química: Este laboratorio proporciona un contexto práctico para aplicar conceptos de termodinámica y cinética química, mejorando la comprensión de los participantes de estos principios fundamentales.
A través de esta experiencia de laboratorio, los participantes obtendrán información sobre los pronunciados efectos de la temperatura en las propiedades físicas y químicas de los líquidos, en particular el fenómeno de disolución de gases en líquidos.
Además, el experimento enfatiza la importancia de realizar experimentos controlados manipulando cuidadosamente variables como la temperatura, fortaleciendo así las habilidades metodológicas experimentales. Asimismo, se resaltan la observación meticulosa y la documentación exhaustiva de los resultados como pasos cruciales para extraer conclusiones significativas en química. Esta sesión no solo fomenta una comprensión más profunda de la interacción entre la temperatura y la solubilidad de los gases, sino que también mejora las competencias de los participantes en diseño y análisis experimental, subrayando la importancia de la indagación científica precisa.
Protocolo
- Localiza los tres tubos de ensayo con agua carbonatada (con dióxido de carbono (CO2)).
- Llena el vaso de precipitados con hielo con agua fría del grifo.
- Coloque el vaso de hielo a la derecha del soporte izquierdo.
- Llena el segundo vaso de precipitados con agua caliente del grifo.
- Coloque el vaso de precipitados con agua caliente a la derecha del soporte derecho.
- Cuelga una abrazadera universal en cada soporte de manera que queden posicionadas justo por encima del centro de cada vaso de precipitados.
- Cuelga el tubo de ensayo 1 en la pinza del soporte universal izquierdo sobre el vaso de precipitados que contiene agua fría.
- Cuelga el tubo de ensayo 2 en la pinza del soporte universal derecho encima del vaso de precipitados que contiene agua caliente.
- Deje el tubo de ensayo 3 en el gradilla para tubos de ensayo a temperatura ambiente.
- Espera 30 segundos para que la temperatura de las muestras sea lo suficientemente fría o caliente antes de continuar.
- Retire el tapón de goma del tubo de ensayo 3, déjelo a temperatura ambiente y anote la reacción observada (p. ej., duración de la efervescencia).
- Retire el tapón de goma del tubo de ensayo 2 que quedó en el agua caliente y anote la reacción observada (por ejemplo, duración de la efervescencia).
- Retire el tapón de goma del tubo de ensayo 1 que se dejó en agua fría y anote la reacción observada (por ejemplo, la duración de la efervescencia).
Resultados esperados
- Inicialmente, la presión parcial de CO2 sobre el líquido en los tubos de ensayo es de 150 kPa. Un aumento de temperatura disminuirá la solubilidad del CO2 en agua. Como habrá menos CO2 disuelto en un líquido tibio, habrá una menor efervescencia en el recipiente tibio y una mayor efervescencia en el recipiente frío, en comparación con el recipiente a temperatura ambiente.
- El tiempo de efervescencia para agua fría, a temperatura ambiente y caliente debería ser de aproximadamente 45, 25 y 20 segundos, respectivamente.
- La efervescencia observada desaparecerá primero en los tubos de ensayo calentados, luego en el tubo a temperatura ambiente y finalmente con el tubo de ensayo más frío.
- La solubilidad de los gases en líquidos generalmente disminuye con un aumento de la temperatura. Este comportamiento es opuesto al que se observa para la mayoría de los sólidos disueltos en líquidos. Cuando la temperatura aumenta, las moléculas del disolvente (el líquido) y del soluto (el gas) ganan más energía cinética. Esto se traduce en movimientos más rápidos y vigorosos de las moléculas del líquido, lo que dificulta mantener las moléculas de gas en solución. Las interacciones entre las moléculas de gas y líquido se vuelven menos efectivas a medida que las moléculas de gas se ‘expulsan’ más fácilmente del líquido. Esta relación es particularmente importante en procesos naturales e industriales. Por ejemplo, en lagos y océanos, la capacidad del agua para retener oxígeno disuelto disminuye a medida que aumenta la temperatura, lo que puede tener consecuencias para la vida acuática. De manera similar, en sistemas industriales donde los gases se disuelven en líquidos, la gestión de la temperatura es crucial para mantener las concentraciones de gas deseadas.
Resumen de la asignación por rango de calificación
Grados 3-5 (Edades 8-10)
- Enfoque: Introducción básica a la solubilidad de los gases y sus efectos con la temperatura.
- ActividadesObservación de la liberación de CO2 del agua con gas a diferentes temperaturas, discusiones sencillas sobre cómo la temperatura afecta la solubilidad de los gases, instrucciones básicas de seguridad.
Grados 6-8 (Edades 11-13)
- EnfoqueComprensión intermedia de la solubilidad de gases en líquidos y los efectos de la temperatura.
- ActividadesPreparación de tubos de ensayo con agua con gas a diferentes temperaturas, observación y registro de la liberación de CO2, comprensión de cómo la temperatura afecta la solubilidad de los gases, seguimiento de protocolos de seguridad detallados.
Grados 9-12 (Edades 14-18)
- EnfoqueConocimiento avanzado de solubilidad de gases, termodinámica y cinética química.
- Actividades: Montaje de experimentos con agua con gas a varias temperaturas, medición y registro precisos de las observaciones de liberación de CO2, análisis de la relación entre temperatura y solubilidad de los gases, registro e interpretación detallados de los resultados, cumplimiento de protocolos de seguridad avanzados, refuerzo de conceptos de termodinámica y cinética química.
Esenciales de laboratorio
Instrumentos
- Vasos de precipitados (100 ml y 1000 ml)
- Balanza electrónica
- Tubos de ensayo
Productos
- Agua carbonatada (CO2)