010 – Punto de fusión y densidad

¿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: 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; cuánta materia está empaquetada en cada mililitro. El punto de fusión es la temperatura a la cual la estructura ordenada del sólido colapsa en líquido, y se mantiene fija mientras la fusión está en curso: el calor que ingresa se consume rompiendo la estructura, no elevando la temperatura, razón por la cual una sustancia que se funde muestra una meseta en un gráfico de temperatura frente a 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 maría, siguiendo la temperatura en la gráfica de la tableta para capturar la meseta de fusión. Juntos, ambos números caracterizan el material.

Metas educativas

Familiarización con el entorno de laboratorio

• Identifique la distribución y el equipo del laboratorio, incluida la balanza electrónica, las probetas graduadas, la parrilla de calentamiento, el soporte universal y las pinzas, el termómetro, el cronómetro y las pinzas de disección.

Uso correcto de la balanza electrónica

• Utilice el platillo 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 la probeta antes y después de agregar el sólido, y reste.
• Lea el menisco a la altura de los ojos.

Determinación de una densidad

• Calcule la densidad como la masa dividida por el volumen, con las unidades correctas (g/mL), y compare el resultado con un valor de referencia.

Determinación de un punto de fusión

• Arme el equipo de baño María con el tubo de ensayo y el termómetro sujetos sin tocar el fondo, y explique por qué el termómetro no debe tocar el vidrio.
• Siga el gráfico de temperatura-tiempo, identifique la meseta de fusión y lea el punto de fusión a partir de este.
• Se utiliza un baño de María, en lugar del contacto directo con la placa de calefacción, para fundir la muestra con el fin de proporcionar un calentamiento más uniforme, prevenir el sobrecalentamiento y controlar la temperatura de manera precisa, lo cual es especialmente importante si la muestra es inflamable o sensible al calor.

Comprender las propiedades intensivas

• La densidad y el punto de fusión no dependen del tamaño de la muestra porque son propiedades intensivas; esto significa que dependen únicamente de la composición química y de cómo se estructuran y empaquetan las partículas de la sustancia, no de la cantidad que haya de ella. Por ejemplo, una gota de agua y una piscina tienen la misma densidad y se congelan a la misma temperatura porque están hechas de la misma sustancia. Esto las hace muy útiles para identificar sustancias porque estos valores son constantes únicas para cada material puro, lo que permite a los científicos comparar una muestra desconocida con valores de referencia conocidos para determinar exactamente qué es.

Protocolo

Parte 1: Densidad

1. Coloque la barquilla de pesaje sobre el platillo de la balanza.
2. Presione tara para poner la balanza en cero.
3. Pese 5 piezas de parafina.
4. Mida el volumen de la muestra de parafina por desplazamiento de agua.
5. a) Mida 20 mL de agua destilada con la probeta graduada.
6. b) Tome la barca que contiene los trozos de parafina y vierta los trozos en la probeta graduada dejándolos deslizar. Observe el aumento de volumen.
7. c) El volumen final, menos el volumen inicial (20 mL), es igual al volumen de los trozos de parafina.
8. Verifica que la masa y el volumen de la parafina estén ingresados correctamente en la tabla de resultados de la tableta.
9. 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

7. Llene un vaso de precipitados de 500 mL con agua fría de la llave (a aproximadamente 6 °C).
8. Coloque el vaso de precipitados con agua fría sobre la parrilla de calentamiento.
9. Conociendo la densidad de la parafina, utilizando pinzas, coloque trozos de parafina en la balanza usando el platillo de pesaje hasta alcanzar una masa correspondiente a un volumen de 18 mL (21.25 g).
10. Vierta la parafina pesada en un tubo de ensayo vacío.
11. Coloque una pinza universal en el soporte (posición inferior) por encima del centro del vaso de precipitados.
12. Sujete el tubo de ensayo a la pinza universal por encima del centro del vaso de precipitados.
13. Fije una segunda pinza universal al soporte (posición superior) por encima del tubo de ensayo.
14. Inserte el termómetro en el tubo de ensayo sujetándolo con la pinza universal. El termómetro no debe tocar el fondo del tubo de ensayo.
15. Inicia el cronómetro (botón rojo).
16. Configure la temperatura de la placa calefactora a 85 °C y espere a que la temperatura suba a 57 °C. La parafina comenzará a derretirse aproximadamente 1 minuto después de que se haya alcanzado la temperatura de 57 °C (por lo que debe esperarse un retraso).

La temperatura en el tubo de ensayo subirá, se mantendrá en una meseta mientras la parafina se derrite y luego continuará subiendo. Espere hasta que la parafina se haya derretido por completo. Siga el progreso del experimento en el gráfico de la sección de resultados de la tableta.

17. Baje la temperatura de la placa calefactora a 15 °C.

Resultados esperados

Resultados esperados.

Por qué el desplazamiento da el volumen. Un sólido irregular no tiene una fórmula para su volumen, pero aún así ocupa espacio: sumergido en agua, desplaza exactamente su propio volumen de líquido, y la lectura de la probeta graduada aumenta en esa cantidad. Con la lectura inicial en 20 mL, la lectura final da el volumen de la parafina directamente por sustracción. La densidad se obtiene después: ρ = m/V = 21.25 g ÷ 25 mL = 0.85 g/mL. Note lo que este número revela de inmediato: la parafina es menos densa que el agua (1.00 g/mL), razón por la cual la cera de vela flota.

Por qué la temperatura se mantiene en una meseta. Un sólido se funde cuando sus partículas ganan suficiente energía para salir de su disposición ordenada. Mientras eso sucede, cada julio aportado por el baño María se consume en desmantelar la estructura —el calor latente de fusión— y no sobra nada para elevar la temperatura. Por lo tanto, la gráfica asciende, se aplana a unos 57 °C mientras la parafina se funde, y reanuda su ascenso solo una vez que el último sólido ha desaparece. La meseta, y no cualquier lectura aislada del termómetro, es la medición.

Por qué la configuración está construida de la forma en que está. El baño maría rodea el tubo de ensayo con un medio que calienta de manera uniforme y no puede superar los 100 °C, protegiendo la muestra de la quema que causaría el contacto directo con la placa. El termómetro se sujeta sin tocar el vidrio porque la pared del tubo, calentada desde el exterior, está más caliente que la propia muestra; tocarla sesgaría la lectura hacia arriba. Y el retraso del que advierte el protocolo es física real: el calor tarda tiempo en atravesar el agua y la cera hasta el bulbo del termómetro.

Resumen de tareas por rango de calificaciones

Grado 9-10

• Enfoque densidad y punto de fusión como propiedades que identifican una sustancia, y técnica de medición cuidadosa.
• Actividades: pese los trozos de parafina usando la función de tara; mida su volumen por desplazamiento y calcule la densidad; realice el experimento de fusión y lea el punto de fusión en la gráfica; compare ambos resultados con los valores esperados y sugiera razones para cualquier diferencia.

Undécimo grado

• Enfoque calor latente y la interpretación de una curva de temperatura-tiempo.
• Actividades: El mesetón de fusión es el período durante el cual la temperatura de una sustancia permanece constante mientras cambia de fase de sólido a líquido. Esto ocurre porque toda la energía térmica que se suministra se utiliza como calor latente de fusión, que es la energía necesaria para romper las fuerzas intermoleculares que mantienen unidas las moléculas en la red cristalina, en lugar de aumentar la energía cinética promedio de las partículas. El termómetro no debe tocar las paredes del tubo de ensayo para medir con precisión la temperatura de la sustancia en lugar de la temperatura directa del vidrio, el cual está en contacto con una fuente de mayor calor. Se utiliza un baño de agua para garantizar una transferencia de calor uniforme y gradual a lo largo de toda la muestra, evitando sobrecalentamientos locales. La densidad se calcula dividiendo la masa de la sustancia entre su volumen ($\rho = m/v$). Si se utilizara el doble de masa de parafina, el mesetón de fusión duraría más tiempo (el doble) debido a que se requiere el doble de calor latente para fundir toda la muestra, pero la temperatura a la que ocurre la fusión (la altura de la meseta en la gráfica) se mantendría exactamente igual, ya que es una propiedad intensiva.

12.º grado / Nivel universitario

• Enfoque propiedades intensivas versus extensivas, y diseño de medición.
• Actividades: clasifique cada cantidad medida como intensiva o extensiva y justifique la clasificación; explique por qué un sólido flotante frustra el desplazamiento ingenuo y cómo se debe diseñar la medición en un laboratorio real; explique la amplitud del rango de fusión de la parafina en términos de su composición de hidrocarburos mixtos; indique la densidad con las cifras significativas apropiadas.

Elementos esenciales para el laboratorio

Instrumentos

• Vasos de precipitados (50 mL, 100 mL, 500 mL y 1000 mL)
• Báscula electrónica
• Probetas graduadas (70 mL y 100 mL)
• Hornilla eléctrica
• Soporte universal y pinzas
• Agitador magnético
• Espátulas
• Tubos de ensayo
• Termómetros
• Temporizador
• Pinzas

Productos

• Parafina (en trozos)