Práctica 4

Temperatura de fusión

4.1 Objetivo

• Determinar la temperatura de fusión de algunos sólidos puros

4.2 Marco teórico

En general, la energía se define como la capacidad para realizar un trabajo. Todas las formas de energía son capaces de efectuar un trabajo, pero no todas tienen la misma importancia a nivel químico. Entre las diferentes formas de energía están: la energía cinética, la energía potencial, la energía radiante, la energía térmica y la energía química.

El calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferente temperatura. A su vez, la temperatura es una cantidad que determina la dirección en la que fluye de manera espontánea el calor. Éste siempre fluirá de un cuerpo de mayor temperatura a otro con menor temperatura.

Por lo general, la temperatura se mide con un termómetro (figura 4.1) que consiste de un tubo capilar conectado en un extremo a un bulbo de paredes delgadas el cual está lleno con un cierto líquido (comúnmente mercurio). A medida que la temperatura del bulbo se eleva, el líquido se expande y sube por el capilar. La altura que alcanza el líquido en el capilar depende proporcionalmente de la temperatura.



Figura 4.1 Termómetro

Para poner las marcas de la escala de un termómetro se escogen como referencia dos temperaturas. La altura de la columna de mercurio se marca después de que el termómetro está a cada una de las temperaturas de referencia. Luego, se divide la distancia entre el par de marcas en un cierto número de unidades o grados, dependiendo de la escala usada.

Las temperaturas de referencia que se emplean para fijar las escalas de temperatura más comunes son las del punto de congelación y de ebullición del agua. Éstas se escogen por razones prácticas: para todo líquido puro (como el agua) sólo hay una temperatura característica a la cual pueden coexistir, en equilibrio, el líquido y el sólido. Dicha temperatura se conoce como punto de congelación o punto de fusión. También, cada líquido tiene un punto de ebullición característico, del cual se tratará en la próxima práctica de laboratorio.

4.3 Clases de termómetros

Termómetros de Mercurio. Son los de uso más corriente pues miden las temperaturas ordinarias. Pueden registrar temperaturas en el rango de -39 °C a +350 °C.

Termómetros para baja temperatura. El mercurio se sustituye por otros líquidos, generalmente coloreados. Los líquidos mas utilizados son: alcohol (-110 °C a +40 °C), toluol (-90 °C a 110 °C) y éter de petróleo (-200 °C a +20 °C).

Termómetros de gas. Se fundamentan en que la temperatura kelvin de una masa de gas varía proporcionalmente con el producto del volumen por su presión. Un termómetro de gas puede deducir la temperatura, ya de la contracción o dilatación experimentada por el gas o de las variaciones de la presión del gas si su volumen permanece constante.

Termómetros de resistencia eléctrica. Se basan en la variación de la resistencia de los conductores eléctricos con la temperatura. Sirven para medidas muy exactas y si se emplea platino se puede llegar hasta 1000 °C.

Termómetros constituidos por pares de elementos (termoeléctricos). Con estos aparatos se pueden medir temperaturas mas elevadas según los metales que conforman el par.

Las principales causas de error en las lecturas de temperatura se deben a descalibración del termómetro la cual puede ser causada por diferentes factores tales como :

  • Contracción del vidrio por envejecimiento
  • Resistencia que opone el capilar al movimiento del mercurio
  • Evaporación del mercurio cuando las temperaturas son altas
  • Dilatación no uniforme del mercurio


4.4 Temperatura de fusión y calor de fusión

Cuando un sólido cristalino se calienta, sus átomos vibran con más energía. En cierto momento se alcanza una temperatura a la que éstas vibraciones alteran el orden de la estructura cristalina, los átomos pueden deslizarse unos sobre otros, el sólido pierde su forma definida y se convierte en un líquido. Este proceso se llama fusión y la temperatura a la que sucede es la temperatura de fusión. El proceso inverso, la conversión de un líquido en sólido, se llama solidificación o congelación y la temperatura a la que sucede temperatura de congelación. El punto de fusión de un sólido y el punto de solidificación de un líquido son idénticos. Como ya se indicó anteriormente, a la temperatura de fusión el sólido y el líquido coexisten en equilibrio.

Si se calienta uniformemente una mezcla sólido-líquido en equilibrio, la temperatura permanece constante mientras el sólido se funde. Sólo cuando todo el sólido ha fundido, la temperatura empieza a ascender. De la misma manera, si extraemos calor uniformemente de una mezcla sólido-líquido en equilibrio, el líquido se solidifica a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para fundir un sólido es la entalpía de fusión, Hfus, expresada en kJ/mol.

4.5 Materiales y equipo

• Sólidos: naftaleno, ácido benzoico, p-diclorobenceno, acetanilida, bifenilo (consultar el punto de fusión y la fórmula de cada compuesto).
• Aceite mineral
• Mechero
• Soporte universal
• Malla de asbesto
• Pinzas
• Nuez
• Mortero
• Termómetro
• Tubo de Thiele
• Capilares (traerlos)
• Bandas de caucho

4.6 Procedimiento

Se introduce una pequeña cantidad del sólido pulverizado en un capilar previamente sellado por un extremo, compactándolo bien hasta el fondo del extremo sellado. El capilar se sujeta al termómetro con una bandita de caucho, asegurándose que la muestra quede a la misma altura del bulbo del termómetro (figura 4.2). Se sumergen ambos en un baño de aceite sin que éste entre en el capilar.


Figura 4.2 Medición de la temperatura de fusión

Se inicia el calentamiento cuidando de que sea suave y gradual: 2-3 °C por minuto. Cuando se inicie la fusión del sólido, se retira el mechero y se anota la temperatura, luego se anota la temperatura a la cual ya se ha fundido toda la sustancia (la temperatura de fusión se reporta como un rango). El proceso se repite para todos los distintos sólidos, usando cada vez un capilar nuevo.

Tabla 4.1 Resultados experimentales

Compuesto
sólido
Temp. de fusión
reportada (°C)
Temp. de fusión
experimental (°C)
Error (%)
Naftaleno
 
 
 
Ácido benzoico
 
 
 
p-diclorobenceno
 
 
 
Acetanilida
 
 
 
Bifenilo
 
 
 


4.7 Cálculos y resultados

Completar la tabla 4.1 de acuerdo con sus resultados experimentales.

4.8 Discusión y conclusiones

• Analice los resultados obtenidos y discuta a qué posibles errores pueden deberse las diferencias entre las temperaturas de fusión experimentales y las reportadas por la literatura.

4.9 Preguntas

• A la temperatura de fusión coexisten, en equilibrio, el líquido y el sólido. Describa en qué consiste dicho equilibrio.

• ¿Por qué es aconsejable usar un baño de aceite para la determinación de la temperatura de fusión? ¿Por qué debe ser muy lento el calentamiento del baño de aceite?

• ¿Además del aceite es posible utilizar otros líquidos para esta misma práctica? ¿Cuáles? ¿Qué criterios deben tenerse en cuenta para su selección?

• ¿Por qué la temperatura de fusión de muchos sólidos se reporta como un rango? (Ej. acetanilida: 113-114 °C)

• Estrictamente hablando, ¿por qué no debería decirse punto de fusión?

• ¿Cuál es la influencia de una impureza insoluble en la temperatura de fusión de un sólido?

• ¿Cómo son, comparativamente, las temperaturas de fusión de sólidos iónicos, covalentes, polares y no polares?

• ¿Qué es un diagrama de fases?¿Cómo se interpreta cada punto del diagrama? ¿Cuál es el significado del punto triple?

• ¿Cuáles son las escalas más comunes para medir la temperatura?

• Analice el por qué de la forma tan particular del tubo de Thiele.



4.10 Lecturas recomendadas

Wolke, Robert L.. Fundir en la cocina. En: Lo que Einstein no sabía. Robin Book, Bogotá, 2002. pp. 77

Asimov, Isaac ¿Hasta dónde puede llegar el proceso de fusión dentro de una estrella? En: Cien Preguntas Básicas sobre la Ciencia. Alianza Editorial, Madrid, 1981. pp. 42

Asimov, Isaac. El agua fría. En: El electrón es Zurdo y Otros Ensayos Científicos. Alianza Editorial, Madrid, 1982. pp. 40

4.11 Glosario

Discutir y anotar el significado de los siguientes términos: baño de aceite, calor, congelación, energía, entalpía, equilibrio sólido-líquido, fusión, temperatura.


4.12 Referencias Internet

• http://organic.chem.tamu.edu/Labs/Current_Handouts/melting_points.htm
• http://140.198.18.108/labbooks/meltingPoint.html
• http://chemscape.santafe.cc.fl.us/chemscape/catofp/measurea/meltpnt/
meltemp/meltemp.htm
• http://www.nsf.gov/od/lpa/events/fow/fowtfkv2n3/htm/melt_exp.htm
• http://www.tamuk.edu/chemistry/academics/syllabi/dr.%20hayes/expt/
expt01.htm
• http://www.iit.edu/~smart/martcar/lesson5/id22.htm
• http://www.chem.uiuc.edu/chemistry234syll/chem234mplab.html