¿Cómo afecta el calor a los estados físicos de la materia?

Actividades presentadas por las profesoras:

Gloria Campusano González
Eva Cid Paredes
Miriam Hermosilla González
Paulina Rodríguez Moraga
Raquel Ruíz Ruíz

CONOCIMIENTOS PREVIOS:

• Estados de la materia y sus características
  
• Fuerza de repulsión
  
• Fuerza de cohesión
  
• Movimiento de partículas

CONCEPTOS:

• Energía Térmica (Calor)
  
• Temperatura
  
• Enlace
  
• Punto de Ebullición

En estas actividades las alumnas(os) realizarán actividades experimentales con el fin de identificar los cambios de estados de la materia que resultan de transferirle energía térmica. Se repasarán y desarrollan los conceptos de energía, energía térmica, temperatura, estados de la materia, fuerza de repulsión, fuerza de cohesión, enlace, y movimiento de moléculas (energía cinética).

Por medio de la Guía del Alumno 1 se demuestra como los cambios de estado se producen gracias a la transferencia de Energía Térmica (Calor). A través de la Guía del Alumno 2 se determina el punto de ebullición de diferentes sustancias.

GUIA DEL PROFESOR # 1

I. MOTIVACIÓN

Actividad de juego con dinámica grupal, para recordar las características de los estados de la materia; reconociendo los conceptos de fuerza de cohesión y fuerza de repulsión, entendiendo que la primera es aquella que permite la unión de las moléculas y la segunda la separación de ellas.

Estos conceptos son importantes para comprender que el enlace químico esta asociado a las fuerzas de cohesión.

Procedimiento

Juego de Partículas: La dinámica consiste en una actividad lúdica donde cada alumno hace las veces de moléculas y a una instrucción del profesor formarán alguno de los estados de la materia (juntándose o separándose según el estado físico de la materia solicitado). Terminado el juego el profesor (a) pregunta:

1. ¿Cómo se organizan las moléculas en el espacio cuándo el agua se encuentra en estado sólido? (respuesta: debido a las fuerzas de atracción que hay entre ellas, se encuentran ordenadas en un arreglo tridimensional en posiciones fijas).
2. ¿Cómo se organizan las moléculas en el espacio cuándo el agua esta en su estado gaseoso, (respuesta: las moléculas vencen las fuerzas de atracción y tienen libertad de movimiento para desplazarse, en principio pueden considerarse independiente unas de otras).
3. ¿Cuándo el agua esta en su estado liquido, cómo se organizan las moléculas en el espacio? (respuesta: las fuerzas de atracción les permiten desplazarse, sin embargo siempre están asociadas entre si).
4. ¿Cuál es la fuerza que separa las moléculas?
5. ¿Cuál es la fuerza que atrae las moléculas?
6. ¿Cómo son estas fuerzas en el estado líquido?

II. EXPLORACIÓN

Materiales (por grupo de trabajo)

• 1 vaso de precipitado de 250 ml
  
• 3 Vidrio Reloj
  
• 1 Trípode
  
• 1 Rejilla de asbestos (solo si se utiliza mechero)
  
• Caja de Fósforos (solo si se utiliza mechero)
  
• 1 Mechero Bunsen o Calentador eléctrico
  
• 1 Probeta 250 ml
  
• 1 Pinza de Madera
  
• 5 gramos de pastilla de alcanfor o naftalina o cera de abeja
  
• Agua potable 300 ml
  
• 0,5 gramos de cristales yodo
  
• 1 cubo de Hielo
  
• Toalla de papel
  

Procedimiento

1. Forme grupos de 5 alumnos
2. De instrucciones sobre algunas normas de seguridad: (Pueden estar expuestas durante toda la clase en forma de afiche)
   

Evitemos Accidentes Despeje la mesa de trabajo. Cuando encienda el calefactor o mechero Bunsen , ponga inmediatamente su cartel de encendido. Utilice pinzas de madera para tomar el vidrio reloj. El termómetro no debe tocar las paredes ni el fondo del vaso. No aspire los gases emitidos por las sustancias; ventile bien la sala. Coloque el vidrio reloj sobre toalla de papel para enfriarlo.

3. Lea la guía en voz alta antes que los alumnos(as) realicen la actividad.
4. Pida que un integrante del grupo recoja los materiales.
5. Mientras los alumnos realizan las actividades, verifique que los grupos están implementando los procedimientos descritos en la guía
6. Después que los alumnos han desarrollado las actividades de la Guía del Alumno 1, guié una discusión de las siguientes preguntas:
   

III. Desarrollo Conceptual

A. Actividad con agua congelada:

1. ¿A qué estado físico cambia el hielo?

2. ¿Por qué creen que el hielo se fundió?

3. ¿Qué clase de energía se utilizó en esta transformación?

B. Actividad con agua liquida y Naftalina o Alcanfor

1. ¿Qué cambios observaron en el agua al calentarla?

2. ¿Qué clase de energía se utilizó en esta transformación?

3. ¿Qué cambios observaron en la naftalina o alcanfor al calentar?

4. ¿Qué clase de energía se utilizó en esta transformación?

C. Actividad con Yodo:

1. ¿Qué cambios observaron en el yodo al calentarlo?

2. Si comparas los cambios observados anteriormente en los cristales de yodo, ¿Qué podrías decir de la rapidez de este cambio?

3. ¿Qué clase de energía se utilizó en esta transformación?

En este momento el profesor(a) planteará la idea de que para que se produzcan los cambios físicos tratados en las actividades realizadas en la Guía anterior debe existir TRANSFERENCIA DE CALOR (Energía Térmica).

Actividad de finalización de este ciclo

La profesora realiza nuevamente la actividad lúdica (Juego de Partículas) realizado en etapa de motivación, insistiendo en que los cambios físicos de la materia se producen gracias a la energía térmica que se transfiere. Preguntar:

En este juego, ¿Cuál vendría a ser la energía que se transfirió para iniciar el cambio de estado?

¿Afecta el calor al estado físico de la materia?

Guía del Alumno #1

Materiales:

N 1 vaso de precipitado de 250 ml
N 3 Vidrio Reloj
N 1 Trípode
N 1 Rejilla de asbestos (sólo sí utiliza mechero)
N Caja de Fósforos (sólo sí utiliza mechero)
N 1 Mechero Bunsen o Calentador eléctrico
N 1 Probeta 250 ml
N 1 Pinza de Madera
N 5 gramos de pastilla de alcanfor o naftalina o cera de abeja
N Agua potable 300 ml
N 0,5 gramos de cristales Iodo
N 1 cubo de Hielo
N Toalla de papel

Nota: Atiende las instrucciones sobre normas de seguridad para evitar accidentes en una actividad de laboratorio.

Procedimiento:

1. Lee la guía de trabajo con tu profesora.
2. Un integrante del grupo recoge los materiales de la mesa del profesor (a).
3. Lee atentamente las instrucciones de la guía de trabajo siguiendo paso a paso las instrucciones sobre la experiencia a realizar.

A. Actividad con hielo:

1. Arma el siguiente montaje: coloca sobre un vidrio reloj un cubo de hielo.
2. Observa y registra en la Tabla de Observaciones las características físicas del hielo.
3. Después que hayas completa la actividad B y C, vuelve a observar el sistema.
4. Registra los cambios observados.

1. En un vaso de precipitado de 250 ml, agregan 150 ml de agua potable. Cubran el vaso de precipitado con un vidrio reloj sobre el cuál deben colocar alcanfor o naftalina (Observe Fig. 1).
2. En la tabla de observaciones, anotan todas las características físicas que observan en este sólido (Naftalina o Alcanfor).
3. Con el mechero Bunsen o el calentador eléctrico calientan el sistema que se muestra en la Figura 1.

Figura 1


4. En la Tabla de observaciones, cada dos minutos anotan los cambios que van observando en la naftalina o alcanfor y también los cambios producidos en el agua del vaso de precipitado.

C. Actividad con Yodo:

1. En un vaso de precipitado de 250 ml, agregan 150 ml de agua potable. Colocan sobre este vaso, un vidrio reloj que contiene en la superficie 0,5 gr de cristales de Yodo
2. Anotan todas las características físicas que observan en este sólido (Yodo) en Tabla de Observaciones.
3. Aplica calor a este sistema con mechero Bunsen o calentador eléctrico. Cada un minuto, anotan sus observaciones de los cambios físicos del Yodo.

Vuelvan a observar el sistema con el hielo que montaron en la Actividad A. Registren cambios físicos que observan.

Después que hayas recogido todos los datos, contesta las siguientes preguntas:

A. Actividad con agua congelada:

1. ¿A qué estado físico cambia el hielo?
2. ¿Por qué creen que el hielo se fundió?
3. ¿Qué clase de energía se utilizó en esta transformación?

B. Actividad con agua liquida y Naftalina o Alcanfor

1. ¿Qué cambios observaron en el agua al calentarla?
2. ¿Qué clase de energía se utilizó en esta transformación?
3. ¿Qué cambios observaron en la naftalina o alcanfor al calentar?
4. ¿Qué clase de energía se utilizó en esta transformación?

C. Actividad con Yodo:

1. ¿Qué cambios observaron en el yodo al calentarlo?
2. Si comparas los cambios observados anteriormente en los cristales de yodo, ¿Qué podrías decir de la rapidez de este cambio?
3. ¿Qué clase de energía se utilizó en esta transformación?

Tabla de Observaciones de los Cambios Físicos de la Materia

• Demostrar que diferentes líquidos presentan distintos puntos de ebullición.
• Interpretar datos de los gráficos de temperatura v/s tiempo para cada uno de los líquidos.

• Si considera que las actividades con alcoholes son peligrosas para sus alumnos, puede hacerlas demostrativas.
  
• Puede integrar en esta actividad algunos alumnos(as) no mas de dos que participen como ayudante.
  

¿Creen que las temperaturas de ebullición de otros líquidos son diferentes que la del agua? ¿Por qué creen esto?

M 600 ml de agua potable
M 1 Termómetro
M Probeta graduada
M 1 Mechero Bunsen o Calentador eléctrico
M Trípode
M Rejilla de asbesto
M 1 caja Fósforos
M 1 hoja de papel milimetrado
M 1 Regla
M 1 Lápiz de mina

M 50 ml de agua potable
M 1 vaso precipitado de 200 ml

M 50 ml etanol
M 1 vaso de precipitado de 250 ml
M 1 vaso de precipitado 150 ml

M 50 ml metanol
M 1 vaso de precipitado de 250 ml
M 1 vaso de precipitado 150 ml

1. Forme grupos de 5 alumnos. Cada uno de estos grupos será identificado por el profesor con las letras A, B o C, según el líquido que les corresponda trabajar.
2. Antes de comenzar el trabajo de los grupos el profesor debe dar las instrucciones sobre algunas normas de seguridad respecto del uso de los materiales. Pueden estar expuestas durante toda la clase en un afiche que será colocado en un parte visible.
   

   Evitemos accidentes Despeje la mesa de trabajo. Cuando encienda el calefactor o mechero Bunsen, ponga inmediatamente su cartel de encendido. El termómetro no debe tocar las paredes ni el fondo del vaso precipitado. No aspire los gases emitidos por las sustancias; ventile bien la sala

3. Entregue guía de trabajo y léala con los alumnos.
4. Un integrante de cada grupo recoge los materiales de la mesa del profesor, los materiales estarán separados e identificados con letras A, B y C para el grupo que corresponda.
5. Dirija a los alumnos a desarrollar la Guía del Alumno 2.
6. Una vez que los grupos han recogido los datos para el líquido que se les asignó, la profesora necesita recoger los datos de cada grupo en la pizarra y consensuar los valores que se usarán para construir los gráficos comparando los puntos de ebullición
   
   • Escriba todos los valores para el líquido A. Si hay grandes discrepancias entre los valores de los distintos grupos, pregunte:
   • ¿Por qué creen que se produjeron estas discrepancias?
   • Para recoger los datos a usar en al construcción del gráfico, ¿Deberíamos sacar un promedio? ¿Usar la moda? ¿Usar la media?
   • Se repite procedimiento con los líquidos B y C.
7. Una vez que los alumnos han completado sus gráficos, guíe una discusión de los resultados que obtuvieron.
   

II. DESAROLLO CONCEPTUAL

Introduzca el concepto de punto de ebullición y de enlace químico.

Punto de Ebullición: es necesario distinguir los conceptos de evaporación y ebullición. La evaporación es el paso a la fase gaseosa de las moléculas que se encuentran en la superficie de un liquido y es un proceso que ocurre a cualquier temperatura. La presión ejercida por el vapor de un liquido aumenta con el aumento de la temperatura. El punto de ebullición normal de un liquido se define como la temperatura a la cual su presión de vapor es exactamente igual a la presion atmosférica. Cuando el agua hierve a la temperatura de 100 grados Celsius, su presión de vapor es de 760 mm (atmósfera), igual a la de la presión atmosférica circundante. En este punto todas las moléculas de agua (no sólo las que se encuentran en la superficie) están en condiciones de pasar a la fase gaseosa.

Enlace químico: corresponde a una descripción acerca de las fuerzas que mantienen unidos a los constituyentes de un compuesto químico. Los compuestos se pueden clasificar en:

Moleculares: son aquellos en los cuales las unidades fundamentales son las moléculas (ej: H20,CO2). En ellos los átomos se mantienen unidos por enlaces covalentes, resultantes de la comparticion de electrones de valencia entre los átomos enlazados.

Iónicos: son aquellos en los cuales las unidades fundamentales son los iones, partículas con carga eléctrica ya sea positiva o negativa (ej: NaCl ), las fuerzas de atracción entre estos iones es la que los mantiene unidos.

En los líquidos también existen fuerzas de atracción (enlaces)intermoleculares, las que explican que las moléculas se mantengan unidas en la fase liquida. El mayor punto de ebullición del agua frente a los otros líquidos se explica por mayores fuerzas de atracción intermolecular

Qué sucedió con la temperatura luego que los líquidos hirvieron:
Cuando se calienta con un mechero o calentador eléctrico un recipiente con agua, la energía térmica que se transfiere se utiliza en aumentar la energía cinética (de movimiento) de las moléculas del agua. Dado que la temperatura es directamente proporcional a la energía cinética, a medida que se le transfiere calor la temperatura del agua va progresivamente aumentando, lo que podemos comprobar si ponemos un termómetro en el agua. Cuando la temperatura del agua llega a 100ºC, se alcanza el punto de ebullición y, pese a que se sigue suministrando calor, la temperatura se mantiene constante. Esto significa que el calor suministrado al agua ya no se invierte en incrementar la energía cinética de las moléculas sino que en vencer las fuerzas de atracción(enlaces) entre ellas para permitirles pasar al estado gaseoso.

¿Cómo se determina el punto de ebullición de un líquido?

Guía del Alumno #2

Materiales comunes para cada uno los grupos:

N 600 ml de agua potable
N 1 Termómetro
N Probeta graduada
N 1 Mechero Bunsen o Calentador eléctrico
N Trípode
N Rejilla de asbesto
N 1 caja Fósforos
N 1 hoja de papel milimetrado
N 1 Regla
N 1 Lápiz de mina

Materiales específicos para cada grupo:

Grupo A

N 50 ml de agua potable
N 1 vaso precipitado de 200 ml

Grupo B

N 50 ml etanol
N 1 vaso de precipitado de 250 ml
N 1 vaso de precipitado 150 ml

Grupo C

N 50 ml metanol
N 1 vaso de precipitado de 250 ml
N 1 vaso de precipitado 150 ml

Nota: Atiende las instrucciones sobre normas de seguridad para evitar accidentes en una actividad de laboratorio.

Procedimiento

1. Lee atentamente la guía de trabajo con tu profesor.
2. Un integrante de cada grupo recoge los materiales de la mesa del profesor, los materiales estarán separados e identificados con letras A, B y C para el grupo que corresponda.

Grupo A

• Coloca en un vaso precipitado de 200 ml 50 ml de agua potable.
  
• Aplica calor al vaso precipitado que contiene agua con un mechero Bunsen o calentador eléctrico. Ver Figura 1.
  

Figura 1

• Mide la temperatura inicial del agua y regístrala en la Tabla de Datos.
  
• Controla la temperatura cada 2 minutos hasta que veas que el agua comienza a hervir. Luego de esto realice dos mediciones más, también cada dos minutos. Anota estos datos en la siguiente Tabla.
  

Grupo B

• Coloca dentro de una vaso precipitado de 250 ml 150 ml de agua potable.
  
• Dentro de un vaso precipitado de 150 ml coloca 50 ml de etanol.
  
• Luego introduce el vaso precipitado que contiene etanol dentro del vaso de precipitado que contiene el agua potable.
  
• Mide la temperatura inicial del etanol y regístrala en la Tabla de Datos.
  
• Aplica calor al sistema formado por los dos vasos precipitados (Baño Maria). Ver
  Figura 2.
  

Figura 2

• Controla la temperatura cada 2 minutos hasta que veas que el etanol comienza a hervir, luego de esto realiza dos mediciones más también cada dos minutos. Anota estos datos en la siguiente Tabla.

Grupo C

• Coloca dentro de una vaso precitado de 250 ml 150 ml de agua potable.
  
• Dentro de un vaso precipitado de 150 ml coloca 50 ml de metanol.
  
• Luego introduce el vaso precipitado que contiene etanol dentro del vaso de precipitado que contiene el agua potable.
  
• Mide la temperatura inicial del metanol y regístrala en la Tabla de Datos.
  
• Aplica calor al sistema formado por los dos vasos precipitados (Baño María). Ver Figura 3

Figura 3

• Controla la temperatura cada 2 minutos hasta que veas que el metanol comienza a hervir, luego de esto realiza dos mediciones más, también cada dos minutos. Anota estos datos en la siguiente Tabla.

Una vez que has recogido los datos para tu liquido espera que tu profesor(a) recoja en la pizarra los datos para todos los grupos y pasa cada líquido.

• Con los datos recogidos en la tabla construye un gráfico de temperatura v/s tiempo para cada uno de los líquidos(temperatura en la ordenada, tiempo en la abcisa).
• Compara los gráficos y determina los valores a los cuales la temperatura de cada liquido se mantuvo constante en cada caso. Ordénalas de mayor a menor.
• Sobre la base de los resultados de los gráficos, relaciona las zonas de temperatura constante con una característica que observaste en ese momento en los líquidos. El nombre que se le da a esa temperatura es punto de ebullición.
• Ahora compara tu grafico con los de los otros grupos y anota los puntos de ebullición correspondientes en tu cuaderno.
• Intenta dar una explicación acerca de porque son diferentes los valores de punto de ebullición de los líquidos ensayados.