Cinética de Disolución: Informe de Laboratorio de Química

LABORATORIO DE QUÍMICA. MARTES 14:00-17:00,
Informe de Laboratorio Nº1
CINÉTICA DE LA DISOLUCIÓN DE SÓLIDOS
Celeste Gaitan (2437470), Brayan A. Epieyu (2437051), Mauricio Gómez (2436847).
Facultad de Ciencias Naturales y Exactas
Universidad del Valle.
Cali, 15 de octubre del 2024
Resumen: En este experimento se tuvo como propósito el estudio de la cinética de disolución de un caramelo sólido
en agua destilada, evaluando en como la temperatura de los dos métodos utilizados afecta este proceso. Se realizó un
estudio cuantitativo para medir la masa del soluto disuelto en unidad de tiempo. Los resultados principales indicaron
que el método más adecuado para medir la velocidad de disolución de un sólido fue el método B, ya que minimiza los
errores, mostrando una incertidumbre relativa inferior al 1% en las mediciones. Asimismo, se observa que la disolución
del sólido aumentaba significativamente al incrementar la temperatura en cada método, lo que facilitaba la ruptura de
los enlaces del soluto. La principal conclusión es que la temperatura influye significativamente en la rapidez de
disolución, lo cual destaca su importancia en procesos químicos y aplicaciones prácticas.
PALABRAS CLAVE: Cinética, Disolución, Incertidumbre, Temperatura.
______________________________________________________________________________________________________
Introducción y objetivos
El proceso en el cual se forma una mezcla
homogénea entre dos sustancias químicas de
fuerzas intermoleculares similares se llama
disolución, y para que esta se dé a cabo, una de las
sustancias debe regir como solvente y la otra
como soluto. El solvente es aquella sustancia que
se encuentra normalmente de forma mayoritaria
en la mezcla y en la cual se disuelve el soluto. 1
Para el caso de una disolución de un soluto sólido
en un solvente líquido como es el agua, su
completa disolución se da cuando las grandes
partículas de soluto abandonan las posiciones en
sus estructuras y se incorporan a la disolución en
una interacción totalmente soluto-solvente. Para
determinar qué tan fácil es que esta disolución se
dé, se tiene en cuenta la solubilidad del soluto, la
cual se puede ver ampliamente favorecida por
grupos funcionales que permitan los enlaces de
hidrógeno, como es en el caso de -OH (hidróxidos)
y/o NH₂(aminos), donde la polaridad de estos
grupos facilita las interacciones dipolo-dipolo con
las moléculas de agua. 1
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Este proceso no sucede de forma inmediata y es
debido a que existe la cinética de disolución, la
cual estudia las velocidades en que se ejecuta la
mezcla y su valor es influenciado por diferentes
factores como la concentración, la composición de
las sustancias, la agitación, la temperatura, entre
otras. Esta cinética de disolución introduce la
variable de tiempo, teniendo en cuenta la
cantidad de masa de soluto que se diluye por
minuto en el solvente (M) Esta es una medida que
se puede obtener de forma experimental. 2
Respecto a las medidas experimentales su
precisión y exactitud dependen del instrumento
utilizado, del operador, y del método ejecutado,
donde cada aspecto introduce una incertidumbre
específica, que al asociarse para normalizar la
incertidumbre se puede considerar la
incertidumbre combinada que es la utilizada en la
medida permitiendo resultados más fieles y
acertados a la realidad. 3
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De esta forma en el presente estudio se tuvo como
objetivo determinar la cinética de disolución de
un sólido en un líquido, así como reconocer las
influencia de temperatura en la cinética de
disolución de sólidos, además de, considerar
incertidumbres presentes en la toma de las
medidas directas e indirectas y sus errores
asociados en la medición.
Metodología
El estudio consistió en determinar la cantidad de
masa disuelta por minuto de un caramelo de leche
en 200 mL, utilizando dos métodos distintos para
medir la variable.
Para cada método se utilizaron dos caramelos de
leche, los cuales previamente pesados en la
balanza gramera, se sumergieron en 200 ml de
agua destilada, cada uno en un vaso de
precipitado en igual agitación constante, pero
sometidos a diferentes temperaturas, donde para
el caso 1 el agua se encontraba a temperatura
ambiente y para el caso 2 el agua se mantenía a
alta temperatura (41ºc) sobre una plancha de
calentamiento. En cuanto al método A, cada
minuto los caramelos sumergidos fueron
extraídos de sus vasos para medir el cambio de
masa, hasta completar 11 mediciones.
Respecto al método B, no se realizaron
repeticiones, debido a que, se midió el tiempo que
tardó para cada caso la disolución total del
caramelo en el agua, sin extraerlo
Datos, cálculos y resultados
Método A
Al tomar todas las medidas del método A, se
obtuvieron diferencias de masas en las muestras
para cada tratamiento de temperatura. Aplicando
la estadística descriptiva se halló la desviación
estándar de las 11 muestras para cada
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temperatura (Ec. 1), resultando una desviación
estándar (𝜎!"1 ) para la temperatura 1 de 0,061 y
para la temperatura 2 de 0,205.
($1"$ )2 &($2"$ )2 &....& ($)"$)2
𝜎!"1 = $
!"1
(1)
Al ser un experimento repetido múltiples veces se
puede utilizar la desviación estándar calculada
anteriormente para hallar la incertidumbre
aleatoria del experimento (Ec. 2). En el caso de la
temperatura 1 la incertidumbre aleatoria fue de
𝛥𝐴𝐿 = 0,018 y de 𝛥𝐴𝐿 = 0,062 para la temperatura 2.
*
𝛥𝐴𝑙 = !"1
(2)
√!
Teniendo en cuenta la incertidumbre aleatoria, y
la incertidumbre instrumental en el experimento
del método A es posible hallar la incertidumbre
combinada (Ec. 3) la cual tuvo valores de 𝛥𝐶𝑂𝑀𝐵
= 0,0196 en temperatura 1 y 𝛥𝐶𝑂𝑀𝐵 = 0,0179
𝛥2
√3
𝛥𝐶 = $ 1 +
𝛥22
+ 𝛥2𝐴𝐿
√3
(3)
A partir de las incertidumbres combinadas se
puede considerar la medida de M con las cifras
significativas correctas, teniendo en cuenta que al
representar 𝛥𝐶𝑂𝑀𝐵 con una cifra significativa se
obtiene para ambos casos ± 0,02, siendo así se el
valor de MA1 sería de 0,36 ± 0,02 (g/min), y en
el caso MA2 de 0,68 ± 0,02 (g/min).
Considerando la incertidumbre combinada igual
a lo que representa la incertidumbre de M se
puede hallar la incertidumbre porcentual relativa
de la medida (Ec. 4), donde en MA1 el porcentaje
fue de 5,41% y en MA2 de 2,64%.
𝐼𝑛𝑐. 𝑅𝑒𝑙 (%) =
$%
&
⋅ 100
(4)
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Finalmente, todos los datos y cálculos realizados
en el Método A del experimento fueron
dispuestos en la tabla 1.
Tabla 1. Datos experimentales de masa diluida para
dos diferentes temperaturas del solvente – MÉTODO A
TEMPERATURA 1
TEMPERATURA 2
Temperatura ambiente
Temperatura alta
T0 = 26 ± 1 (ºC)
T0 = 41 ± 1 (ºC)
Tf = 27 ± 1 (ºC)
Tf = 55 ± 1 (ºC)
Tprom = 27 ± 1 (ºC)
Tprom = 48 ± 1 (ºC)
N 𝑚0 (g) ±
𝑚# (g)
𝑚0 (g)
𝑚# (g) ± 𝑀$1 (g/
±
min)
±
𝑀$2 (g/
min)
1
9,24
8,85
0,39
9,43
8,75
0,68
2
8,85
8,52
0,33
8,75
7,78
0,97
3
8,52
8,03
0,49
7,78
6,59
1,19
4
8,03
7.65
0,38
6,59
5,75
0,84
5
7,65
7,20
0,45
5,75
4,95
0,80
6
7,20
6,87
0,33
4,95
4,07
0,88
7
6,87
6,56
0,31
4,07
3,56
0,51
8
6,56
6,22
0,34
3,56
3,01
0,55
9
6,22
5,87
0,35
3,01
2,65
0,36
10
5,87
5,55
0,32
2,65
2,31
0,34
11
5,55
5,26
0,29
2,31
1,96
0,35
Método B
Frente al método B se tiene que al no presentar
diferentes tipos de incertidumbres, se puede
calcular la incertidumbre de M (Ec. 5) usando las
incertidumbres instrumentales de la balanza y el
cronómetro utilizados en esta práctica. Los
resultados arrojaron Δ𝑴= 0,00022 en el caso de
MB1 y Δ𝑴=0,00042 en el caso de MB2.
𝛥𝑚
𝛥𝑡
0
𝑡
(5)
𝛥𝑀 = 𝑀 ∗ [( 𝑚 ) + ( 𝑡 )
Una vez se obtiene la incertidumbre de la medida
M, se puede expresar nuevamente con las cifras
significativas correctas, donde para esto las
incertidumbres se representan con una sola cifra
significativa. Siendo así, la medida de M para MB1
sería 0,1751 ± 0,0002 (g/min) y para MB2 sería
0,2757 ± 0,0004 (g/min).
Similar al método A, se puede calcular la
incertidumbre porcentual relativa de M (Ec. 4)
obteniendo que el porcentaje de MB1 resultó de
un 0,12% y el de MB2 de un 0,15%.
Los resultados anteriormente calculados se
encuentran dispuestos junto con los datos
experimentales en la tabla 2.
Tabla 3. Datos experimentales de masa diluida para
dos diferentes temperaturas del solvente – MÉTODO B
𝑀 = 0,36
𝑀 = 0,68
𝜎%&1 = 0,061
𝜎%&1 = 0,205
Temperatura 1
Temperatura 2
Temperatura ambiente
Temperatura alta
𝛥𝐴𝐿 = 0,018
𝛥𝐴𝐿 = 0,062
T0 = 26 ± 1 (ºC)
T0 = 44 ± 1 (ºC)
𝛥𝐼𝑁𝑆𝑇 = 0,01
𝛥𝐼𝑁𝑆𝑇 = 0,01
TF = 27 ± 1 (ºC)
TF = 40 ± 1 (ºC)
𝛥𝐶𝑂𝑀𝐵 = 0,0196
𝛥𝐶𝑂𝑀𝐵 = 0,0179
MA1 = 0,36 ± 0,02 (g/min) MA2 =0,68±0,02 (g/min)
Inc Rel % = 5,41%
Inc. Rel. % = 2,64%
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Tprom =
m0 (g)±
9,17
27
± 1 (ºC)
tt
(min) ±
0,01
52,37
Tprom = 42 ± 1 (ºC)
(g/min)
m0 (g)±
0,01
0,1751
8,04
MB1
tt
(min)±
0,01
29,16
| 3
MB2
(g/min)
0,2757
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Δ𝑚0=
0,01(g)
Δ𝑡𝑡=
0,01 (s)
Δ𝑴=
0,00022
Δ𝑚0=
0,01(g)
Δ𝑡𝑡=
0,01 (s)
Δ𝑴=
0,00042
MB1 = 0,1751 ±0,0002
(g/min)
MB2 = 0,2757 ± 0,0004
(g/min)
Inc.Rel.(%) = 0,12%
Inc.Rel.(%) = 0,15%
Finalmente a partir de los cálculos realizados en
esta sección se puede hacer un resumen de las
medidas de M con sus cifras significativas
correctas y su incertidumbre porcentual relativa
para cada temperatura en ambos métodos, esto se
representa en la tabla 3.
Tabla 3. Cantidad de masa del soluto diluida en unidad
de tiempo (M) para cada temperatura en ambos
métodos utilizados.
Temperatura 1
Temperatura 2
M1± Δ
(g/min)
Inc. Rel. (%)
M2± Δ
(g/min)
Inc. Rel. (%)
Método A
0,36 ± 0,02
5,41 %
0,68 ± 0,02
2,64%
Método B
0,1751 ±
0,0002
0,12%
0,2757 ±
0,0004
0,15%
Análisis de resultados y Discusión
Se puede considerar que el método B en la
temperatura 1 provee mayor precisión, debido a
que como se observa en la tabla 3, este tuvo una
incertidumbre relativa de 0,12% frente a el
método A con una incertidumbre del 5,41%,
donde se conoce que una incertidumbre menor a
1% representa una gran precisión en los datos de
una medida experimental, teniendo en cuenta,
además que entre menor sea el valor de la
incertidumbre relativa mayor será la precisión de
los datos tomados. De la misma forma, al
observar las incertidumbres porcentuales
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relativas se tiene que en la temperatura 2, el
método más preciso es también el método B
(Tabla 3) que se presenta un porcentaje de
0,15%, frente al método A con un porcentaje de
2,64%. 4
Teniendo en cuenta lo anterior, se puede
considerar más confiable el método B, ya que
aporta más cifras significativas al tener una
incertidumbre mucho menor a la del método A,
además, de presentar los valores de
incertidumbre relativa
más bajos en cada
temperatura.
Para considerar las modificaciones que haría el
otro método más confiable se deben de buscar los
posibles errores presentados en el método, donde
inicialmente, no se tuvo en cuenta el tiempo de
reacción de un ser humano al ejecutar el conteo
del cronómetro, esta incertidumbre de tiempo de
reacción sería importante para representar el
resultado de una forma más precisa, debido a
que, se reconoce que el tiempo de reacción de una
persona al ejecutar y pausar un cronómetro es de
más o menos 0.15 s, y esto aporta un error
desconocido en cada medida ya que no se tuvo
presente para el cálculo de incertidumbres, por
otro lado, la ejecución al sacar cada muestra del
recipiente cada un minuto es un proceso que
requiere habilidad pues esta muestra puede
deslizarse en varias ocasiones de la pinza y volver
al recipiente incluso cuando ya ha pasado el
minuto. Una posible solución sería el uso de una
herramienta distinta facilite el proceso de extraer
la muestra sin errores, finalmente, se debe
considerar mantener la temperatura constante en
el caso de alta temperatura para homogeneizar
los resultados ya que entre más pasa el tiempo,
suele calentarse más la mezcla, variando hasta 7
grados más de su temperatura inicial.
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Si depende M de la temperatura del solvente,
donde entre más alta sea la temperatura mayor
será el valor de M reflejando una relación
directamente
proporcional
entre
ambas
magnitudes, esto sucedió de forma experimental
y concuerda con la teoría donde se conoce que al
aumentar la temperatura se favorece el
movimiento de las moléculas en la solución, con
ello su rápida difusión. Además, una temperatura
elevada hace que la energía de las partículas del
sólido, iones o moléculas sea alta y puedan
abandonar con facilidad su superficie,
disolviéndose. El calentamiento de un disolvente
da a las moléculas más energía cinética.
El aumento del movimiento rápido significa que
las moléculas de disolvente chocan con el soluto
con mayor frecuencia, y que las colisiones
ocurren con más fuerza. Ambos factores
aumentan la velocidad a la que se disuelve el
soluto.5 Este fenómeno es fácil de apreciar en el
caso experimentado, debido a que, el caramelo de
leche, por sí mismo tiene una alta solubilidad
debido a su composición abundante en azúcares,
entre los cuales están, la glucosa, la fructosa y la
sacarosa que debido a su presencia de grupos
hidrofílicos permiten las interacciones con el
agua.6 7
de pinanosa y la fructosa como furanosa
(Figura 2).7
Figura 2. Sacarosa y su enlace O-glucosídico entre la
glucosa y la fructosa.
La Glucosa: La glucosa es el principal
monosacárido en la naturaleza que proporciona
energía a las células de una amplia gama de
organismos, que va desde los más simples como
la levadura hasta los más complejos como el ser
humano (Figura 3). Proporciona energía a la
célula. Forma parte de moléculas más complejas.8
Preguntas
1) La Sacarosa: Llamada comúnmente
azúcar, es un disacárido formado por una
molécula de fructosa y una de glucosa,
unidas por su grupo reductor: Es a la vez
un glucósido y un fructósido. Se determinó
su estructura por la meticulación e
hidrólisis
posterior,
donde
pudo
establecerse que la glucosa está en forma
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Figura 3. Estructura general de la glucosa
La Fructosa: son polímeros que contienen enlaces
glicosídicos
fructosa-fructosa
en
su
estructura(Figura 4). Es el azúcar principal de las
frutas y la miel.9
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Figura 4. Formación de la unión adhesiva mediante un
adhesivo sin reacción química.
Particularmente, las fuerzas de van der Waals
(fuerzas dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido y
las fuerzas de dispersión) son responsables de las
propiedades adhesivas de diferentes polímeros.8
Figura 4. Estructura general de la fructosa
2. Las fuerzas intermoleculares son fuerzas de
atracción entre las moléculas y estás tienen una
gran influencia en las propiedades físicas de la
materia condensada como los líquidos y los
sólidos.
Las fuerzas intermoleculares dan origen a las
fuerzas de adhesión (figura 5) en los polímeros
adhesivos que no producen reacciones químicas.
Particularmente, las fuerzas de van der Waals
(fuerzas dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido y
las fuerzas de dispersión) (figura 2) son
responsables de las propiedades adhesivas de
diferentes polímeros.10
La adhesión se produce una vez que el polímero
solidifica o se evapora el disolvente. Dado que en
este tipo de adhesivos no ocurre la formación de
nuevos enlaces, el fenómeno de adhesión se debe
al establecimiento de fuerzas intermoleculares
entre las cadenas poliméricas del adhesivo.10
Figura 5. Fuerzas intermoleculares establecidas en
diferentes materiales adhesivos.
3. Sí, esperaría que los resultados de M fueran
significativamente muy diferentes. Por cada uno,
la distribución de la masa afectaría cómo se
disuelve el caramelo. Una lámina de caramelo
tiene más área superficial expuesta al solvente
que una bola, lo que significa que se disuelve más
rápido que un caramelo esférico con la misma
masa que la lámina.2 5 6
4. Sí, los resultados de M serían marcadamente
diferentes. Ya que la agitación ayudó a que el
soluto se disolviera uniformemente en el
solvente, lo que aceleró la disolución. Sin
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agitación, el soluto se disolvería de una manera
más lenta y menos uniforme, lo que afectaría el
tiempo y la manera de la disolución del caramelo.2
56
Además, se describe que un aumento en la
temperatura incrementa la velocidad de difusión
en soluciones acuosas, lo que también ayuda a
obtener los resultados.
Referencias
Conclusión
Según los resultados obtenidos, se observa que el
método A y B difieren en precisiones
concretamente muy diferentes. En el Método A se
observa que la incertidumbres relativa en ambas
temperaturas son altas, con valores de 5.56%
para la temperatura 1 y 2.94% para la
temperatura 2, lo que indica que hay una
variabilidad notoria en los resultados.
Posteriormente en el Método B se observa una
mayor consistencia y precisión, con resultados de
incertidumbres relativas de 0,11% y 0,15% en la
temperatura 1 y 2. Mediante estos resultados se
muestra como el Método B es más confiable y
adecuado para la medición precisa de la masa
diluida por unidad de tiempo en el experimento.
Para obtener mejores resultados se debe mejorar
el control de las condiciones experimentales:
Dado que las fluctuaciones en la temperatura
pueden influir en los resultados, se debe tener en
cuenta realizar los experimentos en un ambiente
controlado, con una mejor regulación de la
temperatura, especialmente para el Método A.
Entre mayor son los números de repeticiones esto
ayudaría a minimizar el impacto de posibles
errores aleatorios y a obtener un valor más
confiable de la masa diluida.
Se observa que el aumento en la temperatura
facilita la dilución, lo cual se obtuvo una serie de
resultados en la experimentación realizada.
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Universidad del Valle
[1] Ruiz Ojeda, M. P.; Muñoz Leoz, B. Fundamentos
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