Reacciones endotérmicas y exotérmicas

NOTA :Esta actividad se sugiere como experiencia de cátedra. El profesor determinará si la llevan a cabo los alumnos o si la realiza de manera demostrativa dependiendo del tiempo con el que cuente.
En todo cambio químico ocurre algún cambio de energía, ésta se capta o se genera. Muchas reacciones liberan energía como la combustión de la madera y se considera exotérmica. Otras reacciones absorben energía como la descomposición del agua (electrolisis), la cual no ocurre a menos que se pase energía en forma de corriente eléctrica a través del agua, a esta reacción se le considera endotérmica.

Problema:
¿Qué evidencias experimentales nos permiten determinar cuándo una reacción es exotérmica y cuando es endotérmica?

Hipótesis: 
Si combinamos las sustancias, se pueden realizar las reacciones exotérmicas ya que sabemos que estas liberan calor suficiente para mantener la sustancia o la simple reacción a una temperatura elevada.

Objetivos:
Reconocer que los cambios químicos de la materia siempre van acompañados de absorción o desprendimiento de energía. Clasificar las reacciones químicas en endotérmicas y exotérmicas.

Preparación:
Materiales:

• Termómetro
• 8 tubos de ensayo
• Balanza
• Espatula
• Pipeta

Sustancias

• Agua destilada
• Hidróxido de sodio (lentejas)
• Zinc en polvo
• Yodo
• Nitrato de amonio
• Ácido clorhídrico concentrado

Medidas de seguridad:
Usa bata de laboratorio.No tomes las sustancias directamente, utiliza espátula en el caso de los sólidos y pipeta para los líquidos.

Procedimiento:
     
     a) Llena la cuarta parte de un tubo de ensayo con agua y mide su temperatura. Agrega una lenteja de hidróxido de sodio (tómala con la espátula) y disuélvela en el agua. Toca la parte inferior del tubo y con el termómetro registra la temperatura después de agregar la lenteja. 

  

   b) Agrega 2 ml de agua destilada en un tubo de ensayo, mide la temperatura y agrega 1 ml de ácido clorhídrico concentrado.Toca el tubo y mide la temperatura final.

     c) Esperar a que las sustancias de los tubos a y b se encuentren a temperatura ambiente. Combina el contenido de estos tubos sin olvidar registrar la temperatura inicial o final.

   
 d) Coloca 1g de nitrato de amonio en un tubo de ensayo. Agrega 10ml de agua destilada y toma la temperatura. Agita el contenido del tubo y registra la temperatura final

     











e) En un tubo de ensayo combina 0.5g de zinc en polvo con 0.5g de yodo y agrega una o dos gotas de agua. Determina la temperatura antes y después de la combinación.

Observaciones:
Tubo de ensayo 1

• 1/4 de agua destilada;su temperatura fue 23°C
• Disolución de agua destilada con hidróxido de sodio tuvo una temperatura de 25°C
  

Tubo de ensayo 2

• Disolución de agua destilada con ácido clorhídrico concentrado: su temperatura fue de 30°C

Tubo de ensayo 3

• Disolución 10 ml de agua destilada con 1g de nitrato de amonio tubo una temperatura de 18°C antes de agitar y 22°C después de haber sido agitada por lo que es una sustancia exotérmica.

Tubo de ensayo 4

• Disolución de 0.5g de zinc en polvo con 0.5g de yodo con 2 gotas de agua destilada; antes de la combinación tubo una temperatura de 40°C  y después de la combinación tubo 54°C por lo que es una sustancia exotérmica.
  

Tubo de ensayo 1 y 2

• ambas sustancias de ambos tubos combinados terminan con una temperatura de 26°C

Análisis y conclusión:

1. ¿En qué evidencias te basaste para determinar si una reacción es endotérmica?R=En la temperatura de las sustancias antes y después de la mezcla; y si después de la mezcla la temperatura de la sustancia disminuye es endotérmica.
2. ¿En que evidencia te basaste para determinar si una sustancia es exotérmica? R=En la temperatura de la mezcla después de la combinación, si aumento es exotérmica.
3. ¿A que atribuyes que en una reacción endotérmica la temperatura final es menor a la inicial? R=A que la reacción endotérmica absorbe energía.
4. ¿ A que atribuyes que en una reacción exotérmica la temperatura final es mayor a la inicial? R= A que la reacción exotérmica desprende energía.

Modelos atómicos

Modelo atómico de Dalton

Fue el primer modelo atómico con bases científicas, formulado en 1803 por John Dalton. El modelo permitió aclarar por primera vez por qué las sustancias químicas reaccionaban en proporciones estequiométricas fijas y por qué cuando dos sustancias reaccionan para formar dos o más compuestos diferentes, entonces las proporciones de estas relaciones son números enteros.
Ejemplo 

12 g de carbono (C), pueden reaccionar con 16 g de oxígeno (O₂) para formar monóxido de carbono (CO) o pueden reaccionar con 32 g de oxígeno para formar dióxido de carbono (CO₂).

 El modelo aclaraba que aun existiendo una gran variedad de sustancias diferentes, estas podían ser explicadas en términos de una cantidad más bien pequeña de constituyentes elementales o elementos.

Modelo atómico de Thomson

Es una teoría sobre la estructura atómica propuesta en 1904 por Joseph John Thomson quien descubrió el electrón en 1898, mucho antes del descubrimiento del protón y del neutrón. En dicho modelo, el átomo está compuesto por electrones de carga negativa en un átomo positivo. 

Se pensaba que los electrones se distribuían uniformemente alrededor del átomo. En otras ocasiones, en lugar de una nube de carga negativa se postulaba con una nube de carga positiva.El átomo considera como una esfera con carga positiva con electrones repartidos como pequeños granulos. La herramienta principal con la que contó Thomson para su modelo atómico fue la electricidad.

Modelo atómico de Rutherford

Es un modelo atómico o teoría sobre la estructura interna del átomo. Fue el primer modelo atómico que consideró al átomo formado por dos partes: la "corteza", constituida por todos sus electrones, girando a gran velocidad alrededor de un "núcleo" muy pequeño; que concentra toda la carga eléctrica positiva y casi toda la masa del átomo.

 Rutherford llegó a la conclusión de que la masa del átomo se concentraba en una región pequeña de cargas positivas que impedían el paso de las partículas alfa. Sugirió un nuevo modelo en el cual el átomo poseía un núcleo o centro en el cual se concentra la masa y la carga positiva, y que en la zona extranuclear se encuentran los electrones de carga negativa.

La importancia del modelo de Rutherford residió en proponer por primera vez la existencia de un núcleo en el átomo, propuso que los electrones orbitarían en ese espacio vacío alrededor de un minúsculo núcleo atómico, situado en el centro del átomo.

Modelo atómico de Bohr

Es un modelo clásico del átomo, fue el primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización,cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos. Además incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico, explicado por Albert Einstein en 1905.

Bohr se basó en el átomo de hidrógeno. intentaba realizar un modelo atómico capaz de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción discretos que se observan en los gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo atómico de Bohr partía conceptualmente del modelo atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre cuantización .

 Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante.

Primer postulado

Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo del átomo sin radiar energía.

La causa de que el electrón no radie energía en su órbita es, de momento, un postulado, ya que según la electrodinámica clásica una carga con un movimiento acelerado debe emitir energía en forma de radiación.

Para conseguir el equilibrio en la órbita circular, las dos fuerzas que siente el electrón: la fuerza coulombiana, atractiva, por la presencia del núcleo y la fuerza centrífuga, repulsiva por tratarse de un sistema no inercial, deben ser iguales en magnitud en toda la órbita.

Segundo postulado

No toda órbita para electrón está permitida, tan solo se puede encontrar en órbitas cuyo radio cumpla que el momento angular, , del electrón sea un múltiplo entero de  Esta condición matemáticamente se escribe:

Tercer postulado

El electrón solo emite o absorbe energía en los saltos de una órbita permitida a otra. En dicho cambio emite o absorbe un fotón cuya energía es la diferencia de energía entre ambos niveles. Este fotón, según la ley de Planck tiene una energía

Quimica general. En R. A. Cruz, Quimica general. Mexico : McGraw-Hill.

Fundamentos de quimica . En D. E. Goldberg. Mexico DF: McGraw-Hill.

Gomez, C. G. Quimica general en cuestiones. En C. G. Gomez, Quimica general en cuestiones. EUA: Addison-Wesley Iberoamericana S.A.

Quimica version moderna. En G. G. Guerra. México DF: Limusa.

Fundamentos de quimica general. En L. Lucea. México Df: Alhambra.

Pierce, J. B. (1979). Quimica de la materia. En J. B. Pierce, Quimica de la materia. Mexico df: Publicaviones cultural S.A.

(2003). Quimica. En Z. Sarmiento, Quimica. México: McGraw-Hill.

Practica de química: electrolisis del agua

La electrolisis es la separación de compuestos por medio de electricidad. Se produce al sumergir dos electrodos, un ánodo y un cátodo, en un líquido electrolítico como la disolución acuosa de hidróxido de sodio, y conectados a una fuente de energía eléctrica como una batería o fuente de poder. Cuando la corriente directa fluye se produce una reacción química.

Problema:

¿Que evidencias se deberán obtener durante la electrolisis para afirmar que el agua es un compuesto o un elemento? 

Hipótesis:

Aplicamos energía al compuesto, las cargas negativas y positivas se va a separar cada elemento hidrógeno y oxígeno.

Objetivo:

Observar la electrolisis del agua para determinar si es un compuesto o un elemento.

Preparación:

Materiales:

• Aparato de Hoffman
• Fuente de poder (pilas)
• cables conectores con caimanes
• disolución de hidróxido de sodio 1M como electrolito
• tubos de ensayo
• probeta de 10 ml

Medidas de seguridad:

Usa bata de laboratorio. Maneja con cuidado los reactivos, ya que las disoluciones de hidróxidos y ácidos son corrosivas. Al terminar el experimento vacía la disolución empleada del electrolito sobrante en un recipiente para su reuso.

Procedimiento:

1. En un cristalizador vierte la disolución de Hidróxido de sodio, llena dos tubos de ensayo  con esta disolución y ponlos parados en este mismo recipiente.
   
2. Introduce los caimanes conectados a las pilas dentro de los tubos de ensayo.
   
3. Los caimanes con el grafito empezaran a mostrar la reacción por medio de burbujas.
   
4. La disolución mediante la reacción va a ir bajando de nivel.

   

   cuando el nivel del agua haya rebasado la curva marca una linea
   

5. saca los tubos del recipiente poniéndolos de forma vertical,llena de agua hasta donde marcaste la linea,después vierte esa agua en la probeta de 10 ml.

6. Observar los mililitros que marcan ambos tubos por separado y dividir la cantidad

Datos y observaciones:

¿Que se observa en el polo positivo?

R= Que ahí es donde se desprende el oxígeno,es un ánodo

¿que se observa en el polo negativo?

R= Es donde se desprende el Hidrógeno, es un cátodo

¿Existe diferencia en la cantidad de gas que se deposita en cada tubo?

R= Un tubo tiene mas que otro

¿Que tipo de corriente eléctrica se aplicó, directa o indirecta?

R= Directas

¿Que gas identificaste en el ánodo?

R= El oxígeno

¿Que gas identificaste en el cátodo?

R= El hidrógeno

¿En que proporción se obtienen los gases obtenidos?

R=2 a 1

¿Cual de los gases se obtuvo en mayor proporción?

R= El hidrógeno

  

Conclusión:

La conclusión es que el agua si se puede separar en sus dos componentes por medio de la electrolisis y que el hidrógeno efectivamente siempre estará en mayor proporcion que el oxígeno. Y con esto se comprueba que el agua es un compuesto.

  

Práctica de laboratorio: Síntesis del agua

Los compuestos son combinaciones químicas de  los elementos. Cuando se unen dos o más para formar un compuesto se lleva a cabo una reacción química llamada síntesis o combinación. Muchas reacciones químicas de los elementos para formar compuestos son espectaculares, pero deben efectuarse en condiciones especiales de laboratorio porque son riesgosas.

PROBLEMA:                                                                  ¿Qué ocurre cuando reaccionan entre sí el hidrógeno y el oxígeno?

HIPÓTESIS:

mediante  una proporción de 2 volúmenes de hidrógeno y 1 volumen de oxígeno,al hacer una reaccion quimica de sintesis nos va a dar como resultado H2O (Agua).

OBJETIVO:

Observar una reacción química de síntesis.

PREPARACIÓN:

Materiales:,

• soporte universal completo,
•  mechero Bunsen, 
• un tapón monohoradado,
• una caja de plastico
•  2 tubos de ensayo
• pinzas para tubo de ensayo 
• una botella de coca-cola de vidrio 500ml

sustancias:

•  ácido clorhídrico al 50%, 
• zinc, 
• agua oxigenada, levadura fresca.

PROCEDIMIENTO:

I. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO

Coloca en el tubo de ensayo un poco de zinc y tápalo con un tapón monohoradado por el que penetre un tubo de vidrio en forma de L. Monta un sistema de recolección de gas utilizando la botella de vidrio llana de agua e invertida (el hidrógeno no es soluble en agua);

en el mismo tubo de ensayo donde esta el zinc agrega ácido clorhídrico al 50% para iniciar la reacción.

Permite que burbujee en el agua el aire contenido en la manguera por unos 30 segundos y colecta el gas en la botella hasta que desplace las dos terceras partes de su contenido de agua. Mantén dentro de la cuba la botella que contiene el gas.

Nota: se recomienda marcar el volumen de la botella, previamente, en tres posiciones que representen 1/3 del volumen, cada uno, y así te será más fácil medir cuánta agua tienes que desalojar al introducir cada uno de los gases.

II. PRODUCCIÓN DE OXÍGENO

Utilizando el mismo sistema de recolección de gases, agrega en un tubo de ensayo clorato de potasio. Colócalo en el soporte universal para poder calentarlo, antes de esto, tápalo con el tapón monohoradado junto con el tubo en forma de L. Enciende el mechero, de manera que llegue directamente al tubo de ensayo. Es así como se va calentando el clorato de potasio para poder obtener el oxígeno. 

Déjalo calentando hasta que el agua de la botella se salga.

Para sacar la botella, colócala de forma vertical para que el gas no se salga, y con ayuda de alguien, pongan en tapón rápidamente.

III. COMBINACIÓN QUÍMICA DE HIDRÓGENO Y OXÍGENO 

Sujeten firmemente la botella, retiren el taponde la botella e inmediatamente enciendan un cerillo, acerquenlo cuidadosamente a laboca de la botella.  Escucha y observa (sin soltar la botella).

Datos y observaciones

¿Que se observa al reaccionar el ácido clorhídrico con el zinc?

R= La sustancia sustancia empieza a burbujear y se calienta

¿Qué se observa al reaccionar agua oxigenada con el catalizador?

R= Burbujea en la botella, esta se va llenando de los gases y el agua va disminuyendo.

¿Por qué es importante marcar volúmenes de 1/3 en la botella?

R=Para ver la cantidad de gas que se va a introducir en la botella y medir cuánta agua se tiene que desalojar al introducir cada uno de los gases

¿Cuáles son las evidencias de que ocurrió una reacción química al acercar la flama a la boca de la botella?

R=al acercar el cerillo a la boca de la botella los gases se liberan y tocan la flama,al hacer esto saca una especie de luz con un sonido de trueno.

Análisis

Una vez recolectados los dos gases dentro de la botella, ¿el contenido es una mezcla o un compuesto? Explica tu respuesta.

R= Es un compuesto porque el agua es una sustancia cuya molécula (parte mínima de un compuesto que conserva sus propiedades) está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno

¿Por qué es necesario acercar una flama para generar la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno?

R= Porque es una reacción exotérmica y es aquella reacción química que desprenda energía.

Tomando en cuenta lo realizado en el laboratorio para la síntesis del agua, ¿qué opinas respecto al rendimiento de esta reacción?

R= mediante esta reaccion se logro obtener agua solo que fue una muy pequeña cantidad apenas una gota.

Conclusión

La síntesis del agua es el resultado de la unión de dos elementos: hidrógeno y oxígeno, en donde  se necesitan 2 volúmenes de hidrógeno y 1 volumen de oxígeno y  cuando hacemos uso de una energía calorífica es cuando ocurre la reacción química y se forma el agua.