Los gobiernos estatales y municipales frecuentemente dispensan sal como agente descongelante en las carreteras. Funciona al reducir efectivamente la temperatura de fusión del hielo. Este fenómeno, conocido como depresión del punto de congelación, también proporciona la base para una variedad de proyectos científicos. Los proyectos pueden variar de simples a intrincados, completos con predicciones matemáticas, dependiendo del nivel de grado del estudiante. Además, la lista de equipos necesarios incluye solo una olla y un termómetro.
Depresión del punto de congelación
Cuando los sólidos se disuelven en agua, forman partículas pequeñas y discretas. En el caso de sustancias orgánicas como el azúcar, las partículas consisten en moléculas de azúcar individuales. En el caso de las sales, como la sal de mesa, también conocida como cloruro de sodio, las partículas consisten en los iones cargados que forman la sal. La presencia de partículas en el agua interfiere con la capacidad de las moléculas de agua de unirse para formar un sólido a medida que la temperatura del agua se aproxima a su punto de congelación. La depresión del punto de congelación ocurre en todos los líquidos, no solo en el agua.
Midiendo la congelación
Un experimentador debe prestar especial atención a lo que está midiendo exactamente y cómo lo está midiendo. Esto se reduce a la cuestión fundamental de hacer las preguntas correctas. En este caso particular, ¿debería el experimentador preocuparse por lo que se congela más rápido o la temperatura a la que ocurre la congelación? La cuestión de qué se congela más rápido implica que si una muestra de agua y una muestra de agua con azúcar se colocaran en un congelador al mismo tiempo, una de ellas se congelaría antes que la otra. Pero, ¿qué información proporcionaría eso realmente? La velocidad con la que se congela una sustancia se relaciona, entre otros parámetros, con la capacidad de calor de la solución y la cantidad de sustancia. La mejor opción en este caso sería medir la temperatura a la que se congelan las soluciones porque esto responde a la pregunta más importante: ¿afectan las impurezas en el agua a su punto de congelación y, de ser así, en qué cantidad?
Getting Mathematical
Químicos y físicos han establecido bien la ciencia y las matemáticas detrás de la depresión del punto de congelación. Para estudiantes avanzados, o aquellos con un fuerte interés en matemáticas, la ecuación estándar para la depresión del punto de congelación, delta (T), de una solución es delta (T) = -k * m, donde k representa la constante de depresión del punto de congelación molal del disolvente y m representa la molalidad de la solución, o moles de partículas divididas por los kilogramos de disolvente. Esto parece más complicado de lo que realmente es. Suponiendo que el agua representa el único disolvente utilizado en el experimento, k = 1.86. Además, el azúcar, también conocido como sacarosa, exhibe un peso molecular de 342.3. La ecuación para la depresión del punto de congelación ahora se simplifica a delta (T) = -1.86 * (gramos de sacarosa /342.3 /kg de agua). Entonces, por ejemplo, si se disolvieron 10 gramos de sacarosa en 100 ml de agua, entonces 100 ml = 100 g = 0.100 kg, y delta (T) = -1.86 * (10 /342.3 /0.1) = -0.54 grados Celsius. Por lo tanto, esta solución debe congelarse a una temperatura de 0.54 grados Celsius por debajo del punto de congelación del agua pura.
Advanced Projects
Reorganizar la ecuación del Paso 3 permitiría que un experimentador midiera delta (T) y luego resuelve el peso molecular, MW, de sacarosa. Es decir, MW = (-1.86 * gramos de sacarosa) /(delta (T) * kg de agua). De hecho, muchos estudiantes de química de nivel secundario y universitario realizan experimentos en los que determinan experimentalmente el peso molecular de una sustancia desconocida. El método también funciona con respecto a los puntos de ebullición, excepto que el valor de k cambia a 0.52.
