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2° medio · Química
Propiedades coligativas de las soluciones · Propiedades coligativas y su importancia cotidiana e industrial

Investigación experimental de propiedades coligativas

En invierno, en el Paso Los Libertadores, los camiones esparcen sal sobre el hielo. En los autos se agrega aditivo al agua del radiador. ¿Cómo podrías comprobar tú, en el laboratorio del liceo, que una sustancia disuelta cambia la temperatura de congelación del agua, y cómo sabrías que tu conclusión es confiable?

De la pregunta a la hipótesis

Una investigación parte de una pregunta que se pueda responder midiendo. Por ejemplo: «¿Cuánto baja el punto de congelación del agua al disolver sal?».

La hipótesis es una respuesta tentativa, basada en lo que ya sabes, y debe poder ponerse a prueba. Tiene la forma «si… entonces…» e indica qué cambia y qué esperas medir.

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Un curso de II medio quiere investigar si agregar azúcar al agua modifica su temperatura de ebullición. Escribe una hipótesis que pueda ponerse a prueba con un…

Un curso de II medio quiere investigar si agregar azúcar al agua modifica su temperatura de ebullición. Escribe una hipótesis que pueda ponerse a prueba con un experimento. Indica además qué resultado la apoyaría y cuál la refutaría.

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Variables y diseño experimental

En un experimento se separan tres tipos de variables:

Tipo Qué es Ejemplo (sal en agua)
Independiente Lo que tú cambias a propósito Masa de sal: 0, 5, 10, 15 g
Dependiente Lo que mides como respuesta Temperatura de congelación
Controlada Lo que mantienes igual para que no interfiera Volumen de agua, tipo de soluto, termómetro, forma de agitar

El porqué: si cambias dos cosas a la vez, no sabrás cuál produjo el efecto. Por eso se cambia una sola variable independiente y todo lo demás se controla.

Esquema de variables: la independiente se cambia, la dependiente se mide y las controladas se mantienen iguales. Independiente (la cambio) Dependiente (la mido) Controladas (las mantengo) Causa → efecto, con el resto igual
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En el laboratorio del liceo, un grupo disuelve 0 g, 5 g, 10 g y 15 g de sal en 200 mL de agua cada vez. Luego mide la temperatura a la que cada mezcla comienza a…

En el laboratorio del liceo, un grupo disuelve 0 g, 5 g, 10 g y 15 g de sal en 200 mL de agua cada vez. Luego mide la temperatura a la que cada mezcla comienza a congelar. Identifica la variable independiente, la variable dependiente y al menos dos variables que deben mantenerse controladas.

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Isidora quiere comparar si la sal o el azúcar bajan más el punto de congelación del agua. Para la sal usa 50 mL de agua y 5 g de soluto. Para el azúcar usa 200 mL de…

Isidora quiere comparar si la sal o el azúcar bajan más el punto de congelación del agua. Para la sal usa 50 mL de agua y 5 g de soluto. Para el azúcar usa 200 mL de agua y 20 g de soluto. Además, lee el termómetro sin agitar y solo una vez.

  1. a) Identifica al menos tres errores en el diseño de su experimento.
  2. b) Propón cómo corregirlos para que la comparación sea válida.
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Instrumentos y mediciones confiables

Cada instrumento mide o controla una magnitud:

Instrumento Magnitud
Balanza Masa de soluto y de solvente (g)
Probeta Volumen de líquido (mL)
Termómetro Temperatura (°C)
Vaso de precipitado Contiene la solución (no mide con precisión)
Agitador Homogeniza la solución y la temperatura

Para usar la molalidad conviene medir el solvente en masa: $m = \dfrac{n_{\text{soluto}}}{\text{kg de solvente}}$.

Repetir las mediciones (por ejemplo, tres veces) sirve para detectar errores al azar: una lectura mal hecha o una corriente de aire se notan, y el promedio es más confiable que un solo dato. Un resultado que no se repite no es una buena evidencia.

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Para medir el descenso del punto de congelación de una solución salina se dispone de los siguientes materiales: balanza, termómetro, probeta, vaso de precipitados y…

Para medir el descenso del punto de congelación de una solución salina se dispone de los siguientes materiales: balanza, termómetro, probeta, vaso de precipitados y agitador. Asocia cada instrumento con la magnitud que permite medir o controlar. Explica también por qué conviene repetir cada medición más de una vez.

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Tabla de datos y gráfico de ΔT frente a molalidad

Las propiedades coligativas de no electrolitos cumplen $\Delta T_f = K_f \cdot m$ (y $\Delta T_b = K_b \cdot m$). Si graficas $\Delta T$ (eje vertical) frente a la molalidad $m$ (eje horizontal), obtienes una recta que pasa por el origen, cuya pendiente es la constante: $K_f = 1{,}86\ ^\circ\text{C·kg/mol}$ para el agua.

Gráfico de descenso del punto de congelación frente a la molalidad: puntos casi alineados sobre una recta que parte del origen. Molalidad m (mol/kg) ΔT (°C) pendiente = K

Cómo trabajar con los datos:

  1. Ordénalos en una tabla (molalidad, ΔT).

  2. Calcula el cociente $\Delta T/m$: en un no electrolito debería ser casi constante.

  3. Compáralo con la constante teórica.

  4. Usa la recta para predecir valores.

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Un grupo midió el punto de congelación de soluciones de un soluto no electrolito de distinta molalidad: | Molalidad (mol/kg) | 0,0 | 0,5 | 1,0 | 1,5 |…

Un grupo midió el punto de congelación de soluciones de un soluto no electrolito de distinta molalidad:

Molalidad (mol/kg) 0,0 0,5 1,0 1,5
Temperatura de congelación ($^\circ\text{C}$) 0,0 $-0{,}9$ $-1{,}9$ $-2{,}8$
  1. a) Describe la tendencia de los datos.
  2. b) Calcula el cociente entre el descenso de temperatura y la molalidad en cada caso y compáralo con la constante $K_f = 1{,}86\ ^\circ\text{C·kg/mol}$.
  3. c) Predice la temperatura de congelación para una solución 2,0 mol/kg.
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Se disolvieron 10 g de cada soluto en 100 g de agua y se midió el descenso del punto de congelación: | Soluto | Masa molar (g/mol) | Descenso medido ($^\circ\text{C}$) |…

Se disolvieron 10 g de cada soluto en 100 g de agua y se midió el descenso del punto de congelación:

Soluto Masa molar (g/mol) Descenso medido ($^\circ\text{C}$)
Sacarosa 342 0,54
NaCl 58,5 6,1
$CaCl_2$ 111 4,9
  1. a) Calcula la cantidad de sustancia de cada soluto en los 10 g.
  2. b) Explica el orden de los descensos observados usando la cantidad de partículas que libera cada soluto al disolverse.
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Interpretar resultados: partículas y el factor i

Las propiedades coligativas dependen del número de partículas, no de su naturaleza. Un electrolito se separa en iones y aporta más partículas que un no electrolito con los mismos moles. Se mide con el factor

$$i = \dfrac{\Delta T_f}{K_f \cdot m}$$

Si $i \approx 1$, el soluto no se disocia (glucosa, sacarosa). Si $i \approx 2$, libera dos partículas por unidad (NaCl → Na⁺ + Cl⁻). Si $i \approx 3$, libera tres (CaCl₂ → Ca²⁺ + 2 Cl⁻). En la práctica los valores medidos quedan algo por debajo del entero por las interacciones entre iones.

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Para investigar si el descenso crioscópico depende de la naturaleza del soluto o del número de partículas, se prepararon soluciones de 0,50 mol de soluto en 1,0 kg de…

Para investigar si el descenso crioscópico depende de la naturaleza del soluto o del número de partículas, se prepararon soluciones de 0,50 mol de soluto en 1,0 kg de agua y se midió su punto de congelación:

Soluto Descenso medido ($^\circ\text{C}$)
Glucosa 0,93
NaCl 1,80
$CaCl_2$ 2,60

Usa $K_f = 1{,}86\ ^\circ\text{C·kg/mol}$.

  1. a) Calcula, para cada soluto, el factor $i = \dfrac{\Delta T_f}{K_f \cdot m}$.
  2. b) Interpreta los valores de $i$ en términos del número de partículas que libera cada soluto.
  3. c) Escribe una conclusión basada en la evidencia y explica por qué el $i$ de las sales resulta algo menor que el valor ideal.
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Conclusión, validez y datos anómalos

Una buena conclusión responde la pregunta inicial, se apoya en datos concretos y dice si la hipótesis se sostiene. No afirma más de lo que la evidencia permite.

Para evaluar la investigación pregúntate:

  • Validez: ¿se cambió solo una variable y se controlaron las demás?

  • Confiabilidad: ¿hay mediciones repetidas y resultados consistentes?

  • Replicabilidad: ¿otro grupo podría repetir el procedimiento con la descripción que diste?

Cuando un dato se aleja de la tendencia (un dato anómalo), no se borra sin más. Se revisan las posibles causas: error de lectura, soluto sin disolver del todo, masa mal pesada, evaporación de solvente (que aumenta la molalidad real) o termómetro sin estabilizar. Luego se repite la medición: si el nuevo valor sigue la tendencia, se descarta el original justificando por qué; si el valor se confirma, se conserva y se investiga qué lo causa, por ejemplo una concentración tan alta que el modelo ideal deja de cumplirse.

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Un grupo midió el aumento del punto de ebullición de soluciones de un soluto no electrolito: | Molalidad (mol/kg) | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,2 |…

Un grupo midió el aumento del punto de ebullición de soluciones de un soluto no electrolito:

Molalidad (mol/kg) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Aumento de temperatura ($^\circ\text{C}$) 0,10 0,21 0,31 0,41 0,51 0,80
  1. a) Usando los cinco primeros datos, estima la constante ebulloscópica del solvente y compárala con $0{,}512\ ^\circ\text{C·kg/mol}$.
  2. b) Analiza el último dato: indica si sigue la tendencia y propón dos posibles causas experimentales de la diferencia.
  3. c) Explica qué harías para decidir si ese dato se descarta o se conserva.
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Seguridad en el laboratorio

Toda investigación se hace con normas de seguridad:

  • Usa delantal, lentes de seguridad y, si corresponde, guantes.

  • Calienta con cuidado: los vasos calientes se sujetan con pinzas y no se apunta la boca de un tubo hacia otras personas.

  • Las mezclas refrigerantes (hielo con sal) alcanzan temperaturas bajo 0 °C y pueden dañar la piel: no las toques sin protección.

  • No pruebes ninguna sustancia del laboratorio.

  • Informa a tu profesor o profesora de cualquier derrame o rotura de vidrio.

Vuelve al principio: para saber si una sustancia disuelta baja el punto de congelación del agua, planteas una hipótesis, cambias solo la cantidad de soluto, controlas el resto, mides con instrumentos adecuados y repetidos, grafican ΔT frente a la molalidad y concluyes con base en los datos. La sal en los caminos de cordillera es el resultado del mismo principio.

Resumen

  • Una investigación parte de una pregunta y de una hipótesis comprobable que indica qué resultado la apoyaría y cuál la refutaría.

  • Se cambia una sola variable independiente, se mide la dependiente y se mantienen controladas las demás.

  • Balanza, probeta y termómetro miden masa, volumen y temperatura; repetir y agitar reduce el error.

  • Para no electrolitos, ΔT frente a m es una recta por el origen con pendiente $K_f$ (1,86) o $K_b$ (0,512); el factor $i = \Delta T_f/(K_f \cdot m)$ indica cuántas partículas libera el soluto.

  • Una conclusión se basa en datos; los datos anómalos se revisan y se repiten antes de descartarlos.

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