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![]() ![]() Efecto de la composición química de un soluto, de su concentración y de la temperatura de una solución en la conductividad eléctrica de la misma Diego Robino Conteo de palabras: 3745 Número de candidato: 000635-XXXX Resumen El presente trabajo pretende hacer un estudio detallado sobre el efecto de diferentes variables sobre la resistencia de una solución. Para el experimento se decidió variar el tipo de soluto, para lo cual se experimentó con agua sola, cloruro de sodio disuelto en agua y azúcar disuelta en agua también. Además de esto se decidió medir el efecto de la temperatura en la resistencia, para lo cual se ocuparon calentadores que variaran la temperatura. Por último se varió la concentración de los distintos tipos de soluto elegidos, por lo cual se ocuparon balanzas para medir las distintas cantidades de sal y azúcar a añadir a las soluciones. Para poder medir la resistencia de la solución se conectó la solución a través de electrodos a un circuito simple en serie, conectando además un medidor de intensidad de corriente para poder registrar las variaciones de intensidad. Con la intensidad de corriente registrada, junto con el voltaje establecido se pudo calcular la resistencia a través de la primera ley de Ohm. Al analizar los resultados se pudo que el cambio de soluto mostró tener el efecto más significativo, mientras que la temperatura y concentración de soluto mostraron efectos menores pero considerables. Tabla de contenidos 1. Introducción: 3 2. Diseño y montaje experimental 5 2.1 Variables a investigar 6 2.1.1. Selección de variables: 6 2.1.2 Control de las variables: 6 2.2 Materiales y procedimiento 7 2.2.1 Materiales 7 2.2.2 Procedimiento y metodología 8 3. Obtención de los datos brutos: 12 4. Procesamiento de datos y presentación de los datos procesados: 13 5. Conclusión y evaluación de resultados 22 6. Bibliografía 24 7. Anexos 26 1. Introducción:La siguiente investigación e informe se centrará principalmente en el efecto que pueden tener diversos factores en la conductividad eléctrica de una solución acuosa. Durante esta investigación se tratará de determinar que factores tienen una mayor incidencia en la resistencia de las soluciones. Para hacer esto se llevaron a cabo varios experimentos en donde se analizaron la influencia de la temperatura, concentración de soluto y naturaleza química del soluto en su resistencia y, en consecuencia, en su conductividad.. Uno de los objetivos principales de este experimento es determinar que factor es más influyente en la conductividad eléctrica de una solución. La conductividad eléctrica es una magnitud “que caracteriza la conductividad de un material desde un punto de vista cuantitativo.”1 Por otro lado, la conducción se define como “uno de los modos de propagación, en un medio material, de un flujo de calor (conducción térmica), de una perturbación eléctrica o de una perturbación mecánica (conducción acústica)”2. En el experimento se tratará principalmente la conductividad eléctrica de las soluciones, que en términos más generales es la capacidad de un material de permitir flujo de electrones a través de él. Además de esto, los materiales que proporcionan facilidad para el paso de corriente eléctrica a través de ellos son llamados conductores mientras que los que muestran gran resistencia al paso de corriente son llamados materiales aislantes. Por otra parte la resistencia se define básicamente como la relación inversa a la conductividad de un material, es decir cuánto se opone un material al paso de corriente eléctrica a través de él. Es por ello que conductividad y resistencia son inversamente proporcionales. Para poder llegar a las conclusiones esperadas se tratará de hacer variar la resistencia de las distintas soluciones, es decir tratar de obtener un cambio en la oposición que ofrecen las soluciones para hacer pasar por ellas la corriente eléctrica. La siguiente imagen muestra la fórmula más común para poder calcular la resistencia de un material correspondiente a la primera ley de Ohm: ![]() Figura N°1. Fórmula de la resistencia en términos de voltaje (V) e intensidad de corriente (I) Para poder medir la resistencia de las soluciones se someterán las soluciones a una corriente eléctrica mediante electrodos conectados a una fuente de poder. Se utilizará un proceso parecido a la electrólisis, proceso por el cual, mediante el paso de una corriente eléctrica se separan diversos compuestos disueltos en una solución. La electrólisis y el tema a estudiar es importante ya que esta técnica es usada en varias áreas, además de ser un proceso usado industrialmente a gran escala y que tiene varios usos. Este proceso consiste básicamente en hacer pasar corriente eléctrica por una solución para luego poder separar las sustancia en base a los cationes y aniones. Este proceso puede tener varios efectos en distintas soluciones de distinta naturaleza. Un ejemplo es la electrólisis de soluciones de cloruro de sodio y agua, donde uno de los productos de la electrólisis es cloro y gas hidrógeno. El hidrógeno es usado en cohetes como combustible mientras que el cloro es usado como desinfectante. Además de esto, el producto restante es usado como blanqueador en la industria textil. ![]() Figura N°2. Imagen que muestra la electrólisis de una solución de NaCl como los cationes y aniones se separan de acuerdo a los electrodos3 2. Diseño y montaje experimentalLa pregunta de investigación central para este experimento será: ¿En qué medida los factores a estudiar afectan la resistencia de una solución? Como se puede interpretar de la pregunta de investigación, éste experimento no sólo tratará de ver si es que los factores elegidos afectan a la resistencia, sino que tratará de llegar a conclusiones que puedan establecer que factor afecta dicha propiedad de forma más significativa. Se quiere entonces establecer una relación matemática que permita comparar datos cuantitativamente. Se formularon las siguientes hipótesis: Cambio de temperatura: Al aumentar la temperatura la resistencia va a aumentar, ya que al aumentar la energía cinética de las partículas se hará más dificultoso el paso de electrones a través de los solutos. Cambio de soluto: Los solutos que al estar disueltos formen iones serán los que tendrán una menor resistencia, ya que estos por naturaleza tienen mayor facilidad de conducir electricidad. Por el otro lado, sustancias apolares/orgánicas mostrarán gran resistencia debido a que su naturaleza de ser aislantes. Concentración de soluto: A mayor concentración de soluto la resistencia va a disminuir debido a que la conducción de la electricidad va a hacerse más fácil al tener una mayor cantidad de moléculas conductoras (solutos). 2.1 Variables a investigar2.1.1. Selección de variables:Como se explicó anteriormente, las variables a investigar fueron:
2.1.2 Control de las variables:Las variables a mantener constantes (o controlar) durante el experimento fueron las siguientes:
2.2 Materiales y procedimiento2.2.1 Materiales
2.2.2 Procedimiento y metodologíaEl siguiente procedimiento se dividirá en dos partes, una para la preparación de las soluciones y otra para la toma de datos. Las partes divididas luego se subdividirán en distintas secciones para la preparación de soluciones distintas o para la toma de datos incluyendo distintas variables.
![]() Figura N°3. Fórmula usada para calcular las concentraciones de soluto
Tabla N°1. Concentración de soluto en gramos necesaria para cada solución (%)
![]() Figura N°4. Montaje experimental
Tabla N°2. Representación de los grupos experimentales elegidos 3. Obtención de los datos brutos:Luego de seguir los pasos mencionados en el diseño se obtuvo una gran cantidad de datos, por lo cual se decidió dividir los datos en tres grupos de tablas separados por el tipo de solución. Se representó el número de repetición y temperatura inicial a través de números decimales, en donde la parte entera del número representó la temperatura inicial, mientras que la parte decimal representó el número de repetición. De esta forma cada experimento con cierta temperatura inicial tuvo 3 repeticiones. Las tablas con los datos brutos obtenidos se incluyen en el anexo de esta monografía (tablas N°3, 4 y 5). 4. Procesamiento de datos y presentación de los datos procesados:La siguiente tabla muestra tanto la intensidad de corriente promedio como la resistencia promedio para cada dato. Tabla N°6. Representación de intensidad de corriente promedio para cada dato y resistencia promedio para cada dato y grupo. ![]() Al terminar lo anterior se procedió a transformar los datos a gráficas donde se mostraron las resistencias promedio de todos los grupos experimentales. Debido a que la resistencia de las soluciones de sal era muy baja se decidió colocar leyendas arriba de cada barra que indicaran el valor de cada dato. Además de esto se decidió no colocar barras de error debido a su insignificancia y pequeño tamaño (apenas visibles). El gran tamaño del gráfico obligó a separarlo en dos páginas, donde se volvió a poner los valores de resistencia en agua para fines comparativos. Gráfico 1. Resistencia promedio para cada dato con distinto soluto, concentración de soluto y temperaturas iniciales distintas. ![]() ![]() Para terminar la presentación de los datos brutos se decidieron hacer gráficos independientes para cada solución que ayudaran a mostrar la variación de la resistencia a través del tiempo (para el caso en que la temperatura aumentaba a través del tiempo). Para esto se hizo una tabla de datos que representara tres repeticiones (ya que se hicieron tres repeticiones por cada grupo experimental). De cada tres repeticiones por grupo se sacó un promedio de los datos. Se sacó también la resistencia promedio a través del tiempo. Es importante recordar que aunque no se vea en el gráfico la temperatura estuvo en aumento mientras el tiempo avanzaba, por lo cual se detectaron variaciones de la resistencia a través del tiempo. No se incluyeron barras de error debido a su insignificancia. ![]() Gráfico 2. Variación de la resistencia eléctrica a través del tiempo para cada tabla de promedio de agua ![]() ![]() Gráfico 4. Variación de la resistencia eléctrica a través del tiempo para cada tabla de promedio de azúcar 5. Conclusión y evaluación de resultadosLos datos obtenidos en este experimento en general son apropiados para poder responder la pregunta de investigación, ya que estos son claros en su mayoría y no existen mayores contradicciones entre los datos. Comenzando el análisis con el tipo de soluto los datos muestran que el tipo de soluto tiene un efecto muy significativo en la resistencia eléctrica. Por un lado se puede ver que la presencia de sal en el agua disminuye considerablemente la resistencia en la solución, mientras que el azúcar tiene un efecto opuesto el que aumenta la resistencia. Esto se puede ver por ejemplo en el gráfico 1, en donde se ve claramente como los valores de la resistencia en soluciones de cloruro de sodio se mantienen entre los valores de 30 Ω a 100 Ω aproximadamente, mientras que en agua los valores son entre los 950 Ω y 1250 Ω y en azúcar toman valores entre los 1000 Ω y 1700 Ω. Como se puede apreciar las diferencias entre la resistencia a distintos tipos de soluto son enormes, especialmente entre sal y agua, en donde la diferencia alcanza los 1000 Ω aproximadamente. Esto significaría entonces que el cloruro de sodio tiene un gran efecto en la resistencia, reduciéndola en una cantidad significativa. Por otro lado se puede observar también del gráfico 1 que el efecto del azúcar es un aumento en la resistencia, aunque no tan significativo como la disminución que produce la sal. Una forma de observar la diferencia (además de ver el gráfico) es mediante un análisis simple de la tabla N°6. Si se observan por ejemplo los valores de la resistencia promedio por grupo del agua a temperatura inicial a 30 °C y los de solución de azúcar a una concentración de 1% con temperatura inicial 30 °C se obtienen los datos de 1242 Ω y 1384 Ω respectivamente. Se puede ver que la presencia de azúcar entonces aumentó la resistencia de la solución en 142 Ω aproximadamente. Esto se puede ver también comparando datos a distintas temperaturas, donde las diferencias entre las resistencias se mantienen relativamente parecidas a la primera (57 y 70 Ω). Continuando con el segundo facto a analizar, la concentración de soluto mostró tener un efecto significativo también en la resistencia de las soluciones de sal y azúcar. A grandes rasgos los resultados muestran que la concentración de solutos aumenta la resistencia de las soluciones, lo cual es contrario a lo predicho con la hipótesis. Estas conclusiones son tanto observables en el gráfico 1 como en los gráficos 3 y 4. En primer lugar, el gráfico 1 muestra que la resistencia para dos distintas concentraciones del mismo soluto y a la misma temperatura inicial siempre es menor la resistencia de la solución con una menor concentración de soluto. Se puede por ejemplo tomar los datos de concentración de NaCl al 1%, 3% y 5% a temperatura inicial de 40 °C. En los datos mencionados anteriormente las resistencias aproximadas son de 39 Ω, 78 Ω y 90 Ω respectivamente. Se puede apreciar como la resistencia aumentó a medida de que la concentración de soluto aumentó. Esto es también observable en otras concentraciones de sal, como también en concentraciones de azúcar. Un ejemplo de soluciones de azúcar sería el de soluciones al 1%, 3% y 5% para temperaturas iniciales de 50 °C. Las resistencias en los datos son de 1046 Ω, 1117 Ω y de 1259 Ω respectivamente. Es notable también que los mayores aumentos en las resistencias en soluciones de azúcar se den cuando la temperatura inicial es menor (30 °C), ya que las diferencias aquí son de los 200 Ω a 300 Ω aproximadamente, lo cual indicaría que los factores escogidos no son independientes. Además de esto el efecto de la concentración de soluto puede ser observado en los gráficos 3 y 4, ya que se puede notar un desplazamiento vertical hacia arriba de las curvas de resistencia a medida de que aumenta la concentración de soluto. Es apreciable que los mayores desplazamientos ocurren desde concentraciones del 1% al 3%, lo cual es lógico debido a que en este caso la concentración se triplica (lo cual no ocurre en concentraciones desde 3% a 5%). Es por eso probablemente porque los datos de resistencia en estos gráficos se encuentran más aislados en general. Esto también podría explicar los cruces que existen entre las curvas de distintas concentraciones, ya que es altamente probable que esto ocurra debido a que el efecto de la temperatura es lo suficiente significativo para superar las diferencias de concentraciones de soluto. El último factor a analizar (temperatura), mostró tener un efecto bastante claro, aunque un tanto menor al compararlo con el tipo de soluto, que logró diferencias en resistencias de hasta 1000 Ω. El efecto de la temperatura es fácil de apreciar mirando a los gráficos 2, 3 y 4. Es claro en los gráficos que a medida de que pasa el tiempo las resistencias bajan, mostrando una tendencia a un decrecimiento de la resistencia a mediada de que el tiempo pasa (y la temperatura sube). En todos los datos registrados las resistencias promedio disminuyen a medida de que la temperatura sube, lo cual se puede revisar en los gráficos 2, 3 y 4. Se puede apreciar que en el gráfico 4 que las curvas de concentración de solutos más bajas con temperaturas más altas se encuentran más bajas que las de otras concentraciones y temperaturas iniciales. Un ejemplo sería la curva de concentración al 1% de azúcar a una temperatura inicial de 50 °C, la cual como se aprecia es la que se encuentra más baja en el gráfico, lo que indica que aquí la resistencia es significativamente menor. Otro ejemplo serían las curvas del gráfico 2, en donde la resistencia del agua a una temperatura inicial de 50 °C decrece a medida de que la temperatura sube, ya que los valores de resistencia van desde los 1120 Ω a los 840 Ω aproximadamente. Mientras tanto la resistencia se mantiene bastante más alta en temperaturas más altas, como en 50 °C, donde la resistencia decrece desde 1600 Ω a 1080 Ω aproximadamente. Se puede entonces ver que las diferencias son significativas no solo en soluciones, sino que también en agua sola. Por último lo que queda por responder es que factores son los más significativos. Durante el análisis de los datos se vio que el tipo de soluto tuvo el mayor efecto de todos, como mencionado antes llegó a marcar diferencias de 1000 Ω entre agua y soluciones de sal. Aunque el tipo de soluto probablemente fue el factor más significativo es importante notar que las variaciones de temperatura también lograron tener efectos importantes. Un ejemplo se puede sacar del gráfico 1, en donde las resistencias de las soluciones de NaCl al 5% a temperatura inicial 30 °C y 50 °C fueron de 1260 Ω y de 1870 Ω respectivamente. Como podemos ver una variación de sólo 20 °C logró una diferencia de resistencia eléctrica de 610 Ω, cosa que no pudo lograr el cambio de soluto desde agua a azúcar en los datos con temperatura inicial de 30 °C, ya que estos lograron diferencias de 43 Ω solamente (diferencia entre 1284 Ω y 1241 Ω). En cuanto a la concentración de soluto se puede finalmente decir que si existe un efecto en la resistencia, pero que este es menor. En conclusión podemos ver como el experimento realizado mostró ser exitoso a la hora de responder la pregunta de investigación, mientras que la metodología usada trajo consigo una gran cantidad de datos. Como sugerencia para profundizar en el análisis planteado por esta monografía se sugiere probar con soluciones de menores concentraciones, ya que tal vez las soluciones usadas fueron muy altas y por ello los resultados no fueron los previstos. Se podría por ejemplo probar con concentraciones de 0.1% u parecidos. Otra mejora posible sería profundizar el estudio experimentando con solutos distintos a los elegidos, como por ejemplo el bicarbonato. Esto ayudaría a tener un experimento más completo e integral. 6. Bibliografía
7. Anexos7.1 Datos brutos obtenidos Tabla N°3. Variación de la intensidad de corriente y temperatura en agua a partir de distintas temperaturas iniciales en ciento veinte segundos. ![]() Tabla N°4. Variación de la intensidad de corriente y temperatura en soluciones de azúcar con distintas concentraciones a distintas temperaturas iniciales. ![]() ![]() ![]() Tabla N°5. Variación de la intensidad de corriente y temperatura en soluciones de azúcar y agua con distintas concentraciones a distintas temperaturas iniciales. ![]() ![]() ![]() 7.2 Imágenes del montaje experimental real ![]() ![]() ![]() 1 Lévy, Elie. (1992) Diccionario Akal de Física. [En línea] En: <http://books.google.cl/books?id=EHQd8kQGlgQC&pg=PA175&dq=definici%C3%B3n+conductividad+el%C3%A9ctrica&hl=es-419&sa=X&ei=T5fRU-apDaHgsASZ3oKIDg&redir_esc=y#v=onepage&q=definici%C3%B3n%20conductividad%20el%C3%A9ctrica&f=false> [Consultado en 24 de Julio de 2014] 2 Idem. 3 http://www.fisicanet.com.ar/quimica/electrolisis/ap06_electrolisis.php |