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TERMOQUIMICA
I. OBJETIVOS.-Aplicar los conceptos fundamentales de la termoquímica a las siguientes determinaciones experimentales:
Capacidad calorífica de un calorímetro Calor latente de fusiónCalor latente de vaporizaciónCalor de neutralización de una reacción ácido – baseCalor de solución
Capacidad Calorífica (C).- Es la propiedad termodinámica que multiplicada por la variación de temperatura es igual a la cantidad de energía que a tomado o cedido una sustancia como calor cuando se pone en contacto con otro que tiene una temperatura diferente.
Así, si la temperatura del cuerpo se eleva de Ti a Tf, al tomar una cantidad de calor Q, la capacidad calorífica “C” del cuerpo viene dada por:
De acuerdo a Ec. (2), la capacidad calorífica de una sustancia, es la cantidad de calor requerida para variar su temperatura en 1ºC. Este concepto es usado en la determinación de la capacidad calorífica de un calorímetro.
Calor Específico(C).- Es la capacidad de calor, medido en calorías, que necesita un gramo de una sustancia para variar 1ºC. El producto del calor específico (c) por la masa molar (M), nos dará la Capacidad Calorífica Molar ( ).CM =
Calor de Reacción(HR).- Se define como la cantidad de calor que se desprende o absorbe durante una reacción química, esto se debe a la diferencia entre las entalpías de los productos y reactantes a presión constante y temperatura definida.
Dentro de los calores de reacción se encuentran los calores de formación, combustión, fusión, vaporización, sublimación, disolución, neutralización, etc.
Calor de Neutralización (HN).- Es la cantidad de calor desprendido cuando reaccionan un equivalente de un ácido (una mol de iones H+) con un equivalente de una base (una mol de iones OH-)
H+(aq) + OH-(aq) H2O(l) + Q(calor)
Para ácidos y bases fuertes:H+(aq) + OH-(aq) H2O(l) HN = -13.7 kcal/mol
Calor de Solución (Hsol).- Es el calor absorbido o liberado cuando un soluto se disuelve en un solvente. La cantidad de calor neta (efectiva) por mol de soluto depende sobre todo de la concentración de la solución.
El calor neto observado de la solución preparada, es el resultado de la energía requerida para romper los enlaces químicos o atracciones intermoleculares (soluto – soluto y solvente - solvente), y la energía liberada por la formación de otros atracciones intermoleculares (soluto - solvente). Por ejemplo, si un sólido iónico (MX) se disuelve en agua, el calor de solución será una manifestación de la energía requerida para romper la red cristalina o energía reticular, es decir, H>0.MX(s) M+(g) + X-(g)
Cuando los iones son hidratados se libera energía, lo que se denomina calor de hidratación, donde H>0.M+(s) + X-(g) M+(aq) + X-(aq)
Calor Latente de Fusión(LT).- Es la cantidad de calor necesario para fundir un gramo de sustancia sólida a una temperatura del punto de fusión.
A la presión de 1 atm (760 torr) el agua puede hallarse o bien en estado líquido o bien cristalizado en forma de hielo. Si al hielo se le agrega energía en forma de calor, dicha energía se consume, en primer lugar, al elevar la temperatura del mismo hasta 0ºC, si es que no estaba inicialmente a esa temperatura.
Si la masa de hielo está a 0ºC, la energía calorífica suministrada se sigue consumiendo en realizar trabajo, hasta la licuación del hielo cristalino. Mientras sigan existiendo enlaces cristalinos que romper, el calor seguirá gastándose en ese trabajo de licuación y solamente cuanto todo el hielo ha pasado al estado líquido, la energía calorífica comienza a elevar la temperatura del líquido.
El calor latente de fusión del hielo es igual a 80 cal/g, lo que significa que han de gastarse 80 cal de energía para pasar 1 g de hielo a 0ºC a 1g de agua a 0ºC. De esto resulta que el calor necesario para fundir una masa (m) de hielo a 0ºC estará dado por: Q = mLf
Calor Latente de Vaporización(LV).- Es el calor necesario que hay que suministrar a 1 g de agua líquida a la temperatura de ebullición par que pase al estado vapor sin variar la temperatura.
Mientras dura la ebullición (la temperatura permanece constante) la energía calorífica que se suministra a un líquido cuando hierve, se gasta en realizar trabajo en contra las fuerzas de enlaces existentes entre las moléculas en estado líquido.
De este modo, se consigue liberar a las moléculas de las interacciones entre ellas y al aumentar su energía cinética de translación adquiere su grado de libertad pasando a la fase vapor.
El calor latente de vaporización LV, del agua es igual a 540 cal/g; lo que significa que deben gastarse 540 cal de energía para que un gramo de agua se vaporice en su punto de ebullición. La capacidad calorífica específica (calor específica) del hielo es aproximadamente 0.5 cal/gºC.
La capacidad calorífica específica (calor específico) del vapor de agua es aproximadamente 0.482 cal/gºC.
Calorímetro.- Son instrumentos que sirve para la determinación experimental de los intercambios caloríficos.
El calorímetro es un sistema aislado, de tal manera que no permite intercambio de calor con el medio ambiente.
Capacidad Calorífica del Calorímetro.- Es la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura del calorímetro en 1ºC.
PARTE EXPERIMENTAL
EXPERIMENTO Nº1 Determinación de la Capacidad Calorífica del
Calorímetro (CC)
PROCEDIMIENTO A:
1) Ponga al calorímetro la tapa adecuada de tecnopor, con
un agujero para el termómetro. Muestre al profesor, el
armado del calorímetro para su visto bueno.
2) Ponga exactamente 50 mL de agua destilada fría al
calorímetro; anote la temperatura (T1).
3) Caliente agua en un vaso de 250 mL. Mida
aproximadamente 55 mL de agua caliente y, antes de
verter esta agua caliente al calorímetro anote su
temperatura (T2).
4) Tan pronto como el termómetro está frío y seco, colóquelo
en el calorímetro y rápidamente agregue el agua caliente
a T2.
5) Agite suavemente con el termómetro y anote la
temperatura de mezcla (Tm).
NOTA: Para conocer el volumen exacto del agua caliente a T2,
reste al volumen total de agua del calorímetro, 50 mL.
Se considerará la densidad del agua 1.0 g/cm3; y por lo
tanto el peso del agua en gramos será igual al volumen
en mL.
PROCEDIMIENTO B:
1. Ponga a hervir en un vaso de 250 mL, aproximadamente
60 mL de agua hasta ebullición.
2. Mida con la probeta exactamente 50mL de agua caliente
y vierta este volumen al calorímetro.
3. Mida exactamente 50 mL de agua fría con la probeta y
anote la temperatura (T1)
4. Mida la temperatura (T2) del agua caliente del calorímetro
y rápidamente agregue el agua fría, que está a T1.
5. Agite suavemente con el termómetro y anote la
temperatura de mezcla (Tm)
6. Proceder de acuerdo a la nota anterior para determinar si
hubo o no variación en el volumen de agua caliente.
CALCULOS: Se tiene que:
Q = n T donde : n =
Luego : Q =
Como : = cM
Entonces : Q = m.c. T
Aplicando la 1ª Ley de la Termodinámica y haciendo un balance
de calor, tenemos:
Calor perdido = calor ganado
Qp = Qg
CALCULOS PARA EL EXPERIMENTO Nº 1 (PROCEDIMIENTO A)
DATOS:
T1 = 22ºC VAGUA FRIA = 50 ml
T2 = 70ºC m (masa del agua fría) = 50gr
Tm = 42ºC
Volumen = 54 ml
FORMULAS: (Exacto del Agua Caliente)
i) Calor perdido por el agua caliente (Qp)
Wp = m.c (Tm – T2) =
Considerando densidad del agua igual a la unidad
(D = 1gr/ml)
m(gr) = Volumen (ml) m = 54gr
(exacto del agua caliente)
Wp = (54) (1)(42 – 70) = -1512 cal
ii) Calor ganado por el agua fría : (Qg)
Wg = m.c. (Tm – T1); m = masa del agua fría
C = 1 cal/gr x ºC
* Considerando: DH2O = 1gr/ml
m (agua fría) = volumen (agua fría)
m = 50gr.
wp = 50(1)(42 – 22) = 50x(20) = 1000cal
iii) Calor ganado por el Calorímetro (Qc):
Qc = CC (Tm – T1) ; CC = capacidad calorífica
Del calorímetro
Qc = CC (42 - 22) = CC(20)
- Qp = Qg + Qc (transferencia del calor)
- (-1522) = 1000 + Cc (20)
Cc = 25.6 (cal/ºC)
CUESTIONARIO
1. Presente los cálculos para el procedimiento
experimental B de la determinación de la
capacidad calorífica del calorímetro.
DATOS:
T1 = 20ºC VAGUA FRIA = 50 ml
T2 = 70ºC mAGUA FRIA = 50 gr
VEXACTO DE AGUA FRIA = 48 ml
FORMULAS:
Calor perdido por el agua caliente (Qpc)
Qpc = m.c. (Tm – T2); m = masa exacta del agua caliente
Como (D = 1gr/ml)
m = 48 gr
Qpc = 48(1)(49 - 70) = -21x48 = 1008 cal
Calor ganado por el agua fría (QG)
QG = m.c. (Tm – T1); m = masa del agua fría
C = 1 cal/gr x ºC
QG = (50)(1)(49 - 20)
= 50 x (29) = 1450 cal
Calor perdido por el calorímetro (QC)
Qc = Cc (Tm – T2) Cc = capacidad calorífica
del calorímetro
Qc = Cc (49 - 70) = Cc x (-21)
- QPERDIDO = QGANADO
- [QPC + Qc] = QG
- [-1008 + (-21)x Cc] = 1450
1008 + 21 x Cc = 1450
21 x Cc = 442
Cc = 21.05 cal/ºC
2. Llene los cuadros correspondientes 1 y 2 (en este
caso el 1), descritos después de cada
experiencia.
CUADRO Nº1:
T1 T2 T3 (Tm) Capacidad Calorífica del Calorímetro
22ºC 70ºC 42ºC 25.6 cal/ºC Procedimiento A
20ºC 70ºC 49ºC 21.05 cal/ºC Procedimiento A
3. Qué relación hay entre los calores de formación y
las electromagnetividades de los elementos?
A mayor electronegatividad menor es el calor de
formación.
Electronegatividad es inversamente proporcional al
calor de formación
4. Se prepara 2 calorímetros similares, y sólo se
determina la capacidad calorífica de uno de ellos
¿Se podría decir que la capacidad calorífica de
este calorímetro es igual al otro? ¿Por qué?
No, porque, cada calorímetro tiene su propia
capacidad calorífica y su propia estructura.
Entre dos calorímetros iguales, uno que tiene mayor
capacidad calorífica que el otro ¿Cuál es mejor?
El mejor calorímetro será el de menor capacidad
calorífica. A mayor capacidad calorífica será mayor
el calor requerido para cambiar la temperatura del
calorímetro. A introducir agua caliente a un termo se
tiene que dar una temperatura media entre el
calorímetro y el agua.
Qgcaliente = -Qpagua
A mayor calor que necesite el calorímetro será mayor
el calor perdido del agua. Si nosotros queremos que
se conserve la temperatura del agua entonces el calor
necesario para llegar a una temperatura media dentro
del calorímetro debe ser mínima. Un calorímetro ideal
será aquel que tenga una capacidad calorimétrica 0.
¿Por qué son plateadas las paredes internas de un
termo?
El calor se disipa en forma de radiación y las paredes
plateadas reflejan estas radiaciones de calor de
manera que la sustancia contenida en el calorímetro
siempre tenga la misma temperatura ya que el calor que
sale de esta se refleja en las paredes y vuelve a
calentarlo.
Si es correcto porque al ser mal conductor entonces no
podría transmitir el calor que está dentro del vaso de
precipitado hacia fuera que esta a una menor
temperatura. Por ejemplo: La caja donde guardan los
helados es una caja de poroflex, este es un mal
conductor del calor, y por lo tanto, no permite el
paso de calor de una temperatura más alta a otra de
menor temperatura.
OBSERVACIONES
- Al medir la temperatura del calorímetro es
necesario sumergir todo el termómetro de manera que
este mida la temperatura del agua y no la del
vapor.
- El cierto margen de error se debe a factores dados
en condiciones reales como por ejemplo el tomar la
medida de los volúmenes, siempre quedan residuos en
las pipetas, y el volumen va disminuyendo sin
contar la evaporación.
CONCLUSIONES
- Los cálculos realizados para hallar la capacidad
calorífica del calorímetro nos dan por resultado
una cierta diferencia entre ambos; ya que este se
realizó en medio no ideales dichas en las
observaciones.
EXPERIMENTO Nº3 Calor Latente de Fusión (Lf)
Antes de iniciar la determinación del calor latente de
fusión del hielo, determine la capacidad calorífica del
calorímetro, de acuerdo al Experimento Nº1, y use el
valor en sus cálculos correspondientes.
1. Asegúrese que el hielo en trozos esté a 0ºC, para
ello, ponga sobre un papel el filtro previamente
doblado unos trozos de hielo; si estos empapan el
papel, es señal de fusión, lo que asegura la
temperatura de 0ºC.
2. Coloque en el calorímetro 50 mL de agua tibia (40 a
50ºC). La capacidad de agua debe medirse con mucha
precisión en una probeta.
NOTA: Desde el principio hasta el final del
experimento, es necesario agitar suave y
constantemente, puesto que la temperatura
debe ser la misma, en todo el calorímetro.
Hay que agitar sin mucha violencia para
evitar que cantidades indebidas de energía
mecánica se convierte en calor.
3. Observe y anote la temperatura del calorímetro (Ti)
4. Añada al calorímetro unos trozos de hielo
(aproximadamente de 30 a 40 g de hielo es
recomendable)
5. Tape el calorímetro y, si es posible deje dentro del
calorímetro el termómetro
6. Mueva suavemente con el termómetro hasta que todo el
hielo haya fundido.
7. Lea muy cuidadosamente la temperatura final de
equilibrio y anote como Tf.
8. Mida el volumen total contenido en el calorímetro,
al deducir de dicho valor los 50 mL de agua
iniciales que se pusieron, se obtendrá la masa de
hielo fundido.
9. Se recomienda realizar mínimamente dos ensayos de
esta experiencia.
10. Determine el calor latente de fusión.
CALCULOS PARA EL EXPERIMENTO Nº 3 Calor Latente De Fusion
Capacidad calorífica del calorímetro: Cc (cal/ºc)
Masa inicial de agua en el calorímetro: mi
Masa total de agua en el calorímetro: mf
Masa de hielo fundido : mh = mf - mi
Temperatura inicial del agua en el calorímetro:Ti (ºC)
Temperatura final del sistema: Tf (ºC)
Calor de fusión del hielo: Q1 = mh . Lf
Calor para pasar de 0ºC a Tf Q2 = mhc(Tf - 0)
Como c: 1 cal/gºC, entonces: Q2 = mhTf
Calor ganado por el hielo: Qg = Q1 + Q2
Qg = mhLf + mhTf
La cantidad de calor perdido por el agua en el
calorímetro y por el calorímetro será: Qp
Qp = (m1 + Cc) (Ti - Tf)
Considerando el principio de la conservación de
energía:
Qg = Qp
mhLf + mhTf = (mi + CC) (Ti + Tf)
de donde :
Calculando el Calor Latente de Fusión
Sabemos que la capacidad calorífica = 25.6
De la ecuación:
Ensayo Nº1
TAGUA CALIENTE = 49ºC = T1 mi = 50g
mh = 30g mh = 30g
TMEZCLA = 13ºC = Tf
Lf = 77.72
Ensayo Nº2
m1 = 50g
mh = 30g
T1 = 41ºC
Tf = 8ºC
Lf = 75.13
Ensayo Nº3
m1 = 50g
mh = 30g
T1 = 45ºC
Tf = 12ºC
Lf = 71.16
Escogido el más acertado, se obtiene que Lf= 77.72
Error Absoluto
Lfexperimental = Lf= 77.72
LfTeórico = 80 EAB = x 100
EAB = 97.15%
Error Relativo
ER = x 100 = 2.85%
CUESTIONARIO
1. ¿Cuál es el calor latente de Fusión que obtuvo
experimentalmente?
Lf= 77.72
2. ¿Por qué el hielo debe estar a la temperatura 0ºC
de equilibrio antes de ser añadido al
calorímetro?
Para que el hielo se pueda fundir se tiene que
encontrar a 0ºC así, el calor absorbido será
usado totalmente para el cambio de fase.
3. ¿Existe alguna diferencia si el agua se pasa
antes o después de calentarla? ¿Por qué?
Si existe diferencia porque las moléculas de agua
al ser calentada absorben esa energía, pudiendo
de esta manera cambiar de estado, es decir
evaporarse, entonces disminuiría la masa del agua
que había inicialmente.
4. Si el hielo estuviese a –5ºC, escriba las
ecuaciones de balance térmico necesarias para
encontrar el calor latente de fusión.
Qg = calor ganado por el hielo
Tf = Temperatura final del sistema
Qg = Q1 + Q2 + Q3
Qg = mhLf + mhTf + mh
OBSERVACIONES
1. La cantidad de hielo que se debe echar en el
calorímetro no debe ser tanta, pues podría
ocurrir que todo el calor que observa no sea
suficiente para derretir completamente el hielo
y no se podría calcular el calor latente de
fusión.
2. Para realizar este experimento era necesario que
el hielo se encuentren a 0ºC para que el calor
absorbido sea utilizado únicamente en el cambio
de estado.
3. Era necesario agitar suave y constantemente, pues
la temperatura debe ser la misma, en todo el
calorímetro. Si agitamos con violencia
cantidades indebidas de energía mecánica se
convierten en calor lo que aumentaría la
temperatura del sistema.
CONCLUSIONES
- El calor latente de fusión obtenido en el
experimento es muy próximo al calor latente real,
este pequeño margen de error es debido a que el
corcho que tapaba la boca del calorímetro no
cubría totalmente, dejando ingresar pequeñísimas
masas de aire, lo cual interfería en el cambio
de temperatura.
EXPERIMENTO Nº 4 Calor Latente de Vaporización (LV)
1. Añada al calorímetro exactamente 50 mL de agua
2. Deje que transcurra unos segundos para
estabilizar la temperatura y anote su valor como
Ti.
3. Añada agua tibia hasta la mitad del balón de
destilación, añadiendo unos trocitos de porcelana
porosa para evitar una ebullición tumultuosa.
4. Solamente, cuando por “s” observe un visible y
continuo desprendimiento de vapor, se termina el
montaje del equipo, introduciendo el tubo de
desprendimiento en el calorímetro.
5. A la vez que se agita suavemente (con el mismo
termómetro) el agua en el calorímetro, se lee la
temperatura y cuando haya subido unos 20 ó 25ºC
con referencia a Ti, se retira el tubo de
desprendimiento de vapor y se anota la
temperatura como Tf.
6. En ese momento se debe apagar el mechero, para
evitar sorpresivos y enojosos succionamientos por
falta de presión. El matraz se enfriará por sí
sólo.
7. Mida cuidadosamente el volumen de agua que
contiene el calorímetro, deduciendo de este
volumen los 50 mL qie se agregaron al inicio, se
obtendrá la masa de vapor.
8. Determine el calor latente de vaporización.
CALCULOS PARA EL EXPERIMENTO Nº 4 Calor Latente De Vaporización (LV)
Capacidad calorífica del calorímetro = Cc (Cal/ºC)
Masa inicial de agua en el calorímetro = mi
Masa total de agua en el calorímetro = mf
Masa de vapor condensado = mV = mf – mi
Temperatura inicial del agua en el calorímetro:Ti (ºC)
Temperatura final del sistema: Tf(ºC)
Temperatura de ebullición del agua: Te(ºC)
De acuerdo al principio de la conservación de la
energía (1ª Ley de la Termodinámica): “Calor cedido
por el sistema caliente es igual al calor ganado por
el sistema frío”
Qp = Qg
Qg = (mi + Cc) (Tf - Ti)
Qp = mV (Tf - Te) + mVLV
CC = 22.6
mi = 50g
mf = 54g
mV = 24g
Ti = 23ºC
Tf = 42ºC
Te = 100ºC
Error relativo = 122.9
OBSERVACIONES
1. Se observa que par evitar una ebullición
tumultuosa se puso vidrio en el interior del
recipiente con agua, el cual amortiguaría el
desprendimiento de burbujas.
2. En el momento de la ebullición el techo en forma
de L condujo el vapor, y colocamos el calorímetro
con agua para calcular el volumen de vapor.
3. Observamos que en el primer intento medimos mas
la temperatura, debido a que el termómetro no
llegaba al agua dentro del calorímetro sino sólo
se consideraba la temperatura del vapor.
4. El vidrio que echamos no amortiguo del todo ya
que por otro ducto se salía el agua en el momento
que pusimos la boca del tubo en el corcho que
tapaba el calorímetro
