Pre-Informe: Calor de reacción en solución

Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Laboratorio de propiedades termodinámicas y de transporte

Andrea Vásquez (02245622) - Mayerly Serrano (02245619) Sebastián Ochoa (02245532)

1. Objetivos:

Determinar el calor de disolución de ácido clorhídrico en agua.

Determinar el calor de reacción para una reacción acido-base (ácido clorhídrico e hidróxido de sodio) en solución acuosa empleando calorimetría adiabática.

2. Marco teórico:

¿Qué es el calor de disolución?

El calor de disolución es la energía liberada por una sustancia al ser disuelta en otra, algunas sustancias liberan calor al ser disueltas mientras que otras lo absorben. Este comportamiento, ya sea exotérmico o endotérmico se da debido a interacciones entre las moléculas de distintos componentes y debe conocerse para tenerse en cuenta en los balances de energía y diseño de equipos.

Si se tienen dos sustancias puras, una que va a actuar como solvente (n1) y otra como soluto (n2), cada una con un estado entálpico diferente, y se mezclan va a haber un cambio de energía en el proceso que se considera como el calor de disolución.

Observando el siguiente esquema se observan los estados inicial y final del proceso de mezclado.

Dos sustancias puras entran en un recipiente con un mezclador a la misma presión y temperatura.

Al mezclarse se genera una solución que tiene n1 +n2 moles, si se considera un proceso con

liberación de calor la temperatura y la presión de la mezcla serán iguales a las de los componentes

puros. La aplicación de la primera ley de la termodinámica permite decir que:

𝑄 + 𝑊 = 𝐻𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝐻𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙

Se considera un proceso sin trabajo neto:

n1, P, T,

H1 (n1+n2), T, P,

H3

n2, P, T,

H2

𝑄 = (𝑛1 + 𝑛2)𝐻3 − (𝑛1𝐻1 + 𝑛2𝐻2)

Dividiendo en el número de moles se encuentra que:

∆𝐻𝑠𝑜𝑙 =𝑄

𝑛2=

𝐻3

𝑋2−

𝑋1

𝑋2∗ 𝐻1 − 𝐻2

La magnitud ∆𝐻𝑠𝑜𝑙 es el calor integral de disolución, que es el que se tiene como objetivo calcular

en esta práctica, es una magnitud que depende de la concentración de la solución. A diferentes

composiciones la magnitud del calor de disolución cambia, de ahí la existencia de los diagramas de

entalpia vs concentración.

¿Qué es el calor de neutralización?

Al neutralizar soluciones diluidas de ácidos fuertes con bases fuertes a temperatura ambiente, se

da una liberación o absorción de energía, el calor de neutralización por mol de agua formada se

prácticamente constante.

La reacción iónica puede ser representada por:

𝐻𝑎𝑐+ + 𝑂𝐻𝑎𝑐

− → 𝐻2𝑂 (𝑙) ∆𝐻𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = −13,7𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙 = −57,34 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙

Este calor de neutralización es hallado para la neutralización de un ácido fuerte con una base

fuerte. Si se utilizan soluciones más diluidas se suelen obtener calores de neutralización más altos.

Cuando se emplean electrolitos débiles o fuertes a concentraciones para las cuales la disociación

no es completa, se obtienen valores menores de calor de neutralización. Por lo tanto, el calor de

neutralización depende de la naturaleza del ácido y de la base, de las concentraciones empleadas,

y de la temperatura.

¿Qué es la calorimetría adiabática?

En calorimetría adiabática el objetivo principal es conservar todo el calor producido dentro del

sistema en la medida de lo posible, esto se logra con aislamientos térmicos apropiados.

Como no hay intercambios de calor con el ambiente el sistema sufrirá cambios de temperatura, los

cuales pueden ser medidos y relacionados con la absorción o la liberación de calor por parte de

una reacción. El efecto calorífico observando durante una reacción se compara con el obtenido

cuando una cantidad conocida de calor es producida en el sistema calorimétrico. Esta

comparación se conoce como “experimento de calibración”, el cual debe llevarse a cabo antes o

después de la reacción. La energía de calibración siempre va suministrada por un calentamiento

eléctrico.

Los experimentos de calibración y reacción permiten la obtención de curva de temperatura vs

tiempo, conocidas como termogramas, donde usualmente el comportamiento del experimento de

calibración es diferente al experimento de la reacción. En estos experimentos es necesario realizar

registros de temperatura en función del tiempo, debido a la imposibilidad de tener calorímetros

completamente adiabáticos.

A partir del calor suministrado en el experimento de calibración, que se conoce relacionando el

calor generado en el sistema con el trabajo eléctrico realizado sobre él y según el cambio de

temperatura que también es conocido, es posible determinar la capacidad calorífica del sistema.

Que será la suma de las capacidades caloríficas de las diferentes partes del equipo, vaso

calorimétrico, contenido, resistencia de calentamiento, termómetro y agitador.

−𝑊𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 = 𝑄𝑐 = 𝑉. 𝐼. 𝑡

En la reacción de neutralización o en el proceso de disolución es posible determinar los cambios

de temperatura en función del tiempo para hallar el calor de reacción o de neutralización, según el

caso.

3. ¿En qué consiste el método a emplear en la presente práctica? (1)

En este experimento el calentamiento de un volumen, (V0) de agua destilada, medido a

temperatura ambiente, se produce con el calor suministrado por efecto Joule al pasar una

corriente de intensidad I amperios a través de una resistencia R Ohmios durante un tiempo t

segundos. El calor producido viene dado por:

𝑄 = 𝑅𝐼2𝑡 = 𝑉𝐼𝑡 [𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠]

Inicialmente se halla el Calor específico del calorímetro debido a que la solución y la fuente de

voltaje trasmitirán calor a los componentes físicos del calorímetro.

𝑄 = ∆𝐻𝑎𝑔𝑢𝑎 + ∆𝐻𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 ∆𝐻𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖)

∆𝐻𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 𝐶𝑐𝑎𝑙 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖)

Por lo tanto

𝑉𝐼𝑡 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖) + 𝐶𝑐𝑎𝑙 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖)

Con datos de T y t se grafica una curva de calentamiento y se determina el valor de ΔT =Tf-Ti

Reordenando la ecuación

𝐶𝑐𝑎𝑙 =(𝑉𝐼𝑡 − 𝑚 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎(∆𝑇))

∆𝑇

Si una reacción tiene lugar en un calorímetro adiabático en el que no hay intercambio de calor

con el entorno, la variación de entalpía debida al proceso se transferirá a los productos de la

reacción y a los elementos materiales del calorímetro y se manifestará por un cambio en la

temperatura.

∆𝐻𝑟 = 𝐶𝑐𝑎𝑙 ∗ ∆𝑇𝑟 + 𝐶𝑠𝑜𝑙 ∗ ∆𝑇𝑟 (+)

∆𝑇𝑟 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑙𝑢𝑒𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 á𝑐𝑖𝑑𝑜

− 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 á𝑐𝑖𝑑𝑜

Como se puede observar, en la ecuación (+) se desconoce el valor de Csol para ello es

necesario un calentamiento con la fuente de voltaje y un cálculo similar al realizado para

calcular Ccal

𝑉𝐼𝑡 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖) + 𝐶𝑐𝑎𝑙 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖)

m será la masa de solución, en este caso se asumirá m como la masa de agua debido a que la

cantidad de ácido agregada no es representativa

Con datos de T y t se grafica una curva de calentamiento y se determina el valor de ΔT =Tf-Ti

Método gráfico para calcular los cambios de temperatura corregidos:

Debido a que los calorímetros no son sistemas adiabáticos perfectos es necesario la creación de

termogramas (graficas de Temperatura vs tiempo) a partir de los cuales es posible evaluar las

“fugas térmicas, así como otros efectos parásitos como “el calor de agitación” generado por

fricción del agitador con el medio.

Este es un ejemplo de un termograma obtenido en una reacción exotérmica, la trayectoria AB se

refiere al periodo inicial, la trayectoria BC es conocida como periodo de reacción, y la CD como

periodo final. Para hacer la corrección de temperatura y hallar el ΔT corregido, se realiza una

extrapolación lineal de la trayectoria inicial y la final, luego se traza una línea paralela al eje de la

temperatura en el punto P, que representa el promedio de las temperaturas T2 y T3 donde inicia y

acaba la reacción respectivamente. Los puntos en los que esta línea paralela a la temperatura se

cruce con las extrapolaciones hechas serán los valores de la temperatura que se usen en el delta.

Este método de corrección se usa cuando la variación de la temperatura durante la reacción es

aproximadamente lineal.

4. Materiales y reactivos

Materiales Reactivos

Vaso Dewar HCl Motor de agitación, Agitador de vidrio NaOH Medidor de Temperatura (Termopar) Biftalato de Potasio Calentamiento controlado (Fuente de Voltaje) Fenolftaleína Probeta Bureta Vaso de precipitados

5. Montaje

6. Procedimiento

Agregar 700 ml Agua Destilada

Encender agitadorRegistrar

temperaturaEncender fuente (V= 0,5v I= 1,0 A)

Registrar temperatura cada

30s por 5 min Apagar fuente

Esperar estabilidad, registrar T,

continuar agitando

Determinar Cp del calorimetro

CALOR DE SOLUCIÓN

Agregar ácido HCl para que la

solución sea 0,1 N

Registrar temperatura

Encender fuente y registrar T cada 30s

Apagar fuenteEsperar estabilidad

registrar T Hallar calor de

disolución del HCl CALOR DE

NEUTRALIZACION

Preparar solución 0,5 N, NaOH

Estandarizar con Biftalato de Potasio, y

fenolftaleina

Agregar a la solución ácida

Anotar T estable

Encender fuenteAnotar T cada 30s

por 5 min

7. Convenciones

n1 moles de solvente

n2 moles de soluto

Q= calor

W= trabajo

P= presión

T= temperatura

Hi= Entalpía de i

X1 Fracción molar de 1

X2 Fracción molar de 2

R =Resistencia

I= Corriente

V= Diferencia de potencial

t= tiempo

Cpi= Capacidad calorífica del componente i

C= Capacidad calorífica del calorímetro

Tf = Temperatura final

Ti= Temperatura inicial

ΔT= Cambio de temperatura ocasionado por el calentamiento con la fuente de voltaje

ΔTr= Cambio de temperatura debido a la reacción

T2 = temperatura de inicio de reacción

T3= temperatura de finalización de la reacción

P= promedio de T2 y T3

ΔT corregido = cambio de temperatura corregido mediante el termograma

8. Anexos

Cálculos para la preparación de soluciones

Solución de HCl al 0,1 M

Se prepara una solución 0,1 M en 700 ml de agua en el vaso Dewar partiendo de una solución

liquida de HCl al 37% (p/p) con densidad 1,19 g/ml.

Solución 0,1 M = 0,1 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐻𝐶𝑙

1 𝐿 𝑠𝑙𝑛=

0,1 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐻𝐶𝑙

1000 𝑚𝐿 𝑠𝑙𝑛∗ 700 𝑚𝐿 𝑠𝑙𝑛

Moles de HCl = 0,07 mol

0,07 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 ∗ 36,45 𝑔 𝐻𝐶𝑙

1 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙= 2,5515 𝑔 𝐻𝐶𝑙

La masa de HCl a agregar entonces es 2,5515 𝑔

Para agregar esta masa HCl partiendo de una solución liquida es necesario considerar el %(p/p) de

la misma y la densidad.

%𝑝

𝑝=

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛∗ 100

%𝑝

𝑉=

𝑃

𝑃∗ 𝜌

%𝑝

𝑉=

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑙𝑛∗

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑙𝑛

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑠𝑙𝑛=

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑠𝑙𝑛

%𝑝

𝑉= 37% ∗ 1,19 = 44,03% Porcentaje en peso

Volumen de HCl = 2,5515 𝑔 𝐻𝐶𝑙 ∗100 𝑚𝑙 𝐻𝐶𝐿

44,03 𝑔 𝐻𝐶𝑙

Volumen de HCl (37%) = 5,795 mL de HCl en 700 mL de agua en el vaso Derwal

Lo que significa que al final se dispondrá de una solución de 705,8 mL de HCl al 0,1 M

Solución de NaOH

Se requiere preparar 150 mL una solución de NaOH para neutralizar la solución 0,1 M de HCl

La reacción de neutralización es:

HCl + NaOH -- NaCl + H2O

De la reacción se observa que la relación molar entre el ácido y la base es uno a uno.

0,1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐻𝐶𝑙

1000 𝑚𝐿 𝑠𝑙𝑛∗ 705, 8 mL sln ∗

1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻

1 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 ∗

1

0,150 𝐿 𝑠𝑙𝑛= 0,470

𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻

𝐿 𝑠𝑙𝑛

Lo que significa que se debe preparar una solución de NaOH al 0,47 molar en 150 mL de solución,

para preparar dicha solución se parte de hidróxido de sodio sólido.

0,47 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻

1 𝐿 𝑠𝑙𝑛∗ 0,15 𝐿 𝑠𝑙𝑛 ∗

40,0 𝑔 𝑁𝑎𝑂𝐻

1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻= 2,82 𝑔 𝑁𝑎𝑂𝐻

Por lo cual se requiere de 2,82 g de NaOH en 150 mL de agua.

Valorización con biftalato de potasio

Finalmente es necesario valorizar la solución de hidróxido de sodio lo cual se realiza con biftalato

de potasio. Para lo cual se preparan 50 mL de una solución de bifatalato al 0,5 M

Se debe considerar que la relación molar entre el biftalato de potasio y el hidróxido de sodio

también es uno a uno por lo que simplemente se cal

0,47 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑓𝑡𝑎𝑙𝑎𝑡𝑜

1 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑙𝑛∗ 0,05 𝐿 𝑠𝑙𝑛 ∗

204,22 𝑔 𝑏𝑖𝑓𝑡𝑎𝑙𝑎𝑡𝑜

1 𝑚𝑜𝑙 𝑏𝑖𝑓𝑎𝑡𝑎𝑙𝑎𝑡𝑜= 4,7992 𝑔 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑓𝑡𝑎𝑙𝑎𝑡𝑜

Por lo que es necesario agregar 4,7992 g de biftalato en 50 ml de agua.

9. Bibliografía

1. http://campus.usal.es/~quimfis/apoyo/Cachaza/Personal/practicas/CALORIMETRIA.PDF

2. Romero .C, Pinzon. J, Gomez. L &Garcia. J “Prácticas de laboratorio de fisicoquímica”

Bogotá. Universidad Nacional de Colombia (1985) Capitulo II.