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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERA
LABORATORIO PROPIEDADES TERMODINMICAS Y DE TRANSPORTE PREINFORME
PRCTICA N2: CALOR DE REACCIN EN SOLUCIN
MARZO 05 DE 2015 GRUPO 2
INTEGRANTES: Diana Paola Rojas Pardo Cdigo: 245035 Sergio
Alejandro Garibello Tunjo Cdigo: 245086 Ruth Viviana Arvalo Bolaos
Cdigo: 244445
INTRODUCCIN El presente informe expone la metodologa,
apreciaciones y unos valores obtenidos experimentalmente para la
identificacin del calor de solucin de cido sulfrico para una
composicin determinada. Paralelamente tambin es considerado el
calor de neutralizacin de dicho cido con hidrxido de sodio
conociendo la capacidad calorfica (C) de las soluciones a las
condiciones de trabajo, es importante identificar la participacin
de cada variable en los clculos, determinando el grado de afectacin
en los resultados. Conceptualmente es importante identificar que
las reacciones qumicas tienen un cambio energtico asociado, bien
sea por liberacin o por consumo de energa en cualquiera de sus
formas. Las soluciones acuosas y las reacciones de neutralizacin
(cido-base) no son la excepcin, y es necesario conocer esta
cantidad de energa transferida en forma de calor, y esta informacin
ser calculada empleando ciertos instrumentos y determinados
materiales que sern especificados. Se efectuar de manera objetiva
un anlisis para asociar los conceptos con otras aplicaciones en
diferentes procesos importantes en la Ingeniera Qumica. OBJETIVO
GENERAL Determinar el calor normal de una reaccin de neutralizacin
en solucin. OBJETIVOS ESPECFICOS
Determinar la capacidad calorfica del calormetro.
Evaluar el calor de solucin del cido sulfrico en solucin.
Calcular el calor de reaccin de la reaccin de neutralizacin
entre el cido sulfrico con hidrxido de sodio.
Realizar las respectivas comparaciones con los datos reportados
en la literatura, llevando a cabo la correccin del valor calculado
por temperatura.
MARCO TERICO Calor de reaccin Tambin es llamado entalpa de
reaccin. Es el cambio de entalpa para una reaccin estequiomtrica,
en donde las cantidades estequiomtricas de los reactivos reaccionan
totalmente para formar productos, a una temperatura y presin
determinada. Cada
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reaccin tiene un calor de reaccin nico. Su clculo se hace a
partir de los calores de formacin de cada una de las sustancias
establecidas en la reaccin:
aA + bB cC + dD
(, ) = (, ) (, ) Si el valor del calor de reaccin es negativo,
la reaccin es exotrmica a la temperatura y presin dada. Si por el
contrario, su valor es negativo, indica que la reaccin es
endotrmica. Por otro lado, el valor del calor de reaccin es
prcticamente independiente de la presin cuando se trabaja a
condiciones de presiones bajas y moderadas. Es indispensable tener
en cuenta las fases en que se encuentran las sustancias implicadas
en la reaccin ya que para una sustancia, el calor de formacin en
los estados slido, lquido y gaseoso vara. Si la reaccin se lleva a
cabo a temperatura y presin estndar (25C y 1atm), el calor de
reaccin ahora es llamado calor estndar de reaccin:
(, ) = (,
)
1
> 0 < 0
Donde , es el calor de formacin de cada una de las sustancias a
una temperatura y
presin estndar. Si se quiere calcular la entalpa de reaccin
cuando la reaccin se lleva a cabo a una presin y temperatura
diferente a la estndar, se debe remitir al tem Variacin del calor
de reaccin con la temperatura. Experimentalmente, el calor de
reaccin se puede medir en un calormetro, en donde el aumento o
disminucin de la temperatura del fluido puede ser medido para
posteriormente calcular la energa liberada o absorbida por la
reaccin, y calcular el valor de Hr a partir de esta energa y las
capacidades calorficas de cada sustancia implicada en la reaccin.
[1] Ley de Hess (secuencias de reacciones) Si se hace la
transformacin de una serie de reactivos en productos por medio de
ms de una reaccin, el cambio total de la entalpa debe ser la misma
si se usara una sola reaccin. El cambio de entalpa neto se obtiene
sumando o restando la entalpa de todas las reacciones secundarias
necesarias para la reaccin neta [2]. En resumen, la ley de Hess
establece que la reaccin de la entalpa en la reaccin directa es
igual a la sumatoria de las entalpas de cada una de las diferentes
reacciones intermedias. Lo anterior se puede asegurar teniendo en
cuenta que la entalpa no depende del camino de la reaccin, sino de
las condiciones iniciales y finales [3]. Variacin del calor de
reaccin con la temperatura Se puede conocer el valor de reaccin a
cualquier temperatura si se conoce el valor del calor estndar de la
reaccin (a temperatura de 25C) y las capacidades calorficas de cada
una de las sustancias implicadas en la reaccin. El calor de reaccin
estndar es [2]:
=
-
Derivando la anterior ecuacin con respecto a la temperatura, y
sabiendo que dH/dT=Cp se obtiene:
= (
)
(
)
= (
)
( )
=
Donde Cp es la resta entre la capacidad calorfica de los
productos y reactivos. Expresando la ecuacin anterior en forma
diferencial:
=
Integrando entre la temperatura estndar (25C) y la temperatura a
la que se realiza la reaccin:
=
=
=
+
El valor de las capacidades calorficas se puede consultar en la
tabla B2 del libro Principios Elementales de los Procesos Qumicos,
Edicin 3. Calor de solucin Es la variacin de entalpa cuando una
cantidad de soluto es adicionada a un solvente, en condiciones de
temperatura y presin constantes. Mientras sea adicionada una
cantidad mayor de solvente, el calor de solucin va a tender a un
valor lmite, que se conoce como solucin infinitamente diluida. El
calor diferencial de solucin es el cambio de la entalpa en funcin
de la concentracin en solucin y se define como [4]:
|,
La cantidad de calor que se desprende o se absorbe por mol de
sustancia cuando toda la sustancia se disuelve en su totalidad en
la cantidad del disolvente se calcula segn la siguiente ecuacin
(calor integral de solucin) [5]:
= (()
0)
,
-
Calor de neutralizacin Es el calor que se produce cuando un
equivalente gramo de cido es neutralizado por una base. Para
determinar su valor, inicialmente se debe hallar la temperatura
mxima que puede ser alcanzada por el calormetro, y posteriormente,
se mide la temperatura mxima que puede ser alcanzada en el
calormetro si se mezclan disoluciones diluidas de un cido y una
base]. El calor molar de neutralizacin es el calor que se produce
en una reaccin de neutralizacin de un mol de cido en solucin
acuosa, por un mol de una base en solucin y su valor depende de la
concentracin a la que se encuentre tanto el cido como la base [6].
Calormetro Es un equipo que especficamente mide los cambios de
calor consecuentes de las reacciones qumicas. Es una cmara en la
cual se lleva a cabo la reaccin (recipiente aislado) y con ayuda de
un termmetro se registra si hay aumento o disminucin de la
temperatura. La capacidad calorfica del calormetro se puede
determinar con la siguiente ecuacin [6]:
= ( + ) Donde es la masa de agua dispuesta en el calormetro, es
el equivalente en agua del calormetro (expresado en unidades
msicas), es el calor especfico del agua a presin
constante de 1 atm y es la diferencia de temperatura observada
de la reaccin. Los calormetros tienen un calentamiento elctrico, el
cul funciona segn el efecto Joule, en donde al circular corriente
elctrica a travs de un conductor, una parte de la energa cintica se
convertir el calor. Se determina segn la siguiente ecuacin:
Q=I2Rt
Donde Q es el calor generado, I es la intensidad elctrica, R es
la resistencia (R=V/I, donde V es el voltaje) y t es el tiempo [7].
A partir del voltaje, intensidad de corriente y tiempo se puede
calcular el calor en el sistema, segn la siguiente ecuacin:
=
= = 2
= 2
1
El calor especfico del calormetro se expresa:
=
2 1
Cuando en un calormetro se realiza una reaccin de neutralizacin
mezclando un cido en solucin con una base, el calor liberado
es:
() = + 24 +
-
Donde es la capacidad calorfica del calormetro, 24 es el cambio
de entalpa
de la solucin de cido de 25C a la temperatura final y es el
calor de solucin del hidrxido de sodio. METODOLOGA EXPERIMENTAL
Materiales y equipos: Ilustracin 1
Calormetro isobrico compuesto por vaso Dewar sistema de agitacin
y de calentamiento termmetro (termocupla)
Ilustracin 2
balanza analtica Vidrio reloj Erlenmeyer Bureta Baln aforado
Probeta Cronmetro
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Ilustracin 1. Calormetro empleado en la prctica.
Ilustracin 2. Utilera empleada en los procesos analticos de la
prctica
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Reactivos: cido sulfrico Hidrxidos de sodio Fenolftalena
Biftalato de potasio agua destilada Fenolftalena
Diagrama de equipo
Diagrama 1. Equipo para determinar el calor de reaccin en
solucin
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Diagrama de proceso
Diagrama 2. Estandarizacin de NaOH
Diagrama 3. Procedimiento Calor de Reaccin
Se pesa en un vidrio de reloj 0.3044 g de biftalato
de potasio
Se disuelve el biftalato de potasio en 50 ml de agua destilada y
se agregan 3
gotas de fenoftalena
Se calcula el peso necesario de NaOH para obtener la
concentracin 0.5M en 250 ml de agus
destilada
Pesar 5.0864 g de NaOH en escamas
Agregar las escamas de NaOH en 250 ml de agua
destilada y esperar que se disuelva en su totalidad.
Titular con la solucin de NaOH 0.5M, hasta que
haya un cambio de tonalidad de transparente
a rosa tenue.
Anotar el volumen gastado de NaOH.
Se anota el volumen de solucin de NaOH
restante con el fin de usarlo en el proceso
calorimtrico.
Agregar al vaso Dewar 700 ml de agua destilada
Cerra el vaso Dewar hermticamente sin dejar
alguna abertura.
Se enciende el calentamiento con la
resistencia y se toman datos continuamente
durante 5 minutos con intervalos de 30 segundos
Apagar el calentador y dejar que el sistema se
estabilice durante 5 minutos.
Con estos valores se calcula la constante del
calormetro.
Se adiciona 1.9 ml de H2SO4. Se toman los
valores de corriente y voltaje
Se toma datos de temperatura durante 7
minutos en intervalos de 30 segundos.
Se agrega el volumen restante de NaOH
previamente preparado.
Se toman datos de temperatura durante 8
minutos con intervalos de 15 segundos.
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TOMA DE RESULTADOS Estandarizacin del NaOH: El NaOH disponible
en el laboratorio tiene una concentracin de 0,5N y 99,9%(p/p). A
continuacin se muestra el clculo de la masa necesaria de NaOH para
un volumen de 250mL de agua:
250 (0,5
1000 ) (
1
1 ) (
39,997
1 ) (
100
99,9 )
= 5,0046 La cantidad de masa tomada en la experimentacin es de
5,0864 . A continuacin se calcula en nmero de equivalentes-g de
NaOH:
5,0864 (99,9
100 ) (
1
39,99 ) (
1 24
1 24)
= 0,12706 De esta manera, la normalidad supuesta de la solucin
de NaOH es:
=0,12706 eq g NaOH
0,250 = 0,508
Para llevar a cabo la estandarizacin, se diluy 0,3044 de
biftalato de potasio (BFK) y se agreg una gota de indicador
fenolftalena. Seguido de esto, se titul con la solucin de NaOH. El
volumen gastado en la titulacin fue de 3,4 de solucin de NaOH, el
cual se midi con una bureta con una incertidumbre de 0,2 .
0,3044 (1
204,222 ) (
1
1 ) (
1
1 ) = 0,00149
De esta manera, la normalidad supuesta de la solucin de NaOH
es:
=0,00149 eq g NaOH
0,0034 = 0,432
0,432 eq g 24
(
1 241 eq g 24
) (98,1 241 24
) (1 24
1,84 24) = 1,95 24
Para llevar a cabo la estandarizacin, se diluy 0,3044 de
biftalato de potasio (BFK) y se agreg una gota de indicador
fenolftalena. Seguido de esto, se titul con la solucin de
NaOH. El volumen gastado en la titulacin fue de 3,4 de solucin
de NaOH, el cual se midi con una bureta con una incertidumbre de 2
. Habiendo calculado el volumen y su respectiva normalidad, se
recopila en la tabla N1 la informacin correspondiente a la
estandarizacin del NaOH.
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Tabla 1. Masa y concentracin de NaOH para la estandarizacin.
Estandarizacin NaOH
Normalidad NaOH requerida (N) 0,50
Masa de pastillas NaOH (g) 5,0864
BKF (g) 0,3044
Normalidad de NaOH estandarizado (N)
0,4320
En las figuras 2a y 2b, se ilustra el proceso de neutralizacin
antes y despus del punto de viraje respectivamente. Para la solucin
preparada de NaOH (aq).
Ilustracin 3a. Solucin antes de la neutralizacin.
Neutralizacin del NaOH Esta dada por la siguiente reaccin:
2 NaOH(aq) + H2SO4 (aq) Na2SO4 + 2 H2O
Ilustracin 2b. Solucin en el punto de viraje.
-
Considerando lo anterior, la normalidad y los volmenes
utilizados en la neutralizacin estn listados en la tabla N2.
Tabla 2. Preparacin H2SO4
Volumen de H2SO4 (mL) 1,96
Normalidad de la solucin de H2SO4 (N)
0,01
Concentracin de H2SO4 (% p/p) 96
Densidad de H2SO4 al 96% (g(mL) 1,84
En cada tanda de recoleccin de datos, era supervisado el valor
del Voltaje y la corriente de la resistencia del calormetro.
Capacidad Calorfica del Calormetro. En el recipiente del calormetro
se le adiciona un volumen inicial de 700 mL de agua destilada, se
le aplica la agitacin mnima (250 251 rev x min), y se toman los
datos de la tabla 3. Tabla 3. Informacin recolectada del Calormetro
con Agua. (Adicin de 700 mL de
Agua)
Calormetro + agua
t (segundos) T (C) V (W) I (A)
0 19,5 3,4 0,55
30 19,6 3,4 0,55
60 19,7 3,4 0,55
90 19,7 3,4 0,55
120 19,7 3,4 0,55
150 19,8 3,4 0,55
180 19,8 3,5 0,56
210 19,9 3,5 0,57
240 19,9 3,4 0,55
270 20 3,4 0,55
300 20 3,4 0,55
19,78 3,42 0,55
MEDIANA 19,8 3,4 0,55
Varianza 2,56E-02
1,64E-03 4,18E-05
Desviacin Estndar
1,60E-01
4,05E-02 6,47E-03
-
Grfica 1.Termograma de Agua para la determinacin del C del
calorimetro.
Se debe calcular el calor especfico del agua con la temperatura
promedio a la que se realiz la prctica de calor de Solucin, se
emplea el polinomio reportado en [5] con los coeficientes de la
tabla 1 para el agua lquida.
= + + 2 + 3 + 4
A 2,76E+05
B -2,09E+03
C 8,13E+00
D -1,41E-02
E 9,37E-06
Tabla 4. Coeficientes para hallar Cp del agua lquida
Tprom=21,57 C = 294.72 K, reemplazando en el polinomio, se
tiene
2 = 2.76 105 (2.09 103 292.93) + (8.13 (292.93) (1.41 102
(292.93)3)
+ (9.37 106 (292.93)4) = 75972,79 = .
La masa de agua se halla con la densidad a la temperatura del
experimento y el volumen empleado de agua.
= = 700 0.9982
= 698.74
Determinacin de la constante del calormetro La constante
calorfica del calormetro se obtiene del balance de energa, teniendo
en cuenta que se analiza el volumen de control conformado por la
resistencia, el agitador, el termmetro y las paredes del
calormetro, y que no hay trabajo sobre el sistema.
19,4
19,5
19,6
19,7
19,8
19,9
20
20,1
0 50 100 150 200 250 300 350
Tem
pe
ratu
ra (
C)
tiempo (s)
Termograma de Agua
-
= Se sabe que el calormetro es esencialmente adiabtico, por lo
tanto no intercambia calor con los alrededores. Pero, el calor
suministrado es dado por una resistencia, con lo cual
= = = 3.42 0.55 300 = 564.3 Y los cambios en la energa, teniendo
en cuenta la relacin termodinmica entre la energa interna y la
entalpa, se pueden expresar como:
= + Lo anterior, expresado en trminos de la temperatura y los
calores especficos, corresponde a:
= 22(2 1) + (2 1)
Si se reemplaza, se obtiene:
= 22(2 1) + (2 1)
De la cual se puede despejar directamente la constante del
calormetro (k):
=
(2 1) (22(2 1))
=(3.42)(0,55)(300 )
(0.5 ) (700 ) (0,9982
) (4,220
) (0.5 )
= 1126.49 / El balance de energa es muy similar al usado para
determinar la capacidad calorfica del calormetro.
= +
= ( + )
= (
)
Cpsln es dividido en la correspondiente suma de la masa del Agua
y del cido sulfrico
adicionado.
= (3,42 0,55 300
0,5 K 1126,49 /)
1
1
= 2,11
( + ) = .
-
(1126,49 + 702,33 2,11) = .
. = 2611,4
Por unidad de masa de cido Sulfrico adicionado.
. =2611,4
1,95 = 1,339
(
98 241 24
) = 131,240J
mol
La capacidad calorfica de la solucin ser calculada de la misma
forma que en la seccin del calor de disolucin, obteniendo como
resultado:
= 2,11
= 2611,4
= 131,240
Revisando los datos bibliogrficos, tenemos que para el calor
integral de solucin o como se ha llamado hasta el momento, calor de
disolucin, el valor esta referenciado a una relacin molar entre las
moles de agua y las moles de soluto, en nuestro caso esa relacin
toma el valor de 842,12, interpretando los valores en la tabla B.11
de Felder obtenemos que el valor tericos es -77,65 KJ/mol de cido
Sulfrico.
Disolucin del cido
Tabla 5. Informacin recolectada del calormetro con cido.
Agua ms cido
t (segundos) T (C) V (W) I (A)
0 20,7 3,4 0,55
30 20,8 3,4 0,55
60 20,8 3,4 0,55
90 21 3,4 0,55
120 21,1 3,4 0,55
150 21,1 3,4 0,55
180 21,2 3,5 0,56
210 21,3 3,5 0,57
240 21,3 3,4 0,55
270 21,3 3,4 0,55
300 21,4 3,4 0,55
330 21,4 3,4 0,55
360 21,5 3,4 0,55
390 21,6 3,5 0,56
420 21,6 3,4 0,55
440 21,7 3,4 0,55
-
21,24 3,42 0,55
MEDIANA 21,3 3,4 0,55
Varianza 9,18E-02 1,63E-03 3,33E-05
Desviacin Estndar
3,03E-01 4,03E-02 5,77E-03
Grfica 2. Temperatura vs tiempo, Agua + cido
Neutralizacin Tabla 6. Informacin recolectada del calormetro con
la reaccin de neutralizacin.
NaOH + H2SO4
t (segundos) T (C) V (W) I (A)
0 21,8 3,4 0,55
15 21,8 3,4 0,55
30 21,8 3,4 0,55
45 21,8 3,4 0,55
60 21,9 3,4 0,55
75 21,9 3,4 0,55
90 22 3,5 0,56
105 22 3,5 0,57
120 22,1 3,4 0,55
135 22,1 3,4 0,55
150 22,2 3,4 0,55
165 22,2 3,4 0,55
180 22,3 3,4 0,55
195 22,4 3,5 0,56
210 22,5 3,4 0,55
225 22,5 3,4 0,55
20,6
20,8
21
21,2
21,4
21,6
21,8
0 100 200 300 400 500
Tem
pe
ratu
ra (
C)
tiempo (s)
Termograma de Agua y cido
-
240 22,6 3,4 0,55
255 22,7 3,4 0,55
270 22,7 3,4 0,55
285 22,8 3,4 0,55
300 22,8 3,4 0,55
315 22,8 3,4 0,55
330 22,9 3,4 0,55
345 22,9 3,4 0,55
360 22,9 3,4 0,55
375 23 3,4 0,55
390 23 3,4 0,55
405 23 3,4 0,55
23 3,4 0,55
22,43 3,41 0,55
MEDIANA 22,5 3,4 0,55
Varianza 1,93E-01 9,61E-04
1,95E-05
Desviacin Estndar 4,40E-01 3,10E-02
4,41E-03
Grfica 3. Termograma Base + cido
21,6
21,8
22
22,2
22,4
22,6
22,8
23
23,2
0 100 200 300 400
Tem
pe
ratu
ra (
C)
tiempo (s)
Termograma de Agua y cido
-
Grfica 4. Termograma general
ANLISIS DE COSTOS
Para esta prctica el costo estimado es de: 1. Laboratorista (3
horas) $150.000 2. NaOH: $55.882/500g1$568(5,0864 g) 3.
BFK:$20.000/kg2$6 (0,3044 g) 4. H2SO4: 96%: $71.063/L
3$139 (1,95mL) 5. Agua: $1.599/m3 4$2 (1L)
Total: $150.711 COP
ANLISIS AMBIENTAL En la prctica se us cido sulfrico, hidrxido de
sodio. El cido sulfrico es un compuesto que puede actuar como
agente oxidante, genera reacciones violentas generando peligros de
explosin, es una sustancia altamente toxica en contacto con el
medio ambiente, se debe manejar como un residuo peligroso [8]. El
hidrxido de se us en la prctica en forma de escamas, es altamente
higroscpico y corrosivo. Si se ven las sustancias por separado son
altamente corrosivas, pero la unin de ellas genera una reaccin de
neutralizacin liberando cierta cantidad de calor. Aunque los
residuos se deben almacenar en un depsito exclusivo para
tratamiento de residuos es bajo en toxicidad por convertirse en una
base ms agua que con un pequeo tratamiento se puede botar al desage
sin generar problemas ambientales.
1 Precio consultado el 03-03-2015 en:
http://www.scbt.com/es/datasheet-203387-sodium-hydroxide-pellets.html
2 Precio consultado el 3-03-2015 en:
http://www.quiminet.com/productos/biftalato-de-potasio-cristalizado-15841043307/precios.htm
3 Precio consultado el 03-03-2015 en:
http://www.quiminet.com/productos/acido-sulfurico-96-din-53727-42803324831/precios.htm
4 Precio consultado el 03-03-15 en: http://www.acueducto.com.co
para un estrato 3.
19
19,5
20
20,5
21
21,5
22
22,5
23
23,5
0 300 600 900 1200 1500
Tem
pe
ratu
ra (
C)
Tiempo (s)
Termograma General
Solo Agua
Con cido Sulfrico
Con Hidroxido de Sodio
-
CONCLUSIONES
Se llev a cabo el manejo matemtico requerido sobre los valores
obtenidos experimentalmente para determinar as el valor del calor
de la reaccin de neutralizacin cido-base, aunque finalmente la
confrontacin con datos de la literatura evidencia el error inducido
por las aproximaciones y la falta de aislamiento trmico durante el
experimento.
Fue posible determinar el calor normal de una reaccin de
neutralizacin aunque con una gran variacin respecto a lo esperado
segn la literatura.
SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES
Se recomienda tomar temperaturas intermedias, entre cada toma de
datos en la agregacin del cido y la base, dejar un tiempo en el cul
se registre un seguimiento a la temperatura para ver los cambios de
temperatura mientras se estabiliza el sistema.
Realizar un aislante trmico para tener mayor exactitud en la
lectura de la temperatura, para obtener mejores resultados.
Se contrastaron los datos reales con los esperados, analizando
entonces las causas de la gran diferencia entre estos entre las
cuales se encuentra la deficiencia de NaOH y la propagacin del
error en la medida.
REFERENCIAS [1] Felder - Principios elementales de los procesos
qumicos [2] Libro Fisico qumica
http://books.google.com.co/books?id=LQ3yebCDwWEC&printsec=frontcover&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q=calor%C3%ADmetro&f=false
[3] http://www.100ciaquimica.net/temas/tema5/punto6.htm [4]
http://www.bdigital.unal.edu.co/16047/1/10826-22002-1-PB.pdf [5]
http://www.geocities.ws/todolostrabajossallo/fico1.pdf [6]
http://pendientedemigracion.ucm.es/info/QCAFCAII/Doppler-Lissajous/Pagina-web/Practicas/Practicas-fqi/teoria8.html
[7] http://www.hiru.com/fisica/energia-electrica-y-efecto-joule [8]
Hoja de seguridad, Chemspider, cido sulfrico
