QUIMICA A

QUMICA PARA INGENIERA GUA DE TP LABORATORIO - MDULO I

1 Cuat. 2011

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1 Cuat. 2010

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TRABAJO PRCTICO N 2

CALORIMETRA

Conocimientos previos:

Funciones de estado.

Energa interna y entalpa.

Calorimetra. Termoqumica.

Estequiometra. Exceso y Defecto

Objetivos:

Determinar la constante de un calormetro.

Determinar entalpa molar de neutralizacin a partir de medidas calorimtricas.

Introduccin:

La termoqumica es la parte de la qumica que estudia las cantidades de calor asociadas a las reacciones qumicas. En este contexto, las reacciones qumicas se dividen en dos grupos: reacciones exotrmicas, aquellas que transcurren liberando calor al medio ambiente, y reacciones endotrmicas, que transcurren con absorcin de calor del medio ambiente.

Desde el punto de vista termoqumico, la variacin de entalpa ((H) para una cierta reaccin qumica queda definida mediante el completo conocimiento de las condiciones en las que se realiza la reaccin (Ej: temperatura, presin, estado de agregacin de reactivos y productos, fases involucradas, etc.).

El valor de (H asociado a una reaccin qumica se puede determinar experimentalmente midiendo el flujo de calor que acompaa al proceso a presin constante, esta ltima condicin es la que frecuentemente se emplea para el estudio de reacciones en un laboratorio de qumica.

La calorimetra permite evaluar la cantidad de calor puesta en juego en un cierto proceso midiendo los cambios de temperatura en un dispositivo denominado calormetro. En principio, un calormetro es un sistema adiabtico y por lo tanto la suma de los calores puestos en juego por cada porcin del sistema debe ser igual a cero (Qi = 0). Un calormetro puede emplearse para medir los cambios de temperatura provocados por fenmenos fsicos (mezcla de sustancias a distintas temperaturas) o qumicos (reacciones de combustin, reacciones de neutralizacin, etc.).

El calormetro de la figura est compuesto por diversos elementos (termmetro, vaso, agitador, termmetro, etc.) cada uno de los cuales tiene distinta capacidad para absorber calor. La ley cero de la termodinmica establece que, cuando se ponen en contacto dos cuerpos A y B a diferentes temperaturas TA y TB, una cantidad de calor Q se transferir desde el cuerpo ms caliente hacia el ms fro, de modo tal que, al terminar el proceso, el estado trmico de ambos cuerpos sea idntico.

La cantidad de calor puesta en juego en un proceso se expresa en unidades de energa. Por convencin se ha adoptado la unidad correspondiente al Sistema Internacional (joules), aunque tradicionalmente se utiliza la calora (cal). Una calora es la cantidad de calor que es necesario entregar a 1 g de agua destilada, para aumentar su temperatura en 1 C. De acuerdo a estas definiciones, la cantidad de calor Q (caloras), que debe entregarse a un cuerpo de masa m (gramos) y calor especfico c (cal/g C), para elevar su temperatura en T (C) es:

Q = m.c.TEsta es la ecuacin bsica de la calorimetra y puede emplearse para obtener la cantidad de calor absorbida o liberada por cualquier cuerpo que experimenta un cambio de temperatura, siempre y cuando no ocurran cambios de fase (como por ejemplo un cambio de estado de agregacin).

Para ilustrar el empleo de la ecuacin anterior consideremos un experimento muy simple en el que una masa de 80g de agua lquida a 45 C se introduce en un calormetro que contena inicialmente 15g de agua inicialmente a una temperatura de 25C en equilibrio trmico con las partes constituyentes del mismo (termmetro, agitador, termo, vaso, tapa, etc.). Obviamente, la masa de agua caliente ceder calor a la masa de agua fra y a las partes del calormetro que se encontraban a menor temperatura hasta que el sistema se estabilice. Supongamos que una vez alcanzado el equilibrio trmico la temperatura final del sistema es de 38.3C, entonces la cantidad de calor puesta en juego por el agua caliente estar dada por

QAguaCaliente = 80g . 1cal/gC . (38.3C 45C) = - 533.3 calNtese que se trata de una cantidad negativa puesto que el agua caliente cede calor al enfriarse. Por otra parte, de acuerdo con el primer principio de la termodinmica, si el sistema es adiabtico y no hay trabajo involucrado, la energa liberada por el agua caliente tiene que haber sido absorbida por la masa de agua fra y las partes constituyentes del calormetro. Dado que este ltimo est compuesto de varios elementos con diferentes calores especficos, para realizar los clculos se emplea la capacidad calorfica total del calormetro comnmente denominada equivalente en agua del calormetro o constante del calormetro y se simboliza con la letra E.

De acuerdo con la ecuacin bsica de la calorimetra, las cantidades de calor asociadas al calormetro y a la masa de agua fra contenida inicialmente en el mismo estarn dadas por

QCalorimetro = E . (T) y QAguaFria = m . c. (T)

donde E es la capacidad calorfica o equivalente en agua del calormetro, m es la masa del agua fra, c es el calor especfico del agua y T es la variacin de temperatura que se verifica durante el experimento (que es la misma para el calormetro y para las soluciones, ya que estn en equilibrio trmico entre s).

Si empleamos los valores del ejemplo anterior, el valor del equivalente en agua del calormetro puede obtenerse a partir de la siguiente ecuacin:

QAbsorbido = QCalorimetro + QAguaFra

533.3cal = E x (38.3C 25C) + 15g x 1cal/gC x (38.3C 25C)Observe que la cantidad de calor asociada al agua fra y a las partes que componen el calormetro es positiva ya que las mismas experimentaron un aumento de temperatura. Despejando E de la ltima ecuacin se obtiene un valor de 25cal/C para el equivalente en agua del calormetro del ejemplo anterior. Respecto del significado fsico de este ltimo resultado cabe destacar que, en conjunto, las partes del calormetro han absorbido una cantidad de calor equivalente a la que hubieran absorbido 25g de agua al experimentar el mismo cambio de temperatura. sta afirmacin es vlida puesto que el calor especfico del agua vale 1cal/gC y por lo tanto resulta que 25g . 1cal/gC = 25cal/C.

Supongamos que empleamos el calormetro para determinar el cambio de entalpa asociado a una reaccin qumica que ocurre a partir de la mezcla de dos soluciones acuosas. Dado que se trata de un sistema adiabtico, si las soluciones y el calormetro se encuentran inicialmente a la misma temperatura, los cambios de temperatura observados estarn directamente relacionados con la cantidad de calor puesta en juego en la reaccin. En este caso, el enunciado del primer principio de la termodinmica nos permite afirmar que:

Qc + Qs + QR = 0

donde QR es el calor puesto en juego por la reaccin ocurrida, Qc es la cantidad de calor intercambiado por el calormetro y Qs la cantidad total de calor que intercambian las soluciones. Considerando lo expuesto anteriormente, el calor asociado a la reaccin puede obtenerse mediante la siguiente ecuacin.

QR = - (Qc + Qs)Ntese que el calor asociado a la reaccin qumica tiene signo opuesto al calor intercambiado por el calormetro y las soluciones. De este modo, si en el calormetro se observa un aumento de temperatura, Qc y Qs sern positivos y por lo tanto QR ser negativo (la reaccin ser exotrmica). Por el contrario, si en el calormetro se verifica un descenso de temperatura, Qc y Qs sern negativos y por lo tanto QR ser positivo (la reaccin ser endotrmica).

En el presente trabajo prctico mediremos el calor puesto en juego en una reaccin entre un cido fuerte y una base fuerte, que recibe el nombre de reaccin de neutralizacin. En el laboratorio determinaremos el calor puesto en juego en la reaccin:

HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H2O H ?

En este caso particular, como en el ensayo intervienen dos soluciones, el valor de Qs estar dado por la suma de dos trminos

Qs = QSc,HCl + QSc,NaOHQs = mSc,HCl . cSc,HCl . TSc,HCl + mSc,NaOH . cSc,NaOH . TSc,NaOHDebido a que estamos trabajando con soluciones acuosas diluidas, podemos hacer las siguientes suposiciones: a) la densidad de ambas soluciones es 1g/ml (igual a la del agua destilada; b) el calor especfico de ambas soluciones es 1cal/C (igual al del agua destilada). Con estas suposiciones puede calcularse el calor absorbido por ambas soluciones utilizando la densidad y el calor especfico del agua.

DESARROLLO DEL TRABAJO PRCTICO

Importante: Anote cuidadosamente todas las observaciones y datos de inters en el cuaderno de laboratorio. Recuerde que sta informacin le ser imprescindible para la preparacin del informe individual que deber presentar para poder aprobar el trabajo de laboratorio.

PARTE A: DETERMINACIN DE LA CAPACIDAD CALORFICA DEL CALORMETRO, E (CAL/C)Materiales a emplear: calormetro, un vasos de precipitado de 250 ml, matraz de 100 ml, un erlenmeyer de 250 ml, un embudo, un termmetro, trpode, tela de amianto, mechero y agua destilada.

Procedimiento:

1. Medir 100 ml de agua destilada en el matraz, pasarla a un vaso de precipitado y calentar (a 80C aproximadamente). Paralelamente, medir otros 100 ml de agua destilada en el matraz y pasarlas a un segundo vaso de precipitado a temperatura ambiente.

2. Colocar el vaso con agua a temperatura ambiente dentro del calormetro, colocar el termmetro, el agitador y el embudo.

3. Tomar la lectura de la temperatura inicial del agua fra que se encuentra en equilibrio trmico con el calormetro.

4. Tomar la lectura de la temperatura inicial del agua caliente.

5. Agregar inmediatamente los 100 ml de agua caliente en el interior del calormetro (cuidadosamente para no quemarse ni volcar agua).

6. Dejar estabilizar la temperatura de la mezcla y medir nuevamente la temperatura indicndola como Tf (C).

Clculos: Determinar el E del calormetro teniendo en cuenta que se trata de un sistema adiabtico.

PARTE B: CALCULAR EL CALOR PUESTO EN JUEGO EN LA REACCIN.

Materiales a emplear: calormetro, solucin de cido clorhdrico (HCl), dos matraces de 250 ml, solucin de hidrxido de sodio (NaOH).

Procedimiento:

1. Medir 100 ml de solucin de HCl en un matraz.

2. Colocar el volumen de solucin medido en el vaso de precipitado que se encuentra dentro del calormetro, introducir el termmetro, el agitador y el embudo. Dejar estabilizar la temperatura del conjunto calormetro/solucin de HCl con el medio ambiente.

3. Medir 100 ml de solucin de NaOH en otro matraz y esperar hasta que su temperatura se equilibre con el ambiente.

4. Tomar la lectura en el termmetro del calormetro e indicarla como la temperatura inicial del experimento Ti(C).

5. Introducir en el calormetro 100 ml de solucin de Na(OH).

6. Dejar estabilizar la temperatura del sistema luego de la reaccin y medir dicha temperatura indicndola como Tf(C).

Clculos: Con los datos obtenidos calcular el calor puesto en juego en la reaccin (QR).

PARTE C: DETERMINACIN DE LA ENTALPA MOLAR DE NEUTRALIZACINLa entalpa molar de neutralizacin puede obtenerse como el calor asociado a la reaccin de un cido fuerte y una base fuerte para formar un mol de agua a presin constante. Por ese motivo se expresa en Kcal/mol o en KJ/mol. Una reaccin de neutralizacin puede representarse en forma genrica como

H+(aq) + OH-(aq) H2O

Considerando el calor puesto en juego en el experimento del inciso B y sabiendo que en el trabajo prctico se hicieron reaccionar 3.65g de HCl con 4.4g de NaOH, realice los clculos estequiomtricos necesarios para determinar el la entalpa molar de la reaccin de neutralizacin. Indique si se trata de un proceso exotrmico o endotrmico, fundamentando su respuesta.

EXPERIENCIA MOSTRATIVA1) Ensayos cualitativos:a) Fuego sin fuego (fuego qumico).

En una cpsula colocar un trozo pequeo de algodn embebido en alcohol. En un tubo de ensayo agregar un punta de la esptula bien colmada de KMnO4 (s) y aproximadamente 10 gotas de H2SO4 (Todo el material a usar debe estar bien seco).

Agitar bien la mezcla con varilla y tocar con ella el algodn.

Esta reaccin es endotrmica o exotrmica?

b) Congelamiento del agua.

Se estudiar la siguiente reaccin:

Na2SO4.10H2O(s) + HCl(c) ((( 2 Na+(aq) + SO4-2(aq) + Cl-(aq) + 10H2O(l)i. Indicar si se trata de una reaccin endotrmica o exotrmica.

ii. Aument o disminuy la entropa del sistema?

Procedimiento:

1. En un recipiente provisto de tapn hermtico colocar 15 ml de HCl (c), tapar y colocar en hielo. La temperatura del cido debe encontrarse entre 9 y 10 C.

2. En un erlenmeyer pesar 20 g de Na2SO4.10H2O.

3. Adicionar al slido el HCl enfriado. Agitar bien.

4. Colocar el erlenmeyer sobre un bloque de madera bien mojado.

5. Tomar la temperatura final.

6. Observar e interpretar

Nota: El material debe estar perfectamente seco.

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