RESUMEN
Se determinó la capacidad calorífica de un calorímetro fabricado con un Beacker, un vaso de duroport y algodón; posteriormente se determinó el calor de reacción del sistema NaOH y HCL en el calorímetro. A través de los datos de temperatura del agua fría y caliente obtenidos con el termómetro se logró determinar la capacidad calorífica del vaso; el calor de reacción del sistema se calculó al sumar el calor del calorímetro ca lorímetro más el calor de la reacción entre NaOH y HCl, apoyados siempre por los datos de temperatura del termómetro. Se obtuvo que el calor de reacción de sistema es de 12.36 KJ/mol, mientras que la capacidad calorífica del calorímetro fabricado es e s de 57.22 J/°C. Esta práctica se realizó en el laboratorio de Química 4, a una temperatura promedio promed io de 24°C y una presión de 0.84 atm.
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BJETIVOS
General
Comprender el funcionamiento de un calorímetro.
Especifico 1)
Aplicar los conocimientos teóricos vistos en clase para el cálculo de calores.
2)
Determinar la capacidad calorífica del calorímetro fabricado.
3)
Determinar el calor de reacción de una neutralización entre un ácido y una base.
4)
Comprender los procesos endotérmicos y exotérmicos de una reacción.
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MARCO TEORICO
TERMOQUIMICA La Termoquímica se encarga de estudiar las características de una reacción química, con respecto al requerimiento o liberación energética implicada en la realización de los cambios estructurales correspondientes. Si la energía química de los reaccionantes es mayor que la de los productos se produce una liberación de calor durante el desarrollo de la reacción, en caso contrario se necesita una adición de calor. Esto hace que las reacciones se clasifiquen en exotérmicas o endotérmicas según que liberen o requieran calor. La reacción entre hidróxido de sodio y ácido clorhídrico es altamente exotérmica, mientras que la reacción de formación de óxido de magnesio a partir de oxígeno y magnesio es endotérmica.
Ecuaciones Termoquímicas En termoquímica las reacciones químicas se escriben como ecuaciones donde además de las fórmulas de los componentes se especifica la cantidad de calor implicada a la temperatura de la reacción, y el estado físico de los reactivos y productos mediante símbolos "s" para sólidos, "g" para gases, "l" para líquidos y "ac" para fases acuosas. El calor de una reacción, QR, usualmente se expresa para la reacción en sentido derecho y su signo indica si la reacción es exotérmica o endotérmica, de acuerdo a que si Reacción exotérmica : QR < 0 Reacción endotérmica : QR > 0
Calor de formación de una sustancia 3
Es la cantidad de calor liberado o absorbido en la reacción de formación de un mol de una sustancia a partir de sus elementos constituyentes. La reacción de formación del bromuro de hidrógeno gaseoso a partir de sus elementos componentes en estado gaseoso y su correspondiente calor de formación, a condiciones estándares, es:
Los compuestos como el bromuro de hidrógeno gaseoso se denominan
compuestos exotérmicos porque su reacción de formación es exotérmica, en caso contrario se llaman compuestos endotérmicos. Es importante notar que el cambio en el estado material de alguno de los componentes de una reacción química producirá un cambio en la cantidad de calor implicada y/o en la naturaleza energética de la reacción. En la reacción de formación del agua no hay diferencias estructurales al obtenerla en forma gaseosa o líquida, pero energéticamente es mayor la cantidad liberada cuando se forma un mol de agua líquida con respecto a la cantidad liberada cuando se forma un mol de agua gaseosa, como se puede observar en las siguientes reacciones de formación:
Los calores de formación son determinados experimentalmente y para su estimación se asume que el calor de formación de los elementos en estado libre y en condiciones estándares es cero. La Tabla 1 muestra los calores de formación de un conjunto de compuestos en condiciones estándares
Calor de reacción Es el calor liberado o absorbido en una reacción a condiciones determinadas. Es una propiedad termodinámica de estado cuyo valor, 4
depende principalmente, de la temperatura de la reacción y se calcula por la diferencia entre las energías químicas de los productos, Ep, y los reaccionantes, Er, es decir,
Cuando la suma de los contenidos calóricos de los productos excede al de los reaccionantes, la diferencia es la cantidad de calor requerida en la reacción endotérmica y es de signo positivo. Si la suma de los contenidos calóricos de los reaccionantes excede al de los productos la diferencia es la cantidad de calor liberada en la reacción exotérmica y es de signo negativo
Ley de Hess La Ley de Hess expresa que: " El calor de una reacción es independiente
del número de etapas que constituyen su mecanismo y, por lo tanto, depende sólo de los productos (estado final) y reaccionantes (estado inicial)" La ley de Hess aplicada a la reacción global resultante de la suma del conjunto de etapas que explican su mecanismo, permite calcular el calor de reacción estimando la diferencia entre la suma de los calores totales de formación de los productos y la suma de los calores totales de formación de los reaccionantes, es decir:
siendo np, y nr, los coeficientes estequiométricos y Q0f, p y Q0 f,r los calores de formación de cada uno de los productos y reaccionantes, respectivamente
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Calor de combustión Es el calor que se libera en una reacción de combustión de un compuesto orgánico. Se entiende por combustión completa la oxidación de un compuesto orgánico con el oxígeno del aire, produciéndose los gases bióxido de carbono y vapor de agua, además de la liberación de una cantidad de calor. Si en vez de bióxido de carbono se produce monóxido de carbono o carbono en estado natural, se dice que la combustión es incompleta. El gas natural o el propano son gases que además de aprovecharlos con propósitos de síntesis de otros compuestos son utilizados como combustibles, tanto doméstica como industrialmente, debido a su gran calor de combustión. Los alimentos al ser digeridos por los seres vivos son compuestos orgánicos (carbohidratos, lípidos y proteínas) transformados mediante mecanismos de reacción que totalizados corresponden a sus reacciones de combustión cuyos calores liberados son utilizados por la célula para su almacenamiento y funcionamiento. Los calores de combustión se determinan experimentalmente y sus valores son aprovechados para estimar calores de formación de compuestos orgánicos difíciles de estimar por otros métodos.
Capacidad calorífica La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma más rigurosa, es la energía necesaria para aumentar la temperatura de una determinada sustancia en una unidad de temperatura. Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la 6
sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión. La capacidad calorífica no debe ser confundida con la capacidad calorífica específica o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo «para almacenar calor », y es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa del objeto. El calor específico es una propiedad característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica.
Calor de Reacción Es el cambio de energía que se presenta del rompimiento o formación de enlaces químicos. El calor de reacción se expresa generalmente en términos de calorías o kilocalorías (Kcal). Actualmente también se utiliza el joule (J) como medida de energía cuando se habla de cambios químicos. El calor de reacción puede recibir diferentes nombres según el tipo de cambio que se produce en la reacción. Puede nombrarse entonce s como: calor de formación, calor de combustión, calor de neutralización, etc.
Calorímetro El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.
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El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro, la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica.
Reacción de Neutralización Las reacciones de neutralización, son las reacciones entre un ácido y una base, con el fin de determinar la concentración de las distintas sustancias en la disolución. Tienen lugar cuando un ácido reacciona totalmente con una base, produciendo sal y agua. Sólo hay un único caso donde no se forma agua en la reacción, se trata de la combinación de óxido de un no metal, con un óxido de un metal.
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MARCO METODOLOGICO MATERIALES
1 Beacker de 400 ml
1 Varilla de agitación
2 Probetas de 100 ml
2 Beackers de 100 ml
2 Balón aforado de 100 ml
1 Termómetro
1 Balanza
1 Vidrio de reloj
Pipetas Serológicas
REACTIVOS
Alcohol clorhídrico
Hidróxido de sodio
Agua Destilada
ALGORITMO PROCEDIMENTAL Capacidad Calorífica de Calorimetro 1. Se colocó un vaso de duroport dentro de un beacker de 400 ml. 2. Se aisló el vaso del beacker con algodón 3. Se colocó la tapa del vaso con dos agujeros, uno para el termómetro y otro para a varilla de agitación 4. Se midió 20 ml de agua a temperatura ambiente y se agregó al vaso de duroport 5. Se midió 60 ml de agua y se llevó a temperatura de ebullición en un beacker de 100 ml 6. Se mezcló el agua caliente y el agua a temperatura ambiente en el vaso, luego se tapó. 7. Se midió a temperatura del agua una vez alcanzo el equilibrio térmico. 9
8. Se calculó la capacidad calorífica de calorímetro por medio de fórmulas.
Calor de Hidroxido de sodio y Acido Clorhidrico 1. Se preparó 100 ml de solución de HCl a 0.5M, en un balón aforado 2. Se preparó 100 ml de una solución de NaOH a 0.5M en otro balón. 3. Se midió la temperatura de las 2 sustancias. 4. Se vertió las 2 sustancias rápidamente en el vaso de duroport y se tapó con la tapa. 5. Se agito la mezcla brevemente y luego se midió la temperatura máxima alcanza. 6. Se calculó el calor de reacción de sistema agregando la capacidad calorífica del colorímetro a a ecuación.
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DIAGRAMA DE FLUJO Capacidad Calorífica de Calorímetro INICIO
Vaso duroport dentro de Beacker
Mezclar 20ml agua y 60ml de agua ebullicion
Poner tapa, agitar mezcla
Equilibrio termico
no
si
Medir temperatura
Calcular Capacidad Calorifica
FIN
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Esperar
Capacidad Calorifica Hidroxido de Sodio y Acido Clorhidrico INICIO
Preparar 100 ml de NaOH y HCl a 1M
Medir temperaturas de sustancias
Mezclar sustancias en calorímetro
Poner tapa, agitar mezcla
Equilibrio termico
no
si
Medir temperatura
Calcular Capacidad Calorifica
FIN
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Esperar
RESULTADOS Condiciones de trabajo: Temperatura: 24°C Presión: 0.84 atm Tabla I. Sustancia
Capacidad Calorífica del Calorímetro
Dato Teórico a Condiciones Estándar
Dato
Experimental
a
Condición Normal
AGUA
80.6726 J/mol*°C
57.22 J/mol*°C Fuente propia
Tabla II. Sustancia
Calor de Reacción NaOH + HCl
Dato Teórico a Condiciones Estándar
Dato
Experimental
Condición Normal
NaOH + HCl
-12.33 KJ/mol
-12.36 KJ/mol Fuente propia
Grafica I.
Diagrama Entálpico de Sistema
-12.36 KJ/mol
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a
INTERPRETACION DE RESULTADOS
Se obtuvieron resultados satisfactorios en la práctica, en los cálculos teóricos realizados en condiciones estándar la capacidad calorífica del calorímetro mostro 80.6726 J/mol°C, mientras que los cálculos experimentales en condiciones de laboratorio mostraron 57.22 J/mol °C, esto se debe obviamente a las diferencias de temperatura y presión, y a la manera en que fue acondiciona el vaso dentro del beacker para fabricar el calorímetro; esto es compensado porque cuando se realiza el cálculo de calor de reacción del sistema, el dato obtenido fue de -12.36 KJ/mol en contraste de los 12.33KJ/mol teórico, hay una leve diferencia pero es natural considerando las condiciones ya mencionadas, el signo negativo de la reacción se debe a que es exotérmica, es decir, libera energía, la reacción de NaOH + HCl es una neutralización, produce sal + agua y también libera calor. La separación de los reactivos se debe a la protonacion de los ácidos y la despronotacion de las bases, es decir, los ácidos donan cationes de hidrogeno y las bases los reciben En la práctica primero se calculó de la capacidad calorífica del calorímetro ya que para la neutralización es indispensable el dato, se procedió a dicho ca lculo utilizando agua fría y agua caliente en punto de ebullición, se coloco agua fría en el calorímetro y luego se agregó el agua caliente, se realizaron 3 corridas y se anotaron los daros medidos con el termómetro, el resto fue algebraico para encontrar el dato deseado. Luego del cálculo del calorímetro se procedio a realizar el cálculo del calor producido por la reacción de NaOH y HCl pera ello se preparó una solución a 1M, y se tomaron 30ml de cada solución, luego se mezclaron y se midieron las temperaturas, también se realizó 3 veces.
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CONCLUSIONES
1)
La capacidad calorífica del calorímetro fabricado fue de 57.33 J/mol*°C.
2)
El calor de reacción de la neutralización entre hidroxido de sodio y alcohol clorhídrico fue de -12.36 KJ/mol
3)
Los datos teóricos y los datos experimentales fueron similares lo cual respalda lo visto en clase.
4)
Cuando se mezclan dos sustancias ya sean iguales o distintas, estas buscan un equilibrio termico.
5)
La reacción entre NaOH y HCl forma agua y libera calor.
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BIBLIOGRAFIA
1) Raymond, Chang. (2010). Calorimetria, 10ma Edicion. México, McGraw-Hill.
2) Theodore Brown. (2011). Termoquímica, 11va Edición. México, Person
3) Ralph H. Petrucci. (2011). Termoquímica, 10ma Edicion. México, Prentice-Hall.
4) Capacidad Calorifica. [en línea]. Desconocido, 2004 - [fecha de consulta, 13 de agosto 2014]. Disponible en: < es.wikipedia.org/wiki/Capacidad_Calori%C3%ADfica >
5) Cambios de estado de la materia. [en línea]. Desconocido, (2008) [fecha de consulta, 13 de agosto 2014]. Disponible en:
6) RENo Company. (2008). Reacciones Química y Energía Calórica. [en línea]. Desconocido - [fecha de consulta, 13 de agosto 2014]. Disponible en:
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APENDICE
DATOS ORIGINALES
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MUESTRA DE CÁLCULO
Calc ul o d e Capac id ad Cal or í fic a del Cal or í m etr o
Presión Atmosférica:
0.84 atm
Temperatura Ambiente:
24°C
Temperatura de Ebullición de agua:
96,33°C
Temperatura de Equilibrio térmico: 70.33°C
−60(4.186 ° )79.33°−96.33° −20(4.186 ° )79.33°−24° = 79.33°−24° =57.22 °
C a lc u l o d e C a l o r d e R e a c c i o n
Presión Atmosférica:
0.84 atm
Temperatura Ambiente:
24°C
Temperatura de Equilibrio térmico: 26.0625°C Capacidad Calorífica del Calorímetro = 57.22 J/°C Masa de la mezcla = 2.2938 gramos Molaridad: 1 M
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Masa de la reacción
1 )( 39,99707 )30 =1.99912 = (1 1 )( 1000 1 1 )(36.4609 )30 = 1.093827 = (1 1 )( 1000 1 = 1.9 9912 + 1.0 93827 = 2.2 938 Calor de Reacción
= 2.2938291 (1.184 ° )26.0625°−24° +57.22 ° 26.0625°−24°
= −12.36 / es negativa por es una reacción exotérmica
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DATOS CALCULADOS Tabla I. Grupo
Temperatura del Agua en el calorímetro
TH2O (1)
TH2O (2)
TH2O (3)
Promedio
1
70 °C
78 °C
70 °C
72.6667 °C
2
70 °C
71 °C
71 °C
70.6667 °C
3
68 °C
70 °C
69 °C
69 °C
4
69 °C
68 °C
70 °C
69 °C
Pr o m ed io
70 .33 33 ° C
Temperatura promedio = 70.33° C Tabla III. Grupo
Fuente: Laboratorio
Temperatura de la reacción entre NaOH y HCl
Treacción (1)
Treacción (2)
Treacción (3)
Treacción (4)
Promedio
1
27 °C
28 °C
27 °C
27 °C
27.25 °C
2
25 °C
25 °C
25 °C
25 °C
25 °C
3
24 °C
24 °C
24 °C
24 °C
24 °C
4
24 °C
24 °C
24 °C
24 °C
24 °C
Promedio
25.0 625 ° C
Temperatura promedio = 26.0625° C Tabla III. Sustancia
Fuente: Laboratorio
Capacidad Calorífica del Calorímetro
Dato Teórico a Condiciones Estándar
Dato
Experimental
a
Condición Normal
AGUA
80.6726 J/*C
57.22 J/*C Fuente propia
Tabla IV. Sustancia
Calor de Reacción NaOH + HCl
Dato Teórico a Condiciones Estándar
Dato
Experimental
Condición Normal
NaOH + HCl
-12.33 KJ/mol
-12.36 KJ/mol Fuente propia
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a
UNIVERSIDA DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA LABORATORIO DE QUIMICA 4 SECCION: I ING. GERARDO ORDOÑEZ
PRACTICA #2 CALOR DE REACCION
WILLIAMS RENE SACALXOT CHOJOLAN CARNET:
201231225
FECHA DE PRACTICA: 07/08/14 FECHA DE ENTREGA: 14/08/14 21
UNIVERSIDA DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA LABORATORIO DE QUIMICA 4 SECCION: I ING. GERARDO ORDOÑEZ
PRACTICA #2 CALOR DE REACCION
WILLIAMS RENE SACALXOT CHOJOLAN CARNET:
201231225
FECHA DE PRACTICA: 07/08/14 FECHA DE ENTREGA: 14/08/14 22
INDICE CONTENIDO RESUMEN................................................................................................................ 1 OBJETIVOS ............................................................................................................. 2 MARCO TEORICO ................................................................................................... 3 MARCO METODOLOGICO ..................................................................................... 9
MATERIALES ....................................................................................................... 9 REACTIVOS ......................................................................................................... 9 ALGORITMO PROCEDIMENTAL ......................................................................... 9 DIAGRAMA DE FLUJO ....................................................................................... 11 RESULTADOS ....................................................................................................... 13 INTERPRETACION DE RESULTADOS ................................................................. 14 CONCLUSIONES ................................................................................................... 15 BIBLIOGRAFIA...................................................................................................... 16 APENDICE ............................................................................................................. 17
DATOS ORIGINALES ......................................................................................... 17 MUESTRA DE CÁLCULO ................................................................................... 18 DATOS CALCULADOS....................................................................................... 20
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