Transcript laboratorio de calorimetria - Facultad Regional La Plata

Facultad Regional La Plata
Universidad Tecnológica Nacional ( UTN).
Profesora: Susana Juanto
Jefe de Trabajos Prácticos: Rodolfo lasi
Ayudante: Silvia Pastorino
60 y 124.
La Plata (1900)
Cátedra: Química
Ingenieria en Sistemas de Informacion
http://www.frlp.utn.edu.ar/materias/qcasis
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TERMOQUÍMICA: DETERMINACIÓN DEL CALOR DE REACCIÓN
Introducción
La primera Ley de la termodinámica indica que la energía se
mantiene constante en el Universo, y lo mismo sucede en un
sistema aislado.
Su aplicación a las reacciones químicas condujo al desarrollo de la
Termoquímica, esto es, el estudio del calor liberado o absorbido en
las reacciones químicas.
Termoquímica
En determinadas condiciones, puede medirse el calor puesto en
juego en las reacciones químicas: cuando éstas son rápidas, y no
existen reacciones paralelas ni secundarias. En estos casos, se utiliza
un calorímetro: un termo con agua, en donde se realiza la reacción,
de tal forma que el calor que se intercambia modifica la
temperatura del agua, la que puede medirse en forma sencilla.
(La relación entre calor y temperatura es Q= m Cp ∆T, siendo Q calor
en calorías, Cp capacidad calorífica en cal/g ºC, y ∆T la variación de
temperatura.)
Cuando no puede medirse el calor de una reacción química,
siempre puede calcularse, empleando las tablas de entalpía,
merced a las leyes de Lavoisier y de Hess.
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Fundamento
En este experimento se determina el calor de una reacción de
neutralización, es decir, el calor liberado en la reacción cuando un
protón se combina con un oxhidrilo
H3O+ + OH-  2 H2O
O bien, en forma muy simplificada (ya que los H+ no existen libres
en las soluciones acuosas) H+ + OH-  H2O
Los ácidos y bases fuertes pueden considerarse completamente
disociados en soluciones diluídas, por lo tanto el calor liberado
cuando se neutralizan es el que corresponde a la ecuación anterior.
Para ácidos y bases débiles, el calor de neutralización es menor, ya
que parte de la energía se absorbe en la ionización de ácidos y
bases.
Materiales
-agitador de vidrio
-frasco de 50 ml (p.ej.ampolla de decantación)
-frasco termo de 500 ml (Dewar)
-matraces volumétricos de 200 ml (2)
-mechero
-pinzas para buretas (2)
-pipeta de 50 ml
-probeta de 250 ml
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Soportes metálicos (2)
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-termómetros de 0º a 50ºC, graduados en 0,1 ºC
-vaso de precipitado de 100 ml
- ácido clorhídrico 0,322 M (1 lt)
-hidróxido de sodio 1 M ( 1 lt)
-agua destilada
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Procedimiento
La reacción se realiza dentro del termo plástico(B), empleando además un
frasco de vidrio de 50 ml (A), dos termómetros y el agitador, todo el
conjunto se denomina el calorímetro, y en primer lugar se determina que
cantidad de calor absorbe el mismo, es decir la capacidad calorífica o
constante del calorímetro (C).
Esta C generalmente se expresa como la masa de agua que absorbería una
cantidad de calor equivalente a la del calorímetro.
Recordemos que Q= m Cp ∆T,
Q calor en cal , m masa en g, Cp calor específico en cal/g ºC, ∆T variación de
temperatura en ºC.
En el caso del agua, como su densidad es 1 g/ml, se usa indistintamente g ó
ml.
Para eso se colocan 200 ml de agua en el termo(B) a temperatura ambiente
(T2), y 50 ml en el frasco A a una temperatura ( T1) por lo menos 10ºC por
encima de la anterior.
Se vierte estos 50 ml en el termo, se agita rápidamente y se lee la
temperatura, siendo T3 la más alta alcanzada.
Luego, aplicando la 1er ley de la termodinámica, el calor cedido por los 50
ml de agua a T1 es absorbido por los 200 ml y el calorímetro a T2, siendo T3
la temperatura final del sistema:
50 ml (T1-T3) Cp = (C+ 200) (T3-T2) Cp,
y como Cp está en ambos miembros puede simplificarse, obteniéndose C.
Cp es el calor específico del agua, 1 cal/g ºC.
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Ahora podemos obtener el calor de neutralización de la reacción ácido-base,
colocando 50 ml del hidróxido de sodio 1 M en el frasco A, y 200 ml del ácido
clorhídrico 0,322 M en el termo (esta concentración puede variar, pero elegimos una
a los fines del cálculo), y se mide la temperatura inicial de ambas soluciones (T4).
Luego se mezclan, abriendo la llave del frasco A, se agita, y se anota la temperatura
más alta alcanzada (T5)
El calor liberado por la reacción de neutralización (Q) cambió la temperatura del
calorímetro y los 250 ml de las soluciones, a T5,
Q= (C+ 250) ( T5-T4) Cp
Q corresponde al calor de neutralización de los 50 ml de solución de HCl 0,322M,
que contenían 0,0161 moles de HCl, produciendo 0,0161 moles de agua en la
neutralización.
Para conocer el calor de neutralización por mol (q), calculando por regla de tres,
q= Q/0,161
(El valor teórico es de 13,7 kcal/mol).
Presentación de resultados
Medida de T1,T2,T3
Cálculo de C
Medida de T4 y T5
Cálculo de Q
Conociendo el volumen y la concentración de la solución de HCl
Cálculo de q
Conclusiones
1) ¿Cuándo es posible obtener el calor de reacción con un calorímetro?
2)¿en realidad, se mide calor o temperatura? ¿Cuál es la relación entre ellos?
¿calor y temperatura son propiedades intensivas o extensivas?
3) y si no es posible medir, ¿se puede conocer el calor de reacción?
3)¿qué diferencia hay entre sistema abierto, aislado, cerrado?
4)¿ Qué dicen las leyes de Lavoisier y de Hess (leyes de la termoquímica)?
5) ¿Qué es una tabla de entalpías y para qué se emplea?
6) ¿Qué significa exotérmico y endotérmico?
7) ¿porqué utilizamos solución de NaOH de mayor concentración que la de HCl?
8)¿Cuál es el origen del calor liberado en la reacción química de neutralización?
8)¿Qué ventaja tiene utilizar termómetros digitales en lugar de los termómetros de
vidrio con bulbo de mercurio?
Investigue
Orientados por la Cátedra, y trabajando en equipo, los alumnos realizan una
investigación orientada en Internet (Webquest) sobre fundamentos y aplicaciones
de este laboratorio.
INTEGRACIÓN QUÍMICA- FÍSICA
EMEIPACIBA-FRLP-UTN
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Con respecto a este laboratorio
1)¿Qué mecanismos de conducción de calor tienen
lugar?:
a) )Cuando calienta, con el mechero, agua en un vaso de
precipitado.
b) Cuando mezcla agua fría con agua caliente para
obtener la constante del calorímetro.
2)¿Qué origen tiene el cambio de entalpía que se mide
como Q de reacción en este laboratorio?
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Problemas propuestos (tomados del blog de Física II:
http://www.catedrafisica2.blogspot.com.ar/ )
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1) Si quiere tomar mate y dispone de agua a
temperatura ambiente, enuncie al menos cuatro
maneras distintas de obtener el agua a una temperatura
adecuada.
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2) Una persona prepara una cantidad de té helado
mezclando 520 g de té caliente (esencialmente agua),
con una cantidad igual de hielo a 0ºC. ¿Cuál es la
temperatura final, y la masa de hielo presente, (si
queda), si el té caliente está inicialmente a una
temperatura de
a)90ºC
b)70ºC?
(recuerde que para que coexista agua líquida y hielo la
temperatura debe ser….)
Lf hielo=80 cal/g
C hielo= 0,53 cal/g ºC
Cagua líq =1 cal/g ºC
Bibliografía
Química-Física experimental. W.G.Palmer.
Ed.EUDEBA.
“Química” R. Chang. Ed. Mc Graw Hill.
“Temas de Química General”. Baumgartner,
Angelini y otros. Ed. Eudeba.
“Física”. Alonso,M. E.J.Finn, E.J.(1995) ed:AddisonWesley Iberoamericana. USA.
GUÍA DE PREGUNTAS, CONCEPTOS Y APRECIACIONES
CALORIMETRÍA 2013- Integración entre Física y Química. IEC- FRLP.UTN.
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1)Explicite la convención de signos en la
expresión del 1er principio de la termodinámica
para la variación de energía interna , de acuerdo
a los textos de Física y de acuerdo a los textos de
Química.
2) Realice una búsqueda orientada en Internet
sobre tipos de termómetros (bulbo de vidrio,
termocuplas, infrarrojo). También busque si
existen instrumentos para medir calor.
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3)En la experiencia de calorimetría se usó agua
caliente. ¿Qué mecanismos de transferencia de
calor tienen lugar en un vaso con agua colocado
sobre una tela metálica, sobre un mechero
encendido?
4) Una vez colocada el agua caliente y un cubito
de hielo en el calorímetro, ¿qué imagina que
sucede nivel microscópico durante el
derretimiento del cubito? ¿Por qué el cambio de
fase, hielo a agua líquida, requiere que éste
absorba calor?
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5) ¿Cómo se aprecia la idea de que la materia
está formada por átomos en la ley de Dulong y
Petit? ¿Cómo se relaciona la ley de Dulong y
Petit con el número de Avogadro?
6)¿Qué significa el calor específico de una
sustancia?
7a) ¿Cuándo es posible cuantificar con un
calorímetro el calor puesto en juego en una
reacción química?
7b)¿Qué produce calor en una reacción química?
7c) ¿y si no es posible medir, ¿se puede conocer
el calor de reacción?
La Cátedra sugiere las páginas de Internet para
consultar.
www.frlp.utn.edu.ar/materias/qcasis