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FISICOQUIMICA AMBIENTAL INFORME COMPONENTE PRÁCTICO

PRESENTADO POR: Yessica Peña Gil Código: 1.038.816.703 Albeiro Baldrich Palacios Código: 71.987.427 Yulis Paola Borja Código: 1.040.359.690

TUTOR Alain Cabrales

PROGRAMA Ingeniería Ambiental

ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE ECAPMA UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD MAYO DE 2017

Procedimiento para el desarrollo del componente práctico Procedimiento de laboratorio Procedimiento 1: Determinación de la entalpía molar de disolución y entropía de una mezcla binaria Calibración del calorímetro o vaso Dewar 1. Lavar y secar adecuadamente el calorímetro (vaso Dewar, termo o recipiente de icopor) a emplear. Permitir su secado al aire libre con el fin de mantener el equipo a temperatura ambiente. 2. Pesar el vaso Dewar y registrar el peso como 𝑚𝑐 3. Calentar 100ml de agua destilada hasta alcanzar 80°C 4. Tomar una muestra de 100 ml de agua y medir su temperatura 5. Adicionar el agua a temperatura ambiente al vaso Dewar y tapar 6. Realizar la medición de la temperatura del agua contenida en el vaso Dewar cada minuto por un periodo de 5 minutos. Verificar que la temperatura del minuto 4 y 5 permanezcan constantes, de lo contrario continúe tomando la temperatura de la muestra cada minuto hasta que obtenga temperatura constante 7. Transcurrido el tiempo, adicionar los 100ml de agua destilada previamente calentados a 80°C al vaso dewar, mezclar y tapar 8. Realizar la medición de la temperatura de la mezcla contenida en el vaso Dewar cada minuto durante 5 minutos. Verificar que la temperatura del minuto 4 y 5 permanezcan constantes, de lo contrario continúe tomando la temperatura de la muestra cada minuto hasta que obtenga la temperatura de equilibrio de la mezcla. 9. Desocupar, lavar y secar el calorímetro para el siguiente ensayo 10. Calcular el calor específico de acuerdo a lo indicado en la sección de cálculos de este documento 11. Repetir el procedimiento descrito anteriormente empleando la muestra de agua (rio, quebrada, industrial residual), y calcular el calor específico de la misma. Tenga en cuenta que para este procedimiento la muestra de agua a calentar debe ser agua destilada. Mientras que la muestra de agua a temperatura ambiente corresponde al agua de rio o industrial.

Resultados Tabla 1 Determinación de la entalpía molar de disolución y entropía de una mezcla binaria Temperatura del agua destilada en ambiente 𝑚𝑐

30°C 558.5g

Temperatura de agua contenida en el vaso dewar Vaso nro.

Temperaturas

1

30°C

2

30°C

3

30°C

4

30°C

5

30°C

Temp. en equilibrio de la muestra de agua a temperatura ambiente 𝑇0

30°C

Tabla 2 temperatura de la mezcla contenida en el vaso Dewar(agua destilada ambienteagua destilada vaso dewar) Temperatura del agua destilada 80°C calentada Temperatura de agua contenida en el vaso dewar Vaso nro. Temperaturas 1 50°C 2 50°C 3 49°C 4 49°C 5 49°C Temperatura en equilibrio de mezcla 49.4°C 𝑇𝑒𝑞 Tabla 3 Tipo de agua

Agua destilada

Promedio del agua

Minuto 1 2 3 4 5

Temperatura del agua 30°C 30°C 30°C 30°C 30°C 30°C

Tabla 4 Tipo de agua

Minuto

Agua rio

Temperatura del agua

1

51°C

2

51°C

3

51°C

4

50°C

5

50°C

Promedio del agua

50.6°C

Solución Formula 30,0658 − (748 𝑥 10−3 𝑥 𝑇) 𝑔 = ⁄𝑚𝑙 30

𝜌=

1. Densidad del agua caliente (𝑻𝟏 ) y 𝝆=

30,0658 − (748 x 10−3 x 𝟖𝟎°𝑪) g = ⁄ml 30

−𝟐𝟗. 𝟕𝟕𝟒 𝐠 = −𝟎. 𝟗𝟗𝟐𝟒 ⁄𝐦𝐥 𝟑𝟎 𝐠 𝝆 = − 𝟎. 𝟗𝟗𝟐𝟒 ⁄𝐦𝐥 𝝆=

 Agua a temperatura ambiente 𝝆=

30,0658 − (748 x 10−3 x 30°𝐶) g = ⁄ml 30

𝜌=

−7.6258 g = −0.2541 ⁄ml 30

g 𝜌 = − 0.2541 ⁄ml 2. Determinación de la masa de cada muestra

𝜌=

𝑚 𝑚𝑎𝑠𝑎 → 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 = → 𝑚𝑎𝑠𝑎 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 ∗ 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑣 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛  Masa de Agua caliente

𝑚𝑎𝑠𝑎 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 ∗ 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 g masa = 100 ml ∗ ( − 0.9924 ⁄ml) = −99.24g masa = −99.24g 𝑚1

=

99.24

 Masa de Agua ambiente g masa = 100 ml ∗ (− 0.2541 ⁄ml) = −25.41g masa = −25.41g

𝑚2 = 25.41 3. Determine el calor específico del recipiente (Ce) de acuerdo con el balance de calor: Formulas 1. 𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = −𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 2. 𝑚𝑐 . 𝑐𝑒 . (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) + 𝑚1 . 𝐶𝐻2 𝑂 . (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) = −𝑚2 . 𝐶𝐻2 𝑂 (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇1 ) Procedemos a colocar cada una de las variables que contiene la anterior ecuación. Tabla 5 Variables de la fórmula para hallar el calor especifico del recipiente

Nro.

1 2 3 4

Variable

Descripción

Medición

𝑚𝑐 𝑐𝑒 𝑇𝑒𝑞

Masa del calorímetro Calor especifico del recipiente Temperatura en equilibrio de la mezcla Temp. en equilibrio de la muestra de agua a temperatura ambiente Masa de Agua caliente Capacidad calorífica del agua Masa de Agua ambiente Densidad del agua caliente

558.5g

𝑇0

49.4°C 30°C

99.24g 𝑚1 𝐶𝐻2 𝑂 4.18J/g .°C 25.41g 𝑚2 g 0.9924 ⁄ml 𝑇1 La capacidad calorífica del agua líquida a temperatura 25°C es de 4190 𝐽/𝑘𝑔 . 𝐾, también podemos hallarla mediante esta fórmula. 5 6 7 8

𝑐=

𝑄 𝑚 ∆𝑇

𝑐 = calor específico 𝑄 = 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑛 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑚 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

Calor especifico del recipiente (𝒄𝒆 )

0.2531

∆𝑇 = incremento de temperatura que experimenta el sistema

Teniendo cada una de las variables podemos resolver la ecuación para hallar Calor específico del recipiente 𝑚𝑐 . 𝑐𝑒 . (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) + 𝑚1 . 𝐶𝐻2 𝑂 . (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) = −𝑚2 . 𝐶𝐻2 𝑂 (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇1 ) 4.18𝑗 558.5𝑔 . 𝑐𝑒 . (49.4°𝐶 − 30°𝐶) + 99.24𝑔. ⁄𝑔. °𝐶 . (49.4°𝐶 − 30°𝐶) 4.18𝑗 0.9924 𝑔⁄ = −25.41𝑔 . ⁄𝑔. °𝐶 (49.4°𝐶 − 𝑚𝑙 ) 0.9924 g⁄ 4.18J ⁄g. °C (49.4°C − ml) Ce = 4.18J 558.5g . (49.4°C − 30°C) + 99.24g . ⁄g. °C . (49.4°C − 30°C) −25.41g .

Ce =

−106.2138 ∗ (48.9076) 558.5 ∗ (19.4) + 414.8288 ∗ (19.4)

Ce =

4779.8388 18882.5787

Ce = 0.2531 4. Determine la capacidad calorífica del calorímetro: Formula: C = mc ∗ me C = 558.5g ∗ 0.2531 C = 141.3563 Calor específico de una muestra de agua 1. Determine la densidad del agua destilada caliente (T1) y la muestra de agua a temperatura ambiente (T), de acuerdo a la ecuación presentada en el numeral 1 de la calibración del calorímetro. g  Densidad del agua caliente (𝑇1 ) 𝜌 = − 0.9924 ⁄ml g  Agua a temperatura ambiente (T) 𝜌 = − 0.2541 ⁄ml

2. Conocida la densidad de cada muestra, y el volumen adicionado al calorímetro determine la masa de cada muestra. Siendo m1 la masa del agua caliente y m2 la masa de agua a temperatura ambiente.  Masa de Agua ambiente 𝑚2 = 25.41𝑔  Masa de Agua caliente 𝑚1 = 99.24𝑔

3. Determine la capacidad calorífica de la muestra de agua analizada (Cm) de acuerdo con el balance de calor: A. 𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = −𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 B. 𝑚𝑐 . 𝑐𝑒 . (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) + 𝑚1 . 𝐶𝑚 . (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) = −𝑚2 . 𝐶𝐻2 𝑂 (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇1 ) Tabla 6

Nro.

1 2 3 4 5 6 7 8

Variables de la fórmula para hallar el calor especifico del recipiente capacidad calorífica de la muestra de Variable Descripción Medición agua analizada (𝑪𝒎 ) Masa del calorímetro 558.5g 𝑚𝑐 capacidad calorífica de la muestra de 1.024 𝑐𝑚 agua analizada Temperatura en equilibrio de la mezcla 𝑇𝑒𝑞 49.4 Temp. en equilibrio de la muestra de 30°C 𝑇0 1.024 agua a temperatura ambiente Masa de Agua caliente 99.24g 𝑚1 Capacidad calorífica del agua 𝐶𝐻2 𝑂 4.18 J/g .°C Masa de Agua ambiente 25.41g 𝑚2 g Densidad del agua caliente 0.9924 ⁄ml 𝑇1

558.5𝑔 ∗ 0.2 5(49.4°𝐶 − 30°𝐶) + 99.24𝑔. 𝐶𝑚 . (49.4°𝐶 − 30°𝐶) = −25.41𝑔 .

4.18𝑗 0.9924 𝑔⁄ ⁄𝑔. °𝐶 (49.4°𝐶 − 𝑚𝑙)

4.18𝑗 0.9924 𝑔⁄ ⁄𝑔. °𝐶 (49.4°𝐶 − 𝑚𝑙 ) 𝐶𝑚 = 558.5𝑔 ∗ 0.2 5(49.4°𝐶 − 30°𝐶) + 99.24𝑔 ∗ (49.4°𝐶 − 30°𝐶) 25.41𝑔 .

𝐶𝑚 =

4779.8388 = 141.3563 ∗ (19.4𝐶) + 99.24𝑔 ∗ (19.4°𝐶)

𝐶𝑚 =

4779.8388 1.024 4667.5682

𝐶𝑚 = 1.024

Determinación de la entalpía molar de disolución del NaOH en H2O a) Lavar y secar adecuadamente el calorímetro (vaso Dewar, termo o recipiente de icopor) a emplear. Permitir su secado al aire libre con el fin de mantener el equipo a temperatura ambiente. b) Pesar 2g de NaOH c) Medir la Temperatura inicial del NaOH

d) Tomar una muestra de 100 ml de agua y medir su temperatura e) Adicionar la muestra de agua a temperatura ambiente al vaso Dewar y tapar f) Realizar la medición de la temperatura del sistema contenido en el vaso Dewar cada minuto por un periodo de 5 minutos. Verificar que la temperatura del minuto 4 y 5 permanezcan constantes, de lo contrario continúe tomando la temperatura de la muestra cada minuto g) Transcurrido el tiempo, adicionar el NaOH rápidamente al calorímetro y tapar inmediatamente. h) Agitar vigorosamente el sistema y medir la temperatura de la mezcla cada minuto durante 5 minutos, o hasta que el sistema alcance la temperatura de equilibrio (temperatura constante) i) Desocupar, lavar y escurrir el calorímetro j) Calcular la entropía de la muestra de acuerdo a lo indicado en la sección de cálculos de este documento k) Repetir el procedimiento descrito anteriormente empleando la muestra de suelo, y calcular la entropía de la misma. Resultados Tabla 7 Datos Compuesto Hidróxido de sodio ( 𝑁𝑎𝑂𝐻) Temperatura Hidróxido de sodio ( 𝑁𝑎𝑂𝐻) Agua destilada 100ml Material Vidrio reloj

Peso 2g 30°C 30°C 37.2g

Temperatura ambiente al vaso Dewar Tabla 8 Tipo de compuesto

100 ml Agua ( 𝐻2 𝑂)

Minuto

Temperatura

1

30°C

2

30°C

3

30°C

4

30°C

5

30°C

Temperatura en equilibrio de la muestra de agua a temperatura ambiente (𝑇0 )

30°C

Tabla 9 Tipo de compuesto

Minuto

Hidróxido de sodio (𝑁𝑎𝑂𝐻)

Temperatura

1

30°C

2

30°C

3

30°C

4

30°C

5

30°C

Temperatura del Hidróxido de sodio 𝑇1

30°C

Tabla 10 Tipo de compuesto

Carbonato 𝐶𝑎𝐶𝑂3 )

de

calcio

(

Minuto

Temperatura

1

32°C

2

32°C

3

31°C

4

31°C

5

31°C

Temperatura de carbonato de calcio 𝑇1

31.4°C

Tabla 11 Tipo de compuesto

Suelo ( 2𝑔 )

Minuto

Temperatura

1

30°C

2

30°C

3

30°C

4

30°C

5

30°C

Temperatura de carbonato de calcio 𝑇1

30°C

Tabla 12 temperatura de la mezcla contenida en el vaso Dewar(agua destilada ambienteHidróxido de sodio ( 𝑁𝑎𝑂𝐻)) Temperatura de agua contenida en el vaso dewar Vaso nro. Temperaturas 1 32°C 2 32°C 3 33°C 4 35°C 5 35°C Temperatura en equilibrio de mezcla 33.4°C 𝑇𝑒𝑞 Solución Entalpía molar de disolución del NaOH en H2O 1. Determine la densidad del agua destilada adicionada al calorímetro empleando la temperatura de equilibrio (T0), de acuerdo a la ecuación presentada en el numeral 1 de la calibración del calorímetro.  Agua a temperatura ambiente 𝝆=

30,0658 − (748 x 10−3 x 30°𝐶) g = ⁄ml 30

−7.6258 g = −0.2541 ⁄ml 30 g 𝜌 = − 0.2541 ⁄ml 𝜌=

2. Determine el calor cedido en la solución (Csn) de acuerdo con el balance de calor: o 𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = −𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑄𝑠𝑛 o 𝑄𝑠𝑛 = −(𝐶 ( 𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) + 𝑚𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗ 𝐶𝐻2 𝑂 ∗ ( 𝑇𝑒𝑞 − 𝑇1 )) Tabla 12

Nro.

1 2 3 4

Variables de la fórmula para hallar el calor especifico del recipiente capacidad calorífica de la muestra de Variable Descripción Medición agua analizada (𝑄𝑠𝑛 ) capacidad calorífica del calorímetro c 141.3563 capacidad calorífica de la muestra de 𝑄𝑠𝑛 agua analizada 509.035 Temperatura en equilibrio de la mezcla 𝑇𝑒𝑞 33.4°C Masa del hidróxido de sodio 2g 𝑚𝑁𝑎𝑂𝐻

5 𝑇0 6

𝐶𝐻2 𝑂

7 8

𝑇1 𝑇1

Temperatura en equilibrio de la muestra de agua a temperatura ambiente Capacidad calorífica del agua Temperatura del carbonato de calcio Temperatura del Hidróxido de sodio

30°C 4.18𝑗 ⁄𝑔. °𝐶 31.4°C 30°C

Calculo de la capacidad calorífica de la muestra de agua analizada (𝑄𝑠𝑛 ) Procedimiento 𝑄𝑠𝑛 = −(𝐶 ( 𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) + 𝑚𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗ 𝐶𝐻2 𝑂 ∗ ( 𝑇𝑒𝑞 − 𝑇1 )) 𝑄𝑠𝑛 = −(141.3563 ( 33.4 − 30) + 2 ∗ 4.18 ∗ ( 33.4 − 30)) 𝑄𝑠𝑛 = −(141.3563 ( 3.4) + 8.36 ∗ ( 3.4)) 𝑄𝑠𝑛 = −(480.6114 + 28.424) 𝑄𝑠𝑛 = −509.035 3. Calcular la entalpía molar de disolución Formula

∆𝐻𝑠𝑛 =

509.035 = 12.726 39.9969𝑔

4. Calcular la molaridad de la disolución estudiada. Para calcular la molaridad de disolución del Hidróxido de sodio, Lo realizamos así: 𝑁𝑎 = 22.990 𝐷𝑎 𝑂 = 15.999𝐷𝑎 𝐻 = 1.0079𝐷𝑎 Sumando estos valores, la masa molecular de este compuesto será 39.9969Da, por lo 𝑔 tanto la masa molar es igual 39.9969 ⁄𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻. Teniendo en cuenta esto podemos averiguar a cuantos moles equivales 2 gramos 𝑁𝑎𝑂𝐻; y para ello procedemos así: 1𝑚𝑜𝑙 𝑔 2 ⁄𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 = = 0.050𝑚𝑜𝑙 39.9969𝑔 Lo que indica que 2 gramos Hidróxido de sodio equivalen a 0.050 moles. Teniendo en cuenta que tomamos 100 ml de agua destilada y le agregamos 2 gramos 𝑁𝑎𝑂𝐻, podemos calcular la molaridad de la disolución; para ello procedemos de la siguiente manera: Formula:

𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 2𝑔 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑(𝑚) = 100𝑚𝑙 2𝑔 𝑔 𝑔 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑(𝑚) = = 0.02 ⁄𝑚𝑙 → 20 ⁄𝐿 100𝑚𝑙 Todo este procedimiento aplica para Carbonato de calcio (𝐶𝑎𝐶𝑂3 ) quien tiene una masa 𝑔 mola 100.086 ⁄𝑚𝑜𝑙 5. Evaluar el valor obtenido de la entalpía molar de disolución en agua con el reportado en la literatura, estableciendo su porcentaje de error y analizando la causa de este. 6. Determinar la entropía de la muestra así: 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑(𝑚) =

7. Realizar los cálculos para determinar el calor cedido en la disolución de la muestra del suelo evaluada. Para el desarrollo y análisis de estos cálculos apóyese del capítulo 6: termodinámica, del libro Chang R (2004). Disponible en el entorno de conocimiento del curso.

Procedimiento 2: Determinación de la constante universal de los gases Montaje. a) Lavar y secar adecuadamente el balón de fondo plano con desprendimiento lateral, beaker de 1L y probeta de 500ml b) Tapar el balón con el tapón y conectar la manguera de tal forma que un extremo quede en el interior del balón y el otro extremo se ubica en el beaker Determinación de la constante universal a) Llenar la probeta de 500ml de agua destilada b) Adicionar ¾ partes del volumen del beaker con agua destilada c) Invertir la probeta en el beaker, teniendo en cuenta que no queden burbujas dentro de la probeta y que esta continúe llena. d) Pesar 0.1g de CaCO3

e) Adicionar 200ml de HCl 2N en el balón fondo plano f) Tapar la probeta con la mano (con precaución) e insertar el termómetro para medir la temperatura del gas producido g) Desocupar, lavar y secar los materiales empleados para el siguiente ensayo. h) Repetir el procedimiento para las muestras de CaCo3 de 0.2g, 0.8g, 1.2g. l) Calcular la constante universal de los gases y el error obtenido de acuerdo a lo indicado en la sección de cálculos de este documento Resultados Tabla 13 Datos Números de ensayos

Compuesto

Gramos

Desplazamiento de agua que realiza el gas en la probeta

Carbonato de 0.2g calcio ( 𝐶𝑎𝐶𝑂3 ) 36ml Ácido clorhídrico 200ml Temperatura del volumen de agua desplazado en la probeta 31°C Datos Carbonato de calcio 1.2g ( 𝐶𝑎𝐶𝑂3 ) 2 170ml Ácido clorhídrico 200ml Temperatura del volumen de agua desplazado en la probeta 32°C 1

Interrogantes planteados 1. La reacción química empleada en este procedimiento es:

2. Calcular los moles de CO2 producidos por cada masa de CaCO3 empleados. Calculo de moles Dióxido de carbono ( CO2 ) carbono ( C) = 12.011g oxigeno ( O2 ) = 15.999g x 2 = 31.998g El dióxido de carbono tiene una masa molar de 44.009g 1 Dióxido de carbono ( CO2 ) =

1𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑜𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 = 44.009𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 44.009𝑔

𝑔 carbonatos de calcio ( CaCO3 ) = 100.086 ⁄𝑚𝑜𝑙

3. Averiguar la presión atmosférica de la zona en donde se llevó a cabo el ensayo y la presión de vapor del agua a la temperatura trabajada. Con estos datos, calcular la presión del dióxido de carbono.

4. Graficar el volumen de dióxido de carbono vs. el número de moles del mismo obtenidas. Realizar la respectiva línea de tendencia a la gráfica obtenida estableciendo y a partir de la ecuación linealizada, calcular la constante universal de los gases. Solución de los interrogantes planteados Formula