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FISICOQUÍMICA AMBIENTAL Grupo _358115

COMPONENTE PRACTICO

Grupo de Laboratorio 1

Tutor: FRANCY TATIANA PEÑA

Presentado por:

NOHEMÍ LORENA GUERRERO CARREÑO; CODIGO:39492438 MAYRA GISSELLE ARIZA CÓDIGO: 1098710052 DANILO ARIZA FONSECA CÓDIGO: 1065203263 VERONICA JIMENEZ GOMEZ CODIGO: 1007249725

Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente ECAPMA. Valledupar, Cesar - Colombia.

Cálculos de laboratorio Procedimiento 1: Determinación de la entalpía molar de disolución y entropía de una mezcla binaria

Tabla de datos Muestra Agua de Rio

Muestra Agua + Adición

Muestra de Agua

KOH

Tiempo T° Ambiente

T° Caliente

T° Ambiente

T° Caliente

T° Ambiente

T° Caliente

1 minuto

27°C

45°C

25°C

49°C

26 °C

30°C

2do Minuto

27°C

45°C

26.5°C

49°C

26 °C

30°C

3ro Minuto

27°C

44°C

26.5°C

48.5°C

--

30°C

4to minuto

27°C

44°C

26.5°C

48°C

--

30°C

5to minuto

27°C

43°C

26.5°C

47.8°C

--

30°C

6to minuto

27°C

43°C

26.5°C

47°C

--

--

7mo minuto

27°C

43°C

26.5°C

47°C

--

--

8vo minuto

27°C

43°C

--

--

--

--

Calibración del calorímetro o vaso Dewar

1. Determine la densidad del agua caliente (T1) y el agua a temperatura ambiente (T) de acuerdo con la siguiente ecuación.

𝜌=

30,0658 − (7,48 × 10−3 ∙ 𝑇) 𝑔 [ ] 30 𝑚𝐿

Datos: -

Temperatura Agua Ambiente: T =27 °C Temperatura constante: T0 =27°C

-

Temperatura Agua Caliente: T1=80°C

-

Temperatura de la Mezcla del agua ambiente + agua caliente: Teq =43°C

-

Peso del Calorímetro (recipiente de icopor): 9.7892 gr

SOLUCION: Densidad de T: 𝜌=

30,0658 − (7,48 × 10−3 ∙ 27°𝐶) = 0.995 𝑔/𝑚𝐿 30

Densidad de T1: 𝜌=

30,0658 − (7,48 × 10−3 ∙ 80°𝐶) = 0,982 𝑔/𝑚𝐿 30

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. SOLUCION: 𝒅=

𝒎 𝒗

Despejamos la formula 𝒎=𝒅∗𝒗 -

la masa a temperatura ambiente es: 𝑚2 = 100 ∗ 0,995 = 99,5 𝑔

-

la masa del agua caliente es: 𝑚1 = 100 ∗ 0,982 = 98,2 𝑔

3. Determine el calor específico del recipiente (Ce) de acuerdo con el balance de calor: 𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = −𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑐 ∙ 𝐶𝑒 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) + 𝑚1 ∙ 𝐶𝐻2𝑂 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) = −𝑚2 ∙ 𝐶𝐻2 𝑂 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇1 ) Donde: mC = Masa del calorímetro

CH2O = Capacidad calorífica del agua

Teq = Temperatura en equilibrio de la mezcla

T0 = Temp. en equilibrio de la muestra

de agua a temperatura ambiente

SOLUCION: Se despeja Ce de la formula quedando así:

𝐶𝑒 =

𝐶𝑒 =

−𝑚1 ∙ 𝐶𝐻2 𝑂 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) − 𝑚2 ∙ 𝐶𝐻2𝑂 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇1 ) 𝑚𝑐 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) −98,2𝑔 ∙ (43°𝐶 − 27°𝐶) − 99,5𝑔 ∙ (43°𝐶 − 80°𝐶) 9,7892 ∙ (43°𝐶 − 27°𝐶 )

𝐶𝑒 =

−1571,2 − 3681,5 = −33.5 156.6272

4. Determine la capacidad calorífica del calorímetro: 𝑪 = 𝒎𝒄 ∙ 𝑪𝒆 SOLUCION: 𝑪 = 𝟗, 𝟕𝟖𝟗𝟐 ∙ (−𝟑𝟑, 𝟓) = −𝟑𝟐𝟕. 𝟗𝟑 Calor Específico De Una Muestra De Agua De Rio 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. Datos: -

Temperatura Agua Ambiente de rio: T =25 °C

Tem/constante: T0 =26,2°C

-

Temperatura Agua Caliente: T1=80°C

-

Tem. de la Mezcla del agua ambiente de rio + agua caliente: Teq =47°C

-

Peso del Calorímetro (recipiente de icopor): 9.7903 gr SOLUCION: Densidad de T: 𝜌 =

30,0658−(7,48 × 10−3 ∙25°𝐶) 30

Densidad de T1: 𝜌 =

= 0,996 𝑔/𝑚𝐿

30,0658−(7,48 × 10−3 ∙80°𝐶) 30

= 0,982 𝑔/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. -

la masa a temperatura ambiente es: 𝑚2 = 100 ∗ 0,996 = 99,6 𝑔

-

la masa del agua caliente es: 𝑚1 = 100 ∗ 0,982 = 98,2 𝑔

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

= Temperatura en equilibrio de la mezcla

T0

= Temperatura en equilibrio de la muestra de agua a temperatura ambiente

SOLUCION: Despejamos Cm de la ecuación ∙ 𝐶𝑚 = −𝑚2 ∙ 𝐶𝐻2 𝑂 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇1 ) − 𝑚𝑐 ∙ 𝐶𝑒 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 )/𝑚1 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇1 )

∙ 𝐶𝑚 =

−99,6𝑔(47°𝐶 − 80°𝐶) − 9,7903𝑔(−327,97)(47°𝐶 − 26,2°𝐶) −98,2(47°𝐶 − 80°𝐶)

∙ 𝐶𝑚 =

3286,8 − 66787.2 = 80,79 3240,6

Entalpía molar de disolución del KOH en H2O

1. Determine la densidad del agua destilada adicionada al calorímetro empleando la temperatura de equilibrio (T0), de acuerdo con la ecuación presentada en el numeral 1 de la calibración del calorímetro.

Datos: se pesó 2g de KOH y se midió su temperatura quedando en 26°C 100 ml de agua destilada en el calorímetro con temperatura: 28,5°C Temperatura constante de la mezcla de KOH en H2O=30°C SOLUCION: 𝜌=

30,0658 − (7,48 × 10−3 ∙ 28,5°𝐶) = 0,995 𝑔/𝑚𝐿 30

2. Determine el calor cedido en la solución (Csn) de acuerdo con el balance de calor: 𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = −𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑄𝑠𝑛 𝑄𝑠𝑛 = −(𝐶 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) + 𝑚𝑁𝑎𝑂𝐻 ∙ 𝐶𝐻2𝑂 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇1 )) Donde: Qganado = Calor ganado por el colorímetro y la masa de agua a temperatura ambiente Qcedido = Calor desprendido por efecto de la disolución del NaOH Teq

= Temperatura en equilibrio de la mezcla

T0

= Temperatura en equilibrio de la muestra de agua a temperatura ambiente

T1

= Temperatura del Hidróxido de sodio

Considere que el calor específico del NaOH es similar al del agua, dado que el calor cedido en el proceso hará que aumente la temperatura del agua, el calorímetro y el NaOH. (CH2O = 1 cal/g.°C = 4.18 J/g.°C) SOLUCION: 𝑄𝑠𝑛 = −(𝐶 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇0 ) + 𝑚𝐾𝑂𝐻 ∙ 𝐶𝐻2𝑂 ∙ (𝑇𝑒𝑞 − 𝑇1 )) 1 𝑐𝑎𝑙 1 𝑐𝑎𝑙 𝑄𝑠𝑛 = − ( ∙ °𝐶 ∙ (30°𝐶 − 28,5°𝐶) + 2𝑔𝐾𝑂𝐻 ∙ °𝐶 ∙ (30°𝐶 − 28,5°𝐶)) 𝑔 𝑔 1 𝑐𝑎𝑙 1 𝑐𝑎𝑙 𝑄𝑠𝑛 = − ( ∙ °𝐶 ∙ (1,5°𝐶) + 2𝑔𝐾𝑂𝐻 ∙ °𝐶 ∙ (1,5)) 𝑔 𝑔 𝑄𝑠𝑛 = − (1,5

𝑐𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙 °𝐶 + 3 ∙ °𝐶) 𝑔 𝑔

𝑄𝑠𝑛 = −4,5

𝑐𝑎𝑙 °𝐶 𝑔

3. Calcular la entalpía molar de disolución ∆𝐻𝑠𝑛 =

𝑄𝑠𝑛 𝑛𝐾𝑂𝐻

SOLUCION: Para darle solución debemos saber el peso molar de KOH que es: 56,1056 g/mol 𝑛𝐾𝑂𝐻 = 2𝑔 ∗ ∆𝐻𝑠𝑛 =

1 𝑚𝑜𝑙 = 0,0356 𝑚𝑜𝑙 56,1056𝑔

𝑄𝑠𝑛 −4,5 → ∆𝐻𝑠𝑛 = = −126.40 𝑛𝐾𝑂𝐻 0.0356

4. Calcular la molaridad de la disolución estudiada Datos: Masa del soluto=2g K=39,09 O=16 H=1 SOLUCION: -

Peso molecular de KOH=39,09+16+1=56,9 g/mol

-

Moles de KOH= masa soluto/peso molecular= 2/56,9=0,0351

-

Molaridad=moles KOH/Volumen de disolución=0,0351/0,1litros=0,351M

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:

𝑡𝑒𝑛𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒: 𝑚𝑠𝑛 = 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝑚𝐾𝑂𝐻 = 99,509𝑔 + 2𝑔 = 101,509𝑔 𝐶𝑠𝑛

𝑐𝑎𝑙 −4,5 𝑔 °𝐶 𝑄𝑠𝑛 = = = −0,044 𝑐𝑎𝑙°𝐶 𝑚𝑠𝑛 ∆𝑇 101,509𝑔

∆𝑆𝑚 = 2,303 ∙ 𝑛𝐾𝑂𝐻 ∙ 𝐶𝑠𝑛 ∙ 𝑙𝑜𝑔

𝑇𝑒𝑞 𝑇0

∆𝑆𝑚 = 2,303 ∙ 0,0356𝑚𝑜𝑙𝐾𝑂𝐻 ∙ (−0,044) 𝑐𝑎𝑙°𝐶 ∙ 𝑙𝑜𝑔

30°𝑐 26°𝑐

∆𝑆𝑚 = −0.003 𝑚𝑜𝑙°𝐶 ∙ log 1.153°𝐶 ∆𝑆𝑚 = −0,0001854 Procedimiento 3: Cinética de la descomposición del tiosulfato de sodio, por medio de HCl concentrado Cinética de la descomposición del tiosulfato de sodio, por medio de HCl concentrado La reacción química empleada en este procedimiento es: 2𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑐) + 𝑁𝑎2 𝑆2 𝑂3 (𝑎𝑐) → 𝑆𝑂2 (𝑔) + 2𝑁𝑎𝐶𝑙 (𝑎𝑐) + 𝑆 + 𝐻2 𝑂 El ácido clorhídrico reacciona con el tiosulfato liberando ácido de tiosulfato, que se descompone instantáneamente en dióxido de azufre, agua y azufre, el cual se precipita en la solución que se manifiesta con un opaca miento de la misma (2s+2 + 4e-  2S0). Datos: Temperatura Ambiente:27°C se convierten a °K =27+273=300°K Temperatura con Hielo: 6°C se convierten a °K=6+273=279°K

1. Complete la siguiente tabla para cada temperatura trabajada: TEMPERATURA AMBIENTE

T(K) 300 300 300

[Na2S2O3] 0,05M 0,125M 0,0125M

t(min) 1,17 1,57 3,23

V = [Na2S2O3]/t 0,0427 0,0796 0,0038

Log [Na2S2O3] -1.301 -1.602 -1.903

Log V -1,369 -1,099 -2,420

V = [Na2S2O3]/t 0,125 0,025 0,0018

Log [Na2S2O3] -1.301 -1.602 -1.903

Log V -0,903 -1,602 -2,744

TEMPERATURA CON HIELO

T(K) 279 279 279

[Na2S2O3] 0,05M 0,125M 0,0125M

t(min) 0,40 5,0 6,59

2. Realice las gráficas de Log V vs. Log [Na2S2O3] para cada temperatura. Realizar la respectiva línea de tendencia a la gráfica obtenida estableciendo y a partir de la ecuación linealizada determine el orden de la reacción y las constantes específicas de velocidad (k1, k2), considerando que: SOLUCION: Grafica

T1(K) 0 -2,000

-1,500

-1,000

-500

0 -0.5 -1

Log V

-1.099 -1.369

-1.5 -2

-2.42

-2.5

Log Na2S2O3

-3

y = 0.0017x + 1.1675 R² = 0.5669 Na2S2O3 Linear (Na2S2O3)

T2(K) 0 -2,000

-1,500

-1,000

-500

0 y = 0.0031x + 3.1495 R² = 0.9811

-0.5

Log V

-1 Na2S2O3

-1.5

Linear (Na2S2O3)

-2 -2.5 -3

Log Na2S2O3

Tenemos que :

T1 (K)

T2 (K)

y= 0,0017x+1,1675 y=0,0031x+3,1495 𝐿𝑜𝑔 𝑉 = 𝑛 ∙ 𝐿𝑜𝑔[𝑁𝑎2 𝑆2 𝑂3 ] + 𝐿𝑜𝑔 𝑘 ∙ [𝐻𝐶𝑙] Y = m

X

+

𝑏 = 𝐿𝑜𝑔 𝑘 ∗ [𝐻𝐶𝐿] entonces

b 𝑘=

𝐴𝑛𝑡𝑖𝑙𝑜𝑔 (𝑏) [𝐻𝐶𝐿]

Reemplazamos 𝑘1 =

𝑘2 =

𝐴𝑛𝑡𝑖𝑙𝑜𝑔 (𝑏) 𝐴𝑛𝑡𝑖𝑙𝑜𝑔 (1,1675 𝑀/𝑚𝑖𝑛) 14,7061 1 𝑚𝑖𝑛 = = ∗ = 0,245 𝑠 −1 [𝐻𝐶𝐿] [1 𝑀] 𝑚𝑖𝑛 60 𝑠

𝐴𝑛𝑡𝑖𝑙𝑜𝑔 (𝑏) 𝐴𝑛𝑡𝑖𝑙𝑜𝑔 (3,1495 𝑀/𝑚𝑖𝑛) 1410,9122 1 𝑚𝑖𝑛 = = ∗ = 23,51 𝑠 −1 [𝐻𝐶𝐿] [1 𝑀] 𝑚𝑖𝑛 60 𝑠

3. A partir de los datos obtenidos a las dos temperaturas empleadas determine la energía de activación y el factor de frecuencia de la reacción a partir de la ecuación de Arrhenius y su relación de constantes a diferentes temperaturas. Con la constante específica hallada calcule la vida media de la reacción.

𝑘 = 𝐴𝑒 −𝐸𝑎/𝑅𝑇

Es necesario linealizarla es decir

ln 𝑘 = −

𝐸𝑎𝑐 1 ∗ + ln 𝐴 𝑅 𝑇

Agrupando se tiene: ln 𝑘1 − ln 𝑘2 = −

𝐸𝑎𝑐 1 𝐸𝑎𝑐 1 ∗ + ∗ 𝑅 𝑇1 𝑅 𝑇2

→

ln

𝑘1 𝐸𝑎𝑐 −1 1 = ( + ) 𝑘2 𝑅 𝑇1 𝑇2

De la cual reemplazamos para hallar la energía de activación Eac): ln

0,245 𝑠 −1 𝐸𝑎𝑐 −1 1 = ( + ) −1 −3 24,51 𝑠 8,314 ∗ 10 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 300°K 279°K −4,605 =

𝐸𝑎𝑐 (2,5089 ∗ 10−4 𝐾) 8,314 ∗ 10−3 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 −4,605 = 𝐸𝑎𝑐 (0,030 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙)

𝐸𝑎𝑐 =

−4,605 = −153,5 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 0,030 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙

Ahora hallamos el factor de frecuencia de la reacción (A) con la ecuación [2], usando ya sea k1 o k2:

𝐥𝐧 𝒌𝟏 = − ln 0,245 = −

𝐸𝑎𝑐 1 ∗ + ln 𝐴 𝑅 𝑇1

−153,5 1 ∗ + ln 𝐴 −3 8,314 ∗ 10 300

−1,406 = −61,543 + ln 𝐴 −1,406 + 61,543 = ln 𝐴 60,137 = ln 𝐴 𝐴 = 𝑒 60,137 = 1,3096 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙

𝐥𝐧 𝒌𝟐 = − ln 23,51 = −

𝐸𝑎𝑐 1 ∗ + ln 𝐴 𝑅 𝑇1

−153,5 1 ∗ + ln 𝐴 −3 8,314 ∗ 10 279

3,157 = −66,175 + ln 𝐴 3,157 + 66,175 = ln 𝐴 69,332 = ln 𝐴 𝐴 = 𝑒 69,332 = 1,289 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙

Para hallar la vida media a T1 y T2 se utiliza: 𝑡1 1 = 2

𝑡1 1 = 2

0,693 𝑘1

0,693 = 2,82 𝑠 0,245 𝑠 −1

𝑦

𝑡1 2 = 2

𝑦

0,693 𝑘2

𝑡1 1 = 2

0,693 = 0,029 𝑠 23,51 𝑠 −1

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Se analiza que en la temperatura ambiente (T1) la velocidad de reacción es mucho más rápida que en la del agua a temperatura fría ya que a esta temperatura se observa que la velocidad de reacción fue más lenta y que al momento del experimento cuando necesitábamos que se opacara la solución se tardó más en opacarse en las cuatro soluciones que se encontraban a temperatura fría.

INCONVENIENTES 

La temperatura ambiente es un factor determinante para las reacciones puede favorecer o lo contrario.



Tomar la temperatura del KOH es super sensible por su delicado estado físico por ser laminas y sensible a la humedad del ambiente.



Se puede presentar inconvenientes con los reactivos si estos se encuentran en mal estado y si su conservación no es idónea.



Se debe estar muy atenta para tomar el tiempo de reacción de las muestras

CONCLUSIONES Con el desarrollo de las prácticas de observó la Velocidad de reacción cuando se presenta el apocamiento de la sustancia. En donde se presentan variaciones en las distintas soluciones. Permitiendo comprobar y calcular la capacidad calorífica de las muestras. Se observa la velocidad de reacción de las 4 soluciones en 4 tiempos diferentes y en dos temperaturas diferentes. Un sistema aislado no intercambia ni materia ni energía con su entorno, por ello la temperatura se queda en equilibrio termodinámico. la constante de un calorímetro se determinó por el método de mezclas binarias, para la demostración del equilibrio de temperatura en diferentes temperaturas bajo el suministro de calor.

BIBLIOGRAFÍA Chang, Raymond (2010). Principios esenciales de química general (4a. ed.). Capítulo 14: Cinética Química, pp. 438-463. Madrid, McGraw-Hill España. Recuperado de http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2077/lib/unadsp/detail.action?docID=10491292

Marín, Rafael (2003). Fisicoquímica y microbiología de los medios acuáticos: tratamiento y control de calidad de aguas, Ediciones Díaz de Santos. Capítulo 1: Dinámica fisicoquímica de aguas, pp 1-71. España. Recuperado de: http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2460/lib/unadsp/detail.action?docID=3171374 López, Escobar (2011). Calidad del agua: evaluación y diagnóstico, Ediciones de la U. Capitulo 1: Conceptos generales, Definición de términos y conceptos básicos en el análisis de la calidad del agua,pp 37-43. Medellín, Colombia.Recuperado de: https://ebookcentralproquest-com.bibliotecavirtual.unad.edu.co/lib/unadsp/reader.action?docID=3198982 Sierra, Carlos (2011). Calidad del agua: evaluación y diagnóstico, Ediciones de la U. Capítulo 8.4: Movimiento de contaminantes en el medio acuático. Pp. 252-258 http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2460/lib/unadsp/detail.action?docID=3198982. Ramírez A, Restrepo R, Viña G (1997). Cuatro índices de contaminación para caracterización de aguas continentales. Ciencia, Tecnología y Futuro 3:135-153. Recuperado de: http://www.scielo.org.co/pdf/ctyf/v1n3/v1n3a09.pdf Ramírez A, Restrepo R, Viña G (1999). Índices de contaminación para caracterización de aguas continentales y vertimientos. Formulaciones. Ciencia, Tecnología y Futuro 5:89-99. Recuperado de: http://www.scielo.org.co/pdf/ctyf/v1n5/v1n5a08.

REGISTRO FOTOGRAFICO

Peso de Vaso Dewar

Toma de Temperatura

Toma de Temperatura

Toma de Temperatura

Agua Destilada a 80°C

Reacción 1 – 0,5M

Reacción 2 – 0.025M

Reaccion 3 – 0.0125M

Toma de Temperatura del KOH

Reactivos dentro del Hielo

Toma de Temperatura Agua de Rio