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LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I

PRÁCTICA N°2: TERMOQUÍMICA

JU08FQC RESUMEN El objetivo principal de la práctica llevada a cabo en el laboratorio fue apreciar que en las reacciones químicas ocurren cambios térmicos, tanto de liberación como absorción de calor. Con el fin de lograr este propósito, tratamos de determinar el calor que se produce en una reacción de neutralización entre el NaOH y el HCl, para lo cual había que determinar primero la capacidad calorífica del calorímetro. Para este fin, usamos el concepto de conservación de energía y experimentalmente calculamos la temperatura de equilibrio, con lo que determinamos la capacidad calorífica del sistema, la cual fue de: 259,6334 cal/ °C. Luego, pasamos a determinar lo que nos concierne: el calor de neutralización entre el ácido y la base, para lo cual había que determinar las normalidades corregidas de los reactivos: NaOH y HCl previa valoraciones ya conocidas. Con esos datos, calculamos los volúmenes respectivos de ácido y base para colocar en la pera y termo, respectivamente. Análogamente a la experiencia anterior donde se determinó la capacidad calorífica del sistema, tomamos nota de la temperatura de equilibrio. Con estos datos, calculamos el calor de neutralización experimental, el cual fue de -13,51 kcal/mol, experimentalmente el dato del calor a 18°C es de -13.70 kcal/mol, por ende el error experimental fue de 1.39%. Se colige, las reacciones químicas implican absorción o liberación de energía en forma de calor, en el experimento realizado se demuestra que la reacción de neutralización es un proceso exotérmico. Con el fin de reducir los errores y optimizar la eficacia, se recomienda ser cuidadoso al momento de tomar los datos, usando termómetros digitales por ejemplo en lugar que los estándares, con el fin de obtener resultados más precisos. Determinar la capacidad calorífica usando agua helada y agua caliente con el agua de caño para obtener un dato más apegado a la realidad, es un buen consejo también.

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PRÁCTICA N°2: TERMOQUÍMICA

INTRODUCCIÓN

La energía en todas sus formas, está presente en casi todas las actividades de los seres vivos. Dentro de ellas, se destaca una que fluye constantemente y forma parte de la mayor parte de las transformaciones, nos referimos a la energía térmica o calor. La materia está en constante transformación, y cada transformación implica cambios térmicos, las reacciones químicas no escapan a esta regla y cada una de éstas está acompañada de un cambio térmico respectivo. La termoquímica es la disciplina que se encarga de estudiar los cambios térmicos concernientes a las reacciones químicas. Desde el punto de vista termodinámico, las reacciones químicas se pueden clasificar como endotérmico o exotérmico. En las reacciones endotérmicas, hay absorción de calor, mientras que las exotérmicas se produce la liberación de energía. Las reacciones químicas tienen un papel crucial en la producción de distintos productos, por lo que conocer si una reacción requiere o libera energía es fundamental para el proceso industrial. Por tanto, la termoquímica posee una utilidad muy amplia, pues todas las reacciones químicas manifiestan una ganancia o pérdida de calor, que también puede manifestarse como trabajo. Por ello, visto desde una perspectiva industrial, con la termoquímica (la cual se apoya en la primera ley de la termodinámica, es decir, en el principio general de la conservación de la energía.) se evalúan, las entropías y entalpías, para analizar que reacciones son favorables para un determinado proceso químico industrial y de esta manera producir las condiciones idóneas para una mejor eficiencia del proceso.

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PRINCIPIOS TEÓRICOS Termoquímica: Es una disciplina, que forma parte de la fisicoquímica, la cual se encarga de estudiar los cambios de energía, que se manifiestan en forma de calor en las reacciones químicas. Capacidad calorífica: La capacidad calorífica se puede expresar como la cantidad de calor requerida para elevar en 1ºC, la temperatura de una determinada cantidad de sustancia. Cuanto mayor sea la capacidad calorífica de una sustancia, mayor será la cantidad de calor entregada a ella para subir su temperatura. Por ejemplo, no es lo mismo calentar el agua de un vaso que el agua de toda una piscina: requerimos mayor calor para calentar el agua de toda una piscina puesto que su capacidad calorífica es mucho mayor. La capacidad calorífica (C) (propiedad extensiva), se expresa como "calor" sobre "grados centígrados" y, por tanto, tiene las siguientes unidades: cal/°C o también J/°C Calor de Reacción: En la mayoría de los casos, las reacciones químicas implican cambios de calor. Se puede definir al calor de reacción como el cambio térmico que sufren los reactivos cuando están a determinada temperatura y presión y se transforman en productos a la misma temperatura y presión. En un proceso a presión constante, el calor de reacción (qp) es igual al cambio de la entalpía de la reacción (Hr). Una reacción exotérmica es un proceso que emite calor a sus alrededores en el cual la entalpía es negativa; en una reacción endotérmica, la entalpía es positiva, porque el proceso absorbe calor de sus alrededores. Para determinar los calores de reacción de las reacciones químicas, usamos principios termodinámicos y de conservación de la energía, los más importantes de estos son: -

-

Ley de Hess: "El calor total de una reacción a presión constante es independientemente de los pasos intermedios que intervengan".

el

mismo

Ley de Lavoisier y Laplace: "El calor absorbido al descomponerse un compuesto, debe ser igual al calor desprendido durante su formación".

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Calor de neutralización Un tipo de calor de reacción es el calor de neutralización de ácidos y bases. Cuando se usa soluciones diluidas de ácidos y bases fuertes la única reacción que se produce es la formación de agua a partir de los iones OH- y H+, de acuerdo a la ecuación:

Cuando uno de los electrolitos no es fuerte y/o cuando se usan soluciones concentradas, éste valor varía ya que intervienen los calores de ionización y de dilución, respectivamente.

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DETALLES EXPERIMENTALES Materiales:       

Frasco termo. Termómetro digital. Pera. Bureta. Vasos de precipitado. Vasos enlermeyer. Probeta.

Reactivos:   

Solución acuosa de NaOH 0.2N Solución acuosa de HCl 0.8N Biftalato de potasio sólido (KC8H5O4)

Procedimiento experimental:

 Determinación de la capacidad calorífica del sistema:  Se colocó 100 ml de agua de caño fría (a temperatura ambiente) en el frasco termo y 100 ml de agua helada en la pera.  Se tomó la temperatura de ambas aguas con el termómetro digital.  Se abrió la pera y se midió la variación de temperatura cada 10 segundos hasta que llegue a una temperatura constante (temperatura de equilibrio), se tomó nota de esta temperatura.  Determinación del calor de neutralización:  Se determinó las concentraciones reales de las soluciones de NaOH y HCl bajo el siguiente método. Se valoró la base con una solución patrón, en nuestro caso se utilizó biftalato de potasio. Una vez determinada la normalidad corregida del NaOH, procedimos a valorar el ácido usando como patrón secundario ahora a la base. De esta manera, determinamos las normalidades corregidas de ambos reactivos.

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 Con las normalidades corregidas, calculamos el volumen de ácido y base a neutralizar tal que sumados den 200 ml. En la pera se colocó la solución de HCl, mientras que en el frasco termo se introdujo el volumen calculado de base.  Se midió la temperatura de la base, así como del ácido, con ayuda del termómetro digital.  Se abrió la pera y se dejó caer el ácido, y se midió la temperatura cada 10 segundos (como en el procedimiento anterior) hasta que la temperatura se mantenga constante (temperatura de equilibrio).

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TABULACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES

Tabla N°1: Condiciones experimentales de laboratorio Presión (mmHg) 756

Temperatura (°C) 20

%Humedad 94

Tabla N°2: Datos teóricos Calor específico del Agua (cal/g°C)

Calor de neutralización (kcal/mol) a 18°C

0.9986

-13.70

Tabla N°3: Datos Iniciales de las aguas: Temperatura del Agua fría (°C)

Temperatura del Agua Helada (°C)

19.5

5.2

Tabla N°4: Datos al tomar la temperatura cada 10 segundos al combinar las aguas Tiempo (s)

Temperatura (°C)

10

18

20

17

30

16

40

15.3

50

15.15

60

14.7

70

14.2

80

14

90

14

100

15

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Tabla N° 5 Datos obtenidos en la valoración de la solución de NaOH

Peso del Biftalato de potasio (g) 0.1100

V(gastado) de NaOH (ml) 2.2

Indicador

Viraje

Fenolftaleína

Incoloro grosella

Tabla N° 6 Datos obtenidos en la valoración de la solución de HCl Volumen de NaOH (ml) 25

V(gastado) de HCl (ml) 6.8

Indicador

Viraje

Fenolftaleína

Grosella incoloro

Tabla N° 7 Datos de las temperaturas iniciales de las soluciones

Temperatura del HCl (°C)

Temperatura del NaOH (°C)

20.4

20

Tabla N°8 Temperaturas obtenidas durante la neutralización

Tiempo (s)

Temperatura (°C)

10

20.2

20

20.8

30

21.3

40

21.9

50

22.0

60

22.2

70

22.2

80

22.2

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CÁLCULOS

 Determinación de la capacidad calorífica del sistema: T agua fría (Tf) T agua helada (Th) T equilibrio (Te)

= = =

19.5 °C 5.2 °C 14°C

Por conservación de la energía (primera ley de la termodinámica) Q(ganado por el agua helada)

Ce(H2O) x masa (H2O) x (Te-Th)

= Q(perdido por el agua fría)

=

0.9986 cal/g °C x 100g x (14-5,2) °C = C' =159,77

C’ x (Tf-Te) C’ x (19.5-14) °C

cal °C Con este dato, podemos calcular la capacidad calorífica del sistema, la cual viene dada por la fórmula:

C= C ‘ + mCe C= 159.77 + 100 x (0.9986) C=259,63

cal °C

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 Determinación del calor de neutralización: Calculamos las normalidades corregidas, tanto para el NaOH, como para el HCl: a) Para el NaOH: W(biftalato de potasio) = 0.1100g Volumen gastado NaOH = 2.2 ml #equivalentes KC8H5O4 = #equivalentes NaOH W ( KC 8 H 5 O 4 ) =Ncorregida ( NaOH )∗Vgastado (l) PE( KC 8 H 5 O 4) 0.1100 g =Ncorregida ( NaOH )∗0,0022l 204,228 g/¿ Ncorregida ( NaOH )=0,2445 N

b) Para el HCl: Volumen NaOH Volumen gastado HCl

=25 ml =6,8 ml

#equivalentes HCl = #equivalentes NaOH

Ncorregida ( HCl )∗Vgastado (ml)=Ncorregida ( NaOH )∗Vgastado (ml) Ncorregida ( HCl )∗6.8 ml=0,2445∗25 ml Ncorregida ( HCl )=0,8989 N Con esos datos ya calculados, procedemos a calcular las cantidades de ácido y base a neutralizar. V(NaOH)+V(HCl) = 200 ml Pero también N(NaOH)*V(NaOH)=N(HCl)*V(HCl)

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Resolviendo las 2 ecuaciones, obtenemos las dos incógnitas buscadas: Volumen HCl Volumen NaOH

= 42.76 ml = =157,23 ml =

43 ml aprox. 157 ml aprox.

Al colocar el HCl (en la pera) y el NaOH (en el termo), y abriendo la pera obtenemos la temperatura de equilibrio, las temperaturas obtenidas fueron: T NaOH (T1) = 20°C T HCl (T2) = 20,4°C T equilibrio (Te) = 22,2°C Con T1 y T2 calculamos la Temperatura media (Tm) que nos será de uso posteriormente, este se calcula como la media aritmética de T1 y T2: Tm= (20 + 20.4)/2= 20,2 °C A su vez calculamos la cantidad de moles participantes (n) en la neutralización: n= N(HCl)*V(HCl)=N(NaOH)*V(NaOH) n= 0,8989N*0.004276 n= 0.03844 moles Aplicamos la fórmula para el cálculo del calor de neutralización: Q=

C( Te−Tm) n

Q=

259,63 cal/ °C (22,2−20,2)° C 0,03844

Q=−13,51

kcal mol

Pero el Q teórico es igual a -13,70 kcal/mol. Calculamos el error experimental entonces: %error=

Valor teórico−Valor experimental ∗100 Valor experimental

%error=

−13,70−(−13,51) ∗100 −13,70

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%error=1,39

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TABULACIÓN DE RESULTADOS Y PORCENTAJE DE ERROR Tabla N°1 Capacidad calorífica del sistema, incluyendo el del agua helada.

Capacidad calorífica del sistema (cal/ °C) 259,6334 Tabla N° 2 Normalidades corregidas de las soluciones

N (NaOH)

N (HCl)

0,2445

0,8989

Tabla N°3 Resultado experimental del calor de neutralización y porcentaje de Error respectivo Calor de neutralización (kcal/mol) -13,51

% error

1,39

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ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS -

Experimentalmente, determinamos que el calor de neutralización fue de -13,51kcal/mol, lo cual al compararlo con el dato teórico nos arroja un error del 1,39%.

-

Este porcentaje de error es aceptable, sin embargo pudo calcularse un calor de manera mucho más precisa. En la primera parte de la experiencia, medimos las temperaturas del calorímetro con termómetros no digitales, los cuales no son tan precisos como los digitales, así como también pueden ser susceptibles a la mala medición a la hora de la observación por parte de los analistas.

-

El porcentaje de error no fue tan elevado, esto nos da a entender que el ambiente de trabajo, así como el método utilizado fue el adecuado. Si sé es más estricto y minucioso con las mediciones tanto como temperatura, como volúmenes de reactivos, podremos llegar a resultados aún más precisos y confiables a los encontrados.

-

Al apreciar la gráfica 1 (del anexo), observamos que a medida que el tiempo aumenta, la temperatura medida en el frasco termo disminuye hasta que en un momento, se vuelve constante, lo que nos manifiesta que se logró alcanzar el equilibrio.

-

Al apreciar la gráfica 2 (del anexo), la cual nos muestra el tiempo vs temperatura de la reacción de neutralización, observamos que la temperatura aumenta con el tiempo, esto quiere darnos a entender que en la reacción hay liberación de calor, o sea es exotérmica.

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES -

El calor se conserva, con este principio determinamos la capacidad calorífica del sistema: calorímetro y agua helada. Sabemos que la capacidad calorífica nos indica la cantidad de energía (calor) necesario para incrementar la temperatura del sistema en 1°C y su unidad ´puede ser J/°C o también cal/°C.

-

Calculamos el calor de neutralización experimentalmente, donde demostramos que éste no depende de la concentración ni del ácido ni de la base, siempre y cuando las soluciones estén diluidas.

-

Las reacciones químicas implican ganancia o pérdida de calor, en el caso de las reacciones de neutralización demostramos que estas son exotérmicas, es decir hubo pérdida de energía, que se manifestó en forma de color.

-

Al momento de realizar la experiencia en el laboratorio, se recomienda usar equipos digitales, los cuales nos brindan resultados más exactos. Por ejemplo, la temperatura (crucial para el cálculo de la capacidad calorífica del sistema y posterior cálculo del calor de neutralización) se puede medir con termómetros digitales; también la masa de biftalato de potasio necesaria para la valoración se sugiere pesarse en una balanza digital.

-

A su vez, si se quiere ser acuciosos en la experiencia, se puede trabajar con pipetas volumétricas, de esta manera podemos obtener volúmenes más exactos y el cálculo sería más eficaz.