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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA

CALOR DE DISOLUCIÓN DEL CARBONATO DE SODIO

ALUMNOS: ARMENTA VINIEGRA JOSÉ ALBERTO HERNÁNDEZ BELTRÁN ESMERALDA JUSTO AVILA VICTORIA EQUIPO 2

LABORATORIO DE CIENCIA BÁSICA II

PROFESOR: EDUARDO GILES VELÁZQUEZ

MÉXICO D.F.

18/MARZO/2016

INTRODUCCIÓN El calor es una forma de energía que se encuentra en los cambios físicos y químicos, la calorimetría nos permite cuantificar el calor absorbido o liberado en un sistema. El calor de disolución es la cantidad de calor liberado durante la reacción. Así mismo la solubilidad influye en la disolución de las sustancias con lo cual se define como la cantidad de sustancia que puede disolverse en cierta cantidad de líquido siempre limitada. Por consiguiente la temperatura tiene efectos en la solubilidad. OBJETIVO GENERAL: Determinar el calor de disolución del carbonato de sodio

OBJETIVOS PARTICULARES: 

Conocer la concentración del carbonato de sodio mediante una estandarización con

  

ácido sulfúrico. Encontrar la temperatura de equilibrio en la que el carbonato se solubiliza. Diseñar una metodología adecuada. Realizar el tratamiento estadístico.

HIPÓTESIS Al disolverse cierta cantidad de carbonato de sodio a una temperatura de 40°C a 45°C, su solubilidad será mayor por lo tanto, el calor de disolución será mayor. VARIABLES: DEPENDIENTE: solubilidad, el calor de disolución. INDEPENDIENTE: Concentración (masa disuelta de compuesto), temperatura a la que se someta la solución. CONSTANTES: Presión atmosférica, temperatura ambiente, constante del calorímetro, reactivos MARCO TEÓRICO

DISOLUCIÓN Primero que nada, se debe hablar sobre disoluciones. Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. Debido a que esta definición no restringe, en modo alguno la naturaleza de las sustancias implicadas, se distinguen seis tipos de disoluciones, dependiendo del estado físico original de los componentes. Una disolución saturada, contiene la máxima cantidad de un soluto que se disuelve en un disolvente en particular, a una temperatura específica. Una disolución no saturada contiene menor cantidad de soluto que la que es capaz de disolver. Un tercer tipo, una disolución sobresaturada, contiene más soluto que el que puede haber en una disolución saturada. Estas disoluciones no son muy estables. EL PROCESO DE DISOLUCIÓN Cuando una sustancia (el soluto) se disuelve en otra (el disolvente), las partículas del soluto se dispersan en el disolvente. Las partículas del soluto ocupan posiciones que estaban ocupadas por moléculas del disolvente. La facilidad con la que una partícula de soluto remplaza a una molécula de disolvente depende de la fuerza relativa de tres tipos de interacciones: 1) interacción disolvente - disolvente, 2) interacción soluto – soluto y 3) interacción disolvente – soluto. Si la atracción 3) es mayor que la atracción 1), el proceso de disolución será favorable o exotérmico. Si la interacción 3) es más débil que las interacciones 1) y 2), el proceso de disolución será endotérmico. Ahora bien, se puede decir que el proceso de disolución está fuertemente regido por dos factores. Uno es el factor energético, que determi9na si un proceso de disolución es exotérmico o endotérmico. El segundo factor se refiere a la tendencia hacia el desorden inherente a todos los procesos naturales. Por tanto, el proceso de disolución está acompañado de un aumento de desorden, este aumento es en el desorden del sistema, lo que favorece la solubilidad de una sustancia. SOLUBILIDAD Es una medida de la cantidad de soluto que se disolverá en cierto disolvente a una temperatura específica. Se dice que dos líquidos son miscibles si son completamente solubles entre sí en todas proporciones. Podemos predecir que los compuestos iónicos serán

mucho más solubles en disolventes polares, que en disolventes no polares. Debido a que las moléculas de los disolventes no polares carecen de un momento dipolar, no pueden solvatar. Solvatación es el proceso mediante el cual un ion o una molécula se rodea por moléculas del disolvente, distribuidas de una forma específica Existen dos formas de definir a la solubilidad de una sustancia, por un lado, está la solubilidad molar, que es el número de moles de soluto en un litro de una disolución saturada (mol/L), y como solubilidad, que es el número de gramos de soluto en un litro de una disolución saturada (g/L), ambas expresiones se refieren a la concentración en disoluciones saturadas a una temperatura determinada (que suele ser 25°C). (Chang, 2010) CALOR DE DISOLUCIÓN En la gran mayoría de los casos, la disolución de un soluto en un disolvente produce cambios de calor que pueden medirse. A presión constante el cambio de calor es igual al cambio de entalpía. El calor de disolución, o entalpía de disolución, es el calor generado o absorbido cuando cierta cantidad de soluto se disuelve en cierta cantidad de disolvente APLICACIONES A LA INGENIERÍA QUÍMICA Desde el punto de vista de la ingeniería química resulta de gran importancia saber, que en gran cantidad de las industrias químicas utilizan ampliamente la transferencia de calor en sus procesos. Pero si bien es cierto que la termoquímica establece las bases teóricas del manejo del calor en las reacciones químicas, desde el punto de vista experimental, la calorimetría nos permite cuantificar qué tanto

calor como una forma de la energía

absorbida o desprendida está presente en una reacción. Determinar esta energía presente en una reacción es posible bajo dos condiciones termodinámicas; ya sea a presión constante, o a volumen constante. (Moreno, 2015) La posibilidad de determinar los parámetros termodinámicos y cinéticos de un proceso químico ha atraído la atención delos ingenieros químicos con el fin de analizar, modelar optimizar y simular los procesos de productos químicos con la ayuda de un calorímetro de

reacción, ofreciendo la capacidad para medir temperatura, cambio de entalpía y cuantitativamente cambios de presión. (José Eli E. González D.) La evaporación es uno de los principales métodos utilizados en la industria química para la concentración de disoluciones acuosas. Normalmente implica la separación de agua de una disolución mediante de la ebullición de la misma en un recipiente adecuado, el evaporador, con separación del vapor. (Metcalfe, 1981) CARBONATO DE SODIO ANHIDRO Propiedades físicas y químicas Peso molecular: 105.99 g/mol Estado físico a 20 °C Polvo, gránulos Color blanco Inodoro Higroscópico No inflamable Se debe almacenar en un área fresca, seca y bien ventilada. Contenedores altamente sellados. Mantener alejado de fuentes de calor y humedad JUSTIFICACIÓN Con la finalidad de aplicar los conocimientos de la asignatura de fisicoquímica de manera práctica, se llevará a cabo la experimentación adecuada, bajo una metodología planeada. Esto para determinar de manera experimental el calor de disolución del carbonato de sodio y verlo desde un panorama amplio, a nivel industrial y la manera en que se puede aprovechar el calor liberado de una disolución.

Metodología.

Calor de disolución del Carbonato de sodio.

Pesar 0.3941 g de carbonato de sodio Registrar la temperatura ambiente.

Calentar 75mL de agua destilada a 50°C.

Anotar el cambio de temperatura.

Agregar el agua al calorímetro.

Añadir la muestra de carbonato de sodio.

Cerrar y agitar el calorímetro durante 80s. Obtener la elevación de la temperatura y titular con ácido.

Figura 1.0 Diagrama de flujo del proceso para la determinación del Calor de disolución del Carbonato de sodio. Se deseco el carbonato de sodio a una temperatura de 110-120°C durante 80min., dejar reposar por 24hrs, pesar en la balanza analítica la cantidad de 3.9416 g de carbonato de sodio. Por consiguiente se calentó 75mL de agua destilada a 60°C en el cual se dejó enfriar hasta una temperatura de 50°C posteriormente se añadió esta cantidad de agua destilada en el calorímetro en el cual se registró el cambio de la temperatura hasta 40°C por tratarse de una temperatura que aumenta la solubilidad del carbonato de sodio, para agregar 3.9416g del mismo en el calorímetro y cerrarlo perfectamente. Desde ese instante se registró el cambio de la temperatura al mismo tiempo agitar el calorímetro para disolver el carbonato de sodio. Este proceso se realizó durante 80s, una vez disuelto. El carbonato de sodio fue

Anotar el cambio de temperatura

estandarizado con ácido sulfúrico para conocer la cantidad de carbonato de sodio disuelto en el proceso anteriormente mencionado por medio de cálculos de normalidad.

TABLA 1.0 Temperatura ambiente

PROMEDIO DE LA TEMPERATURA AMBIENTE: (24+ 26+25+24+ 24+24 ) = 24.250 °C 6

TABLA 1.1. Cambio de temperatura al agregar el carbonato de sodio

Na2CO3 + H2SO4

PARA LA TITULACIÓN

Na2SO4 + CO2 + H2O ……. (R1)

Tabla 1.2.Estandarización del carbonato de sodio con ácido sulfúrico

Para la determinación de la normalidad: C1 * V1 = C2 * V2…… (Ec. 1), despejar C2

C2 =

(0.949 N )∗(3 mL ) =0.5694 N (5 mL)

C2 =

C 1∗V 1 V2

DETERMINACION DEL CALOR DE DISOLUCIÓN DEL CARBONATO DE SODIO 

Peso del carbonato preparado: 3.9416 g



Temperatura ambiente: 24.25°C

REGISTRO DE TEMPERATURA 

Temperatura antes de mezclar: 40°C



∆T corregido 1 = T al añadir Na2CO3 - Temperatura ambiente = 40.00 - 24.50= 15.75 °C



Peso disuelto en 75 mL : 2.25 g



Calor especifico del carbonato de sodio : 26.84



Calor requerido para elevar 2.25 g desde la temperatura ambiente de 24. 250 °C

cal ° mol

hasta 40 °C 1 mol cal )(26.84 ) 106 g ° mol = 0.009 kcal ……….. (Ec. 3) 1000

( 15.75 ° C ) (2.25 g)(

Constante del calorímetro: 0.138

kcal K

∆T corregido 2 = Temperatura al mezclar – Temperatura antes de mezclar = 43 °C – 40°C = 3 °C



Calor total: (0.138



Calor por mol :

kcal K ) ( 3 K) + (0.009 kcal )= 0.423 kcal …….. (Ec. 4)

106 g ) 1 mol = 19.84 2.259 g

(0.423 kcal)(

kcal mol

…….. (Ec. 5)

PARA EL VALOR TEÓRICO DEL CALOR SI TODO SE HUBIERA DISUELTO: kcal mol ) = 34.61 2.259 g de Carbonato de sodio 19.84

3.9416 g de Carbonato de Sodio (

Kcal mol

PORCENTAJE DE ERROR Valor Teórico−Valor experimental x 100 …………. (Ec. 6) Valor Teórico 34.61−19.84 x 100=42.67 34.61

DISCUSIÓN Al analizar los resultados obtenidos en la presente práctica, llevada a cabo con una metodología planeada (FIGURA 1.0), se observa en la TABLA 1.1., un aumento de temperatura al añadir el carbonato de sodio al calorímetro, lo cual nos indica un desprendimiento de calor y al mismo tiempo, nos da un valor numérico que más adelante es utilizado para calcular el calor de disolución de dicho compuesto, Cabe destacar, que también se tomó la temperatura ambiental, ya que fue a lo que estuvo expuesto el calorímetro y la cual afectaría a la hora de añadir el carbonato de sodio. Por consiguiente, y en base a la estandarización de la solución de Carbonato de Sodio (R1 y TABLA 1.2.), se pudo obtener la concentración real (Con la Ec. 1) de la ya mencionada disolución y con ello, la masa de carbonato de sodio que realmente se disolvió (Ec. 2). Se observa que a pesar de someter la disolución a temperatura tal, que hubiera una mayor disolución del Carbonato de sodio (De 40 °C a 45 °C), hubo diferencia entre lo que se preparó y lo que se

disolvió (Ec. 2). Ahora bien, todos estos cálculos llevados a cabo fueron precursores para la determinación del calor de disolución del compuesto estudiado, y que al aplicarse sobre la Ec. 5 nos diera la cantidad de calor liberado por mol del compuesto. Por último, se determinó un calor teórico liberado por el carbonato de sodio, si éste se hubiese disuelto todo; este dato nos sirvió para calcular el porcentaje de error de la experimentación (Ec. 6) el cual fue menos de la mitad, sabiendo que se disolvió poco más de la mitad del carbonato de sodio preparado. A nivel industrial, esto nos da una pauta para ver que en un proceso de transformación de calor, no todo se va a aprovechar, lo cual nos generará cierta energía libre, vulgarmente conocida como desperdicio de energía, lo cual también se deberá a la eficiencia de una máquina térmica dada. Es decir, no todo lo que se quiera transformar en calor, será aprovechado como tal, sino que habrán ciertas pérdidas, lo cual se traduce también, en pérdidas económicas, lo cual también depende de la optimización que se lleve a cabo previamente, y de eso, nos encargamos los ingenieros químicos.

CONCLUSIONES La temperatura influye en la solubilidad.   

En el carbonato de sodio la temperatura en la cual aumenta su solubilidad es a 40°C. La disolución total permitirá conocer el calor liberado. No toda la cantidad de soluto se disuelve, existe una diferencia entre la masa inicial



y la que en realidad se disolvió. Algunos errores en la práctica: no utilizar el material adecuado en la práctica, medir incorrectamente los reactivos, no observar el cambio de temperatura en el proceso.

Bibliografía Chang, R. (2010). Química. China: McGraw-Hill.

José Eli E. González D., L. L. (s.f.). Calorimetría adiabática y sus aplicaciones. Recuperado

el

11

de

Marzo

de

2016,

de

https://www.cenam.mx/sm2010/info/carteles/sm2010-c38.pdf Metcalfe, J. (1981). Ingeniería Química: Unidades SI y Operaciones básicas . Barcelona, España: Reverté. Moreno, M. B. (30 de Octubre de 2015). Ciencia Básica Experimental para estudiantes de Ingeniería Química. Recuperado el 11 de Marzo de 2016, de http://ciencia-basicaexperimental.net/solucion.htm