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• Luis Alberto Orbegoso Huanca

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL ESPECIALIDAD INGENIERÍA SANITARIA

TEMA:

DETERMINACIÓN DEL CALOR DE NEUTRALIZACIÓN

CURSO

:

FISICOQUÍMICA

PROFESOR : INTEGRANTES :

LIMA - PERÚ Mayo 2018

1

INRODUCCIÓN

El calor de neutralización de un ácido fuerte y una base fuerte, cuando hablamos de especies “fuertes” nos referimos aquellas que están completamente disociadas, el ácido clorhídrico (HCl) y el hidróxido de sodio (NaOH) son algunos ejemplos de un ácido fuerte y una base fuerte. Cada disolución es un sistema donde tiene una respectiva temperatura constante, podemos considerarlas en estado de equilibrio. Cuando se mezclan las especies iónicas de ambas disoluciones abandonan el equilibrio dando lugar a un nuevo sistema con un nuevo equilibrio y una nueva temperatura que es diferente al medio que los rodea. Como consecuencia de este desequilibrio termodinámico tiene lugar una trasferencia de energía entre el sistema y el medio, que denominamos calor. Dicho proceso químico puede calificarse en endotérmicos o exotérmicos, estas variaciones caloríficas representan la diferencia entre el contenido energético y los productos y reactivos. Asimismo, las leyes de la termoquímica están basadas en el principio de la conservación de la energía, ley de Lavosier y Laplace: “El calor absorbido al descomponer un compuesto, debe ser igual al calor desprendido durante su formación”. Ley de Hess: “El calor total de una reacción a presión constante es el mismo independientemente de los pasos intermedio que intervengan”. Asimismo, las ecuaciones termoquímicas pueden tratarse como algebraica y en consecuencia es posible calcular calores de reacciones.

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RESUMEN

1.- Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro. Medimos 40mL de agua fría y agregamos al calorímetro (encontrarse limpio y seco), tapamos y agitamos y determinamos la temperatura de equilibrio 25°C, luego pusimos a hervir 50mL de agua a una temperatura de 74°C lo cual tomamos 38mL e invertimos en el calorímetro, tapamos y agitamos y determinamos la temperatura de equilibrio que es 44°C. Lo cual se realizó tres veces el mismo procedimiento, donde obtuvimos en dos de ellos la capacidad calorífica de 19.6calorias. 2.- Determinación del calor de neutralización Ácido Clorhidrico-Hidroxido de sodio Se tomó al inicio la temperatura del calorímetro que fue 26°C, se midió 41mL de la solución de Ácido Clorhídrico 1N a 26°c y se adiciono al calorímetro, lo cual se determinó la temperatura de equilibrio después de tapar y agitarlo y tomar la temperatura cada 20 segundos lo cual fue 26°C, luego se tomó 40mL de Hidróxido de sodio 1N a temperatura 25°C lo cual se invirtió en el calorímetro y se agito y se tomó la temperatura cada 20 segundos arrojando una temperatura de equilibrio de 27.5°C 3.- Determinación de calor de neutralización Ácido acético-Hidróxido de sodio Se tomó al inicio la temperatura del calorímetro que fue 24°C, se midió 40mL de Ácido Acético 1M a temperatura de 24°C y se adiciono al calorímetro, lo cual se determinó la temperatura de equilibrio después de invertir y tapar cada 20segundos que nos arrojó 24°C, luego se tomó 41mL 1N de Hidróxido de sodio a una temperatura de 25°C lo cual se invirtió en el calorímetro y se agito y tomo la temperatura cada 20 segundos y nos arrojó 30°C.

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OJETIVOS Objetivo general: 

Determinar experimentalmente y calorimétricamente el calor que se produce en la neutralización de un ácido fuerte (HCl) con una base fuerte (NaOH).

Objetivo específico: 

Determinar la capacidad calorífica del calorímetro



Determinar el calor liberado en una reacción de neutralización.



Determinar si las reacciones son endotérmicas o exotérmicas.



Establecer el tipo de reacción entre un ácido y una base.

FUNDAMENTO TEÓRICO Casi todas las reacciones químicas absorben o liberan energía, generalmente en forma de calor. El calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas. Las reacciones que ocurren durante un proceso pueden ser endotérmicas, si absorben calor, o exotérmicas, si desprenden calor. Los cambios endotérmicos se expresan con signo positivo, y los cambios exotérmicos con signo negativo, de acuerdo con la primera ley de la termodinámica. Calor (Q): Se denomina calor a la energía en tránsito que se reconoce solo cuando se cruza la frontera de un sistema termodinámico.1 Una vez dentro del sistema, o en los alrededores, si la transferencia es de dentro hacia afuera, el calor transferido se vuelve parte de la energía interna del sistema o de los alrededores, según su caso. El término calor, por tanto, se debe de entender como transferencia de calor y solo ocurre cuando hay diferencia de temperatura y en dirección de mayor a menor. De ello se deduce que no hay transferencia de calor entre dos sistemas que se encuentran a la misma temperatura.

4

Calor de neutralización La neutralización de soluciones acuosas diluidas de un ácido por medio de una solución acuosa diluida de una base, es un tipo particular de reacción química; es una reacción de neutralización. La neutralización de una solución acuosa de HCl con una solución de NaOH puede ser representada por la siguiente ecuación: HCl (ac) + NaOH (ac) → NaCl (ac) + H2O (l) El calor de reacción ΔHº 25°C puede calcularse a partir de los respectivos calores de formación ΔHºf, a saber: ΔHº f NaOH (ac) -112,236 kcal ΔHº f HCl (ac) -40,023 kcal ΔHº f NaCl (ac) -97,302 kcal ΔHº f H2O (l) 683,17 kcal Según la ecuación ΔH = H final - H inicial, el calor standard de reacción para la ecuación será: ΔHº 25°C = [(-97,302) + (-68,317)] - [(-112,236) + (-40,023)] = -13,680 kcal (4) El Calor Específico (Ce) es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia. La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de una determinada cantidad de sustancia. El calor específico es una propiedad intensiva, en tanto la capacidad calorífica es una propiedad extensiva. La Capacidad Calorífica (C) es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como un efecto de Inercia Térmica. Está dada por la ecuación.

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REACTIVOS Y MATERIALES: Reactivos Materiales

6



Probeta de 100ml



Solución de ácido clorhídrico 1N



2 vasos de precipitado de 100ml



Fenolftaleína



Calorímetro



Azul de bromotimol

7



Termómetro



Solución de hidróxido de sodio 1N



Mechero



Solución de ácido acético



Agua destilada

TABLA DE DATOS Y RESULTADOS Tabla 1

Agua fría

40

40

Temperatura(°C) Temperatura Capacidad de equilibrio calorífica calorímetro 24 47 6.96 cal/°C

Agua

45

45

71

---

---

24

Volumen(ml) Masa(g)

caliente Calorímetro

Tabla 2 Volumen(ml) Masa(g)

Temperatura(°C) Temperatura Capacidad de equilibrio calorífica calorímetro

Agua fría

40

40

25

Agua

38

38

74

---

---

25

44

20 cal/°C

caliente Calorímetro

Tabla 3

Agua fría

40

40

Temperatura(°C) Temperatura Capacidad de equilibrio calorífica calorímetro 25 45 19.55 cal/°C

Agua

36.5

36.5

75

---

---

25

Volumen(ml) Masa(g)

caliente Calorímetro

Capacidad calorífica del calorímetro

8

19.78 cal/°c

Cálculos: Para la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro, usamos la siguiente ecuación: Q ganado = -Q perdido De la tabla 1: Q agua fría + Q calorímetro = -Q agua caliente MH2O Ce (Teq – T1) + C( Teq – T1) = MH2O caliente Ce ( T1 -Teq) 40g*1cal/g°c*(47-24) + C calorímetro*(47-24) = 45g*(71°C-47) C Calorímetro=6.96 cal/°C De la tabla 2: Q agua fría + Q calorímetro = -Q agua caliente MH2O Ce (Teq – T1) + C( Teq – T1) = MH2O caliente Ce ( T1 -Teq) 40g*1cal/g°C*(44-25) + C Calorímetro *(44-25) =38g*(74-44) C Calorímetro = 20 cal/°C De la tabla 3: Q agua fría + Q calorímetro = -Q agua caliente MH2O Ce (Teq – T1) + C( Teq – T1) = MH2O caliente Ce ( T1 -Teq) 40g*1cal/g°C*(44-25) + + C Calorímetro*(44-25) =36.5g*1cal/g°c *(75-44) C Calorímetro = 19.55 cal/°C Hallando la capacidad calorífica con el promedio de las dos últimas soluciones. 19.55 𝑐𝑎𝑙/°𝐶 + 20 𝑐𝑎𝑙/°𝐶 C Calorímetro = 2

C Calorímetro = 19.78 cal/°c

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1. DETERMINACIÓN

DEL

CALOR

DE

NEUTRALIZACIÓN

ACIDO

CLORHÍDRICO-HIDRÓXIDO DE SODIO

Datos para el cálculo

Calor de neutralización ácido clorhídrico – hidróxido de sodio Volumen de solución de HCL( L)

0.041

Concentración de la solución de HCL (M)

1

Volumen de solución de NaOH (L)

0.04

Concentración de la solución de NaOH (M) 1 Temperatura de la solución de HCl (°C)

26

Temperatura de la solución de NaOH (°C)

25

Temperatura del calorímetro (°C)

26

Temperatura de equilibrio (°C)

28

Entalpia de neutralización HCl- NaOH Experimental

Teórica

−5.384



Porcentaje de error

13.3604

59.7%

Considerando ρHCl 1M = ρNaOH 1M = 1 g/mL, entonces: g mHCl 1M = ρV = (1 ) (41ml) = 41 g ml g mNaOH 1M = ρV = (1 ) (40ml) = 40 g ml De lo anterior, masa total de la mezcla es mS = 81g



Como las disoluciones utilizadas tienen una concentración baja se cal

considera que el calor específico de la mezcla es el del agua cs = 1 (g.°C).

10



El calor necesario para elevar la temperatura inicial de la solución (ácido más base) hasta la temperatura final del proceso será: Tacido + Tbase Q S = mS cs [Tf − ( )] 2 cal 26 + 25 Q S = (81g) (1 ) [28 − ( )] (°C) g. °C 2 Q S = 202.5 cal



Ahora bien, el calor tomado por el sistema viene expresado por la ecuación Q 2 = K(Tf − To ) Considerando K =

K1 +K2 2

=

6.7+7.9 2

= 7.3 cal/°C

Entonces: Q 2 = (7.3 

cal ) (28 − 25.5)(°C) = 18.25 cal °C

Por lo tanto, la suma de Q S y Q 2 nos dará el valor del calor desprendido en la reacción de neutralización (Q n ) Q n = Q S + Q 2 = 202.5 cal + 18.25 cal = 220.75 cal



Solución se tiño de azul claro cuando se añadió una gota del indicador azul de bromotimol. Según el viraje del indicador la solución tiene carácter básico, los mismo ocurrió con el indicador de fenolftaleína que su viraje nos indicó rojo grosella; es decir presenta carácter básico. Entonces las moles que se neutralizaron fueron las del ácido nacido = (V)(Molaridad) = (0.041 L) (1



moles ) = 0.041 moles L

Por último, de la reacción de neutralización: HCl(ac) + NaOH(ac) → NaCl(ac) + H2 O(l) El valor de la variación de entalpia de neutralización será: ∆H =

Qn 220.75 cal = = 5.384kcal/mol moles que se neutralizaron 0.041 moles

Por tanto: HCl(ac) + NaOH(ac) → NaCl(ac) + H2 O(l)

∆H = −5.384

kcal mol

Como se sabe el calor de reacción en la neutralización de HCl y NaOH de manera teórica será: 11

H°’= H°f H2O + H°f NaCl) – (H°fHCl + H°fNaOH)

H°’= (-68.3174+ (- -97.302)) - (-112.236 + (-40.023)) H°’ = -13.3604 kcal/°C mol

Error = (-13.3604 –(−5.384))/ -13.3604 = 59.7%

2. DETERMINACIÓN

DEL

CALOR

DE

NEUTRALIZACIÓN

ACÉTICO-HIDRÓXIDO DE SODIO

Calor de neutralización ácido acético – hidróxido de sodio Volumen de solución de HCL( L)

0.04

Concentración de la solución de HCL (M)

1

Volumen de solución de NaOH (L)

0.04

Concentración de la solución de NaOH (M) 1 Temperatura de la solución de HCl (°C)

24

Temperatura de la solución de NaOH (°C)

25

Temperatura del calorímetro (°C)

24

Temperatura de equilibrio (°C)

30

Entalpia de neutralización HCl- NaOH Experimental

Porcentaje de error

Teórica

−12.003kcal/mol

Datos para el cálculo 

Considerando ρCH3 COOH 1M = ρNaOH 1M = 1 g/mL, entonces: mCH3 COOH 1M = ρV = (1

12

g ) (40ml) = 40 g ml

ACIDO

mNaOH 1M = ρV = (1

g ) (40ml) = 40 g ml

De lo anterior, masa total de la mezcla es mS = 80 g 

Temperatura inicial del calorímetro (To ) es 24°C



Tanto la temperatura de la solución acida (CH3 COOH 1M ) y de la solución básica (NaOH 1M) son iguales a Tacido = 24 yTbase = 25°C.



La temperatura de equilibrio del sistema (Tf ) es 30°C.



Como las disoluciones utilizadas tienen una concentración baja se cal ). g.°C

considera que el calor específico de la mezcla es el del agua cs = 1 ( Cálculo 

El calor necesario para elevar la temperatura inicial de la solución (ácido más base) hasta la temperatura final del proceso será: Tacido + Tbase Q S = mS cs [Tf − ( )] 2 cal 24 + 25 Q S = (80g) (1 ) [30 − ( )] (°C) g. °C 2 Q S = 440cal



Ahora bien, el calor tomado por el sistema viene expresado por la ecuación Q 2 = K(Tf − To ) Considerando K =

K1 +K2 2

=

6.7+7.9 2

= 7.3 cal/°C

Entonces: Q 2 = (7.3 

cal ) (30 − 24.5)(°C) = 40.15cal °C

Por lo tanto, la suma de Q S y Q 2 nos dará el valor del calor desprendido en la reacción de neutralización (Q n ) Q n = Q S + Q 2 = 440cal + 40.15 cal = 480.15 cal



Solución se tiño de azul claro cuando se añadió una gota del indicador azul de bromotimol. Según el viraje del indicador la solución tiene carácter básico. Entonces las moles que se neutralizaron fueron las del ácido. nacido = (V)(Molaridad) = (0.04 L) (1



moles ) = 0.04 moles L

Por último, de la reacción de neutralización: CH3 COOH(ac) + NaOH(ac) → CH3 COONa(ac) + H2 O(l)

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El valor de la variación de entalpia de neutralización será: ∆H =

Qn 480.15 cal = = 12.003 kcal/mol moles que se neutralizaron 0.04 moles

Por tanto: CH3 COOH(ac) + NaOH(ac) → CH3 COONa(ac) + H2 O(l)

∆H

= −12.003kcal/mol

OBSERVACIONES 

Al momento de calentar el agua no se debe utilizar los guantes, ya que como es plástico, se puede prender.



Tener cuidado con el ácido Clorhídrico ya que es toxico



Al medir la temperatura con el termómetro se debe medir a la mitad del líquido

DISCUSIÓN En esta experiencia se tenía por objetivo relacionar aspectos termodinámicos en la neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte. En la experiencia anterior se había determinado el calor específico del calorímetro dejar con soluciones de agua a temperatura ambiente, que se emplearía para determinar el calor de neutralización de la reacción de soluciones de ácido y base, este valor fue de 467.5, por lo que se asumió que el sistema era adiabático. En la primera etapa de este nuevo ensayo se prepararon las soluciones diluidas de NaOH (base fuerte) y de HCl (ácido fuerte), para mezclar en el calorímetro. Para determinar el calor producido en la mezcla de estas soluciones acuosas se realizaron dos pruebas, empleando 40ml de NaOH y 41ml de HCl. En la primera prueba hubo un cambio de temperatura de 2.5ºC, este efecto térmico observado es la suma de las entalpias de ionización y neutralización a presión constante; a partir de este cambio se obtuvo para el calor de neutralización un valor de 11688, teniendo un porcentaje de error de 59.7% respecto al valor teórico de 13,36kcal.

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Cuando ocurre un cambio químico, existe un intercambio definido de calor, de acuerdo a la segunda ley de la termodinámica el valor encontrado para este calor de reacción es independiente del camino seguido para realizarla. Las reacciones que ocurren durante un proceso pueden ser endotérmicas, si absorben calor, o exotérmicas, si desprenden calor. Los cambios endotérmicos se expresan con signo positivo, y los cambios exotérmicos con signo negativo. Teniendo en cuenta que cuando una solución diluida de ácido fuerte se neutraliza con una solución diluida de base fuerte, el calor de neutralización que se produce por mol de agua es constante e independiente de la naturaleza de la sustancia como de su concentración. Por lo que el calor de neutralización depende de la temperatura. También una inadecuada agitación de la mezcla pudo influir al no mantener la homogeneidad en la mezcla.

CONCLUSIONES La reacción de neutralización de un ácido con una base es una reacción exotérmica. El calor de neutralización es igual a la entalpía de neutralización

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Solución de neutralización de HCl y NaOH se tiño de azul claro cuando se añadió una gota del indicador azul de bromotimol. Según el viraje del indicador la solución tiene carácter básico, los mismo ocurrió con el indicador de fenolftaleína que su viraje nos indicó rojo grosella; es decir presenta carácter básico. El cambio de temperatura después de la reacción permanece constante o sea en equilibrio. La transición de la temperatura de un cuerpo indica la pérdida o ganancia de calor de dicho cuerpo. El calor de neutralización de un sistema ácido-base obedece a la naturaleza del ácido y de la base, como también de la temperatura y de la concentración. En la determinación de la cantidad de calor que se produce en reacciones de neutralización de ácidos fuertes y bases fuertes, este debe ser constante, -13.3604 kcal/°C mol y en todas las reacciones es un proceso exotérmico, ya que tanto los ácidos como las bases fuertes están completamente disociados en sus respectivos iones cuando se están en solución acuosa suficientemente diluida. Para esta experiencia los valores de calor de neutralización no se aproximaron a valor teórico, siendo este de −5.384

kcal , mol

teniendo un porcentaje de error de 59.7%

CUESTIONARIO 1. En la reacción de neutralización de una solución diluida de ácido fuerte con una solución diluida de base fuerte la entalpia es constante ya que tanto los ácidos como las bases

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fuertes están completamente disociados en sus respectivos iones cuando se están en solución acuosa suficientemente diluida.

2. Debido a que cuando se está formando la sal, el calor es absorbido por el agua y el calorímetro.

3. Calorímetro Adiabático No permite el intercambio de energía en forma de calor entre la celda y a los alrededores. Existen 3 métodos que evitan el intercambio de calos entre el sistema y los alrededores: -

La generación rápida de calor El uso de una resistencia térmica El control de la temperatura de los alrededores

Calorímetro Isoperibólico La temperatura de los alrededores permanece cte. Mientras que la temperatura del sistema varía con el tiempo. El intercambio de calor depende de la diferencia de temperaturas de los alrededores y de la celda. Bomba Calorimétrica Está dividida en 2 cámaras: En una de ellas se pone una cantidad conocida y determinada de agua pura. En otra se pone una pequeña cantidad de los reactivos a analizar. Ambas cámaras están separadas por una pared metálica, de modo que los componentes no tienen contacto. Hay también un termómetro, un dispositivo de agitación y dos barras eléctricas de ignición de la muestra. Calorímetro de titulación isotérmica Puede determinarse la constante de equilibrio, la estequiometria y la entalpía de interacciones entre dos moléculas en disolución. Calorímetro de carga seca Consiste en una carga térmica aislada donde se disipa la potencia, una línea de transmisión poco conductora del calor que conecta la entrada con l carga y un termómetro Carga dual: Usa el principio de caga dual, en el cual una absorbe mientras que la segunda actúa como temperatura de referencia. Es necesario que los alrededores tengan un gradiente de temperatura constante.

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ANEXOS

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