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“Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la E

Universidad Privada de Tacn

3: Determinación de la constante del calo

FACULTAD: Facultad de Ingeniería ESCUELA: Escuela de Ingeniería Ambiental CURSO: Fisicoquímica TEMA: Determinación de la constante del calorímetro y el calor de ALUMNO: Rosalía Palomino Quispe DOCENTE: Alberto Condori Gamarra Tacna-Perú 2015

Fisicoquímica

CONTENIDO Resumen......................................................................................... 3 Introduccion..................................................................................... 4 Objetivos.......................................................................................... 5 Fundamento teórico……………………………………………………………………………… …………………6

Materiales…………………………………………………………………………… ………………………….......10

Procedimiento Experimental……………………………………………………………………… ….........12

Cálculos, Tabulaciones, discusión de resultados…………………….. ……………….…………….16

Conclusiones y recomendaciones…….. …………………………………………………..……………..24

Cuestionario………………………………………………………………………… ……..…………………………26

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Fisicoquímica

I.

Resumen En el informe se presente, se muestra que la práctica de laboratorio se estudió la determinación de la constante del calorímetro y el calor de neutralización, calculando también calor específico de una sustancia desconocida. Aunque las sustancias desconocidas serian NaOH y H3PO4. Comenzando en la determinación de la constante del calorímetro, para realizar la determinación se coloca dentro del calorímetro una masa conocida de agua (m1) y se determina su temperatura inicial (T1). Se agrega otra masa conocida de agua (m2) a una temperatura conocida (T2). Se determina la temperatura final del sistema (Tf) y se calcula la constante del calorímetro a partir de la siguiente relación (que se obtiene considerando que el calorímetro es un recipiente adiabático) Se utiliza esta fórmula: -m2 Cp2 (Tm – T2) = m1 Cp1 (Tm – T1) + K(Tm – T1) Luego la determinación del calor de neutralización se debe medir el aumento de temperatura en una reacción de neutralización entre una solución diluida de un ácido fuerte y una solución diluida de una base fuerte. A partir del cálculo del número de moles a utilizar, del aumento de temperatura observado y el uso de del calorímetro dewar.

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Fisicoquímica

II.

Introducción

Cuando un ácido reacción con una base, se libera una considerable cantidad de calor. La reacción química entre soluciones acuosas diluidas entre un ácido fuerte y una base fuerte se conoce como reacción de neutralización. La medida del calor de neutralización, se hace a partir de los valores de entalpia de formación de H2O a partir de iones H3O y OH. Por lo que el calor de neutralización se entiende como el calor generado cuando un ácido reacciona con una base para producir agua. 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. Las reacciones de neutralización como: HNO3 + KOH → KNO3 + H2O HCl + NaOH →NaCl +H2O Y otras reacciones de solución acuosa entre ácidos fuertes y bases fuertes son exotérmicas. Esto se debe a que la solución acuosa es suficientemente diluida como para que la disolución adicional no produzca efectos térmicos; ya que los ácidos y bases en solución acuosa están disociados, por lo que el calor de neutralización en todos los casos es: H+ (ac) + OH⁻ (ac) = H2O (l) ΔH 298 k= 13.700 Kcal/mol.

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Fisicoquímica

III.

Objetivos  Determinar la constante del calorímetro.  Determinar el calor de neutralización.  Determinar la variación de entalpia de la neutralización del ácido fosfórico con hidróxido de sodio.

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Fisicoquímica

IV. Fundamento Teórico N°01 Calorimetría El principio de conservación de la energía afirma que: I.

“Siempre que hay un intercambio de energía calorífica entre varios cuerpos, la cantidad de calor perdida por unos cuerpos es igual a la cantidad de calor ganada por los otros”. Este es el principio fundamental de la calorimetría y puede resumirse en la siguiente expresión:

-calor perdido = calor ganado

El principio anterior, se complementa con las siguientes proposiciones: II. III.

La cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es proporcional a la variación de temperatura. La cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es proporcional a su masa.

Q = m Cp T IV.

Cuando varios cuerpos a temperaturas diferentes se ponen en contacto, la energía calorífica se desplaza de los cuerpos cuya temperatura es más alta a aquellos cuya temperatura es mas baja. El equilibrio térmico se establece cuando todos los cuerpos tienen la misma temperatura.

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Fisicoquímica N°02 La unidad de energía es el joule. El joule se define como la unidad de energía del sistema internacional de unidades (SI); esta unidad es la aceptada por la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada). Otra unidad de calor o de la energía que se utiliza es la caloría, y se define como “la cantidad de calor que debe transferir a un gramo de agua para elevar un grado centígrado su temperatura”.

Una caloría equivale a 4.184 joules N°03 Capacidad calorífica específica (c), o más comúnmente denominada calor especifico. Se define como “la energía que debe transferirse a un gramo de sustancia para que se eleve un grado centígrado su temperatura”.

Unidades: cal/g °C, J/g °C Capacidad calorífica molar (c). Se define como “la energía que debe transferirse a un mol de sustancia para que se eleve un grado centígrado su temperatura”.

Unidades: cal/mol °C, J/mol °C

N°04 En cualquier intercambio calorífico, que se realiza dentro de un calorímetro, este absorbe parte del calor transferido: asi, por ejemplo el termo se calienta por el calorímetro se denomina “constante de calorímetro” y se representa por “K” (k = mCp del calorímetro). Esta constante se puede determinar, experimentalmente, por el procedimiento llamado calibración del calorímetro. Una vez conocido su

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Fisicoquímica valor, este calorímetro puede utilizarse para otros experimentos cuantitativos sobre transferencia de calor. La determinación de la magnitud de la constante de la magnitud de la constante se lleva a cabo de la siguiente forma,

-Q cedido = Q ganado Sustituyendo:

-m agua caliente CpT1 = m agua fría CpT2 + k cal  T2 (1) Dónde: T1= T mezcla - Ti del agua caliente T2= T mezcla – Ti del agua fría K cal = constante del calorímetro Despejando k de la ecuación (1):

Kcal=

−m calienteCp T 1−m friaCp T 2 T2

Como T1 agua caliente es mayor que T mezcla T1 es negativo, por lo que el termino mCpT1 será positivo. Calor de neutralización.- es la cantidad de calor desprendido cuando un mol gramo de un ácido se neutraliza con una cantidad equivalente de base. Debido a que las soluciones diluidas los ácidos y las bases fuertes están completamente ionizadas, al neutralizarse la única reacción que ocurre es la formación de calor desprendido al formarse un mol de agua a partir de los iones H+ y OH- ES – un valor constante e igual a 13,36 kcal.

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Fisicoquímica NaOH(aq) + HCl(aq)  NaCl(aq) + H2O(liq)

De las tablas: H = -13,36 kcal

El calor de neutralización se determina con la siguiente ecuación:

-Q = mCpT + AT = Tf - Ti KT Q = calor de neutralización (cal) m = masa de agua obtenida de la reacción de neutralización Cp = capacidad calorífica del agua Tf = Temperatura final (temperatura de reacción) Ti = Temperatura inicial K = Constante del calorímetro

Q H ¿ n

H = Entalpia molar de neutralización Q = Calor de neutralización n = número de moles de ácido o la base

V. Materiales Cuando dos sistemas que posean diferente se ponen en contacto, forma temperaturas de calor se hasta igualen, que sus denominamos equilibrio térmico. se energía le está lo suministrando que provoca que las muevan velocidad. aen una La presión mayor en un un gas contra las de paredes sus moléculas de su recipiente. calienta suministra un energía gas se le que hace sus una aumentando mayor velocidad el número de colisiones tanto gas se para mantenga que la presión constante del debe expandir. Esto ve reflejado ya el experimento temperatura del gas la gota de presión Hg sube que debido le ase la mismo. que la presión del gas (que aumenta con proporcionalmente la presión atmosférica. gota de la Pgas=Patm, la momento se lee el volumen del gas, de esta forma nos mantenga siempre que constante midamo Frasco termo

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Fisicoquímica

Termómetros de 0 a 100 °C

Probetas de 50, 100 y 200 ml

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Fisicoquímica

Vasos de pp de 100, 250 ml

Soluciones de H3PO4 0,8 N, NaOH 0,2 N

VI.

Procedimiento Experimental

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Fisicoquímica a) Determinación de la constante del calorímetro -Medir el volumen total del calorímetro, de este volumen utilizar el 80%; el 20% queda libre para que puedan mezclarse el agua fría y el agua caliente. -Suponemos que el 80% equivale a 210 ml, entonces: medir 160 ml de agua fría y vaciar al termo (frasco dewar) tomar la temperatura. -Calentar agua hasta una temperatura próxima a la de su ebullición, o puede ser a menor temperatura. Medir 50 ml de agua caliente y tomar su temperatura, luego travasar al termo. -Agitar bien la mezcla hasta alcanzar una temperatura constante, medir su temperatura. Balance térmico:

-Q perdido = Q ganado -m2 Cp2 (Tm – T2) = m1 Cp1 (Tm – T1) + K(Tm – T1) Donde: K = constante del calorímetro (2) = agua caliente (1) = agua fría Tm = Temp. De la mezcla (°C) T2 = Temp. Del agua caliente (°C) T1 = Temp. Del agua fría (°C) b) Determinación del calor de Neutralización -Preparar una solución de H3PO4 0,8 N y de NaOH 0,2 N, luego valorar las soluciones.

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Fisicoquímica -Realizar el cálculo sabiendo que el volumen total es de 210 ml. VaNa = VbNb Na Vb = Nb Va

0.8 N Vb = 0.2 N Va

Vb =4 Va

Vb=4 Va

1 1 Va= V = ( 210 )=42 5 5

Vb=4 ( 42 ) =168 ml

Dónde: Va= Volumen de acido Vb= Volumen base Na= Normalidad Acido Nb= Normalidad Base V= 210 ml

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Fisicoquímica -Colocar en el termo 168 ml de NaOH y en un vaso 42 ml de H 3PO4, enseguida mida la temperatura de cada una de ellas ; ambas soluciones deben estar a la misma temperatura.

-Registre las temperaturas anteriores. Vierta la solución de H 3PO4 al termo y agite constantemente, haciendo lectura de la temperatura cada 10 segundos. Lea la próxima temperatura que alcanza el sistema y regístrela.

3NaOH + H3PO4  3H2O + Na3PO4 +Q

H=

mCp ( Tf −Ti )+ K (Tf −Ti) n

H = Entalpia molar de neutralización m = masa de agua obtenida de la reacción + masa de agua en la solución Cp = capacidad calorífica del agua Tf = Temp. Máxima de la reacción Ti = Temp. Inicial del ácido o la base n = número de moles del ácido

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Fisicoquímica

VII.

Cálculos, Tabulación resultados

de

datos,

Discusión

de

Cálculos, tabulación de datos y resultados:

Primeramente tenemos que hacer unos cálculos para la preparación de una solución, luego continuaremos con la constante del calorímetro. H3PO4 = 3+31,0+64= 98 m frio

m caliente

H3= 1x3=3 P= 31,0 x 1=31,0 O4= 16 x 4= 64

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Fisicoquímica Tf= 20°C

T= 90°C

T equilibrio 45°C Preparación de la solución H3PO4

25% Peso

32,6 ml

d=1g/ml

98/3=32,6

ml H3PO4=? 250 ml 1N

32,6 g ___ 1000 ml ___ 1N X ___ 250 ml ___ 1N

x=

8,15 g ___ 25% X ___ 100% X= 32,6 g

32,6 g x 250 ml x 1 N 1000 ml x 1 N

X= 8,15 g

d=

m v

v=

m d

v=

32,6 g 1 g/ml

v =32,6 ml

Se agrega 32,6 ml de ácido doméstico (ácido fosfórico) hasta aforar. I

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Fisicoquímica

Se agrega 100 ml de agua al ácido fosfórico.

Forrar un matraz con aluminio.

a) Determinación de la constante del calorímetro (k)

Medir 160 ml de agua fría, luego agregarlo al matraz forrado.

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La temperatura obtenida es de 24°C.

Calentar 70 ml de agua. Luego medir la temperatura con el termómetro, el resultado es 65°C

El agua caliente trasvasar al calorímetro con el agua fría. Su temperatura será de 34°C -m2 Cp2 (Tm – T2) = m1 Cp1 (Tm – T1) + K(Tm – T1) Tm=34°C T2=65°C T1=24 m2=60g m1= 160 g

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Fisicoquímica Cp2=Cp1= 1cal/g °C m= -Q perdida m=60 220-160= 60

-m2 Cp2 (Tm – T2) = m1 Cp1 (Tm – T1) + K(Tm – T1) -60 (1) (34 – 65) = 160 (1) (34 – 24) + K (34 – 24) -60 (-31) = 1600 + k (34-24) 1860 = 1600 + k (10) 1860 – 1600 = k (10) =k b) Determine el calor de 260/10 neutralización

3NaOH + H3PO4  3H2O + Na3PO4 +Q

T

Transparente

Amarillo

25°C

24°C 100 ml NaOH

100 ml H3PO4

Agregar al calorímetro y medir la temperatura. NaOH= 25°c H3PO4= 24°C

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Combinación de las 2 sustancias, Temperatura: Ti= 30°C Se agita= temperatura= 20°C

H=

mCp ( Tf −Ti )+ K (Tf −Ti) n

Ti= temperatura inicial = 24°C reactivo limitante

n=# de moles del

Tf= temperatura final = 30 °C M= masa = 200 g

H= H=

mCp ( Tf −Ti )+ K (Tf −Ti) n

200 g (1)(30−24)+ k (30−24 ) 1cal /g ° C(6)+ k (6)

200 g(1)(30−24)+26 cal/° C(30−24) 3,326 X 10−3

H= -407696 cal/mol -407,696 Kcal/mol

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3NaOH + H3PO4  3H2O + Na3PO4 +Q 3NaOH= 3(40) = 120 P eq = 40/1 = 40 H3PO4  P eq = PM/3 = 98/3 = 32,6

gNaOH= 0,1eq/L x 0,1 x 40 g/eq = 0,4 g NaOH 3 H3PO4 = 0,1 eq/L x 0,1 L x 32 g/eq = 0,326 g H3PO4 R= 0,4/ 120 = 3,2 x 10 -3 R= 0,326 / 98 = 3,326 x 10 -3

1 mol H3PO4 ____ 98 g x ____ 0,326 g x=

0,326 =3,326 x 10−3 moles H 3 PO 4 98

Discusión de resultados:

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Fisicoquímica  La reacción de neutralización se produce en un calorímetro, de forma que, si suponemos despreciables los intercambios energéticos entre el calorímetro y el exterior, las variaciones de temperatura que se producen dentro del calorímetro se deben al calor intercambiado por la reacción de neutralización.  El valor obtenido experimentalmente resulta ser positivo, sin embargo se le asigna el signo negativo ya que la reacción de neutralización implica la liberación de calor que sepuede comprobar al registrar la temperatura de neutralización en el calorímetro, que esmayor a la temperatura de cada una de las sustancias en reposo.

 Se logra determinar experimentalmente el calor de neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte, mediante la reacción: 3NaOH + H3PO4  3H2O + Na3PO4 +Q Obteniendo un valor de -407,696 kcal/mol.  El calor de neutralización obtenido nos indica que se libera 407,696 kcalorías por cadamol de ácido (H3PO4) que se neutraliza con una mol de base (NaOH)

VIII.

Conclusiones y recomendaciones CONCLUSIONES

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Fisicoquímica  Relacionar los aspectos termodinámicos de un ácido fuerte con una base fuerte, mediante la mezcla de una solución diluida de ácido fuerte con una solución diluida de base fuerte se comprobó que la variaciones en los procesos de neutralización el calor producido para formar un mol de agua.  No dependen de la naturaleza de la sustancia ni la concentración, en este caso dependía de la temperatura liberada, influenciada por perdida de calor en el calorímetro durante el proceso de mezcla del ácido con la base.  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 y en todas las reacciones es un proceso exotérmico  Los ácidos como las bases fuertes están completamente disociados en sus respectivos iones cuando se están en solución acuosa suficientemente diluida

RECOMENDACIONES 1.- Es necesario utilizar una bata de laboratorio; la misma protege tu ropa y tu piel del contacto con reactivos. 2.- Un par de guantes para cuando sea necesario tocar algún instrumento que se haya expuesto a una llama. 3.- Tomar todas las precauciones necesarias al momento de tocar una sustancia en el laboratorio. 4.- No inhalar directamente los vapores que se desprenden de una sustancia

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Fisicoquímica química. Cuando es necesario hacerlo se procede de la siguiente manera: se sujeta el recipiente con una mano y con la otra se produce un movimiento sobre los vapores, de manera que los acerquemos hacia nosotros. De esa forma no nos llegan de manera directa. 5.- Nunca llevarse las manos a la cara, los ojos, la boca, etc. mientras se está trabajando en el laboratorio; con esto se evitan posibles daños si en las manos han quedado restos de algunas sustancias. 6.- No mezclar sustancias desconocidas, ya que muchas veces, sustancias inofensivas producen reacciones violentas. 7.- No usar el gotero de una sustancia en otra distinta, ya que las mismas pueden dañarse y perder la efectividad. 8.- Los equipos de laboratorio son costosos y de uso delicado. Es necesario que aprendamos a usarlos adecuadamente, siguiendo paso a paso las instrucciones dadas por tu maestro. Al terminar cualquier experimento todos los instrumentos deben quedar limpios y en el lugar destinados para ellos. 9.- Al desarrollar cualquier experimento de laboratorio es necesario que estés atento y en silencio para que puedas desarrollar tu trabajo como todo un científico. Las instrucciones del maestro y las orientaciones que aparecen en el manual con fundamentales para alcanzar en éxito en tu trabajo. 11.- Nunca probar ninguna sustancia, si no es con el consentimiento del profesor. 12.- Para diluir ácidos, colocar primero el agua y luego agregar el ácido con cuidado. 13.- Utilizar cuidadosamente el material de vidrio para evitar heridas por corte 14.- Leer con atención los rótulos o etiquetas de los frascos antes de usar su contenido. 15.- No calentar sustancias inflamables con llama directa, hacerlo a Baño de María. 16.- Utilizar siempre la cantidad mínima de sustancia. 17.- Consultar al maestro en caso de dudas. 18.- Cuando se utiliza líquidos inflamables, no debes hacer fuego cerca.

IX.

Cuestionario 1. En una experiencia en el laboratorio se quiere determinar la entalpia molar de combustión del NO(g) cuando reacciona con el oxígeno del aire según la reacción: NO(g) + ½ O2 (g) NO2 (g)

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Fisicoquímica La operación la llevaron a cabo en un calorímetro que trabaja a volumen constante, conocido como bomba calorimétrica. La bomba contiene 575 g de agua y calor especifico del agua es 4,184 J/g°C. No reportan su capacidad calorífica del calorímetro (K). Para determinarla, se quema una muestra de 0,692 g de glucosa. La temperatura del agua aumenta de 21,70°C hasta 25,22°C; en estas condiciones el calor liberado por la combustión de la glucosa es de 15,57 KJ/g. Calcular la constante del calorímetro (K). ( q liberado + q absorbido = 0 )

2. Conocida la capacidad calorífica de la bomba, colocan en ella un volumen de NO (g) (30 g/mol) equivalente 1,25 g y lo queman, encontrando que la variación de la temperatura es de 0,76 °C. Para la reacción propuesta del problema anterior el valor calculado de la variación de la energía interna; U en KJ/mol fue de:

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3. Para la reacción del problema 1, el valor calculado de la variación de la entalpia, H en KJ/mol fue de: (U=H-Nrt; R= 8,314 J/mol K)

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