TERMOQUIMICA I. OBJETIVOS.Aplicar los conceptos fundamentales de la termoquímica a las siguientes determinaciones experimentales: Capacidad calorífica de un calorímetro Calor latente de fusión Calor latente de vaporización Calor de neutralización de una reacción ácido – base Calor de solución Capacidad Calorífica (C).- Es la propiedad termodinámica que multiplicada por la variación de temperatura es igual a la cantidad de energía que a tomado o cedido una sustancia como calor cuando se pone en contacto con otro que tiene una temperatura diferente. Así, si la temperatura del cuerpo se eleva de Ti a Tf, al tomar una cantidad de calor Q, la capacidad calorífica “C” del cuerpo viene dada por: Q C T De acuerdo a Ec. (2), la capacidad calorífica de una sustancia, es la cantidad de calor requerida para variar su temperatura en 1ºC. Este concepto es usado en la determinación de la capacidad calorífica de un calorímetro. Calor Específico(C).- Es la capacidad de calor, medido en calorías, que necesita un gramo de una sustancia para variar 1ºC. El producto del calor específico (c) por la masa molar (M), nos dará la Capacidad Calorífica Molar ( C ). CM = C Calor de Reacción(HR).- Se define como la cantidad de calor que se desprende o absorbe durante una reacción química, esto se debe a la diferencia entre las entalpías de los productos y reactantes a presión constante y temperatura definida. Dentro de los calores de reacción se encuentran los calores de formación, combustión, fusión, vaporización, sublimación, disolución, neutralización, etc. Calor de Neutralización (HN).- Es la cantidad de calor desprendido cuando reaccionan un equivalente de un ácido (una mol de iones H+) con un equivalente de una base (una mol de iones OH-) H+(aq) + OH-(aq) H2O(l) + Q(calor) Para ácidos y bases fuertes: H+(aq) + OH-(aq) H2O(l) HN = -13.7 kcal/mol Calor de Solución (Hsol).- Es el calor absorbido o liberado cuando un soluto se disuelve en un solvente. La cantidad de calor neta (efectiva) por mol de soluto depende sobre todo de la concentración de la solución. El calor neto observado de la solución preparada, es el resultado de la energía requerida para romper los enlaces químicos o atracciones intermoleculares (soluto – soluto y solvente - solvente), y la energía liberada por la formación de otros atracciones intermoleculares (soluto - solvente). Por ejemplo, si un sólido iónico (MX) se disuelve en agua, el calor de solución será una manifestación de la energía requerida para romper la red cristalina o energía reticular, es decir, H>0. MX(s) M+(g) + X-(g) Cuando los iones son hidratados se libera energía, lo que se denomina calor de hidratación, donde H>0. M+(s) + X-(g) M+(aq) + X-(aq) Calor Latente de Fusión(LT).- Es la cantidad de calor necesario para fundir un gramo de sustancia sólida a una temperatura del punto de fusión. A la presión de 1 atm (760 torr) el agua puede hallarse o bien en estado líquido o bien cristalizado en forma de hielo. Si al hielo se le agrega energía en forma de calor, dicha energía se consume, en primer lugar, al elevar la temperatura del mismo hasta 0ºC, si es que no estaba inicialmente a esa temperatura. Si la masa de hielo está a 0ºC, la energía calorífica suministrada se sigue consumiendo en realizar trabajo, hasta la licuación del hielo cristalino. Mientras sigan existiendo enlaces cristalinos que romper, el calor seguirá gastándose en ese trabajo de licuación y solamente cuanto todo el hielo ha pasado al estado líquido, la energía calorífica comienza a elevar la temperatura del líquido. El calor latente de fusión del hielo es igual a 80 cal/g, lo que significa que han de gastarse 80 cal de energía para pasar 1 g de hielo a 0ºC a 1g de agua a 0ºC. De esto resulta que el calor necesario para fundir una masa (m) de hielo a 0ºC estará dado por: Q = mLf Calor Latente de Vaporización(LV).- Es el calor necesario que hay que suministrar a 1 g de agua líquida a la temperatura de ebullición par que pase al estado vapor sin variar la temperatura. Mientras dura la ebullición (la temperatura permanece constante) la energía calorífica que se suministra a un líquido cuando hierve, se gasta en realizar trabajo en contra las fuerzas de enlaces existentes entre las moléculas en estado líquido. De este modo, se consigue liberar a las moléculas de las interacciones entre ellas y al aumentar su energía cinética de translación adquiere su grado de libertad pasando a la fase vapor. El calor latente de vaporización LV, del agua es igual a 540 cal/g; lo que significa que deben gastarse 540 cal de energía para que un gramo de agua se vaporice en su punto de ebullición. La capacidad calorífica específica (calor específica) del hielo es aproximadamente 0.5 cal/gºC. La capacidad calorífica específica (calor específico) del vapor de agua es aproximadamente 0.482 cal/gºC. Calorímetro.- Son instrumentos que sirve para la determinación experimental de los intercambios caloríficos. El calorímetro es un sistema aislado, de tal manera que no permite intercambio de calor con el medio ambiente. Capacidad Calorífica del Calorímetro.- Es la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura del calorímetro en 1ºC. PARTE EXPERIMENTAL EXPERIMENTO Nº1 Determinación de la Capacidad Calorífica del Calorímetro (CC) PROCEDIMIENTO A: 1) Ponga al calorímetro la tapa adecuada de tecnopor, con un agujero para el termómetro. Muestre al profesor, el armado del calorímetro para su visto bueno. 2) Ponga exactamente 50 mL de agua destilada fría al calorímetro; anote la temperatura (T1). 3) Caliente agua en un vaso de 250 mL. Mida aproximadamente 55 mL de agua caliente y, antes de verter esta agua caliente al calorímetro anote su temperatura (T2). 4) Tan pronto como el termómetro está frío y seco, colóquelo en el calorímetro y rápidamente agregue el agua caliente a T2. 5) Agite suavemente con el termómetro y anote la temperatura de mezcla (Tm). NOTA: Para conocer el volumen exacto del agua caliente a T2, reste al volumen total de agua del calorímetro, 50 mL. Se considerará la densidad del agua 1.0 g/cm3; y por lo tanto el peso del agua en gramos será igual al volumen en mL. PROCEDIMIENTO B: 1. Ponga a hervir en un vaso de 250 mL, aproximadamente 60 mL de agua hasta ebullición. 2. Mida con la probeta exactamente 50mL de agua caliente y vierta este volumen al calorímetro. 3. Mida exactamente 50 mL de agua fría con la probeta y anote la temperatura (T1) 4. Mida la temperatura (T2) del agua caliente del calorímetro y rápidamente agregue el agua fría, que está a T1. 5. Agite suavemente con el termómetro y anote la temperatura de mezcla (Tm) 6. Proceder de acuerdo a la nota anterior para determinar si hubo o no variación en el volumen de agua caliente. CALCULOS: Se tiene que: Q = n C T donde : n = m M mCT M Luego : Q = Como : C = cM Entonces : Q = m.c. T Aplicando la 1ª Ley de la Termodinámica y haciendo un balance de calor, tenemos: Calor perdido = calor ganado Qp = Qg CALCULOS PARA EL EXPERIMENTO Nº 1 (PROCEDIMIENTO A) DATOS: T1 = 22ºC VAGUA T2 = 70ºC FRIA = 50 ml m (masa del agua fría) = 50gr Tm = 42ºC Volumen = 54 ml FORMULAS: (Exacto del Agua Caliente) i) Calor perdido por el agua caliente(Qp) CH 2O cal 1 g x ºC Wp = m.c (Tm – T2) = Considerando densidad del agua igual a la unidad (D = 1gr/ml) m(gr) = Volumen (ml) m = 54gr (exacto del agua caliente) ii) Wp = (54) (1)(42 – 70) = -1512 cal Calor ganado por el agua fría: (Qg) Wg = m.c. (Tm – T1); m = masa del agua fría C = 1 cal/gr x ºC * Considerando: DH2O = 1gr/ml m (agua fría) = volumen (agua fría) m = 50gr. wp = 50(1)(42 – 22) = 50x(20) = 1000cal iii) Calor ganado por el Calorímetro (Qc): Qc = CC (Tm – T1) ; CC = capacidad calorífica Del calorímetro Qc = CC (42 - 22) - Qp = Qg + Qc (transferencia del calor) = CC(20) - (-1522) = 1000 + Cc (20) Cc = 25.6 (cal/ºC) CUESTIONARIO 1. Presente los experimental cálculos B de para la el procedimiento determinación capacidad calorífica del calorímetro. DATOS: T1 = 20ºC T2 = 70ºC VEXACTO DE AGUA FRIA VAGUA FRIA = mAGUA FRIA = 50 gr = 48 ml FORMULAS: Calor perdido por el agua caliente (Qpc) 50 ml de la Qpc = m.c. (Tm – T2); Como m = masa exacta del agua caliente (D = 1gr/ml) m = 48 gr Qpc = 48(1)(49 - 70) = -21x48 = 1008 cal Calor ganado por el agua fría (QG) QG = m.c. (Tm – T1); m = masa del agua fría C = 1 cal/gr x ºC QG = (50)(1)(49 - 20) = 50 x (29) = 1450 cal Calor perdido por el calorímetro (QC) Qc = Cc (Tm – T2) Cc = capacidad calorífica del calorímetro Qc = Cc (49 - 70) = Cc x (-21) - QPERDIDO = QGANADO - [QPC + Qc] = QG - [-1008 + (-21)x Cc] = 1450 1008 + 21 x Cc = 1450 21 x Cc = 442 2. Cc = 21.05 cal/ºC Llene los cuadros correspondientes 1 y 2 (en este caso el experiencia. CUADRO Nº1: 1), descritos después de cada T1 T2 T3 (Tm) 22ºC 70ºC 42ºC 25.6 cal/ºC Procedimiento A 20ºC 70ºC 49ºC 21.05 cal/ºC Procedimiento A 3. Capacidad Calorífica del Calorímetro Qué relación hay entre los calores de formación y las electromagnetividades de los elementos? A mayor electronegatividad menor es el calor de formación. Electronegatividad es inversamente proporcional al calor de formación 4. Se prepara 2 calorímetros similares, y sólo se determina la capacidad calorífica de uno de ellos ¿Se podría decir que la capacidad calorífica de este calorímetro es igual al otro? ¿Por qué? No, porque, cada calorímetro tiene su propia capacidad calorífica y su propia estructura. Entre dos calorímetros iguales, uno que tiene mayor capacidad calorífica que el otro ¿Cuál es mejor? El mejor calorímetro calorífica. será el de menor capacidad A mayor capacidad calorífica será mayor el calor requerido para cambiar la temperatura del calorímetro. tiene que A introducir agua caliente a un termo se dar una calorímetro y el agua. temperatura media entre el Qgcaliente = -Qpagua A mayor calor que necesite el calorímetro será mayor el calor perdido del agua. Si nosotros queremos que se conserve la temperatura del agua entonces el calor necesario para llegar a una temperatura media dentro del calorímetro debe ser mínima. Un calorímetro ideal será aquel que tenga una capacidad calorimétrica 0. ¿Por qué son plateadas las paredes internas de un termo? El calor se disipa en forma de radiación y las paredes plateadas reflejan estas radiaciones de calor de manera que la sustancia contenida en el calorímetro siempre tenga la misma temperatura ya que el calor que sale de esta se refleja en las paredes y vuelve a calentarlo. Si es correcto porque al ser mal conductor entonces no podría transmitir el calor que está dentro del vaso de precipitado hacia temperatura. helados es fuera que esta a una menor Por ejemplo: La caja donde guardan los una caja de poroflex, este es un mal conductor del calor, y por lo tanto, no permite el paso de calor de una menor temperatura. OBSERVACIONES temperatura más alta a otra de - Al medir la temperatura del calorímetro es necesario sumergir todo el termómetro de manera que este mida la temperatura del agua y no la del vapor. - El cierto margen de error se debe a factores dados en condiciones reales como por ejemplo el tomar la medida de los volúmenes, siempre quedan residuos en las pipetas, y el volumen va disminuyendo sin contar la evaporación. CONCLUSIONES - Los cálculos realizados para hallar la capacidad calorífica del calorímetro nos dan por resultado una cierta diferencia entre ambos; ya que este se realizó en medio no ideales dichas en las observaciones. EXPERIMENTO Nº3 Calor Latente de Fusión (Lf) Antes de iniciar la determinación del calor latente de fusión del hielo, determine la capacidad calorífica del calorímetro, de acuerdo al Experimento Nº1, y use el valor en sus cálculos correspondientes. 1. Asegúrese que el hielo en trozos esté a 0ºC, para ello, ponga sobre un papel el filtro previamente doblado unos trozos de hielo; si estos empapan el papel, es señal temperatura de 0ºC. de fusión, lo que asegura la 2. Coloque en el calorímetro 50 mL de agua tibia (40 a 50ºC). La capacidad de agua debe medirse con mucha precisión en una probeta. NOTA: Desde el principio experimento, es constantemente, hasta necesario puesto el final agitar que la del suave y temperatura debe ser la misma, en todo el calorímetro. Hay que agitar sin mucha violencia para evitar que cantidades indebidas de energía mecánica se convierte en calor. 3. Observe y anote la temperatura del calorímetro (Ti) 4. Añada al calorímetro (aproximadamente de unos 30 a trozos 40 g de de hielo hielo es recomendable) 5. Tape el calorímetro y, si es posible deje dentro del calorímetro el termómetro 6. Mueva suavemente con el termómetro hasta que todo el hielo haya fundido. 7. Lea muy cuidadosamente la temperatura final de equilibrio y anote como Tf. 8. Mida el volumen total contenido en el calorímetro, al deducir de dicho valor los 50 mL de agua iniciales que se pusieron, se obtendrá la masa de hielo fundido. 9. Se recomienda realizar mínimamente dos ensayos de esta experiencia. 10. Determine el calor latente de fusión. CALCULOS PARA EL EXPERIMENTO Nº 3 Calor Latente De Fusion Capacidad calorífica del calorímetro: Cc (cal/ºc) Masa inicial de agua en el calorímetro: mi Masa total de agua en el calorímetro: mf Masa de hielo fundido : mh = mf - mi Temperatura inicial del agua en el calorímetro:Ti (ºC) Temperatura final del sistema: Tf (ºC) Calor de fusión del hielo: Q1 = mh . Lf Calor para pasar de 0ºC a Tf Q2 = mhc(Tf - 0) Como c: 1 cal/gºC, entonces: Q2 = mhTf Calor ganado por el hielo: Qg = Q1 + Q2 Qg = mhLf + mhTf La cantidad de calor perdido por el agua en el conservación de calorímetro y por el calorímetro será: Qp Qp = (m1 + Cc) (Ti - Tf) Considerando el principio de la energía: Qg = Qp mhLf + mhTf = (mi + CC) (Ti + Tf) de donde : Lf (mi C C )(Ti T f ) m h T f mh Calculando el Calor Latente de Fusión Sabemos que la capacidad calorífica = 25.6 De la ecuación: Lf (mi C C )(Ti T f ) m h T f mh Ensayo Nº1 TAGUA CALIENTE = 49ºC = T1 mi = 50g mh = 30g mh = 30g TMEZCLA = 13ºC Lf = Tf (50 25.6)(49 13) 30 x13 30 Lf = 77.72 cal g Ensayo Nº2 m1 = 50g mh = 30g T1 = 41ºC Tf = 8ºC Lf (50 25.6)(41 8) 30 x8 30 Lf = 75.13 Ensayo Nº3 m1 = 50g mh = 30g T1 = 45ºC cal g cal g Tf = 12ºC Lf (50 25.6)(45 12) 30 x12 30 Lf = 71.16 cal g Escogido el más acertado, se obtiene que Lf= 77.72 Error Absoluto Lfexperimental = Lf= 77.72 LfTeórico = 80 cal g cal g EAB = 77.72 x 100 80 EAB = 97.15% Error Relativo ER = 80 77.72 x 100 = 2.85% 80 cal g CUESTIONARIO 1. ¿Cuál es el calor latente de Fusión que obtuvo experimentalmente? cal g Lf= 77.72 2. ¿Por qué el hielo debe estar a la temperatura 0ºC de equilibrio antes de ser añadido al calorímetro? Para que el hielo se pueda fundir se tiene que encontrar a 0ºC así, el calor absorbido será usado totalmente para el cambio de fase. 3. ¿Existe alguna diferencia si el agua se pasa antes o después de calentarla? ¿Por qué? Si existe diferencia porque las moléculas de agua al ser calentada absorben esa energía, pudiendo de esta manera cambiar de estado, es decir evaporarse, entonces disminuiría la masa del agua que había inicialmente. 4. Si el hielo ecuaciones de estuviese balance a –5ºC, térmico escriba necesarias encontrar el calor latente de fusión. Qg = calor ganado por el hielo Tf = Temperatura final del sistema Qg = Q1 + Q2 + Q3 las para Qg = mhLf + mhTf + mh OBSERVACIONES 1. La cantidad de hielo que se debe echar en el calorímetro no debe ser tanta, pues podría ocurrir que todo el calor que observa no sea suficiente para derretir completamente el hielo y calcular no se podría el calor latente de fusión. 2. Para realizar este experimento era necesario que el hielo se encuentren a 0ºC para que el calor absorbido sea utilizado únicamente en el cambio de estado. 3. Era necesario agitar suave y constantemente, pues la temperatura debe ser la misma, calorímetro. Si agitamos cantidades indebidas convierten en de calor con energía lo que en todo el violencia mecánica se aumentaría la temperatura del sistema. CONCLUSIONES - El calor latente de fusión obtenido en el experimento es muy próximo al calor latente real, este pequeño margen de error es debido a que el corcho que tapaba la boca del calorímetro no cubría totalmente, dejando ingresar pequeñísimas masas de aire, lo cual interfería en el de temperatura. cambio EXPERIMENTO Nº 4 Calor Latente de Vaporización (LV) 1. Añada al calorímetro exactamente 50 mL de agua 2. Deje que transcurra unos segundos para estabilizar la temperatura y anote su valor como Ti. 3. Añada agua tibia hasta la mitad del balón de destilación, añadiendo unos trocitos de porcelana porosa para evitar una ebullición tumultuosa. 4. Solamente, cuando por “s” observe un visible y continuo desprendimiento de vapor, se termina el montaje del equipo, introduciendo el tubo de desprendimiento en el calorímetro. 5. A la vez que se agita suavemente (con el mismo termómetro) el agua en el calorímetro, se lee la temperatura y cuando haya subido unos 20 ó 25ºC con referencia a desprendimiento Ti, de se vapor retira y el se tubo anota de la temperatura como Tf. 6. En ese momento se debe apagar el mechero, para evitar sorpresivos y enojosos succionamientos por falta de presión. El matraz se enfriará por sí sólo. 7. Mida cuidadosamente contiene el el calorímetro, volumen de deduciendo agua que de este volumen los 50 mL qie se agregaron al inicio, se obtendrá la masa de vapor. 8. Determine el calor latente de vaporización. CALCULOS PARA EL EXPERIMENTO Nº 4 Calor Latente De Vaporización (LV) Capacidad calorífica del calorímetro = Cc (Cal/ºC) Masa inicial de agua en el calorímetro = mi Masa total de agua en el calorímetro = mf Masa de vapor condensado = mV = mf – mi Temperatura inicial del agua en el calorímetro:Ti (ºC) Temperatura final del sistema: Tf(ºC) Temperatura de ebullición del agua: Te(ºC) De acuerdo al principio de la conservación de la energía (1ª Ley de la Termodinámica): “Calor cedido por el sistema caliente es igual al calor ganado por el sistema frío” Qp = Qg Qg = (mi + Cc) (Tf - Ti) Qp = mV (Tf - Te) + mVLV LV CC = 22.6 mi = 50g mf = 54g mV = 24g (mi C c )(T f Ti ) mV (T f Te ) mV Ti = 23ºC Tf = 42ºC Te = 100ºC LV (50 25.6)(19) 4(58) 417.1 4 Error relativo = 122.9 OBSERVACIONES 1. Se observa que tumultuosa se recipiente con par puso evitar vidrio agua, el en cual una el ebullición interior amortiguaría del el desprendimiento de burbujas. 2. En el momento de la ebullición el techo en forma de L condujo el vapor, y colocamos el calorímetro con agua para 3. calcular el volumen de vapor. Observamos que en el primer intento medimos mas la temperatura, debido a que el termómetro no llegaba al agua dentro del calorímetro sino sólo se consideraba la temperatura del vapor. 4. El vidrio que echamos no amortiguo del todo ya que por otro ducto se salía el agua en el momento que pusimos la boca del tubo en el corcho que tapaba el calorímetro