EXPERIMENTACION EN QUIMICA FISICA 2º Curso – 1er Cuatrimestre Ingeniería Técnica Industrial - Especialidad en Química Industrial Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. PRACTICA 1. DETERMINACION DE UN CALOR DE NEUTRALIZACION ►OBJETIVO: Determinar el calor de reacción para la neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte HCl (aq) + NaOH (aq) → NaCl (aq)+ H2O (l) ►FUNDAMENTO TEORICO: La reacción de neutralización se producirá 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. qcedido por la reacción = qabsorbido por el sistema (calorímetro + mezcla) ∆Hneutralización = qabsorbido por el sistema (calorímetro + mezcla) ►PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Preparación de disoluciones: — 1.0 L de disolución 2.0 M de NaOH. Al preparar la disolución de NaOH 2.0 M se debe tener presente que el NaOH no es un patrón primario (reacciona con el CO2 de la atmósfera, absorbe agua, ...). Por ello, no es necesario utilizar un matraz aforado, sino que se disuelve una cantidad próxima a la necesaria (preferentemente superior a ésta, ya que pesar la cantidad exacta de NaOH no es otra cosa que una perdida de tiempo) hasta totalizar aproximadamente 1 litro de volumen de disolución. Una vez preparada, la disolución se guarda en una botella que no sea de vidrio, ya que el NaOH puede reaccionar con él. — 100.0 mL de disolución 0.1 M de C6H4COOHCOOK. La disolución de NaOH se debe valorar con un patrón primario ácido (biftalato potásico, C6H4COOHCOOK) para conocer exactamente su concentración. La reacción entre NaOH y C6H4COOHCOOK tiene lugar mol a mol (el uso de los equivalentes hace años que ha sido firmemente desaconsejado y calificado como ambiguo por la IUPAC) de acuerdo con OH— + C6H4COOHCOO— → C6H4(COO—)2 + H2O 1 Experimentación en Química Física – Práctica 1 — 1.0 L de disolución 1.0 M de HCl. Para preparar la disolución de HCl se debe recordar que el ácido concentrado comercial se maneja dentro de la vitrina y tampoco es patrón primario. Para conocer exactamente la concentración de la disolución de HCl se valora con la disolución de NaOH valorada previamente y de concentración ya conocida. Valoración de una disolución: Para valorar una disolución de concentración desconocida, se llena la bureta con la disolución patrón y se añade un volumen conocido de la sustancia que se desea valorar en un Erlenmeyer. Se añaden un par de gotas de fenolftaleína (un indicador que cambiará de color en el intervalo de viraje de la valoración). Se procede a la valoración vaciando lentamente la bureta hasta que se observa un cambio de color en el Erlenmeyer y se anota el volumen de disolución patrón consumida. Se repite la valoración hasta que se obtengan dos valores para los volúmenes de los puntos de equivalencia que difieran en menos de un 5% y se calcula con estos un valor medio. Por ello los volúmenes de las disoluciones de ácido y de base han de medirse con material volumétrico de precisión: buretas, matraces aforados o pipetas. Las escalas de vasos de precipitados, matraces Erlenmeyer y la mayoría de las probetas tienen tan sólo un valor indicativo. Finalizada la valoración y realizados los cálculos pertinentes se obtendrá la concentración desconocida de la disolución valorada. Medida del efecto térmico provocado por la neutralización del ácido añadido: Se coloca en un calorímetro vacío un volumen de disolución de NaOH, VB. El mismo volumen de base se utilizará en las experiencias restantes y debe elegirse de forma que sea suficiente para medir la temperatura de la disolución con el calorímetro cerrado. Se mide la temperatura de esta disolución dentro del calorímetro, T0, una vez estabilizada con una precisión de ±0.1°C. Se mide un volumen de disolución de HCl y se deposita en un vaso de precipitados. Se añade el ácido al calorímetro de manera rápida y se anota la máxima temperatura alcanzada por el contenido del vaso tras la adición del ácido, T1. Se repite toda la operación anterior hasta disponer de unas 6 medidas con distintos volúmenes totales de disolución de ácido, VA, y un mismo volumen de disolución básica. Para escoger los volúmenes de mezcla se debe tener presente que el volumen total del calorímetro oscila entre 200 y 250 mL. ►TRATAMIENTO DE DATOS: Las concentraciones exactas de las disoluciones de ácido ([A]) y base ([B]) se conocen tras las valoraciones realizadas. De acuerdo con el procedimiento de mezcla llevado a cabo, el ácido actúa como reactivo limitante. Por tanto, si se consideran despreciables los intercambios energéticos entre el calorímetro y el exterior, cuando los volúmenes de las disoluciones se mezclan, el calor liberado por la reacción (moles de reactivo limitante × calor molar de neutralización, ∆H neut ) es absorbido por el calorímetro y por la suma de productos, disolvente y base en exceso. El reactivo en exceso y los productos son disoluciones acuosas para las que se puede considerar válido el calor específico del agua. Además, las variaciones de temperatura del medio de reacción son pequeñas por lo que este calor específico puede considerarse constante e 2 Experimentación en Química Física – Práctica 1 igual a CP(H2O) = 1.000 ± 0.003 cal g—1 °C—1. Asimismo, la densidad del medio puede considerarse como ρ = 1.000 g mL—1. De esta forma, la fórmula del balance energético indicada en el fundamento teórico ∆Hneutralización = qabsorbido por el sistema (calorímetro + mezcla) puede reescribirse como ∆H neut ⋅nA + ∆T⋅[CD⋅m + CC] = 0 donde nA es el número de moles de ácido, CD y m son el calor específico y la masa del medio de reacción, respectivamente, y CC es la capacidad calorífica del calorímetro. Desarrollando la expresión se obtiene ∆H neut ·VA·10—3·[A] + CD·∆T·(VA + VB)·ρ + CC·∆T = 0 que puede transformarse en la ecuación de una recta ⎛ 10 −3 [A] ⎞ CC + C D ρVB ⎛ 1 C ρ ⎜ ⎟=− D ⎜⎜ − ⎜ ∆T ⎟ ∆H neut ∆H neut ⎝ VA ⎝ ⎠ ⎞ ⎟⎟ ⎠ Para llevar a cabo este tratamiento de datos propuesto se recomienda ordenar las medidas realizadas en una tabla similar a la siguiente T0 /°C T1 /°C VA /mL VB /mL ∆T /°C x = VA—1 /mL—1 y = 10—3 [A]·∆T —1 /mol mL—1 °C—1 A continuación, se representan gráficamente los valores obtenidos y se obtiene la recta de regresión (y = a + b·x) por ajuste por mínimos cuadrados. A partir de los valores de a y b se debe calcular el valor del calor de neutralización molar, ∆H neut , y la capacidad calorífica del calorímetro, CC. Finalmente, se debe comparar el resultado experimental con el valor obtenido a partir de tablas de datos termodinámicos y calcular su porcentaje de error. 3 Experimentación en Química Física – Práctica 1 ►SIMULADOR DE UN CALORIMETRO: En la página web de la asignatura http://webs.uvigo.es/eqf_web encontrarás un simulador de un calorímetro que debes emplear antes de entrar en el laboratorio. Además encontrarás un conjunto de cuestiones previas que también debes resolver antes de entrar el laboratorio. El profesor de prácticas comprobará si has empleado el simulador y contestado las cuestiones antes de comenzar el trabajo experimental. ►SIMULADOR DE UNA VALORACION ACIDO-BASE: En la página web de la asignatura http://webs.uvigo.es/eqf_web encontrarás un simulador de una valoración ácido-base que reproduce el proceso de laboratorio. Además encontrarás un conjunto de cuestiones previas que también debes resolver antes de entrar el laboratorio. El profesor de prácticas comprobará si has empleado el simulador y contestado las cuestiones antes de comenzar el trabajo experimental. 4