CÁLCULO DEL CALOR DE REACCIÓN: CALORIMETRÍA El estudio de la Calorimetría, comprende la medición de los cambios de calor, producido en los procesos pr ocesos físicos y químicos. El equipo que se emplea en un laboratorio para realizar estas mediciones se llama calorímetro. Recuerden que una manera de medir el calor es la temperatura. El calor de una reacción se mide en un calorímetro , recipiente adiabático en donde se determina el calor absorbido o desprendido durante la reacción. Teniendo en cuenta que un calorímetro es un recipiente adiabático (sistema aislado, que no permite la entrada ni salida de calor), en donde el q=0, podremos concluir: concluir: -q liberado = q absorbido. Lo que es lo mismo que pensar que: q liberado + q absorbido =0 Hay dos clases de calorímetros, cada uno de ellos emplea un proceso diferente y han sido diseñados para situaciones diferentes también. Calorímetro a presión constante: mide el calor a presión constante, por lo tanto determina directamente la variación de la Entalpía: q p=∆H.Calorímetro a volumen constante, llamado también bomba calorimétrica: mide el calor a volumen constante, por lo tanto determina directamente la la variación de la energía interna : qV=∆U.
Calorimetría a Presión Constante Los calorímetros a presión constante son dispositivos mucho más sencillos que las bombas calorímetricas. De manera muy sencilla un calorímetro a presión constante se puede construir con dos vasos descartables, o con un termo, como lo muestra la diagrama siguiente. Lo importante es que el dispositivo empleado sea adiabático.
Se utiliza para medir el calor de reacción cuando los reactantes y productos no se encuentran en estado gaseoso.
Estos dispositivos permiten medir el calor de reacción de una gran cantidad de reacciones, entre ellas: neutralizaciones ácido-base calor de disolución calor de dilución
CAPACIDAD CAPACIDAD CALORÍ CALORÍ FI CA DE UN CALORÍ CALORÍ METR O Al mezclar dos cantidades de líquidos a distinta temperatura se genera una transferencia de energía en forma de calor desde el más caliente al más frío. Dicho tránsito de energía se mantiene hasta que se igualan las temperaturas, cuando se dice que ha alcanzado el equilibrio térmico. La cantidad de calor Q que se transfiere desde el líquido caliente, o la que absorbe el frío, responde a la expresión
donde m es la masa del líquido, Ce su calor específico y ∆T la variación de temperatura que experimentan. Las transferencias de calor se miden en un calorímetro a través de variaciones de temperatura. Previo a toda experiencia es necesario calibrarlo, esto es, determinar su capacidad calorífica. Para realizar el calibrado, se mezclan cierta cantidad de agua fría con agua caliente y se mide la temperatura de equilibrio. Durante este proceso una parte de la energía cedida por el agua caliente es absorbida por el vaso Dewar del calorímetro que eleva su temperatura desde T2 a Te. En consecuencia, como en el calorímetro no se producen pérdidas de energía hacia el exterior, la variación del conjunto formado por el calorímetro y las cantidades de agua será nula, por lo que se puede escribir:
Calor perdido por el agua caliente = Calor ganado por el agua fría + Calor ced ido al calorímetro. O lo que es lo mismo: m(H2O fría) Ce(H2O)(Te -Ti ) + CK(Te -Ti) + m(H2O caliente)Ce(H2O)(Te -Tc) = 0 Donde: Ce(H2O) es el calor específico del agua, m(H2O fría) es la masa del agua fría, m(H2O caliente) es la masa del agua caliente, Ti es la temperatura inicial del agua fría, Tc es la temperatura del agua caliente, Te es la temperatura de equilibrio y C K es la capacidad calorífica del calorímetro. CALOR DE REACCION
Para determinar el calor de reacción en un calorimetro a presión constante debemos tener las siguientes consideraciones: El sistema lo constituye la reacción química. El entorno estará constituido por la solución acuosa ( que contiene a los reactantes) y el calorímetro mismo. Si la reacción es exotérmica : el calor liberado por la reacción será absorbido por el entorno. La temperatura final será mayor que la temperatura inicial. Si la reacción es endotérmica: El calor absorbido por la reacción, sera cedido por el entorno. La temperatura final será menor que la temperatura inicial.
Cuando determinamos el calor de reacción en un calorímetro a presión constante, medimos directamente la variación de la entalpía: q p=∆H
Calor de Neutralización: ∆Hneutralización Una reacción de neutralización, es aquella que se da entre un ácido y una base, esta reacción produce: una sal y H2O.
E l calor de neutralización se define como el calor liberado por cada mol de agua formada como producto de la reacción. Por lo tanto será necesari o que:
conozcamos la estequiometría de la reacción de neutralización determinemos el reactivo limitante de la reacción determinemos el número de moles de agua que se formarán en la reacción de neutralización.
Ejercicio En un calorímetro a presión constante, se hacen reaccionar 200 mL de ácido clorhídric o, HCl de una concetración 0,862 M y 200 mL de hidróxido de bario, Ba(OH)2 de una concentración 0,431 M. Luego de la neutralización la temperatura se elevó en 4,64°C. La capacidad calorífica del calorímetro es 453 J/°C.Calcular: 1. calor liberado en la reacción. 2. ∆Hneutralización
Procedimiento: Planteamos la reacción de neutralización, para averiguar el número de moles de H2O que se producen en ella:
El reactivo limitante será el HCl, por lo tanto se producirán 0,1724 moles de agua.
Esto es importante, pues el calor de neutralización es el calor liberado por cada mol de agua producida. Luego el calor medido, será el producido por 0,1724 mol de H2O.
o
o
Luego realizamos los calculos corresponidentes al experimento: la variación de temperatura, 4,64 °C no informa que la reacción está liberando calor, por lo tanto el entorno es el que está absorbiendo éste calor. Luego: q neutralización = - q liberado el entorno está constituído por: -La solución acuosa (200 mL del HCl y 200 mL de Ba(OH)2 ). Si la densidad de cada una de las soluciones es igual a la densidad del agua, tendremos una masa de 400 g de solución. -El calorímetro.
Luego: q absorbido= q solución + q calorímetro
Como se trata de un sitema adiabático tendremos que:- q liberado= q absorbido. Luego tendremos que: kJ.
q liberado = - 9,87
Recuerden que está cantidad de calor liberado corresponde a 0,1724 moles de agua, para calcular el calor de neutralización debemos de averiguar el calor liberado por un mol de agua producido, luego:
Lo que significa que por cada mol de agua producida en la neutralización se liberan 57,2 kJ/mol
Experimento 01: CAPACIDAD CALORÍ FI CA DE UN CALORÍ METR O Materiales y reactivos: Termómetro Varilla de vidrio Agua destilada
Calorímetro Mechero bunsen Trípode
Probeta 200 ml Rejilla de asbesto Probeta 200 ml
Vasos (2) 200 ml NaOH(1M), HCl(1M)
Procedimiento:
1. Échense 50 ml de agua, medidos cuidadosamente con la probeta en el calorímetro y tápese colocando el termómetro y el 2. 3. 4.
5. 6.
agitador. Al cabo de cierto tiempo anótese su temperatura inicial Ti. Calentar una segunda porción de 50 ml de agua hasta que su temperatura alcance unos 40 °C (al medir la temperatura, el termómetro no debe tocar las paredes del vaso). Separar el vaso del calor y dejar en reposo un minuto, anotar la temperatura del agua caliente como Tc. Verter rápidamente el agua caliente en el calorímetro y taparlo inmediatamente. Una vez ambas porciones de agua se encuentran en el calorímetro, se agita ligeramente y se lee la temperatura de equilibrio Te al cabo de un minuto (o el tiempo requerido para que la lectura del termómetro se mantenga estable). En la medida de lo posible inténtese apreciar hasta la mitad de grado en la lectura de las temperaturas. Vaciar y secar el aparato. Determinar la pérdida térmica del calorímetro.
Datos y cálculos Temperatura agua fría, Ti:……………………………………
Calor perdido por el agua caliente:……………………………
Temperatura del agua caliente, Tc:…………………………. Temperatura de equilibrio, Te :……………………………… Calor ganado por el agua fría :………………………………
Calor cedido al calorímetro:…………………………………… Constante calorimétrica:………………………………………...
EXPERIMENTO 2: CALOR DE NEUTRALIZACION 1. Se miden con la probeta 50 mL de la disolución de NaOH 1M y se colocan en el calorímetro. Insertar el termómetro en la tapa del calorímetro, colocando el bulbo por debajo de la superficie de la solución. Registrar la temperatura de la solución de NaOH con aprox. A 0,1 °C. 2. Se miden 50 mL de HCl 1 M , luego medir la temperatura del ácido con aprox. 0,1 °C. Con cuidado y rápidamente añadir el ácido a la base. Colocar la tapa del calorímetro y agitar suavemente. Registrar la temperatura máxima de la solución en el calorímetro con aprox. De 0,1 °C.
Datos y cálculos
Datos
Cálculos Concentración de la solución de NaOH: Temperatura inicial de la solución de NaOH: Volumen de la solución de NaOH Volumen de la solución de HCl; Concentración de la solución de HCl: Temperatura inicial de la solución de HCl: Temperatura máxima final de la mezcla:
Temperatura promedio inicial: Cambio de temperatura: Masa de la solución final (Asumir ρ=1 g/ml) Calor específico de la solución: Moles de OH- reaccionantes: Moles de agua formados: ∆H de neutralización (kJ/mol)
