Pre-Informe: Calor de reacción en solución Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Laboratorio de propiedades termodinámicas y de transporte Andrea Vásquez (02245622) - Mayerly Serrano (02245619) Sebastián Ochoa (02245532)
1. Objetivos:
Determinar el calor de disolución de ácido clorhídrico en agua. Determinar el calor de reacción para una reacción acido-base (ácido clorhídrico e hidróxido de sodio) en solución acuosa empleando calorimetría adiabática.
2. Marco teórico: ¿Qué es el calor de disolución?
El calor de disolución es la energía liberada por una sustancia al ser disuelta en otra, algunas sustancias liberan calor al ser disueltas mientras que otras lo absorben. Este comportamiento, ya sea exotérmico o endotérmico se da debido a interacciones entre las moléculas de distintos componentes y debe conocerse para tenerse en cuenta en los balances de energía y diseño de equipos. Si se tienen dos sustancias puras, una que va a actuar como solvente (n 1) y otra como soluto (n2), cada una con un estado entálpico diferente, y se mezclan va a haber un cambio de energía en el proceso que se considera como el calor de disolución. Observando el siguiente esquema se observan los estados inicial y final del proceso de mezclado.
n1, P, T, H1
n2, P, T, H2
(n1+n2), T, P, H3
Dos sustancias puras entran en un recipiente con un mezclador a la misma presión y temperatura. Al mezclarse se genera una solución que tiene n1 +n2 moles, si se considera un proceso con liberación de calor la temperatura y la presión de la mezcla serán iguales a las de los componentes puros. La aplicación de la primera ley de la termodinámica permite decir que:
= Se considera un proceso sin trabajo neto:
= Dividiendo en el número de moles se encuentra que:
∆ =
= ∗
La magnitud ∆ es el calor integral de disolución, que es el que se tiene como objetivo calcular en esta práctica, es una magnitud que depende de la concentración de la solución. A diferentes composiciones la magnitud del calor de disolución cambia, de ahí la existencia de los diagramas de entalpia vs concentración.
¿Qué es el calor de neutralización?
Al neutralizar soluciones diluidas de ácidos fuertes con bases fuertes a temperatura ambiente, se da una liberación o absorción de energía, el calor de neutralización por mol de agua formada se prácticamente constante. La reacción iónica puede ser representada por: + − →
∆ = 13,7/ = 57,34 /
Este calor de neutralización es hallado para la neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte. Si se utilizan soluciones más diluidas se suelen obtener calores de neutralización más altos. Cuando se emplean electrolitos débiles o fuertes a concentraciones para las cuales la disociación no es completa, se obtienen valores menores de calor de neutralización. Por lo tanto, el calor de neutralización depende de la naturaleza del ácido y de la base, de las concentraciones empleadas, y de la temperatura. ¿Qué es la calorimetría adiabática?
En calorimetría adiabática el objetivo principal es conservar todo el calor producido dentro del sistema en la medida de lo posible, esto se logra con aislamientos térmicos apropiados. Como no hay intercambios de calor con el ambiente el sistema sufrirá cambios de temperatura, los cuales pueden ser medidos y relacionados con la absorción o la liberación de calor por parte de una reacción. El efecto calorífico observando durante una reacción se compara con el obtenido cuando una cantidad conocida de calor es producida en el sistema calorimétrico. Esta comparación se conoce como “experimento de calibración”, el cual debe llevarse a cabo antes o
después de la reacción. La energía de calibración siempre va suministrada por un calentamiento eléctrico.
Los experimentos de calibración y reacción permiten la obtención de curva de temperatura vs tiempo, conocidas como termogramas, donde usualmente el comportamiento del experimento de calibración es diferente al experimento de la reacción. En estos experimentos es necesario realizar registros de temperatura en función del tiempo, debido a la imposibilidad de tener calorímetros completamente adiabáticos. A partir del calor suministrado en el experimento de calibración, que se conoce relacionando el calor generado en el sistema con el trabajo eléctrico realizado sobre él y según el cambio de temperatura que también es conocido, es posible determinar la capacidad calorífica del sistema. Que será la suma de las capacidades caloríficas de las diferentes partes del equipo, vaso calorimétrico, contenido, resistencia de calentamiento, termómetro y agitador.
= = . . En la reacción de neutralización o en el proceso de disolución es posible determinar los cambios de temperatura en función del tiempo para hallar el calor de reacción o de neutralización, según el caso. 3. ¿En qué consiste el método a emplear en l a presente práctica? (1)
En este experimento el calentamiento de un volumen, (V 0) de agua destilada, medido a temperatura ambiente, se produce con el calor suministrado por efecto Joule al pasar una corriente de intensidad I amperios a través de una resistencia R Ohmios durante un tiempo t segundos. El calor producido viene dado por:
= = [ ] Inicialmente se halla el Calor específico del calorímetro debido a que la solución y la fuente de voltaje trasmitirán calor a los componentes físicos del calorímetro.
= ∆ ∆í ∆ = ∗ ∗ ∆í = ∗ Por lo tanto
= ∗ ∗ ∗ Con datos de T y t se grafica una curva de calentamiento y se determina el valor de ΔT =Tf -Ti
Reordenando la ecuación
=
( ∆) ∆
Si una reacción tiene lugar en un calorímetro adiabático en el que no hay intercambio de calor con el entorno, la variación de entalpía debida al proceso se transferirá a los productos de la reacción y a los elementos materiales del calorímetro y se manifestará por un cambio en la temperatura.
∆ = ∗ ∆ ∗ ∆
(+)
∆ = á á Como se puede observar, en la ecuación (+) se desconoce el valor de Csol para ello es necesario un calentamiento con la fuente de voltaje y un cálculo similar al realizado para calcular Ccal
= ∗ ó ∗ ∗ m será la masa de solución, en este caso se asumirá m como la masa de agua debido a que la cantidad de ácido agregada no es representativa Con datos de T y t se grafica una curva de calentamiento y se determina el valor de ΔT =Tf -Ti Método gráfico para calcular los cambios de temperatura corregidos:
Debido a que los calorímetros no son sistemas adiabáticos perfectos es necesario la creación de termogramas (graficas de Temperatura vs tiempo) a partir de los cuales es posible evaluar las “fugas térmicas, así como otros efectos parásitos como “el calor de agitación” generado por
fricción del agitador con el medio.
Este es un ejemplo de un termograma obtenido en una reacción exotérmica, la trayectoria AB se refiere al periodo inicial, la trayectoria BC es conocida como periodo de reacción, y la CD como periodo final. Para hacer la corrección de temperatura y hallar el ΔT corregido, se realiza una extrapolación lineal de la trayectoria inicial y la final, luego se traza una línea paralela al eje de la temperatura en el punto P, que representa el promedio de las temperaturas T2 y T3 donde inicia y acaba la reacción respectivamente. Los puntos en los que esta línea paralela a la temperatura se cruce con las extrapolaciones hechas serán los valores de la temperatura que se usen en el delta. Este método de corrección se usa cuando la variación de la temperatura durante la reacción es aproximadamente lineal.
4. Materiales y reactivos Materiales
Reactivos
Vaso Dewar Motor de agitación, Agitador de vidrio Medidor de Temperatura (Termopar) Calentamiento controlado (Fuente de Voltaje) Probeta Bureta Vaso de precipitados
HCl NaOH Biftalato de Potasio Fenolftaleína
5. Montaje
6. Procedimiento Agregar 700 ml Agua Destilada
Encender agitador
Registrar temperatura
Encender fuente (V= 0,5v I= 1,0 A)
Registrar temperatura cada 30s por 5 min
Apagar fuente
Esperar estabilidad, registrar T, continuar agitando
Determinar Cp del calorimetro
CALOR DE SOLUCIÓN
Agregar ácido HCl para que la solución sea 0,1 N
Registrar temperatura
Encender fuente y registrar T cada 30s
Apagar fuente
Esperar estabilidad registrar T
Hallar calor de disolución del HCl
CALOR DE NEUTRALIZACION
Preparar solución 0,5 N, NaOH
Estandarizar con Biftalato de Potasio, y fenolftaleina
Agregar a la solución ácida
Anotar T estable
Encender fuente
Anotar T cada 30s por 5 min
7. Convenciones
n1 moles de solvente n2 moles de soluto Q= calor W= trabajo P= presión T= temperatura Hi= Entalpía de i X1 Fracción molar de 1 X2 Fracción molar de 2 R =Resistencia I= Corriente V= Diferencia de potencial t= tiempo Cpi= Capacidad calorífica del componente i C= Capacidad calorífica del calorímetro Tf = Temperatura final Ti= Temperatura inicial ΔT= Cambio de temperatura ocasionado por el calentamiento con la fuente de voltaje ΔTr= Cambio de temperatura debido a la reacción T2 = temperatura de inicio de reacción T3= temperatura de finalización de la reacción P= promedio de T2 y T3 ΔT corregido = cambio de temperatura corregido mediante el termograma
8. Anexos
Cálculos para la preparación de soluciones
Solución de HCl al 0,1 M
Se prepara una solución 0,1 M en 700 ml de agua en el vaso Dewar partiendo de una solución liquida de HCl al 37% (p/p) con densidad 1,19 g/ml. Solución 0,1 M =
,
, ∗ 700
=
Moles de HCl = 0,07 mol
0,07 ∗
6,
= 2,5515
La masa de HCl a agregar entonces es 2,5515 Para agregar esta masa HCl partiendo de una solución liquida es necesario considerar el %(p/p) de la misma y la densidad.
% =
∗100
% = ∗ % =
∗
=
% = 37% ∗ 1,19 = 44,03% Porcentaje en peso
Volumen de HCl = 2,5515 ∗ , Volumen de HCl (37%) = 5,795 mL de HCl en 700 mL de agua en el vaso Derwal
Lo que significa que al final se dispondrá de una solución de 705,8 mL de HCl al 0,1 M
Solución de NaOH
Se requiere preparar 150 mL una solución de NaOH para neutralizar la solución 0,1 M de HCl La reacción de neutralización es: HCl + NaOH -- NaCl + H2O De la reacción se observa que la relación molar entre el ácido y la base es uno a uno. , ∗ 705, 8 mL sln
∗ ∗
,
= 0,470
Lo que significa que se debe preparar una solución de NaOH al 0,47 molar en 150 mL de solución, para preparar dicha solución se parte de hidróxido de sodio sólido. , ∗ 0,15 ∗ ,
= 2,82
Por lo cual se requiere de 2,82 g de NaOH en 150 mL de agua.
Valorización con biftalato de potasio
Finalmente es necesario valorizar la solución de hidróxido de sodio lo cual se realiza con biftalato de potasio. Para lo cual se preparan 50 mL de una solución de bifatalato al 0,5 M Se debe considerar que la relación molar entre el biftalato de potasio y el hidróxido de sodio también es uno a uno por lo que simplemente se cal
0,47 204,22 ∗ 0,05 ∗ = 4,7992 1 1 Por lo que es necesario agregar 4,7992 g de biftalato en 50 ml de agua.
9. Bibliografía
1. http://campus.usal.es/~quimfis/apoyo/Cachaza/Personal/practicas/CALORIMETRIA.PDF 2. Romero .C, Pinzon. J, Gomez. L &Garcia. J “Prácticas de laboratorio de fisicoquímica” Bogotá. Universidad Nacional de Colombia (1985) Capitulo II.
