CALORIMETRÍA 6.1 OBJETIVO GENERAL Comprobar la ley de c onservación de la energía, en sistemas sin reacción química
6.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS • • • • • • • •
Experimentar la transferencia de energía (calor) que se produce entre cuerpos. Construir un calorímetro. calorímetro. . Determinar la capacidad calorífica del calorímetro. Calcular teóricamente el calor absorbido o liberado por un sistema determinado. edir los cambios de temperatura que se producen, cuando efectuamos reacciones químicas. Estudia la relación del traba!o el"ctrico con el calor. Determinar la cantidad de calor proporcionada por el traba!o el"ctrico. Determinar cuantitativamente la relación entre #oules y calorías
6.3 FUNDAMENTO TEÓRICO
El capítulo de la química que estudia los cambios energ"ticos que acompa$an a una reacción química se denomina denomina termoquímica. termoquímica. %as reacciones reacciones químicas van acompa$adas acompa$adas de transferencia transferencia de energía, que puede manifestarse en forma de calor absorbido (reacción endot"rmica) ó calor desprendido (reacción exot"rmica) &eactivos
'roductos
△ )
*+, Calor
Cuando una reacción se lleva a cabo a presión constante, los cambios de calor que ocurren se denominan entalpía (-). %a Entalpía de reacción se expresa normalmente en unidades de Calorías+mol ya sea de reactivo ó producto 'or convención se establece que la entalpía es de /igno negativo para procesos exot"rmicos. %a medida del calor intercambiado durante un proceso se reali0a mediante un calorímetro que b1sicamente es un dispositivo aislado con una c1mara de reacción rodeada de agua donde se detectan los cambios de temperatura con ayuda de un termómetro y a través de estas medidas medir la cantidad de c alor intercambiado.
El calor desarrollado por reacción u otro proceso físico 2p en la c1mara de reacción que se alla inicialmente a una temperatura 34, act5a de tal modo que la temperatura final del calorímetro cambia asta 3 2. 'or el principio de conservación de la energía se puede expresar6 Calor cedido por reacción u otro proceso físico = Calor ganado por el calorímetro El calor ganado por el calorímetro es
Donde6 ma es la m asa del agua que rodea al Erlenmeyer Ce agua es el calor específico del agua mc es la masa de los componentes del calorímetro (vaso de pr ecipitados, termómetro, agitador, etc.) Ce cal es el calor específico promedio de l os componentes del calorímetro. /i el calor ganado es igual al calor perdido6
2p 2g
7 si definimos la capacidad calorífica del calorímetro c omo6
'odemos escribir la ecuación como6
1
De tal modo que conociendo la capacidad del calorímetro y las temperaturas inicial y final se puede determinar el calor cedido por la reacción ocurrida en el matra0 Erlenmeyer.
En el proceso de calibración del calorímetro se determina la capacidad calorífica del calorímetro C cal. En este proceso se introduce una masa m a de agua a temperatura de ebullición 3 b en el matra0 erlenmeyer y se espera asta que el sistema alcance el equilibrio t"rmico con temperatura 3 2, El calor perdido por el agua caliente en el matra0 erlenmeyer ser16
'or lo tanto6
y el valor de e
cet
se puede calcular por6
8ótese que la capacidad del calorímetro es función de las masas de los componentes del calorímetro y del agua que rodea al erlenmeyer, por lo tanto ni la masa de agua ni los componentes deben cambiar durante la sesión experimental.
6.4 MATERIALES Y REACTIVOS 6.4.1 MATERIALES
ITEM
MATERIAL
CARACTERÍSTICA
CANTIDAD
1
Calorímetro
2
9aso de p recipitados
3
3ermómetro
4
atra0 erlenmeyer
5
ornilla
6
9aso de p recipitado
;
3ermómetros termocupla
8
=
9a rilla de vidrio
1
10
'iseta
1
11
Esferas met1licas
1
1
600 crrr 3
1 1
125 cm
:
1 1
250 mi
2 2
El"ctrica
1
6.4.2 REACTIVOS
43E 1 2
&E>C349?
C>&>C3E&@/34C>
>gua destilada
C>834D>D 50 g
ielo
50 g
6.5 PROCEDIMIENTO
a •
•
•
/ • •
•
C!"#$%&''()" *+, 'a,!%-.+$%!
Ana ca!a de material aislante de aproximadamente 15 cm x 15 cm x 15 cm, con espacio suficiente para que en el interior quepa un vaso de precipitados de 600 cm:. El matra0 erlenmeyer (c1mara de reacción) se colocar1 en el interior del vaso de precipitados rodeado de agua. El termómetro estar1 en el agua que rodea a la c1mara de reacción !untamente con un agitador para mantener la temperatura del agua uniforme. Ca,(/%a'()" *+, 'a,!%-.+$%!
'ermita que se estable0ca el equilibrio t"rmico en el calorímetro y registre la temperatura 3 B Caliente 50 cm3 de agua a temperatura de ebullición 3b y a$ada al matra0 Erlenmeyer
Despu"s que se a alcan0ado el equilibrio t"rmico, registre la temperatura de equilibrio 3.
2
•
&etire el matra0 erlenmeyer y determine la masa de agua introducida por diferencia de peso entre el matra0 lleno y el matra0 vacío.
e) Determinación del calor de fusión del hielo 'ermita que se estable0ca el equilibrio t"rmico en el calorímetro y registre la temperatura 3 B. >$ada al matra0 erlenmeyer lavado y seco varios cubos de ielo y permita que estos se fundan. En el momento en que el 5ltimo tro0o de ielo aya fundido, registre la temperatura del agua que rodea al matra0 T2. &etire el matra0 erlenmeyer y determine la masa de ielo por diferencia de peso entre el matra0 lleno y el matra0 vacío.
• •
• •
d) Determinación del calor especifico de un metal Caliente la esfera de metal en la ornilla asta una temperatura alta. Determine la temperatura de la esfera de metal con la termocupla. ida : g de agua en el vaso de precipitados de - cm3 Determine la temperatura inicial del agua 3 B. 4ntrodu0ca cuidadosamente la esfera en el agua del vaso de precipitados. Espere a que se alcance el equilibrio t"rmico Determine la temperatura final 3
• •
• • • • •
e) Determinación de la temperatura de euili!rio de una me"cla ida g de agua en el vaso de precipitados. Caliente el agua del vaso con la ornilla asta una temperatura entre F y GC Determine la temperatura del agua ida B g de agua en el vaso de precipitados a temperatura ambiente. Determine la temperatura del agua a temperatura ambiente e0cle ambas muestras de agua y determine la temperatura de equilibrio con el termómetro
• • • • • •
6.6 CALCULOS
Calcule la capacidad calorífica del calorímetro. Calcule el calor ganado en la fusión del ielo. Calcule el calor por mol de ielo en el proceso de fusión. Compare el valor obtenido con el valor bibliogr1fico. Calcule el calor específico del metal Compare el valor obtenido con el valor bibliogr1fico. Calcule la temperatura de equilibrio de la me0cla. Compare el valor obtenido con el valor experimental
• • • • • • • •
6.0 CUESTIONARIO
1.-
Definir e indicar las unidades m1s comunes de6 a) 3emperatura, b) Energía interna, d) 3raba!o, e) Entalpia.
. &especto a la pregunta anterior, clasificar dicas variables seg5n su dependencia con la masa. :. Definir e indicar las unidades de6 a) caloría, b) calor específico, c) capacidad calorífica, d) calor integral de solución, e) calor de dilución. F. Determinar la temperatura de equilibrio cuando, en un calorímetro de constante calorim"trica despreciable se me0clan Bg de agua a la temperatura de ebullición (ac1 en %a 'a0) con Bg de agua a GC. . En un calorímetro, que inicialmente contiene B g de agua a BGC se agregan g de agua líquida a B tC. determinar la constante del sistema calorim"trico. 9.- Ana cafetera el"ctrica silbadora de BH (de potencia el"ctrica), de constante calorim"trica despreciable, contiene B g
de agua a BGC, una ve0 conectada la misma a la fuente el"ctrica que tiempo tendr1 que transcurrir. a) 'ara que el agua empiece a ervir y consecuentemente la cafetera comience a silbar. 'ara que acabe el silbidoI B. setenta y cinco = de un metal se retiran de un orno y se ecan en un recipiente de : = que contiene g de agua (el agua y el cobre sumergido ocupan todo el volumen del indicado recipiente). %a temperatura del agua se eleva de B a :GC. Determinar cu1l era la temperatura del orno, al momento de retirar la pie0a de metal. El calor de combustión de la le$a es F J B 3 cal+g. KCu1l es la cantidad de le$a que debemos quemar para obtener B J B calI b) Lg d) F Lg e) Lg c) : Lg a) B Lg 9.1.;
=.. El calor de combustión de la nafta es BBJB 3 cal+g. Cuál es la masa de nafta que debemos quemar para obtener FJB ; calI a) :-.:- Lg b) F-.F- Lg c) -.- Lg d) --.-- Lg e) ;-.;- Lg é
3
=.:. 'ara calentar M = de una sustancia de GC a - GC fueron necesarias F cal. Determine el calor específico y la capacidad t"rmica de la sustancia. a) .=:N F-.F; b) .;:N -.-; e) .::N B-.-; d) .F:N -.B; e) .M:6 --.-; =.F. 'ara calentar = de una sustancia desde B OC asta M GC fueron necesarias B cal. Determine el calor específico y la capacidad t"rmica de la sustancia. a) .;-N B-. b) .B:N B-,FF el .M-6 B;B.F: d) .N B-.:: e) .F:N B=-.B =.. KCu1l es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de g de cobre de B GC a M GCI Considere el calor específico del cobre igual a .=: cal +g GC. a) =- cal
b) B: cal
e) :-; cal
d) :M caP
e) F: cal
=.-. Considere un bloque de cobre de masa igual a g a la temperatura de GC. /iendo6 C e (cobre ) .=: cal +g GC). Determine6 a) la cantidad de calor que se debe ceder al bloque para que su temperatura aumente de GC a - GC y b) K ser1 su temperatura cuando sean cedidas al bloque B calI a) FM-N F:. b) :M-N ::. e) M-N :. d) BM-6 :. e) M-N B:. cuál
=.;. An bloque de : = de ierro se encuentra a B GC. KCu1l ser1 su temperatura cuando se retiren de "l cal) /abiendo que6 Ce ierro = .BB cal/g oc. a) B=,F Gc b) =.F GC c) :=.F GC d) F=.F GC e) =.F GC =.M. /ean F g de ierro a la temperatura de M GC Determine su temperatura despu"s de aber cedido B cal. /abiendo que6 e ierro ) .BB cal +g GC a) :.;: GC b) F.;: Gc c) .;: GC d) -.;: GC e) ;.;: GC =.=. An calorímetro de cobre de - g contiene g de agua a GC. En el calorímetro es colocado un peda0o de aluminio de masa B g a - GC. /iendo los calores específicos del cobre y del aluminio, respectivamente iguales a .=: cal +g GC y .B; cal+g GCN determine la temperatura de equilibrio t"rmico. a) M.: Gc b) BM.: GC c) M.: Gc d) :M.: Gc e) FM.: Gc
=.B. Cu1l ser1 la temperatura final de una me0cla preparada de . g de agua a B GC , F = de agua a . GC y B. g de agua a :;GCI a) :F.FB GC b) :,FB Gc c) :-.FB Gc d):;.FB0C e) :M.FB Gc é
=.BB. An calorímetro de cobre con masa igual a g contiene g de agua a B GC. An cuerpo de aluminio a la temperatura de B GC se coloca en el interior del calorímetro. El calor específico del cobre es .=F cal+g GC y el de aluminio es . cal +g GC. /abiendo que la temperatura de equilibrio es GC. KCu1l es la masa del cuerpo de aluminio (aproximadamente)I a) B:F; g .b) BFF; g c) BF; g d) B-F; g e) B;F; g =.B. An bloque de platino de masa - g es retirado de un orno e inmediatamente colocado en un calorímetro de cobre de masa igual a B g 7 que contiene :F g de agua. Calcular la temperatura del orno, sabiendo que la temperatura inicial del agua era de B GC y que subió a B: GC. El calor específico del platino es de .: cal + GC y el calor específico del cobre es de .=: cal +g GC. a) BB Gc b) B Gc c) :B Gc d) FB Gc e) B GC =.B:. An !oyero vendió un anillo que di!o contener = g de oro y B g de cobre. /e calienta el anillo a GC (temperatura inferior a la temperatura de fusión del oro y del cobre). /e introduce el anillo caliente en un calorímetro con agua, cuya capacidad calorífica es B cal +G C y cuya temperatura inicial es GCN se constata que la temperatura en el equilibrio t"rmico es de GC. %os calores específicos del oro y del cobre son .= y .=: cal + g GC, respectivamente. %as masas del oro y del cobre en el anillo son respectivamente6 a) M.6 B.; b) ;.N . c) .N . d) .N ;. e) B.;N M. =.BF. En un termo, se me0clan B g de ielo a GC ba!o cero y B g de agua tibia a - GC Qué temperatura alcan0a el con!unto cuando se encuentra en equilibrio t"rmicoI (El calor específico del agua líquida es B cal+gGC y del ielo es ,FM é
cal/g°C)
a) F.B GC
b) F-.B Gc
c) F;.B GC
d) FM.B 0C
e) F=.B Gc
=.B. Ana muestra de metal de F gramos se encuentra a = GC y se introduce en una vasi!a que contiene M gramos de agua, a GC. Entonces, la temperatura del agua se eleva asta : GC. Estime el calor específico del metal. a) . cal+gGC b) .B= cal+gGC c) .BM cai+gGC d) .B; cal+gGC e) .B- cal+gGC -.M
BIBLIOGRAFIA • • • • • • •
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