UNVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE HUMANIDADES Y CIENCIAS Y TECNOLOGIA LABORATORIO DE FISICOQUIMICA
PRACTICA #4 y 5 CALORIMETRÍA
Docente:
Ing. Jenny Espinoza
Auxiliar:
Marcelo Revollo Z.
Estudiantes: Camacho Z. Gabriel Encinas Elmer Fernandez A. Jeimy Pamela Gonzáles O. Gabriel Antonio Maldonado N. Paul Tarquino Adrián
Fecha:
9 de abril de 2007
Cochabamba - Bolivia
CALORIMETRÍA Objetivo general Demostrar que la ecuación fundamental de la calorimetría se cumple: Q = mC p ΔT
Objetivos específicos •
Determinar la constante de enfriamiento de un calorímetro
•
Determinar el equivalente en agua del calorímetro
•
Determinar el calore específico de una aleación de metal
•
Determinar el calor de neutralización de un acido y de una base
•
Determinar el calor de combustión de una muestra (Benzoico y galleta)
Fundamento teórico Calorimetría ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica. Constante de enfriamiento, esta representado por los pequeños flujos que presenta un calorímetro no adiabático, esto quiere decir que en todo cuerpo cuya temperatura sea menor o mayor a la del ambiente, esta puede aumentar o disminuir de acuerdo al tiempo que pase bajo la acción de la temperatura ambiente. Equivalente en agua del calorímetro es la cantidad de calor absorbido por una cierta masa de agua.
Proceso endotérmico, es aquel en el que existe un desprendimiento de calor y el proceso exotérmico, es aquel en el que hay absorción de calor Calor de combustión, es la cantidad de calor liberada por mol de sustancia quemada:
Q n
= [cal mol ]
Calor de neutralización, es el calor producido en reaccionar un equivalente gramo de un acido con un equivalente gramo de una base. Las reacciones acido-base (neutralización) son características por presentarse en todas ellas un cambio negativo de entalpía (reacciones exotérmicas). Al neutralizar soluciones diluidas de ácidos fuertes con bases fuertes, también a temperatura ambiente el calor de neutralización por mol de agua formada es esencialmente constante e independientemente de la naturaleza del acido o base
Materiales y reactivos Materiales: Vaso de precipitación Termómetro Calorímetro Hornilla Cronómetro Matraz aforado Matraz volumétrico Bureta Soporte universal Moneda Pinzas Balanza analítica Prenza Alambre de cobre
Reactivos: Hidróxido de sodio Acido clorhídrico Acido benzoico Agua destilada Oxígeno diatómico Galleta Anaranjado de metil Acido nítrico
Desarrollo experimental determinación de la constante de enfriamiento del calorímetro •
Primeramente calentar 100 ml. de agua hasta alcanzar una temperatura de 50 ºC, seguidamente introducimos el agua dentro del calorímetro
•
Tapamos inmediatamente el calorímetro y tomamos lecturas de temperatura del agua en función del tiempo cada minuto durante 15 min.
• α
y con los datos obtenidos calculamos la constante de enfriamiento:
⎡ (T − T )⎤ 1 = * ln ⎢ f a ⎥ t ⎣ (T o − T a ) ⎦
Desarrollo experimental del equivalente en agua del calorímetro •
Tomamos la temperatura de 100 ml de agua fría e introducimos en el calorímetro.
•
Calentamos 100 ml de agua hasta alcanzar una temperatura de 50 ºC seguidamente introducimos en el calorímetro, en el momento en el que se realiza la mezcla cronometramos el tiempo en el que alcanzo el equilibrio térmico.
•
Tomamos la temperatura final de la mezcla en equilibrio en la cual resulta ser la temperatura aparente.
Desarrollo experimental del calor específico de un metal •
Introducimos 100 ml de agua destilada en el calorímetro para medir la temperatura inicial dentro el calorímetro.
•
Pesamos una moneda de 2 Bs.
•
Calentamos agua destilada hasta la ebullición e introducimos la moneda dentro el vaso de precipitado.
•
Dejamos que la moneda alcance la temperatura del agua. con la ayuda de una pinza sacamos la moneda e introducimos la moneda en el calorímetro.
•
Tapamos rapidamente el calorímetro y controlamos el tie mpo en el que alcance el equilibrio térmico.
•
Tomamos la temperatura final que resulta ser la temperatura aparente.
Desarrollo experimental calor de neutralización •
Tomamos la temperatura de 50 ml de una solución de hidróxido de sodio 0,01 N
•
Introducimos en el calorímetro una solucion de acido clorhidrico 0,1 N y tomamos su temperatura, seguidamente introducimos una solucion de hidróxido de sodio y tapamos el calorímetro.
•
Controlamos el tiempo en el que la solución alcanza el equilibrio térmico dentro el calorímetro.
•
Leímos la temperatura final que resulta ser la temperatura aparente.
Desarrollo experimental: determinación del equivalente en agua del calorímetro. •
Pesamos un alambre de cobre de 10 cm aproximadamente, previamente lijado.
•
Utilizamos como muestra patrón el acido benzoico.
•
Con la ayuda de una prensa pastilladora realizamos nuestra muestra, seguidamente pesamos la pastilla del acido benzoico.
•
Abrimos la bomba calorimétrica u pusimos la cabeza de la bomba en un soporte, posteriormente introducimos 2ml de agua destilada en la bomba, y 2 litros de agua destilada en el balde, en el que se sumergía la bomba calorimétrica.
•
Sujetamos la pastilla a la bomba teniendo cuidado de que el alambre de cobre este bien sujeto a los soportes respectivos
•
Cerramos muy cuidadosamente la bomba calorimétrica para no llegar a romper el termómetro, poniendo la cabeza de la bomba en su respectiva rosca.
•
Saturamos la bomba con oxigeno y cerramos la salida de oxigeno de la bomba.
•
Introducimos oxígeno a la bomba a una presión aproximada de 20 atm.
•
Introducimos la bomba en el interior del balde que contenía 2 litros de agua destilada.
•
Conectamos la bomba a la fuente de tensión y tapamos el calorímetro, pusimos a funcionar el agitador del sistema para así poder medir la temperatura inicial del agua.
•
se produjo la combustión de acido benzoico haciendo funcionar la fuente de poder; medimos la temperatura final del agua.
•
Destapamos el sistema y desalojamos el oxígeno de la bomba, seguidamente pesamos los residuos del alambre de cobre; y titulamos con carbonato de sodio en liquido residual de la bomba calorimétrica utilizando un indicador (anaranjado de metilo).
•
Seguir los mismos pasos para la determinación del calor de combustión de una galleta
Cálculos y resultados. Determinación la constante de enfriamiento de un calorímetro Datos: tiempo (t)
Temperatura (T)
1 min. 2 min. 3 min. 4 min. 5 min. 6 min. 7 min. 8 min. 9 min. 10 min. 11 min. 12 min. 13 min. 14 min. 15 min.
50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7
Utilizando la ecuación desarrollada de la ley de enfriamiento de Newton: Sabiendo que no cambia la temperatura ⎛ T f − T a ⎞ ⎟⎟ ln⎜⎜ para ningún tiempo, y que: T o − T a ⎠ ⎝ α = T − T ⎛ T f − T a ⎞ ⎟⎟ si f a =1 t ln⎜⎜ T o − T a ⎝ T o − T a ⎠ ⎛ 50,7 − 28 ⎞ ln⎜ ⎟ ⇒ ln 1 = 0 50,7 − 28 ⎠ ⎝ =0 α = 1
Equivalente del agua en calorímetro ( π) Sabiendo:
T fa − T a T fr − T a T fa − T a e
t
α
T fa − T a
=e
t
= T fr − T a
+ T a = T fr e t 43,52 − 28 + 28 = T fr e 0*19 ⇒ T fr = 43,52 α
Datos:
α
m H 2 O fria = 150ml *
0,996 g
m H 2 O caliente = 150ml *
= 149,45 g
ml 0,984 g ml
= 147,56 g
− Qced = Q ganado − m H O 2
caliente
− m H O 2
caliente
* C H 2 O (T fr − T o H O 2
caliente
) = m H 2 O fria * C H 2 O (T fr − T o H O ) + π (T fr − T o H O ) 2
fria
2
* C H 2 O (T fr − T o H 2 Ocaliente ) − m H 2 O fria * C H 2 O (T fr − T o H 2 O fria ) (T fr − T o H O ) 2
fria
= π
fria
− (147,56) * (1)(43,52 − 59) − (149,45) * (1)(43,52 − 28) (43,52 − 28)
π
=
π
= −2,2703[ cal ] º C
Calor específico de un metal Datos: mmoneda = 6,3407 g T fr = 30,05º C T omoneda = 92º C m H 2 O fria = 149,45 g π
= −2.2703[cal ] º C
− Qced = Q ganado − mmoneda * C moneda (T fr − T o C moneda = C moneda =
moneda
) = m H 2 O fria * C H 2 O (T fr − T o H O ) + π (T fr − T o H O ) 2
fria
2
fria
m H 2 O fria * C H 2 O (T fr − T o H 2 O fria ) + π (T fr − T o H 2 O fria )
− mmoneda (T fr − T o
moneda
)
(149,45) * (1)(30,05 − 28) − 2,2703(30,05 − 28)
− (6,3407)(30,05 − 92)
[ ]
C moneda = 0,7681 g cal º C
Determinación del calor de combustión de una muestra (bomba calorimétrica)
Datos. T o AcBenz = 23,62º C T fr = 24,6 mcobre = 0,0499 g m pas = 0,3639 g mCu Re cidual = 0,0480 g M benzoico = 0,1molar
mbenz = m pas − mcu = 0,314 g mcu = mcu − mcu Re cidual = 0,0019 g
Δ H C
benz
Δ H C = −38,5 Cu
Δ H F
HNO3
Titulacion:
= −771,2
kcal 1mol kcal = −6,3 * mol 122 g g
kcal 1mol kcal = −0,61 * mol 63 g g
= −41,4
kcal 1mol kcal = −0,657 * mol 63 g g
V Na2 CO3 = 0,2ml 0,1
molNa2CO3 1 L so ln
*
a
0,1 M 2eq
1molNa2CO3
= 0,2 N
# eqNa2CO3 = 0,2(0,0002 L) = 0,00004eq # eqHNO3 = 0,00004(
63 gHNO3 1eq
) = 0,00252 gHNO3
− Qced = Q ganado − (mbenz * Δ H c + mcu Δ H cu + m HNO Δ H fHNO ) = π (T fr − T o ) + m H OC (T fr − T o ) 3
3
2
− (mbenz * Δ H c + mcu Δ H cu + m HNO Δ H fHNO ) − m H OC (T fr − T o ) = π (T fr − T o ) 3
3
2
− ((0,314 )(−6300) + (0,0019)(− 610 ) + (0,00252)(− 657 )) − (2000 )(1)( 24,6 − 23,62) (24,6 − 23,62)
π
=
π
⎡ cal ⎤ = 21,4435⎢ ⎥ ⎣ º C ⎦
Determinación del calor de combustión de una muestra de galleta m gall = m pas − mcu = 0,8025 g
Datos. T o = 26,32º C
mcu = mcu − mcu Re cidual = 0,0097 g
mcobre = 0,0334 g
Δ H C = −38,5
m pas = 0,8359 g
Cu
mCu Re cidual = 0,0237 g
Δ H F
T fr = 27,92º C π
HNO3
= 21,4435
Titilación:
V Na2 CO3 = 10,2ml 0,01
molNa2CO3 1 L so ln
a *
0,01 M 2eq
1molNa2CO3
= 0,02 N
# eqNa2CO3 = 0,02(0,0102 L ) = 0,000204eq # eqHNO3 = 0,000204(
63 gHNO3 1eq
) = 0,01285 gHNO3
kcal 1mol kcal = −0,61 * mol 63 g g
= −41,4
kcal 1mol kcal = −0,657 * mol 63 g g
− Qced = Q ganado − (m gall * Δ H gall + mcu Δ H cu + m HNO Δ H fHNO ) = π (T fr − T o ) + m H OC (T fr − T o ) 3
Δ H gall = Δ H gall =
3
2
(T fr − T o ) + m H 2 OC (T fr − T o ) + mcu Δ H cu + m HNO3 Δ H fHNO3
π
− m gall (21,4435)(27,92 − 26,32) + (2000)(1)(27,92 − 26,32) + (0,0097)(− 610) + (0,01285)(− 657 )
− (0,8025)
⎡ cal ⎤ Δ H gall = −3902.9299⎢ ⎥ = −3,9[kcal ] ⎣ g ⎦
Conclusiones y observaciones. •
No se logro encontrar la constante de enfriamiento, debido a que no teníamos el termómetro correcto.
•
Pudimos determinar el equivalente en agua de la bomba calorimétrica, y se determino también el calor de combustión de la galleta.
•
El calorímetro es un material donde no existe perdida de calor, es un sistema adiabático, es por eso que se considera ideal.
Observaciones. •
El termo calorímetro a pesar de que su función es mantener un liquido a una temperatura respectiva, no es un sistema totalmente adiabático, por ello que tiene una constante de enfriamiento.
•
El termómetro utilizado en la práctica no era de precisión, por lo cual el resultado tendrá grandes errores.
•
Cuando se trabajo con 0,1 N de hidróxido de sodio el volumen gastado fue muy poco, por lo cual se diminuye la normalidad a 0,01 N para tener menor error en nuestros cálculos
CUESTIONARIO 1.- Un lingote de plomo con masa de 1 Kg y un Cp promedio de 24.43J/ºKmol, se encuentra a una temperatura de 373ºK . Si el lingote se enfría bruscamente con agua , ¿ Qué masa de agua a 27 ºC debe utilizarse para que el estado final del sistema consista en agua líquida , vapor y cobre sólido a 100ºC , con la cuarta parte del agua convertida en vapor . ? Cp(H2O) = 4.186 J/gºK , el calor de vaporización es 2257 J/g .
m(lingote)=1Kg Cp(Pp)=24.43J/ºKmol x 1mol/63.5g = 0.3847J/gºK T=400ºK >>>673ºK m(H2O)=? >>>>27.5ºC Cp(H2O)=4.186J/gºK H(vap)=2257J/g -m(Pb)·(373-673)=1/4m(H2O)·Cp·(373-300.5)+1/4·m(H2O)· H(vap) -4mp (pb)·(373-673)=m(H2O)·CP(H2O)(72.5)+m(H2O) H(vap)H2O M(H2O)= -4mpb Cppb(-300) Cp(H2O)(725)+ H(vap)H2O m(H2O)= -4·(1000g)·(0.3847J/g K)(-300) (4.186 J/ g K)(72.5)+2257 J/g m(H2O)= 180g
m(H2O)= 0.18Kg
2.- Se mezclaron dos soluciones, inicialmente a 22.14C en un termo totalmente aislado. Una contenía 200ml de solución acida 0.9M. La otra contenía 200ml de solución 0.9M de la base. Después de la mezcla la temperatura ascendió a 26.35C ¿Cuánto calor se desprende en la neutralización de 1 mol de acido? Supóngaseque la relacion estequiometrica es 1 a 1 y que la capacidad calorifica de la sal resultante es 2.51J/C mol. T=22.14C Q=0 V(ac)= 200ml 0.9M V(BA)=200ml 0.9M T=26.35 C Q(N)=?? Cp=2.51J/Cmol 0.9mol ·200ml = 0.18mol Ac 1000ml
G=m/v m=G·v
0.9mol · 200ml= 0.18mol BA 1000ml
m=5 g/ml ·200ml
G=1g 200ml
m(A)=1g
G=5 g/ml
m(B)=1g Q(N)=M(A)Cp T+m(B)C(PB) T Q(N)=1·2.51(26.36-22.14)+1·2.51(26.35-22.14) Q(N)=21.13 J Ac+Ba
sal+H2O
3.- Se va combustionar octano C8H18 de masa 1.563g. en una bomba calorimetrica adiabatico, si 2.5 litros aumenta su temperatura en 5.3C y luego de la experiencia se titulo el HNO3 formado con 10.2ml de NA(OH)0.1N y 0.09g de cobre combustionado. En el mismo termo se quemo 0.75g de alimento balanceado para gallinas, y de esa forma saber el numero de calorias que proporciona ese alimento a las aves, que ocurrio en 38 segundos, si el T=44C, y la masa de cobre combustionado fue de 0.13g y se gastaron 4.6 ml de NAOH 0.1 N. Cacular el H combustión del alimento balanceado en Kcal/g sabiendo que el ∆H combustión del hidrocarburo es 1350Kcal /mol Datos: ∆Hcomb Cu=-1.6Kcal/g Formación HNO 3 = -256.57kJ/g C8H8 1.563g 2.5L 5.3ºC HNO3-10.2ml NuOH 0.1N 0.09gCu 0.75g alimento 38(s) T=4.4 ºC Mcu= 0.13g 4.6ml NuOH 0.1N ∆H alimento=Kcal/g ∆H hidro =-1350 Kcal/mol ∆H cu= -1.6Kcal/g -[m(olim)
∆H
∆H hno3=-61.24Kcal/g
(comb)+m(cu) ∆H(comb)+m(HNO3) ∆H]= m(H2O)Cp( T)+ T
m(N8H8)= 1.563g V(H2O)=2.5L T=4.3ºC
m(HNO 3)=? m(HNO3)= Nºequi. HNO3 · Peeq HNO3
El NHO3 titulado con 10.2 ml NeOH 0.1N m(cu)=0.09g Cu P eq =PM HNO3 /#e∆H(C8H8)=-1350Kcal/mol
m(olim)= 0.75g T=4.4ºC V(titulacion)=4.6ml NaOH Neq NaOH =4.6^-4eq ·63g/1eq=0.02898g Neq NaOH = 0.1eq/l ·10.2^-3=1.02^-3eq·63g/1eq=0.06426g &=(-m(H2O4)Cp(T2 –T1) – m(C8H8) ∆H – m(cu) ∆H – M(HNO3) ∆H)/(T2-
T1) &=(-2.5·1·(5.3)-1.563·(-1350)-0.09·(-1.6)-0.06426·(-61.29))/5.3 &=(13.25+2110.05+0.144+3.94)/5.3 &=396.39Kcal/mol
∆H(alimento)=-(m(H2O)Cp(T2-T1)+&(T2-T1)+m(cu) H+m(NAOH)
H)/
-m(alimento) ∆H(alimento)=(-2.5·(1)·4.4+396.39·4.4+0.09·(-1.6)+0.06426·(-61.29))/0.75 ∆H(alimento)=-2228.59Kcal/g
4.- Cuantos metros cúbicos de propano en condiciones normales se necesita para quemar en una cocina domestica, para generar suficiente calor y cederlo a 2Kg de hielo a -20ºC, para convertirlo en vapor sobrecalentado a 200ºC. suponga que la eficacia de la combustión del hidrocarburo solo es del 60%. Datos: ∆Hcomb propano= -532110cal/mol Ce H2O liq.= 1cal/gºC L fusion H2O=80cal/g Ce H2O liq = 0.5cal/gºC L vaporizacion H2O= 540cal/g Ce H2O vapor =0.5 cal/gºC m3=? m(hielo)=2Kg T1=-20ºC T2=200ºC 60% Q1=200g·1·(0-(-20) Q1=20000Cal Q2=2000·80 Q2=160000Cal Q3=2000·1·(100-0) Q3=20000Cal Q4=200·540 Q4=1080000Cal Q5=2000·0.5(200-100) Q5=10000Cal Qn=20000+160000+200000+108000+100000 Qn=1470000Cal·1Kcal/1000Cal =2.76KCal Q/ H=n(propano) n(propano)=1470/532.110=2.76mol 2.76mol·(22.4L/1MOL)=61.824L·(100/60)=103.04L 103.04L·(1m3/100L)=0.103m3
5.- Se desea conocer el calor especifico de un metal desconocido que esta a 80ºC, si este se introduce en 200 ml de agua a 25.35ºC generando un T= 3.01ºC. ¿Cuál será su calor especifico? Cp=? >>>>T=80ºC V=200ml(H2O)>>>T=25.35ºC>>>(T2-T1)=3.01 M(metal)=1.8g D=m/v
D(H2O)=1g/ml
m=D·v m(H2O)=1g/ml·200ml=200g -Qc=Qa -mCp(T2-T1)=mCp(T2-T1) T2= 3.01+25.35=28.36ºC Cp=(-200·1·3.01)/(1.8·(28.36-80)) Cp=6.47Cal/gºC Bibliografía •
Gilbert W. Castellan, 1997, “fisicoquímica”, Addison Wesley Iberoamericana, Mexico, pag: 141-151
•
Marón y Prut, 1980 “fundamentos de fisicoquímica”, Limusa, Mexico, pag. 151,156,157
