CALORIMETRÍA 1. OBJETIVO OBJET IVO GENERAL GENE RAL Comprobar la ley de conservación de la energía, en sistemas sin reacción química
1.1.
OBJETIVOS OBJET IVOS ESPECÍFICOS ESPECÍ FICOS
Medir temperaturas Determinar calores específcos Determinar temperaturas de equilibrio
2. FUNDAMENT FUND AMENTO O TEÓRICO TEÓR ICO El capítulo de la química que estudia los cambios energéticos que acompañan a una reacción química se denomina Termoquímica !as reacciones químicas van acompañadas de trans"erencia de energía, que puede mani"estarse en "orma de calor absorbido #reacción endotérmica$ ó calor desprendido #reacción e%otérmica$ e%otérmica$ &eactivos '''''( )roductos (*' Calor Cuando una reacción se lleva a cabo a presión constante, los cambios de calor que ocurre ocurren n se se denom denomina inan n ental entalpía pía # +$ !a Entalpía de reacción se e%presa 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 e%otérmicos !a medida del calor intercambiado durante un proceso se reali-a mediante un calorímetro que b.sicamente es un dispositivo aislado con una c.mara 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 calor intercambiado El calor desarrollado por reacción u otro proceso "ísico /p en la camara de reacciónque se 0alla inicialmente a una temperatura T 1, act2a de tal modo que la temperatura fnal del calorímetro cambia 0asta T 3 )or el principio de conservación de la energía se puede e%presar4 Calor cedido por reacción u otro proceso "ísico 5 Calor ganado por el calorímetro El calor ganado por el calorímetro es4
Q p
=
ma ce agua (T 2
−
T 1 ) + mc ce cal (T 2
−
T 1 )
Donde4 ma es la masa del agua que rodea al erlenmeyer ce agua es el calor específco del agua mc es la masa de los componentes del calorímetro #vaso de precipitados, termómetro, agitador, etc$ ce cal es el calor específco promedio de los componentes del calorímetro i el calor ganado es igual al calor perdido4
Q p
Q p
=
ma ce agua (T 2
Q p
=
−
=
Q g
T 1 ) + mc ce cal (T 2
(ma ce agua + mc ce cal )(T 2
−
−
T 1 )
6 si defnimos defnimos la capacidad capacidad calorífca calorífca del calorímetr calorímetro o como4
T 1 )
C cal = ma ce agua + mc ce cal )odemos escribir la ecuación como4
Q p
=
C cal (T 2
−
T 1 )
De tal modo que conociendo la capacidad del calorímetro y las temperaturas inicial y fnal se puede determinar el calor cedido por la reacción ocurrida en el matraerlenmeyer En el proceso de calibración del calorímetro se determina la capacidad calorífca del calorímetro C cal En este proceso se introduce una masa m a de agua a temperatura de ebullición T b en el matra- erlenmeyer y se espera 0asta que el sistema alcance el equilibrio térmico con temperatura T 3 El calor perdido por el agua caliente en el matra- erlenmeyer ser.4
Q p
= −
mace agua (T 2
−
T b )
)or lo tanto4
Q p 6 el valor de C
= −
ma ce agua (T 2
−
T b ) = C cal (T 2
−
T 1 )
se puede calcular por4
cal
Ccal =
−
ma ce agua(T 2 (T 2
−
−
T b )
T 1 )
7ótese que la capacidad del calorímetro es "unción 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 e%perimental
3. MATERIALES Y REACTIVOS 3.1. ITEM 1 3 ; < = 9 > ? A 1: 11
3.2. ITEM 1
MATERIALES MATERIAL
CARACTERÍSTICA
Calorímetro 8aso de precipitados Termómetro Matra- erlenmeyer +ornilla 8aso de precipitado Termómetros @alan-a 8arilla de vidrio )iseta Es"eras met.licas
9:: cm 13= cm
CANTIDAD 1 1 1 1 1 3 3 1 1 1 1
;
;
3=: ml Eléctrica
REACTIVOS REACTIVO Bgua destilada
CARACTERÍSTICA
CANTIDAD =: g
3
+ielo
=: g
4. PROCEDIMIENTO a$ Construcción del calorímetro na caa de material aislante de apro%imadamente 1= cm % 1= cm % 1= cm, con espacio sufciente para que en el interior quepa un vaso de precipitados de 9:: cm; El matra- erlenmeyer #c.mara de reacción$ se colocar. en el interior del vaso de precipitados rodeado de agua El termómetro estar. en el agua que rodea a la c.mara de reacción untamente con un agitador para mantener la temperatura del agua uni"orme •
•
•
b$ Calibración del calorímetro )ermita que se estable-ca el equilibrio térmico en el calorímetro y registre la temperatura T1 Caliente =: cm; de agua a temperatura de ebullición Tb y añada al matraerlenmeyer Después que se 0a alcan-ado el equilibrio térmico, registre la temperatura de equilibrio T3 &etire el matra- erlenmeyer y determine la masa de agua introducida por di"erencia de peso entre el matra- lleno y el matra- vacío •
•
•
•
c$ Determinación del calor de "usión del 0ielo )ermita que se estable-ca el equilibrio térmico en el calorímetro y registre la temperatura T1 Bñada al matra- erlenmeyer lavado y seco varios cubos de 0ielo y permita que estos se "undan En el momento en que el ultimo tro-o de 0ielo 0aya "undido, registre la temperatura del agua que rodea al matra- T3 &etire el matra- erlenmeyer y determine la masa de 0ielo por di"erencia de peso entre el matra- lleno y el matra- vacío d$ Determinación del calor especifco de un metal Caliente la es"era de metal en la 0ornilla 0asta una temperatura alta Determine la temperatura de la es"era de metal con la termocupla Mida ;:: g de agua en el vaso de precipitados de 9:: cm; Determine la temperatura inicial del agua T1 ntrodu-ca cuidadosamente la es"era en el agua del vaso de precipitados Espere a que se alcance el equilibrio térmico Determine la temperatura fnal T3 e$ Determinación de la temperatura de equilibrio de una me-cla •
•
•
•
• • • • • • •
• • • • • •
5.
Mida 3=: g de agua en el vaso de precipitados Caliente el agua del vaso con la 0ornilla 0asta una temperatura entre <: y =: FC Determine la temperatura del agua Mida 1:: g de agua en el vaso de precipitados a temperatura ambiente Determine la temperatura del agua a temperatura ambiente Me-cle ambas muestras de agua y determine la temperatura de equilibrio con el termómetro
CÁLCULOS
•
Calcule la capacidad calorífca del calorímetro
e empleara el método de las me-clas El calor ganado por el calorímetro y el agua contenida en él es4
Q1=( mcal∗c cal + m1∗c a )∗( T eq −T 1 ) Defnimos como capacidad calorífca del calorimetro como4
C c =mcal ∗c cal
Calor ganado por el calorímetro y el agua contenida en él4 Calor cedido por el agua a mayor temperatura !a temperatura de equilibrio G Teq G se consigue luego que las dos porciones de agua se me-clan bien e intercambian calor 0asta llegar al equilibrio térmico /15'/3 Combinando las dos ecuaciones y despeando la capacidad calorífca del calorímetro4
Datos4 / masas Calor ganado m151<3;A g Calor perdido m3511<?A g )or lo tanto tenemos4
temperaturas T151AFC T35?>FC
cal ∗( 87− 40 ) ºC gºC cal −142.39 g∗1 gºC ( 40 −19 ) ºC
∗1
114.89 g
C c =
cal C c =114.74 ºC Calcule el calor de "usión del 0ielo Calor cedido por el calorímetro y el agua contenida en él4 •
Tem de equilibrio Teq5<:FC
Calor ganado por el 0ielo a menor temperatura, considerando el calor latente de "usion
Q2=q fusion + q sencible Q2= m2∗γ fusion + m2∗ c A∗(T eq −T 2) !a temperatura de equilibrio G Teq G se consigue luego que las dos porciones de agua y 0ielo se me-clan bien e intercambian calor 0asta llegar al equilibrio térmico '/15/3
−( C C + m ∗c A )∗( T eq −T ) =m ∗γ fusion + m ∗c A∗( T eq −T ) 1
γ fusion =
1
2
2
2
−( C C + m ∗c A )∗( T eq −T ) −m ∗c A∗(T eq −T ) 1
1
2
2
m2
Datos4 / Calor cedido Calor ganado
γ fusion =
masas m151?9>3 g m35=<3? g
temperaturas T151AFC T35:FC
−( 114.74 + 186.72∗1 )∗( 2−19 ) −54.28∗1∗( 2 −0 )
γ fusion =86.07
54.28
cal g
Comparando con el valor de bibliogra"ía que es de El error absoluto es del El error relativo es del
•
Tem de equilibrio Teq53FC
|
80
cal g 4
|
86.07 −80= 6.07
|6.07| ∗100 =7.58 80
Determinación del calor especifco de un metal
Calor ganado por el calorímetro y el agua contenida en él4 Calor cedido por el metal a mayor temperatura
Q 2=m 2∗cm∗( T eq − T 2 ) !a temperatura de equilibrio G Teq G se consigue luego que las dos porciones se me-clan bien e intercambian calor 0asta llegar al equilibrio térmico /15'/3
Combinando las dos ecuaciones y despeando calor especifco de un metal4
( C C + m ∗c A )∗( T eq−T )=−m ∗cm∗(T eq −T ) 1
c m=
1
2
2
−( C C + m ∗c A )∗( T eq −T ) m ∗(T eq −T ) 1
1
2
2
Datos4 / Calor cedido Calor ganado
(
− 114.74 c m=
masas m15<>:>< g m35=:9<1 g
temperaturas T151AFC T35===AFC
)
cal cal + 470.74 g∗1 ∗(25 −19 ) ºC ºC gºC
∗( 25 −55.59 ) ºC
506.41 g
c m= 0.22
cal gºC
Comparando con el valor de bibliogra"ía #del 0ierro $que es de El error absoluto es del El error relativo es del
•
Tem de equilibrio Teq53=FC
0.22
0.112
cal gºC 4
−0.112=|0.108|
|0.108| ∗100 = 49 0.22
Determinación de la temperatura de equilibrio de una me-cla
Calor ganado por el calorímetro y el agua contenida en él4 Calor cedido por el agua a mayor temperatura !a temperatura de equilibrio G Teq G se consigue luego que las dos porciones de agua se me-clan bien e intercambian calor 0asta llegar al equilibrio térmico /15'/3 Combinando las dos ecuaciones y despeando la la temperatura de equilibrio4
( C C + m ∗c A )∗( T eq−T )=−m ∗c A∗(T eq −T ) 1
T eq=
1
2
2
( C C + m ∗c A )∗T +m ∗c A∗T 1
1
2
2
C C + m1∗c A + m 2∗c A
Datos4 /
masas
temperaturas
Tem de equilibrio
Calor ganado Calor cedido
(=
T eq
m1513=A; g m351:?== g
T151?FC T35=:FC
Teq5;;FC
)
cal cal + 125.93 g∗1 ∗18 ºC + 108.55∗1∗50 ºC gºC cal cal cal 114.74 + 125.93 g∗1 + 108.55 g∗1 ºC gºC gºC
114.74
T eq=27.95 ºC Comparando con el valor obtenido e%perimentalmente que es de ;;FC4 El error absoluto es del
|
|5.05| El error relativo es del
|
33− 27.95 = 5.05
27.95
∗100 = 18
6. CONCLUSIONES •
• • • •
Comprobamos la ley de conservación de la energía en sistemas sin reacción química Calculamos la capacidad calorífca del calorímetro Calculamos el calor de "usión del 0ielo, consiguiendo un error mínimo Determinamos el calor específco de un metal Calculamos de manera teórica y e%perimental la temperatura de equilibrio de una me-cla, consiguiendo un error mínimo del 1?H
> BIBLIOGRAFÍA •
Iuía de laboratorio !'/MC'1:: , curso b.sico'ngeniería'MB
•
Iuía de laboratorio !'J'1:3 , curso b.sico'ngeniería'MB
