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FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA Y TEXTIL Laboratorio N°2 de Fisico!"#ica Fisico!"#ica I ENTALPÍA ENTALPÍA DE UNA REACCIÓN QUÍMICA 1) OBJE OBJET TIVO IVOS: Determinar el calor de reacción, entropía y energía libre de Gibbs.
2) FUND FUNDAM AMEN ENTO TO TEÓR TEÓRIC ICO: O: La función termodinámica llamada representa el flujo de calor en cambios químicos que se efectúan a presión o volumen constante. La entalpía, que denotamos con el símbolo H , es igual a la energía interna más el producto de la presión y el volumen del sistema !" # $ %& La entalpía es una función de estado porque la energía interna, la presión y el volumen son funciones de estado. 'upongamos a(ora que se efectúa un cambio a presión constante. #ntonces, )! " )* # $ %&+
ΔH= ΔE N+ PΔV #s decir, el cambio de entalpía está dado por el cambio de energía interna más el producto de la presión constante y el cambio de volumen. #l trabajo de epansión de un gas está dado por w " -P ) )V , así que podemos sustituir - w por P ) )V en la ecuación. demás, por la ecuación podemos sustituir )# por q $ w y obtener, para )!. )! " )# $ %)& " qp $ / 0 / " q p %odemos descomponer cualquier reacción en reacciones de formación tal como !icimos aquí. l (acerlo, obtenemos el resultado general de que el calor estándar de reacción es la suma de los calores estándar de formación de los productos menos los calores estándar de formación de los reactivos
ΔH° = Ʃ!ΔH°"#$%&'(%*) Ʃ,ΔH°"#-.(/0%*) 21) L- &- H-**: Dice que 3si una reacción se efectúa en una serie de pasos, ΔH para la reacción será igual a la suma de los cambios de entalpía para los pasos individuales” #l cambio total de entalpía para el proceso es independiente del número
de pasos y de la naturale1a específica del camino por el cual se lleva a cabo la reacción.
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FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA Y TEXTIL Laboratorio N°2 de Fisico!"#ica Fisico!"#ica I %or tanto, podemos calcular ) H para cualquier proceso, en tanto encontremos una ruta para la cual se cono1ca el )H de cada paso. #sto implica que podemos usar un número relativamente peque2o de mediciones eperimentales para calcular )H de un número enorme de reacciones distintas.
22) E!%$4. La entropía de un sistema guarda relación con su desorden. #l (ec(o de que podamos asignar un valor definido a la entropía de un sistema implica que, de algún modo, el desorden se puede cuantificar. #l cambio de entropía del entorno dependerá de cuánto calor absorba o desprenda el sistema. #n un proceso isot3rmico, el cambio de entropía del entorno está dado por
ΔS= 56*/* 7T 7T 28) E!-94. /;- &-
ΔG = ΔH 5 T ΔS
$
FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA Y TEXTIL Laboratorio N°2 de Fisico!"#ica Fisico!"#ica I 8) TRAT TRATAMIENT MIENTO O DE DAT DATOS: 1 E.;%. E.;%. '! 9"/(% 9"/(% &&- !/0- &- &- .9'. 0* /-,$% /-,$% .>. .>. '!. '!. 4!-. -(. -(. . .0?* .0?* &- .* $%(/%!-* /!/(/. "/!. &- .* ('0.* (%-*$%!&/-!-* . -*%* $-/%&%* •
De los datos obtenido en el laboratorio 6788
TABLA N°1 #DATOS RECO
•
'e pide obtener un gráfico del nivel del agua vs tiempo, del cual no tenemos el 8er dato, por ello debe ser calculado. %ara (allar el nivel del agua que desciende *altura ( del agua que baja+, utili1amos los siguientes datos, para la pipeta utili1ada *obtenidas en el laboratorio+
Donde ( "ltura que desciende el agua & " &olumen que desciende del agua base " 9rea de la base del cilindro (ueco interior de la pipeta.
•
:on estos datos obtenemos la nueva tabla de valores
%
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TABLA N°2 #CON DATOS DEL NIVEL DEL A
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:on esta tabla podemos ubicar los puntos del diagrama 6ivel del agua vs tiempo *sombreados en la tabla+ y tra1ar la recta ajustada respectiva, La cual es
&
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De igual manera para el volumen vs tiempo, obtenemos una gráfica similar a la anterior
2 C.('. C.('. - 0%',-! 0%',-! &&- 19 &- /-% /-% 19 &- .9'. .9'. (%! -%* -%* - (.,;/% (.,;/% &0%',-! -! . "'*/! &- 19 &- /-%#'*- - 9."/(% .!-/%)
'
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•
De los datos proporcionados en la guía de laboratorio
Densidad del (ielo a ;7:
Densidad del agua a ;7:
%(ielo " ;,<8=> g?mL %agua " ;,<<<< g?mL
:alor latente de fusión del (ielo a ;7:
:L @usion " A<,A cal?g
&olumen de (ielo &(ielo " 8g?*;,<8=> g?mL+
&(ielo " 8,;<8BB=C< mL
&olumen de agua &agua " 8g?*;,<<<
•
&agua " 8,;;;8;;;8 mL
De estos datos y la ecuación para la densidad % " m?& , podemos deducir que para una determinada masa EmF de (ielo, su volumen al fundirse, disminuye #ntonces en el eperimento reali1ado, la reacción eot3rmica del magnesio y el ácido sulfúrico, genera calor necesario para derretir el (ielo en el interior del calorímetro, disminuyendo gradualmente el volumen total dentro de este último. #n conclusión, - &-*(-!*% &- !/0- &- .9'. -! . $/$-. -$-*-!. . $-&/&. &- 0%',-! &- /-% . "'!&/*- . % .9% &- /-,$%
#l cambio de volumen del (ielo al fundirse es ) V " &(ielo - &agua " 8,;<8BB=C< mL - 8,;;;8;;;8 mL ) V = 112G2 ,L #-%/(%) %ara (allar el cambio de volumen eperimental, tomamos un intervalo relativamente grande de la tabla 67B, 67B, por el ejemplo los puntos t8*min+ t8*min+ " A H &8*mL+ &8*mL+ " ;,8
%agua " *m+?*&agua+
m " ;,<<<<*;,AA-;,8<+
m " ;,CA<<>B ;,CA<<>B g
!allando el volumen de (ielo, para esa misma masa %(ielo "*m+?&(ielo
&(ielo " ;,CA<<>B ? ;,<8=>
&(ielo " ;,=BJ>J8;8 mL
!allando la variación de volumen ) V ) V = V/-% 5 V.9'. = ;,=BJ>J8;8 mL 0*;,AA-;,8<+ mL
) V = G2118 G2118 #EK$-/,-!.)
8 C.('. - (.% /;-.&% ('.!&% ('.!&% 1 ,% &- M9 *- &/*'-0- -! - (/&% *'"/(%#1M) *'"/(%#1M) #'*- - 9"/(% .!-/%)
(
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:omo el descenso del agua representa la perdida de volumen del (ielo al fundirse, entonces si tomamos un intervalo de la Kabla Kabla 67B en donde se pueda apreciar un descenso notable de volumen, debido al calor de la reacción dada en el bulbo de vidrio, podremos compararla con la perdida de volumen que (ay en la fusión de 8g de (ielo.
#s decir
S/ $.. 19 &- /-% 8,;;;8;;;8 mL
L. $?&/&. &V%',-! . "'!&/*- -*
P.. 3N 9 &- /-%
L. $?&/&. &V%',-! . "'!&/*- *-:
) V = 8,;<8BB=C< mL ) V = 112G2 ,L
#N) #) V) = ,L ,L # P-&/&. &- 0%',-! &- /-% &'.!- . -.((/!)
•
De la Kabla Kabla 67B tomamos los puntos t8*min+ " C,B H &8*mL+ " ;,;<;; I, debido a que aquí se adiciono adiciono el agnesio al ácido, y tB*min+ " BA,> H &B*mL+ " ;,A< I, ambos tomados del siguiente gráfico
GM@N: 67 *LO' :NM:PLO' 6#GMO' N6DN:6, M#'%#:KNK#, #L :ON#6QO D# L M#::NO6 R #L %P6KO %MOSNDO #6 DO6D# #L !N#LO ! T'OM&NDO KODO #L :LOM LNT#MDO %OM L M#::NU6 R #L D#':#6'O D# GP #' :OO L N6N:NO+ •
De los puntos tomados de la gráfica 67
)
FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA Y TEXTIL Laboratorio N°2 de Fisico!"#ica Fisico!"#ica I S " &B 0 &8 " ;,A< 0 ;,;< S ";,A mL !allando E6F 6. ) V =
N #112G2 ,L) = ;,A mL dentro del calorímetroV N = 128 9 De (ielo se fundieron dentro
•
:on este dato podemos (allar el calor total liberado por la reacción eot3rmica entre el magnesio y el ácido sulfúrico
'ea la cantidad de calor absorbido por el (ielo para fundirse W rn" m(ielo . :L @usion W rn " *A,=J8=B=<< g + *A<,A *A<,A cal?g+
Q K! = 12 22G (. #l cual es num3ricamente igual al cambio de entalpia *) * )!rn+ )!rn " 512 22G (.
•
Luego para (allar el calor liberado en la reaccion de 8 mol de magnesio con ácido sulfúrico, plateamos la ecuación g*s+ $ !B'O>*ac+
*eceso+ 8mol
•
;,;;C mol 8 mo l
!B*g+ $ g'O>*ac+
)!rn
*#otermica+
5 12 22G (. )!
Obtenemos el calor liberado para la reacción con 8 mol de magnesio
Q = ΔH = 5122G188 (.7,%
*
FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA Y TEXTIL Laboratorio N°2 de Fisico!"#ica Fisico!"#ica I D--,/!. ΔS° $.. . -.((/! -K%?,/(. %ara la reacción g*s+ $ !B'O>*ac+ "X !B*g+ $ g'O>*g+ '87
'B7
'7
'>7
%ara (allar el )'7 usaremos la suma de entropías de los productos menos la suma de entropías de los reactivos )'7 " *'7 $ '>7+ - *' 87 $ 'B7+ )'7 " *8;,CJ $ <8,C>+ - *8>J,= $ B;,8+" C,>B 4?Y )'7" C,>B 4?Y #sto nos indica que (ay un aumento de entropía y esto se debe a que se forma un gas, que es el estado en el que (ay más desorden.
G H.. - (.,;/% &- -!-94. /;- &- B 4?Y+ )G " - 8B,BY4 #sto nos dice que a condiciones estándar la reacción va a ser espontanea
C.('. - (.,;/% &- -!.$/. &- -.((/! . . -,$-.'. &- °C (%! .* -('.(/%!-* &.&.* -! . /!%&'((/! -/(. 'abemos )!7 *reacción+ " Zn i *)!f 7+ 7+ i *productos+ - Zn j *)!f 7+ 7+ j *reactivos+ )!7 " *; $ *-8BA=,<<++ 0 *; $ *-<;<,++ " -=A,=< Y4 La variación de la entalpia de reacción con la temperatura se puede calcularH utili1ando )!B " )!8 $
[KB Z ni:pi *productos+ - Z n j:p j *reactivos+I dK
K8
-=A,=<" )!8 $ B<[B
A-;,;;;BK $ ;,>J.8; -=KBI )!8" -=A,=< $ 8A,=AC - 8,>BJ-;,;,<8A Y4
) DISCUS DISCUSIÓ IÓN N DE RESUL RESULT TADO: DO:
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FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA Y TEXTIL Laboratorio N°2 de Fisico!"#ica Fisico!"#ica I a+ Despu3s de la reacción, el magnesio no se desintegra en su totalidad, esto se debe a que se encuentra en mayor cantidad que el ! B'O>*ac+. 8. b+ #l calor liberado por la reacción no se utili1a por completo, ya que eiste una liberación al ambiente, esto se puede corroborar con las gráficas, las rectas presentes verifican la eistencia de pendientes distintas el cual se deduce q la energía del sistema varía. c+ Los factores que alteran el rendimiento se encuentra como la fusión del (ielo rápidamente y así no conserva por mayor tiempo la temperatura del sistema, las impure1as en el g*s+.
G) OBSERVACIONES: a+ #iste #isten n impu impure1 re1as as en el el (iel (ielo o b+ 'e debe meter meter el (ielo con con cuidado cuidado y tratando tratando de llenar todo todo el espacio espacio posible posible ya que esto influirá muc(o en la velocidad de descenso c+ l inicio inicio la rapide1 de descenso descenso en el tubo tubo es peque2a*;,C peque2a*;,C mL?s+ mL?s+ d+ l adicionar adicionar ;.BC ;.BC g de magnesi magnesio o la rapide1 rapide1 de descens descenso o aumenta aumenta a B mL?s e+ %asado %asado un tiempo tiempo ya se observ observa a el flujo flujo constante constante igual igual que al inicio
) CONC CONCLU LUSI SION ONES ES:: a+ #l descenso descenso del nivel nivel del agua agua en la pipeta represe representa nta la perdida perdida de volumen volumen del (ielo al fundirse a lo largo del tiempo. b+ Debido Debido a que el diámetro diámetro de la pipeta pipeta es muy peque2o, peque2o, la altura altura que descie desciende nde el agua no se aleja muc(o del valor del volumen que baja en la pipeta, lo cual comprobamos en la similitud que eiste en las gráficas 6ivel del agua vs tiempo y &olumen &olumen vs tiempo c+ #l valor valor de la variación variación de volumen volumen )& )& y )! obtenido obtenido con la tabla tabla 67B y el grafico grafico 67, respectivamente, son menores que los obtenido teóricamente, esto debido a que eisten variaciones tanto dentro del calorímetro*tierra, burbujas de aire, impure1as del agua de ca2o+ y fuera de est3*aire que entra, impure1as que entran, etc+ que provocan error en lo cálculos (aciendo que el (ielo se derrita menos de lo que debería. d+ La reacción reacción se se produce produce liberando liberando calor *)!\;+ *)!\;+ y formando formando un un gas*)'X;+ gas*)'X;+ debido debido a esto es que tenemos una reacción espontánea.
) BIBLIOB-8>=.
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FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA Y TEXTIL Laboratorio N°2 de Fisico!"#ica Fisico!"#ica I B.-Tro/ B.-Tro/n, n, K(eodo K(eodore re L. Kermoquí rmoquímic mica. a. 6ovena 6ovena edició edición. n. #ditor #ditorial ial eica eicana. na. 3ico B;;>. %ág.8=-8A>, AC>-ACC. .-%etrucc .-%etrucci,i, Malp( !. Kermoquí ermoquímica. mica. Octava Octava edición. edición. #ditorial #ditorial %rentice %rentice !all. adrid B;;. %ág. B<-B>.
) APENDICE: A$/(.(/%!-* /!&'*/.-* &- . -!.$4. &- -.((/!: R-"/9-.(/! &- C%,$-*/! &- V.$% #l refrigerante entra al compresor como un vapor ligeramente sobrecalentado a baja presión. 'ale del compresor y entra al condensador como vapor a presión ligeramente elevadaH llí se condensa como resultado de la transmisión de calor al agua de enfriamiento o al ambiente ambiente eterior. eterior. #l refrigerante entonces sale del condensador como líquido a alta presión. La presión del líquido decrece al fluir a trav3s de la válvula de epansión y, como resultado, parte del líquido inmediatamente se vuelve vapor. #l líquido restante, a(ora a presión baja, se evapora en el evaporador como resultado de la transmisión de calor del espacio refrigerado. r efrigerado. #ntonces, este vapor entra al compresor.
Nmagen 678 figura de ciclo simple de refrigeración de compresión de vapor
P.!. S/,$- &- V.$%:
#l vapor sobrecalentado a alta presión presión sale sale de la caldera , que es un elemento del generador de vapor y entra a la turbina. #l vapor se epande en la turbina y mediante esto efectúa un trabajo trabajo,, lo cual (ace que la turbina mueva un generador el3ctrico. #l vapor a
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FACULTAD DE INGENIERÍA QUIMICA Y TEXTIL Laboratorio N°2 de Fisico!"#ica Fisico!"#ica I baja presión sale de la turbina y entra al condensador, en donde el calor es es transmitido del vapor *(aciendo que se condense+ al agua agua de de enfriamiento. Debido a que se requieren cantidades muy grandes de agua, las plantas plantas de de fuer1a fuer1a están están situadas cerca de los ríos o los lagos. :uando el agua disponible es limitada, podrá utili1arse una torre de enfriamiento.
Nmagen 67B @igura esquemática de diagrama de planta de vapor.
