CALOR DE REACCION LEY DE HESS
CALOR DE REACCION LEY DE HESS
J. Díaz S; J. Mendoza
UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO Km 7, Vía Puerto Colombia
RESUMEN En nuestra experiencia realizada realizada en el laboratorio efectuamos efectuamos una serie de mediciones de temperatura. temperatura. A partir partir de reacciones químicas diferentes dentro de las que encontramos las siguientes: Agua destilada con hidróxido de sodio en estado sólido, Hidróxido de sodio en estado sólido con acido clorhídrico, Hidróxido de sodio en estado liquido con acido clorhídrico. Cada reacción se efectuó dentro de un recipiente denominado “calorímetro” el cual poseía un pequeño orificio donde introducíamos el termómetro para medir la temperatura en cada reacción. Y de esta manera hacíamos varias mediciones tomando intervalos de tiempo de 2 minutos hasta que cada reacción alcanzara la temperatura ambiente.
INTRODUCCIÓN
EXPERIMENTACION
La termodinámica nos permite determinar cómo cambiarán las reacciones químicas en función de la temperatura y cómo los cambios en la estructura de las moléculas pueden afectar a las propiedades de equilibrio de una concentración de dichas moléculas. Dentro de los términos que involucran los sistemas termodinámicos encontramos el concepto de entalpia el cual expresa la variación medida de la cantidad de energía de energía absorbida o cedida por un sistema un sistema termodinámico, o termodinámico, o sea, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.
Materiales y reactivos:
Mediante esta experiencia de laboratorio intentaremos demostrar los cambios en la entalpia de ciertas sustancias, además a través de los datos obtenidos determinar y demostrar lo que se conoce como ley de HESS. 1
Balanza Calorímetro Probetas de 100 ml Termómetro de 0 - 100ºC NaOH (Hidróxido de sodio) Solución de NaOH 0.5 M Solución de HCL 0.5 M
PROCEDIMIENTO Lo realizado en el laboratorio se baso primero en contar con los materiales necesarios para el desarrollo de nuestra experiencia. En este laboratorio prepararíamos tres soluciones diferentes, la primera era una solución de de NaOH (Hidróxido de sodio) y agua destilada. Lo primero que hicimos fue medir con ayuda del termómetro la temperatura ambiente del sistema lo que tomaríamos como la temperatura inicial, el dato arrojado
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fue que la temperatura ambiente era de 30º C, luego de esto procedimos a realizar las mediciones, tomamos la probeta y con ellas medimos 100 ml de agua destilada y por otra parte medimos rápidamente para que no se hidratara 1 g de NaOH, una vez listas las sustancias a trabajar vertimos en el calorímetro las dos sustancias a reaccionar en primera instancia, es decir al agua destilada y el hidróxido de sodio en estado solido. Reacción Nº 1
NaOH(s) + H2
Na
+
(ac) +
-
OH
(ac)
El hidróxido de sodio se disuelve en agua para formar una solución acuosa de iones sodio e iones hidróxidos. Una vez mezcladas las dos sustancias se agitó suavemente con el termómetro de forma rápida para que la solución no perdiera calor, y tomamos la temperatura máxima que alcanzó la solución, el dato fue que la solución alcanzó una temperatura de 32º C. Luego de esto con ayuda de un cronometro se midió el cambio en la temperatura de la mezcla en intervalos 2 minutos. Sin embargo solo notamos un cambio de temperatura en el siguiente intervalo inmediato al tomado por primera vez y solo la diferencia fue de 1ºC y luego nuestra medición cayó en una constante de 31ºC durante un intervalo de unos 12 minutos y finalmente después de ese tiempo la solución alcanzó nuevamente la temperatura inicial tomada que era 30º C. Reacción Nº 2
NaOH(s) + H 3O -
Cl (ac) + 2H2O 2
+ (ac)
-
+ Cl (ac)
+
Na
El hidróxido de sodio sólido reacciona con el ácido clorhídrico diluido para generar una solución acuosa de cloruro de sodio y agua. En nuestra segunda reacción nuevamente medimos 1 g de NaOH con las misma recomendaciones de la primera reacción y por otro lado 10 ml de HCL (ácido clorhídrico) nuestra idea era llevar nuevamente la reacción desde la temperatura ambiente para luego tomar la temperatura máxima alcanzada por la solución durante la reacción, elaboramos los mismos pasos realizados en la primera experiencia, vertemos las dos sustancias en el calorímetro agitamos rápidamente y medimos la temperatura, cabe anotar que la temperatura ambiente experimentada durante esta reacción es la misma que la de la primera (30ºC), la temperatura arrojada por la solución fue de 52ºC, por lo que aquí podemos observar como la solución alcanzó una temperatura mas alta con respecto a la primera muestra. Para este reacción tomamos nuevamente el cronometro y medimos cada 2 minutos el cambio en la temperatura de la mezcla, en los primeros 2 minutos bajo de 52º c a 42ºc bajando durante este tiempo 10ºC y fue bajando posteriormente de 3ºC en 3ºC hasta los 36ºC y de ahí volvió a manejar otros valores de menor cantidad como 2ºC por intervalo y finalmente 1ºC hasta llegar a la temperatura ambiente. Reacción 3: +
(ac) (ac) +
-
+
Na (ac) + OH ac) + H3O (ac) + Cl +
-
Na (ac) + Cl (ac) + 2 H2O
-
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La solución acuosa de hidróxido reacciona con el ácido clorhídrico para generar una solución acuosa de cloruro de sodio y agua. Para esta reacción tomamos 10 ml de HCL y 10 ml de NaOH, tomamos la temperatura inicial de cada sustancia la cual era de 29ºC y la temperatura ambiente del miedo la cual coincidencialmente la misma. Procedimos a verter como en los dos primeros casos ambas sustancias en el calorímetro agitamos suavemente y medimos la temperatura máxima alcanzada por la muestra, la cual fue de 34ºC. De igual manera también realizamos las distintas mediciones con el termómetro con los mismos intervalos de tiempo obteniendo como resultado que disminuía de forma que no tardo mucho en alcanzar la temperatura ambiente debido a que lo que obtenemos en la reacción es una sal acuosa y agua por tanto la temperatura baja normalmente en este caso de 34ºC a 31ºC, luego de 2 minutos hasta llegar a los 29ºC que es la temperatura ambiente en tan solo 3 intervalos, es decir, en 6 minutos.
DATOS Y RESULTADOS A continuación, se refleja en la tabla los datos experimentales obtenidos durante la práctica realizada. Muestra
Temperatura Inicial (ºC)
Temperatura Final (ºC)
1g de NaOH en 100 ml H2O
30
32
1g de NaOH en 10 ml de HCL
30
52
10 ml de NaOH en 10ml de HCL
29
34
3
Para la solución de NaOH en agua
Tiempo Temperatura (minutos) en °C 0 2 4 6 8 10 12 14
30 32 31 31 31 31 31 30
Para la solución de NaOH solido en HCL
Tiempo en minutos
Temperatura en °C
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
30 52 42 39 36 34 33 32 31 31 31 30 29
Para la solución de NaOH liquido en HCL
Tiempo Temperatura (minutos) en °C 0 2 4 6 8 10 12 14
29 34 32 30 30 30 30 29
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ANALISIS La temperatura inicial del HCL (acido clorhídrico) y del NaOH (hidróxido de sodio) fueron de 29ºC para ambos casos. A partir de los datos obtenidos durante la experiencia se realizaron las graficas de Temperatura vs tiempo. A partir de estas, podemos observar que la temperatura se hace constante luego de un periodo determinado, y que al volverse constante la línea queda por encima del punto inicial (temperatura inicial del sistema).
PREGUNTAS Para efectuar las medidas y los cálculos respectivos se hace necesario cierta consideración: el calor requerido para elevar la temperatura de un mililitro de solución es el mismo que el calor requerido para producir la misma elevación de temperatura en un gramo de agua. Esta es valida ya que estamos trabajando con soluciones acuosas diluidas. Dicho esto, se halla el calor total cedido o absorbido en las reacciones por la ecuación:
Mientras que el cambio de entalpia para las reacciones se halla por la ecuación:
∆ =
Donde n es el número de moles de la sustancia.
Reacción Nº 1 = =
. /
= 0.025 / Volumen del agua: 100 ml de H2O = 100 g de H2O Los gramos de la solución serán: 100 g de H2O + 1 g de NaOH = 101 g de solución. Utilizaremos la formula: Q = m.Cp.∆T
Q = m.Cp.∆T Donde m es masa del sistema, que en nuestro caso la tenemos en cuenta de la ley de conservación de las masas: "Durante un cambio químico no existe cambio en la masa de los reactivos al convertirse en productos". C p es la capacidad calorífica del sistema y ∆T es la variación de temperatura. 4
= 101 ∗
1 . ∗°
∗ (32° 30°)
Q = 202 Cal = 0.202 Kcal Hallamos ∆H (Cambio en la entalpia) Utilizamos la ecuación:
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∆1 =
= 1.182 ó
Donde n representa el número de moles de la sustancia. ∆1 =
0.202 0,05
= 4,04 /
Hallaremos los gramos del HCL (acido clorhídrico), a través de la formula de molaridad así:
0.5 =
= 1.182
1 º
(52º 30º )
26,004 = 0.026 Hallamos ∆H 2 (Cambio en la entalpia)
Reacción Nº 2
=
Q = m.Cp.∆T
0.01
∆2 =
∆2 =
0.026 0.025
= 1.04 /
Reacción Nº 2
0.5 . 0.01 =
Hallamos los moles de HCL
= 0.005
=
Entonces: =
0.005 .
36.453
0.01
= 0.005 =
= 0.182 Gramos de la solución: 1 g de NaOH + 0.182 de HCL 5
0.5 =
Gramos del HCL 0.005 .
36.453
= 0.182
=
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Ahora hallamos los moles de NaOH =
0.5 =
0.01
= 0.005 Calculamos la masa del NaOH. 0.005 .
40.00
=
= 0.2 Entonces la masa de la solución es: 0.2 g de NaOH + 0.182 g de HCL = 0.382 ó.
anteriores demostramos la aplicabilidad de la Ley De HE S S . Que dice: “Si una serie de reactivos (por ej. A y B) reaccionan para dar una serie de productos (por ej. C y D), la cantidad de calor involucrado (liberado o absorbido), es siempre la misma, independientemente de si la reacción se lleva a cabo en una, dos o más etapas; siempre y cuando, de presión y las condiciones temperatura de las diferentes etapas sean las mismas” La ley de Hess se utiliza para predecir el cambio de entalpía en una reacción ΔHr”
()
+ − () ()
∆ = 8,16 / () (+) (−) → (+) (−) 2 ∆ = 0,337 / (+) (−) (+) (−) → (+) (−) 2
Q = m.Cp.∆T
∆ = 0,153 / = 0.382
1 º
(34º 29º )
1.91 = 1.91 10-3 ∆3 =
∆3 =
Ahora sumamos cada término de la ecuación así: 2() 2 (+) 2(−) + − () () + − − → 3() () 2() 4
0.00191 0.025
Reducimos los términos obtenemos: + + 2() 2 () → 2 () 4
= 0.0764 / Una vez calculado los cambios en las entalpias de las tres reacciones 6
Esta ecuación también podemos escribirla así: + + () () → () 2
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La ley de Hess determina esta ecuación:
∆ = 212.8 94.1 136.6
∆ = ∆ ∆ ∆
∆ = 17.9
Entonces reemplazamos. = 8,16
∆ = 8,65
0,337
0,153
A partir de los respectivos cambios de entalpia a 25º C para las siguientes reaccione de combustión calcule el cambio de entalpia para la formación de un Mol de Metano CH4) a 25ºC a partir de los elementos C (s) e H2(g) CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) ∆ = 212.8 CO2 (g)
2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (l) ∆ = 136.6 Como se nos pide hallar el cambio en la entalpia del metano a partir de los elementos C (s) e H2(g) revertimos la reacción por ende la entalpia de esta cambia de negativa a positiva así: CO2 (g) + 2H2O (l) ∆ = 212.8
CH4 (g) + 2O2 (g)
Sumamos los términos de cada ecuación: CO2 (g) + 2O 2 + C (g) +2H2O (l) + 2H2 CO2 (g) + 2H2O (l) + CH4 (g) + (g) 2O2 (g) C
(s)
7
+ 2H2(g)
CONCLUSIONES
C (s) + O2 (g) ∆ = 94.1
∆ = ∆ ∆ ∆
CH4 (g)
De nuestra experiencia realizada podemos decir que se nos presenta un proceso endotérmico debido a que la temperatura de nuestras reacciones aumenta en forma elevada y luego llega a un punto donde empieza a disminuir en algunos casos de manera paulatina es decir lentamente en intervalos pequeños de temperatura con el transcurrir del tiempo como en la primera reacción y la tercera pero en la segunda reacción podemos observa que en esta la temperatura se eleva de manera desproporcionada llegando hasta los 52ºC y luego disminuye de igual manera desproporcionada solo que después con el transcurrir del tiempo también baja lentamente a este proceso endotérmico en el cual estas reacciones aumentan sus temperaturas y luego disminuyen de manera discontinua se denomina entalpia.
ANEXO REACCION Nº 1
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Solucion de NaOH en agua
En esta grafica del HCL notamos que despues de 2 minutos alcanza una temperature de 52ºC, luego empieza a descender y permanence constante en 31ºC durante 6 minutos hasta volver a 30º C temperature inicial.
32.5 32 31.5 r
31 r
t
º(
)
RACCION Nº 3 Solucion de NaOH con HCL
30.5 35
30
34
29.5 0
5
10
15
33 º(
)
32 r
Tiempo (Min) t r
En la grafica de temperatura vs tiempo podemos observar que desde la temperatura ambiente la cual es de 30º C llega hasta 32º C, y empieza bajar nuevamente luego durante un intervalo de 10 minutos permanece constante en 31º C, después de 14 minutos alcanzó la temperatura ambiente del sistema. REACCION Nº 2
Solucion de HCL en agua
50
29 28 0
r
20 10
0 0
8
15
Chang, Raymond Química. Edición # 9, 2004 Diccionario de química Larouse Enciclopedia océano color. Tomo 4. Editorial Océano, 1999. http://es.wikipedia.org/wiki/So lubilidad
30 t
10
Finalmente en la grafica de NaOH con HCL, observamos que la maxima temperature que alcanza la solucion es de 34ºC, permanence constante en 30º C y alcanza luego de 14 minutos la termperatura ambiente que es 29ºC.
r
5
Tiempo (Min)
40 º(
30
BIBLIOGRAFIA
60
)
31
10
20
Tiempo (Min)
30
