FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES CURSO BASICO
LABORATORIO 3 CALOR DE NEUTRALIZACION NOMBRE: UNIV.STEFANY MICHELLE HUANCA CHOQUE DOCENTE: Ing. Cusi
FECHA DE ENTREGA: 09 de NOVIEMBRE de 2017 LA PAZ-BOLIVIA
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CALOR DE NEUTRALIZACIÓN
Índice general: 1. Objetivo general………………………………………………………………2 2. Objetivos específicos………………………………………………………...2 3. Fundamento teórico…………………………………………………………..2 3.1. Neutralización Acido-Base…………………………………………….2 3.2. Calor de Reacción……………………………………………………...3 3.3. Calor de Neutralización ………………………………………………..3 3.4. Calores de solución y dilución ………………………………………...4 3.5. Mediciones calorimétricas ……………………………………………. 5 4. Materiales equipos y reactivos …………………………………………….. 6 4.1. Materiales……………………………………………………………….6 4.2. Equipos………………………………………………………………….6 4.3. Reactivos………………………………………………………………..6 5. Diagrama de procesos ………………………………………………………7 6. Cálculos, resultados y graficas…………………………………………….. 8 6.1. Preparación de soluciones ……………………………………………8 6.2. Estandarización de soluciones ………………………………………..9 6.3. Capacidad calorífica …………………………………………………..10 6.4. Calor de dilución (NaOH-AGUA)…………………………………….11 6.5. Determinación de calor de neutralización …………………………..13 7. Conclusiones…………………………………………………………………15 8. Recomendaciones………………………………………………………….. 15 9. Bibliografía……………………………………………………………………15 10. Anexos………………………………………………………………………..16 Índice de tablas: TABLA 1…………………………………………………….. 9 TABLA 2…………………………………………………….. 9 TABLA 3……………………………………………………..10 TABLA 4……………………………………………………..11 TABLA 5……………………………………………………..12 TABLA 6……………………………………………………..13 TABLA 7……………………………………………………..14
Índice de graficas: GRAFICA 1. Capacidad Calorífica ……………………….10 GRAFICA 2. Calor de dilución HCl – AGUA…………….11 GRAFICA 3. Calor de Dilución NaOH – AGUA…………12 GRAFICA 4. Calor de Neutralización ACIDO + BASE …13 GRAFICA 5. Calor de Neutralización BASE + ACIDO …14
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CALOR DE NEUTRALIZACION 1. OBJETIVO GENERAL Determinar el calor de Neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte.
2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2.1 Calcular la capacidad calorífica del calorímetro 2.2 Determinar el calor de dilución de la base fuerte 2.3 Comparar los valores de las entalpías experimentales con los valores bibliográficos 2.4 Preparar y estandarizar soluciones de ácido clorhídrico e hidróxido de sodio 3. FUNDAMENTO TEÓRICO Definitivamente este experimento tiene como base la neutralización ácido base, así como el calor de reacción.
3.1 . Neutralización ácido – base “Se tiene una solución de un ácido fuerte como el HCI con una base fuerte como el NaOH
HCI + ácido
NaOH base
NaCl + sal
H2O agua
Tanto el ácido como la base son electrolitos fuertes disociados en un 100%. En consecuencia se puede considerar que en realidad lo que se hace es añadir iones OH ˉ a solución de H + que se neutralizan según la reacción:
H+
+
OHˉ
H2O
Se llama reacción de neutralización ya que si se añade la cantidad suficiente de base para reaccionar con todo el ácido, la solución se vuelve neutra” 1
1
FISICOQUÍMICA, CANALES Margarita, 1999, Pag. 166
3
3.2 . Calor de Reacción “Si tiene lugar una reacción química en un sistema, la temperatura del sistema inmediatamente después de la reacción es en general diferente a la temperatura inmediata anterior a la reacción. Para que el sistema recupere su temperatura inicial, debe fluir calor desde o hacia el entorno. Si el sistema está más caliente después de la reacción, debe fluir calor hacia el entorno para recuperar su temperatura inicial. Si el sistema está más frio después de la reacción, debe fluir calor desde el entorno para que el sistema recupere su temperatura inicial. El calor de una reacción es el calor tomado del entorno en la transformación de reactivos a Temperatura y Presión a productos a las mismas condiciones de Temperatura y presión” 2
3.3 . Calor de Neutralización Toda transformación química es acompañada de absorción o liberación de energía manifestada o liberación de energía manifestada en forma de calor clasificándose así en procesos exotérmicos y endotérmicos. Las Leyes de la termoquímica están basadas en el principio de conservación de energía. La Ley de Lavoisier y Laplace indica: “El cambio térmico que acompaña a una reacción química en un sentido es de magnitud exactamente igual, pero de signo opuesto, al asociado a la reacción cuando se verifica en sentido opuesto ”3
Por su parte la Ley de Hess: “Cuando los reactivos se convierten en productos, el cambio de entalpía es el mismo independientemente de que se afecte la reacción en un paso o en una serie de pasos”4
El calor de neutralización es definido como el calor de un mol de cualquier ácido es neutralizado por una base. Este valor tiene un valor constante: H+
+
OHˉ
H2O
; H= -17.3 Kcal mol
2
FISICOQUÍMICA, CASTELLAN V. Gilbert, 1998, Pág. 136 TERMODINÁMICA QUÍMICA, MOVILLA J.L., 2005, Pág. 147 4 QUÍMICA GENERAL, CORONEL L.G., 2015, Pág. 199 3
4
“La constancia en la entalpía de neutralización, se entiende fácilmente cuando se recuerda que los ácidos y bases fuertes y las sales están completamente disociados en sus soluciones diluidas; y, en tal consecuencia el efecto químico común a todas estas neutralizaciones que es sustancialmente el único cambio responsable para el efecto término observado, es la unión de los iones hidratados hidrógeno e hidroxilo para femar agua no ionizada ”5 “En la neutralización de soluciones diluidas de ácidos débiles y bases débiles el calor desprendido es menor. Por ejemplo, en la neutralización del ácido acético con NaOH, el calor desarrollado es de sólo 13300 cal/mol. La diferencia de calor no desarrollado puede ser interpretada como el calor requerido para completar la disociación del ácido acético en iones H + y CH 3COO a medida que la reacción de neutralización tiene lugar 6”
De forma general se tiene: ∆HN = ∆HDISOCIACIÓN + ∆HFORMACIÓN EC (1)
También: ∆HN =
-Q reacción
EC (2)
∩RL
Dónde: ∩RL: # de moles de reactivo limitante
de reacción ácido base
3.4 . Calores de solución y dilución El calor de solución es la variación de entalpía relacionada con la adición de una cantidad determinada de soluto a una cantidad determinada de solvente a temperatura y presión constantes. El cambio de estados se representa por 7: X
+ nAq
XnAq
5
TERMODINÁMICA QUÍMICA, MOVILLA J.L., 2005, Pág. 153 CALORES DE SOLUCIÓN, UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, 2002, Pág. 36 7 FISICOQUÍMICA, CASTELLAN G.W., 1998, Pág. 144 6
5
Por lo que el calor de dilución depende de su concentración original y de la cantidad de disolvente añadido. “El calor diferencial de solución puede interpretarse como la variación de entalpía resultante de la disolución de un mol (soluto, solvente) en una cantidad muy grande de solución de la concentración especificada ”8
3.5 . Mediciones calorimétricas La medida de los cambios de calor que acompañan a las reacciones químicas, se realiza, en los casos más comunes en un espacio o cámara en la cual se desarrolla la reacción. Los equipos destinados a realizar estas medidas se llaman calorímetros.
“ A presión constante, la primera ley para cualquier transformación en el calorímetro es ∆H = Qp = 0
EC (3)
El cambio de estado puede representarse:
K(T1) + R(T2)
K(T2) + R(T2)
EC (4)
Donde K simboliza al calorímetro, R los reactivos y P los productos. Como el sistema está aislado, la temperatura final T 2 difiere de T 1; ambas deben ser medidas con la máxima exactitud posible mediante un termómetro sencillo”. 9
8
CALORES DE SOLUCIÓN, UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, 2002, Pág. 36 FISICOQUÍMICA, CASTELLAN G.W.,1998, Pág. 151
9
6
4. Materiales, Equipos y Reactivos 4.1Materiales -
Vaso dewar de 500 ml Pipetas graduadas de 1ml, 5 ml 2 pipetas volumétricas de 25 ml 2 Matraces aferrados de 500 ml 2 Matraces aferrados de 50 ml 3 Matraz Erlenmeyer de 250 ml 2 vidrios reloj 2 Espátulas 3 vasos de PP. de 100 ml 3 Buretas graduadas de 25 ml 3 Soportes Universal 3 Pinzas porta bureta 2 Pipetas de plástico 2 Propipeta 1 probeta graduada de 50 ml Masquín
4.2. Reactivos -
Ácido clorhídrico (HCI) Carbonato de sodio (Na2CO3) Hidróxido de sodio (NaOH) Fenolftaleina Naranja de Metilo Agua destilada
4.3. Equipos -
2 Balanza digital Termómetro digital
7
5. Diagrama de procesos 0,1 N
HCI
Preparar soluciones HCI
0,1 N
HCI
2N
NaOH 0,1 N Indicador
NaOH
2N
NaOH / Na2CO3 0,1 N 0,1 g
T [°F] ------H20
NaOH
Dilución HCl/NaOH
Neutralización
HCl
Cap. Calorífica
2N
+ [S]
KCl
HCl lN
H2O
NaOH 2N
8
6. Cálculos, Resultados y Gráficas 6.1. Preparación de soluciones 50 ml HCl 2N 50ml HCl
x
2eq-g HCl 1000ml HCl
x
36,5 gHCl leq-g HCl
x
100gHCl 37gHCl
x
1mlHCl 1,19 gHCl
= 8,3 mlHCl
50 ml NaOH 2N 50ml NaOH x
2eq-g NaOH 1000ml NaOH
x 40 g NaOH x 100gNaOH = 4,04 g NaOH leq-g NaOH 99gNaOH
500 ml HCl 0,1N
NHCl VHCl = NHCll VHCll VHCl =
NHCll VHCll NHCl
VHCl =
0,1 N x 500 ml 2N
VHCl =
25 ml HCl
500 ml NaOH 0,1N
NNaOH VNaOH = NNaOHl VNaOHl NNaOHl VNaOHl V NaOH = NNaOH
V NaOH =
0,1 N x 500 ml 2N
V NaOH =
25 ml NaOH
9
6.2. Estandarización de soluciones TABLA 1 (Acido) VHCl [ml]
MNa 2CO3 [g]
CN
26,5 24,7 27,0
0,110 0,105 0,100
0,078 0,080 0,077
VH2O [ml] 20,0 20,0 20,0
Masa de Na2CO3 utilizada: 20ml sol
x
Oileq-g HCl 1000ml sol
x
leq-g Na2CO3
x
leq-g HCl
106 g Na2CO3 2eq-g Na2CO3
= 0,105 g Na2CO3
Concentración real de HCl 0,105 g Na2CO3 24,7 ml HCl
x
1000 mlHCl 1lHCl
x
2eq g Na2CO3 x 106 g Na2CO3
TABLA 2 (Base) VHCl [ml] CHCl [N] 30,6 0,078 30,2 0,077 30,5 0,080
leq-g HCl leq-g Na2CO3
= 0,08 N
VNaOH[ml] CNaOH[N] 25,00 0,095 25,0 0,094 25,0 0,095
Concentración real de NaOH
NNaOH =
NHCl VHCl VNaOH
NNaOH =
0,08 N x 30,5 ml 25 ml
NNaOH =
0,095 N
NNaOH =
NNaOHr VNaOH VNaOH
NNaOH =
0,095 N x 500 ml 25 ml
NNaOHr =
1,9 N
Concentración real de NaOH (2N)
10
6.3. Capacidad calorífica TABLA 3 N° Tf (H2O + KCl) °F 1 71,92 2 71,99 3 72,02 4 72,03 5 72,03 6 72,03 7 72,01 8 72,01 9 72,00 10 71,99 11 71,99 12 71,98 13 71,99 14 71,99 15 71,99 16 71,99
Ø[S] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Datos: ti (H2O) = 69,44° F
T (°C) 72.04
QN = 4400 cal mol
Capacidad Calorífica T vs. t
72.02 72 71.98
mkcl = 2,023 g
71.96
∆t = 22,22 – 20,8 = 1,42°C
71.94 71.92
K=
Q . n ∆t
K=
4400 . 2,023 74,59 (1,42)
K=
84,04 cal °C
t
71.9 0
50
100
150
200
11
6.4. Calor de dilución TABLA 4 N° Tf (HCl + H 2O) °F 1 70,52 2 70,50 3 70,49 4 70,47 5 70,46 6 70,45 7 70,46 8 70,46 9 70,46 10 70,46 11 70,46 12 70,46 13 70,46 14 70,46 15 70,46
Ø[S]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
∆HD =
∆HD = ∆HD =
-Q dil
nHCl
=
-K∆t
nHCl
-84,04 (0,567) 5x C0-3 (1,6) -5956,33 cal mol
Datos: ∆t
= tt - ti
∆t = 21,36 – 20,8 ∆t = 0,567 °C
T
Calor de dilucion HCl - AGUA
70.53 70.52 70.51 70.5 70.49 70.48 70.47 70.46 70.45 70.44
t(s) 0
50
100
150
12
TABLA 5 N° tf (NaOH + H2O) °F 1 70,36 2 70,28 3 70,20 4 70,17 5 70,15 6 70,11 7 70,11 8 70,10 9 70,10 10 70,10 11 70,10 12 70,13 13 70,13 14 70,15 15 70,14 16 70,15 17 70,15 18 70,16 19 70,15 20 70,15 21 70,15 22 70,15 23 70,15 24 70,15
Datos: ∆tl = tf l – tol ∆tl =
21,19 – 20,8
∆tl = 0,39 °C
Ø[S] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
∆HD =
∆HD = ∆HD =
-K∆tl
nNaOH
-K∆t
=
nHCl
-84,04 (0,39) 5x C0-3 (1,9) -3450,06 cal mol
Calor de Dilución NaOH - AGUA
T (°C) 70.4 70.35 70.3 70.25 70.2 70.15 70.1
t (s)
70.05 0
50
100
150
200
250
13
6.5. Calor de neutralización Ácido fuerte – Base Fuerte
TABLA 6 N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
t (AC + BASE) °F 75,44 75,46 75,48 75,50 75,50 75,51 75,52 75,52 75,53 75,53 75,53 75,53 75,53
Calor de Neutralización ACIDO + BASE
T
Ø[S]
75.54
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
75.52 75.5 75.48 75.46 75.44
t
75.42 0
50
100
150
Na OH + HCl = NaCl + H2O 5 ml sol x 150 ml sol x
1,6 eq-g HCl 1000 ml sol 0,095 NaOH 1000 ml sol
= =
8 x CO-3 mol HCl 0,014 mol NaOH
QN = K∆T - Qn QN = K∆T - K∆TI QN = K (∆T - ∆TI) QN = 84,04 (3,35 – 0,567) QN = 233,88 cal
∆HN = ∆HN = ∆HN =
-QN n -233,88 0,014 -16,70 kmol mol
Porcentaje de error % E (∆HN) =
∆HNt - ∆HNp 100% ∆HNt
% E ∆HN =
13,7
% E ∆HN =
21,89%
+ 16,70 100% -13,7
14
Base Fuerte - Ácido fuerte TABLA 7
N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
tf (BAS + Ac) °F 72,94 72,90 72,90 72,90 72,89 72,90 72,90 72,89 72,89 72,89 72,89 72,88 72,89
Ø[S]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Calor de Neutralización BASE + ACIDO
T 72.95 72.94 72.93 72.92 72.91 72.9 72.89 72.88
t 0
50
100
150
Na OH + HCl = NaCl + H 2O 0,08 eq-gHCl 1000 mlHCl 5 mlNaOH x 1,9eq-gNaOH 1000 ml NaOH 150mlHCl x
= =
0,012 mol HCl 9,5 x CO-3 mol NaOH
QN = K∆T - Qn QN = K∆T - K∆TI QN = K (∆T - ∆TI) QN = 84,04 (1,91 – 0,39) QN = 127,74 cal
∆HN =
-QN
nRL ∆HN = ∆HN =
127,74 0,012 -10,7 kcal mol
Porcentaje de error % E (∆HN) =
∆HNt - ∆HNp 100% ∆HNt
% E ∆HN =
13,7
% E ∆HN =
21,89%
+ 10,70 100% -13,7
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7. Conclusiones Después de realizada la práctica de laboratorio se tienen las siguientes conclusiones: -
-
-
La entalpía de neutralización involucrada en una reacción de neutralización, se debe a partir de la formación de agua de los iones H + y OH que provienen del ácido y la base. Esta energía es constante y de 13,7 Kcal, para nuestros cálculos experimentales, se obtuvo esta energía con error del 21,89% (calculada de la neutralización del HCl y NaOH) La entalpía de dilución se refiere al calor involucrado cuando se disuelve un mol de soluto en una determinada de solución con una determinada concentración. La entalpía de dilución integral es aquella energía moderada por una cantidad de soluto en una determinada cantidad de solución. Se calcula experimentalmente que la entalpía de dilución del ácido es 5956,33 cal/°enoly de la base -3450,06 cal/mol Por medio del calor de dilución integral cuando se agrega KCl a150 ml de agua se determina que el valor de la constante de capacidad calorífica es 84,04 cal °C
8. Recomendaciones En la práctica, los errores más apreciables estuvieron en la solución de la estandarización del HCl y NaOH. Es necesaria una toma de datos muy precisa así como el buen manipulamiento de los materiales. Estos errores cometidos se propagan y se hacen notables en el proceso de estandarización, llevando así a gran pérdida de tiempo y cantidad de reactivos.
9. Bibliografía -
Castellan, G.W. (1998) Fisicoquímica. C.D. México Edison Wesley Coronel, L.G. (2015). Química General. La Paz. Reportajes Canales, M. (1999). Fisicoquímica. C.D. México. Fomento Editorial UNAM Movilla, J.C. (2005) Termodinámica Química. México. INO. Reproducciones
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10. Anexos
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