Experimento N°2: “Calor de Reacción”
OBJETIVO -
Determinar el calor de reacción de la neutralización entre ácido clorhídrico e hidróxido de sodio, y ácido acético e hidróxido de sodio. Determinar la capacidad calorífica del sistema de reacción acido-base de neutralización.
INTRODUCCIÓN El calor de neutralización es definido como el calor producido cuando un equivalente de ácido es neutralizado por una base. El calor de neutralización tiene un valor aproximadamente constante en la neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte, ya que en esta reacción se obtiene como producto en todos los casos un mol de agua. H+ + OH- → H2O En esta experiencia, se usó mezcla de ácido clorhídrico con hidróxido de sodio y ácido acético con hidróxido de sodio. HCl (ac) + NaOH → NaCl (ac) + H2O (l) HAc + NaOH → NaAc (ac) + H2O (l) El calor de neutralización de un ácido y una base se determina midiendo la máxima temperatura que se alcanza en un calorímetro al mezclar disoluciones diluidas de ambos reactivos. En el caso de la reacción de neutralización, el proceso es exotérmico, y el calor cedido por la reacción es absorbido por la disolución resultante de la neutralización y por el calorímetro, lo que conducirá a un aumento de temperatura del sistema. El calorímetro que se utilizó en esta experiencia consta de un vaso Dewar, un termómetro y un agitador. Las paredes externas de un vaso Dewar son adiabáticas, por lo que todo e l calor transferido en la reacción química se absorbe dentro del calorímetro. Para que las medidas sean correctas, la temperatura inicial de todo el sistema debe ser uniforme. A presión constante, se cumple que el calor intercambiado por un sistema es igual a la variación de entalpía, tal que: Q= ΔH
El calor intercambiado por el sistema puede a su vez calcularse mediante la ecuación Q = Cp ΔT Donde Cp es la capacidad calorífica del sistema a presión constante y ΔT es la variación de la temperatura.
La capacidad calorífica del sistema se calcula: = [ ]+
[ á á ] +
La variación de temperatura, ΔT, corresponde a la temperatura final menos la temperatura inicial efectiva,
la cual se obtiene de la siguiente ecuación:
+ ( á á + ) á = + +
á
Finalmente la Entalpia final se calcula de la siguiente forma:
á
= ∆ = ∑ − ∑ (5) RESULTADOS EXPERIMENTALES A)
Reacción de CH3COOH con NaOH HAc + NaOH → NaAc (ac) + H2O (l)
Masa del matraz con NaOH Masa del matraz vacío Masa del NaOH
: 101.8 g : 50.2 g : 51.6 g
Tabla 1. Temperatura de NaOH, CH3COOH y su mezcla, a distintos tiempos.
Tiempo (min) 0,00
Temperatura Temperatura CH3COOH NaOH (°C) (°C) 26,50
0,30 1,00 1,30
26,40
2,00
26,40
2,30 3,00 3,30
26,30
4,00
26,30
4,30 5,00 5,30
26,40
6,00
25,50
6,30 7,00 7,30
B)
Tiempo (min)
Temperatura Temperatura CH3COOH NaOH (°C) (°C)
8,00 24,60
8,30
24,60
9,00 9,30
24,10 24,50 23,70 24,50
10,00
Mezcla
24,70
10,30
26,70
24,60
11,00 11,30
26,80 26,70
12,00
26,70
24,60
12,30
26,70
24,50
13,00 13,30
26,70 26,70
14,00
26,70
14,30
26,70
15,00
26,70
15,30
26,70
24,60 25,10 24,70
Reacción de HCl con NaOH HCl (ac) + NaOH → NCl (ac) + H2O (l)
Masa del matraz con NaOH Masa del matraz vacío Masa del NaOH
: 106.6 g : 54.9 g : 51.7 g
Tabla 2. Temperatura de NaOH, HCl y su mezcla, a distintos tiempos.
Temperatura Temperatura Tiempo (min) NaOH (°C) HCl (°C) 0,00 0,30
28,40
1,00 1,30
28,00
2,00 2,30
27,70
3,00
27,60
3,30 4,00 4,30 5,00
7,00
25,50
GRÁFICOS
25,00
24,60
24,40
9,00 9,30
24,30
10 10,30
24,70 24,60 tiempo de mezcla 27,10
11,00
27,10
11,30
27,10
12,00
27,00
24,30
12,30 13,00
27,00 27,00
24,30
13,30
27,00
24,80
14,00 14,30
27,00 27,00
15,00
27,00
15,30
27,00
27,30 26,40
7,30
25,00
27,40
6,00 6,30
Temperatura Temperatura NaOH (°C) HCl (°C)
8,00 8,30
24,40
5,30
Tiempo (min)
24,70
Neutralización CH3COOH 27.00 26.50 26.00 25.50 25.00 24.50 24.00 23.50 0.00
2.00
4.00
6.00
Temperatura NaOH (°C)
8.00
10.00
12.00
14.00
Temperatura CH3COOH (°C)
16.00
18.00
Mezcla
Grafico 1. Neutralización CH 3COOH. La presente figura cuenta con un gráfico en el que se muestra el registro de las temperaturas de una solución NaOH 1M, y una solución CH3COOH 0,24 M, minutos antes de mezclarlas, y minutos después de la mezcla.
Neutralizacion HCl 29.00 28.50 28.00 27.50 27.00 26.50 26.00 25.50 25.00 24.50 24.00 0.00
2.00
4.00
6.00
Temperatura NaOH (°C)
8.00
10.00
12.00
14.00
T empe ratura HCl (°C)
16.00
18.00
mezc la
Grafico 2. Neutralización HCl. La presente figura cuenta con un gráfico en el que se muestra el registro de las temperaturas de una solución NaOH 1M, y una solución HCl 0,24 M, minutos antes de mezclarlas, y minutos después de la mezcla.
CÁLCULOS ➔
Cálculos Previos: ◆
Preparación de Ácido Clorhídrico (HCl):
● ● ● ◆
◆
Preparación de Ácido Acético (CH3COOH) , ● Moles de CH3COOH = = 0,06 ● Gramos de CH3COOH = 0,06 60 = 3,6 , ● Volumen de CH3COOH = , = 3,4 3 Preparación de NaOH: ●
➔
,
= 0,06 Gramos de HCl =0,06 35,5 = 2,13 , Volumen de HCl = = 5,76 Moles de HCl =
Gramos de NaOH = 0,25 40
= 10 gramos
Neutralización de Ácido Acético con Hidróxido de Sodio: ◆
Moles de NaOH ● ● ●
, = , = 49,66 , = = 1,986 , = = 0,0496
◆
Calculo de Moles de : , ● = = 0,0 48
◆
Capacidad Calórica del Sistema:
= [ ] + [ á á ] + = 0,949 ⁄°51,6 + 0,995 ⁄° 2000,999 (⁄) + 13⁄° = 260,769 ⁄°
Temperatura Inicial Efectiva de la Mezcla: + ( á á + ) á = + á á + ◆
0,949⁄°51,6 23,7° + 0,995⁄°2000,999⁄ +13⁄° 24,5 ° = 0,949 ⁄° 51,6 + 0,995 ⁄°2000,999 (⁄) + 13⁄° = 24,34 ° ◆
Calor del Sistema:
∆ = − ∆ = 26,7° − 24,34 ° ∆ = 2,3 6 ° = ∆ = 260,769⁄° 2,36 ° = 615,415 ◆
Entalpia molar
∆= ∆ = − 615,415 0,048 ∆ = −12821,15 / ◆
Calor de reacción teórico
CH3COOH + NaOH → CH3COONa+ ∆ = −39,95 [2] ∆ = −112,36 [2] ∆ = −97,37 [2] ∆ = −68,316 [2] ∆° = ∆ − ∆ ∆° = −13,495⁄ ∆° = −13,495 = −13495
◆
Calculo de error
− =
+12821,15 −13495 100 % = −13495 % = 4,9 9 % ➔
Neutralización de Ácido Clorhidrico con Hidróxido de Sodio: ◆
Moles de NaOH ● ● ●
, = , = 49,66 , = = 1,986 , = = 0,0496
◆
Calculo de Moles de : , ● = = 0,048
◆
Capacidad Calórica del Sistema:
= [ ]+ [ á á ]+ = 0,949 ⁄°51,6 + 0,983 ⁄° 2001,002 (⁄) + 13⁄° = 258,962 ⁄° Temperatura Inicial Efectiva de la Mezcla: + ( á á + ) á = + á á + ◆
0,949⁄°51,6 24,6° + 0,995⁄°2000,999⁄ +13⁄° 24,6 ° = 0,949 ⁄°51,6 + 0,983 ⁄° 2001,002 (⁄) + 13⁄° = 24,77 ° ◆
Calor del Sistema:
∆ = − ∆ = 27,00 ° − 24,77 ° ∆ = 2,2 3 ° = ∆ = 258,962 ⁄° 2,23 ° = 577,485 ◆
Entalpia molar
∆=
∆ = − 577,485 0,048 ∆ = −12030,94/ ◆
Calor de reacción teórico
HCl + NaOH → NaCl + ∆ = −39,95 [2] ∆ = −112,36 [2] ∆ = −97,37 [2] ∆ = −68,316 [2] ∆° = ∆ − ∆ ∆° = −13,376 = −13376 ◆
Calculo de error
− = −13376 +12030,94 % = 100 −13376 % = 10,05 %
DISCUSIÓN En esta experiencia se determinó el calor de reacción de dos neutralizaciones, la primera entre una base fuerte y un ácido débil (NaOH 0,1M y CH 3COOH 0,24M), y la segunda entre una base fuerte y un ácido fuerte (NaOH 0,1M y HCl 0,24M). Dichas neutralizaciones tienen un comportamiento distinto, por las fuerzas de disociación de cada acido. En la primera neutralización con CH3COOH 0,24M, se determinó una capacidad calorífica de 260,769 ° , mientras que la neutralizacion con HCl 0,24 M dio una capacidad calorifica de
258,962 /° esto puede deberse a una mayor interacción de la mezcla con el HCl, lo que indica que no necesita tanta energía para varia su temperatura.
La temperatura de la mezcla en equilibrio de un líquido permanece constante mientras exista un flujo de calor en el sistema. En el sistema con el ácido débil, el calor es mayo en comparación al sistema con el ácido fuerte, ya que tiene una menor disociación con el agua, provocando una constante de equilibrio y no un desplazamiento completo. La entalpía del sistema de CH 3COOH experimental fue de −12821,15 / , con un 4,99% de error, que pudo deberse a la temperatura que se encontraba el hidróxido antes de la mezcla, el cual se tuvo que enfriar para obtener la temperatura deseada, también pudo ser que no se agito y mezclo correctamente la mezcla La entalpia del sistema del HCl experimental fue de −12030,94/ con un 10,05 % De error, mayor al caso anterior. En este caso también se tuvo que disminuir la temperatura de la base para llegar a la temperatura ideal para la mezcla, pero al momento de la mezcla se encontraban a la misma temperatura, lo que podría haber dado mejores resultados, haciéndolo atribuirle a una aislación incompleta del dewar
CONCLUSIONES
Se logra determinar el calor de neutralización de las mezclas Ácido-Base, siendo éstas HClNaOH y CH3COOH-NaOH. Obteniéndose los siguientes valores 27,3 (ºC) y 33,8 (ºC) respectivamente.
Con los valores de las Entalpias de Formación calculadas −12821,15 /, para CH3COOH y −12030,94 / , para HCl se puede concluir que la neutralización de HCl libera menos energía que la neutralización de CH 3COOH.
BIBLIOGRAFÍA (1) Peña Santamaría, Ana Beatriz y Céspedes Galeano, Juan Martín. Físicoquímica. Manual de Laboratorio. Sello Editorial Universidad de Medellín. 2007. Páginas 35 - 41. (2) Universidad Complutense de Madrid. (Enero 2003). Bases teóricas. 2 de octubre 2016, de Departamento
de
Química-Física
II.
Sitio
web:
http://pendientedemigracion.ucm.es/info/QCAFCAII/Doppler-Lissajous/Paginaweb/Practicas/Practicas-fqi/teoria8.html (3) Universidad Autónoma de Madrid. (2011). Calor de neutralización. 3 de octubre 2016, de Química General
Sitio
web:
https://www.uam.es/docencia/qmapcon/QUIMICA_GENERAL/Practica_5_Calor_de_Neutralizaci on.pdf
