“Año de la Diversifcación Productiva y del Fortalecimiento de la
%niversidad Privada de &ac
! Determinación de la constante del cal
FA$%L&AD! Facultad de Ingeniería E'$%ELA! Escuela de Ingeniería Ambiental $%(')! Fisicoquí Fisicoquímica mica E*A! Determinación Determinación de la constante constante del calorímetro calorímetro y el calor d AL%*N)! Rosalía Palomino Quispe D)$EN&E! Alberto Condori amarra
!acna"P !acna"Per# er# $%&'
Fisico+u"mica
$)N&EN,D) Resumen((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((() Introduccion(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((* Introduccion(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((* +b,eti-os((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((' +b,eti-os((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((' Fundamento teórico.............................. ......./
0ateriales............................. ..........(((((((&%
Procedimiento E1perimental........................... .(((((((((&$
C2lculos3 !abulaciones3 !abulaciones3 discusión de d e resultados........(( ......(.....(&/
Conclusiones y recomendaciones..(( ...................((.....(($*
Cuestionario............................ ..((..........$/
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Fisico+u"mica
I.
Resumen En el informe se presente, se muestra que la práctica de laboratorio se estudió la determinación de la constante del calorímetro y el calor de neutralización, calculando también calor específico de una sustancia desconocida. Aunque las sustancias desconocidas serian NaO y !"O#. $omenzando en la determinación de la constante del calorímetro, para realizar la determinación se coloca dentro del calorímetro una masa conocida de a%ua &m'( y se determina su temperatura inicial &)'(. *e a%re%a otra masa conocida de a%ua &m+( a una temperatura conocida &)+(. *e determina la temperatura final del sistema &)f( y se calcula la constante del calorímetro a partir de la si%uiente relación &que se obtiene considerando que el calorímetro es un recipiente adiabático( *e utiliza esta fórmula
"m$ Cp$ 4!m 5 !$6 7 m& Cp& 4!m 5 !&6 8 94!m 5 !&6 -ue%o la determinación del calor de neutralización se debe medir el aumento de temperatura en una reacción de neutralización entre una solución diluida de un ácido fuerte y una solución diluida de una base fuerte. A partir del cálculo del nmero de moles a utilizar, del aumento de temperatura obser/ado y el uso de del calorímetro de0ar.
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Fisico+u"mica
II.
Introducción
$uando un ácido reacción con una base, se libera una considerable cantidad de calor. -a reacción química entre soluciones acuosas diluidas entre un ácido fuerte y una base fuerte se conoce como reacción de neutralización. -a medida del calor de neutralización, se 1ace a partir de los /alores de entalpia de formación de +O a partir de iones !O y O. "or lo que el calor de neutralización se entiende como el calor %enerado cuando un ácido reacciona con una base para producir a%ua. $uando una solución diluida de ácido fuerte se neutraliza con una solución diluida de base fuerte, el calor de neutralización que se produce por mol de a%ua es constante e independiente de la naturaleza de la sustancia como de su concentración. -as reacciones de neutralización como NO! 2 3O 4 3NO! 2 +O $l 2 NaO 4Na$l 2+O 5 otras reacciones de solución acuosa entre ácidos fuertes y bases fuertes son e6otérmicas. Esto se debe a que la solución acuosa es suficientemente diluida como para que la disolución adicional no produzca efectos térmicos7 ya que los ácidos y bases en solución acuosa están disociados, por lo que el calor de neutralización en todos los casos es 2 &ac( 2 O: &ac( 8 +O &l( 9 +:; <8 '!.=>> 3cal?mol.
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Fisico+u"mica
III.
Objetivos
@eterminar la constante del calorímetro. @eterminar el calor de neutralización. @eterminar la /ariación de entalpia de la neutralización del ácido fosfórico con 1idró6ido de sodio.
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Fisico+u"mica
IV.
Fundamento Teórico N>' $alorimetría
El principio de conser/ación de la ener%ía afirma que I.
B*iempre que 1ay un intercambio de ener%ía calorífica entre /arios cuerpos, la cantidad de calor perdida por unos cuerpos es i%ual a la cantidad de calor %anada por los otrosC. Este es el principio fundamental de la calorimetría y puede resumirse en la si%uiente e6presión
Fcalor perdido 8 calor %anado
El principio anterior, se complementa con las si%uientes proposiciones II. III.
-a cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es proporcional a la /ariación de temperatura. -a cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es proporcional a su masa.
G 8 m $p ∆) ID.
$uando /arios cuerpos a temperaturas diferentes se ponen en contacto, la ener%ía calorífica se desplaza de los cuerpos cuya temperatura es más alta a aquellos cuya temperatura es mas baa. El equilibrio térmico se establece cuando todos los cuerpos tienen la misma temperatura.
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Fisico+u"mica N>+ -a unidad de ener%ía es el oule. El oule se define como la unidad de ener%ía del sistema internacional de unidades &*I(7 esta unidad es la aceptada por la IH"A$ &Hnión Internacional de Guímica "ura y Aplicada(. Otra unidad de calor o de la ener%ía que se utiliza es la caloría, y se define como Bla cantidad de calor que debe transferir a un %ramo de a%ua para ele/ar un %rado centí%rado su temperaturaC.
%na calor"a e+uivale a -./- 1oules N>! $apacidad calorífica específica &c(, o más comnmente denominada calor especifico. *e define como Bla ener%ía que debe transferirse a un %ramo de sustancia para que se ele/e un %rado centí%rado su temperaturaC.
%nidades! cal23 °$4 523 °$ $apacidad calorífica molar &c(. *e define como Bla ener%ía que debe transferirse a un mol de sustancia para que se ele/e un %rado centí%rado su temperaturaC.
%nidades! cal2mol °$4 N># En cualquier intercambio calorífico, que se realiza dentro de un calorímetro, este absorbe parte del calor transferido asi, por eemplo el termo se calienta por el calorímetro se denomina Bconstante de calorímetroC y se representa por B3C &< 8 m$p del calorímetro(.
Esta constante se puede determinar, e6perimentalmente, por el procedimiento llamado calibración del calorímetro. Hna /ez conocido su
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Fisico+u"mica /alor, este calorímetro puede utilizarse para otros e6perimentos cuantitati/os sobre transferencia de calor. -a determinación de la ma%nitud de la constante de la ma%nitud de la constante se lle/a a cabo de la si%uiente forma,
67 cedido 8 7 3anado *ustituyendo
6m a3ua caliente $9 &/ 8 m a3ua :r"a @ónde ∆)'8 ) mezcla F )i del a%ua caliente ∆)+8 ) mezcla )i del a%ua fría 3 cal 8 constante del calorímetro @espeando < de la ecuación &'(
Kcal =
−mcalienteCpT 1− mfriaCpT 2 T 2
$omo )' a%ua caliente es mayor que ) mezcla ∆)' es ne%ati/o, por lo que el termino m$p)' será positi/o. $alor de neutralización.F es la cantidad de calor desprendido cuando un mol %ramo de un ácido se neutraliza con una cantidad equi/alente de base.
@ebido a que las soluciones diluidas los ácidos y las bases fuertes están completamente ionizadas, al neutralizarse la nica reacción que ocurre es la formación de calor desprendido al formarse un mol de a%ua a partir de los iones 2 y OF E* un /alor constante e i%ual a '!,!J
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Fisico+u"mica
a+@4aq6 8 @Cl4aq6
→ aCl4aq6
8 @$+4liq6
De las tablasB ∆@ 7 "&)3)/ cal
El calor de neutralización se determina con la si%uiente ecuación
"Q 7 mCp∆ ! 8
A! 7 !; " !i
G 8 calor de neutralización &cal( m 8 masa de a%ua obtenida de la reacción de neutralización $p 8 capacidad calorífica del a%ua )f 8 )emperatura final &temperatura de reacción( )i 8 )emperatura inicial 3 8 $onstante del calorímetro
∆@
¿
Q n
∆
8 Entalpia molar de neutralización G 8 $alor de neutralización n 8 nmero de moles de ácido o la base
dos sistemas que posean di;erente se ponen en contacto3 ;orma temperaturas de calor se
a presión mayor en un contra las de paredes sus mol=culas de su recipiente( calienta suministra sus un energía gas se le que
Materiales
Frasco termo
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Fisico+u"mica
Termómetros de 0 a 100 °C
Probetas de 50, 100 y 200 ml
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Fisico+u"mica
Vasos de pp de 100, 250 ml
*oluciones de !"O# >,; N, NaO >,+ N
VI.
Procedimiento Experimental
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Fisico+u"mica a( @eterminación de la constante del calorímetro FKedir el /olumen total del calorímetro, de este /olumen utilizar el ;>L7 el +>L queda libre para que puedan mezclarse el a%ua fría y el a%ua caliente. F*uponemos que el ;>L equi/ale a +'> ml, entonces medir 'J> ml de a%ua fría y /aciar al termo &frasco de0ar( tomar la temperatura. F$alentar a%ua 1asta una temperatura pró6ima a la de su ebullición, o puede ser a menor temperatura. Kedir M> ml de a%ua caliente y tomar su temperatura, lue%o tra/asar al termo. FA%itar bien la mezcla 1asta alcanzar una temperatura constante, medir su temperatura. alance térmico
"Q perdido 7 Q
"m$ Cp$ 4!m 5 !$6 7 m& Cp& 4!m 5 !&6 8 94!m 5 @onde 3 8 constante del calorímetro &+( 8 a%ua caliente &'( 8 a%ua fría )m 8 )emp. @e la mezcla &$( )+ 8 )emp. @el a%ua caliente &$( )' 8 )emp. @el a%ua fría &$(
b( @eterminación del calor de Neutralización F"reparar una solución de !"O# >,; N y de NaO >,+ N, lue%o /alorar las soluciones.
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Fisico+u"mica Fealizar el cálculo sabiendo que el /olumen total es de +'> ml. DaNa 8 DbNb Na Vb = Nb Va
0.8 N
=
0.2 N
Vb Va
Vb =4 Va
Vb= 4 Va
1
1
5
5
Va= V =
( 210 )= 42
Vb= 4 ( 42 ) =168 ml
@ónde Da8 Dolumen de acido Db8 Dolumen base Na8 Normalidad Acido Nb8 Normalidad ase D8 +'> ml
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Fisico+u"mica F$olocar en el termo 'J; ml de NaO y en un /aso #+ ml de !"O#, ense%uida mida la temperatura de cada una de ellas 7 ambas soluciones deben estar a la misma temperatura.
Fe%istre las temperaturas anteriores. Dierta la solución de !"O# al termo y a%ite constantemente, 1aciendo lectura de la temperatura cada '> se%undos. -ea la pró6ima temperatura que alcanza el sistema y re%ístrela.
)a+@ 8 !"O# → )@$+ 8 a)P+* 8Q
∆@7
∆
mCp ( Tf −Ti ) + K ( Tf − Ti ) n
8 Entalpia molar de neutralización
m 8 masa de a%ua obtenida de la reacción 2 masa de a%ua en la solución $p 8 capacidad calorífica del a%ua )f 8 )emp. Ká6ima de la reacción )i 8 )emp. Inicial del ácido o la base n 8 nmero de moles del ácido
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Fisico+u"mica
VII.
Clculos! Tabulación resultados
de
datos!
"iscusión
de
Clculos! tabulación de datos # resultados$
"rimeramente tenemos que 1acer unos cálculos para la preparación de una solución, lue%o continuaremos con la constante del calorímetro. !"O# 8 !2!',>2J#8 :; m frio
m caliente
!8 '6!8! "8 !',> 6 '8!',> O#8 'J 6 #8 J#
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Fisico+u"mica )f8 +>$
)8 :>$
) equilibrio #M$
"reparación de la solución !"O#
%&' Peso
!+,J ml
d()*+ml
)7)$3/
ml !"O#8P +M> ml 'N
)$3/ g GGG &%%% ml GGG & GGG $'% ml GGG &
x =
3&' g GGG $'H GGG &%%H @8 ;4 3
32,6 g x 250 ml x 1 N 1000 ml x 1 N
,( -!)& *
d=
v=
v=
m v
m d
32,6 g 1 g / ml
v =32,6 ml
*e a%re%a !+,J ml de ácido doméstico &ácido fosfórico( 1asta aforar.
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Fisico+u"mica
*e a%re%a '>> ml de a%ua al ácido fosfórico.
Qorrar un matraz con aluminio.
a "eterminación de la constante del calor/metro 01
Kedir 'J> ml de a%ua fría, lue%o a%re%arlo al matraz forrado.
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Fisico+u"mica
-a temperatura obtenida es de +#$.
$alentar => ml de a%ua. -ue%o medir la temperatura con el termómetro, el resultado es JM$
El a%ua caliente tras/asar al calorímetro con el a%ua fría. *u temperatura será de !#$
"m$ Cp$ 4!m 5 !$6 7 m& Cp& 4!m 5 !&6 8 94!m 5 !&6 !m7)*JC !$7/'JC !&7$* m$7/%g m&7 &/% g
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Fisico+u"mica Cp$7Cp&7 &calg JC m7 "Q perdida m7/% $$%"&/%7 /%
"m$ Cp$ 4!m 5 !$6 7 m& Cp& 4!m 5 !&6 8 94!m 5 !&6 "/% 4&6 4)* 5 /'6 7 &/% 4&6 4)* 5 $*6 8 9 4)* 5 $*6 "/% 4")&6 7 &/%% 8 4)*"$*6 &/% 7 &/%% 8 4&%6 &/% 5 &/%% 7 4&%6 7 b "etermine el calor de neutrali2ación
)a+@ 8 !"O#
→ )@$+
8 a)P+* 8Q
!
!ransparente
Amarillo
$'JC
$*JC '>> ml NaO
'>> ml !"O#
A%re%ar al calorímetro y medir la temperatura. NaO8 +Mc !"O#8 +#$
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Fisico+u"mica
$ombinación de las + sustancias, )emperatura )i8 !>$ *e a%ita8 temperatura8 +>$
∆8
mCp ( Tf − Ti ) + K ( Tf −Ti ) n
)i8 temperatura inicial 8 +#$ reacti/o limitante
n8R de moles del
)f8 temperatura final 8 !> $
∆@7 H =
mCp ( Tf − Ti )+ K ( Tf −Ti ) n
200 g (1)( 30−24 )+ k ( 30−24 ) 1 cal / g ° C ( 6 )+ k ( 6 )
200 g ( 1 )( 30 −24 )+ 26 cal / ° C ( 30 − 24 ) 3,326 X 10
∆@7
−3
"*%K// calmol→ "*%K3// 9calmol
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Fisico+u"mica
)a+@ 8 !"O# → )@$+ 8 a)P+* 8Q !NaO8 !&#>( 8 '+> " eq 8 #>?' 8 #> !"O# → " eq 8 "K?! 8 :;?! 8 !+,J
%NaO8 >,'eq?- 6 >,' 6 #> %?eq 8 >,# % NaO ! !"O# 8 >,' eq?- 6 >,' - 6 !+ %?eq 8 >,!+J % !"O# 8 >,#? '+> 8 !,+ 6 '> F! 8 >,!+J ? :; 8 !,!+J 6 '> F!
' mol !"O# SSSS :; % 6 SSSS >,!+J % x =
0,326 98
=
3
−
3,326 x 10
moles H 3 P O 4
"iscusión de resultados$
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Fisico+u"mica
-a reacción de neutralización se produce en un calorímetro, de forma que, si suponemos despreciables los intercambios ener%éticos entre el calorímetro y el e6terior, las /ariaciones de temperatura que se producen dentro del calorímetro se deben al calor intercambiado por la reacción de neutralización.
El /alor obtenido e6perimentalmente resulta ser positi/o, sin embar%o se le asi%na el si%no ne%ati/o ya que la reacción de neutralización implica la liberación de calor que sepuede comprobar al re%istrar la temperatura de neutralización en el calorímetro, que esmayor a la temperatura de cada una de las sustancias en reposo.
*e lo%ra determinar e6perimentalmente el calor de neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte, mediante la reacción !NaO 2 !"O# → !+O 2 Na!"O# 2G Obteniendo un /alor de F#>=,J:J
El calor de neutralización obtenido nos indica que se libera #>=,J:J
VIII.
Conclusiones # recomendaciones CO3C456IO3E6
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Fisico+u"mica
elacionar los aspectos termodinámicos de un ácido fuerte con una base fuerte, mediante la mezcla de una solución diluida de ácido fuerte con una solución diluida de base fuerte se comprobó que la /ariaciones en los procesos de neutralización el calor producido para formar un mol de a%ua.
No dependen de la naturaleza de la sustancia ni la concentración, en este caso dependía de la temperatura liberada, influenciada por perdida de calor en el calorímetro durante el proceso de mezcla del ácido con la base.
En la determinación de la cantidad de calor que se produce en reacciones de neutralización de ácidos fuertes y bases fuertes, este debe ser constante y en todas las reacciones es un proceso e6otérmico
-os ácidos como las bases fuertes están completamente disociados en sus respecti/os iones cuando se están en solución acuosa suficientemente diluida
RECOME3"7CIO3E6 '.F Es necesario utilizar una bata de laboratorio7 la misma prote%e tu ropa y tu piel del contacto con reacti/os. +.F Hn par de %uantes para cuando sea necesario tocar al%n instrumento que se 1aya e6puesto a una llama. !.F )omar todas las precauciones necesarias al momento de tocar una sustancia en el laboratorio. #.F No in1alar directamente los /apores que se desprenden de una sustancia
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Fisico+u"mica química. $uando es necesario 1acerlo se procede de la si%uiente manera se sueta el recipiente con una mano y con la otra se produce un mo/imiento sobre los /apores, de manera que los acerquemos 1acia nosotros. @e esa forma no nos lle%an de manera directa. M.F Nunca lle/arse las manos a la cara, los oos, la boca, etc. mientras se está trabaando en el laboratorio7 con esto se e/itan posibles daTos si en las manos 1an quedado restos de al%unas sustancias. J.F No mezclar sustancias desconocidas, ya que muc1as /eces, sustancias inofensi/as producen reacciones /iolentas. =.F No usar el %otero de una sustancia en otra distinta, ya que las mismas pueden daTarse y perder la efecti/idad. ;.F -os equipos de laboratorio son costosos y de uso delicado. Es necesario que aprendamos a usarlos adecuadamente, si%uiendo paso a paso las instrucciones dadas por tu maestro. Al terminar cualquier e6perimento todos los instrumentos deben quedar limpios y en el lu%ar destinados para ellos. :.F Al desarrollar cualquier e6perimento de laboratorio es necesario que estés atento y en silencio para que puedas desarrollar tu trabao como todo un científico. -as instrucciones del maestro y las orientaciones que aparecen en el manual con fundamentales para alcanzar en é6ito en tu trabao. ''.F Nunca probar nin%una sustancia, si no es con el consentimiento del profesor. '+.F "ara diluir ácidos, colocar primero el a%ua y lue%o a%re%ar el ácido con cuidado. '!.F Htilizar cuidadosamente el material de /idrio para e/itar 1eridas por corte '#.F -eer con atención los rótulos o etiquetas de los frascos antes de usar su contenido. 'M.F No calentar sustancias inflamables con llama directa, 1acerlo a aTo de Karía. 'J.F Htilizar siempre la cantidad mínima de sustancia. '=.F $onsultar al maestro en caso de dudas. ';.F $uando se utiliza líquidos inflamables, no debes 1acer fue%o cerca.
IU.
Cuestionario '. En una e6periencia en el laboratorio se quiere determinar la entalpia molar de combustión del NO&%( cuando reacciona con el o6í%eno del aire se%n la reacción NO&%( 2 V O+ &%(→ NO+ &%(
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Fisico+u"mica -a operación la lle/aron a cabo en un calorímetro que trabaa a /olumen constante, conocido como bomba calorimétrica. -a bomba contiene M=M % de a%ua y calor especifico del a%ua es #,';# W?%$. No reportan su capacidad calorífica del calorímetro &3(. "ara determinarla, se quema una muestra de >,J:+ % de %lucosa. -a temperatura del a%ua aumenta de +',=>$ 1asta +M,++$7 en estas condiciones el calor liberado por la combustión de la %lucosa es de 'M,M= 3W?%. $alcular la constante del calorímetro &3(. & q liberado 2 q absorbido 8 > (
+. $onocida la capacidad calorífica de la bomba, colocan en ella un /olumen de NO &%( &!> %?mol( equi/alente ',+M % y lo queman, encontrando que la /ariación de la temperatura es de >,=J $. "ara la reacción propuesta del problema anterior el /alor calculado de la /ariación de la ener%ía interna7 ∆H en 3W?mol fue de
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Fisico+u"mica
!. "ara la reacción del problema ', el /alor calculado de la /ariación de la entalpia, ∆ en 3W?mol fue de &∆H8∆F∆Nrt7 8 ;,!'# W?mol 3(
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26
