UNIVER UNIVERSID SIDAD AD NACIO NACIONAL NAL AUT AUT NOMA NOMA DE M XICO XICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUÍMICAS SECCIÓN FISICOQUÍMICA LABORATORIO DE Fisicoquimica II SEMESTRE 14-I GRUPO: 1301-B
PRACTICA N° 5 Entalpia de Fusion
NOMBRE DEL EQUIPO: Equipo Nº 1 “Gatitos”
1. Definir Entalpia y la variación de entalpia de de un proceso La entalpía es la cantidad de energía calorífica de una sustancia. En una reacción química, si la entalpía de los productos es menor que la de los reactantes se libera calor y decimos que es una reacción exotérmica. Si la entalpía de los productos es mayor que la de los reactantes se toma calor del medio y decimos que es una reacción endotérmica. El cambio de entalpía se denomina ΔH y se define como: ΔH =
H productos - H reactantes reactantes
0
La entalpía de formación (ΔHf ) es la variación de energía calorífica en la reacción de formación de un mol de un compuesto a partir de sus elementos en sus fases estándar en condiciones depresión y temperatura estándar ambientales (TPEA), que son temperatura de 298 K (25 ºC) y presión de 100 kPa ( 1 atm.). ∼
La entalpía de formación de un elemento es cero por definición.
2. Investigar como se determina determina la constante del Calorímetro y para que sirve
Antes de utilizar un calorímetro es necesario conocer el valor de su constante (Ck). Se denomina constante del calorímetro a la cantidad de calor absorbida o liberada por las distintas partes del mismo (paredes internas termómetro tapa) cando se aumenta o se disminuye, respectivamente, su temperatura en 1 °C. Durante todas las experiencias las medidas deben realiarse con un volumen de líquido constante ya que si este varía cambiar la constante del calorímetro (por qué. ara realiar la determinación se coloca dentro del calorímetro una masa conocida de agua (m1) y se determina su temperatura inicial (T1). Se agrega otra masa conocida de agua (m2) a una temperatura conocida (T2). Se determina la temperatura final del sistema (Tf y se calcula la constante del calorímetro a partir de la siguiente relación (que se obtiene considerando que el calorímetro es un recipiente adiabtico: m1.Cp.(Tf – T1) + Ck.(Tf – T1) + m2.Cp.(Tf – T2) = 0 -1
-1
donde Cp es la capacidad calorífica del agua g °C ). ara realiar la determinación se emplearn dos termómetros de escalas adecuadas: uno de 0 - 50 °C graduado cada 0,1 °C (que nunca debe ser expuesto a una temperatura mayor que 50 °C porque se rompe) y el termómetro del cajón (0 - 250 °C). Para calibrar dichos termómetros se los sumerge en un vaso de precipitados con agua a temperatura ambiente. Se emplea un termómetro como patrón y se adopta como corrección para el segundo termómetro la diferencia de lecturas observadas entre ambos. Usar el termómetro más preciso como patrón. Calentar 50 mL de agua en un vaso de precipitados previamente pesado. uando la temperatura alcance un valor aproimado de (controlar la temperatura con el termómetro adecuado volcar el agua en el calorímetro y tapar. Pesar nuevamente el vaso de precipitados y obtener por diferencia la masa de agua agregada. ontrolar la temperatura con el termómetro de - y cuando se verifique que la temperatura es de o un par de grados menor cambiar el termómetro por el de - . anteniendo siempre el calorímetro tapado medir la temperatura cada 30 segundos y
graficarla en función del tiempo (el gráfico debe tener una pendiente constante). A los 4 o 5 minutos, utilizando una vaso tarado, se agregan aproximadamente 50 mL de agua a temperatura ambiente. Para ello, se introduce un embudo a través de la tapa del calorímetro en el orificio preparado para tal fin y se vierte el líquido lo ms rpidamente posible. na ve concluido el agregado se retira el embudo de la tapa (la ranura de goma se cierra disminuyendo la pérdida de calor y se agita suavemente efectuando movimientos circulares con el calorímetro sin levantarlo de la mesada. continuación se pesa nuevamente el vaso para conocer la masa de agua volcada por diferencia. Importante: antes de introducir el agua en el calorímetro debe registrarse la temperatura de la misma con el termómetro de - pues este ser el valor de que se emplear para los clculos y el tiempo al cual se realia el agregado ta ya que este valor se emplear para etrapolar del grfico el valor de . na ve agregada el agua se sigue registrando la temperatura cada segundos hasta obtener una pendiente constante estos datos se emplearn para obtener por etrapolación el valor de la temperatura final del sistema: f.
3. Investigar los métodos para determinar cambios de entalpia durante un proceso La termoquímica estudia los cambios energéticos ocurridos durante las reacciones químicas. El calor que se transfiere durante una reacción química depende de la trayectoria seguida puesto que el calor no es una función de estado. Sin embargo, generalmente las reacciones químicas se realizan a P=cte o a V=cte, lo que simplifica su estudio. La situación más frecuente es la de las reacciones químicas realizadas a P=cte, y en el las el calor transferido es el cambio de entalpía que acompaña a la reacción y se denomina "entalpía de reacción". La entalpía es una función de estado, luego su variación no depende de la trayectoria. Las reacciones donde la variación de entalpía es positiva (calor absorbido en la reacción) son llamadas reacciones endotérmicas, mientras que aquellas cuya variación de entalpía es negativa (calor cedido por el sistema durante la reacción) son llamadas reacciones exotérmicas. Si la reacción endotérmica se realiza en un sistema de paredes adiabáticas, como consecuencia de la reacción se produce una disminución en la temperatura del sistema. Si la reacción es exotérmica y se realiza en un recipiente de paredes adiabáticas, la temperatura final del sistema aumenta. Si las paredes del sistema son diatérmicas, la temperatura del sistema permanece constante con independencia de la transferencia de energía que tiene lugar debi do al cambio en la composición.
Cambios de entalpía estándar de reacción Para estudiar desde un punto de vista termodinámico una reacción química, se considera que el estado inicial lo constituyen los reactivos puros y separados, y el estado final lo constituyen los productos de reacción, también puros y separados. Las propiedades termodinámicas de cada sustancia son diferentes, por lo que una reacción química va acompañada de un cambio en las funciones termodinámicas del sistema. Para poder evaluar este cambio se tabulan las propiedades termodinámicas de sustancias individuales (H, Cp, S, G...). En general, los valores tabulados de entalpías, se refieren a los valores asignados a las sustancias químicas en sus estados convencionales. El estado convencional de una sustancia se elige arbitrariamente como el estado normal o estándar de la sustancia a 25ºC y 1bar. Estado estándar o normal : El estado estándar de una sustancia, es la forma pura más estable de la misma, a la presión de 1 bar y a la temperatura especificada. Si la sustancia es un gas a esa presión y temperatura, el estado estándar se elige como aquel en el que el gas se comporta como gas ideal. En el caso de disoluciones líquidas ideales (o disoluciones sólidas ideales) el estado estándar de cada componente se elige como el líquido (o el sólido puro) a la T y P de la disolución (o a P=1bar, realmente hay poca diferencia si la presión no es muy alta). En el caso de disoluciones diluidas ideales el estado estándar del disolvente se elige como el líquido (o el sólido puro) a la T y P de la disolución, sin embargo el estado estándar del soluto es un estado ficticio a la T y P de la disolución, que resulta de extrapolar las propiedades del soluto en las disoluciones muy diluidas al caso límite en el que su fracción molar fuera 1. En el caso de disoluciones no ideales hay dos convenios diferentes, uno supone elegir el estado estándar de las disoluciones ideales, y
el otro el de las disoluciones diluidas ideales, (el convenio ha de especificarse, porque en cualquier caso debe cumplirse 0
que
lo que implica un valor diferente de μi , de ai y de γi).
Para cada valor de temperatura existe un único estado normal de una sustancia pura dada, dicho estado se representa por
y se lee entalpía molar estándar a la temperatura T.
Arbitrariamente la entalpía molar de cada elemento a la presión de 1bar y temperatura de 25ºC es tomado como cero. Existen elementos como es el caso del carbono que tienen varias formas alotrópicas, el diamante y el grafito. Para tales elementos, se toma como sustancia de referencia la forma estable a 25ºC y 1 bar. En este caso la forma más estable es el grafito, y su entalpía es cero, pero no es cero la del diamante. Este convenio arbitrario se aplica a elementos no a compuestos, excepción hecha de los gases diatómicos homonucleares.
¿Como se calcula la entalpía estándar de un compuesto a la temperatura T? Para poder calcular la entalpía estándar de un compuesto a la presión de 1 bar y temperatura T, debemos definir la entalpía estándar de formación de ese compuesto a dicha temperatura T, y la definimos como:la variación de entalpía para el proceso en el que se forma 1 mol de la sustancia en su estado estándar a la temperatura T, a partir de los elementos que lo constituyen, los cuales se encuentran en sus estados estándar a la misma temperatura T. Por ejemplo, ¿cual será la entalpía estándar del H2O (25ºC, 1bar) ?.Para determinarlo debemos considerar que la forma estable del agua a 25ºC y 1bar es líquida, y que los elementos que la forman son H2 y O 2, que en esas condiciones son gases, por tanto el proceso de formación será:
Por tanto durante esta reacción el cambio de entalpía será igual a la entalpía del estado final menos la entalpía del estado inicial:
Si esta reacción se pudiera llevar acabo en el laboratorio en esas condiciones, se mediría el cambio de entalpía que se produce y como por convenio las entalpías estándar d e los "elementos químicos" (H2 y O2) a T=25ºC son cero, la ecuación anterior nos da la entalpía estándar a 25ºC del H2O, que es su entalpía de formación a esa temperatura:
Consideraciones sobre la medida de las entalpías de formación de compuestos: Para calcular la entalpía de formación de un compuesto a 298 K y P= 1bar se procede a través de una serie de pasos:
1) Si todos los elementos son gases a 298 K y P=1 bar, se calcula la variación de entalpía para la transformación desde gas ideal a gas real, en las condiciones expresadas, puesto que en el laboratorio no se manejan gases ideales. 2) Se mide en un calorímetro la variación de entalpía que se produce al mezclar los elementos puros a 298 K y P=1 bar 3) Si la reacción no tiene lugar en esas condiciones de P y T, se calcula la variación de entalpía del proceso que consiste en llevar la mezcla desde 298K y P=1 bar a las condiciones en las que se lleva a cabo la formación del compuesto. 4) Medimos en un calorímetro la variación de entalpía de la reacción en la que se forma el compuesto a partir de los elementos, una vez que se alcanzan las condiciones en las que la reacción tiene lugar. 5) Y por último calculamos la variación de entalpía del proceso donde el compuesto se lleva desde las condiciones en las cuales se ha obtenido en la etapa 4 hasta su estado estándar a 298 K La variación de entalpía de formación estándar a 298 K es la suma de las 5 etapas aunque la contribución más importante es la que corresponde a la etapa 4. De esta forma se tabulan los valores de las entalpías de formación de los compuestos a 298 K.
Reacción química: Para cualquier reacción química se define la "entalpía normal de reacción" (o con más propiedad cambio de entalpía normal de reacción) como la variación de entalpía al transformarse los números de moles estequiométricos de reactivos puros, separados y en sus estados estándar a la temperatura T, en los números de moles estequiométricos de productos puros, separados, y cada uno en su estado normal a la misma temperatura T. Cálculo de la variación de entalpía estándar para una reacción Sea la reacción: La variación de entalpía estándar para esta reacción a una temperatura T vendrá dada por:
donde los valores de HºT son las entalpías molares de las sustancias en su estado estándar a la temperatura T . La ecuación anterior también puede expresarse del siguiente modo:
sus unidades son J/mol,
y donde los coeficientes estequiométricos se consideran positivos para los productos y negativos para los reactivos. El calor de reacción o la variación de entalpía de una reacción depende de como se exprese esta. Por ejemplo: tiene un calor de reacción el doble que la reacción: Para calcular el calor de reacción se siguen las mismas etapas que para el cálculo de las entalpías de formación de compuestos, con la diferencia de que los reactivos no tienen por que ser necesariamente elementos. La medida experimental se realiza en un Calorímetro. La observación experimental que debe hacerse es medir el cambio de temperatura producido en el sistema debido al calor transferido en la reacción. Si la reacción tiene lugar en un sistema térmicamente aislado de capacidad calorífica C y la temperatura cambia en una cierta cantidad, entonces el valor del calor de reacción se obtiene del producto de la capacidad calorífica y la variación de temperatura.
4. Investigar diferentes tipos de Calorímetros
Calorímetro de presión constante En un calorímetro de presión constante, la reacción se lleva a cabo en una solución en la cual la presión atmosférica es constante. El calorímetro mide el cambio en la entalpía, que es una medida del calor total contenido por un sistema. Los calorímetros de presión constante son sencillos de construir, y son l os que se utilizan en el aula de física. Los estudiantes de física pueden visualizar la teoría detrás de un calorímetro usando una taza de telgopor y un termómetro, con accesorios tales como una varilla para agitar, una tapa o hielo. Los alumnos pueden usar este rudimentario calorímetro de presión constante para medir el calor, o energía, ganado o perdido dentro de la taza. De acuerdo con las leyes de la física, cuando el agua pierde o gana energía, su temperatura cambia. Puedes verificar el cambio de temperatura en el agua dentro de la taza mientras modificas las variables, por ejemplo añadiendo un cubo de hielo, agitando el agua o colocando una tapa.
Calorimetría de exploración diferencial La calorimetría de exploración diferencial es útil para medir cambios moleculares. Los científicos toman muestras controladas y calentadas de biomolecular, polímeros u otras moléculas, y miden cómo el calor fluye hacia y desde la muestra. Esto puede ayudar a determinar la estabilidad de una molécula en su fórmula, y cómo los cambios en el ambiente afectan la estabilidad. Por ejemplo, un estudio del "Journal of Agriculture and Food Chemistry", midió cómo añadir varios jarabes industriales de azúcar a la miel impactaba en el comportamiento de ésta a la hora de ser calentada. La calorimetría de exploración diferencial tiene aplicaciones en estudios alimenticios y farmacéuticos.
CALORÍMETRO ADIABÁTICO Los calorímetros adiabáticos, se construyen de tal forma que no permiten intercambio de calor entre la celda y los alrededores, por lo tanto se emplean materiales aislantes para mantener aislado el sistema y relacionar el calor generado con la diferencia de temperatura que produce. Existen tres formas para alcanzar este o bjetivo: 1. Cuando la generación de calor es tan rápida, ninguna cantidad apreciable de calor puede entrar o salir de la celda durante el período en que se lleva a cabo la medida. 2. En el caso de separar la celda de los alrededores con una resistencia térmica RT infinitamente grande, de tal forma que el sistema de medida esté lo más aislado posible. 3. Por medio de controles externos que hacen que la temperatura de los alrededores sea siempre lo más semejante posible a la de la celda. Para cumplir con las condiciones anteriores, la celda se rodea de un aislamiento que puede estar constituido por un recipiente empacado al vacío, como es el caso de los vasos Dewar, por escudos metálicos que impidan la transferencia de calor, por materiales plásticos de baja conductividad térmica o por la combinación entre varios de estos. Durante la experiencia calorimétrica cualquier calor generado o consumido en la celda lleva a un cambio en la temperatura. En los calorímetros adiabáticos se presenta un control estricto en la temperatura de los alrededores, lo que hace necesario el uso de adecuados controles electrónicos que mantengan constante el gradiente de temperatura entre la celda y los alrededores de tal forma que el intercambio de calor entre estos sea lo más pequeña posible, en teoría nula.
CALORÍMETRO ISOPERIBÓLICO Un calorímetro isoperibólico mantiene constante la temperatura de los alrededores mediante el uso de un termostato, mientras que la temperatura del sistema de medida puede variar con el tiempo. Existe una resistencia térmica RT, de
magnitud definida entre los alrededores y la celda donde se realiza la medida, de tal forma que el intercambio de calor depende de la diferencia de temperatura entre estos (AT es igual a la temperatura de los alrededores y CT igual a la temperatura de la celda y sistema de medida); como AT es constante entonces el flujo de calor es una función de TC. Si la generación de calor dentro de la celda se termina, la temperatura TC se aproxima a la temperatura de los alrededores TA. La siguiente figura muestra un esquema de la disposición de este tipo de calorímetros.
CALORÍMETRO DOUBLE DRY Muchos calorímetros utilizan el principio de carga dual, en el cual una absorbe mientras que la segunda actúa como temperatura de referencia. El sensor de temperatura registra la diferencia entre las temperaturas de las dos cargas. En teoría los efectos de las fluctuaciones de la temperatura externa se cancelan debido a la simetría, sin embargo si los alrededores no tienen una temperatura uniforme el gradiente de temperatura puede causar error. El elemento de absorción de la carga es usualmente un thin film resistor, aunque dieléctricos de bajas pérdidas son usados para las versiones de guías de ondas. El sensor de temperatura es montado en el lado de afuera de la carga en una posición donde no es influenciado directamente por los campos electromagnéticos. Siendo ésta una de las características distintivas de un calorímetro y es esencial para su alta precisión.
EL MICROCALORIMETRO * Es el tipo de calorímetro más usado. Estrictamente hablando, no es un medidor de potencia pero es un instrumento para determinar la eficiencia efectiva de un montaje bolométrico. * Fue originalmente inventado para la calibración de metal wire bolometers, pero termistores y películas bolométricas también pueden ser calibradas por este método.
Calorímetro de Flujo La potencia es medida a través del calor de un fluido que fluye a través de la carga. Una indicación de la potencia es dada por la subida en la temperatura del fluido pasando del orificio de entrada al de salida. Los calorímetros de flujo pueden manejar mayores potencias que los tipos estáticos. Su principal aplicación es para potencias de muchos watts. Para medir las subidas de temperatura en un calorímetro usualmente se emplean termopilas, termómetros de resistencia y a lgunas veces termistores.
Calorímetro de Bomba El calorímetro de bomba (modelo de Parr) (3) es un envase sellado que minimiza el intercambio de calor entre el sistema y el medio ambiente. La "bomba" contiene la muestra a ser analizada y se llena a presión con oxígeno (2533 KPa) para asegurar una combustión rápida y completa. El calor liberado por la combustión aumenta la temperatura del calorímetro (incluyendo a los productos de reacción) en una forma directamente proporcional a su capacidad calórica (se determina por calibración con ácido benzoico). Del aumento en temperatura y la capacidad calórica del calorímetro se determina el calor liberado por la reacción. La sección dentro del círculo puede ser substituida por un sistema de lectura computadorizado.
5. Elabore un diagrama de flujo de la actividad experimental
ENTALPIA DE FUSION
CONSTANTE DEL
CALOR DE FUSION
CALORIMETRO agregar fijar 100 ML DE AGUA DESTILADA A UNA TERMOMETRO EN TAPON DEL
TEMPERATURA DE 50ºC
FRASCO DEWAR medir medir
TEMPERATURA CUANDO ESTE EN EQUILIBRIO TERMIC O
100 ml DE AGUA
pesar
DESTILADA medir HIELO APROX. 20 g agregar TEMPERATURA FRASCO DEWAR
REFRIGERADOR 15 min AGREGAR 100 ml DE
FRASCO DEWAR
AGUA CALIENTE TEMPERATURA
medir
CONSTANTE
TEMPERATURA CADA 30s HASTA SER CONSTANTE
REGISTRAR RESULTADOS
Bibliografía. http://quimica-explicada.blogspot.mx/2010/12/la-entalpia.html http://www.q1.fcen.uba.ar/materias/qi1/doc/GTP04mod.pdf http://joule.qfa.uam.es/beta-2.0/temario/tema6/tema6.php
