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Práctica 1. Termoquímica
PRÁCTICA-1
TERMOQUÍMICA FUNDAMENTO DE LA PRÁCTICA En esta experiencia experiencia vamos a medir la cantidad de calor que se absorbe o se desprende en reacciones que tienen lugar en disolución acuosa. Para ello vamos a utilizar un calorímetro que es un vaso aislado aislado térmi térmicam camente ente provist provisto o de una tapader tapadera a a través través de la cual se insert inserta a un termómetro. La tapadera no cierra herméticamente a in de que el contenido del vaso esté a presión constante !véase la igura". La cantidad de calor asociada a las reacciones qu#micas $ a los cambios cambios #sicos #sicos se establ establece ece midiendo los cambios de temperatura de la disolución. %ealizaremos los siguientes ensa$os& 1.- 'eterminación 'eterminación experimental experimental de la capacidad calor#ica calor#ica !o equivalente equivalente calor#ico calor#ico en agua" del calor#metro. (.- 'ete 'eterm rmin inac ació ión n expe experi rime menta ntall de la canti cantidad dad de calo calorr despre desprendi ndido do en reacc reaccio ione ness de neutralización& - )eutralización de una disolución acuosa de *cido clorh#drico con otra de hidróxido de sodio. - )eutralización de una disolución acuosa de *cido acético con otra de hidróxido de sodio. - )eutralización de una disolución acuosa de *cido clorh#drico con otra de amoniaco. +.- 'eterminación de la cantidad de calor absorbido al disolver cloruro de amonio sólido en agua. ,.- inalm inalment ente e utili utilizar zaremo emoss algunos algunos de los datos datos experi experimen mental tales es obtenid obtenidos os para para calcul calcular ar aplicando la le$ de /ess la cantidad de calor absorbida o desprendida en la reacción de descomposición del cloruro de amonio& )/,0l!s" )/+!g" 2 /0l!g"
0alor#metro para medir el lu3o de calor a presión constante
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Práctica 1. Termoquímica
MATERIAL Y REACTIVOS Material 0alor#metro
Reactiv! /idróxido de sodio !)a5/"ac + 6
4ermómetro
7cido clorh#drico !/0l"ac + 6
Placa caleactora
7cido acético !0/+055/"ac + 6.
Probeta
8moniaco !)/+"ac + 6
( vasos de precipitados
0loruro de amonio !)/,0l"s
M"TODO E#PERIMENTAL 0uando se lleva a cabo una reacción exotérmica en un calor#metro el calor liberado en la reacción es absorbido parte por el agua !elev*ndose su temperatura" $ parte por las paredes del calor#metro. La cantidad de calor que absorbe el calor#metro se expresa como su ca$aci%a%
calr&'ica o e()ivale*te %e a+)a eqc. Esto se reiere a la cantidad de agua que absorber#a la misma cantidad de calor que el calor#metro por el cambio en un grado de temperatura. El equivalente de agua de un calor#metro se determina experimentalmente $ su valor es una constante para todos los experimentos eectuados en el calor#metro. 1.- DETERMINACIÓN E!ERIMENTA" DE "A CA!ACIDAD CA"#R$%ICA DE" CA"#R$METR#.
6edir con una probeta 199 mL de agua a temperatura ambiente $ verterlos en un vaso de precipitados. 8notar dicha temperatura 4 $ a:adir el agua al calor#metro. 0alentar en un vaso de precipitados otros 199 mL de agua hasta una temperatura 4c aproximadamente treinta grados por encima de la anterior apuntar la temperatura $ a:adirlos al calor#metro. 8notar el tiempo $ agitar suavemente el calor#metro con movimientos circulares. 8puntar los valores de temperatura a intervalos de un minuto durante cinco minutos.
Re$re!e*tar +r,'icae*te la! te$erat)ra! .te*i%a! 're*te al tie$/ a0)!ta*% l! $)*t! .te*i%! a )*a l&*ea recta Para %eteri*ar la te$erat)ra %e la %i!l)ci2* T e* el i*!ta*te %e la e3cla 4t 5 67/ 8a9 ()e e:tra$lar a tie$ cer
momento de la mezcla, T o 29,2
mezcla T ºC
29
28,8
28,6
0
1
2
3
4
5
6
t min
El calor ganado por las paredes del calor#metro viene dado por& qganado por el calorímetr o
=qcedido por el aguacaliente −qganado por el agua fría
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Práctica 1. Termoquímica
La ca*ti%a% %e calr tra*!'eri%a se expresa en unción de la cantidad de agua m el cambio de temperatura &T $ el calor espec#ico del agua c. El calor espec#ico de una sustancia se deine como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de dicha sustancia en 1; !o en 1<0". =e expresa en >?;@g o en cal?;@g. Para el agua ca'ua A 1 cal/g·K = 4,184 J/g·K. Por tanto qcedidoagua caliente =magua calientecagua!T agua caliente −T o "
qganadoagua fría
= magua fria cagua!T o −T agua fria "
'e donde la capacidad calorí(ica del calorímetro o equivalente calor#ico en agua del calor#metro viene dado por& eqc
=
q ganado por el calorímetr o T o
−T agua fría
donde T o se ha determinado gr*icamente. ).- DETERMINACIÓN E!ERIMENTA" DE CA"#RE* DE NE+TRA"I,ACIÓN. REACCI#NE* A !RE*IÓN C#N*TANTE.
0uando se lleva a cabo una reacción de neutralización en un calor#metro mezclando una disolución de un *cido con otra de una base el calor liberado en la reacción de neutralización es absorbido por el agua !que aumenta su temperatura" $ por las paredes del calor#metro. qr
= ∆ H = (cantidad de calor que gana el calorímetr o) + (cantidad de calor que gana el agua)
qr
= ∆ H = eqc ∆T + mc∆T
).1.- Reaccin de neutraliacin de un /cido (uerte por una base (uerte - 6edir B9 mL de una disolución de hidróxido de sodio +6 $ anotar su temperatura. - 6edir B9 mL de una disolución de *cido clorh#drico +6 $ anotar su temperatura. - 8:adir simult*neamente ambas disoluciones al calor#metro. - 0errar el calor#metro agitar suavemente $ anotar la temperatura a intervalos de 1 minuto durante cinco minutos manteniendo la agitación todo el tiempo. - %ealizar la gr*ica T0t $ extrapolar el tramo recto a tiempo cero para determinar 4o. - =uponiendo que la densidad de la mezcla de reacción es aproximadamente 1 g?cm+ $ que su calor espec#ico se aproxima a 1 cal?g@; calcular el calor de neutralización !en ;>?mol" para la reacción de neutralización eectuada& )a5/!ac" 2 /0l!ac" )a2!ac" 2 0lC!ac" 2 /(5!l"
ó
5/C!ac" 2 /2!ac" /(5!l"
).).- Reaccin de neutraliacin de un /cido dbil por una base (uerte. %epetir el proceso del apartado anterior empleando B9 mL de una disolución de hidróxido de sodio +6 $ B9 mL de una disolución de *cido acético +6.
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Práctica 1. Termoquímica
%ealizar la gr*ica T0t $ extrapolar el tramo recto a tiempo cero para determinar 4o. 0alcular la entalp#a de neutralización en ;>?mol para la reacción eectuada. )a5/!ac" 2 0/+055/!ac" 0/+055C!ac" 2 )a2!ac" 2 /(5!l"
).2.- Reaccin de neutraliacin de un /cido (uerte por una base dbil. %epetir el proceso del apartado anterior empleando B9 mL de una disolución de *cido clorh#drico +6 $ B9 mL de una disolución de amoniaco +6. %ealizar la gr*ica T0t $ extrapolar el tramo recto a tiempo cero para determinar 4o. 0alcular la entalp#a de neutralización en ;>?mol para la reacción eectuada. )/+!ac" 2 /0l!ac" )/,2!ac" 2 0lC!ac" 2.- DETERMINACIÓN E!ERIMENTA" DE" CA"#R DE DI*#"+CIÓN DE" C"#R+R# DE AM#NI#.
- En una balanza de precisión pesar entre 19 $ 11 gramos de )/,0l sólido $ anotar la masa de la muestra. - 6edir B9 mL de agua destilada anotar su temperatura $ a:adirlos al calor#metro. - 8:adir el )/,0l sólido al calor#metro. 8gitar vigorosamente $ anotar la temperatura a intervalos de 1 minuto. 0omprobar que todo el sólido se ha disuelto antes de realizar la primera medida de temperatura. - %ealizar la gr*ica T0t $ extrapolar el tramo recto a tiempo cero para determinar 4o. - 0alcular el calor de disolución en ;>?mol )/,0l!s" 2 /(5!l" )/,2!ac" 2 0lˉ!ac" 3.- A!"ICACIÓN DE "A "E4 DE 5E** !ARA CA"C+"AR &5 !ARA "A REACCIÓN DE DE*C#M!#*ICIÓN DE" C"#R+R# DE AM#NI#
)/,0l!s" )/+!g" 2 /0l!g" 'atos necesarios& 81& Dalor experimental de / determinado para&
)/+!ac" 2 /0l!ac" )/,2!ac" 2 0lˉ!ac"
!apartado
)/,0l!s" 2 / (5!l" )/ ,2!ac" 2 0l ˉ!ac"
!apartado
(.+"
8(& Dalor experimental de / determinado para& +"
8+& /+ A -+,.F,9 >?mol para&
)/+!g" 2 /(5!l" )/+!ac"
8,& /, A -GB.1,9 >?mol para&
/0l!g" 2 /(5!l" /0l!ac"
N;er %e e!a<
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Práctica 1. Termoquímica
APELLIDOS< H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H
NOM=RE< H H H
H H H H H H H H
C,lc)l! 9 +r,'ica! %e la $r,ctica %e Ter()&ica
1- DETERMINACI>N DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DEL CALORÍMETRO D!agua r#a" A
mL
T4a+)a 'r&a7 A T' A
<0
D!agua caliente" A
4!1 minuto" A
4!( minuto" A
4!+ minuto" A
4!, minuto" A
4!B minuto" A
T?A
mL
T4a+)a calie*te7 A Tc A
qcedidoA !mcaliente"!ce"!4c-T"A qganado A !mr#o"!ce"!T-4" A qcalor#metro A qcedido !agua" - qganado !agua" A
e(c A qcalor#metro ?!T-4" A
? T o& 4emperatura determinada gr*icamente. 0alor espec#ico del agua& ce A 1 cal?g@;
@- DETERMINACI>N DE ENTALPÍAS DE NEUTRALIACI>N @1- Reacci2* %e *e)trali3aci2* %e NaOB 4ac7 c* BCl4ac7
<0
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Práctica 1. Termoquímica
Escriba la reaccin de neutraliacin6 D)a5/ A
mL
4)a5/ A
<0
D/0l A
4!1 minuto" A
4!( minuto" A
4!+ minuto" A
4!, minuto" A
4!B minuto" A
TA
mL
4/0l A
<0
!Ti" A
qabs.mezclaA m ce !4o-4i"A qabs.calor#metroA eqc !4o-4i"A ∆/neutralizaciónA
- !qabs.mezcla 2 qabs.calor#metro"A
6oles de )a0l ormados A ∆/neutralización !en
;>?mol" A
4i A !4)a5/ 2 4/0l"?(J ce ≈ cagua
≈ ,1K
>?g@ ;
@@- Reacci2* %e *e)trali3aci2* %e NaOB 4ac7 c* AcOB4ac7 Escriba la reaccin de neutraliacin6 D)a5/ A
mL
4)a5/ A
<0 D8c5/A
4!1 minuto" A
4!( minuto" A
4!+ minuto" A
4!, minuto" A
4!B minuto" A
TA
qabs.mezclaA m ce !4o-4i"A qabs.calor#metroA eqc !4o-4i"A ∆/neutralizaciónA
-!qabs.mezcla 2 qabs.calor#metro"A
6oles de )a8c ormados A ∆/neutralización
!en ;>?mol" A
4i A !4)a5/ 2 48c5/"?(
@- Reacci2* %e *e)trali3aci2* %e BCl 4ac7 c* NB4ac7 Escriba la reaccin de neutraliacin6
mL
48c5/ A
!Ti" A
<0
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Práctica 1. Termoquímica
D)/+ A
mL
4)/+ A
<0
D/0l A
4!1 minuto" A
4!( minuto" A
4!+ minuto" A
4!, minuto" A
4!B minuto" A
TA
mL
4/0l A
T i = !T "+
<0
+ T !l " ?
(5
qabs.mezclaA m ce !T-Ti"A qabs.calor#metroA eqc !T-Ti"A ∆/reacciónA
- !qabs.mezcla 2 qabs.calor#metro"A
moles de )/,0l ormados A ∆/reacción
!en ;>?mol" A
- DETERMINACI>N DE LA ENTALPÍA DE DISOLUCI>N DEL CLORURO DE AMONIO Escriba la reaccin de disolucin6 6asa!)/,0l" A
g
Dagua A
4!1 minuto" A
4!( minuto" A
4!+ minuto" A
4!, minuto" A
4!B minuto" A
T A
qabs.mezclaA m!)/,0l 2 agua" ce !T-Ti"A
mL
4agua A
<0
Ti 5 4agua A c e ≈ cagua
≈ ,1K
>?g@;
qabs.calor#metroA eqc !T-Ti"A ∆/disoluciónA
- !qabs.mezcla 2 qabs.calor#metro"A
6oles de )/,0l A ∆/disolución !en
;>?mol" A
- APLICACI>N DE LA LEY DE BESS PARA CALCULAR Br PARA LA REACCI>N< NBCl4!7 NB4+7 G BCl4+7 Escriba las ecuaciones termoqu#micas correspondientes $ calcule de manera razonada el valor de Br. Ec)aci*e! ter()&ica! 81& 8(& 8+& 8,&
Breacci2* FUNDAMENTO TE>RICO
B !;>?mol"
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Práctica 1. Termoquímica
Las reacciones qu#micas van acompa:adas de cambios de energ#a que generalmente corresponden a la absorción o desprendimiento de calor. Las reacciones qu#micas como las de combustión en las que se produce desprendimiento de calor reciben el nombre de e:tHrica!. Los procesos en los que el sistema absorbe calor como la usión del hielo son e*%tHric!. La cantidad de calor absorbido o desprendido en cualquier proceso #sico o qu#mico depende de las condiciones experimentales en que se eecte el proceso. Los dos casos m*s recuentes son procesos a presión constante !reacciones en recipiente abierto P A 1 atm" o procesos a volumen constante !reacciones en recipiente cerrado herméticamente D A 9". La magnitud termodin*mica utilizada para expresar el calor liberado o absorbido por
una reaccin química cuando el proceso se lle7a a cabo a presin constante8 q p se denominada entalpía 5 Por convenio el calor absorbido por el sistema tiene valor positivo $ el liberado valor negativo. Por tantoJ Para reacciones endotérmicas&
/ A qp M 9
Para reacciones exotérmicas&
/ A qp N 9
En el laboratorio para medir el calor absorbido o desprendido en una reacción qu#mica se utiliza un recipiente llamado calorímetro. Para las reacciones que tienen lugar a presión constante se usa un calor#metro ormado por un vaso aislado térmicamente !vaso 'eOar". Este tipo de calor#metro es til para medir la cantidad de calor que se desprende en reacciones que tienen lugar en disolución acuosa tales como reacciones de neutralización *cido-base $ calores de disolución. 6idiendo los cambios de temperatura de la disolución se puede establecer la cantidad de calor asociado a la reacción qu#mica. Los cambios de temperatura dependen de la capacidad calor#ica del calor#metro $ de la capacidad calor#ica del agua !o de su calor espec#ico".
Ca$aci%a% calr&'ica 9 calr e!$ec&'ic 0uando se calienta una sustancia si ésta no experimenta ningn cambio #sico ni reacción qu#mica su temperatura se eleva. El cambio de temperatura experimentado depende de la capacidad calor#ica de dicha sustancia. "a capacidad calorí(ica de una sustancia8 C8 se
de(ine como la cantidad de calor necesaria para ele7ar su temperatura en 19 !o 1<0". =i est* involucrado 1 mol de sustancia se conoce como ca$aci%a% calr&'ica lar ! que se expresa en >?;.mol. La capacidad calor#ica de 1 g de una sustancia es su capacidad calor#ica espec#ica o calr e!$ec&'ic c. 0uanto ma$or es la capacidad calor#ica de una sustancia m*s calor se necesita para producir una elevación de temperatura dada. 0antidad de calor transerido A !capacidad calor#ica" x !cambio de temperatura" q p
= C p ∆T = nC m ∆T = mc∆T
La cantidad de energ#a calor#ica que ha$ que suministrar a 1g de agua para elevar su temperatura 1 ; !o 1 <0" es de ,1K, >.
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Práctica 1. Termoquímica
El calor espec#ico es una magnitud mu$ importante en 4ermoqu#mica $a que si se conoce su valor $ la cantidad de sustancia se puede determinar el calor absorbido o liberado en un proceso sin m*s que medir el cambio de temperatura.
Le9 %e Be!! La le$ de /ess establece que el cambio de entalp#a !o de energ#a interna" para una reacción qu#mica es el mismo tanto si la reacción se eecta en un paso o en una serie de pasos. Esto concuerda con el hecho de que la entalp#a $ la energ#a interna son unciones de estado. 0omo / A qp !a PActe." $ E A qv !a DActe." midiendo el calor absorbido o liberado en una reacción qu#mica se pueden determinar los valores de entalp#a $ de energ#a interna. La le$ de /ess es especialmente til para calcular cambios de entalp#a para reacciones en las que resulta di#cil su determinación experimental. Deamos un e3emplo& La entalp#a de combustión del carbono para dar dióxido de carbono es de -+BB Q>?mol $ la entalp#a de combustión del monóxido de carbono para dar dióxido de carbono es de -(K+9 Q>?mol. 0alcular la entalp#a de combustión de carbono para dar lugar a monóxido de carbono. !a" !b" !c"
0!s" 2 05!g" 2 0!s" 2
5(!g" R 5(!g" R5(!g"
05(!g" 05(!g" 05!g"
/ao A -++B Q>?mol /bo A -(K+9 Q>?mol S/coT
8comodamos las reacciones !a" $ !b" para obtener una ecuación termoqu#mica igual a !c"& !a" !-b"
0!s" 2 5(!g" 05(!g" 05(!g" 05!g" 2 R 5(!g"
/a A -++B Q>?mol /b A 2(K+9 Q>?mol
0!s"
/o A -119B Q>?mol
2
R5(!g"
05!g"
0omo la variación de entalp#a de una reacción qu#mica depende de la P 4 $ cantidad de materia resulta til especiicar unas condiciones est*ndar de reerencia. La entalp#a est*ndar de una reacción &5 o es la variación de entalp#a de dicha reacción cuando todos los reactivos $ productos est*n en su estado est*ndar. Una sustancia est* en su estado est*ndar cuando se encuentra a una P A 1 atm $ a una 4 especiicada que normalmente se escoge como (B <0. =i se trata de sustancias en disolución se reiere a una concentración 16. La entalp#a est*ndar de ormación de un compuesto
o
H f ∆
es el cambio de entalpía cuando se (orma 1 mol del
compuesto a partir de sus elementos en su (orma m/s estable en condiciones est/ndar . !or de(inicin la
o
H f ∆
de la 7ariedad m/s estable de un elemento en su estado est/ndar
es cero. El cambio de entalp#a est*ndar de cualquier reacción se puede calcular *cilmente a partir de las entalp#as est*ndar de ormación de los reactivos $ productos de la reacción& ∆r = ∑n∆f ! prod ucto$" −∑n∆f !reacti#o$ " o
o
o
