UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR

DE SAN MARCOS

FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL

LABORATORIO DE FISICOQUIMICA

Experiencia #2 : "Termoquímica"

Profesor: MARCO MEJIA

Alumnos BACILIO BERNAL LUIS 972714

PISCONTE ORIHUELA PATRICIA 982691

Fecha de realización:

1/10/99

Fecha de entrega :8/10/99

Grupo:ESABADO 11-2

INDICE

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I) RESUMEN.......................................................................(Pag. 3)

II) INTRODUCCION..........................................................(Pág.4,5)

III) TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS..........(Pág. 6)

IV) EJEMPLO DE CALCULOS.........................................(Pág. 7-11)

V) ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS...........(Pág. 12)

VI) CONCLUSIONES.........................................................(Pág. 13)

VII) RECOMENDACIONES...............................................(Pág. 14)

VIII) BIBLIOGRAFIA.........................................................(Pág. 15)

IX) APENDICE........................................................................(Pags 16-17)

I) RESUMEN :

La presente experiencia en el laboratorio tiene como objetivo el estudio del cambio térmico que acompaña a toda reacción química, este cambio se vió influenciado por la cantidad de reactantes usados en la experiencia y otras como su naturaleza o condición.

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Se sabe que de acuerdo al proceso químico involucrado el calor puede ser de diversas formas, pero en nuestra práctica sólo estudiamos la cantidad de calor desprendida cuando se neutraliza hidróxido de sodio (NaOH) con ácido clorhídrico (HCl).

Como en todos los experimentos calorímetros se han de conocer la capacidad calorífica del sistema calorímetro, del propio calorímetro y de la disolución. En este experimento se ha determinado la capacidad calorífica introduciendo dentro del sistema una cantidad medida de agua fría a una temperatura conocida y una cantidad igual de agua caliente.

El método experimental es adiabático ya que el calorímetro(termo) está construído de tal forma que funciona tan próximo a la temperatura ambiente que las pérdidas o ganancias de calor del ambiente son pequeñas.

Lo primero que hicimos fue determinar la capacidad calorífica del termo que fue de 416.66cal/gr ºC, luego hallamos los volúmenes para la neutralización y las concentraciones fueron : 0,189 para el NaOH y 0,756 para el HCl y de estos datos obtuvimos un calor de neutralización de 12.536 kcal con un porcentaje de error del 12.69%

II) INTRODUCCION :

La termoquímica consiste de la aplicación específica del Primer Principio de Termodinámica al estudio de las reacciones químicas. Trata de los cambios térmicos que acompañan a las reacciones químicas y a los cambios físicos conexos a éstas.

*Ecuaciones Termoquímicas :

Las reacciones se representan por ecuaciones químicas donde en el primer miembro figuran las fórmulas de los cuerpos reaccionantes y en el segundo miembro la de los cuerpos resultantes o productos. Al escribir estas ecuaciones se designan por (l) a los líquidos, por (g) a los gases y por (s) a los sólidos. Por ejemplo :

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C + O2 = CO2

Primera ley de la termoquímica : Lavoisier

Esta ley dice :"el calor de descomposición de un compuesto químico es numéricamente igual a su calor de formación pero de signo opuesto." Quiere decir que el calor que se requiere para descomponer un compuesto es igual a la que se liberó en la formación de éste.

Segunda ley de la termoquímica: Hess

También se le llama ley de la suma constante de calor, dice: "la cantidad de calor resultante en una reacción es siempre la misma ya sea que la reacción se efectué en una o varias etapas." Esto significa que el calor neto a presión o a volumen constante depende sólo de los estados inicial y final.

Tercera ley de la termoquímica : Berthelot

Se le conoce como Principio del trabajo máximo y dice: "toda reacción que se produce en un sistema de cuerpos, sin la intervención de energía extraña, tiende a producir el cuerpo en la formación de los cuales se libera la mayor cantidad de calor."

*Aplicación de las relaciones termodinámicas :

Se sabe que la energía interna (E) que acompaña a un cambio de estado es igual a el calor absorbido por el sistema menos el trabajo realizado.

Para cambios de estado a volumen constante el incremento de energía interna es:

E = qv desde que w=0Para cambios de estado a presión constante se usa el incremento de entalpía que es :

H = qp

Se sabe que la energía interna y la entalpía H son funciones punto por lo que son propiedades de un sistema en un estado especificado.Si el calor absorbido en la reacción y los productos tienen más energía que los reaccionantes serán (+), aumentando E y H por lo que se les llama endotérmicas . Cuando E y H sean (-) disminuye E y H expulsándose calor por lo que se les llaman exotérmicas.

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E = q - w

*Valoración :

Es el método que consiste en determinar la concentración de una solución por intermedio de su reacción con un volumen determinado de otra cuya concentración ya se conoce; el punto final de la valoración se determina con un indicador apropiado. En el punto final se cumple que :

III) TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS :

Capacidad Calorífica del CalorímetroT inicial del agua (ºC)

En la pera En el termo T. de equilibrio

7 19.5 15

Volumen (ml.) 150 150

ConcentracionesPara valorar NaOH Para valorar HCl VHCl + VNaOH =

300ml.w Biftalato de potasio =

0.3859V = 10ml

VHCl = 3 ml.

VNaOH = 20ml

VHCl = 60 ml.

VNaOH = 240 ml.N = 0.189 N = 0.756

Calor de NeutralizaciónT. inicial (ºC) HCl NaOH T. de equilibrio

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Eq-gr(ácido) = Eq-gr(base)

21. 0 21.5 22.5

donde :

w = peso en gramos (gr.)

V = volumen en mililitros (ml.)

N = Normalidad

IV) EJEMPLO DE CALCULOS :

a) Capacidad Calorífica del Calorímetro :

Para hallar la capacidad calorífica del sistema se usa la siguiente ecuación :

donde:m = masa del agua heladaCe = Calor específico del agua heladaTh = Temperatura del agua heladaC' = Capacidad Calorífica del sistema que está perdiendo

calor.Tf = Temperatura del agua fría.Te = Temperatura de equilibrio.

en la ecuación despejamos C' que es lo que tenemos que hallar:

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m Ce ( Te - Th ) = C' ( Tf - Te )

m Ce ( Te - Th ) C' = Tf - Te

En nuestra experiencia usamos agua fría y agua helada ( Tf=Temperatura del agua helada y Th = Temperatura del agua helada)Nuestros datos fueron los siguientes :

T. inicial en la pera = 7grados centigradosT. inicial en el termo = 19.5 grados centigrados

-Medida de la temperatura cada 10 segundos después de la mezcla:

Veces 1º 2º 3º 4º 5º 6ºT ºC 14 14.5 15..0 15. 0 15. 0 15. 0

la temperatura de equilibrio es = 15 ºC

m = 150 gr.Ce = 0,1 kcal/ºCTh = 7 ºCTf = 19.5 ºCTe = 15 ºC

Reemplazando en la fórmula tenemos :

150 gr. (1 cal/gr. ºC) (15 - 7 ºC) = C' (19.5 ºC - 15ºC)

C' = 150 gr (8 ºC) / 4.5 ºC

C' = 266.6cal/gr ºC

Para hallar la capacidad calorífica de todo el sistema se usa la siguiente fórmula:

donde :

C = 266.66cal/gr ºC + (150 gr)(1 cal/gr ºC)

C = 416.66cal/gr ºC

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C = C' + m Ce

b) Concentraciones :

*Para valorar NaOH :Necesitamos hallar el peso que se usará de Biftalato de potasio, para eso usamos la siguiente fórmula, teniendo en cuenta que queremos gastar 10 ml. aproximadamente de NaOH :

donde :Peq. Biftalato = 204.23 gr.

gasto = 25ml

N NaOH = 0,2 N

Entonces:0,2 N = W Biftalato de potasio / 204.23 gr 10 ml 10 -3

W Biftalato de potasio = 0.40846 gr.

Ese vendría a ser el peso aproximado que necesitaríamos para valorar NaOH.

El peso exacto de Biftalato de potasio utilizado es = 0.4208 gr. y el volumen gastado en la valoración fue 10.8 ml.Procedemos a hallar la concentración real del NaOH:

N NaOH = 0.3869 gr. / 204.23 gr 10 ml 10 -3

N NaOH = 0.189N

*Para valorar HCl :

V HCl = 10mlV NaOH = 20ml

Usamos la siguiente fórmula para encontrar la concentración del ácido :

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W Biftalato de potasio

NNaOH = Peq. (bift.) gasto

Vácido Nácido = Vbase Nbase

Reemplazando con nuestros datos tenemos :

10ml. Nácido = 20 ml 0.189N

Nácido = 0.756N

c) Calculando el volumen de HCl y NaOH para producir la Neutralización:

Tenemos que tomar en cuenta que el volumen total debe sumar 300 ml, para eso usamos LO SIGUIENTE

0.189(V1) =0.756(300-V1)

V1=240 ml=volumen del NaohComo :

V NaOH + V HCl = 300 ml

V hcl =60ml

d) Calor de Neutralización :

T. inicial del NaOH = 20.5 ºCT. inicial del HCl = 21. 0ºC

-Medida de la temperatura cada 10 segundos después de la mezcla:

Veces 1º 2º 3º 4º 5ºT (ºC) 20.6 22. 0 22.5 22.5 22.5

la temperatura de equilibrio = 22. 5ºC

Para hallar el calor de neutralización se procede usando la siguiente fórmula:

donde :T2 = Temperatura de equilibrio

T1 = Promedio de las temperaturas del ácido y de la base

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Q = C ( T2 - T1 ) / E

E = # de equivalentes de ácido o de la base que intervienen en la reacción.

Reemplazando con nuestros datos tenemos:

Q = 416.66.5cal/gr ºC ( 22.5 ºC - 20. 75 ºC ) / E

pero : E = N NaOH V NaOH

E = 0.189 N 0..025

E = 0. 004725

Q = 416.66cal/gr ºC (1. 75ºC ) / 0.004725

Q =15.43kcal

V) ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS :

Mediante la experiencia realizada hemos podido comprobar que toda reacción química va acompañada de un efecto calorífico que en nuestra experiencia fue el calor de neutralización.

*Porcentaje de error :

El Vt del calor de neutralización del NaOH y HCl = 13.7 kcal

13.7 kcal - 15.43.kcal % Error = 100

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Vt - Vp % Error = 100 Vt

13.7 kcal

% Error = 12.62%

Nuestro porcentaje de error fue de12.62 % quiere decir que nuestro experimento tuvo un resultado un poco aceptable pero pudo ser mejor si se hubiese determinado los parámetros de forma más exacta y con exactitud y precisión.

VI) CONCLUSIONES :

El cambio de calor en una reacción particular siempre es constante e independiente del modo como se efectúe la reacción.

Todo cuerpo que posee una temperatura diferente a la del medio elevará o disminuirá su temperatura con el fin de que ambos tengan una temperatura de equilibrio.

Una reacción que es endotérmica en un sentido será exotérmica en sentido contrario.

Los datos termoquímicos son indispensables para muchos cálculos teóricos que permiten predecir el equilibrio químico de una reacción.

Para llegar a una temperatura de equilibrio ocurre un cambio de calor en donde la cantidad de calor cedida es igual a la recibida.

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VII) RECOMENDACIONES :

Debemos tomar la temperatura cada 10 segundos para seguir de cerca el proceso de intercambio de energía y saber qué ocurre dentro del termo.

Debemos tener cuidado de que el termo no tenga residuos de sustancias utilizadas anteriormente que pueden afectar la experiencia.

Al momento de valorar la solución con fenolftaleína hacerlo gota a gota e ir moviendo el matraz para ver en qué momento cambia de color, puesto que una sola gota hace que ocurra el cambio.

Al momento de calentar agua hacerlo a una temperatura más alta de la que se desea pues al momento de vaciar el agua al termo ésta se enfriará rápidamente.

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VIII) BIBLIOGRAFIA :

Manual de Físico química Dpto. Académico de Química U.N.I. 1973 Pág. 42-43.

PERRY, Robert y CHILTON, Cecil. Biblioteca del Ingeniero Químico. Segunda Edición, Juárez (MEXICO), McGraw-Hill , 1987, Pags. 3-307, 308.

PONS MUZZO, Gastón. Fisicoquímica. Tercera Edición, Lima (PERU), 1975, Págs. 239-240-241.

RAGATZ WATSON, Hougen. Principios de los Procesos Químicos. Primera Edición, Barcelona (ESPAÑA), 1975, Págs. 329-330.

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IX) APENDICE :

1. En qué se diferencian el calor de neutralización de soluciones de ácidos y bases fuertes con el calor de neutralización de soluciones de ácidos fuertes con bases débiles y viceversa.

El calor de neutralización de ácidos fuertes con bases fuertes en disolución diluída es constante cuando en la reacción se forma una mol de agua; esto se explica porque los ácidos y bases fuertes y sus sales están disociadas en iones cuando están en una disolución auosa diluída. En nuestra experiencia la disolución de HCl está constituído solamente de iones hidrógeno y cloro en disolución acuosa. El NaOH tiene iones sodio e hidroxilo en disoluciones acuosas. Por la neutralización la disolución resultante tiene sólo iones sodio y cloro.

En la neutralización de ácidos débiles y bases débiles el calor es menor que el antes mencionado.

2. Hacer la deducción para calcular E a partir de H (calor de reacción a presión constante.

Los cambios de estado a volumen constante tienen como incremento de energía interna a:

E = qv q= calor absorbido

Los cambios de estado a volumen constante tienen como incremento de entalpía a:

H = qp

Los cambios en E y H dependen del cambio de estado siendo determinadas por los estados inicial y final del sistema sin tomar en cuenta el mecanismo del proceso:

E = E2 - E1

H = H2 - H1

esta relación remarca el hecho de que E y H tienen el mismo valor para un cambio de estado determinado importando sólo que los estados final 2 e inicial 1 sean los mismos.

3. ¿Qué es hidrólisis, solvólisis, disolventes protofílicos y protogénicos?

*Hidrólisis :

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Es una reacción de escisión de una molécula por acción del agua, se usa para obtener de sustancias complejas otras más sencillas.

Este fenómeno no ocurre en sales de ácidos fuertes y bases fuertes pues no presentan la tendencia a retirar iones del agua por lo que la solución sería neutra.

Entre ácidos débiles y bases fuertes si ocurre pues sus sales se ionizan de la misma forma que las sales de la base; la reacción que suministra en este proceso el ácido débil se llama hidrólisis dando soluciones básicas.

También se da en sales de bases débiles y ácidos fuertes (formando una base débil y un ión hidronio) y en sales de ácidos débiles y bases débiles; en este tipo las |sales se hidrolizan en un grado mayor que los anteriores porque el anión y el catión reaccionan con los iones del agua formando un ácido y una base no disociados.

*Solvólisis :

Es una reacción de transferencia protónica en la que un disolvente reacciona con el soluto.

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