Prctica N2: Termoqumica

Prctica N2: Termoqumica

TABLA DE CONTENIDO

1. Resumen .............................................................................................................32. Introduccin .......................................................................................................43. Principios tericos ..........................................................................................54. Detalles experimentales 85. Tabla de datos y resultados experimentales ...............................106. Ejemplo de clculos ........................................................................................127. Discusin de resultados ................................................................................158. Conclusiones y recomendaciones .............................................................169. Cuestionario........................................................................................................1710. Bibliografa..........................................................................................................1911. Hoja de datos...20

RESUMEN

El principal objetivo de la prctica realizada fue poder determinar el cambio trmico que acompaan a las reacciones qumicas (calor de reaccin), para ello fue necesario calcular la capacidad calorfica del sistema, trabajando con las siguientes condiciones de laboratorio: .Para poder obtener la capacidad calorfica del calormetro (frasco termo), se mezcl dos volmenes iguales de agua a diferentes temperaturas una vez mezcladas ambos volmenes de H2O pasamos a medir la .Posteriormente se hall el calor de neutralizacin producido cuando reaccionan un cido con una base que produce agua a partir de los iones para lo cual se tuvo que hallar primeramente las concentraciones de dichas soluciones mediante la valoracin de la base con biftalato de potasio y del cido con la base. Una vez obtenidos los volmenes de cido y base, se calcul el valor de la entalpa de la reaccin de neutralizacin.Luego de haber realizado la experiencia se concluy que en una reaccin de neutralizacin se libera energa, es decir, que se genera una reaccin exotrmica; as como tambin dependiendo del caso podemos obtener reacciones endotrmicas (que absorben calor) como es el caso del agua cuando hallamos la capacidad calorfica del calormetro. Adems el calor de neutralizacin no depende de la naturaleza de los componentes o soluciones siempre y cuando ambas soluciones sean fuertes; es decir se disocien completamente.

INTRODUCCIN

La energa es muy importante en cada aspecto de nuestra vida diaria. La comida que ingerimos suministra energa para mantener la vida con todas sus actividades y preocupaciones .La disponibilidad de energa relativamente barata es un factor importante en nuestra sociedad tecnolgica. Debemos entender el almacenamiento y uso de energa sobre una base cientfica para aprender a disminuir nuestra dependencia del petrleo y del gas natural como nuestras fuentes principales de energa.El concepto de energa est en el mismo principio de la ciencia .Todos los procesos fsicos y qumicos estn acompaados por transferencia de energa. Debido a que la energa no se crea ni se destruye, debemos comprender a justificar la transferencia de energa de un cuerpo a otro.La termoqumica es el estudio de los cambios energticos ocurridos durante las reacciones qumicas. El estudiante qumico necesita conocer la cantidad de energa calorfica generada o absorbida por cada reaccin, para asegurarse que u experimento es el adecuado. Luego al aplicarlo en gran escala para lograr trabajar con el mximo de la economa el qumico ha de saber cunto de calor debe suministrar a una regin y cuanto puede extraer de otra. Lo mismo ocurre en los sistemas biolgicos. Los qumicos y mdicos deben saber los calores de combustin de los cuerpos grasos, hidratos de carbono y protenas, pues estas sustancias son los constituyentes energticos de los alimentos.Los datos termoqumicos son indispensables para muchos clculos tericos de importancia que permiten predecir el equilibrio qumico y el grado de completacin de una reaccin, as como tambin el estudio de los enlaces qumicos. Como se sabe, ltimamente se est centrando la atencin en los enlaces que sostienen juntos a los tomos en una molcula.

PRINCIPIOS TERICOS1. TERMOQUMICA:La termoqumica estudia los cambios trmicos que se generan en las trasformaciones qumicas y fsicas; tiene por objetivo la determinacin de la energa absorbida o desprendida como calor en muchos procesos. Siempre que se lleva a cabo una transformacin fsica o qumica, hay un cambio trmico, dependiendo ste de la naturaleza, condicin fsica y cantidad de reactantes.Desde un punto de vista prctico es esencial saber si se absorbe o cede calor en una reaccin particular, y en qu cantidad, pues en un caso habr que tener medios para eliminar ese calor a fin de que se pueda efectuar la relacin, en tanto que en otros se requerirn medios para proporcionar la cantidad de calor necesaria. As mismo, se requiere conocer los calores de diversas trasformaciones para muchos tipos de clculos fisicoqumicos.Por esos motivos es imperativo considerar como se determinan experimentalmente los calores de reaccin. As como algunos de los mtodos y principios que se han deducido de la termodinmica para evaluar tales cambios trmicos sin tener que recurrir a la experimentacin en cada caso.

2. TIPOS DE REACCIONES TERMOQUMICAS:Se pueden clasificar bajo dos conceptos:a) De acuerdo al calor involucrado: Se clasifican en reacciones exotrmicas, en las que hay liberacin de calor, y reacciones endotrmicas, en las que se presenta absorcin de calor.b) De acuerdo al proceso involucrado: El calor puede ser de neutralizacin, solucin, hidratacin, dilucin, formacin, reaccin, combustin, etc.

3. CALOR DE REACCIN:Todas las reacciones qumicas, van acompaadas de un efecto calorfico. Este efecto puede ser medido a presin o volumen constante, en el primer caso se mide el trabajo y la variacin de energa interna, en tanto que en el segundo caso slo se mide la variacin de la energa interna. El calor de una reaccin exotrmica, tiene convencionalmente signo , y el de una endotrmica signo .Los calores de reaccin se miden en calormetros a presin o a volumen constante. En ellos se aplica un balance de calor:Dnde:

Si la transferencia de calor ocurre a presin constante, de la Primera Ley de la Termodinmica: (1) (2) (3)

Adems se sabe tambin: (4) (5)

Como la presin es constante:

4. ECUACIONES TERMOQUMICAS:Las ecuaciones qumicas son descripciones incompletas de cambios, que se pueden hacer completar especificando la temperatura y presin de cada sustancia, junto con su estado de agregacin o fsico, y la energa involucrada por la reaccin. Por ejemplo, la especificacin completa:

Al escribir estas ecuaciones que son ya las ecuaciones termoqumicas los slidos, lquidos y gases se designan respectivamente por

5. CALOR DE NEUTRALIZACIN:Un tipo de calor de reaccin es el de neutralizacin de cidos y bases. Cuando se usa soluciones diluidas de cidos y bases fuertes, la nica reaccin que se produce es la formacin de agua a partir de los iones , de acuerdo a la ecuacin:

Cuando alguno de los electrolitos no es fuerte y/o cuando se usan soluciones concentradas, este valor vara ya que intervienen los calores de ionizacin y de dilucin.

DETALLES EXPERIMENTALESMATERIALES Y REACTIVOS: Materiales: Frasco termo con tapn de corcho y agitador, termmetro de 0 a 100C, bureta, vasos, erlenmeyers, probetas de 100 a 250 ml, pipetas.

Reactivos: Solucin de , solucin de , biftalato de potasio, fenolftalena.

PROCEDIMIENTO: Capacidad Calorfica del Calormetroa) Primero se arma el equipo.b) Se coloca 150ml de agua de cao en el termo y el mismo volumen de agua helada (entre 2 y 8C) en la pera.c) Se toman las temperaturas exactas de ambas aguas, e inmediatamente abra la llave de la pera y deje caer el agua helada, mida la temperatura cada 10 segundos, agitando constantemente, se anota la temperatura cuando sta tome un valor constante.

Calor de Neutralizacin de con a) Se determinan las concentraciones exactas de ambas soluciones, valorando la base con biftalato de potasio y el cido con la base. Para as calcular las concentraciones corregidas.b) Luego se calculan los volmenes de las soluciones de hidrxido y cido necesarios para producir la neutralizacin, tales que sumados de 300ml.

c) Finalmente se seca por completo el frasco termo y colocar en ste, el volumen de base calculado, y en la pera el volumen del cido. Se miden las temperaturas de ambas soluciones, luego se deja caer el cido sobre la base, y por ltimo se mide la temperatura de equilibrio.

TABLA DE DATOS Y RESULTADOSCONDICIONESTABLA N1PRESIN TEMPERATURA %HUMEDAD (HR.)

7562295%

CAPACIDAD CALORFICA DEL CALORMETROTABLA N2MASA(g)TEMPERATURA INICIAL (C)TEMPERATURA FINAL (C)

AGUA FRA15021.213.9

AGUA TIBIA1502.6

CALOR DE NEUTRALIZACINValoracin del NaOHTABLA N3

Masa del Biftalato de Potasio0.2133

5.7

Valoracin del HClTABLA N4VOLUMEN (ml)

Volumen de HCl (ml)5

20.7

Concentraciones Corregidas del NaOH y HClTABLA N5CONCENTRACIN (N)VOLUMEN (ml)

NaOH0.1832241.6222.324.4

HCl0.740858.3922.5

EJEMPLOS DE CLCULOSI) CAPACIDAD CALORFICA DEL CALORMETRO: (1) (2)Dnde:

De (1) y (2): (3)Luego:

II) CALOR DE NEUTRALIZACIN: Determinacin de las Normalidades de las soluciones Normalidad Corregida del NaOH; Luego:

Normalidad Corregida del HCl

Determinacin de los volmenes de las soluciones:

Determinacin del nmero de moles de cada solucin:Sabemos que

Determinacin del calor de neutralizacin:Por lo tanto

Dnde:

Luego:

III) PORCENTAJE DE ERROR: Clculo del porcentaje de error en la determinacin de la normalidad de la base:

Clculo del porcentaje de error en la determinacin de la normalidad del cido:

Clculo del porcentaje de error en la determinacin del calor de neutralizacin:

DISCUSIN DE RESULTADOS En la determinacin de la capacidad calorfica al mezclar agua fra a 21.2 C con agua helada a 2.6C nos da una temperatura de equilibrio de 13.9C , y en todo el sistema la capacidad calorfica es de 382.2 cal/C . Estos valores deben haber tenido un gran % de error debido a que las temperaturas medidas antes de proceder la experiencia varan en el transcurso de esta por las condiciones ambientales, as tambin la transferencia de calor entre la pera y el agua contenida en ella; adems se puede decir que algunos instrumentos de medicin de volmenes como probetas, pipetas, vasos y sobretodo en el sistema (calormetro). No estn debidamente calibrados y aislados en el caso del calormetro.

En la determinacin de las concentraciones de NaOH y del HCl se obtuvo errores o diferencias al momento de comparar como por ejemplo para la concentracin del primero se obtuvo que tena una concentracin de 0,1832N siendo la terica de 0,200 N lo que nos dio un % de error de 8.4 % .Tambin en la determinacin de la concentracin del HCl se obtuvo que era de 0,7584N siendo la terica de 0,800N lo que el % de error fue de 5.2 %. Estos errores pudieron haber tenido su origen al momento de medir los volmenes de las soluciones tanto como el NaOH como del HCl, la mala pesada del Biftalato de Potasio, medidas inexactas del termmetro; Adems a esto se le puede sumar los errores de parte nuestra al momento de valorar las soluciones tanto del biftalato con el NaOH y del NaOH con el HCl ya que dichas valoraciones son instantneas y se tendra que tener una buena destreza para determinar el punto fijo de valoracin. En la determinacin del calor de neutralizacin el valor terico aproximado para una temperatura de a 25C es de 13.36 Kcal, en nuestra prctica se obtuvo como resultado el valor de 17.255 Kcal. por lo que da un % de error de 29.154% este porcentaje de error se debe a que nuestra temperatura de equilibrio es de 24.4 C, la cual debi ser mayor que este valor.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El calor de reaccin de neutralizacin es constante e independiente de la naturaleza del cido o base (esto en reacciones de cidos y bases fuertes) ya que estos se disocian totalmente comprende la combinacin del in hidrogeno con el hidroxilo para formar agua no ionizada.

Cuando en una reaccin la temperatura inicial de los reactantes es menor, que al producir la reaccin es exotrmica caso contrario endotrmica.

Los cambios de entalpa de una reaccin tambin se puede calcular a partir de los cambios de entalpa de reacciones medidas con anterioridad.

El mtodo trmico es conveniente para mezclas de soluciones de cidos y bases muy pequeas.

Los datos termoqumicos son indispensables para muchos clculos tericos de importancia que permiten predecir el equilibrio qumico y el grado de completacin de una reaccin.

La pera de decantacin debe permanecer a una temperatura similar a la del agua helada, que debe estar entre 6 y 8 C para que la temperatura del agua helada no vari demasiado.

Revisar los materiales antes de usarlos y lavarlos para evitar que posibles residuos que se encuentren por que afecten nuestro resultados.

Tomar la temperatura exacta en el momento de aadir el agua helada sobre el agua fra ya que si medimos su temperatura y no la aadimos en ese momento este absorber calor del medio variando la temperatura que medimos al inicio.

Con el fin de evitar fugas e intromisiones de calor, se debe tapar los huecos del tapn de jebe con corchos o taponcitos de jebe que calcen perfectamente.

El caso de la base que utilizamos, NaOH, por ejemplo, es higroscpica es decir, que absorbe la humedad del ambiente con gran facilidad y rapidez. Por eso hay que tener mucho cuidado con el uso de ella.CUESTIONARIO1. Cules son las reglas que se deducen de la ley de Hess? Dar ejemplos.La Ley de Hess establece que:Si una serie de reactivos reaccionan para dar una serie de productos, la cantidad de calor involucrado (liberado o absorbido), es siempre la misma, independientemente de si la reaccin se lleva a cabo en una, dos o ms etapas; siempre y cuando, las condiciones de presin y temperatura de las diferentes etapas sean las mismas.Por ejemplo La ley de Hess se utiliza para deducir el cambio de entalpa en una reaccin Hr, si se puede escribir esta reaccin como un paso intermedio de una reaccin ms compleja, siempre que se conozcan los cambios de entalpa de la reaccin global y de otros pasos. En este procedimiento, la suma de ecuaciones qumicas parciales lleva a la ecuacin de la reaccin global. Si la energa se incluye para cada ecuacin y es sumada, el resultado ser la energa para la ecuacin global. Este procedimiento se apoya en que ya han sido tabulados los calores de reaccin para un gran nmero de reacciones, incluyendo la formacin a partir de sus elementos constituyentes de buena parte de las sustancias qumicas conocidas. Un caso relevante de este tipo de aplicacin es el llamado ciclo de Born-Haber.

2. Establezca la relacin entre y para una reaccin en fase gaseosa, y determine el y para la obtencin del amoniaco a partir de sus elementos en fase gaseosa. La primera reaccin puede ser la obtencin del metano, as: Sabiendo que los calores de formacin del metano (a partir del carbn grafito) y del agua lquida son - 17,89 y - 68,32 Kcal/mol respectivamente y que el calor de combustin del carbn (grafito) es 94,05 Kcal/mol. Se calcula el calor de combustin del metano: a) C(s) + 2 H2(g) CH4(g) (H = - 17,89) b) H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l) (H = - 68, 32) c) C(s) + O2(g) CO2(g) (H = - 94, 05)Para obtener: CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l) (H)Se obtiene haciendo: - a) + 2 b) + c) H = - 212,8 Kcal/molO bien a partir de las entalpas de formacin de los productos menos la de formacin de los reactivos.

Para la obtencin del amoniaco, as:A temperatura ambiente, el amonaco es un gas incoloro de olor caracterstico y bastante corrosivo que se comporta como base Lewis; en la industria el amonaco se prepara por sntesis directa:N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) ; G = -46,1 kJ/mol Siguiendo generalmente el mtodo de Haber-Bosch que emplea un catalizador a base de hierro y condiciones de operacin de 200 atmsferas y temperaturas entre 330-450C.La mayor parte del amonaco producido es utilizado como materia prima de fertilizantes (Produccin de urea, cido ntrico y otra parte es empleada en la preparacin de nylon-6, poliuretanos y poliamidas.La sntesis se puede dividir en tres etapas de produccin:a) Etapa de preparacin, que tienen por objeto la obtencin de una mezcla purificada de los componentes fundamentales hidrgeno y nitrgeno en relacin 3:1. El hidrgeno se obtiene a partir del gas natural previamente desulfurado mediante la siguiente reaccin:CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3 H2(g); H= +205,2 kJ/molEl nitrgeno se obtiene a partir del aire y combustin del gas natural, as:2 CH4(g) + O2(g) + 4N2(g) 2CO(g) + 4 N2(g) + 4 H2(g)b) Etapa de reaccin, mediante compresores y precalentadores, el gas de sntesis se introduce en un reactor con el catalizador y se comprime y se calienta a la temperatura de reaccin.c) Etapa de separacin, consiste bsicamente en separar el amonaco de los restantes reactantes y productos

3. Indique el procedimiento a seguir para determinar el H de una reaccin a temperaturas diferentes de la estndar.Los valores de las entalpias que se conocen son las de condiciones estndar, y estas se encuentran en tablas; para el clculo de entalpias en condiciones no estndar se tendra que realizar diversos experimentos a diferentes temperaturas, es decir para cada temperatura en particular, y esto sera demasiado tedioso. Por esta razn es que se prefiere trabajar con las entalpias a condiciones estndar.

BIBLIOGRAFA

Crockford H.Nowell J, Manual de Laboratorio de Qumica Fsica, 1era Ed, Ed. Algambra, Madrid, 1961.

Alberty P, Daniels F, Fisicoqumica, versin SI, 1era Ed, Ed. Continental Mxico, 1984.

Atkins P.W. Fisicoqumica, 2da Ed, Ed.Addison Wesley. Iberoamerican, Mxico, 1988.

Castellan G, Fisicoqumica 2da Ed, Addison Wesley Iberoamericana S.A., Wilmington, E.U.A. 1987.

Palmer W, G, Qumica Fsica Experimental. Ed, Eudeba, Buenos Aires, 1966.

Fisicoqumica IPgina 1