Informe N° 3

GRUPO 3

Calor de Reacción

Universidad de Concepción

Facultad Ciencias Químicas

Depto. Fisicoquímica

Nombre experimentador: Jasmina Cea Bórquez.

Nombre Colaborador: Eduardo Huenuqueo.

Fecha experiencia: 03-05-2013

Fecha entrega: 28-05-2013

Resumen

El objetivo principal de este experimento es determinar el calor de combustión del

magnesio metálico, ∆Hcomb, a partir de algunos datos experimentales.

Para esto se deberán medir los calores de reacción del Mg(s), y MgO(s), con HCl(ac), a

través de un calorímetro adiabático, y determinar la Capacidad calórica del calorímetro,

calibrando éste con NH4Cl(s) y teniendo en cuenta el ∆Hform NH4Cl, que es conocido.

Así se obtendrá el calor de combustión indirectamente aplicando la Ley de Hess,

cuyo valor correspondió a ∆Hcomb = -462,91[kJ/mol], con un error relativo de 23,1 %.

Parte experimental

Materiales y reactivos:

Calorímetro formado por un frasco dewar

Termómetro digital

Probeta de 100 [mL]

Balanza analítica

Cinta de magnesio metálico

Cloruro de amonio o de bario (sal de referencia)

Óxido de magnesio

Solución reactivo (S.R.)

Ácido clorhídrico 1M

Procedimiento

Primero se agrega 100 [mL] de agua destilada al calorímetro limpio, luego se procede a

cerrar el frasco dewar con un tapón de goma y se introduce el sensor del termómetro y el agitador

por las perforaciones del tapón.

Después se pesa la cantidad de cloruro de amonio (o de bario) la cual fue calculada en el

trabajo previo.

Posteriormente se comienza a hacer lecturas de temperatura cada 15 segundos agitando

lentamente hasta que se observa una constancia de 0,01 grados aproximadamente para 5 ó 6

lecturas consecutivas; sin detener las lecturas de temperatura, se agrega la sal evitando que se

adhiera a las paredes del frasco. Se cierra inmediatamente el calorímetro y se continúa agitando de

forma suave, tabulando las temperaturas hasta obtener alrededor de seis lecturas de temperatura

aproximadamente constante.

Se repite el procedimiento usando 100 [ml] de HCl y magnesio metálico.

Por último, se repite el procedimiento usando 100 [ml] HCl y óxido de magnesio.

Datos experimentales

Temperatura ambiente: 20 ±0,5[°C]

Presión atmosférica:765,8 ±0,1 [mmHg]

Factores de corrección: 760 [mm Hg] ---------2,48 [mm Hg]

780[mm Hg]--------2,54 [mm Hg]

Masa de NH4Cl(s) : 1,4884 ± 0,0005 [g]

Masa de Mg (S) : 0,6760 ± 0,0005[g]

Masa de MgO(S): 1,1286 ±0,0005[g]

Tabla Nº 0: masa, masa molar y moles

Sal Masa molar

(moles/g)

Masa

utilizada±0,0001 [g]

N° moles

NH4Cl(s) 53,49 1,4884 0.0278 ± 1,870 * 10-6

Mg(s) 24,31 0,6760 0.0278 ± 4,114*10-6

MgO(s) 40,31 1,1286 0.0279 ±2,481*10-6

Tabla N°1: temperatura medida en NH4Cl .

N° medida Tiempo (s) T ± 0,01[°C]

1 0 18,39

2 15 18,59

3 30 19,17

4 45 19,23

5 60 19,24

6 75 19,24

7 90 19,23

8 105 19,23

9 120 19,24

10 135 -----

11 150 17,27

12 165 18,19

13 180 18,29

14 195 18,36

15 210 18,37

16 225 18,38

17 240 18,39

18 255 18,40

19 270 18,41

Tabla N°2: temperatura medida con Mg(s)

N° medida Tiempo (s) T, ±0,01[°C]

1 0 21,34

2 15 21,32

3 30 21,34

4 45 21,36

5 60 21,37

6 75 21,38

7 90 21,39

8 105 21,40

9 120 21,41

10 135 ------

11 150 22,75

12 165 27,30

13 180 31,40

14 195 34,30

15 210 35,80

16 225 36,50

17 240 36,62

18 255 36,47

19 270 36,33

20 285 36,20

21 300 36,05

22 315 35,90

23 330 35,78

24 345 35,65

25 360 35,51

26 375 35,39

27 390 35,30

28 405 35,20

Tabla N°3: temperatura medida con MgO(s)

N° medida Tiempo (s) T, ±0,01[°C]

1 0 20,38

2 15 20,53

3 30 20,48

4 45 20,40

5 60 20,54

6 75 20,54

7 90 20,53

8 105 20,52

9 120 20,50

10 135 20,50

11 150 20,47

12 165 20,44

13 180 20,45

14 195 20,45

15 210 20,40

16 225 -----

17 240 21,90

18 255 26,29

19 270 26,63

20 285 26,23

21 300 26,15

22 315 26,23

23 330 26,19

24 345 26,09

25 360 26,10

26 375 26,08

27 390 26,03

28 405 26,00

29 420 25,98

30 435 25,95

31 450 25,97

Datos bibliográficos:

*ΔHºf (H2O)298,15K = -285.830 [kJ/ mol] The NBS tables of Thermodynamic properties, D.D Wagman.

Calor de dilución de NH4Cl: -16,23 [kJ/mol]

Hans Book of chemistry and physics David R. Side editor in chief 88th edition 2007-2008

* ΔHºf (MgO) 298K = -601.8 [kJ/mol ] Química general “Raimond Chang” sexta edicion, pág 261, Mc Graw Hill.

*T = Cero absolute: 273, 15[°C] Química general Raimond Chang” sexta edicion, pág 164, Mc Graw Hill.

*R = 8.314 [J/ (K· mol)] Fisicoquimica, Gilbert W. Castellan, segunda edición, Addison

Wesley Iberoamericana, 1987. *

Masa atómica del N = 14,0067 [g/mol] Tabla periódica de los elementos.

* Masa atómica del O = 15,9994 [g/mol] Tabla periódica de los elementos.

* Masa atómica del H = 1,00797 [g/mol] Tabla periódica de los elementos.

* Masa atómica del Cl = 35,453 [g/mol] Tabla periódica de los elementos.

* Masa atómica del Mg = 24.312 [g/mol] Tabla periódica de los elementos.

* PM (NH4Cl) = 53,4916 [g/mol] Tabla periódica de los elementos.

Resultados.

Datos calculados:

Presión atmosférica corregida= 763,31± 0,1 [mm Hg]

T ambiente : 293,15 [K]

ΔHºcomb : -462,91 [kJ/mol]

ΔT° grafico 1 : 0,9 [°C]

ΔT° grafico 2 : -15,669 [°C]

ΔT° grafico 3 : -5,868 [°C]

Grafico N°1: T v/s tiempo.

Termograma de Solución de NH4Cl (s) con H2O(l)

Grafico N°2: T v/s tiempo.

Termograma de solución de Mg(s) + HCl

y = 0,0007x + 18,23 R² = 1

y = 2E-05x + 19,233 R² = 0,0095

17

17,5

18

18,5

19

19,5

0 50 100 150 200 250 300

Tem

pe

ratu

ra [

°C]

Tiempo [s]

P: 763,31 [mmHg] T°: 293,15 [K]

T1: 19,24 [°C] T2: 18,34 [°C] ΔT: 0,90 [°C]

y = 0,0007x + 21,325 R² = 0,9281

y = -0,0087x + 38,686 R² = 0,9968

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Tem

pe

ratu

ra [

°C]

Tiempo [s]

P: 763,31[mmHg] T°: 293,15 [K]

T1: 21,45 [°C] T2: 37,12 [°C] ΔT: -15,66 [°C]

Gráfico N°3: T v/s tiempo.

Termograma de disolución de MgO(s) + HCl

Ejemplo de cálculos.

1-Factor de corrección:

Sean (760, 2,48) y (780, 2,54) pares ordenados (x, y) se usa la fórmula para calcular pendiente en

una línea recta:

Pendiente:

Reemplazando la pendiente para una presión de la que no se tiene coeficiente de ajuste:

Con X= factor de corrección

y = -0,0008x + 20,599 R² = 0,9263

y = -0,0018x + 26,729 R² = 0,8808

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Tem

pe

ratu

ra [

°C]

Tiempo [s]

P: 763,31 [mmHg] T°: 293,15 [K]

T1: 20,39 [°C] T2: 26,76 [°C] ΔT: -5,86 [°C]

2-Presión barométrica corregida:

Pcorregida = P barométrica leída – factor de corrección

Pcorr = 768,5– 2,49 = 763,31 [mmHg].

3-Temperatura ambiente (T°amb):

T°amb = 20 [°C] + 273,15

T°amb = 293,15 [K]

4-La masa de Cloruro de Amonio que se necesita:

Se debe cumplir la relación: OmolesH

ClmolNH

2

4

200

1

Como la densidad del agua es 100[g]=100[ml], podemos calcular los moles del agua de la

siguiente manera:

=100 g 18 [g/mol]

= 5,56[ moles]

Ahora reemplazamos en la relación:

OmolesH

ClmolNH

2

4

200

1=

ventemolesdisol

ClXmolNH

56,5

4 =0,0278 [mol

Por lo tanto:

m= 0,0278 [mol] 53,49[g/mol]

m=1,4884 [g ]

5-Cálculo de moles Considerando NH4Cl:

Considerando NH4Cl ( masado experimentalmente):

n (NH4C1) = 0.0278 [mol]

Y asi se calculan los moles para el MgO(s) y el Mg(S).

6-T para cada caso:

2

21 ttt

Ejemplo, gráfico Nº 1 (NH4Cl(s)):

t1: 120[s] y t2 : 192 [s]

120[s] + 192[s] = 156 [s] 2 Con este tiempo y las ecuaciones de la recta de las líneas de tendencia:

T2= 0,0007t + 18,23 = 18,34 [°C] T1 – T2= 0,9 [°C].

T1 = 2*10-5

t + 19,233 = 19,24 [°C]

Del gráfico Nº 2: T= -15,669[°C].

Del gráfico Nº3: T = -5,868[°C].

t= tiempo (s)

T= temperatura [°C]

7-Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro ocupando Tdel grafico N°1:

Cp = n ∙ ΔH/ ΔT

Cp=0.0278 [mol] ∙ 16,23 [kJ/mol]

(0,9) [K]

Cp= 0,5013[kJ/K]

8 -Determinación de Calor de reacción del magnesio (Mg(s) ) ocupando Tdel grafico N°2:

ΔH= Cp ∙ ΔT/n

ΔH1 = 0,5013[kJ/K ] x -15,669 [K]

0,0278 [mol]

ΔH1 = -282,54 [kJ/mol]

9-Determinación de calor de reacción del oxido de magnesio (MgO (S)) ocupando Tdel

grafico N°3:

ΔH2 = 0,5013 [kJ/K] x -5,868 [K]

0.0279 [mol]

ΔH2 = -105,43[kJ/mol]

10-ΔHcomb:

P,T cte.

Mg(s) + 2 HC1(ac) MgCl2 (ac) + H2(g) ΔH1

P,T cte.

MgO(s) + 2 HCl (ac) MgCl2(ac) + H20(l) ΔH2

P,T cte.

H2(g) + l/2O2(g) H2O (l) ΔH3

La ecuación de la combustión es:

Mg(s) + 1/2 O2 (g) MgO(s) ΔHcomb = ΔH1 - ΔH2 + ΔH3

ΔHcomb = ΔH1 - ΔH2 + ΔH3

ΔHcomb = -282,54[kJ/mol ]– ( - 105,43 [kJ/mol]) + (-285,8 [kJ/mol])

ΔHcomb = -462,91[ kJ/mol].

11-Cálculo de error experimental del ΔHcomb:

Dato Teórico:- 601,60 [kJ/mol]

Dato Experimental: -462,91 [kJ/mol]

a)Cálculo error absoluto:

Donde:

|601,60-462,91|

= 138,69 [kJ/mol]

b).Determinación del error relativo:

Error relativo = Valor exp. – Valor real · 100

Valor real

Error relativo = (462,91-601,60) · 100

601,60

Error relativo = 23,1%.

12-Propagación del error

Donde:

1.- Propagación del error de los moles de NH4Cl(l)

*(

)

+

= *(

) +

e

2-Propagación del error de los moles de Mg(s)

*(

)

+

= *(

) +

= 4,114*10-6

[moles]

3-Propagación del error de los moles de MgO(s)

*(

)

+

= *(

) +

Ea= error absoluto

Xexp= valor obtenido

experimentalmente

Xv= valor verdadero

ε H Err r de ca r de c bu tión

n e

𝜀𝑛 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

𝜀𝑚 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎

𝜀 𝑐𝑜𝑚𝑏𝐻 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐻 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛

T= variación de Temperatura

𝜀𝑐𝑝= Error de la capacidad calórica

del calorímetro

Cp = capacidad calórica

M= masa molar

m=masa

= 2,481*10-6

[moles]

Propagación de error de la capacidad calorífica.

]/[10*57,5)(

)01,0()9,0(

23,16 0,0278)10*87,1(

9,0

23,16)(

)(

3

21

2

2

2

26

2

21

2

2

2

2

KkJC

C

T

Hn

T

HC Tn

Error de Hr

21

2

2

2

2

2

2

2

)(

nCpTr

n

TCp

n

T

n

CpH

-Error de 1Hr (Mg)

]/[888,9)(

)10*114,4(0278,0

669,15*5013,0)10*57,5(

0278,0

669,1501,0

0278,0

5013,0)(

1

21

26

2

2

23

2

2

2

1

molkJH

H

r

r

-Error de 2Hr (MgO)

]/[404,1)(

)10*481,2(0279,0

868,5*5013,0)10*57.5(

0279,0

868,501,0

0279,0

5013,0)(

2

21

26

2

2

23

2

2

2

2

molkJH

H

r

-Error de combH Mg :

)(MgHcomb = √

)(MgHcomb =√ *

+ *

+

)(MgHcomb=9,987[kJ/mol].

Discusión y análisis de resultados

Con este informe se logró demostrar que el método utilizado llamado Ley de Hess, permite calcular el calor

de combustión ocupando los del, Mg(s), MgO(s) y H2O(l) (teórico).

El objetivo de este experimento era determinar el calor de reacción de combustión del magnesio, cuyo valor

obtenido experimentalmente es -462,91± 9,987 [kJ/mol] con un error absoluto de 138,69[kJ/mol] y error

relativo de 23,1% alejándose bastante del valor teórico que es -601,60 [kJ/mol].

Finalmente, se tiene que el valor del error se debe a ciertos factores, que siempre están presentes al momento

de realizar un trabajo práctico. Estos factores fueron suponer que el calorímetro se comportaba totalmente de

forma adiabática y que por consecuencia no había intercambio de energía ni de materia, cosa que no fue así

ya que el dewar tenía un agujero en la superficie o que el calorímetro haya quedado mal cerrado, traspasando

una mayor cantidad de calor al exterior. También el error se debe a que al momento de agregar la sal

correspondiente, un poco de esta pudo quedar pegada en la pared del calorímetro no teniendo reacción,

además de las variaciones de temperatura y presión del ambiente. Estos factores pueden ser reducidos si se

mantienen controlados dichos factores. Otra causa de no obtener un valor tan cercano al teórico, es que la

temperatura a la que fueron hechas las medidas (293,15[K]) no coincide con la temperatura teórica de trabajo

(298[K]) con la cual se obtuvo el calor de combustión del Mg(s).

Aun así, a pesar de todos los posibles errores, el resultado se encuentra en un rango aceptable.