UNIVERSIDAD NACIONALSANTIAGO ANTNEZ DE MAYOLOFACULTAD DE INGENIERA DE MINAS, GEOLOGA Y METALURGIA

INFORME DE LABORATORIO No 1 Termodinmica CONTA

ESCUELA ACADMICA:Ingeniera de Minas AO Y SEMESTRE ACADMICO:2014 ICICLO:IIIDOCENTE:Ing. TORRES YUPANQUI EdsonALUMNO:ANGELES DAZ Luis

HUARAZ PER2014

CALORIMETRA A PRESIN CONSTANTE

1. OBJETIVOS

Determinaremos: El calor especfico de u metal. El calor de solucin del cloruro de calcio (NaCl2) El calor de neutralizacin del cido clorhdrico (HCl) e hidrxido de sodio (NaOH)

2. FUNDAMENTO TERICO

Cuando se calienta un material slido este experimenta un aumento de temperatura, indicando con ello que absorbe energa. La capacidad calorfica es una propiedad que indica la capacidad de un material de absorber calor de su entorno; representa la calidad de energa necesaria para aumentar la temperatura en una unidad. En trminos matemticos, la capacidad calorfica C puede expresarse como:

Donde Q es la energa necesaria para producir un cambio T en la temperatura. Normalmente, la capacidad calorfica se expresa por mol de material (por ejemplo J/molK, cal/molK). A veces se utiliza el calor especfico (a menudo representado por c); ste representa la capacidad calorfica por unidad de masa y tiene varias unidades (J/kgK, cal/gK).

Existen dos mtodos para medir esta propiedad, segn cuales sean las condiciones del medio en que se realiza la trasferencia de calor. Uno es medir la capacidad calorfica mientras se mantiene la muestra en volumen constante, en este caso se representa por Cv; el otro es bajo presin constante y se representa por Cp. la magnitud de Cpes siempre mayor que Cv; sin embargo, esta diferencia es muy pequea para la mayora de los materiales slidos a temperatura ambiente e inferiores. Para las medidas experimentales de la capacidad calorfica es necesario recordar que el calor ganado debe ser exactamente igual al calor perdido, por esta razn se debe conocer la capacidad calorfica del recipiente donde se efecta la medida puesto que tambin consume calor.

Denominamos calor de reaccin a la cantidad de energa calorfica que el sistema a de ceder o absorber para que la temperatura permanezca constante durante todo el proceso de la reaccin qumica. Si el medio exterior recibe energa la reaccin se denomina exotrmica y si el sistema absorbe energa se llama endotrmica. Durante las reacciones qumicas en general los cambios calorficos dependen de la naturaleza qumica de las sustancias que participan en la reaccin sea como reactivos o productos. Los otros factores que los afectan son la concentracin, la temperatura y la presin.

Los calormetros se utilizan para determinar el calor de una reaccin. Y esta se mide como su cambio de entalpa (), ya que se efecta de preferencia a presin constante y su valor es igual a la diferencia de la suma de las entalpas de los productos () menos la suma de las entalpas de los reactivos ().

La entalpa molar de formacin de los elementos es igual a cero en condiciones estndar de presin (1 atm) y temperatura (25C).

El cambio de entalpa de n moles de una sustancia puede medirse a volumen constante ( y a presin constante (.

De acuerdo con la Ley de Hess, los cambios de entalpa solo dependen del estado final e inicial, mas no del camino seguido por la reaccin. La variacin del calor o cambio de entalpa (H) de una reaccin qumica recibe denominaciones diferentes, segn la naturaleza de la reaccin: Calor de neutralizacin, calor de ionizacin, calor de combustin, calor de formacin, calor de hidratacin, calor de precipitacin, etc.

La reaccin de neutralizacin de un cido fuerte con una base fuerte se reduce a:

Trminos que se mencionarn ms adelante:

Calor: Interaccin entre dos sistemas que no es en forma de trabajo, y que modifica la energa del sistema. Por experiencia se conoce que la causa de un flujo de calor es una diferencia de temperaturas entre dos sistemas.

Capacidad calorfica (C):Llamamos capacidad calorfica de un slido al calor necesario para elevar en un grado la temperatura de una determinada cantidad de materia (se mide en Joule/C o J/K).

Capacidad calorfica molar ():Una forma ms til de definir la capacidad calorfica es la que se refiere a un mol; esto es, a la masa molar expresada en gramos. En consecuencia, se define como la cantidad de calor que necesita un mol de una sustancia para variar un grado.

Calor especfico (Ce):Cuando dos o ms cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en contacto trmico se observa que, al cabo de cierto tiempo, todos ellos tienen la misma temperatura. Uno de los mtodos para determinar el calor especfico de un cuerpo, es el mtodo de las mezclas. Para ello se ponen dos cuerpos en contacto trmico en el interior de un calormetro aislado trmicamente del medio exterior. Al no existir, o ser muy pequeo el intercambio de calor con el medio exterior a travs de las paredes del calormetro, la cantidad de calor cedida por el cuerpo ms caliente ser igual a la absorbida por el cuerpo de menor temperatura. La ecuacin correspondiente ser: Q1 + Q2 = 0 Q1 = - Q2en donde se ha tenido en cuenta el signo de las cantidades de calor, positivas cuando son absorbidas y negativas cuando son cedidas por un cuerpo.

Entalpa (H):Llamada tambin contenido calrico, es una funcin de estado, que se utiliza para tratar los cambios trmicos de las reacciones qumicas que se efectan a presin constante.

Calor de reaccin (HR):Cantidad de calor que se desprende o absorbe durante una reaccin qumica, esto se debe a la diferencia entre las entalpas de los productos y reactantes a presin constante y temperatura definida. Dentro de los calores de reaccin se encuentran los calores de formacin, combustin, fusin, vaporizacin, sublimacin, disolucin, neutralizacin, etc.

3. MATERIALES Y REACTIVOS

Los materiales que empleamos fueron:

TermmetroBagueta

Baso de precipitadosProbeta

Pinza metlicaTubo de ensayo

Calentador

Esptula

Balanza analticaCalormetro

Reactivos

HieloAgua destilada

Soluciones de NaOH y HCl 0.1 NZn

CaCl2

4. POCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

4.1. Determinacin de la capacidad calorfica del calormetro.

a. Colocamos en el calormetro limpio y seco 125 ml de agua destilada a la temperatura ambiente.b. Enfriamos 125 ml de agua destilada con hielo hasta llegar a una temperatura de 8 C, inmediatamente la introducimos al calormetro.c. Cerramos hermticamente el calormetro con el tapn que lleva incorporado un termmetro.d. Agitamos el calormetro hasta que la temperatura e la mezcla permanezca constante y registramos esta temperatura de equilibrio.e. Teniendo en cuenta que en un sistema adiabtico debe cumplirse:q sist. cclico = 0q agua amb+ q agua helada + q cal = 0f. Identificamos quin(es) cede(n) calor y quin(es) la absorver(n). Donde:

g. Con los resultados de las formulas anteriores podemos hallar la capacidad calorfica del calormetro (C) en J/C o Cal/C.

4.2. Determinacin del calor especfico de un metal.

a. En un calormetro limpio y seco colocar 250 ml de agua, registrando esta temperatura.b. Pesamos 20g de granallas de zinc en la balanza analtica y la ponemos en un tubo de ensayo.

c. Introducimos el tubo de ensayo en un vaso grande que contiene 2/3 de su volumen de agua.

d. Calentamos el agua hasta que hierva usando el calentador, dejamos hervir el agua por unos 10 minutos y registrar la temperatura del metal caliente (que es igual a la del agua hirviendo).e. Luego transferimos el metal (Zn) al calormetro rpidamente, con ayuda de las pinzas.f. Cerramos el calormetro y agitamos la mezcla por unos segundos, hasta que la temperatura se vuelva constante, y la registramos. g. Con los datos medidos determinamos el calor especfico del metal en J/g C o cal/g C.

4.3. Determinacin del calor de neutralizacin del HCl y NaOH.

a. En el calormetro limpio y seco, colocamos 125 ml De NaOH 0.1M.b. Por otro lado medimos 125 ml de HCl 0.1M en una probeta o vaso.c. Agitamos las soluciones hasta que ambas y separadas adquieran la misma temperatura inicial, registramos.d. Vertimos rpidamente el cido sobre la base, tapamos el calormetro y agitamos continuamente.e. Anotamos la temperatura ms alta observada.f. Considerando que la masa total de la solucin es 250g (= 1g/ml) y que su calor especfico es la unidad (Ce= 1 cal/grado.mol), calculamos el calor de neutralizacin en kJ o Kcal y el calor molar de neutralizacin en kJ/mol de H2O o Kcal/mol de H2O. (.

q sist. cclico = 0

4.4. Determinacin del calor de solucin del cloruro de calcio.

a. En el calormetro limpio y seco colocamos 250 ml de agua a la temperatura ambiente, registramos esta temperatura.b. Pesamos 5g de CaCl2 slido y lo agregamos rpidamente al calormetro.

c. Cerramos el calormetro y agitamos la mezcla por un minuto, registramos la mxima temperatura.d. Con los datos medidos determinamos el calor de solucin del cloruro de calcio en kJ o Kcal y el calor de solucin molar en kJ/mol o Kcal/mol

NOTA: Se Calcula el nmero de moles de CaCl2que fueron agregados al calormetro, identificando si el proceso de disolucin es endotrmico o exotrmico, teniendo cuidado en identificar quin cede y quin absorbe calor.

5. CLCULOS Y RESULTADOS

5.1. Determinacin de la capacidad calorfica del calormetro Ccal

Capacidad del calormetro: 250 ml

Volumen del agua a temperatura ambiente:V1 = 125 mlm = 125 g

Temperatura del agua al ambiente:T1 = 19 C

Volumen del agua helada:V2 = 125 ml

Temperatura del agua helada:T2 = 8 C

Temperatura de la mezcla: T3 = 13,8 C

Sabemos: q sist. cclico = 0

q agua amb+ q agua helada + q cal = 0

q agua hel = m x Ce x ( T f T i )q agua hel = 125 g x 1 cal/goC x (13.8 8)o Cq agua hel = 725 calq agua amb = m x Ce x ( T f T i )q agua amb = 125 g x 1 cal/goC x (13.8 19)o Cq agua amb = - 650 cal

q cal = Ccal x ( T f T i )q cal = Ccal x (13.8 19)o Cq cal = - 5.2Ccal

Remplazamos:

q agua amb+ q agua helada + q cal = 0

- 650 cal + 725 cal - 5.2 Ccal= 0

Ccal= 14.423 cal/C

5.2. Determinacin del calor especfico de un metalCapacidad del calormetro: 250 mlVolumen del agua:V1 = 125 mlm = 125 g

Temperatura del agua:T1 = 19 C

Masa del metal:M Zn = 19.86 g

Volumen del agua helada:V2 = 125 ml

Temperatura del metal caliente:T2 = 90 C

Temperatura de la mezcla: T3 = 20 C

Sabemos: q sist. cclico = 0

Ccal= 14.423 cal/Cq metal + q agua + q cal = 0

q cal = Ccal x ( T f T i )q cal = 14.423 cal/C x (20 19)o Cq cal = 14.423 calq agua = m x Ce x ( T f T i )q agua = 250 g x 1 cal/goC x (20 19)o Cq agua = 250 cal

q metal = m x Ce x ( T f T i )q metal = 19.86 g x Ce x (19 90)o Cq metal = - 1 410.06 Ce

Reemplazamosq metal + q agua + q cal = 0

250 cal + 14.423 cal = 1 410.06 CeZn

0.188 cal/goC = CeZn

En el CeZn y haciendo uso de la Ley de Dulong y Petal, se puede calcular la MA del ZN.

MA Zn x CeZn 6.3 cal/at-goCMA Zn x 0.188 cal/goC = 6.3 cal/at-goCMA Zn = 33.51

5.3. Determinacin del calor de neutralizacin del HCl y NaOH.

Reaccin qumica de neutralizacin

HCl (ac) + NaOH (ac) NaCl (ac) + H2O (l)

HClV = 125 ml [HCl] = 0.1 MT2 = 19oCNaOHV = 125 ml [NaOH ] = 0.1 MT1 = 19oC

Temperatura de reaccin: T3 = 21oCNota: Consideramos a la solucin que resulta de la reaccin de neutralizacin como si solo fuese AGUA.

q sist. cclico = 0

q reac+ q sol + q cal = 0

q reac = - (q sol + q cal)

q cal = Ccal x ( T f T i )q cal = 14.423 cal/C x (21 19)o Cq cal = 28.846 calq sol = m x Ce x ( T f T i )q agua = 250 g x 1 cal/goC x (21 19)o Cq agua = 500 cal

Reemplazamos:q reac = - (500 cal + 28.846 cal)

q reac = - 528.846 cal

Calculamos el calor molar del H2O

NaOHV = 125 ml = 0.125 l[NaOH ] = 0.1 M

1 molNaOH 1mol H2O0.0125 mol NaOHX

X = n H2O = 0.0125 mol H2OReemplazando:

5.4. Determinacin del calor de solucin del CaCl2

Volumen de agua: V = 250 ml.M = 250 gMasa del CaCl2.2H2O:M CaCl2.2H2O = 5.0952 g

Temperatura del agua: T1 = 18CTemperatura de la mezcla: T2 = 19C

q sist. cclico = 0

q sol + q agua + q cal = 0

q sol = - (q agua + q cal)

q cal = Ccal x ( T f T i )q cal = 14.423 cal/C x (19 18)o Cq cal = 14.423 calq agua + CaCl2 = m x Ce x ( T f T i )q agua + CaCl2 = 255.0952 g x 1 cal/goC x (17 16)o Cq agua + CaCl2 = 255.0952 cal

Reemplazando:q reac = - (14.123 cal + 255.0952 cal)

q reac = - 269.5182 cal

Calculamos el calor molar de la solucin:

Entonces deducimos que es una reaccin exotrmica, en la cual el agua (solvente) absorbe calor y el cloruro de calcio (soluto) cede calor

6. RECOMENDACIONES

Es necesario contar con equipos en buen estado, de esta forma los errores en los clculos son mucho menores.

Manejar en proporciones adecuadas los reactivos, para mejores resultados.

Las temperaturas calculadas, deben ser lo ms precisas posible.

Tener un buen orden de ejecucin de pasos para evitar malos clculos.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

E. DAVIS Joseph y otros, Manual de laboratorio para qumica: experimentos y teora, Editorial REVERT, 1977, Barcelona.

UNIVERSIDAD TECNOLGIA NACIONAL Facultad Regional rosario, Archivo en PDF, de: http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/1_anio/quimigeral/TERMOQUIMICA.pdf

GMEZ ACEBO Toms, Termodinmica, Editorial Tecnun, 2005, Archivo en PDF, de: http://dspace.unav.es/dspace/bitstream/10171/5185/4/Termodinamica-UnivNavarra.pdf

ESCUELA POLITCNICA DE INGENIERA DE MINAS Y ENERGA, Calor especfico de un slido y un lquido, determinacin del equivalente en agua del calormetro, de: http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/fisica-ii/practicas-1/Prac06.pdf

Energas de las Reacciones qumicas, Archivo en PDF, de: http://www.ieslaaldea.com/documentos/fisicayquimica/bloquev.pdf

Propiedades Trmicas, Archivo en PDF, de: http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r77131.PDF

8. CUESTIONARIO

a. Enumere los objetivos especficos del experimento:

Determinar la capacidad calorfica del calormetro. Determinar el calor especfico de un metal. Determinar el calor de neutralizacin del cido clorhdrico e hidrxido de sodio. Determinar el calor de solucin del cloruro de calcio.

b. Defina reaccin exotrmica y endotrmica.

Reaccin Exotrmica: Se denominareaccin exotrmicaa cualquierreaccin qumicaque desprendaenerga, ya sea como luz o comocalor,o lo que es lo mismo: con unavariacin negativa de la entalpa.

Reaccin Endotrmica: Se denominareaccin endotrmicaa cualquierreaccin qumicaque absorbe energa. Si hablamos deentalpa(H), unareaccin endotrmicaes aquella que tiene un incremento de entalpa o H positivo.

c. Qu es un proceso adiabtico? D un ejemplo.

Un proceso adiabticoes aqul en el cual elsistema(generalmente, unfluidoque realiza untrabajo) no intercambia calorcon su entorno. Un proceso adiabtico que es adems reversible se conoce comoproceso isoentrpico.

Ejemplos:

La temperatura adiabtica de llama, que es la temperatura que podra alcanzar una llama si no hubiera prdida de calor hacia el entorno.

En climatizacin, los procesos de humectacin (aporte de vapor de agua) son adiabticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.

d. Si se tienen 2 calormetros similares y solo se determina la capacidad calorfica de uno de ellos. Se podra decir que la capacidad calorfica el otro es la misma? Por qu?

Si son muy similares (los mismos materiales, con idnticos volmenes e idntico ensamblaje) se podra anticipar que tienen la misma capacidad calorfica.

Pero si solo son similares, en cambio a nosotros en el laboratorio cada grupo us un calormetro diferente con la tapa de tecnopor (mismo material pero diferentes volmenes y diferente ensamblaje), en este caso las capacidades calorficas no sern iguales y es comprobable con los resultados.

e. Si las entalpas de formacin estndar para los iones Zn+2 y Cu+2 a partir de los metales zinc y cobre son respectivamente: -36.34 y 15.39 Kcal/mol. Calcular el cambio e entalpa para la reaccin:

Entonces:

Entonces: