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LABORATORIO DE QUÍMICA INORGÁNICA ALA INGENIERIA DE PROCESOS

LABORATORIO No 5TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES

QUÍMICAS. ESTUDIO DE LAS REACCIONESENDOTÉRMICAS Y EXOTÉRMICAS,

SOLUBILIDAD CRISTALIZACIÓN Y PUREZADE LOS REACTIVOS.

1. OBJETIVOS• Demostrar experimentalmente la liberación y absorción

de energía en las reacciones endotérmicas y

exotérmicas• Determinar experimentalmente la pureza de un

reactivo• Cristalizar una sal a partir de una solución saturada

. !UNDAMENTO TEORICO

E"#$"%o&'( T')*o+%&*%"$(-

La forma más abitual de indicar la entalpía estándar deuna reacción !uímica es en las llamadas ecuacionestermo!uímicas" !ue consisten en escribir la reacción"correctamente a#ustada y con los estados de agregaciónde todos los compuestos !ue intervienen" y a$adir" a ladereca" el valor de la entalpía estándar. %or e#emplo" acontinuación vemos la ecuación termo!uímica para lareacción de combustión del etanol y para la reacción decombustión del monóxido de carbono&

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'l motivo de !ue en la ecuación termo!uímica se debanindicar los estados de agregación de productos yreactivos" es decir" si son gases" lí!uidos o sólidos" y

también la forma alotrópica (por e#emplo" carbono gra)too carbono diamante*" es por!ue de ello también dependeel valor de la entalpía de la reacción.

+demás" puesto !ue la entalpía es una variableextensiva" es decir" depende de la cantidad total demateria" si la ecuación termo!uímica se a#usta de unmodo distinto" cambiará su valor" siempre y cuando elvalor venga dado en ,- (y no en ,-mol*. %or e#emplo&

'sta ecuación termo!uímica nos indica !ue cuando /moles de monóxido de carbono reaccionan con un mol de0/" se desprenden 22 ,- de calor" mientras !ue" tal ycomo emos visto previamente en la misma reacciónpero a#ustada para 1 mol" se desprenden la mitad" /34 ,-de energía calorí)ca.

R'$""%o&'( Eo/0)*%"$(-

Desprender calor" el 56 es negativo y significa !ue laenergía de los productos es mayor !ue la de los reactivos

's a!uella reacción donde se libera calor" esto signi)ca!ue la energía de las moléculas de los productos ('%* esmenor !ue la energía de las moléculas de losreaccionantes ('7*. 'n las reacciones !uímicasexotérmicas se desprende calor" el 56 es negativo y

signi)ca !ue la energía de los productos es menor !ue laenergía de los reactivos" por e#emplo en las reaccionesde combustión.

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Considerando !ue +" 8" C y D representen sustanciasgenéricas" el es!uema general de una reacciónexotérmica se puede escribir de la siguiente manera&

A 1 B 2 C 1 D 1 "$3o)

0curre principalmente en las reacciones de oxidación.Cuando éstas son intensas pueden generar fuego. 9i dosátomos de idrógeno reaccionan entre sí e integran unamolécula" el proceso es exotérmico.

6 : 6 ; 6/  56 ; <1=> ,calmol

9on cambios exotérmicos las transiciones de gas alí!uido (condensación* y de lí!uido a sólido(solidi)cación*.

?n e#emplo de reacción exotérmica es la combustión. Lacombustión del metano&

C6>(g* : /0/(g* @ C0/(g* : /6/0(g* : /14 Acal

R'$""%o&'( E&+o/0)*%"$(- 

9on a!uellas reacciones !ue absorben calor" lo !uesigni)ca !ue la energía de las moléculas de los productos('%* es mayor !ue la energía de las moléculas de losreaccionantes ('7*.

?n e#emplo es la reacción para obtener B/0 es un

proceso endotérmico !ue re!uiere calor para unir alnitrógeno y el oxígeno" la cantidad de calor se representaen Acal.

/B/(g* : 0/(g* : 4 Acal /B/0(g*

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 oda sal o compuesto !uímico disuelto en algEn solventeen fase li!uida puede ser precipitada por cristalizaciónba#o ciertas condiciones de concentración y temperatura

!ue el ingeniero !uímico debe establecer dependiendode las características y propiedades de la solución"principalmente la solubilidad o concentración desaturación" la viscosidad de la solución" etc.

4.MATERIALES EQUIPOS Y REACTIVOS

 ubos de ensayo" vasos precipitados" cocinilla"termómetro" mecero" AB04" Ba06" 6Cl" 6g0" A /Cr/0F"%b(B04*/" AG" C/606" 6/90>" 6B04"  sodio metálico"B6>B04" 9r06" agua destilada.

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>. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL$R'$""%o&'( 'o/0)*%"$(-

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Colocar en un vaso de precipitados de /=ml unasolución diluida de 6Cl. Gntroducir el termómetro yveri)car la temperatura" a$ádele a la solución unas

lente#uelas o gramos de Ba06" agitar suavemente"registrar nuevamente la temperatura.

Hezcla sulfonítrica& Iierta cuidadosamente /ml de6/90>" registrar la temperaturaJ agregar con el mismocuidado 6B04" con la ayuda de una bagueta agitarsuavemente la mezcla y leer la temperatura. +lerta& Boagitar vigorosamente la mezcla es explosiva.

%repare aparte una solución diluida de A /Cr/0F" viértelaen un tubo de ensayo" veri)!ue la temperatura con eltermómetro" a$ada entonces /ml de C/606 y / gotasde 6/90>. Lea nuevamente la temperatura" veri)!ue sise a producido energía calorí)ca.

7eacción con sodio metálico& 'n un vaso de precipitadocolocar aproximadamente /=ml de agua destilada"medir la temperatura con un termómetro" a$adir con laespátula y sumo cuidado aproximadamente =./ gramos

de sodio metálico. ranscurrida la reacción !ue es muyexotérmica y explosiva tome nuevamente latemperatura.

R'$""%o&'( T6 78C T 78C 9T 78C:C3 1 N$O: /1 4=

:SO; 1 :NO4 /= 4 1< C)O= 1 C:5O: 1 />

< C)O= 1 C:5O: 1 :SO; 1 4 12N$ 1 :O /1 > />

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  Ba : 6/06Cl : Ba066/90> : 6B04

  A /Cr/0F : C/606 : 6/90>

>R'$""%o&'( '&+o/0)*%"$(Coloca en un vaso de precipitado unos gramos de unadisolución de B6>B04" con un termómetro mida la

temperatura" a$adir /ml una solución de 9r06" leernuevamente a temperatura.

Colocar agua destilada en un tubo de ensayo y leer latemperatura" agregar unos gramos de AB04" observarsi se registra algEn cambio energético.

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Colocar en un tubo de ensayo unos gramos de 6g0"calentar con la llama de un mecero y observar elcambio de color" K%or !ué

R'$""%o&'( T6 78C T 78C 9T 78CN:;NO4 1 S)O: /1 11 <1=

<NO4 1 :O /1

 HgO+Calor→Hg

+l exponer el óxido de mercurio (color $&$)$&?$+o* alcalor este pasa a su esta puro (color @%o3'/$* y al

de#arlo al aire libre pasa de nuevo a óxido de mercurio.

  Calor

" C)%(/$3%$"%& #)'$ +' 3o( )'$"/%@o(

%ese / gramos de AB04 en /ml de agua" colo!ue ladisolución sobre la cocinilla y evapore el agua" cuandola sal aya cristalizado pese nuevamente y obtenga surendimiento y pureza en porcenta#e

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CUESTIONARIO

6.!o)*#3' /o+$( 3$( )'$""%o&'( +' 3$

)"/%"$.• 6Cl : Ba06 @ BaCl : 6/0• /6/90>  : 6B04  @ B0/

:  : 640:  :

/690><

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• 4A /Cr/0F  : C/606 : >6/90>  @

4C64C006 : Cr/(90>*4 : A /90> : F6/0• /Ba : /6/0 @ /Ba06: 6/

• B6>B04 : 9r06 @ 9rB04 : B6>06• AB04 : 6/0 @ 6B04 : A06 1 < O• 6g0 : Calor @ 6g

. I&@'(/%#' $"')"$ +' 3$( 3''( +'(o3#>%3%+$+ +' 3$( (#(/$&"%$( '&+%(o3#"%o&'( $"#o($( &o $"#o($(.

SOLUBILIDAD

's la cantidad de soluto !ue puede disolverse" a unatemperatura y presión dada una cantidad determinadade disolvente.

DISOLUCIÓN

's una mezcla omogénea de moléculas" átomos oiones de dos o más sustancias diferentes.

La disolución consta de dos fases& una fase discontinEay una fase continua" la primerallamada comEnmente soluto y la segunda disolvente.Cuando se mezcla el soluto en el disolvente seestablece un fenómeno reversible en el cual" a lavelocidad con !ue se disuelven las moléculas delsoluto" ellas se #untan de nuevo en una fase aparte" enun proceso primario" y es llamado como Me!uilibrio desolubilidadM.

%ara los solutos inorgánicos el disolvente porexcelencia es el agua.Las disoluciones pueden ser& sólidas" lí!uidas ogaseosas.!ACTORES QUE A!ECTAN LA SOLUBILIDAD

TEMPERATURA

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La temperatura de la solución inNuye sobre lasolubilidad de un soluto en un solventa dado paramucas sustancias" sin embargo" para otras no. 'sto se

comprueba experimentalmente creando una curva desolubilidad" donde se construye una grá)ca lasolubilidad vs temperatura.

Cuando el 56disol O =" la temperatura favorece elproceso de disolución y por consiguiente la solubilidad"sin embargo cuando es exotérmico" la temperaturadesfavorece el proceso de disolución y porconsiguiente disminuye la solubilidad.

9PLGD09  %ara la mayoría de sólidos su 56disol O=" susolubilidad aumenta con la temperatura" lo cualcon)rma su cambio de entropía son positivos" esto espor!ue cambia de un estado ordenado (sólido* a unomenos ordenado (lí!uido*.

LQR?GD09  9e presentan casos en donde 56disol O= yo 56disolS=" en donde les favorece a algunos y a otros no. Loscambios de entropía pueden ser ligeramente positivossi el lí!uido es denso !ue el disolvente" o negativo si esmenos denso. 'n el primer caso el aumento de latemperatura favorece la disolución y en el segundocaso no.

T+9'9?sualmente los procesos de disolución de los gases enagua tienen una 56disol S=" es decir son procesosendotérmicos y por consiguiente sus solubilidades

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disminuyen con la temperaturaJ también por!ue loscambios de entropía son negativos" ya !ue el sistemapasa de un estado más desordenado a un estado

lí!uido. 'n solvente orgánicos la situación es alcontrario.

PRESIÓN

La presión es un factor !ue afecta la solubilidad de losgases en lí!uidos pero no afecta la de los sólidos olí!uidos" esto por!ue ellos no son compresibles. 'l!uímico inglés Uilliam 6enry alló !ue la solubilidad deun gas varía proporcionalmente con su presión parcial"expresado como la Mley de 6enryM a través de la

ecuación&9; , V %gasDónde& 9 es la solubilidad" %gas es la presión parcialdel gas y , es una constante de proporcionalidad(constante de 6enry*.La ley de 6enry se aplica en las bebidas gaseosas ocarbonatadas donde éstas son envasadas a altapresión con C0/J otro e#emplo es en el caso de losbuzos en profundidadJ a altas presiones" la sangre se

disuelve más cantidad de nitrógeno de los tan!ues y siel buzo sube rápidamente a la super)cie puede sufriruna embolia por descompresión repentina.Cabe se$alas !ue esta ley falla para gases a presioneselevadas" así mismo en el caso en !ue el gas se ioniceyo reaccione con el agua.Las solubilidades de las diferentes sustancias varíandentro de amplios límite. %ueden encontrarse en lastablas !ue )guran distintos manuales" expresadasgeneralmente en gramos por 1== g de disolvente.Las siguientes reglas generales indican la solubilidaden agua de los compuestos inorgánicos comunes.

REGLAS DE SOLUBILIDAD

Las sales de sodio" potasio y amonio son solubles. Losnitratos" nitritos" cloratos y acetatos son solublesJ elnitrato de plata es relativamente poco soluble.

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1. Los óxidos e idróxidos metálicos son insolubles"excepto los de los metales alcalinos (sodio" potasio ytambién amonio* y el del barioJ los óxidos e

idróxidos de estroncio y calcio son relativamentepoco solubles.

/. Los sulfuros son insolubles" excepto los alcalinos"alcalinotérreos (calcio" estroncio" bario* y magnésico.

4. Los cloruros" bromuros y yoduros son solubles"excepto los de plata" mercurio (G* y plomoJ el yodurode mercurio (GG* es también insoluble.

>. Los Nuoruros son insolubles" excepto los alcalinos ylos de plata" bismuto" ierro (GGG* y esta$o (GI*.

. Los sulfatos son solubles excepto los de plomo" bario"estroncioJ los sulfatos de calcio y plata sonrelativamente poco solubles.

2. Los cromatos son insolubles excepto los alcalinos ylos calcio" magnesio y zinc.

F. Los carbonatos" sul)tos" fosfatos" arseniatos"arsenitos" boratos y oxalatos son insolubles" exceptolos de metales alcalinos. (Las sales insolubles deestos aniones son solubles en ácidos.*

4.E3%F#' '3 (%&%"$+o /')*o+%&*%"o +''&/$3%$.

E&/$3H$

's una magnitud termodinámica" simbolizada con laletra 6 mayEscula" cuya variación expresa una medidade la cantidad de energía absorbida o cedida porun sistema termodinámico" es decir" la cantidad deenergía !ue un sistema intercambia con su entorno.

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'n palabras más concretas" es una función de estadode la termodinámica donde la variación permiteexpresar la cantidad de calor puesto en #uego durante

una transformación isobárica" es decir" a presiónconstante en un sistema termodinámico" teniendo encuenta !ue todo ob#eto conocido se puede entendercomo un sistema termodinámico. 9e trata de unatransformación en el curso de la cual se puede recibir oaportar energía (por e#emplo la utilizada para untraba#o mecánico*. 'n este sentido la entalpía esnuméricamente igual al calor intercambiado con el

ambiente exterior al sistema en cuestión.

La entalpía total de un sistema no puede ser medidadirectamenteJ la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida en cambio.

La variación de entalpía se de)ne mediante lasiguiente ecuación&

Dentro del 9istema Gnternacional de ?nidades" laentalpía se mide abitualmente en #oule !ue" enprincipio" se introdu#o como unidad de traba#o.

'ntalpía de reacción" entalpía de formación" entalpíade combustión" entalpía de disolución" entalpía deenlace" etcJ siendo las más importantes&

ENTALPIA DE REACCIÓN-'s el calor absorbido o desprendido durante unareacción !uímica" a presión constante.

ENTALPÍA DE !ORMACIÓN-

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's el calor necesario para formar una mol de unasustancia" a presión constante y a partir de loselementos !ue la constituyen.

'#emplo&6/(g* : W0/(g* ;O 6/0 : 23.4AcalCuando se forma una mol de agua (13 g* a partirde idrógeno y oxígeno se producen 23.4 Acal" lo !uese denomina entalpía de formación del agua.

ENTALPÍA DE COMBUSTIÓN-'s el calor liberado" a presión constante" cuando se!uema un mol de sustancia.'#emplo&

C6>(g* : /0/(g* ;O /C0/(g* : /6/0(l* 56 ; </1/.3AcalLo !ue signi)ca !ue cuando se !ueman 12 gde metano se desprenden /1/.3 Acal.'stas entalpías se determinan normalmente a /XC y1 atm. %ara determinar la entalpía estándar deformación de las sustancias" se deben tener en cuentalas siguientes consideraciones&1. La entalpía estándar de formación de los elementospuros" libres y tal como se encuentran ensu estado natural es cero.%or e#emplo& 6/(g*" 0/(g*" B/(g*" Cl/(g*" Ba(s*" etc"tienen 56f/X; =" donde 5 6f/X es la entalpíaestándar de formación./. 'l carbono se presenta a /XC 1 atm de presión yen el estado sólido" de varias formas& diamante"gra)to" antracita" ulla" co,e" etc" pero su estadoestándar se define para el grafito" o sea 56f/X delgra)to es igual a cero.

4. 'l azufre se presenta en dos estados alotrópicos" elrómbico y el monocíclicoJ su entalpía estándar sedefine para el rómbico o sea 56f/X del rómbico esigual a cero.

ENTALPÍA ESTÁNDARDe una ecuación general&

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9e calcula restando las entalpías estándares deformación de los reactivos de las entalpías estándares

de formación de los productos" como se ilustra en lasiguiente ecuación&

;.E3%F#' '& F#' "o&(%(/' 3$ )'"%%/$"%&('3'"/%@$, '?'*3o(.P)'"%%/$"%& )$""%o&$+$ o ('3'"/%@$La precipitación fraccionada es una técnica en la !uedos o más iones en disolución" todos ellos capaces de

precipitar con un reactivo comEn" se separan medianteese reactivo& un ion precipita mientras !ue el otro o losotros" con propiedades seme#antes" permanecen endisolución. La condición principal para una buenaprecipitación fraccionada es !ue aya una diferenciasigni)cativa en las solubilidades de las sustancia !uese van a separar (normalmente una diferenciasigni)cativa en sus valores de Aps*. La clave de estatécnica es la adición lenta (por e#emplo con unabureta* de una disolución concentrada del reactivoprecipitante a la disolución donde debe producirse laprecipitación" a partir de los productos de solubilidades posible predecir cuál de los iones precipita primero ysi esta precipitación es completa cuando empieza aprecipitar el segundo. Dico de otra forma" es posiblededucir si pueden separarse cuantitativamente dosiones por precipitación fraccionada.'#emplo& K9e podrían separar Cl<  y G<  precipitandoselectivamente con +g: en una disolución donde&

YCl<Z ; YG<Z ; 1=</ H J As+gCl ; 1=<.F" As+gG ; 1=<12.1

'sto será posible si la concentración de +g: necesariapara !ue termine de precipitar un ión no es su)cientepara !ue comience a precipitar el siguiente ensolubilidad.La concentración de plata necesaria para !uecomience a precipitar el +gG será&

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La concentración de plata necesaria para !uecomience a precipitar el +gCl será&

0bservamos !ue el G< es el primero en precipitar pornecesitar menor concentración de agente precipitante"plata en este caso.La concentración de plata !ue existe cuando terminade precipitar el +gG será&

9i calculamos el producto de esta concentración deplata y la concentración inicial de cloruro" observamos!ue éste es menor !ue el producto de solubilidad delcloruro de plata&

%or tanto" G<  y Cl< se pueden separar por precipitaciónfraccionada con plata.

5.BIBLIOGRA!ÍA• ttp&tml.rincondelvago.comecuaciones<de<estado<

en<termodinamica.tml• ttp&es.[i,ipedia.org[i,i7eacci\C4\84n]endot

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=2<e!uilibrio\/=de\/=precipitacione!uilibrio

\/=precipitacion.pdf • ttp&es.[i,ipedia.org[i,iermodin\C4\+1mica]!u

\C4\+Dmica

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