TERMOQUÍMICA: DETERMINACIÓN DEL CALOR DE REACCIÓN Introducción

1. Facultad Regional La Plata Universidad Tecnológica Nacional ( UTN).Profesora: Susana JuantoJefe de Trabajos Prácticos: Rodolfo lasiAyudante: Silvia Pastorino60 y 124.La Plata (1900)Cátedra: Química Ingenieria en Sistemas de Informacionhttp://www.frlp.utn.edu.ar/materias/qcasis • TERMOQUÍMICA: DETERMINACIÓN DEL CALOR DE REACCIÓN • Introducción • La primera Ley de la termodinámica indica que la energía se mantiene constante en el Universo, y lo mismo sucede en un sistema aislado. • Su aplicación a las reacciones químicas condujo al desarrollo de la Termoquímica, esto es, el estudio del calor liberado o absorbido en las reacciones químicas. • Termoquímica • En determinadas condiciones, puede medirse el calor puesto en juego en las reacciones químicas: cuando éstas son rápidas, y no existen reacciones paralelas ni secundarias. En estos casos, se utiliza un calorímetro: un termo con agua, en donde se realiza la reacción, de tal forma que el calor que se intercambia modifica la temperatura del agua, la que puede medirse en forma sencilla. • (La relación entre calor y temperatura es Q= m Cp ∆T, siendo Q calor en calorías, Cp capacidad calorífica en cal/g ºC, y ∆T la variación de temperatura.) • Cuando no puede medirse el calor de una reacción química, siempre puede calcularse, empleando las tablas de entalpía, merced a las leyes de Lavoisier y de Hess. • Fundamento • En este experimento se determina el calor de una reacción de neutralización, es decir, el calor liberado en la reacción cuando un protón se combina con un oxhidrilo • H3O+ + OH-  2 H2O • O bien, en forma muy simplificada (ya que los H+ no existen libres en las soluciones acuosas) H+ + OH-  H2O • Los ácidos y bases fuertes pueden considerarse completamente disociados en soluciones diluídas, por lo tanto el calor liberado cuando se neutralizan es el que corresponde a la ecuación anterior. • Para ácidos y bases débiles, el calor de neutralización es menor, ya que parte de la energía se absorbe en la ionización de ácidos y bases. • Materiales • -agitador de vidrio • -frasco de 50 ml (p.ej.ampolla de decantación) • -frasco termo de 500 ml (Dewar) • -matraces volumétricos de 200 ml (2) • -mechero • -pinzas para buretas (2) • -pipeta de 50 ml • -probeta de 250 ml

2. Soportes metálicos (2) • -termómetros de 0º a 50ºC, graduados en 0,1 ºC • -vaso de precipitado de 100 ml • - ácido clorhídrico 0,322 M (1 lt) • -hidróxido de sodio 1 M ( 1 lt) • -agua destilada • Procedimiento • La reacción se realiza dentro del termo plástico(B), empleando además un frasco de vidrio de 50 ml (A), dos termómetros y el agitador, todo el conjunto se denomina el calorímetro, y en primer lugar se determina que cantidad de calor absorbe el mismo, es decir la capacidad calorífica o constante del calorímetro (C). • Esta C generalmente se expresa como la masa de agua que absorbería una cantidad de calor equivalente a la del calorímetro. • Recordemos que Q= m Cp ∆T, • Q calor en cal , m masa en g, Cp calor específico en cal/g ºC, ∆T variación de temperatura en ºC. • En el caso del agua, como su densidad es 1 g/ml, se usa indistintamente g ó ml. • Para eso se colocan 200 ml de agua en el termo(B) a temperatura ambiente (T2), y 50 ml en el frasco A a una temperatura ( T1) por lo menos 10ºC por encima de la anterior. • Se vierte estos 50 ml en el termo, se agita rápidamente y se lee la temperatura, siendo T3 la más alta alcanzada. •  Luego, aplicando la 1er ley de la termodinámica, el calor cedido por los 50 ml de agua a T1 es absorbido por los 200 ml y el calorímetro a T2, siendo T3 la temperatura final del sistema: • 50 ml (T1-T3) Cp = (C+ 200) (T3-T2) Cp, • y como Cp está en ambos miembros puede simplificarse, obteniéndose C. • Cp es el calor específico del agua, 1 cal/g ºC. • Ahora podemos obtener el calor de neutralización de la reacción ácido-base, colocando 50 ml del hidróxido de sodio 1 M en el frasco A, y 200 ml del ácido clorhídrico 0,322 M en el termo (esta concentración puede variar, pero elegimos una a los fines del cálculo), y se mide la temperatura inicial de ambas soluciones (T4). • Luego se mezclan, abriendo la llave del frasco A, se agita, y se anota la temperatura más alta alcanzada (T5) • El calor liberado por la reacción de neutralización (Q) cambió la temperatura del calorímetro y los 250 ml de las soluciones, a T5, • Q= (C+ 250) ( T5-T4) Cp • Q corresponde al calor de neutralización de los 50 ml de solución de HCl 0,322M, que contenían 0,0161 moles de HCl, produciendo 0,0161 moles de agua en la neutralización. • Para conocer el calor de neutralización por mol (q), calculando por regla de tres, • q= Q/0,161 (El valor teórico es de 13,7 kcal/mol). • Presentación de resultados • Medida de T1,T2,T3 • Cálculo de C • Medida de T4 y T5 • Cálculo de Q • Conociendo el volumen y la concentración de la solución de HCl • Cálculo de q • Conclusiones • 1) ¿Cuándo es posible obtener el calor de reacción con un calorímetro? • 2)¿en realidad, se mide calor o temperatura? ¿Cuál es la relación entre ellos? • ¿calor y temperatura son propiedades intensivas o extensivas? • 3) y si no es posible medir, ¿se puede conocer el calor de reacción? • 3)¿qué diferencia hay entre sistema abierto, aislado, cerrado? • 4)¿ Qué dicen las leyes de Lavoisier y de Hess (leyes de la termoquímica)? • 5) ¿Qué es una tabla de entalpías y para qué se emplea? • 6) ¿Qué significa exotérmico y endotérmico? • 7) ¿porqué utilizamos solución de NaOH de mayor concentración que la de HCl? • 8)¿Cuál es el origen del calor liberado en la reacción química de neutralización? • 8)¿Qué ventaja tiene utilizar termómetros digitales en lugar de los termómetros de vidrio con bulbo de mercurio? • Investigue • Orientados por la Cátedra, y trabajando en equipo, los alumnos realizan una investigación orientada en Internet (Webquest) sobre fundamentos y aplicaciones de este laboratorio.

3. INTEGRACIÓN QUÍMICA- FÍSICAEMEIPACIBA-FRLP-UTN • Con respecto a este laboratorio • 1)¿Qué mecanismos de conducción de calor tienen lugar?: • a) )Cuando calienta, con el mechero, agua en un vaso de precipitado. • b) Cuando mezcla agua fría con agua caliente para obtener la constante del calorímetro. • 2)¿Qué origen tiene el cambio de entalpía que se mide como Q de reacción en este laboratorio? • Problemas propuestos (tomados del blog de Física II: • http://www.catedrafisica2.blogspot.com.ar/ ) • 1) Si quiere tomar mate y dispone de agua a temperatura ambiente, enuncie al menos cuatro maneras distintas de obtener el agua a una temperatura adecuada. • 2) Una persona prepara una cantidad de té helado mezclando 520 g de té caliente (esencialmente agua), con una cantidad igual de hielo a 0ºC. ¿Cuál es la temperatura final, y la masa de hielo presente, (si queda), si el té caliente está inicialmente a una temperatura de • a)90ºC • b)70ºC? • (recuerde que para que coexista agua líquida y hielo la temperatura debe ser….) • Lf hielo=80 cal/g • C hielo= 0,53 cal/g ºC • Cagua líq =1 cal/g ºC Bibliografía Química-Física experimental. W.G.Palmer. Ed.EUDEBA. “Química” R. Chang. Ed. Mc Graw Hill. “Temas de Química General”. Baumgartner, Angelini y otros. Ed. Eudeba. “Física”. Alonso,M. E.J.Finn, E.J.(1995) ed:Addison-Wesley Iberoamericana. USA.

4. Guía de preguntas, CONCEPTOS Y APRECIAcIONESCALORIMETRÍA 2013- Integración entre Física y Química. IEC- FRLP.UTN. • 1)Explicite la convención de signos en la expresión del 1er principio de la termodinámica para la variación de energía interna , de acuerdo a los textos de Física y de acuerdo a los textos de Química. • 2) Realice una búsqueda orientada en Internet sobre tipos de termómetros (bulbo de vidrio, termocuplas, infrarrojo). También busque si existen instrumentos para medir calor. • . • 3)En la experiencia de calorimetría se usó agua caliente. ¿Qué mecanismos de transferencia de calor tienen lugar en un vaso con agua colocado sobre una tela metálica, sobre un mechero encendido? • 4) Una vez colocada el agua caliente y un cubito de hielo en el calorímetro, ¿qué imagina que sucede nivel microscópico durante el derretimiento del cubito? ¿Por qué el cambio de fase, hielo a agua líquida, requiere que éste absorba calor? • 5) ¿Cómo se aprecia la idea de que la materia está formada por átomos en la ley de Dulong y Petit? ¿Cómo se relaciona la ley de Dulong y Petit con el número de Avogadro? • 6)¿Qué significa el calor específico de una sustancia? • 7a) ¿Cuándo es posible cuantificar con un calorímetro el calor puesto en juego en una reacción química? • 7b)¿Qué produce calor en una reacción química? • 7c) ¿y si no es posible medir, ¿se puede conocer el calor de reacción? • La Cátedra sugiere las páginas de Internet para consultar.

5. www.frlp.utn.edu.ar/materias/qcasis