Calor de Reacción. Departamento de Química. Facultad de Ciencias. Universidad de Los Andes. Mérida. Venezuela

Transcripción

1 Calor de Reacción Objetivos 1. Estudiar el calor de reacción de tres tipos de reacciones: Hidratación de un ácido. Disolución de una sal. Neutralización de un ácido 2. Determinar el calor involucrado en reacciones de neutralización. Introducción Todos los cambios en la materia, ya sean físicos o químicos, están acompañados por cambios en la energía contenida de la materia. La producción y el uso de la energía en sus diversas formas tienen un enorme impacto sobre la sociedad. Algunas de las más grandes industrias manufacturan productos que liberan, absorben o limitan el flujo de la energía. Los combustibles comunes, tales como el aceite, la madera, el carbón y el gas natural, liberan energía química para calentar y para activar máquinas de combustión y turbinas. Los fertilizantes ayudan a que los cultivos absorban la energía solar y la transformación en energía química de los alimentos que nuestro cuerpo convierte en otras formas. Cualquier reacción química siempre está acompañada de un cambio de energía, ya sea porque ésta se libera luego de la reacción, o porque se consume para que la reacción se efectúe. Este cambio es el resultado de la ruptura de enlaces de los reactivos y por la formación de nuevos enlaces en los productos. La cantidad de calor involucrado en una determinada reacción no puede ser medido directamente, sin embargo, la detección de una variación de la temperatura de reacción puede asociarse con un efecto del calor de reacción. Esta variación de la temperatura está asociada con el calor que debe fluir desde el entorno hacia la reacción (Q absorbido > 0) o desde la reacción hacia el entorno (Q Cedido < 0) para que pueda restablecerse la energía inicial del sistema. La mayoría de las reacciones químicas se efectúan en recipientes abiertos y, por tanto, la presión es constante (la misma presión atmosférica antes y después de la reacción). Por lo tanto, el calor de una reacción química, calor intercambiado en el curso de la 1

2 reacción considerada, es igual al cambio de entalpía del sistema ( H). Este calor no sólo depende de la naturaleza química de cada producto sino de sus estados físicos. Hidratación del ácido sulfúrico concentrado: Esta reacción es exotérmica y puede ser peligrosa ya que tiende a salpicar. Esta reacción implica la hidratación de las moléculas de ácido sulfúrico para formar H2SO 4 H 2 O y H 2 SO 4.2H 2 O. La formación del enlace entre el ácido y el agua es la principal causa de liberación de calor. El ácido sulfúrico comercial contiene, por lo general, menos de un 5% de agua, por ello, pocas moléculas del ácido están ya hidratadas. Disolución de una sal Al disolver una sal compiten principalmente dos efectos de calor. Éstos son la energía requerida para romper el enlace iónico de la celda cristalina, llamada Energía de Celda, y la Energía de Hidratación, la cual es debida a que los iones liberados de la celda cristalina se hidratan, liberando energía. Si la Energía de Celda es mayor que la Energía de Hidratación la reacción puede ser endotérmica. Mientras que si la Energía de Hidratación es mayor que la Energía de Celda la reacción es exotérmica. Reacciones de Neutralización La neutralización de soluciones acuosas diluidas de un ácido por medio de una solución acuosa diluida de una base, es un tipo particular de reacción química; es una reacción de neutralización. La neutralización de una solución acuosa de HCl con una solución de NaOH puede ser representada por la siguiente ecuación: HCl + NaOH NaCl + H 2 O (l) + calor Todas estas sustancias son solubles y, con excepción del agua, son electrolitos fuertes. La ecuación iónica total correspondiente es: H + (ac) + Cl - (ac) + Na + (ac) + OH - (ac) Na + (ac) + Cl - (ac) + H 2 O (l) + calor y la ecuación iónica neta es: H + (ac) + OH - (ac) H 2 O (l) + calor De acuerdo a ésto, una reacción de neutralización entre un ácido fuerte y una base 2

3 fuerte es la reacción de los iones hidrógeno (H + ) y los iones hidróxido (OH - ) para formar agua. Esta reacción es común para todos los ácidos y bases fuertes en la cual está involucrada cierta cantidad de calor que es liberado por cada mol de ión hidrógeno y por cada mol de ión hidróxido. Por ello, es posible que al usar diferentes ácidos fuertes mezclados con un cierto volumen de base fuerte se obtenga una cantidad igual de calor para cada neutralización. Esta hipótesis será investigada en este experimento. Procedimiento Experimental Reactivos: Ácido Sulfúrico 18M Solución de NaOH 1M Ácido Clorhídrico 1M y 3M Solución de KOH 1M Ácido Nítrico 1M Cloruro de Amonio Solución de NaOH 5% y 10% Solución alcohólica de fenolftaleína. Materiales: Aislante Térmico Termómetro Vaso de precipitados de 100 ml. Agitador de vidrio Cilindro Graduado de 50 ml. Calorímetro (construido en el laboratorio) A. Hidratación del Ácido Sulfúrico: Agregar 20 ml de agua destilada en un vaso de precipitado de 100 ml el cual se introduce en un recipiente que sirve de aislante térmico. Anotar la temperatura del agua. Medir 2 ml de H 2 SO 4 concentrado y colocarlos junto con el agua anterior. Agitar con una varilla de vidrio y anotar la máxima temperatura alcanzada por el conjunto agua-ácido. Guardar esta solución en un erlenmeyer de 125 ml para ser usada en la parte C. B. Disolución de Cloruro de Amonio: Colocar el vaso de precipitados de 100 ml completamente limpio en el aislante térmico y añadir 10 ml de agua destilada. Leer y anotar la temperatura del agua. Pesar 3

4 aproximadamente 2 g de cloruro de amonio y colocarlos en los 10 ml de agua destilada. Agitar con una varilla de vidrio y tomar nota de la mínima temperatura registrada. C. Reacción de neutralización: Las cinco reacciones de neutralización se realizan mediante los siguientes pasos: Paso 1. Introducir el vaso de precipitados de 100 ml en el aislante térmico. Colocar el ácido y el agua correspondiente a la Neutralización 1 indicados en la tabla I. Paso 2. Leer y anotar la temperatura de la mezcla ácido-agua. Paso 3. Añadir el volumen correspondiente de hidróxido de sodio. Agitar con el agitador de vidrio y anotar la máxima temperatura alcanzada. Paso 4. Limpiar el vaso de precipitados y repetir todo el procedimiento para las reacciones de neutralización especificadas en tabla I. Tabla I. Volúmenes de ácidos y bases para cada reacción de neutralización Neutralización 1 10 ml HCl (3M) 20 ml H 2 O 10 ml NaOH 5% Neutralización 2 10 ml HNO 3 (3M) 20 ml H 2 O 10 ml NaOH 5% Neutralización 3 10 ml H 2 SO 4 (1,5M)* 20 ml H 2 O 10 ml NaOH 5% Neutralización 4 20 ml HCl (3M) 10 ml H 2 O 10 ml NaOH 5% Neutralización 5 10 ml HCl (3M) 10 ml H2O 20 ml NaOH 5% *Preparada en la parte A. Determinación del calor de neutralización: La experiencia consiste fundamentalmente en medir el aumento de temperatura debido a la reacción de neutralización (llevada a cabo en un calorímetro) de una solución diluida de un ácido y base fuerte. Por ser conocidas las concentraciones de las soluciones, también se conocerá el numero de moles de agua formados en la reacción de neutralización (estequiometria). A partir del aumento de temperatura observado, se puede calcular el calor desarrollado correspondiente a dichos moles de agua (llevados a gramos) y también el correspondiente a 1 mol de agua. Se repite la experiencia con un ácido débil y una base fuerte para verificar que el proceso en este último caso arroja un valor menor en la neutralización. También se repetirá la experiencia con diferentes 4

5 ácidos y bases fuertes, para observar la poca variación de los calores reacción. Se calculará el error relativo del calor desarrollado considerando los valores teóricos encontrados en la revisión de la literatura. Calorímetro utilizado en las experiencias El calorímetro es un aparato, que si bien puede ser sencillo (al menos para un curso de Química General), requiere de ciertos conocimientos previos y habilidades para su manejo. En nuestro caso, lo construiremos con el uso de un vaso de precipitado dentro de material aislante, un termómetro y un agitador adecuado. No es el aparato que usted utilizará en los laboratorios de Física, pero para nuestro trabajo de laboratorio es adecuado y suficiente. El calor absorbido o perdido por el calorímetro utilizado (Ccal) seguramente no es despreciable y por lo tanto antes de las medidas que nos interesan, debe determinarse con el fin de corregir nuestros datos. Experiencia C.1: Medida de Ccal Colocar 50 ml de agua a temperatura ambiente dentro del vaso de precipitado colocado dentro del material aislante, es decir, dentro del calorímetro. Verificar el valor de la temperatura. Calentar 50 ml de agua destilada a 50 C y agregarla al calorímetro. Con cuidado, agitar la mezcla con el agitador de vidrio. Medir el cambio de temperatura y anotar la medida. Experiencia C.2: Neutralización del HCl con NaOH Medir 50 ml de HCl 1M en el cilindro graduado y verter en el calorímetro. Determinar su temperatura. La misma debe permanecer constante hasta el momento de agregar la base. Calcular la concentración de iones H + presentes en la solución medida para agregar la cantidad de base necesaria que neutralice la totalidad de los iones H +. Enjuagar el cilindro graduado y medir el volumen de base calculado. Medir la 5

6 temperatura del álcali con el mismo termómetro. Volcar rápidamente la base desde el cilindro al calorímetro, tapar, agitar y observar la marca del termómetro. El termómetro no debe tocar el fondo del vaso de precipitados. Debe cuidarse al agitar, que la tapa no se moje con la solución. Al término de la neutralización, verificar el punto final de la solución resultante con el agregado de 3 gotas de fenolftaleína. Si la solución permanece incolora indica un déficit de base; si la solución permanece roja, indica un exceso de base. La solución se ha llevado adecuadamente cuando unas pocas gotas de base o ácido son suficientes para cambiar la coloración del indicador en la solución resultante. Nota: Para simplificar los cálculos, considerar que la solución resultante tiene densidad y calor específicos a los del agua. Experiencia C.3: Neutralización del HCl con KOH Repetir la Experiencia C.1 pero con hidróxido de potasio en lugar de hidróxido de sodio. Cálculos y Resultados: Hidratación del ácido sulfúrico concentrado 1. Temperatura del agua: T ± T = ( ± )ºC. Temperatura del agua luego de añadir el ácido: T ± T = ( ± )ºC. Variación de la temperatura: T = ( )ºC. 2. Esta reacción es endotérmica ( ) o exotérmica ( )? 3. En esta reacción, qué efecto predomina en la variación de la temperatura? El rompimiento o la formación de enlaces químicos? 4. Si se emplea el ácido sulfúrico diluido en lugar del ácido concentrado, la variación en la temperatura sería mayor o menor? Disolución del Cloruro de Amonio: 1. Temperatura del agua: T ± T = ( ± )ºC. Temperatura del agua luego de añadir la sal: T ± T = ( ± )ºC. 6

7 Variación de la temperatura: T = ( )ºC. 2. Esta reacción es endotérmica ( ) o exotérmica ( )?. 3. En esta reacción, qué efecto predomina en la variación de la temperatura? El rompimiento o la formación de enlaces químicos?. 4. Qué efecto adicional está presente en esta reacción que actúa en dirección opuesta?. 5. Si se emplean 20 ml de agua y 4 g de cloruro de amonio en lugar de 10 ml de agua y los 2 g de cloruro de amonio usados en este experimento, el efecto en la temperatura será mayor, menor o igual? Explique por qué. Reacciones de Neutralización: Tabla II. Datos de la experiencia de reacciones de neutralización. Neutralización Temp. antes de NaOH Temp. luego de NaOH T 1. 10mL HCl. 20 ml H 2 O 10 ml NaOH 2 10 ml HNO 3 20 ml H 2 O 10 ml NaOH 3 10 ml H 2 SO 4 20 ml H 2 O 10 ml NaOH 4 20 ml HCl 10 ml H 2 O 10 ml NaOH 5 10 ml HCl 10 ml H 2 O 20 ml NaOH 1. De acuerdo a las variaciones de la temperatura obtenidas en las neutralizaciones 1, 2 y 3, Por qué el calor involucrado en una reacción de neutralización es independiente del ácido empleado o depende del ácido? En las neutralizaciones 4 y 5 existe alguna diferencia en la variación de la temperatura si se alteran los volúmenes de ácido y de base, permaneciendo constante el volumen total. Por qué?. 7

8 Experiencia C.1: Medida de Ccal La capacidad calorífica del calorímetro (Ccal) se calcula de la siguiente manera: Q perdido por el agua caliente = Q ganado por el agua fría + Q ganado por el calorímetro o lo que es lo mismo: -Q agua caliente = Q agua fría + Q calorímetro También se puede expresar: -m agua caliente. Ce agua caliente. T agua caliente = m agua fría. Ce agua fría. T agua fría + Ccal. T agua fría de donde: Ce Ccal = agua ( m agua caliente * T agua caliente T agua fría + m agua fría * T agua fría ) Experiencia C.2: HCl 1 M NaOH 1 M Tabla III. Datos y resultados de la Experiencia 1: HCl 1 M NaOH 1 M Volumen HCl 1N Temperatura del HCl 1 M Moles de H+ presentes Moles de OH- necesarios para la neutralización Volumen de NaOH 1 M Temperatura del NaOH 1M Volumen final de la mezcla Temperatura final máxima registrada Aumento de temperatura Calor desarrollado Moles de agua formados Calor desarrollado por mol de agua formado 8

9 Experiencia C.3: HCl 1 M KOH 1 M Tabla IV. Datos y resultados de la Experiencia 1: HCl 1 M KOH 1 M Volumen HCl 1N Temperatura del HCl 1 M Moles de H+ presentes Moles de OH- necesarios para la neutralización Volumen de KOH 1 M Temperatura del KOH 1M Volumen final de la mezcla Temperatura final máxima registrada Aumento de temperatura Calor desarrollado Moles de agua formados Calor desarrollado por mol de agua formado Para comparación del resultado obtenido, determine el valor teórico del calor desarrollado por mol de agua formado. Cuestionario 1. Definir los siguientes términos: Reacción Endotérmica Ácido Fuerte Reacción Exotérmica Base Fuerte Calor de Reacción Reacción de Neutralización Calor de Hidratación 2. Prepare 100 ml de una solución al 5% en NaOH, a partir de una solución de NaOH al 10%. Además, calcule la molaridad de la solución resultante. 3. Por qué es recomendable usar ácidos y bases diluidos? 4. Cómo afecta al resultado final el hecho de que se tarde mucho tiempo en tapar el calorímetro luego de agregar la base?. 5. Deducir todas las expresiones usadas para calcular el número de moles de H +, volumen de base necesario y calor de neutralización. 9