Práctica 1. Termoquímica I 1 PRÁCTICA 1 TERMOQUÍMICA FUNDAMENTO DE LA PRÁCTICA

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1 Práctica 1. Termuímica I 1 PRÁCTICA 1 TERMOQUÍMICA FUNDAMENTO DE LA PRÁCTICA En esta experiencia vams a medir la cantidad de calr ue se absrbe se desprende en reaccines ue tienen lugar en dislución acusa. Para ell vams a utilizar un calrímetr ue es un vas aislad térmicamente prvist de una tapadera a través de la cual se inserta un termómetr. La tapadera n cierra herméticamente a fin de ue el cntenid del vas esté a presión cnstante (véase la figura). La cantidad de calr asciada a las reaccines uímicas y a ls cambis físics se establece midiend ls cambis de temperatura de la dislución. Realizarems ls siguientes ensays: 1. Determinación experimental de la capacidad calrífica ( euivalente calrífic en agua) del calrímetr. 2. Determinación experimental de la cantidad de calr desprendid en reaccines de neutralización: Neutralización de una dislución acusa de ácid clrhídric cn tra de hidróxid de sdi. Neutralización de una dislución acusa de ácid acétic cn tra de hidróxid de sdi. Neutralización de una dislución acusa de ácid clrhídric cn tra de amniac. 3. Determinación de la cantidad de calr absrbid al dislver clrur de amni sólid en agua. 4. Finalmente utilizarems alguns de ls dats experimentales btenids para calcular, aplicand la ley de Hess, la cantidad de calr absrbida desprendida en la reacción de descmpsición del clrur de amni: NH 4 Cl (s) NH 3(g) + HCl (g) Calrímetr para medir el fluj de calr a presión cnstante

2 Práctica 1. Termuímica I 2 MATERIAL Y REACTIVOS Material Calrímetr Termómetr Placa calefactra Prbeta 2 vass de precipitads Reactivs Hidróxid de sdi (NaOH) ac, 3 M Ácid clrhídric (HCl) ac, 3 M Ácid acétic (CH 3 COOH) ac, 3 M. Amniac (NH 3 ) ac, 3 M Clrur de amni (NH 4 Cl) s MÉTODO EXPERIMENTAL Cuand se lleva a cab una reacción extérmica en un calrímetr el calr liberad en la reacción es absrbid parte pr el agua (elevándse su temperatura) y parte pr las paredes del calrímetr. La cantidad de calr ue absrbe el calrímetr se expresa cm su capacidad calrífica euivalente de agua, e c. Est se refiere a la cantidad de agua ue absrbería la misma cantidad de calr ue el calrímetr pr el cambi en un grad de temperatura. El euivalente de agua de un calrímetr se determina experimentalmente y su valr es una cnstante para tds ls experiments efectuads en el calrímetr. 1. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DEL CALORÍMETRO. Medir cn una prbeta 100 ml de agua a temperatura ambiente y verterls en un vas de precipitads. Antar dicha temperatura, T f, y añadir el agua al calrímetr. Calentar en un vas de precipitads trs 100 ml de agua hasta una temperatura T c, aprximadamente treinta grads pr encima de la anterir, apuntar la temperatura y añadirls al calrímetr. Antar el tiemp y agitar suavemente el calrímetr cn mvimients circulares. Apuntar ls valres de temperatura a intervals de un minut durante cinc minuts. Representar gráficamente las temperaturas btenidas frente al tiemp, ajustand ls punts btenids a una línea recta. Para determinar la temperatura de la dislución T en el instante de la mezcla (t = 0), hay ue extraplar a tiemp cer. mment de la mezcla, T 29,2 mezcla T ºC 29 28,8 28, t min

3 Práctica 1. Termuímica I 3 El calr ganad pr las paredes del calrímetr viene dad pr: ganadpr elcalrímetr = cedidpr elaguacaliente ganadprelagua fría La cantidad de calr transferida se expresa en función de la cantidad de agua, m, el cambi de temperatura, ΔT y el calr específic del agua, c. El calr específic de una sustancia se define cm la cantidad de calr necesaria para elevar la temperatura de 1 gram de dicha sustancia en 1K ( en 1 C). Se expresa en J/K g en cal/k g. Para el agua, c agua = 1 cal/g K = 4,184 J/g K. Pr tant, cedid agua caliente ganad agua fría = m = m agua calientecagua( Tagua caliente T agua fria c agua ( T T ) fria agua ) De dnde la capacidad calrífica del calrímetr, euivalente calrífic en agua del calrímetr viene dad pr: e c = ganad pr el calrímetr T T agua fría dnde T se ha determinad gráficamente. 2. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE CALORES DE NEUTRALIZACIÓN. REACCIONES A PRESIÓN CONSTANTE. Cuand se lleva a cab una reacción de neutralización en un calrímetr mezcland una dislución de un ácid cn tra de una base, el calr liberad en la reacción de neutralización es absrbid pr el agua (ue aumenta su temperatura) y pr las paredes del calrímetr. r = ΔH = ( cantidad decalr ue gana el calrímetr) + ( cantidad decalr ue gana el agua) = ΔH = e ΔT + mcδt r c 2.1. Reacción de neutralización de un ácid fuerte pr una base fuerte Medir 50 ml de una dislución de hidróxid de sdi 3M y antar su temperatura. Medir 50 ml de una dislución de ácid clrhídric 3M y antar su temperatura. Añadir, simultáneamente, ambas dislucines al calrímetr. Cerrar el calrímetr, agitar suavemente y antar la temperatura a intervals de 1 minut, durante cinc minuts, manteniend la agitación td el tiemp. Realizar la gráfica T/t y extraplar, el tram rect, a tiemp cer para determinar T. Supniend ue la densidad de la mezcla de reacción es aprximadamente 1 g/cm 3 y ue su calr específic se aprxima a 1 cal/g K, calcular el calr de neutralización (en KJ/ml) para la reacción de neutralización efectuada: NaOH (ac) + HCl (ac) Na + (ac) + Clˉ(ac) + H 2 O (l) ó OHˉ(ac) + H + (ac) H 2 O (l)

4 Práctica 1. Termuímica I Reacción de neutralización de un ácid débil pr una base fuerte. Repetir el prces del apartad anterir empleand 50 ml de una dislución de hidróxid de sdi 3M y 50 ml de una dislución de ácid acétic 3M. Realizar la gráfica T/t y extraplar, el tram rect, a tiemp cer para determinar T. Calcular la entalpía de neutralización en KJ/ml para la reacción efectuada. NaOH (ac) + CH 3 COOH (ac) CH 3 COOˉ(ac) + Na + (ac) + H 2 O (l) 2.3. Reacción de neutralización de un ácid fuerte pr una base débil. Repetir el prces del apartad anterir empleand 50 ml de una dislución de ácid clrhídric 3M y 50 ml de una dislución de amniac 3M. Realizar la gráfica T/t y extraplar, el tram rect, a tiemp cer para determinar T. Calcular la entalpía de neutralización en KJ/ml para la reacción efectuada. + NH 3(ac) + HCl (ac) NH 4 (ac) + Clˉ(ac) 3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DEL CALOR DE DISOLUCIÓN DEL CLORURO DE AMONIO. En una balanza de precisión pesar entre 10 y 11 grams de NH 4 Cl sólid, y antar la masa de la muestra. Medir 50 ml de agua destilada, antar su temperatura y añadirls al calrímetr. Añadir el NH 4 Cl sólid al calrímetr. Agitar vigrsamente y antar la temperatura a intervals de 1 minut. Cmprbar ue td el sólid se ha disuelt antes de realizar la primera medida de temperatura. Realizar la gráfica T/t y extraplar, el tram rect, a tiemp cer para determinar T. Calcular el calr de dislución en KJ/ml, + NH 4 Cl (s) + H 2 O (l) NH 4 (ac) + Cl (ac) 4. APLICACIÓN DE LA LEY DE HESS PARA CALCULAR ΔH PARA LA REACCIÓN DE DESCOMPOSICIÓN DEL CLORURO DE AMONIO NH 4 Cl(s) NH 3(g) + HCl (g) Dats necesaris: A 1 : Valr experimental de ΔH determinad para: + NH 3(ac) + HCl (ac) NH 4 (ac) + Cl (ac) (apartad 2.3) A 2 : Valr experimental de ΔH determinad para: + NH 4 Cl (s) + H 2 O (l) NH 4 (ac) + Cl (ac) (apartad 3) A 3 : ΔH 3 = J/ml, para: A 4 : ΔH 4 = J/ml, para: NH 3(g) + H 2 O (l) NH 3(ac) HCl (g) + H 2 O (l) HCl (ac)

5 Práctica 1. Termuímica I 5 Númer de mesa: APELLIDOS: _ NOMBRE: _ Cálculs y gráficas de la práctica de Termuímica 1. DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DEL CALORÍMETRO V (agua fría) = ml T (agua fría) = T f = C V (agua caliente) = ml T (agua caliente) = T c = C T (1 minut) = T (2 minut) = T (3 minut) = T (4 minut) = T (5 minut) = T * = cedid = (m caliente )(c e )(T c T ) * = ganad = (m frí )(c e )(T T f ) * = calrímetr = cedid (agua) ganad (agua) = e c = calrímetr /(T T f ) * = * T : Temperatura determinada gráficamente. Calr específic del agua: c e = 1 cal/g K

6 Práctica 1. Termuímica I 6 2. DETERMINACIÓN DE ENTALPÍAS DE NEUTRALIZACIÓN 2.1. Reacción de neutralización de NaOH (ac) cn HCl (ac) Escriba la reacción de neutralización: V NaOH = ml T NaOH = C V HCl = ml T HCl = C T (1 minut) = T (2 minut) = T (3 minut) = T (4 minut) = T (5 minut) = T = (T i ) * = abs.mezcla = m c e (T T i )= abs.calrímetr = e c (T T i )= ΔH neutralización = ( abs.mezcla + abs.calrímetr )= Mles de NaCl frmads = ΔH neutralización (en KJ/ml) = * T i = (T NaOH + T HCl )/2; c e c agua 4,18 J/g K 2.2. Reacción de neutralización de NaOH (ac) cn AcOH (ac) Escriba la reacción de neutralización: V NaOH = ml T NaOH = C V AcOH = ml T AcOH = C T (1 minut) = T (2 minut) = T (3 minut) = T (4 minut) = T (5 minut) = T = (T i ) * = abs.mezcla = m c e (T T i )= abs.calrímetr = e c (T T i )= ΔH neutralización = ( abs.mezcla + abs.calrímetr )= Mles de NaAc frmads = ΔH neutralización (en KJ/ml) = * T i = (T NaOH + T AcOH )/2

7 Práctica 1. Termuímica I Reacción de neutralización de HCl (ac) cn NH 3(ac) Escriba la reacción de neutralización: V NH3 = ml T NH3 = C V HCl = ml T HCl = C T (1 minut) = T (2 minut) = T (3 minut) = T (4 minut) = T (5 minut) = T = T i = ( TNH + T )/ 2 = 3 HCl abs.mezcla = m c e (T T i )= abs.calrímetr = e c (T T i )= ΔH reacción = ( abs.mezcla + abs.calrímetr )= mles de NH 4 Cl frmads = ΔH reacción (en KJ/ml) = 3. DETERMINACIÓN DE LA ENTALPÍA DE DISOLUCIÓN DEL CLORURO DE AMONIO Escriba la reacción de dislución: Masa (NH4Cl) = g V agua = ml T agua = C T (1 minut) = T (2 minut) = T (3 minut) = T (4 minut) = T (5 minut) = T = T i = T agua = abs.mezcla = m (NH4Cl + agua) c e (T T i )= c e c agua 4,18 J/g K abs.calrímetr = e c (T T i )= ΔH dislución = ( abs.mezcla + abs.calrímetr )= Mles de NH 4 Cl = ΔH dislución (en KJ/ml) = 4. APLICACIÓN DE LA LEY DE HESS PARA CALCULAR ΔH r PARA LA REACCIÓN: NH 4 Cl (s) NH 3(g) + HCl (g) Escriba las ecuacines termuímicas crrespndientes y calcule, de manera raznada, el valr de ΔH r. Ecuacines termuímicas ΔH (KJ/ml) A 1 : A 2 : A 3 : A 4 : ΔH reacción

8 Práctica 1. Termuímica I 8 FUNDAMENTO TEÓRICO Las reaccines uímicas van acmpañadas de cambis de energía ue, generalmente, crrespnden a la absrción desprendimient de calr. Las reaccines uímicas cm las de cmbustión en las ue se prduce desprendimient de calr reciben el nmbre de extérmicas. Ls prcess en ls ue el sistema absrbe calr, cm la fusión del hiel, sn endtérmics. La cantidad de calr absrbid desprendid en cualuier prces físic uímic depende de las cndicines experimentales en ue se efectúe el prces. Ls ds cass más frecuentes sn prcess a presión cnstante (reaccines en recipiente abiert, P = 1 atm) prcess a vlumen cnstante (reaccines en recipiente cerrad herméticamente, ΔV = 0). La magnitud termdinámica utilizada para expresar el calr liberad absrbid pr una reacción uímica cuand el prces se lleva a cab a presión cnstante, p, se denminada entalpía, H. Pr cnveni el calr absrbid pr el sistema tiene valr psitiv y el liberad valr negativ. Pr tant; Para reaccines endtérmicas: ΔH = p > 0 Para reaccines extérmicas: ΔH = p < 0 En el labratri para medir el calr absrbid desprendid en una reacción uímica se utiliza un recipiente llamad calrímetr. Para las reaccines ue tienen lugar a presión cnstante se usa un calrímetr frmad pr un vas aislad térmicamente (vas Dewar). Este tip de calrímetr es útil para medir la cantidad de calr ue se desprende en reaccines ue tienen lugar en dislución acusa tales cm reaccines de neutralización ácid base y calres de dislución. Midiend ls cambis de temperatura de la dislución se puede establecer la cantidad de calr asciad a la reacción uímica. Ls cambis de temperatura dependen de la capacidad calrífica del calrímetr y de la capacidad calrífica del agua ( de su calr específic). Capacidad calrífica y calr específic Cuand se calienta una sustancia, si ésta n experimenta ningún cambi físic ni reacción uímica, su temperatura se eleva. El cambi de temperatura experimentad depende de la capacidad calrífica de dicha sustancia. La capacidad calrífica de una sustancia, C, se define cm la cantidad de calr necesaria para elevar su temperatura en 1K ( 1 C). Si está invlucrad 1 ml de sustancia se cnce cm capacidad calrífica mlar, C, ue se expresa en J/K.ml. La capacidad calrífica de 1 g de una sustancia es su capacidad calrífica específica calr específic, c. Cuant mayr es la capacidad calrífica de una sustancia, más calr se necesita para prducir una elevación de temperatura dada. Cantidad de calr transferid = (capacidad calrífica) x (cambi de temperatura) p = C ΔT = nc ΔT = mcδt p La cantidad de energía calrífica ue hay ue suministrar a 1g de agua para elevar su temperatura 1 K ( 1 C) es de 4,184 J. m

9 Práctica 1. Termuímica I 9 El calr específic es una magnitud muy imprtante en Termuímica, ya ue si se cnce su valr y la cantidad de sustancia se puede determinar el calr absrbid liberad en un prces sin más ue medir el cambi de temperatura. Ley de Hess La ley de Hess establece ue el cambi de entalpía ( de energía interna) para una reacción uímica es el mism, tant si la reacción se efectúa en un pas en una serie de pass. Est cncuerda cn el hech de ue la entalpía y la energía interna sn funcines de estad. Cm ΔH = p (a P=cte.) y ΔE = v (a V=cte.) midiend el calr absrbid liberad en una reacción uímica se pueden determinar ls valres de entalpía y de energía interna. La ley de Hess es especialmente útil para calcular cambis de entalpía para reaccines en las ue resulta difícil su determinación experimental. Veams un ejempl: La entalpía de cmbustión del carbn para dar dióxid de carbn es de 395,5 kj/ml, y la entalpía de cmbustión del mnóxid de carbn para dar dióxid de carbn es de 283,0 kj/ml. Calcular la entalpía de cmbustión de carbn para dar lugar a mnóxid de carbn. (a) C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH a = 393,5 kj/ml (b) CO(g) + ½ O 2 (g) CO 2 (g) ΔH b = 283,0 kj/ml (c) C(s) + ½O 2 (g) CO(g) ΔH c? Acmdams las reaccines (a) y (b) para btener una ecuación termuímica igual a (c): (a) C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH a = 393,5 kj/ml ( b) CO 2 (g) CO(g) + ½ O 2 (g) ΔH b = +283,0 kj/ml C(s) + ½O 2 (g) CO(g) ΔH = 110,5 kj/ml Cm la variación de entalpía de una reacción uímica depende de la P, T y cantidad de materia, resulta útil especificar unas cndicines estándar de referencia. La entalpía estándar de una reacción, ΔH, es la variación de entalpía de dicha reacción cuand tds ls reactivs y prducts están en su estad estándar. Una sustancia está en su estad estándar cuand se encuentra a una P = 1 atm y a una T especificada ue, nrmalmente se escge cm 25 C. Si se trata de sustancias en dislución se refiere a una cncentración 1M. La entalpía estándar de frmación de un cmpuest, ΔH f, es el cambi de entalpía cuand se frma 1 ml del cmpuest a partir de sus elements en su frma más estable en cndicines estándar. Pr definición la estándar es cer. ΔH f de la variedad más estable de un element en su estad El cambi de entalpía estándar de cualuier reacción se puede calcular fácilmente a partir de las entalpías estándar de frmación de ls reactivs y prducts de la reacción: Δ Hr = nδh f ( prducts) nδh f ( reactivs)