DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DE UNA MUESTRA METÁLICA

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María Soledad Agüero Maestre
hace 7 años
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1 Práctico 10 Página: 1/6 DEPARTAMENTO ESTRELLA CAMPOS PRÁCTICO 10: DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DE UNA MUESTRA METÁLICA Bibliografía: Química, La Ciencia Central, T.L.Brown, H.E.LeMay, Jr., B. Bursten. Ed. Prentice-Hall, Hispanoamérica, México, 7 a Edición, 1998, págs , OBJETIVOS 1.1. Determinar el calor desprendido por una muestra de una sustancia metálica, cuando ésta sufre un proceso de enfriamiento Determinar la capacidad calorífica de la muestra y el calor específico y la capacidad calorífica molar del metal. 2. CONCEPTOS PREVIOS El calor desprendido o absorbido por las reacciones químicas o los procesos físicos (cambios de fase, procesos de disolución, dilución, calentamiento, etc.) puede ser determinado mediante una técnica denominada calorimetría. En la presente clase, se utiliza dicha técnica para medir el calor desprendido por una muestra de una sustancia metálica, cuando ésta sufre un proceso de enfriamiento. Se hará uso de algunas definiciones que conviene recordar. La capacidad calorífica de un cuerpo, C, es la cantidad de calor que se le debe suministrar para aumentar su temperatura en un grado (centígrado, o C, ó Kelvin, K). C = q / T Por ejemplo, que la capacidad calorífica de determinado cuerpo sea 2000 cal/grado significa que para aumentar su temperatura en 1 grado debe suministrársele 2000 cal. Para sustancias puras se definen dos magnitudes relacionadas: la capacidad calorífica molar (capacidad calorífica por mol de sustancia) y el calor específico (capacidad calorífica por gramo de sustancia).

2 Página: 2/6 Capacidad calorífica molar, C p, es la cantidad de calor que hay que suministrar a un mol de sustancia para elevar su temperatura en un grado (cuando el calentamiento se realiza a presión constante, condición que origina el subíndice p ). Por lo tanto: C p = q / n T ó C p = C / n donde n es el número de moles de sustancia cuya capacidad calorífica es C. Calor específico, C e, es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de sustancia para elevar su temperatura en un grado. En consecuencia: C e = q / m T ó C e = C / m donde m es la masa de sustancia cuya capacidad calorífica es C. Es importante observar que C p y C e son propiedades intensivas: no dependen de la cantidad de sustancia. En cambio C es una propiedad extensiva, depende de la masa de sustancia (es proporcional a ella). Así por ejemplo, en una tabla o manual podemos encontrar el valor del calor específico del agua líquida ( = 1 cal / grado gramo) o de su capacidad calorífica molar ( = 18 cal / grado mol). Ambas son propiedades, características, del agua líquida. Sin embargo, la pregunta Cuál es la capacidad calorífica del agua líquida?, no tiene respuesta. Para contestarla, es necesario saber además de qué cantidad de agua líquida se está hablando. Así por ejemplo, la capacidad calorífica de 5 moles de agua líquida es 18 x 5 cal / grado y la de 10 moles es 18 x 10 cal / grado. En el experimento que se realiza en esta clase, se determina la capacidad calorífica de una muestra de un metal. Para ello se coloca la muestra a una cierta temperatura (que es el sistema en estudio), por ejemplo a 100 o C, en un recipiente aislado que contiene una cierta cantidad de agua a otra temperatura, por ejemplo, 25 o C. El recipiente, el agua que contiene, el termómetro que se utiliza para la medida de la temperatura y la varilla empleada para agitar, constituyen un dispositivo llamado calorímetro y que es el ambiente con el cual el sistema intercambia calor. Al ponerse en contacto el sistema con el ambiente, la temperatura del primero disminuirá mientras que la del segundo aumentará, hasta alcanzar ambos la misma temperatura, por ejemplo, 30 o C. El sistema ha cedido energía (en la forma de calor) al ambiente. De acuerdo al Primer Principio de la Termodinámica, la energía que perdió el sistema (ya que su temperatura disminuyó), debe ser igual a la energía que ganó el ambiente (cuya temperatura aumentó). Por lo tanto: C calorímetro T calorímetro = - C muestra T muestra

3 Sustituyendo por los valores de temperatura señalados más arriba se tiene: C calorímetro ( ) = - C muestra ( ) (1) Química General II Página: 3/6 Esta ecuación permite calcular C muestra, siempre que se conozca C calorímetro. De lo contrario se tendrían dos incógnitas y una única ecuación que las relaciona. Es por ello que se debe realizar otro experimento independiente a fin de determinar C calorímetro. Este procedimiento se denomina calibración del calorímetro. Para ello se utiliza una cantidad medida de una sustancia de capacidad calorífica molar (o calor específico) conocida; en el presente experimento se utiliza cobre (C p = 5,97 cal / mol grado, C e = 0,0939 cal / g grado). Se pone en contacto, por ejemplo, 70 g de cobre a 100 o C, con el agua contenida en el calorímetro, la que tiene, por ejemplo, una temperatura inicial (antes de la mezcla) de 25 o C. La temperatura alcanza entonces un valor comprendido entre 25 y 100 o C, por ejemplo, 40 o C. En ese caso se tiene: C calorímetro ( ) = - 70 x 0,0939 ( ) (2) Con la ecuación (2), se calcula el valor de C calorímetro. Con la ecuación (1), en la que se ha sustituído el valor recién calculado de C calorímetro, se calcula C muestra. 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 3.1. Construcción del calorímetro Colocar en un vaso de espuma-plast 70 ml de agua e introducir un termómetro de manera que quede suspendido a unos 2 o 3 cm del fondo. Agitar con una varilla el contenido del vaso y medir la temperatura. Anotar ese valor (T 1 ). Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro Colocar en tubo de ensayo entre 70 y 80 g de cobre (anotar la masa) y tapar el mismo con un poco de algodón. Tanto el tubo como la muestra deben estar secos, ya que la presencia de humedad es una fuente de error en la determinación. Calentar a ebullición un volumen de agua suficiente para cubrir al cobre, contenido en el tubo de ensayo, durante todo el tiempo de calentamiento. Mantener el tubo sumergido en el baño a ebullición durante 15 min. Anotar la temperatura del baño (T 2 ). Retirar el tubo del baño, secarlo por fuera, destaparlo y, rápida pero cuidadosamente, verter la muestra de cobre en el vaso de espumaplast. Agitar con la varilla y anotar la temperatura más alta alcanzada (T 3. ).

4 Página:4/6 3.2 Determinación de la capacidad calorífica de la muestra metálica Colocar en tubo de ensayo entre 70 y 80 g de una muestra metálica (anotar la masa) y tapar el mismo. Tanto el tubo como la muestra deben estar secos, ya que la presencia de humedad es una fuente de error en la determinación. Calentar a ebullición un volumen de agua suficiente para cubrir la muestra metálica, contenida en el tubo de ensayo, durante todo el tiempo de calentamiento. Mantener el tubo sumergido en el baño a ebullición durante 15 min. Anotar la temperatura del baño (T 4 ). Retirar el tubo del baño, secarlo por fuera, destaparlo y, rápida pero cuidadosamente, verter la muestra metálica en el vaso de espumaplast. Agitar con la varilla y anotar la temperatura más alta alcanzada (T 5. ) Nota: Luego de finalizada la experiencia, no descarte las muestras metálicas. Séquelas con papel de filtro, colóquelas en un vidrio de reloj e introdúzcalas en la estufa.

5 Página:5/6 INFORME DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DE UNA MUESTRA METÁLICA FECHA: GRUPO: INTEGRANTES: DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro Anote los valores medidos T 1 ( o C) Masa de cobre (g) T 2 ( o C) T 3 ( o C) Calcule C calorímetro Determinación de la capacidad calorífica de la muestra metálica Anote los valores medidos T 1 ( o C) Masa de metal (g) T 4 ( o C) T 5 ( o C) Calcule C muestra

6 Práctico:10 Página: 6/6 Determinación de la capacidad calorífica molar y el calor específico del metal Calcule C e del metal Si la muestra metálica hubiera estado húmeda, se habría determinado un valor erróneo de C e. Sería éste mayor o menor que el verdadero valor?. Justifique su respuesta. Utilizando los valores de C e de la siguiente tabla, indique cuál podría ser el metal en estudio. Metal Mg Al Zn Sb Pb C e (cal / g o C) 0,249 0,216 0,0938 0,049 0,031 Peso atómico 24,305 26,982 65,38 121,75 207,2 Una vez identificado el metal, calcule C p.

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