-14 - ENTALPÍA DE FUSIÓN DEL HIELO

Transcripción

1 -4 - ENTALPÍA DE FUSIÓN DEL HIELO OBJETIVO Determinar la entalpía de usión del hielo utilizando el método de las mezlas. Previamente, ha de determinarse el equivalente en agua del alorímetro, K, para uantiiar su aporte al balane energétio del proeso. MATERIAL Calorímetro ( Balanza ( Vaso de preipitados (3 y probeta (4 Termómetro (5 Manta térmia (6 Hielo y agua

2 FUNDAMENTO TEÓRICO Esta prátia nos servirá para omprender mejor las transerenias de alor y ómo éstas dan lugar a ambios de temperatura y de estado (en este aso de sólido a líquido. En partiular, hallaremos experimentalmente uánto alor es neesario aportar a una determinada masa de hielo para undirlo. Para ello es importante omprender bien los siguientes oneptos: Calor espeíio Se deine el alor espeíio de una sustania,, omo la antidad de alor neesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de esa sustania a presión onstante. Entalpía de usión La entalpía de usión del hielo, H, (también denominada alor latente de usión, se deine omo la antidad de alor neesaria para pasar una unidad de masa de hielo del estado sólido al líquido a la temperatura de usión del mismo. Si la presión bajo la ual se produe el ambio de ase hielo-agua se mantiene onstante e igual a atmósera, la temperatura de usión también se mantiene onstante y es igual a 0ºC. Podemos determinar el alor latente de usión onsiderando la energía que ede una antidad de agua a una antidad de hielo para que éste se unda. Este interambio de energía se puede peribir experimentalmente por la variaión de temperatura de la mezla agua-hielo a medida que el hielo se va undiendo, hasta que se alanza la temperatura de equilibrio. Para disminuir, en la medida de lo posible, los interambios de alor de tal mezla on el exterior, se hae la mezla dentro de un alorímetro. Un alorímetro es un reipiente errado y bien aislado térmiamente. Determinaión del equivalente en agua del alorímetro El que un alorímetro sea un sistema que aísla su ontenido del exterior no signiia que no absorba, ni eda nada de energía de diho ontenido. Así, uando en un alorímetro se oloa un líquido a temperatura distinta de la suya, el alorímetro absorbe (o ede algo de energía. Como en esta prátia se trabaja on balanes de energía en donde se uantiia la antidad de energía absorbida o edida por ada uno de los medios on los que se trabaja, es neesario saber uánta energía absorbe o ede el alorímetro de su ontenido. Para ello, a la hora de haer el balane alorimétrio podemos imaginar que el alorímetro se omporta omo una antidad de agua adiional que habría que alentar o enriar al haer ualquier mezla. Se deine, por tanto, el equivalente en agua del alorímetro omo la masa de agua que absorbería (o edería la misma antidad de alor que el alorímetro, para modiiar en ierta antidad su temperatura. Por lo tanto, omenzaremos por determinar el equivalente en agua del alorímetro, lo que nos permitirá determinar el omportamiento del alorímetro ante interambios de energía. Para ello se va a alular uánta energía eden una antidad de agua, M, y el alorímetro, ambos alientes y a una temperatura T, a otra antidad de agua, M, ría y a temperatura T, según J.W. Kane, M.M. Sternheim. Físia. Seión.3 alor edido = alor absorbido

3 Así, el alorímetro y el agua aliente eden alor y bajan su temperatura, mientras que el agua ría reibe diho alor y aumenta su temperatura. Llamando K al equivalente en agua del alorímetro y siendo T inal la temperatura inal que alanza la mezla, el balane alorímetro anterior se puede esribir omo ( M + K( T T = M ( T T [] inal inal siendo el alor espeíio del agua [ = 4.8 J/(g o C] Para determinar las masas de agua que añadiremos, empiee por pesar el alorímetro vaío, seo y errado on su tapa, y anote el valor de la masa obtenido, M al. A ontinuaión, tome una antidad de agua (unos 00 m 3 y, utilizando la manta térmia, aliéntela aproximadamente hasta unos 0ºC por enima de la temperatura ambiente. Una vez aliente, vierta esta agua en el alorímetro, iérrelo y determine ahora la masa del alorímetro on el agua, M. La masa de agua aliente añadida, M, se obtendrá por dierenia entre las dos pesadas anteriores: M = M - M al Con el alorímetro errado, introduza el termómetro o la sonda termométria y observe ómo evoluiona la temperatura del ontenido del alorímetro; uando ésta se estabilie, anote el valor de la temperatura del sistema (agua + alorímetro, T. NOTA: El alorímetro debe mantenerse ontinuamente tapado durante todos los experimentos. Sólo se destapará uando haya que poner algo dentro de él. Además, todas las medidas de temperatura se realizarán on el mismo termómetro o sonda termométria. Mientras se estabiliza la temperatura en el alorímetro, tome unos 00 m 3 de agua y enríelos añadiendo un poo de hielo piado (hasta unos 0ºC por debajo de la temperatura ambiente. Cuando se ha enriado el agua y en la mezla no queda nada de hielo, se toma nota de la temperatura de esta agua ría, T, se vierte en el alorímetro y se tapa. Seguidamente agite suavemente la mezla en el alorímetro, e introduza el termómetro o la sonda termométria. Anote la temperatura de equilibrio de la mezla T inal. La masa de agua ría añadida, M, se obtiene pesando de nuevo el alorímetro tapado y on el agua aliente y ría en él. Si la masa total es ahora M, la masa de agua ría es: M = M M Por tanto, ya se tienen todos los datos experimentales neesarios para que, de auerdo a la euaión [], se pueda alular el equivalente en agua del alorímetro K : K M ( T T inal = ( T T inal M [] 3

4 Para alular la inertidumbre de K téngase en uenta que ( inal ( T Tinal M T T = ; = ; T M M T T T M T T inal = ; = ; inal ( T Tinal ( M T T = Tinal T T ( inal. El proedimiento utilizado de mezlar distintas masas a distintas temperaturas y medir la temperatura inal de equilibrio se denomina método de las mezlas. Determinaión de la entalpía de usión del hielo Vamos a utilizar también el método de las mezlas para la determinaión de la entalpía de usión del hielo. Así, se va a haer un balane alorimétrio, uantiiando uánta energía es neesaria para undir una antidad de hielo, M h, iniialmente a una temperatura, T hielo (esta temperatura podría ser inerior a la de usión, T usión, aunque en nuestro aso onreto será igual a la de usión y sabiendo que esta energía es edida por otra antidad de agua, M *, y por el alorímetro ahora araterizado por su equivalente en agua, K- iniialmente a una temperatura superior, T 3. Como la mezla de todo lo anterior alanza una temperatura de equilibrio, T inal, también hay que onsiderar la energía neesaria para que elevar la temperatura de la mezla hasta esa temperatura, es deir, M ( T T + M H + M( T T = M ( + K( T T [3] / / h hielo usión hielo h h inal usión * 3 inal donde H es la entalpía de usión del hielo y hielo es el alor espeíio del hielo [ hielo =. J/(ºC g]. Tome la antidad de agua total que hay en el alorímetro resultante del experimento anterior. Su masa, M *, será: M * = M + M (Esta masa de agua oinide on la dierenia entre la masa total del sistema alorímetro+agua, M 3, (M 3 =M y la masa del alorímetro, M al : M * = M 3 - M al. Mida la temperatura del alorímetro on el agua, T 3 (esta temperatura estará próxima a la temperatura inal del experimento anterior, T inal. Tome aproximadamente unos 40 g (la medida preisa de esta masa la realizaremos más tarde, por dierenia de pesadas de hielo en ubitos (5 ubitos y séquelos lo más posible sin toarlos diretamente on los dedos. Dado que se trata de hielo en proeso de usión su temperatura oinidirá on la temperatura de usión, T usión. Se debe medir la temperatura de 4

5 usión del hielo on el termómetro. Para ello tomar una antidad suiiente de hielo piado en el vaso de preipitados e introduir el termómetro. Anotar la temperatura que mara uando se estabilie. Ehe los ubitos de hielo seo en el alorímetro y siga atentamente la evoluión de la temperatura del sistema (alorímetro, agua y hielo, durante unos minutos, hasta que todo el hielo se haya undido. Para omprobar que el hielo se ha undido, no neesita estar destapando ontinuamente el alorímetro; lo sabrá porque la temperatura deja de bajar y se estaiona en un ierto valor. Esta temperatura se anota y la denominaremos T' inal. Para medir la masa de hielo, M h, pesamos una vez más el alorímetro tapado on todo lo que ontiene, y anotamos su masa, M 4 ; así, M h = M 4 M 3 Considerando que la temperatura iniial del hielo, T hielo, es la de usión, de auerdo a la euaión [3], la entalpía de ambio de ase vendrá dada por: ( M + K( T T H = ( T T [4] / * 3 inal / inal usión M h Calule la entalpía de ambio de ase onsiderando las medidas tomadas. Para alular la inertidumbre de H téngase en uenta que ( ' inal ( ' inal ( H T3 T H T 3 T H M* + K = ; = ; = ; M M M T M * h h 3 h ( ( ' inal ( M + K H M + K T T H H = ; = ; =. M M T M T * 3 * ' h h inal h usion Preguntas Determine el equivalente en agua del alorímetro, on su orrespondiente inertidumbre. Es razonable el valor obtenido? Determine la entalpía de usión del hielo, on su orrespondiente inertidumbre. Es razonable el valor obtenido de la entalpía de usión del hielo? Explique su respuesta omparándolo on el valor tabulado (real que se enuentra en la bibliograía. Por qué el hielo añadido ha de estar seo uando se trata de determinar su entalpía de usión? Nota: A la hora de presentar los datos experimentales en el inorme, reuerde que éstos deben ir siempre expresados on su orrespondiente inertidumbre y debidamente redondeados. 5