Fisicoquímica Trabajo Práctico 1

Transcripción

1 Fisicoquímica Trabajo Práctico 1 Calor de descomposición del agua oxigenada H 2 O 2 ½O 2 + H 2 O ΔH r Lic. Noelia I. Burgardt, 1 er cuatrimestre 2010 Fisicoquímica-UNQ

2 Termodinámica Estudia el calor, el trabajo, la energía y los cambios que estos provocan en los estados de los sistemas. La termodinámica de equilibrio se enfoca en las propiedades macroscópicas de un sistema que se encuentra en equilibrio. Existen varios tipos de Equilibrio: mecánico, material, y térmico. Algunas propiedades como el volumen, la temperatura, la energía interna y la entalpía son funciones de estado.

3 Objetivo del trabajo práctico Determinar la entalpía de reacción de la descomposición del agua oxigenada. Que es la entalpía? H = U + PV Si P = cte, entonces ΔH= Q P

4 Equilibrio Térmico Cuando interaccionan dos sistemas con temperaturas diferentes el equilibrio térmico se alcanza a la temperatura final T f cumpliendo con la siguiente ecuación: q = m 1 C 1 (T f -T 1 ) = - [m 2 C 2 (T f T 2 )] Sistema 1 m 1, c 1, T 1i Sistema 2 m 2, c 2, T 2i T 2 > T 1

5 Equilibrio Térmico 100 ml H 2 O T 2i = 50 C ml H 2 O T 1i = 20 C T f? 1

6 Equilibrio Térmico q = m 1 C 1 (T f -T 1 ) = - [m 2 C 2 (T f T 2 )] T f = m 1 C 1 T 1 +m 2 C 2 T2 m 1 C 1 +m 2 C 2 T f = 30 C C H2O = 1 cal/g C

7 Equilibrio Térmico El calor (q) se puede calcular midiendo de forma experimental la T f que alcanza el sistema. Medición de Temperatura: Termómetro de Hg: cambio de V del mercurio. Termistor: cambio en una resistencia eléctrica. Termocupla: cambio de potencial entre 2 metales. Pirómetro óptico: cambio en la emisión de luz.

8 Entalpía de reacción La entalpía de una reacción puede calcularse a partir de los valores de entalpía de formación de reactivos y productos. LEY DE HESS aa + bb cc + dd ΔH r = (c ΔH fc + d ΔH fd ) (a ΔH fa + b ΔH fb ) ΔH r = Σ ν i ΔH fi

9 Entalpía de reacción H 2 O 2 1/2 O 2 + H 2 O ΔH H2O(l) f = kj/mol ΔH H2O2(l) f = kj/mol ΔH O2(g) f = 0 ΔH H2O2 r = ( ) ( ) kj/mol ΔH r = kj/mol ΔH r = cal/mol Es una reacción exotérmica

10 Calorímetros Tipos de calorímetros Volumen constante (ΔU = q V ). Presión constante (ΔH = q P ). Volumen y Presión constante (ΔU = 0). Pérdida de calor: conducción, convección y/o radiación.

11 Sistema de estudio Entorno Sistema Reservorio de gas H 2 O 2 H 2 O O 2 Buffer Enzima Descripción del sistema: Sistema cerrado. Paredes adiabáticas. H= Q P = 0 Presión constante.

12 Sistema de estudio Esquema del equipo de medición: recipiente adiabático. Pérdida de calor por conducción

13 Sistema de estudio Esquema del equipo de medición: temperatura y volumen de gas desprendido. Probeta invertida Calorímetro

14 Medición de Temperatura Curva de calibración para la termocupla.

15 Sistema de estudio Reactivos ΔH 1 Productos + + Calorímetro Calorímetro T 1 ΔH 2 ΔH 3 Productos + Calorímetro T 2

16 Sistema de estudio Reactivos Calorímetro ΔH 1 = n ΔHr Productos Calorímetro ΔH 2 = Q P = 0 ΔH 1 = ΔH 2 + ΔH 3 Productos Calorímetro ΔH 3 = (mc + K) ΔT 1-2 Entalpía de reacción molar a T 1 (ΔH 1 ) Entalpía de reacción (ΔH 2 ) Enfriamiento de productos y calorímetro entre ΔT 1-2 = T 1 -T 2 (ΔH 3 )

17 Sistema de estudio H 1 = n H r,m Entalpía de reacción molar (T 1 ) H 2 = Q P = 0 Entalpía de reacción ( T 2-1 = T 2 -T 1 ) H 3 = (mc + K) T 1-2 Enfriamiento de productos y calorímetro ( T 1-2 = T 1 -T 2 ) H 1 = H 2 + H 3 n H r,m = Q P + (mc + K) T 1-2 n H r,m = 0-(mC+ K) T 2-1 H r,m = - (mc + K) T 2-1 n

18 Sistema de estudio La reacción demasiado lenta para medir el calor de reacción. Utilizamos la enzima catalasa para acelerar la reacción. La catalasa funciona como catalizador a ph ~ 7 y a temperaturas menores que 60ºC. ΔH r,m = - (mc + K) ΔT 2-1 n ΔT 2-1 = - ΔH r,m n (mc + K)

19 Sistema de estudio ΔH r,m = - (mc + K) ΔT 2-1 n Para calcular ΔH r,m necesitamos determinar: Número de moles de H 2 O 2 agregados (n). Constante del calorímetro (K). Diferencia de temperatura observada cuando ocurre la reacción (ΔT 2-1 ).

20 Titulación de agua oxigenada Titular una dilución 1/100 de agua oxigenada ~100 V con permanganato de potasio 0.1N. 2 KMnO H 2 O H 2 SO 4 2Mn SO O H 2 O + K 2 SO 4 Mn +7 Mn +2 5eq/mol 2O -1 O 2 0 2eq/mol

21 Titulación de agua oxigenada El agua oxigenada es ~100 V, 1L de solución libera ~ 100L de oxígeno. Si suponemos que el oxígeno se comporta idealmente en CNPT, 1 mol ocupa 22.4L. Sabiendo que 1 mol de H 2 O 2 se descompone en ½ mol de O 2... Cuál es la concentración molar del agua oxigenada? Y la concentración normal?

22 Titulación de agua oxigenada Con el valor teórico de concentración de agua oxigenada podemos calcular el volumen de permanganato que esperamos gastar en la titulación. Cuál es? Se deben titular (por triplicado) 10 ml de una dilución 1/100 de agua oxigenada, con el agregado de 10 ml de ácido sulfúrico. Calcular el valor promedio y su desvío estándar.

23 Determinación de K Agregar 200 ml de agua a temperatura de ambiente en el calorímetro, cerrar el sistema y dejar estabilizar la temperatura. Agregar 300 ml de agua caliente (medir antes la temperatura). Registrar el cambio de temperatura hasta que el sistema llegue al equilibrio. Calcular la temperatura final teórica ideal (si K = 0) y comparar con el valor experimental.

24 Determinación de K Cómo determinamos el valor experimental de temperatura final? 1.8 Temperatura (mv) y = x R 2 = T f = mv Tiempo (min)

25 Determinación de K m 1 C 1 (T f T 1 ) + m 2 C 2 (T f T 2 ) + K(T f T 1 ) = 0 K = - [m 1 C 1 (T f T 1 ) + m 2 C 2 (T f T 2 )] (T f T 1 ) Ejemplo: m 1 = 200 g, T 1 = C m 2 = 300 g, T 2 = 61.5 C T f = C K = 51.9 cal/ C

26 Determinación de ΔH Colocar el agua oxigenada, buffer y agua en el calorímetro. Cerrarlo y dejar estabilizar. Agregar la enzima Catalasa. Registrar los cambios de temperatura y de volumen de oxígeno liberado. Calcular la temperatura final teórica ideal considerando que K=0, [H 2 O 2 ]= teórica y ΔH r = valor de tablas. Comparar con el resultado experimental.

27 Determinación de ΔH Cómo obtener el valor experimental de temperatura final? Temperatura (mv) y = x R 2 = T f = 1.242mV Tiempo (minutos)

28 Determinación de ΔH 25 ml de H 2 O 2 9M (0.225 moles) m = g K = 51.9 cal/ C ΔT r = 8.5 C ΔH r = -(510.1g x 1cal/g C x 51.9cal/ C)x8.5 C mol ΔH r = Kcal/mol Calcular el error porcentual entre el valor experimental de entalpía molar de reacción y el valor obtenido con los datos de tablas.

29 Resultados Completar la siguiente tabla: [H 2 O 2 ] K ΔH r molar Valor teórico Valor experimental ΔT K / ΔT r Volumen de oxígeno total

30 Para seguir pensando La concentración del agua oxigenada determinada fue igual a la esperada? Porqué se realiza esta determinación? Porqué se usa un medio ácido para la titulación? La constante del calorímetro K obtenida es razonable? El calorímetro pierde calor? Esto influye significativamente en los resultados experimentales? Cómo se sabe si la reacción se completó? Porqué se usan la densidad y el C p del agua? El calor de reacción molar obtenido es similar al teórico? Si hay diferencias, a qué se deben?