CALORIMETRIA 1

Ing. Petróleo y Gas Natural-Petroquímica

Ing. Amílcar Condori


Laboratorio n° 3

CALORIMETRIA - CALORIMETRIA A(p=cte.)

1.-OBJETIVO:

Determinar la constante K de un calorímetro a presión constante. Determinar el calor de combustión a presión constante de substancias solidas

aplicando el método calorímetro Determinar el calor de disolución y el calor de solución de compuestos químicos

comunes.

2.-FUNDAMENTO TEORICO:

En los experimentos en los que los cambios calóricos se miden en forma directa, generalmente se emplean la técnica calorimétrica. Para medir cuantitativamente los calores implicados en transformaciones químicas o físicas a presión constante las mismas deben realizarse en un sistema cerrado, construido de tal manera que la cantidad de calor intercambiada con el medio sea la mínima posible. Estos sistemas se llaman calorímetros y pueden ser construidos de la manera más sencilla, partiendo del simple recipiente y aislándolo desde todos los lados con un material adecuado. Un buen calorímetro servirá en la determinación de calores de reacción, de disolución, de fusión, etc.

Debe sin embargo considerarse que existe un intercambio de calor entre el mismo calorímetro y su contenido, por lo que el calorímetro deberá ser calibrado, determinando la cantidad de calor que absorbe en las condiciones mas cercanas a las de estudio; se obtendrá así una constante del calorímetro que es una medida de la capacidad calorífica del mismo.

Un calorímetro común consta de las siguientes partes:

Un recipiente en el cual se efectúa la transformación en estudio.



Un recipiente aislante (de paredes adiabáticas) en el que se introduce el recipiente anterior. El mismo puede ser un termo, un recipiente de plástofor, una envoltura de esponja, etc.

Un termómetro con una presión de al menos 0.1ºC, para medir los cambios de temperatura. Una sustancia que absorba calor (generalmente agua).

Un agitador.

Esquema de un calorímetro a presión constante

Calibrar un calorímetro casero, consiste en determinar la constante calorífica del mismo. Para este efecto se miden las temperaturas en equilibrio de:

Calorímetro + agua caliente Agua fría Calorímetro + agua caliente + agua fría(mezclada)

En base al principio de conservación de energía, se sabe que el calor cedido por el calorímetro + agua caliente, será igual al calor absorbido por el agua fría; llegándose a las siguientes expresiones:

Qa = Qc

Qc = Qcalorim. + Qagua caliente

Qcalorim. = Kcalorim.*∆Tc

Qagua caliente = mag.cal*CPagua*∆Tc

Qa = Qagua fría = mag.fria*CPagua*∆Tf

∆Tf = Tm – Tf

∆Tc = Tc –Tm

Donde:



Qa =Calor absorbido Qc = Calor entregado

Tm =Temperatura de la mezcla

Tf =Temperatura del agua fría

Tc =Temperatura del agua caliente

Kc= Constante del calorímetro

Se entiende que la máxima cantidad de calor desprendida o absorbida cuando se disuelve una determinada sustancia química en agua, tendrá lugar cuando la sustancia se disuelva en una cantidad infinita de agua. En la práctica esto no se realiza, ya que el cambio de temperatura será infinitesimal y no existiría un recipiente de volumen infinito. Sin embargo, la medición es posible realizarla disolviendo en pequeñas cantidades de sustancias en un determinado volumen de agua. El calor transferido será igual al cambio de entalpía del sistema y matemáticamente se expresará como:

ΔHd = Qagua + Qsustancia + Qcalorímetro

Donde:

Qagua= magua*CPagua * ΔT

Qsustancia = msustancia*CPsustancia*ΔT

Qcalorim. = Kcalorim.* ΔT

CALOR DE REACCIÓN:

El calor desprendido o absorbido por una reacción quimi9ca, puede calcularse en forma similar, si se mezclan los reactantes en el calorímetro y se deja que la temperatura del sistema alcance el equilibrio. Cuando un acido reacciona con una base, generalmente es exotérmica, pudiendo determinarse de este modo el calor de neutralización de la mezcla.

La reacción se caracteriza por:

H+ + OH- −−−−→ H2O

CALOR DE DISOLUCION:

En la disolución de una sustancia en solvente puro, cada mol se disuelve con efecto calorífico propio. La cantidad de calor Hi que se desprende o absorbe en la disolución de 1 mol en solvente puro se llama calor integral de disolución.



El calor integral depende de la concentración de la solución en la que se forma. Cuando el volumen esta en cantidad infinita en relación a la cantidad de soluto, se trata de calor primario de disolución, mientras que en el otro limite, es decir cuando se tiene solución saturada, se trata de calor de disolución. Así por ejemplo: en la disolución de KCl en agua a temperatura ambiental, el calor integral cambia desde Hi = -160367 J/mol (calor primario) hasta Hi = -1542.4 J/mol (calor final de disolución).

La cantidad de calor absorbido o desprendido en la solución de 1 mol de sustancia en solución de concentración determinada, con mantenimiento de concentración, se llama calor diferencial de disolución (Hd). La concentración permanecerá constante si se disuelve una cantidad infinitamente pequeña de la sustancia, razón por la cual, se desprenderá una cantidad infinitamente pequeña de calor dQ: Hd = (dQ/dn) c.

Lo mismo se puede lograr si se disuelve la sustancia en un volumen muy grande. Experimentalmente se pueden determinar los calores integrales de disolución, mientras que los diferenciales se calculan.

La adición de solvente puro a una solución, puede ser acompañada por efecto calorífico de disolución, esto se debe a que se vería la distancia entre los iones de soluto y varía también el estado de los complejos solvatados (hidratados).

3 .- MATERIALES :

vaso de precipitación embudo pequeño calorímetro termómetro de bulbo largo cronómetros probetas vidrio de reloj

4.- REACTIVOS:

acido sulfúrico concentrado hidróxido de sodio cal viva agua destilada

4.-PARTE EXPERIMENTAL: Se divide en tres partes:



A.- CALIBRACION DE CALORIMETRO (alternativo):

Se adopta el procedimiento que consiste en transferir calor desde una muestra de agua fría de igual masa, para ello se siguen los pasos descritos a continuación:

Colocar 2 cantidades iguales de agua en dos vasos de preparación de 100 ml (40 a 50 ml en c/u).

Calentar en baño María uno de los vasos a 55ºC como máximo y colocarlo dentro del calorímetro. Tapar, introducir térmicamente y agitador.

Tomar la lectura de la temperatura cada 30 segundos hasta que se establezca el equilibrio (diferencia entre 2 lecturas consecutivas =0.1ºC).

Simultáneamente tomar las lecturas de la temperatura del agua fría que esta fuera del calorímetro en los mismos intervalos de tiempo que en el punto anterior.

Verter por un embudo el agua fría centro del calorímetro sin dejar de tomar el tiempo y agitando constantemente

Continuar tomando la lectura de la temperatura del a mezcla, hasta alcanzar el equilibrio.

Con los valores alcanzados se procede a calcular la constante del calorímetro siguiendo los pasos detallados en el punto de cálculos y resultados.

Preparando Baño Maria Tomando Temperatura en el Calorimetro

B.- DETERMINAR DEL CALOR DE DISOLUCION:



Medir 200 ml de agua destilada y vaciarla en un calorímetro limpio, tomar lectura de la temperatura del agua que está dentro del calorímetro.

Pesar 10gr de hidróxido de sodio lo más rápidamente posible, vaciar el mismo con la ayuda de una espátula dentro del calorímetro el cual contiene agua destilada ya medida y agitar suavemente.

Leer las temperaturas de la solución de hidróxido de sodio cada 20 segundos, con estas lecturas construir una grafica de temperatura en función del tiempo, para determinar en base a ella la temperatura final de equilibrio para este proceso.

Para facilitar el cálculo, sin embargo, se puede tomar como temperatura final Tf de la solución de hidróxido de sodio la que se alcanza después de dos minutos. Con temperatura Tf se harán los cálculos en el balance de calor.

El balance que emplearemos es el siguiente:

Q (solución) = ma Ca (Tf – T) + K (Tf – T)

M = masa del agua dentro del calorímetro

C = calor especifico del agua

Tf = temperatura final de la solución

T = temperatura inicial del agua dentro del calorímetro

Agregando Dioxido de Sodio Listo para volver a tomar las temperaturas

C.- DETERMINACION DEL CALOR DE DILUCION:



Se mide 50 ml de acido sulfúrico en una probeta, luego se toma la temperatura del acido sulfúrico Ts. Calcular en base a los datos de densidad y pureza de la etiqueta de acido su concentración en moles por litro.

Colocar un calorímetro 200 ml de agua destilada y luego tomar lectura de la temperatura del agua en el calorímetro (T1); luego vaciar el acido sulfúrico medido, con mucho cuidado dentro del calorímetro, esperar un minuto y leer la temperatura de equilibrio final (Tf).

Para calcular el calor de esta dilución recurrimos al siguiente balance de calor:

Calor de dilución = calor ganado por el agua fría + calor ganado por el agua del acido + calor ganado por el acido sulfúrico + calor ganado por el calorímetro.

Q (dil.) = MC (Tf – T1) + ma C (Tf – Ts) + ms Cs (Tf – TS) + K(Tf – T1)

Donde:

m = masa del agua fría dentro del calorímetro

C = calor especifico del agua

Cs = calor especifico del acido sulfúrico

Tf = temperatura final del equilibrio después de la dilución

T1 = temperatura inicial del agua fría del calorímetro

ma = masa del agua del acido sulfúrico concentrado

Ts = temperatura inicial del acido sulfúrico concentrado

ms = masa del acido sulfúrico concentrado

Cs = calor especifico del acido sulfúrico

K = constante del calorímetro



Calorímetro con el Agua destilada

CUESTIONARIO

* PUEDE CONSTRUIRSE UN CALORIMETRO CON METAL COMO MATERIAL DE CONSTRUCCION?

R.-Si, por qué se puede construir con un bote metálico el cual este recubierto todos sus lados con esponja. Lo cual pueda mantenerse el calor.

* SI SE CAMBIA LA CANTIDAD DE AGUA EN EL ESPERIMENTO 1, ¿VARIARA EL VALOR DE Kcalorim.?

R.- No variaría si el volumen de agua fría es igual al volumen del agua caliente.

* SI SE TIENE DOS CALORIMETROS 1 Y 2, CUYAS CONSTANTES CALORIMETRICAS SON K1 Y K2, RESPECTIVAMENTE, DONDE K1 > K2. ¿CUAL DE LOS DOS CALORIMETROS ES MAS EFECTIVO Y PORQUE?

R.- El calorímetro 1º es mas efectivo por ser K1 > K2 , el calorímetro se utiliza para determinar el calor de una sustancia, por tanto el calor del calorímetro aumenta a medida que aumenta su constante

* SI SE AUMENTA LA CANTIDAD DE SUSTANCIA QUE SE DISUELVE, ¿QUE OCURRIRA CON EL CALOR DE DISOLUCION TOTAL Y CON EL CALOR DE DISOLUCION MOLAR CALCULADOS?

R.-Si se aumenta mas sustancia para disolver, el calor de disolución será mayor, pero para la disolución molar será menor.



* CREE QUE SE PUEDE DETERMINAR LOS CALORES DE SOLUCION SIN CONSULTAR TABLAS EN FORMA EXPERIMENTAL?

R.-Si, mediante el uso del calorímetro y formulas. Como se demostró en la practica en las partes 1 y 2.

* ¿LA REACCION QUE SE PRODUCE ES EXOTERMICA O ENDOTERMICA?R.-La reacción producida entre agua y hidróxido de sodio es exotérmica por que desprende calor.

* UNA VEZ OBTENIDO EL CALOR DE SOLUCION, EXPRESAR LOS RESULTADOS EN UNA ECUACION DE DISOLUCION ESTEQUIOMETRICA, EN LA QUE SE INDIQUE LA CANTIDAD DE MOLES DE AGUA Y DE HIDROXIDO DE SODIO QUE INTERVIENEN EN LA DISOLUCION, EL CUIDADO DE EXPRESAR LA ECUACION COMO REFERENCIA 1 MOL DE SOLUTO.

R.- Q = calor liberado en la disolución

Estado inicial: 200gr H2O

10gr NaOH

H2O + NaOH ―――→ Na+ + OH-

* COMPARAR EL RESULTADO OBTENIDO EN LA PRACTICA CON EL QUE SE TIENE REGISTRADO EN TABLAS DE LOS MANUALES DE QUIMICA.

R.- el resultado obtenido en la práctica es de calor de solución mientras que los datos que obtuvimos por tablas es de capacidad calorífica lo cual nos sirvió para las formulas de calor de solución.

* POR QUE RAZON SE DEBE PESAR RAPIDAMENTE EL HIDROXIDO DE SODIO?

R.-porque es higroscópico por ello cambia el peso demasiado rápido.



*¿COMO SE DISUELVE EL HIDROXIDO DE SODIO; EXOTERMICAMENTE O ENDOTERMICAMENTE?

R.-el hidróxido de sodio se disuelve exotérmicamente ya que a medida que va reaccionando esta empieza a desprender calor.

* ¿EN QUE CASO LA CONSTANTE TERMICA DEL CALORIMETRO ES CERO?

R.-la constante térmica va a ser cero cuando no haya calor, lo cual sería que no abra reacción en el calorímetro.

* CREE USTED QUE EL USO DE UN TERMOMETRO EN LA ESCALA DE CELSIUS SE OBTIENEN BUENOS RESULTADOS? SI NO ES ASE, EXPLIQUE POR QUE. DEBE BUSCAR EN BIBLIOGRAFIA PARA RESPONDER

R.- si por que el termómetro en Celsius posee una gran sensibilidad al calor lo cual nos da a conocer valores casi exactos de temperatura.

* PARA HACER UN TRABAJO ADECUADO EN CALORIMETRIA, ES MEJOR UTILIZAR UN CALORIMETRO CON UNA CONSTANTE TERMICA DE CERO O CON UNA CONSTANTE TERMICA MUY GRANDE?¿POR QUE?

R.- De acuerdo a la formula: Qcalorim. = Kcalorim.*∆Tc

Si la constante térmica es cero no se podría obtener los demás datos, pero si fuera una constante térmica muy grande nos proporcionaría una extensión de temperatura. Lo cual se llega a tener un equilibrio.


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