Calorimetría y Termoquímica

Objetivo

Estudiar procesos químicos en los cuales se producen cambios térmicos. Aplicar la ley de Hess.

Introducción:

Los cambios térmicos de diferentes reacciones pueden ser representados cuantitativamente siguiendo las leyes de la termodinamica y conociendo diferentes funciones de estado, en las cuales lo importante son el reactivo inicial y el producto final, sin tener en cuenta el camino que se recorre para llegar a él. Según la ley de Hess “si una serie de reactivos reaccionan para dar una serie de productos, la cantidad de calor involucrado (liberado o absorbido), es siempre la misma, independientemente de si la reacción se lleva a cabo en una, dos o mas etapas; siempre y cuando, las condiciones de presión y temperatura de las diferentes etapas sean las mismas”.

Lo que significaría que en un ciclo completo de una sola reacción, la variación de la función de estado de entalpía (a presión constante, como ejemplo) sería nula, pues terminaría con la misma cantidad de calor liberado que absorbido (uno por la reacción y el otro por el medio o viceversa) y que ademas puedo expresar esa nulidad como la suma de las entalpías de las reacciones, pérdidas y ganancias de temperatura que puedan ocurrir a partir de una reacción determinada.
Teniendo esto en cuenta, a lo largo de la siguiente experiencia se intentara determinar el calor liberado o absorbido por determinadas reacciones químicas, utilizando como recipiente adiabatico, un vaso térmico del cual deberemos primero obtener una constante llamada “Ck” que representa la cantidad de calor absorbida o liberada por el calorímetro cuando se aumenta o disminuye 1ºC, y midiendo la temperatura conun termómetro graduado a la décima de grado mientras se mueve suave y continuamente el calorímetro con su contenido.



Procedimiento y resultados

Se determinó el valor de la constante del calorímetro para las siguientes experiencias. Se calentó 50ml de agua en un vaso de precipitados hasta una temperatura de 60ºC. Se volcó el agua en el calorímetro y se va controlando la temperatura del recipiente con el termómetro de 0-250ºC hasta que baje a una temperatura de 50ºC o un poco menor. Se cambió el termómetro por el de 0-50ºC y se midió la temperatura cada 30 segundos durante aproximadamente 5 minutos. Se agregan luego 50 ml de agua a temperatura ambiente y de sigue midiendo la temperatura cada 30 segundos. Durante la medición de la temperatura se agita suavemente el calorímetro con movimientos circulares, sin levantarlo de la mesada.
Se realizó el procedimiento por duplicado. Y se calculó la constante del calorímetro suponiendo que el procedimiento fue adiabatico.

Ck promedio: (Ck1+Ck2) / 2 = 13,4112342 J/K
Error Relativo: |Ck1-Ck2| / Ck promedio = 0,04683325
Error relativo porcentual: 4,683325 %
Error Absoluto: 0,62809163 J/K

Ck = (13,4 ± 0,6) J/K

Determinación del calor de fusión el hielo:

Se agregan al calorímetro aproximadamente 100 g de agua a temperatura ambiente, se lo tapa (con la tapa incluyendo el termómetro) y agita suavemente midiendo su temperatura cada 30 segundos. Al cabo de poco tiempo, cuando la temperatura se mantiene relativamente constante, se destapa suavemente el calorímetro y se le agrega una cantidad de hielo a 0ºC, se vuelve a tapar y registrar la temperatura cada 30 segundos, hasta que la misma llegue a un valor constante.
Se realizaron los graficoscorrespondientes y se determinó la diferencia de temperatura de la reacción. Se pesa el calorímetro con el agua contenida finalmente, cuya diferencia de masa con respecto a la masa del Calorímetro lleno con agua a temperatura ambiente nos dara el valor de la masa del hielo que fue agregado.

Se hicieron 2 determinaciones y se calculó el ΔHfusión promedio de la reacción.

ΔHfusión = (4 ±0,02) kJ/mol.

El ΔHfusión tabulado del agua es 6,008 kJ/mol.

Verificación de la Ley de Hess
Se midió y comparó la cantidad de calor desarrollada en tres procesos: Disolución de NaOH sólido en agua, disolución de NaOH sólido en HCl 0.25M y Neutralización de NaOH 0.5M con HCl 0.5M.

1) Se midió 100 ml de agua con probeta, se los colocó en el calorímetro y se tomó la temperatura cada 30 segundos. Se pesó aproximadamente 1g de NaOH y se lo vertió en el calorímetro. Suavemente se agitó el calorímetro con movimientos circulares y se siguió midiendo la temperatura cada 30 segundos.
2) Se midió 100 ml de HCl 0,25M con probeta, se los colocó en el calorímetro y se tomó la temperatura cada 30 segundos. Se pesó aproximadamente 1g de NaOH y se lo vertió en el calorímetro. Suavemente se agitó el calorímetro con movimientos circulares y se siguió midiendo la temperatura cada 30 segundos.
3) Se midió 50 ml de HCl 0 M con probeta, se los colocó en el calorímetro y se tomó la temperatura cada 30 segundos. Se midió 50 ml de NaOH 0 M y se los vertió en el calorímetro. Suavemente se agitó el calorímetro con movimientos circulares y se siguió midiendo la temperatura cada 30 segundos.

Disolución de NaOH en agua:

ΔHdil= (-46±6) kJ/mol

Disolución de NaOH en HCl 0,25M:

ΔHd-n= (-76±4) kJ/molNeutralización de NaOH 0,5 M con HCl 0,5 M:

ΔHn= (-58±4) kJ/mol

Al finalizar se sumaron ΔHd y ΔHn para compararlo con el ΔHd-n:

ΔHd + ΔHn = (104±10) kJ/mol

Conclusión:
Fusión del hielo:
Al comparar el delta de fusión obtenido del agua con el tabulado se observa una diferencia aproximada de 2 kJ, la cual puede deberse a que nuestro equipo de trabajo (calorímetro/termo) no es perfectamente adiabatico ya que permite un cierto intercambio de calor con el medio, elemento que no se toma en cuenta en los calculos.
Verificación de la ley de Hess
Al comparar la suma de ΔHd y ΔHn con ΔHd-n observamos que sus intervalos error no se superponen, por lo que se puede concluir que no es lo mismo un procedimiento que el otro, lo que contradice la Ley de Hess. Sin embargo esto puede deberse a la calidad del calorímetro utilizado, ya que como bien dijimos, no es adiabatico y ademas el acido produjo una reacción de oxidación con las paredes del recipiente, la cual también libera calor y no estuvo contemplada en los calculos.

Para mejorar los resultados de las futuras experiencias se recomendaría el uso de un recipiente de mejor calidad, queriendo significar menor intercambio de calor con el medio.

Anexo:
Determinación 1 del Ck
Tiempo (seg) | Temperatura (ºC) |
0 | 40 |
30 | 45,5 |
60 | 46,8 |
90 | 47,1 |
120 | 47,1 |
150 | 46,8 |
180 | 46,5 |
210 | 46,2 |
240 | 45,8 |
270 | 45,5 |
300| 45,2 |
312 | agua fría |
325 | 34,7 |
355 | 34,7 |
385 | 34,6 |
415 | 34,5 |
445 | 34,5 |
475 | 34,4 |
505 | 34,4 |
535 | 34,4 |
565 | 34,3 |
595 | 34,3 |
625 | 34,2 |
655 | 34,2 |
685 | 34,1 |
715 | 34,1 |
745 | 34 |
775 | 34 |
805 | 33,9 |
835 | 33,9 |
835 | 33,8 |
835 | 33,8 |

Masa agua caliente: (49,05 ± 0,02) g
Masa agua fría: (48,57 ± 0,02) g

Temp. inicial calorímetro: =-0,0098ºC/s.312s +48,179ºC = 45,1214ºC
Temp. ambiente: (23,5 ± 0,1) ºC
Temp. final calorímetro = -0,0017ºC/s. 312s+ 35,244ºC = 34,7136ºC

Ck1 = 13,72528 J/K

Grafico I: Temperatura (ºC) en función del tiempo (seg). Se realizó dos regresiones lineales para determinar la temperatura inicial y final al tiempo del agregado del agua fría.

Determinación 2 del Ck:

Tiempo (seg) | Temperatura (ºC) |
0 | 34 |
30 | 44,2 |
60 | 46,2 |
90 | 46,6 |
120 | 46,4 |
150 | 46,1 |
180 | 45,7 |
210 | 45,4 |
240 | 45,1 |
270 | 44,7 |
300 | 44,4 |
330| 44,1 |
337 | Agua fría |
360 | 34,7 |
390 | 34,6 |
420 | 34,5 |
450 | 34,5 |
480 | 34,5 |
510 | 34,4 |
540 | 34,4 |
570 | 34,3 |
600 | 34,3 |
630 | 34,2 |
660 | 34,2 |
690 | 34,2 |
720 | 34,1 |

Masa agua caliente: (49,00 ± 0,02) g
Masa agua fría: (49,59 ± 0,02) g

Temp. Inicial calorímetro: =-0 ºC/s.337s+47,729ºC = 43,9883ºC
Temp. Ambiente: (24 ± 0,1) ºC
Temp. Final calorímetro = =-0 ºC/s.337s+35,188ºC = 34,6825ºC

Ck2 = 13,0971884 J/K

Grafico II: Temperatura (ºC) en función del tiempo (seg). Se realizó dos regresiones lineales para determinar la temperatura inicial y final al tiempo del agregado del agua fría.

Determinación 1 del ΔH de fusión del agua

Tiempo (seg) | Temperatura (ºC) |
30 | 24 |
60 | 24 |
90 | 24 |
120 | 24 |
150 | 24,1 |
180 | 24,1 |
210 | 24,1 |
240 | 24,1 |
270 | 24,2 |
300 | 22,4 |
330 | 18,1 |
360 | 18,1 |
390 | 18,9 |
420 | 18,9 |
450 | 19,1 |
480 | 19,3 |
510 | 19,3 |
540 | 19,4 |
570 | 19,5 |
600 | 19,5 |
630 | 19,6 |
660 | 19,7 |Masa agua a temperatura ambiente: 105,8
Masa hielo: 6,57

Temp. Inicial | 0 ºC/s.296s + 23,95ºC | 24,1868ºC |
Temp. Final | 0 ºC/s.296s + 16,855ºC | 15,4934ºC |
Nota: Para determinar la temperatura inicial y final del proceso se usó como aproximación, el valor que adquiriría cada linea de tendencia al momento de agregado del hielo, ya que no se observó una temperatura constante.

ΔHf= (4 ±0,02) kJ/mol

Grafico III: Temperatura (ºC) en función del tiempo (segundos). Se calcularon dos líneas de tendencia para calcular el valor inicial y final luego del agregado del hielo.

Determinación 2 del ΔH de fusión del agua

Tiempo(seg) | Temperatura (ºC) |
30 | 24,5 |
60 | 24,5 |
90 | 24,6 |
120 | 24,6 |
150 | 24,6 |
180 | 24,7 |
210 | 24,7 |
240 | 24,8 |
270 | 24,8 |
300 | 15 |
330 | 11,4 |
360 | 10,8 |
390 | 10,9 |
420 | 10,9 |
450 | 10,9 |
480 | 11 |
510 | 11,2 |
540 | 11,2 |
570 | 11,3 |
600 | 11,5 |
Masa agua a temperatura ambiente: 98,9
Masa hielo: 17,64

Temp. Inicial | 0 ºC/s.284s + 24,444ºC | 24,4804ºC |
Temp. Final | 0 ºC.284s + 9.7711ºC | 9.0043ºC |
Nota: Se usó la misma aproximación que en la determinación anterior

ΔHf= (4,64 ±0.01) kJ/mol

Grafico IV: Temperatura (ºC) en función del tiempo (segundos). Se calcularon dos líneas de tendencia para calcular el valor inicial yfinal luego del agregado del hielo.

Determinacion ΔH dil del NaOH

Tiempo (seg) | Temperatura (ºC) |
0 | 25,1 |
30 | 25 |
60 | 25 |
90 | 25 |
120 | 25 |
150 | 25 |
180 | 25 |
210 | 25 |
240 | 25 |
270 | 25 |
286 | NaOH |
300 | 25,2 |
330 | 26,5 |
360 | 27 |
390 | 27,1 |
420 | 27 |
450 | 27,2 |
480 | 27,2 |
510 | 27,1 |
540 | 27,1 |
570 | 27,1 |
600 | 27,1 |
Masa de agua: (99,21 ± 0,02) g
Masa de NaOH (s): (0,79 ± 0,02) g

Temp. Inicial | 25 ºC |
Temp. Final | 27,1ºC |

ΔHdil== (-46±6) kJ/mol

Grafico V: Temperatura (ºC) en función del tiempo (seg) para la determinación del ΔHdil

Determinacion ΔH dil+neu del NaOH

Tiempo (seg) | Temperatura (ºC) |
0 | 24,5 |
30 | 24,5 |
60 | 24,5 |
90 | 24,5 |
120 | 24,6 |
150 | 24,6 |
180 | 24,6 |
210 | 24,6 |
240 | 24,6 |
270 | 24,6 |
300 | 24,6 |
330 | 24,7 |
360 | 24,7 |
390 | 24,7 |
420 | 24,7 |
450 | 24,7 |
480 | 24,7 |
510 | 24,7 |
540| 24,8 |
550 | NaOH |
570 | 26,3 |
600 | 27,1 |
630 | 27,6 |
660 | 27,8 |
690 | 27,9 |
720 | 28,3 |
750 | 28,5 |
780 | 28,4 |
810 | 28,4 |
840 | 28,6 |
870 | 28,6 |
900 | 28,6 |
930 | 28,6 |
960 | 28,6 |
990 | 28,6 |
1020 | 28,6 |
Masa de HCl: (100,06 ± 0,02) g
Masa de NaOH (s): (1,00 ± 0,02) g

Temp. Inicial | -0 ºC/s.550s+24,495ºC | 23,8412ºC |
Temp. Final 28,6ºC |

ΔHd-n== (-76±4) kJ/mol

Grafico VI: Temperatura (ºC) en función del tiempo (seg) para la determinación del ΔHd-n

Determinacion ΔH neu del NaOH

Tiempo (seg) | Temperatura(ºC) |
0 | 24,1 |
30 | 23,9 |
60 | 23,9 |
90 | 23,8 |
120 | 23,8 |
150 | 23,8 |
180 | 23,9 |
210 | 23,9 |
240 | 23,9 |
252 | NaOH |
270 | 27,2 |
300 | 27,3 |
330 | 27,3 |
360 | 27,3 |
390 | 27,3 |
420 | 27,3 |
Masa de HCl 0,5 M: (49,56 ± 0,02) g
Masa de NaOH 0,5 M: (50,14 ± 0,02) g

Temp. Inicial | 23 ºC |
Temp. Final | 27 ºC |

ΔHn== (-58±4) kJ/mol

Grafico VII: Temperatura (ºC) en función del tiempo (seg) para la determinación del ΔHn