2014ALUMNO: MORALES SOLS CristianDOCENTE: YUPANQUI TORRES EdsonFECHA: 19 06 - 2014 CALORIMETRA A PRESIN CONSTANTEDETERMINACIN DEL CALOR ESPECFICO DE UN METAL, CALOR DE NEUTRALIZACIN DEL CIDO CLORHDRICO E HIDRXIDO DE SODIO Y CALOR DE SOLUCIN DEL CLORURO DE CALCIO.UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTNEZ DE MAYOLOFACULTAD DE INGENIERA DE MINAS, GEOLOGA Y METALURGIA

AO DE LA PROMOCIN DE LA INDUSTRIA RESPONSABLE Y DEL COMPROMISO CLIMTICOFISICOQUMICA

SISTEMA ATLAS CALORMETROINFORME N1

SUMARIO

SUMARIO2RESUMEN3ABSTRACT4INTRODUCCIN5OBJETIVOS6FUNDAMENTO TERICO7MATERIALES Y REACTIVOS12PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL13CLCULOS Y RESULTADOS15RECOMENDACIONES19REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS20CUESTIONARIO21

RESUMEN

En el presente experimento, haciendo uso de la termoqumica, se determin el valor de la capacidad calorfica de un calormetro utilizando un mtodo muy sencillo que consiste en equilibrar la temperatura, de dos volmenes de agua, al mezclarlos.Esto se realiz con el propsito de utilizar el valor obtenido (de la capacidad calorfica) para el clculo del calor especfico de un metal; la entalpa de neutralizacin entre el HCl y NaOH y la entalpa de disolucin del CaCl2 en agua.Palabras clave: termoqumica, capacidad calorfica, calormetro, entalpa.

ABSTRACT

At present experiment, doing use of the thermochemical, decided the value of the calorific capacitance of a calorimeter by using a very simple method it consists in balancing the temperature, of two volumes of water, to the mix the.This it is carried out with the purpose to use the obtained value ( of the calorific capacitance ) for the calculation of the specific heat of a metal; the enthalpy of neutralization between the HCl and NaOH and the enthalpy of dissolution of the CaCl2 in water.Code words: thermochemical, calorific capacitance, calorimeter, enthalpy.

INTRODUCCIN

La termoqumica es una rama de la fsicoqumica que trata de los cambios trmicos asociados a las transformaciones qumicas y fsicas. Su objetivo es la determinacin de las cantidades de energa calorifica cedida o captada en los distintos procesos y el desarrollo de mtodos de clculo de dichos reajustes sin recurrir a la experimentacin.Desde un punto de vista prctico, es esencial conocer si en una reaccin especfica hay absorcin o desprendimiento de calor y en que proporcin a fin de ayudar su remocin o de suministrar el que sea necesario. Resulta imperioso estudiar la determinacin experimental de los calores de reaccin, tanto como los principios termodinmicos para evaluar los cambios sin recurrir a la prctica experimental.

OBJETIVOS

1. Determinar la capacidad calorfica de un calormetro.

2. Determinar el calor especfico de un metal (zinc).

3. Determinar el calor de neutralizacin del cido clorhdrico e hidrxido de calcio.

4. Determinar el calor de solucin del cloruro de calcio.

FUNDAMENTO TERICO

TERMODINMICASe denomina termodinmica a la parte de la fsica que estudia los intercambios de calor y trabajo que acompaan a los procesos fisicoqumicos; si estos son reacciones qumicas, la parte de la ciencia que los estudia se denomina termoqumica.Sus objetivos bsicos son: Deducir la posibilidad de que una reaccin qumica se produzca o no espontneamente. Buscar el procedimiento para obtener el rendimiento mximo en un proceso qumico.CONCEPTOS TERMODINMICOS BSICOS Sistema: Parte del Universo que aislamos para su estudio.Los sistemas pueden ser clasificados en funcin, por una parte, del estado de agregacin de los componentes que intervienen en l, y as se dividen en homogneos y heterogneos; y por otra parte, en funcin del recipiente que los contiene y del intercambio de materia y energa con el entorno, distinguindose tres tipos: abiertos, cerrados y aislados. A estos tres ltimos se les denomina sistemas termoqumicos. Entorno o ambiente: Medio exterior que rodea al sistema, pudiendo estar relacionado o no, con el mismo.

Tipos de sistema Sistema homogneo: cuando los componentes del mismo estn en una sola fase, o en el mismo estado de agregacin. (Ej. todos los gases) Sistema heterogneo: cuando los componentes del mismo estn en varias fases o estados de agregacin. Sistema abierto: aqul que puede intercambiar materia y energa con el entorno. Ej. Combustin de madera Sistema cerrado: aqul que no intercambia materia con el entorno, pero s energa. Ej. Combustin de butano realizada en recipientes con paredes que permiten el paso de calor a su travs. Sistema aislado: aqul que no puede intercambiar ni materia ni energa con el entorno.

Para describir un sistema termodinmico se precisa conocer el valor de una serie de variables que determinen el estado del mismo desde un punto de vista macroscpico. A estas variables las llamaremos variables termodinmicas. Pueden ser: Funciones de estado: Son variables o propiedades termodinmicas que tienen la cualidad de que su valor slo depende de los estados inicial y final del sistema, y no de los pasos intermedios. Ej. Volumen, energa interna, entalpa, entropa, energa libre de Gibbs, presin, temperatura, etc. Variables extensivas: Son aquellas cuyo valor depende de la cantidad de sistema que consideremos (masa, volumen, flujo de calor). Variables intensivas: Son aquellas cuyo valor no depende de la cantidad de sistema considerado (temperatura, densidad, presin, concentracin).Se estudiar sistemas que se encuentren en estado de equilibrio termodinmico. Para describir dichos estados slo se necesita conocer un reducido nmero de variables termodinmicas, llamadas variables de estado. Por ejemplo, en el caso de un gas, nos bastara con conocer la presin, el volumen y la temperatura, para definir el estado de un sistema.Las variables de estado pueden relacionarse entre s mediante ecuaciones de estado.Ejemplo: P V = n R TPRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINMICAEs una expresin del principio de conservacin de la energa, cuando entre el sistema y el entorno hay intercambio de calor y trabajo.Establece que la energa de un sistema siempre se conserva, de modo que, si al producirse un proceso qumico en un sistema cerrado, disminuye la energa del sistema, necesariamente debe aparecer una cantidad de energa equivalente en el entorno, pues la energa ni se crea ni se destruye, sino que se transforma.Definimos energa interna de un sistema (U), como la suma de las energas cintica y potencial de las partculas microscpicas (tomos, molculas, iones, etc) que componen el sistema en sus distintos tipos de movimientos (traslacin, rotacin, etc) e interacciones (elctricas, gravitatorias, etc.).

Cuando un sistema experimenta una transformacin y pasa de un sistema inicial a otro final, es difcil conocer el valor de U en cada uno de esos estados. En cambio, si se puede conocer la variacin de energa interna (U) en ese proceso.La variacin de energa interna de un sistema es igual a la suma del calor y del trabajo que intercambia con su entorno.Esta es la ecuacin del Primer Principio de la Termodinmica. La energa interna es una funcin de estado.El criterio de signos que se sigue es el siguiente: la energa que absorbe el sistema se considera siempre positiva y la que cede el sistema se considera negativa.

Q > 0, calor absorbido por el sistemaQ < 0, calor desprendido por el sistemaW < 0, trabajo realizado por el sistemaW > 0, trabajo realizado sobre el sistema

CALOR Y TRABAJO EN UN PROCESOCuando un sistema experimenta un proceso termodinmico, intercambia energa con el entorno. Estudiaremos ahora cmo son los intercambios de calor y trabajo.Intercambio de calor en un procesoCuando un sistema evoluciona de un estado a otro, puede intercambiar calor con su entorno. Este calor, Q, se puede invertir en modificar la temperatura del sistema o el estado fsico en que se encuentre. El clculo del calor intercambiado, Q, vara segn una de estas expresiones:Si modifica la temperatura

Si hay un cambio de estado El calor se obtiene multiplicando la masa del sistema por el calor latente del cambio de estado:

Es frecuente medir el calor en caloras. Una calora es la cantidad de calor que se necesita para que, a la presin atmosfrica, 1 g de agua pase de 14,5 C a 15,5 C. Su equivalencia con la unidad del SI:1 calora = 4,18 JTrabajo de expansinConsideremos un gas que se expande dentro de un cilindro provisto de un mbolo mvil de superficie (S), sin peso y sin rozamiento, y sometido a la presin exterior P (supuesta constante).

Como la presin es constante, la fuerza que se ejerce sobre el gas, F = PS, es tambin constante y realiza un trabajo (W) en la expansin del gas, igual a:

Desplazamiento del mbolo, que tiene sentido opuesto a la fuerza (F)

Luego

Donde:W: Trabajo de expansin P: PresinV: Cambio de volumenAplicaciones del primer principio a las reacciones qumicasEn una reaccin qumica, U, representa la diferencia de energa interna entre los productos y los reactivos:U = Uproductos Ureactivos =Q+ WQ y W se refieren a los efectos del calor y trabajo que acompaan a la reaccin qumica.

Transferencia de calor a volumen constante

Como no hay variacin de volumen: V = 0 W = 0Por tanto: U = Qv

La variacin de energa interna del sistema, es igual al calor absorbido o desprendido en una reaccin qumica realizada a volumen constante (Qv).Ej. Olla a presin, fermentacin en una botella.

TRANSFERENCIA DE CALOR A PRESIN CONSTANTE. CONCEPTO DE ENTALPAGeneralmente la mayora de las reacciones se realizan a presin cte., ya que en los laboratorios se suelen producir en recipientes abiertos, o lo que es lo mismo, a presin atmosfrica. Emplearemos tambin el primer principio de la termodinmica.En los procesos a presin constante es frecuente que, a medida que transcurre la reaccin, exista un pequeo cambio de volumen, el cual producir un trabajo:

Introducimos una nueva funcin de estado, llamada entalpa (H), que se puede interpretar como la transferencia de calor a presin constante. H = U + PV

La variacin de entalpa de un sistema representa el calor que intercambia con el entorno cuando el proceso de realiza a presin constante. La entalpa es una funcin de estado y se mide en unidades de energa. En el sistema internacional se mide en joules (J).

Relacin entre U y HEs posible establecer una relacin entre la variacin de entalpa y la de energa interna utilizando la definicin de entalpa:

Si en el sistema solo intervienen slidos o lquidos. La presin y el volumen prcticamente no varan, por lo que el trabajo de expansin es cero.

Si en el sistema intervienen gases ideales:

Si en un proceso aumenta el nmero de moles de las sustancias gaseosas, el calor que el sistema intercambia con el entorno al evolucionar a presin constante es mayor que si la transformacin es a volumen constante. Si disminuye el nmero de moles de las sustancias gaseosas que intervienen, Qp es menor que Qv.

MATERIALES Y REACTIVOS

MATERIALESCalormetro adiabtico a presin constanteTermmetroProbeta de 100 ml

2 Vasos de precipitados de 250 ml

Tubos de ensayo

Balanza

Esptula

Cocina elctrica

REACTIVOSNaOH 0,1MHCl 0,1MHielo

Granallas de ZnAgua destiladaCaCl2 slido

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

I. DETERMINACIN DE LA CAPACIDAD CALORFICA DEL CALORMETRO

a. Colocar en el calormetro limpio y seco 125 ml de agua destilada a la temperatura ambiente, registrar dicha temperatura como T1 C.b. Inmediatamente agregar 125 ml de agua helada a una temperatura aproximada de 8C. Registrar este valor como T2 C.c. Cerrar hermticamente el calormetro con el tapn que lleva incorporado un termmetro.d. Agitar el calormetro hasta que la temperatura de la mezcla permanezca constante y registrar esa temperatura de equilibrio como T3 C.e. Teniendo en cuenta que en un sistema adiabtico debe cumplirse:

Se debe identificar quienes ceden calor y quienes lo absorben.Donde:

f. Determinar la capacidad calorfica del calormetro (C) en J/C o Cal/C.

II. DETERMINACIN DEL CALOR ESPECFICO DE UN METAL

a. En un calormetro limpio y seco colocar 250 ml de agua,registre esta temperatura como T1C.b. Pesar 15 g del metal: polvo de hierro o granallas de zinc en un tubo de ensayo.c. Introducir el tubo de ensayo en un vaso grande que contiene 2/3 de su volumen de agua.d. Calentar el agua hasta que hierva usando el mechero, dejar hervir el agua por unos 10 minutos y registrar la temperatura del agua hirviendo como T2C.e. Luego transferir el metal (Fe o Zn) al calormetro rpidamente, con ayuda de las pinzas.f. Cerrar el calormetro y agitar la mezcla por unos segundos, hasta que la temperatura se vuelva constante, registrar esta temperatura como T3C.g. Con los datos medidos determine el calor especfico del metal en J/g.C o cal/ g.C.

III. DETERMINACIN DEL CALOR DE NEUTRALIZACIN DEL HCl y NaOH

a. En el calormetro limpio y seco, colocar 125 ml de NaOH 0,1M.b. Por otro lado medir 125 ml de HCl 0,1M en una probeta o vaso.c. Agitar las soluciones hasta que ambas y por separadas adquieran la misma temperatura inicial, registrar esta temperatura como T1C.d. Verter rpidamente el cido sobre la base, tapar el calormetro y agitar continuamente.e. Anotar la temperatura ms alta observada como T2C.f. Considerando que la masa total de la solucin es 250 g (D=1g/ml) y que su calor especfico es la unidad (Ce=1cal/g.grado). Calcular el calor de neutralizacin en kJ o kcal y el calor molar de neutralizacin en kJ/mol de H2O o en kcal/mol de H2O. (H o QN).

IV. DETERMINACIN DEL CALOR DE SOLUCIN DEL CLORURO DE CALCIO

a. En el calormetro limpio y seco, colocar 250 ml de agua a la temperatura ambiente, registrar esta temperatura como T1C.b. Pesar 6 g de CaCl2 slido y agregarlo rpidamente al calormetro.c. Cerrar el calormetro y agitar la mezcla por un minuto, registrar la mxima temperatura alcanzada como T2C.d. Con los datos medidos determine el calor de solucin del cloruro de calcio en kJ o kcal y el calor de solucin molar en kJ/mol o kcal/mol.NOTACalcule el nmero de moles de CaCl2 que fueron agregados al calormetro, identifica si el proceso de disolucin es endotrmico o exotrmico, tener cuidado en identificar quin cede y quin absorbe calor.

CLCULOS Y RESULTADOS

Determinacin de la capacidad calorfica del calormetro.

Reemplazando los datos en las siguientes ecuaciones, se tiene:

Por ltimo:

Determinacin del calor especfico de un metal.

Al reemplazar datos:

Entonces:

Ahora, para calcular el valor del peso atmico del metal, se emplea la ley de Dulong y Petit.

Como se trata del zinc, en las tablas se indica que el peso atmico es 65,39 g/at g, entonces se afirma que se obtuvo un resultado con cierto margen de error , que es:

Determinacin del calor de neutralizacin del HCl y NaOH.

La reaccin de neutralizacin es:

Al reemplazar datos, se tiene:

Para obtener el calor molar de neutralizacin, se debe calcular el nmero de moles de uno de los reactivos en la reaccin.

El calor de neutralizacin dado en tablas es:

El error del experimento es:

Determinacin del calor de solucin del cloruro de calcio.

En este caso, se utiliz el CaCl2.2H2O (cloruro de calcio dihidratado), de la que se pes:

Adems:

Como el sistema es adiabtico, entonces:

El nmero de moles del soluto es:

Entonces:

Para el agua:

La ecuacin qumica de este proceso es:

RECOMENDACIONES

Se recomienda, al momento de realizar la prctica, lo siguiente: Calibrar los instrumentos (termmetro) y los equipos (calormetro) para no tener mrgenes de error muy grandes.

Pesar lo ms exacto posible los reactivos; siempre con cuidado y paciencia para evitar desperdiciarlos.

Al mezclar sustancias (HCl y NaOH, CaCl2.2H2O y agua, metal y agua) se debe realizar lo ms rapido posible para evitar fugas de calor al exterior.

Observar el termmetro en todo momento durante la transferencia de calor para notar cambios rpidos de temperatura y ser ms precisos en la lectura de dicho instrumento.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Alvarez De La Cruz, Cristian Omar. 2012. Termodinmica. Creativecommons. [En lnea] 12 de Mayo de 2012. http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/deed.es_ES.Atkins, Peter. 1998. Qumica Fsica. Sexta ed. Barcelona: Ediciones Omega, 1998. ISBN: 84-282-1181-7.Maron, Samuel y Prutton, Carl. 2002. Fundamentos de FISICOQUMICA. Vigsimoctava ed. Mxico D.F: Grupo Noriega Editores, 2002. ISBN: 968-18-0164-4.Pons Muzzo, Gaston. 2008. Fisicoqumica. Octava ed. Lima: A.F.A. Editores Importadores S.A., 2008.

CUESTIONARIO

a. Enumere los objetivos especficos del experimento

Determinar la capacidad calorfica del calormetro. Calcular el calor especfico del Zn y adems, su masa atmica por la Ley de Dulong y Petit. Calcular la entalpa de neutralizacin del HCl 0,1 M y el NaOH 0,1 M. Calcular la entalpa de solucin del CaCl2.2H2O en agua a temperatura ambiental

b. Defina reaccin exotrmica y endotrmica

Entermodinmica, lapalabraendotrmicadescribeun procesooreaccin enla cualel sistemaabsorbeenergadelentornoen formade calor.Estetrmino fue acuado porMarcelinoBerthelot(25 octubre 1827-18 marzo 1907).Unareaccinexotrmica se produce cuandouna reaccin qumica desprende energa en formadecalor.Enotras palabras,la energa necesariapara quela reaccinse produzcaesmenorque la energatotal liberada.Como resultadodeesto,la energa adicionalselibera,con una variacin negativa deentalpa. Por otro lado, una reaccin endotrmica necesita energa en forma de calor para realizarse. As:

Reaccin exotrmica: Proceso en el cual se libera energa en forma de calor (Q).

Reaccin endotrmica: Proceso en el cual se absorbe energa en forma de calor (Q).

c. Qu es un proceso adiabtico? De un ejemplo

Entermodinmicase designa comoproceso adiabticoa aqul en el cual el sistema (generalmente, unfluidoque realiza untrabajo) no intercambiacalor con su entorno. Un proceso adiabtico que es adems reversible se conoce comoproceso isentrpico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la mxima transferencia de calor, causando que latemperaturapermanezca constante, se denomina comoproceso isotrmico.El trminoadiabticohace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. En climatizacin los procesos de humectacin (aporte devapor de agua) son adiabticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.Un ejemplo es el de los termos de comida que mantienen caliente los alimentos; esto se da por la composicin de las paredes que impiden la transeferencia de calor con los alrededores; mostrando as un comportamiento adiabtico.

d. Si se tiene 2 calormetros similares y solo se determina la capacidad calorfica de uno de ellos. Se podra decir que la capacidad calorfica del otro es la misma? Por qu?

S, porque mientras los calormetros tengan las mismas propiedades qumicas y fsicas del material con los que estn hechos, la capacidad calorfica no variar.

e. Si las entalpas de formacin estndar para los iones Zn+2 y Cu+2 a partir de los metales Zinc y Cobre son respectivamente: -36,34 y 15,39 kcal/mol. Calcular el cambio de entalpa para la reaccin: