Termoquimica

TERMOQUIMICA

I. OBJETIVOS.-

Aplicar los conceptos fundamentales de la termoquímica a las siguientes determinaciones experimentales:

Capacidad calorífica de un calorímetro

Calor latente de fusión

Calor latente de vaporización

Calor de neutralización de una reacción ácido – base

Calor de solución

Capacidad Calorífica (C).- Es la propiedad termodinámica que multiplicada por la variación de temperatura es igual a la cantidad de energía que a tomado o cedido una sustancia como calor cuando se pone en contacto con otro que tiene una temperatura diferente.

Así, si la temperatura del cuerpo se eleva de Ti a Tf, al tomar una cantidad de calor Q, la capacidad calorífica “C” del cuerpo viene dada por:

De acuerdo a Ec. (2), la capacidad calorífica de una sustancia, es la cantidad de calor requerida para variar su temperatura en 1ºC. Este concepto es usado en la determinación de la capacidad calorífica de un calorímetro.

Calor Específico(C).- Es la capacidad de calor, medido en calorías, que necesita un gramo de una sustancia para variar 1ºC. El producto del calor específico (c) por la masa molar (M), nos dará la Capacidad Calorífica Molar ( ).

CM =

Calor de Reacción(HR).- Se define como la cantidad de calor que se desprende o absorbe durante una reacción química, esto se debe a la diferencia entre las entalpías de los productos y reactantes a presión constante y temperatura definida.

Dentro de los calores de reacción se encuentran los calores de formación, combustión, fusión, vaporización, sublimación, disolución, neutralización, etc.

Calor de Neutralización (HN).- Es la cantidad de calor desprendido cuando reaccionan un equivalente de un ácido (una mol de iones H+) con un equivalente de una base (una mol de iones OH-)

H+(aq) + OH-(aq)  H2O(l) + Q(calor)

Para ácidos y bases fuertes:

H+(aq) + OH-(aq)  H2O(l) HN = -13.7 kcal/mol

Calor de Solución (Hsol).- Es el calor absorbido o liberado cuando un soluto se disuelve en un solvente. La cantidad de calor neta (efectiva) por mol de soluto depende sobre todo de la concentración de la solución.

El calor neto observado de la solución preparada, es el resultado de la energía requerida para romper los enlaces químicos o atracciones intermoleculares (soluto – soluto y solvente - solvente), y la energía liberada por la formación de otros atracciones intermoleculares (soluto - solvente). Por ejemplo, si un sólido iónico (MX) se disuelve en agua, el calor de solución será una manifestación de la energía requerida para romper la red cristalina o energía reticular, es decir, H>0.

MX(s)  M+(g) + X-(g)

Cuando los iones son hidratados se libera energía, lo que se denomina calor de hidratación, donde H>0.

M+(s) + X-(g)  M+(aq) + X-(aq)

Calor Latente de Fusión(LT).- Es la cantidad de calor necesario para fundir un gramo de sustancia sólida a una temperatura del punto de fusión.

A la presión de 1 atm (760 torr) el agua puede hallarse o bien en estado líquido o bien cristalizado en forma de hielo. Si al hielo se le agrega energía en forma de calor, dicha energía se consume, en primer lugar, al elevar la temperatura del mismo hasta 0ºC, si es que no estaba inicialmente a esa temperatura.

Si la masa de hielo está a 0ºC, la energía calorífica suministrada se sigue consumiendo en realizar trabajo, hasta la licuación del hielo cristalino. Mientras sigan existiendo enlaces cristalinos que romper, el calor seguirá gastándose en ese trabajo de licuación y solamente cuanto todo el hielo ha pasado al estado líquido, la energía calorífica comienza a elevar la temperatura del líquido.

El calor latente de fusión del hielo es igual a 80 cal/g, lo que significa que han de gastarse 80 cal de energía para pasar 1 g de hielo a 0ºC a 1g de agua a 0ºC. De esto resulta que el calor necesario para fundir una masa (m) de hielo a 0ºC estará dado por:

Q = mLf

Calor Latente de Vaporización(LV).- Es el calor necesario que hay que suministrar a 1 g de agua líquida a la temperatura de ebullición par que pase al estado vapor sin variar la temperatura.

Mientras dura la ebullición (la temperatura permanece constante) la energía calorífica que se suministra a un líquido cuando hierve, se gasta en realizar trabajo en contra las fuerzas de enlaces existentes entre las moléculas en estado líquido.

De este modo, se consigue liberar a las moléculas de las interacciones entre ellas y al aumentar su energía cinética de translación adquiere su grado de libertad pasando a la fase vapor.

El calor latente de vaporización LV, del agua es igual a 540 cal/g; lo que significa que deben gastarse 540 cal de energía para que un gramo de agua se vaporice en su punto de ebullición. La capacidad calorífica específica (calor específica) del hielo es aproximadamente 0.5 cal/gºC.

La capacidad calorífica específica (calor específico) del vapor de agua es aproximadamente 0.482 cal/gºC.

Calorímetro.- Son instrumentos que sirve para la determinación experimental de los intercambios caloríficos.

El calorímetro es un sistema aislado, de tal manera que no permite intercambio de calor con el medio ambiente.

Capacidad Calorífica del Calorímetro.- Es la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura del calorímetro en 1ºC.

PARTE EXPERIMENTAL

EXPERIMENTO Nº1 Determinación de la Capacidad Calorífica del

Calorímetro (CC)

PROCEDIMIENTO A:

1) Ponga al calorímetro la tapa adecuada de tecnopor, con un agujero para el termómetro. Muestre al profesor, el armado del calorímetro para su visto bueno.

2) Ponga exactamente 50 mL de agua destilada fría al calorímetro; anote la temperatura (T1).

3) Caliente agua en un vaso de 250 mL. Mida aproximadamente 55 mL de agua caliente y, antes de verter esta agua caliente al calorímetro anote su temperatura (T2).

4) Tan pronto como el termómetro está frío y seco, colóquelo en el calorímetro y rápidamente agregue el agua caliente a T2.

5) Agite suavemente con el termómetro y anote la temperatura de mezcla (Tm).

NOTA: Para conocer el volumen exacto del agua caliente a T2, reste al volumen total de agua del calorímetro, 50 mL. Se considerará la densidad del agua 1.0 g/cm3; y por lo tanto el peso del agua en gramos será igual al volumen en mL.

PROCEDIMIENTO B:

1. Ponga a hervir en un vaso de 250 mL, aproximadamente 60 mL de agua hasta ebullición.

2. Mida con la probeta exactamente 50mL de agua caliente y vierta este volumen al calorímetro.

3. Mida exactamente 50 mL de agua fría con la probeta y anote la temperatura (T1)

4. Mida la temperatura (T2) del agua caliente del calorímetro y rápidamente agregue el agua fría, que está a T1.

5. Agite suavemente con el termómetro y anote la temperatura de mezcla (Tm)

6. Proceder de acuerdo a la nota anterior para determinar si hubo o no variación en el volumen de agua caliente.

CALCULOS: Se tiene que:

Q = n T donde : n =

Luego : Q =

Como : = cM

Entonces : Q = m.c. T

Aplicando la 1ª Ley de la Termodinámica y haciendo un balance de calor, tenemos:

Calor perdido = calor ganado

Qp = Qg

CALCULOS PARA EL EXPERIMENTO Nº 1 (PROCEDIMIENTO A)

DATOS:

T1 = 22ºC VAGUA FRIA = 50 ml

T2 = 70ºC  m (masa del agua fría) = 50gr

Tm = 42ºC

Volumen = 54 ml

FORMULAS: (Exacto del Agua Caliente)

i) Calor perdido por el agua caliente(Qp)

Wp = m.c (Tm – T2) =

Considerando densidad del agua igual a la unidad

(D = 1gr/ml)

m(gr) = Volumen (ml)  m = 54gr

(exacto del

agua caliente)

 Wp = (54) (1)(42 – 70) = -1512 cal

ii) Calor ganado por el agua fría: (Qg)

Wg = m.c. (Tm – T1); m = masa del agua fría

C = 1 cal/gr x ºC

* Considerando: DH2O = 1gr/ml

 m (agua fría) = volumen (agua fría)

 m = 50gr.

 wp = 50(1)(42 – 22) = 50x(20) = 1000cal

iii) Calor ganado por el Calorímetro (Qc):

Qc = CC (Tm – T1) ; CC = capacidad calorífica

Del calorímetro

 Qc = CC (42 - 22) = CC(20)

 - Qp = Qg + Qc (transferencia del calor)

- (-1522) = 1000 + Cc (20)

 Cc = 25.6 (cal/ºC)

CUESTIONARIO

1. Presente los cálculos para el procedimiento experimental B de la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro.

DATOS:

T1 = 20ºC VAGUA FRIA = 50 ml

T2 = 70ºC  mAGUA FRIA = 50 gr

VEXACTO DE AGUA FRIA = 48 ml

FORMULAS:

• Calor perdido por el agua caliente (Qpc)

Qpc = m.c. (Tm – T2); m = masa exacta del agua caliente

Como (D = 1gr/ml)

 m = 48 gr



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