TRABAJO PRCTICO N5

TERMOQUMICA

Calores de reaccin

Todas las reacciones qumicas estn acompaadas ya sea por una absorcin o una liberacin de energa, que en general se manifiesta como calor. La Termoqumica es la parte de la Termodinmica que estudia los cambios de energa en las reacciones qumicas.

El calor de una reaccin qumica es el calor intercambiado en el curso de la reaccin considerada, o, en un sentido ms general, es igual al cambio de entalpa del sistema cuando la reaccin ocurre a presin constante. En general, este calor de reaccin depende no slo de la naturaleza qumica de cada producto y cada reactivo, sino tambin de sus estados fsicos.

Con el fin de uniformar la expresin de resultados y valores, se ha hecho necesario definir un calor estndar de reaccin, que puede ser considerado como una propiedad caracterstica de la reaccin, y a partir de la cual se puede calcular calores de reaccin bajo otras condiciones. Se define el calor estndar de reaccin como el cambio de entalpa resultante del proceso de la reaccin, bajo una presin de 1 atm, comenzando y terminado con todos los materiales a la temperatura de 25C. Por ejemplo:

Se coloca en un calormetro, a presin constante, 1 mol de tomos de Zn (65,38 g) con 2073 g de una solucin acuosa 1,0 m de HCl (es decir 2,0 moles de HCl) a una temperatura inicial de 25C. Durante el curso de la reaccin, el sistema aumentar de temperatura, se desprender hidrgeno gaseoso, y se formar una solucin acuosa 0,5 m de cloruro de zinc. Cuando la reaccin se ha completado, la solucin resultante y el gas hidrgeno pueden ser enfriados a 25C nuevamente. Si no ha tenido lugar evaporacin de agua, se determinar que del sistema deben extraerse 34900 cal para restablecer la temperatura de 25C. La cantidad medida de calor desarrollado representa el calor estndar de reaccin para esta reaccin en particular, a presin constante (atmosfrica) para las concentraciones indicadas.

Cuando se libera calor en una reaccin , se dice que la reaccin es exotrmica; cuando se absorbe calor es una reaccin endotrmica.

Usando la nomenclatura convencional, la reaccin del ejemplo citado se simboliza de la siguiente manera

Zn (s) + 2 HCl (m = 1,0) ZnCl2 (m = 0,5) + H2 (g) (1,0 atm) (1)

donde H= -34900 cal /mol; y es el calor de reaccin ( o cambio de entalpa) a 25C y 1 atm. Su signo negativo establece, por convencin, que la reaccin es exotrmica.

Los calores de reaccin pueden determinarse por mediciones calorimtricas, en los casos

en que stas pueden realizarse en forma rpida y completa. Algunos calormetros operan isotrmicamente aadiendo o extrayendo calor del sistema para mantener la temperatura constante.

Otros actan adiabticamente, usando un sistema aislante. El tipo ms corriente consta de un recipiente aislado, con agua, dentro del cual se produce la reaccin. El calor desarrollado o absorbido modifica la temperatura del agua, la cual se mide. La cantidad de calor resulta igual al producto de la capacidad calorfica total del calormetro por la variacin de temperatura, pero para mediciones aproximadas, basta con tener en cuenta slo la masa del agua y su calor especfico que es igual a 1 cal/ g C, despreciando el calor absorbido por el calormetro es decir, despreciando su capacidad calorfica.

Los calores de reaccin tambin pueden calcularse a partir de datos de calores de

combustin o de formacin; en este caso, el calor estndar de reaccin (o cambio de entalpa) es igual a la suma algebraica de los calores estndar de formacin de los productos menos la suma algebraica de los calores estndar de formacin de los reactivos; esto es, multiplicados todos estos calores de formacin por los respectivos coeficientes estequiomtricos.

H reaccin = Hf (productos) - Hf (reactivos) a 25 C (2)

El calor molar estndar de formacin de un compuesto (Hf) representa el calor de reaccin cuando se forma un mol de compuesto a partir de los elementos que lo integran (en forma de sustancias simples), a la presin de 1 atm y siendo la temperatura al comienzo y final de la reaccin de 25C.

Calor de neutralizacin. La neutralizacin de soluciones acuosas diluidas de un cido por medio de una solucin

acuosa diluida de una base, es un tipo particular de reaccin qumica; es una reaccin de neutralizacin. La neutralizacin de una solucin acuosa de HCl con una solucin de NaOH puede ser representada por la siguiente ecuacin: HCl (ac) + NaOH (ac) NaCl (ac) + H2O (l) (3)

El calor de reaccin H25C puede calcularse a partir de los respectivos calores de formacin Hf, a saber:

Hf NaOH (ac) -112,236 kcal Hf HCl (ac) -40,023 kcal Hf NaCl (ac) -97,302 kcal Hf H2O (l) 683,17 kcal

Segn la ecuacin (2), el calor standard de reaccin para la ecuacin (3) ser: H 25C = [ (-97,302) + (-68,317) ] - [ (-112,236) + (-40,023) ] = -13,680 kcal (4) El smbolo (ac) empleado a continuacin de la frmula del soluto, representa por

convencin, que la solucin acuosa es lo suficientemente diluida como para que una dilucin adicional no produzca efectos trmicos; en consecuencia, por ejemplo, el calor de la formacin del NaOH (ac), Hf = - 112236 cal, ser igual a la suma algebraica del calor de formacin de un mol de NaOH en infinitos moles de agua; esto es, el calor de la disolucin a dilucin infinita.

Los calores de neutralizacin pueden determinarse por mediciones calorimtricas directas, a partir de mediciones en serie efectuadas sobre soluciones de concentraciones finitas que progresivamente se van diluyendo y extrapolando a dilucin infinita. Se indican a continuacin, algunos valores de calores de neutralizacin basados en tal procedimiento:

HCl ( ac) + LiOH (ac) Li Cl (ac) + H2O H 25C = -13680 cal (5) HNO3 (ac) + KOH (ac) KNO3 (ac) + H2O H25C = - 13675 cal (6) H2SO4 (ac) + KOH (ac) K2SO4 (ac) + H2O H 25C = - 13673 cal (7) Obsrvese que el calor de neutralizacin de cidos fuertes con bases fuertes en solucin

diluda, es prcticamente constante cuando 1 mol de agua se forma en la reaccin. La explicacin de este hecho reside en que tanto los cidos como las bases fuertes y sus sales derivadas estn completamente disociadas en sus respectivos iones cuando se hallan en solucin acuosa suficientemente diluda. Desde este punto de vista, una solucin diluda de HCl consiste solamente en iones H+ y Cl- en solucin acuosa; y similarmente, una solucin diluda de NaOH consiste en iones Na+ e OH- en solucin acuosa. Despus de la neutralizacin, la solucin restante contiene solamente iones Na+ y Cl-. La reaccin (3) puede ser interpretada como inica de la siguiente manera:

Na+ (ac) + OH- (ac) + H+ (ac) + Cl- (ac) Na+ (ac) + Cl- (ac) + H2O (l), o sea

cancelando los trminos comunes: OH- (ac) + H+ (ac) H2O (l) H 25C = -13680 cal (8)

En la neutralizacin de soluciones diludas de cidos dbiles y bases dbiles, el calor

desprendido es menor que 13680 cal. Por ejemplo, en la neutralizacin del cido actico

(CH3COOH) con NaOH, el calor desarrollado es de slo 13300 cal por mol de agua formado. La diferencia de calor no desarrollado (13680-13300 = 0,380 cal), puede ser interpretada como el calor requerido para completar la disociacin del cido actico en iones H+ y CH3COO- a medida que la reaccin de neutralizacin tiene lugar; Por cada in H+ proveniente del CH3COOH que se neutralice con un in OH-, ms CH3COOH se ionizar en H+ y CH3COO- hasta que la neutralizacin sea completa; esta ionizacin del CH3COOH, requiere calor, que se obtiene a expensas del calor que se desarrolla en la unin de los iones H+ y OH-.

Estudio del calor de reaccin.

Mg (s) + 2 HCl (ac) MgCl2 (ac) + H2 (g) (9) Como en el caso anterior, es muy importante en la ecuacin termoqumica correspondiente,

especificar el estado inicial y final de reactivos y productos. Para el clculo del H terico debe tenerse en cuenta que el calor de formacin de sustancias en estado elemental, por convencin, es igual a cero; y que ,siendo las soluciones usadas y producidas suficientemente diludas, debe considerarse como Hf de sustancias compuestas, el correspondiente a los valores tabulados para dilucin infinita, que son los siguientes a 25C:

MgCl2 (ac) = -189,76 kcal /mol HCl (ac) = -40,023 kcal/mol

Aplicando a la reaccin (9) la ecuacin (2), queda que:

H reaccin a 25C = (-189,76) 2(-40,023) = -109,714 kcal/mol (10) La reaccin a estudiar pertenece al tipo de las reacciones redox. Su efecto neto es: Mg (s) + 2H+ (ac) Mg2+ (ac) + H2 (g) (11)

PARTE EXPERIMENTAL

CALOR DE NEUTRALIZACIN

La experiencia se realiza en un calormetro (presin constante) y consiste fundamentalmente en medir el aumento de temperatura debido a la reaccin de neutralizacin de una solucin diluda de un cido fuerte (o un cido dbil) con el volumen estequiomtricamente equivalente de una solucin diluda de una base fuerte.

Como las concentraciones de las soluciones son conocidas, tambin se puede calcular el nmero de moles de agua formados en la reaccin de neutralizacin. A partir del aumento de temperatura observado, se puede calcular el calor desarrollado correspondiente a dichos moles de agua y tambin el correspondiente a 1 mol de agua.

Se repite la experiencia con un cido dbil y una base fuerte.. Reactivos y materiales necesarios

Solucin de HCl 1 N. Solucin de NaOH 1N. Solucin de CH3COOH 1N. Solucin alcohlica de fenolftalena. Calormetro Vaso de precipitados de 150 cm3. Termmetro de 0-100C (graduado preferentemente 0,1-0,2C). Probeta de 50 o 100 cm3. Agitador de vidrio.

EXPERIENCIA N1: Calor de neutralizacin cido fuerte - base fuerte.

1. Medir 50 cm3 de HCl 1N (o 1M) en la probeta y verter en el calormetro. Determinar su

temperatura. La misma debe permanecer constante hasta el momento de agregar la base. 2. Calcular la concentracin de iones H+ presentes en la solucin medida para agregar la

cantidad de base necesaria que neutralice la totalidad de iones H+. 3. Enjuagar la probeta y escurrirla cuidadosamente para medir el volumen de base

calculado. 4. Medir la temperatura del lcali con el mismo termmetro previamente enjuagado. La

temperatura debe permanecer invariable e igual a la del cido (puede admitirse una diferencia de 0,1C como mximo).

5. Colocar el termmetro en el calormetro y volcar rpidamente la solucin bsica. 6. Tapar y agitar suavemente. 7. Registrar la temperatura mxima alcanzada. Al trmino de la neutralizacin, verificar el punto final de la solucin resultante con el

agregado de cinco gotas de solucin alcohlica de fenolftalena. Si la solucin permanece incolora, indica un defecto de base; si la solucin permanece roja, indica un exceso de base. La experiencia se ha llevado adecuadamente cuando unas pocas gotas de base o cido son suficientes para cambiar la coloracin del indicador en la solucin resultante.

Parar simplificar los clculos, considerar que la solucin resultante tiene densidad y calor especfico iguales a los del agua. (: 1 g/cm3 y calor especfico: 1 cal/ g C)

EXPERIENCIA N2: Calor de neutralizacin cido dbil base fuerte. Repetir los mismos pasos de la Experiencia N1, pero con CH3COOH 1 N (o 1 M) en vez de

HCl.

CALOR DE REACCIN Se medir la variacin de temperatura en un calormetro, cuando el Mg metlico reacciona

con HCl diluido en exceso. Conociendo la masa de Mg, se pude calcular el nmero de moles para los cuales se produce el desprendimiento de calor, el cual es absorbido por la solucin. Por ser sta diluda se considerar su densidad y su calor especfico igual a los del agua.

Reactivos y materiales necesarios:

HCl 1N Mg metlico (cinta) Los empleados en las experiencias N1 y N2

EXPERIENCIA N3: Calor de reaccin

1. Medir en probeta 40 cm3de HCl 1N y volcarlos en el calormetro, Dejar estabilizar la temperatura . 2. Pesar aproximadamente una tira de Mg de 5 cm de longitud, o en su defecto, medir la misma a fin de calcular su masa segn densidad lineal. 3. Cuando la temperatura en el calormetro permanece inalterable, destapar y agregar rpidamente la cinta de Mg. 4. Tapar inmediatamente y agitar suavemente. Si fuera necesario, se puede envolver la cinta de Mg con un alambre de cobre el cual tambin ha sido limpiado previamente. 5. Registrar la temperatura mxima alcanzada.

INFORME TP N5

CALOR DE NEUTRALIZACIN:

EXPERIENCIA N 1: HCl 1 M NaOH 1 M Completar:

Volumen HCl 1N

Temperatura del HCl 1 M

Moles de H+ presentes

Moles de OH- necesarios para la neutralizacin

Volumen de NaOH 1 M

Temperatura del NaOH 1M

Volumen final de la mezcla

Temperatura final mxima registrada

Variacin de temperatura

Calor desarrollado en la neutralizacin

Moles de agua formados

Calor desarrollado por mol de agua formado

Valor terico del calor desarrollado por mol de agua formado

Qp / mol agua = Hf = 13680 cal / mol EXPERIENCIA N2: CH3COOH 1M NaOH 1M Completar:

Volumen CH3COOH 1M

Temperatura del CH3COOH 1 M

Moles de H+ presentes

Moles de OH- necesarios para la neutralizacin

Volumen de NaOH 1 M

Temperatura del NaOH 1M

Volumen final de la mezcla

Temperatura final mxima registrada

Variacin de temperatura

Calor desarrollado en la reaccin

Moles de agua formados

Calor desarrollado por mol de agua formado

Valor terico de calor desarrollado por mol de agua formado:

Qp / mol agua= Hf = 13300 cal / mol

CALOR DE REACCIN

EXPERIENCIA N3 Calor de reaccin Completar:

Masa de Mg

Temperatura inicial

Temperatura final

Variacin de temperatura

Calor desarrollado en la reaccin

Moles de Mg

Calor de reaccin/mol

Valor terico del calor de reaccin desarrollado por mol de magnesio:

Qp / mol = -109 kcal/mol

CUESTIONARIO DE APLICACIN

CALOR DE NEUTRALIZACIN 1) Cmo influyen en el resultado final las siguientes causas de error:

a) Demora mucho tiempo en tapar el calormetro luego de agregar el hidrxido de sodio.

b) La solucin de NaOH se encuentra carbonatada ( interprete como la presencia de impurezas).

2) Deducir todas las expresiones usadas para calcular el nmero de moles de H+, volumen de base necesario y calor de neutralizacin. CALOR DE REACCIN

1) Explicar cmo afectan en el clculo los siguientes errores experimentales:

a) El cido colocado en el calormetro estaba en defecto respecto al Mg.

b) La superficie de la cinta estaba oxidada.

2) Deducir todas las expresiones necesarias para proceder al clculo de calor de reaccin por mol de Mg.