Práctica 11 - informe de calorimetria PDF

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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE CURSOS BÁSICOS

CALORIMETRIA LABORATORIO 11 MATERIA: FECHA DE ENTREGA:

LAB. QUÍMICA GENERAL - LQMC-100 30/ENERO/2020 LAPAZ-BOLIVIA

QUIMICA GENERAL – QMC-100 VERANO-2020 INDICE: 1.- OBJETIVO GENERAL 2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS 3.- FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1.- TEMPERATURA 3.2.- CALOR LATENTE 3.3.- CALOR ESPECÍFICO 3.4.- TRANSFERENCIA DE CALOR 3.5.- CAPACIDAD CALORÍFICA 3.6.- CALOR ESPECÍFICO 4.- MATERIALES Y REACTIVOS 4.1.- MATERIALES 4.2.- REACTIVOS 5.- CÁLCULOS 5.1.- CAPACIDAD CALORÍFICA DEL CALORÍMETRO 5.2.- CALOR DE FUSIÓN DEL HIELO 5.3.- CALOR ESPECÍFICO DEL METAL 5.4.- TEMPERATURA DE EQUILIBRIO DE UNA MEZCLA 6.- CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES 8.-ANEXOS 9.- BIBLIOGRAFÍA

1.- OBJETIVO GENERAL  Comprobar la ley de conservación de la energía, en sistemas sin reacción química 2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS    

Construir un calorímetro. Medir temperaturas iniciales con termómetro y termocupla. Determinar calores específicos. Determinar temperaturas de equilibrio.

3.- FUNDAMENTO TEÓRICO El capítulo de la química que estudia los cambios energéticos que acompañan a una reacción química se denomina Termoquímica. Las reacciones químicas van acompañadas de transferencia de energía, que puede manifestarse en forma de calor absorbido (reacción endotérmica) o calor desprendido (reacción exotérmica) Reactivos -----+ Productos +/- Calor Cuando una reacción se lleva a cabo a presión constante, los cambios de calor que ocurren se denominan entalpía (∆H) La Entalpía de reacción se expresa normalmente en unidades de Calorías/mol ya sea de reactivo o producto Por convención se establece que la entalpía es de Signo negativo para procesos exotérmicos. La medida del calor intercambiado durante un proceso se realiza mediante un calorímetro que básicamente es un dispositivo aislado con una cámara de reacción rodeada de agua donde se detectan los cambios de temperatura con ayuda de un termómetro y a través de estas medidas medir la cantidad de calor intercambiado. El calor desarrollado por reacción u otro proceso físico Qp en la cámara de reacción que se halla inicialmente a una temperatura T1, actúa de tal modo que la temperatura final del calorímetro cambia hasta T2. Por el principio de conservación de la energía se puede expresar: Calor cedido por reacción u otro proceso físico = Calor ganado por el calorímetro El calor ganado por el calorímetro es:

Q p =ma c e agua (T 2 −T 1 )+ mc c e cal (T 2 −T 1 ) Dónde: maes la masa del agua que rodea al Erlenmeyer ceagua es el calor específico del agua mc es la masa de los componentes del calorímetro (vaso de precipitados, termómetro, agitador, etc.) ce cal es el calor específico promedio de los componentes del calorímetro. Si el calor ganado es igual al calor perdido:

Q p =Q g

Q p =ma c e agua (T 2 −T 1 )+ mc c e cal (T 2 −T 1 ) Q p =( ma c e agua +mc c e cal )(T 2 −T 1 ) Y si definimos la capacidad calorífica del calorímetro como:

C cal=ma c e agua +mc c e cal

Podemos escribir la ecuación como:

Q p =C cal (T 2−T 1 ) De tal modo que conociendo la capacidad del calorímetro y las temperaturas inicial y final se puede determinar el calor cedido por la reacción ocurrida en el matraz Erlenmeyer. En el proceso de calibración del calorímetro se determina la capacidad calorífica del calorímetro C cal. En este proceso se introduce una masa m a de agua a temperatura de ebullición Tb en el matraz Erlenmeyer y se espera hasta que el sistema alcance el equilibrio térmico con temperatura T2. El calor perdido por el agua caliente en el matraz Erlenmeyer será:

Q p =−ma c e agua (T 2 −T b ) Por lo tanto:

Q p =−ma c e agua (T 2 −T b )=C cal (T 2−T 1 ) Y el valor de C cal se puede calcular por:

Ccal=

−m a c e agua (T 2 −T b ) (T 2 −T 1 )

Nótese que la capacidad del calorímetro es función de las masas de los componentes del calorímetro y del agua que rodea al Erlenmeyer, por lo tanto ni la masa de agua ni los componentes deben cambiar durante la sesión experimental. 3.1.- TEMPERATURA La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas. Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades físicas que se pueden medir con precisión. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia y, en el caso de un gas, su presión varía. La variación de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas La temperatura depende de la energía cinética media (o promedio) de las moléculas de una sustancia; según la teoría cinética, la energía puede corresponder a movimientos rotacionales, vibraciones y traslacionales de las partículas de una sustancia. La temperatura, sin embargo, sólo depende del movimiento de traslación de las moléculas. En teoría, las moléculas de una sustancia no presentarían actividad traslacional alguna a la temperatura denominada cero absoluto. Véase Molécula. En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas está la escala Celsius —también conocida como escala centígrada—, la escala

Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Rankine o la escala termodinámica internacional. En la escala Celsius, el punto de congelación del agua equivale a 0 °C y su punto de ebullición a 100 °C. Esta escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el trabajo científico. La escala Fahrenheit se emplea en los países anglosajones para medidas no científicas y en ella el punto de congelación del agua se define como 32 °F y su punto de ebullición como 212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodinámica de temperaturas más empleada, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, -273,15 °C. La magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por K, se define como igual a un grado Celsius. Otra escala que emplea el cero absoluto como punto más bajo es la escala Rankine, en la que cada grado de temperatura equivale a un grado en la escala Fahrenheit. En la escala Rankine, el punto de congelación del agua equivale a 492 °R y su punto de ebullición a 672 °R. 3.2.- CALOR LATENTE El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 °C constituye una importante excepción a esta regla. Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas. El paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor vaporización. Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor. 3.3.- CALOR ESPECÍFICO La cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia se conoce como calor específico. Si el calentamiento se produce manteniendo constante el volumen de la sustancia o su presión, se habla de calor específico a volumen constante o a presión constante. En todas las sustancias, el primero siempre es menor o igual que el segundo. El calor específico del agua a 15 °C es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado Celsius. En el caso del agua y de otras sustancias prácticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre los calores específicos a volumen constante y presión constante ya que son aproximadamente iguales. Generalmente, los dos calores específicos de una sustancia dependen de la temperatura. 3.4.- TRANSFERENCIA DE CALOR Los procesos físicos por los que se produce la transferencia de calor son la conducción y la radiación. Un tercer proceso, que también implica el movimiento de materia, se denomina convección. La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos —o las partes de un cuerpo— que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente.

3.5.- CAPACIDAD CALORÍFICA La capacidad calorífica es la energía necesaria para aumentar en un grado la temperatura de un cuerpo. Sus unidades son J·K-1 o J·ºC-1. Si un cuerpo intercambia cierta cantidad de energía térmica Q y se produce un incremento de temperatura ΔT, la relación entre ambas magnitudes es: Q=C·ΔT Donde C es la capacidad calorífica del cuerpo. Aumentar o disminuir la temperatura de un gas encerrado en un recipiente se puede realizar a volumen o a presión constante, por lo que en el caso de las sustancias gaseosas se habla de capacidad calorífica a volumen constante, Cv, y de capacidad calorífica a presión constante, Cp. La capacidad calorífica de un cuerpo es proporcional a la cantidad de masa presente: C=m·c La constante c se denomina capacidad calorífica específica o, más comúnmente, calor específico y sólo depende del tipo de sustancia de que se trate, pero no de su cantidad. Es la energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de un kilogramo de una sustancia. Igualmente se puede utilizar el concepto de capacidad calorífica molar, que se define como la energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de un mol de sustancia. 3.6.- CALOR ESPECÍFICO Calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. 3.6.1.- CALORES ESPECÍFICOS El calor específico de una sustancia es la energía calorífica necesaria para aumentar la temperatura de una unidad de masa de sustancia en un grado. El agua tiene un calor específico particularmente alto, lo que significa que hace falta más calor para aumentar la temperatura del agua que la de la mayoría de las sustancias. En el caso del oro, en cambio, hace falta muy poco calor.

CALOR ESPECÍFICO (A 25 ºC) SUSTANCIA cal/g ºC Aire 0,24 Aluminio 0,22

J/kg K 1.010 900

Alcohol etílico 0,59 Oro 0,03 Granito 0,19 Hierro 0,11 Aceite de oliva 0,47 Plata 0,06 Acero inoxidable 0,12 Agua (líquida) 1,00 Madera 0,42 4.- MATERIALES Y REACTIVOS 4.1.- MATERIALES MATERIAL CARACTERÍSTICA Calorímetro 600 cm3 Vaso de precipitados Termómetro 125 cm3 Matraz Erlenmeyer Hornilla Vaso de precipitado 250 ml Termómetros Balanza Eléctrica Varilla de vidrio Piseta Esferas metálicas 4.2.- REACTIVOS ÍTEM

REACTIVO

1 2

Agua destilada Hielo

2.450 130 800 450 2.000 240 510 4.180 1.760

CANTIDAD 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1

CARACTERÍSTIC A

CANTIDAD 50g 50g

5.- CÁLCULOS 5.1.- CAPACIDAD CALORÍFICA DEL CALORÍMETRO 1.- En el laboratorio se consiguió la siguiente tabla: MASA AGUA(caliente)(gr) 67.02 TEMPERATURA INICIAL (OC) 25 TEMPERATURA EBULLICIÓN (OC) 87.6 TEMPERATURA EQUILIBRIO (OC) 34 - Determinamos la capacidad calorífica del calorímetro mediante la siguiente fórmula:

Qg=−Qp ⊳⊳Ccal⋅(Teq−Tinicial )=−magua( caliente ⋅Ce agua⋅(Teq .−Teb .) ) Ccal=

−magua ( caliente )⋅Ceagua⋅(Teq .−Teb .) (Teq .−Tinicial )

⊳⊳ Ccal=

−67 , 02∗1∗( 34−87 , 6 ) (34−25 )

cal o Ccal=399.141 C 2.- Ahora calculamos los valores de calores para poder realizar la gráfica:

Qg=Ccal⋅(Teq .−Tinicial )⊳⊳Qg=399 , 141∗(34−25)⊳⊳ Qg=3592.269 cal

Qp=magua( caliente ⋅Ce agua⋅(Teq .−Teb .)⊳⊳ Qp =67 ,02∗1∗(34−87 ,6 )⊳ Qp=-3592,272cal ) 3.- La razón por la cual Qp es negativo es porque el agua caliente es el que pierde calor, ahora realizamos la gráfica:

T (◦C)

T.equi librio

Ob j ec t17

Q(cal) 5.2.- CALOR DE FUSIÓN DEL HIELO Se consiguió los siguientes datos: MASA MATRAZ LLENO (gr) 98,18 MASA MATRAZ VACÍO (gr) 44,11 TEMPERATURA INICIAL CALORIMETRO (oC) 32 TEMPERATURA HIELO INICIAL (oC) 0 TEMPERATURA EQUILIBRIO (oC) 17 1.- Determinamos la masa de hielo utilizado por diferencia de masa de matraz lleno y matraz vacío:

mhielo =mmatrazlleno−mmatrazvacío ⊳⊳ mhielo=98 , 18−44 , 11⊳⊳ mhielo=54,07gr 2.- Ahora calculamos el calor de fusión del hielo sabiendo que cuando la masa de hielo pase a fase líquida, la masa del agua será igual a la masa del hielo:

Qg =−Qp

Q 1 +Q2 =−Q p ⊳⊳ mhielo⋅ΔH f +m agua⋅Ceagua⋅(Teq .−T ini. )=−Ccal⋅(Teq .−T ini. cialcalorimetro ) ΔH f =

ΔH f =

−Ccal⋅( Teq .−T inicialcalorímetro )−magua⋅Ce agua⋅(Teq .−T ini . ) mhielo

cal −399 ,141∗( 17−32 )−54 , 07∗1∗( 17−0 ) ⊳⊳ 54 , 07 ∆Hf=93.7289 gr

3.- Determinamos diferencia porcentual de calor de fusión de hielo sabiendo que:

∆Hf teórico=80 dp=

(

ΔH f

( ) cal gr

teorico

−ΔH f

ΔH f

experimental

teorico

)

∗100 ⊳ ⊳dp=

(80|80 −93 .7289| )∗100 ⊳⊳

Dp=17,1611% 4.- Ahora determinamos calor por mol de hielo en el proceso de fusión:

ΔH f =93 , 7289

cal 18 gr ⊳⊳ ∗ gr 1 mol

cal ∆Hf=1687,1202 mol

5.- Para realizar la gráfica calculamos los calores obtenidos: Q1 sería el calor ganado en la fusión de hielo

Q1 =mhielo⋅ΔHf ⊳⊳Q1=54 ,07∗93 ,7289 ⊳⊳

Q1=5067,9216cal

Q2 =magua⋅Ce agua⋅(Teq .−Tinicial . )⊳⊳Q2 =54 , 07∗1∗(17−0)⊳⊳

Q2=919,19cal

-Para encontrar punto de la gráfica

Q=Q 1 + Q2 ⊳⊳5067 ,9216 +919 , 19⊳ ⊳

Q=5987,1116 Cal

-Y por último calor pérdido

Q p =Ccal⋅(Teq .−T inicialcalorimetro )⊳⊳Q p =399 ,141∗(17−32)⊳⊳

Qp=-5987,115cal

-Ahora realizamos la gráfica

Q(cal)

T(◦C)

T(°C)vsQ(cal) 80 70 60 50 40

T.equi librio

30 20

5.3.CALOR

10 0 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

ESPECÍFICO DEL METAL Se consiguió los siguientes datos: MASA DE AGUA (gr) MASA DE CILINDRO METAL (gr) TEMPERATURA INICIAL AGUA (oC) TEMPERATURA INICIAL CILINDRO METAL (oC) TEMPERATURA DE EQUILIBRIO (oC) 1.-Calculamos el calor específico del metal:

187,78 507,19 19 137,6 44

Qg =−Qp magua⋅Ceagua⋅( 44−19 )=− mmetal⋅Ce metal⋅( 44−137 , 6 ) Cemetal=

magua⋅Ceagua⋅( 44− 19 ) −mmetal⋅(44−137 , 6 )

⊳⊳Cemetal =

187 ,78∗1∗( 44−19 ) −507 ,19∗( 44−137 ,6 )

cal o Cemetal=0,09888 gr⋅ C 2.- Determinamos diferencia porcentual sabiendo que Cemetal al ser del elemento hierro tiene el siguiente calor específico el cual sería el teórico:

cal o Cehierro teórico=0,113 gr⋅ C dp=

(

)

Ceteorico −Ceexp erimental |0,113 −0 , 0988| ∗100 ⊳ ⊳dp= ∗100 ⊳⊳ Ceteorico 0 , 113

(

)

dp=12,4877% 3.- Ahora realizamos la gráfica determinando los calores obtenidos:

Qg =magua⋅Ceagua⋅( 44 −19 )⊳⊳Q g =187 , 78∗1∗(44−19)⊳⊳

Qg=4694,5 cal

Q p =mmetal⋅Cemetal⋅(44−137 , 6 )⊳Q p=507 ,19∗0 , 09888∗(44−137 , 6 )⊳ Qp=-4694,128 cal -La razón por cual es negativo es porque pierde calor -Con estos calores se obtiene la siguiente gráfica:

T (◦C)

T(°C)vsQ(cal) 80 70 60 50 40 30

T.equi librio

20 10 0 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

5.4.- TEMPERATURA DE EQUILIBRIO DE UNA MEZCLA Se consiguió los siguientes datos: MASA DE AGUA (gr) MASA DE AGUA CALIENTE (gr) TEMPERATURA DE AGUA (oC) TEMPERATURA DE AGUA CALIENTE (oC) TEMPERATURA DE EQUILIBRIO (oC) 1.- Determinamos la temperatura de equilibrio experimental:

Qg =−Qp magua⋅Ceagua⋅(Teq.−39)=−maguacaliente⋅Ce agua⋅(Teq−68 )

187,78 100 39 68 47

4.5

Q(cal)

-Despejando Temperatura de equilibrio:

Teq.=

m aguacaliente⋅68+m agua⋅39 100∗68+187 ,78∗39 ⊳⊳ Teq.= m agua+ m aguacaliente 187 , 78 + 100

Teq=49,0771 (oC) 2.- Por datos encontrados en laboratorio Temperatura de equilibrio teórico será: Teq=47 (oC) 3.- Calculamos la diferencia porcentual:

dp=

(

)

(

)

Teq . teorico−Teq .exp erimental |47−49 , 0771| ∗100 ⊳⊳ dp= ∗100 ⊳⊳ Teq .teorico 47

dp=4.41% 4.-Por último realizamos la gráfica calculando antes los calores obtenidos:

Qg=magua⋅Ceagua⋅(Teq .−39 )⊳⊳Qg=187 , 78∗1∗( 47−39 ) Qg=1502,24 cal.

Qp=maguacaliente⋅Ceagua⋅(Teq −68 )⊳⊳ Qp =100∗1∗( 47−68 ) Qp=-2100 cal.

-

T(°C)vsQ(cal) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.5

1

1.5

Realizamos la gráfica

2

2.5

3

3.5

4

4.5

T (◦C)

T.equi librio

Q(cal) 6.- CONCLUSIONES - se pudo llegar a determinar la temperatura de equilibrio de una mezcla, en observación con la diferencia porcentual indicado como Dp=4,41% Más así no se pudo comprobar la capacidad calorífica del calorímetro, calor de fusión de hielo, calor específico de un metal ya que nuestras diferencias porcentuales sobrepasan más del 10 % que es aceptable para la valoración de estas. El error pudo haber ocurrido por mal manejo de los materiales: Es importante utilizar los materiales de manera correcta para determinar los datos lo más exacto posible, como el termómetro o la termocupla para determinar diferentes temperaturas.

8.-ANEXOS

9.- BIBLIOGRAFÍA - Guía de laboratorio Qmc 100 - https://es.slideshare.net/mobile/valida51/practica-1-determinación-de-lacapacidad-calorífica - https://m.monografias.com/trabajos35/calor-fusión-hielo/calor-fusión-hielo.shtml - https://es.scribd.com/doc/28945338/Calor-Específico-de-Metales...