Practica NO.2 Calor de Neutralización PDF

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓNFACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICASINGENIERÍA QUÍMICALaboratorio de Fisicoquímica 4° Semestre.Práctica No. “2” Calor de Neutralización.Maestros Dr. Edgar González Juaréz Dr. Luisaldo Sandate FloresGrupo No. 004 Equipo No.Matrícula Nombre Firma1921030 Cázares Ovalle Alejan...

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA

Laboratorio de Fisicoquímica 4° Semestre. Práctica No. “2” Calor de Neutralización. Maestros Dr. Edgar González Juaréz Dr. Luisaldo Sandate Flores

Grupo No. 004 Matrícula

Nombre

1921030

Cázares Ovalle Alejandra Sarahí

1894375

Gutiérrez Serrato Eduardo Angel

1992987

López Escobar Orlando

1852128

Sandoval Rosales Alejandra Amairani

1863008

Mariscal Castillo Omar Alberto

Equipo No.5 Firma

Semestre: Febrero-Junio 2021 San Nicolás de los Garza, Nuevo León a 09 de Marzo del 2021

PRÁCTICA N° 2 CALOR DE NEUTRALIZACIÓN INTRODUCCIÓN Algunos de los procesos más importantes en los sistemas químicos y biológicos son reacciones ácido-base en disolución acuosa, las reacciones entre un ácido y una base se llaman reacciones de neutralización, donde generalmente, dicha reacción forma agua y una sal.[1] Esta reacción está sujeta a cambios de energía en forma de calor, donde el calor liberado o generado puede tomarse como la variación de la entalpía( ∆�), si la reacción ocurre a presión constante. MARCO TEÓRICO El calor de neutralización se puede definir como la variación de la entalpía cuando cantidades equivalentes de un gramo de ácido es completamente neutralizado por un gramo de una base en solución acuosa altamente diluida. [2] En solución acuosa altamente // diluida, es siempre constante −13.7 /y no depende de la composición del ácido o base fuertes que participe en la neutralización. La siguiente ecuación expresa el calor generado al neutralizar un ácido y una base. ( = (�

����+ ������2

ec.1)

)× (

Dónde: Q = Calor generado de neutralización [=] J CSist = Capacidad calorífica del calorímetro [=] J/K mtotal = Masa total de la solución experimental [=] g CPH2O = Calor especifico del agua, 4.184 J/g-K ∆T= Cambio de temperatura debido a la reacción de neutralización [=] K Una variante eficiente de calcular la capacidad calorífica en un calorímetro es mezclando agua a diferentes temperaturas dentro de él y evaluando la temperatura final, el cambio de temperatura se puede correlacionar con la energía absorbida por la masa de agua fría y el calor cedido por el sistema, según: Flujo de calor del sistema al medio = 0 Flujo de calor del sistema al medio = (Calor absorbido por la masa de agua fría) + (Calor cedido por el sistema combinado)

[1]Chang,

R.

(2001).

Las

fuerzas

Intermoleculares,

los

líquidos

y

solidos.

En

Química

(sexta

edicion

ed.,

pp.

599-657).

[2]UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ. (2005, 2 noviembre). Recuperado 5 de marzo de 2021

2

Por tanto: (Calor absorbido por la masa de agua fría) = − (Calor cedido por el sistema combinado) Este análisis se condensa en la siguiente ecuación: íí 2 2 (−( ) = − ( ����+ Donde: mfría ( = Masa de agua fría a baja temperatura ( ) [=] g mamb ( = Masa de agua a temperatura del sistema ( ) [=] g = Temperatura inicial del agua fría [=] K = Temperatura inicial del agua en el sistema [=] K ��� = Temperatura final del sistema [=] K Resolviendo para CSist de la ecuación (2) se obtiene:

�2O()( −

) (ec.2)

(ec.3) Para medir el calor de neutralización se aplica la ecuación (1), empleando la misma masa total de agua que se utilizó en la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro. Este calor puede referirse a los moles de agua formados en el proceso de neutralización de la siguiente manera: = [=]

(ec.4)

Dónde: n = moles de agua formados en la neutralización [=] mol PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Una reacción de neutralización teóricamente es exotérmica; sin embargo, el calor producido por un par ácido-base se diferencia de otros debido a diversos factores como la concentración, disolvente, entre otros. Por ello se busca establecer una relación entre la fuerza de un ácido y base con el calor de neutralización entre ellos, debido a las fuerzas de enlace u otras características que los identifican. HIPÓTESIS Al ser el Hidróxido de sodio y el Ácido Clorhídrico una base y ácido fuerte respectivamente, se llevará a cabo una reacción de neutralización, por tanto, la temperatura del sistema aumentará y dará como resultado un alto valor de calor de neutralización, que se deberá a las propiedades del par ácido-base. Así mismo, se indaga que una de las posibles explicaciones a este proceso, que involucra transferencias de energía, está directamente relacionada con las fuerzas intermoleculares, la estructura molecular y la tendencia a ionizarse (polaridad del enlace). 3

OBJETIVO Evaluar los datos experimentales obtenidos en la determinación del calor de neutralización de una base fuerte con un ácido fuerte mediante la técnica calorimétrica y determinar la precisión de las medidas realizadas.

MATERIAL - Termo Dewar - Termómetro de escala expandida - Probeta de 500 ml - Pipeta de 50 ml - Vaso precipitado de 250 a 600 ml SUSTANCIAS - Hidróxido de sodio 0.2 N - Ácido clorhídrico 0.8 N - Agua destilada

METODOLOGÍA

4

RESULTADOS A continuación, se presentan los datos experimentales obtenidos en dos casos distintos: 1er Caso: No. Prueba

Tinsist ,°C

Tinfria ,°C

Tfn ,°C

1

26.6

4.6

24.7

2

27.2

4.5

25.0

3

27.1

4.4

25.2

Parte B No. Prueba

TinHCl ,°C

Tinsist ,°C

Tfnsist ,°C

1

27.2

27.2

28.9

2do Caso: 5

No. Prueba

Tinsist ,°C

Tinfria ,°C

Tfn ,°C

1

26.1

4.0

24.5

2

24.5

5.0

23.0

3

24.0

5.0

23.0

Parte B No. Prueba

TinHCl ,°C

Tinsist ,°C

Tfnsist ,°C

1

26.0

26.1

27.7

a) Estimar la capacidad calorífica del calorímetro empleando la ecuación (2.3), considerando que la densidad del agua a condiciones estándar es 1 g/mL. Caso 1 Datos 1er Caso: mfria=¿ (50 mL)(1g/mL)=50g mamb=¿ (450 mL)(1g/mL)=450g mtotal =mfria−mamb =50 g+450 g=500 g CP, H 2O =4.184 J /g∗ K Para el Caso 1: Prueba 1 (𝑇𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇): ((273.15+24.7)-(273.15+4.6)) = 20.1 °K Prueba 2 (𝑇𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇): ((273.15+25.0)-(273.15+4.5)) = 20.5 °K Prueba 3 (𝑇𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇): ((273.15+25.2)-(273.15+4.4)) = 20.8 °K Prueba 1(𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇− 𝑇𝑇𝑇): ((273.15+26.6)-(273.15+24.7)) = 1.9 °K Prueba 2(𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑇): ((273.15+27.2)-(273.15+25.0)) = 1.2 °K Prueba 3(𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑇): ((273.15+27.1)-(273.15+25.2)) = 1.9 °K CSist=

mfríaCP , H 2 O (Tfn−Tin fria)−mambCP , H 2 O (Tin sist −Tfn ) (Tin sist−Tfn )

6

(50 g)( CSist 1=

CSist 1=330.32

(50 g)( CSist 2=

CSist 2=66.56

4.184 J 4.184 J )( 20.0 K )−( 450 g)( )(1.9 K) g.K g.K (1.9 K) J K 4.184 J 4.184 J )(20.5 K )−(450 g)( )(2.2 K) g.K g.K (2.2 K )

J K

CSist 3=

4.184 J 4.184 J )(1.9 K ) )(20.8 K )−( 450 g)( g.K g. K (1.9 K )

CSist 3=407.39

J K

(50 g)(

Caso 2 Para el Caso 2 : Prueba 1 (𝑇𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇): ((273.15+24.5)-(273.15+4.0)) = 20.5 °K Prueba 2 (𝑇𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇): ((273.15+23.0)-(273.15+5.0)) = 18.0 °K Prueba 3 (𝑇𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇): ((273.15+23.0)-(273.15+5.0)) = 18.0 °K Prueba 1(𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑇): ((273.15+26.1)-(273.15+24.5)) = 1.6 °K Prueba 2(𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑇): ((273.15+24.5)-(273.15+23.0)) = 1.5 °K Prueba 3(𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑇): ((273.15+24.0)-(273.15+23.0)) = 1.0 °K CSist=

mfríaCP , H 2 O (Tfn−Tin fria)−mambCP , H 2 O (Tin sist −Tfn ) (Tin sist−Tfn )

(50 g)( CSist 1=

CSist 1=797.58

(50 g)( CSist 2=

4.184 J 4.184 J )( 20.5 K )−( 450 g)( )(1.6 K ) g.K g.K (1.6 K) J K 4.184 J 4.184 J )(1.5 K) )(18.0 K)−(450 g)( g.K g.K (1.5 K) 7

CSist 2=627.6

J K

(50 g)( CSist 3=

CSist 3=1881.9

4.184 J 4.184 J )(18.0 K )−(450 g)( )(1.0 K ) g. K g.K (1.0 K ) J K

b. Con Csist calculada previamente y el cambio de temperatura, ΔT, debido a la neutralización, sustituirlos en la ecuación (2.1) y evaluar el calor de neutralización general, Q Caso 1 ΔT = ( ( 273.15 + 28.9 ) − ( 273.15 + 27.2 )) K

= 1.7

Q=(CSist+mtotalCP , H 2O)× ΔT J )× (1.7)=¿ 4,117.94 J ( KJ ) + (500 g ) ( 4.184 g. K ) J 4.184 J Q 2=(( 66.56 ) +( 500 g ) ( )×(1.7)=3,669.55 J g .K ) K J 4.184 J Q 3=(( 407.39 ) + ( 500 g) ( )× (1.7 ) =4,248.96 J K g.K ) Q 1=( 330.32

Q prom =4,012.15 J

Caso 2 ΔT = ( ( 273.15 + 27.7 ) − ( 273.15+ 26.0 )) K

= 1.9

Q=(CSist+mtotalCP , H 2O)× ΔT

(

Q 1=( 797.58

(

)

(

)

J 4.184 J + ( 500 g) )× (1.7)=4,912.29 J g. K K

J

)) ×( 1.7 )=4,623.32 J J 4.184 J Q 3=(( 1881.9 ) + ( 500 g) ( )× (1.7 ) =6,755.63 J g.K ) K Q 2= 627.6

)

(

J 4.184 J +( 500 g ) g.K K

Q prom =5,430.41 J 8

c. Evaluar el calor específico de neutralización, q, usando la ecuación (2.4), considerando la teoría del reactivo limitante para estimar la cantidad de agua producida. Caso 1 HCl + NaOH =H 20+ NaCl Por estequiometria: moles H20 = moles HCl

q=

Q n

Dónde: n = moles de agua formados en la neutralización [=] mol

4117.94 =51474.25 J /mol 0.08 3669.55 =45,869.38 J /mol q 2= 0.08 4248.96 =53,112 J /mol q 3= 0.08 q 1=

q prom=50151.88 J

Caso 2 HCl + NaOH =H 20+ NaCl Por estequiometria: moles H20 = moles HCl

q=

Q n

Dónde: n = moles de agua formados en la neutralización [=] mol

4,912.29 =61,403.63 J /mol 0.08 4,623.32 =57,791.5 J /mol q 2= 0.08 6,755.63 =84,445.38 J /mol q 3= 0.08 q 1=

q prom=67,880.17 J 9

d. Obtener el % de desviación respecto al reportado en la bibliografía. Qrep= (−13,360) ( 4.184 )=−55,899.24 j/mol Caso 1

|

|

|% Desviación|= Qrep−Qexp x 100

|

Qexp

|

|% Desviación|= 55,889.24−50,151.88 x 100=¿ 11.43 % 50,151.88

Caso 2

|

|

|% Desviación|= Qrep−Qexp x 100

|

Qexp

|

|% Desviación|= 55,889.24− 67,880.17 x 100=17.7 % 67,880.17

DISPOSICIÓN DE RESIDUOS Los productos de la reacción de neutralización se depositarán en el Colector A

10

CONCLUSIÓN Con los valores obtenidos es posible confirmar que efectivamente la reacción de neutralización entre el hidróxido de sodio y ácido clorhídrico es una reacción exotérmica, pues tal y como se planteó en la hipótesis, la temperatura final del sistema es mayor a la inicial. Además, comparando los valores de desviación estándar entre el caso 1 y caso 2, se puede concluir que el equipo que llevó a cabo el primer caso, lo hizo con una precisión mayor con respecto al valor reportado en literatura. La razón de esto se infiere puede relacionarse con la concentración y con la temperatura. Es probable que las cantidades de agua o ácido y base variarán de la cantidad exacta por un error instrumental, o bien que la variabilidad de temperatura de agua fría influyera igualmente. Finalmente se cumplió la hipótesis, pues el valor de calor de neutralización obtenido es muy alto, ya que entre un ácido y base fuerte (electrolitos fuertes), la reacción general que ocurre es la siguiente: H+ + OH-

H2 O

Mientras que si la fuerza del ácido y/o la base fuera débil, el valor de calor de neutralización tiene que ser menor pues son electrolitos débiles, es decir que debido a las fuerzas intermoleculares entre ellos al estar disueltos en agua, se disocia en iones parcialmente, las cuales también absorben energía calorífica para la formación del ácido o la base nuevamente a partir de los iones. [5]

11

PRE-TRABAJO PRACTICA N° 2

1. Explique el concepto de calor de neutralización. Es el calor que se desprende o se libera durante una reacción de neutralización ácido-base de Brønsted-Lowry. 2. Explique los conceptos de reacción exotérmica y reacción endotérmica. Reacción exotérmica: es una reacción que libera energía calorífica Reacción endotérmica: es cuando se incorpora o se absorbe calor u otras formas de energía durante las reacciones. [3] 3. Determinar teóricamente el calor de neutralización de la siguiente reacción: H2SO4 + 2NaOH ➔ Na2SO4 + 2 H2O

Como podemos apreciar es una reacción ácido-base fuerte, en base a lo reportado en la literatura por cada mol de agua que se genere de este tipo de reacción obtendremos - 13,360 calorías, por lo tanto, sin hacer cálculos obtendremos como calor de solución en la reacción problema el doble con respecto al reportado. 4. Cuál es la diferencia entre una solución Molar y una solución Normal. La concentración de una solución Normal (N), se define como el número de equivalentes de soluto por litro de solución [4]:

mientras que una solución Molar se trabaja con moles de solución por litros. 5. Consulte en bibliografía 5 reacciones de neutralización y reporte los valores de calor de reacción en cada caso.

12

Reacciones obtenidas. [5] HNO2(ac) + H2 O(l) ⇆ NO2 -(ac) + H3 O+(ac) ΔH°rxn=[ ΔH°for (NO2 -(ac)) + ΔH°for (H3 O+(ac))] - [ ΔH°for HNO2(ac) + ΔH°for H2 O(l)] ΔH°rxn= [(-125.2) + (0) ] - [(-125.2 ) + (-285.83)] ΔH°rxn= -536.23 KJ/mol HCl(ac) + NaOH(ac) ⇆ NaCl(ac) + H2 O(l) ΔH°rxn= [ ΔH°for (NaCl(ac)) + ΔH°for ( H2 O(l))] - [ ΔH°for (HCl(ac)) + ΔH°for (NaOH(ac))] ΔH°rxn= [(-407.1) + (-285.83) ] - [ (-167.2) + (-469.6) ] ΔH°rxn= -56.13 KJ/mol HCl(g) + H2 O(l) ⇆ Cl-(ac) + H3 O+(ac) ΔH°rxn= [ ΔH°for (Cl-(ac)) + ΔH°for ( H3 O+(ac))] - [ ΔH°for (HCl(g)) + ΔH°for (H2 O(l))] ΔH°rxn= [(-167.2) + (0) ] - [ (-92.3) + (-285.83) ] ΔH°rxn= 210.93 KJ/mol CH3 COOH(ac) + NaOH(ac) ⇆ CH3 COONa(ac) + H2 O(l) ΔH°rxn= [ ΔH°for CH3 COONa(ac)) + ΔH°for ( H2 O(l))] - [ ΔH°for (CH3 COOH(ac)) + ΔH°for (NaOH(ac))] ΔH°rxn= [(-709.32) + (-469.6) ] - [ (-92.3) + (-469.6) ] ΔH°rxn= -617.02 KJ/mol HNO3(ac) + H2 O(l) ⇆ NO3 -(ac) + H3 O+(ac) ΔH°rxn=[ ΔH°for (NO3 -(ac)) + ΔH°for (H3 O+(ac))] - [ ΔH°for HNO2(ac) + ΔH°for H2 O(l)] ΔH°rxn= [(-206.6) + (0) ] - [(-206.6 ) + (-285.83)] ΔH°rxn= - 285.83 KJ/mol 6. ¿Qué consideraciones se tendrían que hacer para calcular el calor de neutralización de ácidos débiles y bases fuertes, de bases débiles y ácidos fuertes o ácidos y bases débiles? Para los ácidos débiles y bases fuertes se considera el calor de ionización del ácido débil, para bases débiles y ácidos fuertes el calor de ionización de la base débil y para ácidos y bases débiles los calores de ionización de ambos.

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REFERENCIAS [1] Chang, R., Química, McGraw-Hill Interamerican Editores, Sexta edición, U.S.A 2001, págs 599 y 657, ISBN 970-10-6111-6 [2] UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ. (2005, 2 noviembre). Recuperado 5 de marzo de 2021, de https://webcache.googleusercontent.com/search? q=cache:4Qegg7RvvXkJ:https://utperu.instructure.com/files/2700746/download %3Fdownload_frd%3D1+&cd=8&hl=es-419&ct=clnk&gl=mx [3] Ralph A. Burns, Fundamentos de Química General, Editorial Pearson, Quinta edición, México 2011, pág 26, ISBN 0-13-033719-6

[4] Soluciones. (2005). Facultad de Ciencias Médicas USAC. Recuperado 6 de marzo de 2021 de: http://medicina.usac.edu.gt/quimica/soluciones/Normalidad [5] Brown, T., LeMay, E., Bursten, B., Murphy, C., Woodward, P. Química: La Ciencia Central, Editorial Pearson, Decimosegunda edición, México 2014, págs: 118; 655; 658; 664; 714-716, ISBN: 978-607-32-2237-2

14...