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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS-UFAM INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS-ICE DEPARTAMENTO DE QUÍMICA-DQ

DETERMINAÇÃO DO EQUIVALENTE EM ÁGUA DE UM CALORÍMETRO E DO CALOR DE REAÇÃO DE NEUTRALIZAÇÃO.

MANAUS –AM 2016

UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS-UFAM INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS-ICE DEPARTAMENTO DE QUÍMICA-DQ

DETERMINAÇÃO DO EQUIVALENTE EM ÁGUA DE UM CALORÍMETRO E DO CALOR DE REAÇÃO DE NEUTRALIZAÇÃO. 1º RELATÓRIO PARCIAL, IEQ363 FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL I

ALUNA:

XXXXXXXXXXXXXXXXXXX - 21351424

DOCENTE: Ary de Oliveira Cavalcante

Relatório das práticas realizada nos dias 2 e 6 de junho de 2016 para obtenção de nota parcial na disciplina de FísicoQuímica Experimental.

MANAUS -AM 2016

SUMÁRIO

1.INTRODUÇÃO

3

2.OBJETIVOS

5

3.PARTE EXPERIMENTAL

6

4.RESULTADOS E DISCUSSÃO

7

5.CONCLUSÃO

21

6.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

22

1.INTRODUÇÃO Equivalente em água (C) de um corpo é a massa de água que, trocando a mesma quantidade de calor que esse corpo, sofre a mesma variação de temperatura. Sendo o calor especifico da água, 1 cal/g°C a 25°C, decorre que o equivalente em água de um corpo é numericamente igual à sua capacidade térmica. Se um corpo tem capacidade térmica igual a 30 cal/°C, o seu equivalente em água é 30 g. Isso significa que o corpo, em questão, ou os 30 g de água, ao receberem a mesma quantidade de calor, sofrem a mesma variação de temperatura. O instrumento que serve para medir a quantidade de calor é o calorímetro Este é constituído por um recipiente onde se coloca água; possui uma tampa que permite fechá-lo perfeitamente; está isolado termicamente, o melhor possível, do ambiente exterior. Um termômetro, que fica sempre imerso, assinala a temperatura da água contida no calorímetro. Para medir essa quantidade de calor cedida ao calorímetro, e então determinar seu equivalente em água, o processo é simples: se junta ao aparelho uma quantidade conhecida de calor, vertendo-se, por exemplo, uma determinada massa de água a certa temperatura. Dessa maneira, é fácil calcular de que quantidade deverá aumentar essa temperatura. O aumento real, entretanto, será menor, pois o calor dissipa-se nas paredes do recipiente, do termômetro, da camada de material isolante, etc Pelo princípio da conservação de energia, o calor cedido pela água morna deve ser igual ao calor recebido pela água fria e pelo calorímetro. Para uma mistura, pode-se aplicar a seguinte equação: Equação (1) Onde m H 2 O se refere as massas de água quente(q) e fria(f),

C H 2 O é o calor específico da

água na temperatura adequada,C é o equivalente em água do calorímetro

|∆ T q|

e

|∆ T f |

são as variações de temperatura da água quente e fria (em módulo) respectivamente, e

|∆ T q|=|T equilírio−T q inicial|

e

|∆ T f |=|T equilírio −T f inicial|

.

Tendo o valor do equivalente em água. Pode-se determinar o calor da reação de neutralização.

3

O calor de reação entre um ácido e uma base é denominado calor de neutralização Em solução aquosa, os ácidos e as bases fortes encontram-se completamente dissociados, e o calor de neutralização é numericamente igual ao calor de dissociação da água com sinal contrário. Este é o caso da neutralização do ácido clorídrico em presença de hidróxido de sódio, cujas soluções podem ser descritas, segundo Arrhenius, como: HCl(aq) = Cl- (aq) + H+ (aq) (I) NaOH(aq= Na+ (aq) + OH- (aq) (I) Quando o ácido ou a base não estão completamente dissociados o calor de neutralização assume valores diferentes. No caso do ácido acético, que é um ácido fraco, parte das moléculas não se encontram dissociadas. A variações de entalpia durante reações de neutralização podem ser determinadas por simples calorimetria. Em um calorímetro isolado adiabaticamente, o calor liberado durante a neutralização, - ∆H, é igual à quantidade total de calor recebida pelos produtos da reação, Qp, e pelo calorímetro, Qc de modo que - ∆H = Qp + Qc = Q A quantidade total de calor, Q, por sua vez, pode ser medida pela elevação da temperatura do sistema durante o processo. Com isso podemos calcular a variação de entalpia do calor liberado pela mistura da base com o ácido a partir da seguinte fórmula: 300 ∆ T +C ∆ T =Q

∆ H=

Q n molesde base

cal / mol

Equação (2) Equação (3)

De 1882 a 1886, Julius Thomsen publicou dados de entalpias de neutralização de ácidos e bases, Esse pesquisador verificou que a entalpia de neutralização de um ácido forte em solução diluída era praticamente constante e igual a -57,7 kj mol -1(-13,4 kcal.mol-1), a 25ºC.

4

2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GERAL Determinar o equivalente em água de um calorímetro e o calor de neutralização de ácidos fortes e fracos. 2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO 

Verificar os erros experimentais.



Comparar os resultados obtidos nas diversas experiências

5

3.PARTE EXPERIMENTAL 

Materiais e Reagentes -Calorímetro composto por frasco de Dewar -Termômetro -Balões volumétricos de 50 e 25 ml -Béquer de 200 ml -Chapa aquecedora -Crônometro -Solução de NaOH 0,5 M -Solução de ácido acético 0,5 M -Solução de HCl 0,5 M -Solução de H2SO4 0,25 M



Procedimento Experimental Experimento 1

a) Determinação do equivalente em água do calorímetro Colocou-se no calorímetro 75 ml de água que foi medida em balão volumétrico na temperatura ambiente. Agitou-se razoavelmente, em seguida iniciou-se o registro da temperatura do sistema a cada 20 segundos até que a temperatura se mantivesse constante. Mediu-se 75 ml de água em balão volumétrico e transferiu-se essa quantidade para um béquer e colocou-se para aquecer até atingir a temperatura de 10ºC aproximadamente acima da temperatura ambiente. Adicionou-se rapidamente essa amostra de água morna no calorímetro. Agitou-se essa mistura e consequentemente anotou-se as temperaturas a cada 20 segundos, até que se mantivesse constante. b) Avaliação do erro (volume) Repetiu-se o procedimento (a) variando a quantidade de água com volume de 150ml de água na temperatura ambiente e 150 ml de água aquecida. Para cada volume fez-se o procedimento em triplicata.

6

c) Avaliação do erro (temperatura) Repetiu-se os procedimentos (a) e (b) adicionando água com cerca de 20ºC acima da temperatura ambiente, com as quantidades de água: 75 ml de água a temperatura ambiente e 50 ml de água aquecida. 150 ml de água a temperatura ambiente e 150 m de água aquecida. Experimento 2 a) Determinação do calor de neutralização usando os ácidos clorídrico e acético e a base hidróxido de sódio a 25ºC. Adicionou-se no calorímetro 150 ml de solução 0,5 M de NaOH padronizada. Agitouse moderadamente, logo iniciou-se o registro da temperatura do sistema no intervalo de 2,5 segundos até chegar a 20 segundos, em seguida, anotou-se no intervalo de 20 segundos até que a temperatura se mantivesse constante. Mediu-se 150 ml de HCl 0,5 M, com temperatura igual a da solução contida no calorímetro Adicionou-se rapidamente essa quantidade de HCl no calorímetro. Agitou-se essa mistura e consequentemente anotou-se as temperaturas no intervalo de 2,5 segundos até chegar a 20 segundos, em seguida, anotou-se no intervalo de 20 segundos até que a temperatura se mantivesse constante. b) Substituir a solução de ácido clorídrico pela de ácido acético e ácido sulfúrico Repetiu-se o procedimento (a) do experimento 2 duas vezes para cada um dos ácidos.

4.RESULTADOS E DISCUSSÃO  DETERMINAÇÃO DO EQUIVALENTE EM ÁGUA DE UM CALORÍMETRO Os valores dos equivalentes da água para os volumes de 75 ml e 150 ml, e para variação de 10ºC e 20ºC acima da temperatura ambiente foram tabelados, onde encontra-se nesse relatório. Observou-se o calor recebido pela água fria, e o calor cedido pela água quente, e consequentemente, a temperatura em equilíbrio das soluções, e utilizando-se da equação (1), encontrou-se o valor correspondente para aquele volume e temperatura. Pode-se então plotar os gráficos da variação de tempo em função das temperaturas para cada mistura.

7

Ao final, determinou-se o valor médio dos equivalentes em água no calorímetro, e seus respectivos desvios-padrões através de suas triplicatas. O tempo de observação da variação da temperatura foi de 600 s, porém percebeu-se que apartir de 320 segundos todos permaneceram constantes.  Resultado do equivalente ( C) para 75 ml de água a 10ºC acima da temperatura ambiente. Tabela 1: Variação da temperatura em função do tempo através da determinação do equivalente da água para volume de água a 75 ml. t (s) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 Desvio Padrão

Tf 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 26,0 ±0,024

Tf 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,2 27,2 27,2 27,2 27,2 27,2 27,2 27,2 ±0,051

Tf 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,1 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 ±0,047

Média 26,0 26,0 26,0 26,0 26,0 26,0 26,0 26,0 26,0 26,1 26,1 26,1 26,1 26,1 26,1 26,1 26,1 ±0,034

Tq 36,0 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 30,8 ±1,26

Tq 37,2 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,8 31,8 31,8 31,8 31,8 31,7 31,7 31,7 31,7 31,7 ±1,31

Tq 35,2 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 ±0,92

Média 36,1 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,3 31,3 31,3 31,3 31,3 31,3 31,3 31,3 31,3 31,3 ±1,16

*Temperatura fria (Tf), Temperatura quente (Tq), Tempo (t)

A partir dos dados coletados nas três medidas, calculou-se a média e obteve-se a curva tempo em função da variação da temperatura, e montou-se o gráfico (figura 1).

8 Obj ec t19

Figura 1: Variação da temperatura em função do tempo para volume de água 75ml cerca de 10ºC acima da temperatura ambiente. Pode-se analisar através das médias obtidas nesse experimento que a água fria (Tf) após ser colocada no calorímetro apresenta-se com uma temperatura média inicial de 26,0ºC, possuindo um pequeno aumento de temperatura, até a temperatura permanecer constante em 26,1ºC a partir de 180 segundos, ∆T’f= 0,1ºC. Essa aumento pode ser atribuído a temperatura interna do calorímetro que poderia não está na temperatura ambiente. Após a introdução da água quente no calorímetro com temperatura de 36,1ºC, cerca de 10ºC acima da temperatura da água fria. Observou-se um súbito aumento de temperatura da mistura, que ao decorrer do tempo vai ocorrendo um declínio, onde apresenta-se uma temperatura de equilíbrio de 31,3 ºC no tempo de 140 segundos. ∆T’q=4,8ºC Conforme o calculo teórico da (equação 1), calculou-se o equivalente da água na mistura.

−1 −1 −1 −1 75 g . (1 cal . g . °C ) .|31,3 °C−36,1 °C |=C .|31,3 ° C−26,1 ° C|+75 g . (1 cal . g . °C ) |31,3 °C−26,1 °C

C=

−1 −1 −1 −1 {[ 75 g . ( 1 cal . g . ° C ) .|31,3 °C−36,1 °C|] − [ 75 g . ( 1 cal . g . °C ) .|31,3 °C−26,1 °C|] } |31,1 ° C−26,1 ° C|

C=5,76 cal .° C

−1

 Resultado do equivalente ( C) para 150 ml de água a 10ºC acima da temperatura ambiente. Tabela 2: Variação da temperatura em função do tempo através da determinação do equivalente da água para volume de água a 150 ml. t (s) 0 20 40 60 80

Tf 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2

Tf 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2

Tf 25,5 25,5 25,7 25,7 25,7

Média 26,0 26,0 26,0 26,0 26,0

Tq

Tq

Tq

36,2

36,3

35,8

30,7

31,1

30,3

30,7

31,1

30,3

30,7 30,7

31,1 31,1

30,3 30,3

Média 36,1 30,7 30,7 30,7 30,7

9

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 Desvio Padrão

26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 ±0,00

26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,3 ±0,024

25,7 25,7 25,7 25,7 25,7 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 ±0,095

26,0 26,0 26,0 26,0 26,0 26,1 26,1 26,1 26,1 26,1 26,1 26,1 ±0,034

30,7

31,1

30,3

30,7 30,7

31,1 31,1

30,3 30,3

30,7

31,1

30,3

30,7

31,1

30,3

30,7

31,1

30,3

30,7

31,1

30,3

30,7

31,1

30,3

30,7 30,7

31,1 31,1

30,3 30,3

30,7

31,1

30,3

30,7

31,9

30,3

±1,33

±1,26

±1,33

30,7 30,7 30,7 30,7 30,7 30,7 30,7 30,7 30,7 30,7 30,7 31,0 ±1,31

*Temperatura fria (Tf), Temperatura quente (Tq), Tempo (t)

A partir dos dados coletados nas três medidas, calculou-se a média e obteve-se a curva tempo em função da variação da temperatura, e montou-se o gráfico (figura 2).

Obj ec t27

Figura 2: Variação da temperatura em função do tempo para volume de água 150ml cerca de 10ºC acima da temperatura ambiente. Pode-se analisar através das médias obtidas nesse experimento que a água fria (Tf) após ser colocada no calorímetro apresenta-se com uma temperatura média inicial de 26,0ºC, possuindo um pequeno aumento de temperatura, até a temperatura permanecer constante em 26,1ºC a partir de 200 segundos, ∆T’f= 0,1ºC. Essa aumento pode ser atribuído a temperatura interna do calorímetro que poderia não está na temperatura ambiente. Após a introdução da água quente no calorímetro com temperatura de 36,1ºC, cerca de 10ºC acima da temperatura da água fria. Observou-se um súbito aumento de temperatura 10

da mistura, que ao decorrer do tempo vai ocorrendo um declínio, onde se apresenta uma temperatura de equilíbrio de 30,7 ºC no tempo de 20 segundos. ∆T’’q=5,4ºC Conforme o calculo teórico da (equação 1), calculou-se o equivalente da água na mistura.

−1 −1 −1 −1 150 g . ( 1 cal . g . °C ).|31,0 °C−36,1 °C |=C .| 31,0 ° C−26,1 ° C|+150 g . ( 1 cal . g . °C ) |31,0 °C−26,1 °

{[ 150 g . ( 1 cal . g . ° C −1

C=

−1

) .|31,0 °C−36,1 °C |] − [ 150. (1 cal . g−1 .° C−1 ) .|31,0 °C−26,1° C|] } |31,0 °C−26,1 ° C|

C=6,12 cal. ° C−1  Resultado do equivalente ( C) para 75 ml de água a 20ºC acima da temperatura ambiente. t (s) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 Desvio Padrão

Tf 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 ±0,0

Tf 26,1 26,1 26,1 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 ±0,0

Tf 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 ±0,0

Média 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 ±0,0

Tq

Tq

Tq

47,1 36,3

46,2 35,5

46,6 35,9

36,3 36,3

35,5 35,5

35,9 35,9

36,3

35,5

35,9

36,3

35,5

35,9

36,3

35,3

35,9

36,3

35,3

35,9

36,3

35,2

35,9

36,3 36,3

35,2 35,2

35,9 35,9

36,3

35,2

35,9

36,3

35,2

35,9

36,3

35,2

35,9

36,3

35,2

35,9

36,3

35,2

35,9

36,3

35,2

35,9

±2,6

±2,6

±2,6

Média 46,6 35,9 35,9 35,9 35,9 35,9 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 ±2,6

Tabela 3: Variação da temperatura em função do tempo através da determinação do equivalente da água para volume de água a 75 ml. *Temperatura fria (Tf), Temperatura quente (Tq), Tempo (t)

A partir dos dados coletados nas três medidas, calculou-se a média e obteve-se a curva tempo em função da variação da temperatura, e montou-se o gráfico (figura 3). 11

Obj ec t35

Figura 3: Variação da temperatura em função do tempo para volume de água 75ml cerca de 20ºC acima da temperatura ambiente. Pode-se analisar através desse experimento que a água fria (Tf) após ser colocada no calorímetro não apresentou variação de temperatura mantendo-se constante em 26,6ºC. Após a introdução da água quente no calorímetro com temperatura de 46,6 ºC, cerca de 20ºC acima da temperatura da água fria. Observou-se um súbito aumento de temperatura da mistura, que ao decorrer do tempo vai ocorrendo um declínio, onde se apresenta uma temperatura de equilíbrio de 35,8 ºC no tempo de 120 segundos. ∆T’q=9,2ºC Conforme o calculo teórico da (equação 1), calculou-se o equivalente da água na mistura.

−1 −1 −1 −1 75 g . (1 cal . g . °C ) .|35,8 °C− 46,6 °C |=C .|35,8 ° C−26,6 °C |+75 g . (1 cal . g . ° C ) |35,8 ° C−26,6 °

C=

−1 −1 −1 −1 {[ 75 g .( 1 cal . g . ° C ) .|35,8 °C− 46,6 °C|]− [ 75 g . ( 1 cal . g . ° C ) .|35,8° C−26,6 °C|]} |35,8 °C−26,6 ° C|

C=13,04 cal .° C−1  Resultado do equivalente ( C) para 150 ml de água a 20ºC acima da temperatura ambiente. Tabela 4: Variação da temperatura em função do tempo através da determinação do equivalente da água para volume de água a 150 ml. t (s) 0 20

Tf 26,9 26,9

Tf 27,3 27,3

Tf 27,1 27,1

Média 27,1 27,1

Tq

Tq

Tq

46,9

46,3

47,1

36,2

36,5

36,3

Média 46,8 36,3

12

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 Desvio Padrão

26,9 26,9 26,9 26,9 26,9 26,9 26,9 26,9 26,9 26,9 26,9 26,9 26,9 26,9 26,9 ±0,0

27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 27,3 ±0,0

27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 ±0,0

27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 ±0,0

36,2

36,5

36,3

36,2

36,5

36,3

36,2

36,5

36,3

36,2

36,5

36,3

36,2

36,5

36,3

36,1 36,1

36,5 36,5

36,3 36,3

36,1

36,5

36,3

36,1

36,5

36,3

36,1

36,5

36,3

36,0

36,5

36,3

36,0

36,5

36,3

36,0 36,0

36,5 36,5

36,3 36,3

36,0

36,5

36,3

±2,62

±2,38

±2,62

36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 36,3 ±2,54

*Temperatura fria (Tf), Temperatura quente (Tq), Tempo (t)

A partir dos dados coletados na 1ª medida obteve-se a curva tempo em função da variação da temperatura, e montou-se o gráfico (figura 4).

Obj ec t43

Figura 4: Variação da temperatura em função do tempo para volume de água 150ml cerca de 20ºC acima da temperatura ambiente Pode-se analisar através desse experimento q...