Fico 1

Laboratorio de Fisicoquímica I

Calor Integral y Diferencial de Solución

CALOR INTEGRAL Y DIFERENCIAL DE SOLUCIÓN OBJETIVO ƒ

Determinar el calor integral y los calores diferenciales de las soluciones de H2SO4 y NH4NO3 como fundones de concentración

FUNDAMENTO TEÓRICO CALOR INTEGRAL Y DIFERENCIAL DE SOLUCIÓN CALOR DIFERENCIAL DE DISOLUCIÓN.

Cuando se disuelve 1 mol de soluto, el calor absorbido o liberado no es una cantidad constante, sino que varía con la concentración de la disolución. El calor absorbido o liberado por mol de soluto en cualquier instante del proceso de disolución se denomina calor diferencial de disoluciónEl proceso de disolución de una sustancia suele ir acompañado de una absorción o desprendimiento de calor que, referido a un mol de sustancia. Sin embargo, esta magnitud no es constante sino que depende de la cantidad de disolvente y, por lo tanto, de la concentración de la disolución. Al disolver gradualmente una masa de sustancia en una cantidad de disolvente dada, la composición de la disolución varía desde la del disolvente puro hasta la de la disolución final. La expresión: ∂ (ΔH ) ∂n

p ,T

Se conoce como “Calor diferencial de disolución”. CALOR INTEGRAL DE DISOLUCIÓN.

Se define como la variación de entalpía que se produce al disolver una determinada cantidad de soluto en cierta cantidad de disolvente. La variación total de calor, por mol de soluto, cuando la disolución se ha completado, es el calor integral de disolución. El calor integral de disolución varía con el número de moles de disolvente en los que se ha disuelto el soluto. Cuando el soluto se disuelve en una cantidad de disolución tan grande que cualquier dilución adicional no da lugar a ninguna variación de calor, se emplea el subíndice (aq) en la ecuación

Laboratorio de Fisicoquímica I

Calor Integral y Diferencial de Solución

termoquímica. El efecto térmico tan frecuentemente observado al mezclar ácido sulfúrico con una gran cantidad de agua puede representarse por la ecuación Se denomina calor integral de solución al cambio de entalpía, cuando 1 mol de soluto se mezcla con una cantidad fija de solvente puro. Entonces el calor integral de solución esta relacionado con la cantidad de solvente o corresponde a una concentración determinada. Sin embargo, es más interesante conocer la cantidad de calor absorbida o desprendida por mol de sustancia en el proceso completo, es decir, cuando se disuelve toda la sustancia en la cantidad de disolvente elegida .A la cantidad de calor generada en estas condiciones y viene dado por: ∂ (ΔH ) } p ,T dT ∂n 0 n

ΔH = {∫

Se debe diferenciar el calor integral de solución de calor integral de dilución (este ultimo es la variación de entalpía se solución cuando 1 mol de soluto se diluye con el mismo solvente puro de una concentración a otra y es igual a la diferencia de calore integrales de cada una de las concentraciones). En el limite cuando la fracción molar del solvente tiende a 1 se tiene el calor integral del soluto a dilución infinita ( Δ H αint ) y es igual al calor absorbido por el sistema cuando un mol de soluto se disuelve en una cantidad infinita de solvente a T y P constantes. Experimentalmente se observa que la entalpía integral de solución Δ H int , depende de T, P n1 y n 2 ( para una mezcla de dos componentes: un soluto y el solvente ); esto es:

Δ H int = Δ H int ( T, P, n1 , n 2 ) La diferencia total de (1) es: d Δ H int =

⎛ ∂ΔH int ⎛ ∂ΔH int ⎞ ⎛ ∂ΔH int ⎞ ⎜ ⎟dt + ⎜ ⎟dP + ⎜⎜ ⎝ ∂T ⎠ ⎝ ∂P ⎠ ⎝ ∂n1

Para un proceso a T y P constantes:

⎞ ⎛ ∂ΔH int ⎟⎟ dn1 + ⎜⎜ ⎠ T , P ,n21 ⎝ ∂n 2

⎞ ⎟⎟ dn 2 ⎠ T , P ,n1

Laboratorio de Fisicoquímica I ⎛ ∂ΔH int ⎜⎜ ⎝ ∂n1

d Δ H int =

Calor Integral y Diferencial de Solución ⎞ ⎛ ∂ΔH int ⎟⎟ dn1 + ⎜⎜ ⎠ T , P ,n21 ⎝ ∂n 2

d Δ H int =

⎞ ⎟⎟ dn 2 ⎠ T , P ,n1

ΔH 1 dn1 + ΔH 2 dn 2

Donde: ⎛ ∂ΔH int ΔH 1 = ⎜⎜ ⎝ ∂n1

⎛ ∂ΔH int ΔH 2 = ⎜⎜ ⎝ ∂n2

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎞ ⎟⎟ ⎠

En la termodinámica se demuestra que la ecuación es equivalente a:

ΔH int = ΔH 1 n1 + ΔH 2 n2 ΔH 1 y

ΔH 2 son los calores diferenciales o las entalpías molares parciales de

solución del soluto y solvente respectivamente y son funciones de T, P y al composición de la solución. El calor diferencial de solución implica una situación en la que se mide el incremento de entalpía cuando un mol de solvente o de soluto se disuelve en un volumen tan grande de solución que no se aprecia cambio apreciable en la concentración de esta. Una curva característica que representa la variación del calor integral de 1 mol de soluto (n2= 1 = cte.) en solvente (n1).

Laboratorio de Fisicoquímica I PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL MATERIALES

ƒ

Probeta

ƒ

Calorímetro

ƒ

Sensor de temperatura

ƒ

Cronometro

REACTIVOS

ƒ

Agua destilada

ƒ

Solución de H2SO4 al 98%

ƒ

Solución de NH4NO3 al 99 %

ƒ

Solución de NH4NO3 10N

Calor Integral y Diferencial de Solución

Laboratorio de Fisicoquímica I

Calor Integral y Diferencial de Solución

PROCEDIMIENTO a) Disponer del termo 150 ml de agua destilada a temperatura ambiente b) Luego agregar una cantidad determinada de soluto H2SO4 concentrado, dejar que establezca el equilibrio por 4 minutos. Anotar la temperatura c) Repetir el experimento con la misma cantidad de soluto hasta el volumen indicado en tabla d) Realizar la misma operación para el soluto NH4NO3 99% y para el NH4NO3 10N Para el H2SO4 concentrado:

N° 1 2 3 4 5 6 7

V (ml) 2 4 6 8 10 12 14

T(°C) 26.60 28.83 33.15 36.02 39.82 46.86 50.25

H2SO4 ΔT(°C) Tiempo (m) 3.62 4 5.85 8 10.17 12 13.04 16 16.84 20 23.88 24 27.27 28

n1 = solvente 8.31 8.30 8.29 8.28 8.27 8.24 8.23

n2 = soluto 0.0368 0.0736 0.1104 0.1472 0.1840 0.2280 0.2576

n1/n2 225.8152 112.771 75.090 56.250 45.950 36.140 32.950

NH4NO3 al 99 % Tiempo (m) n1 = solvente 4 8.31 8 8.3167 12 8.3169 16 8.3171 20 8.3173 24 8.3174 28 8.3176

n2 = soluto 0.06423 0.12845 0.19268 0.256905 0.32113 0.38536 0.44958

n1/n2 129.3788 64.7465 43.16431 32.37422 25.9001 21.58345 18.50082

Para el NH4NO3 al 99 %:

N° 1 2 3 4 5 6 7

V (ml) 3 6 9 12 15 18 21

T(°C) 21.10 20.90 20.80 20.70 20.60 20.50 20.40

ΔT(°C) -1.88 -2.08 -2.18 -2.28 -2.38 -2.48 -2.58

Laboratorio de Fisicoquímica I

Calor Integral y Diferencial de Solución

Para el NH4NO3 10N:

N° 1 2 3 4 5 6

V (ml) 2 4 6 8 10 12

T(°C) 21.10 20.80 20.40 20.00 19.60 19.20

NH4NO3 10N ΔT(°C) Tiempo (m) n1 -1.88 2 -2.18 4 -2.58 6 -2.98 8 -3.38 10 -3.78 12

= solvente 8.31 8.3169 8.3176 8.3183 8.3191 8.3198

n2 = soluto 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

n1/n2 415.500 207.9225 138.6267 103.979 83.1900 69.332

Laboratorio de Fisicoquímica I

Calor Integral y Diferencial de Solución

CÁLCULOS I.

Para cada ensayo, elaborar un grafico de T vs. t y determinar ΔT Para el H2SO4: GRAFICO DE T (°C) VS. t (seg.)

Para hallar los ΔT, tenemos que hacer lo siguiente: T(°C) 26.60 28.83 33.15 36.02 39.82 46.86 50.25

ΔT(°C) 3.62 5.85 10.17 13.04 16.84 23.88 27.27

Tiempo (m) 4 8 12 16 20 24 28

Laboratorio de Fisicoquímica I

Calor Integral y Diferencial de Solución

Para el NH4NO3 al 99%:

Grafico T (ºC) vs. t(seg.) 21.2 21 T (ºC)

20.8 20.6 20.4 20.2 20 4

8

12

16

20

24

t (seg.)

Para hallar los ΔT, tenemos que hacer lo siguiente: T(°C) 21.10 20.90 20.80 20.70 20.60 20.50 20.40

ΔT(°C) -1.88 -2.08 -2.18 -2.28 -2.38 -2.48 -2.58

Tiempo (m) 4 8 12 16 20 24 28

28

Laboratorio de Fisicoquímica I

Calor Integral y Diferencial de Solución

Para el NH4NO3 al 10N:

Gráfico T(ºC) vs. t(seg.) 21.5 21 T (ºC)

20.5 20 19.5 19 18.5 18 2

4

6

8

10

t (seg.)

Para hallar los ΔT, tenemos que hacer lo siguiente: T(°C) 21.1 20.8 20.4 20.0 19.6 19.2 II.

ΔT(°C) -1.88 -2.18 -2.58 -2.98 -3.38 -3.78

Tiempo (m) 2 4 6 8 10 12

Calcular ΔHint para cada ensayo con la ecuación: Q = ΔHint = (C + (m sol H 2 SO4 * Cp H 2 SO4 )) * ΔT Donde: C: Capacidad calorífica del termo más accesorio

Ctermo = 22.26980064 Cal / °C ≈ 592.7564 J / º K

12

Laboratorio de Fisicoquímica I •

Calor Integral y Diferencial de Solución

Para H2SO4:

ΔHint = (C + (m sol H 2 SO4 * Cp H 2 SO4 )) * ΔT ΔHint = (592.7564 J /º K + (0.0368 mol H 2 SO4 * −293 J / mol )) * 3.62º K Entonces:

ΔHint = 2.1067 KJ Para ser más breves elaboramos una tabla en donde es la siguiente: ΔT(°C) 3.62 5.85 10.17 13.04 16.84 23.88 27.27

•

n1 = solvente 8.31 8.30 8.29 8.28 8.27 8.24 8.23

n2 = soluto 0.0368 0.0736 0.1104 0.1472 0.1840 0.2280 0.2576

ΔHint (KJ ) 2.1067 3.3415 5.6944 7.3077 9.2557 12.5597 14.106

Para el NH4NO3 al 99 %:

ΔHint = (C + (m sol NH 4 NO3 * Cp NH 4 NO3 )) * ΔT ΔHint = (592.7564 J /º K + (0.06423 mol NH 4 NO3 * −0.048512 J / mol )) * 3.62º K Entonces:

ΔHint = −1.1144 KJ Para ser más breves elaboramos una tabla en donde es la siguiente: ΔT(°C) -1.88 -2.08 -2.18 -2.28 -2.38 -2.48 -2.58

•

n1 = solvente 8.31 8.3167 8.3169 8.3171 8.3173 8.3174 8.3176

n2 = soluto 0.06423 0.12845 0.19268 0.256905 0.32113 0.38536 0.44958

ΔHint (KJ ) -1.1144 -1.23295 -1.29223 -1.3515 -1.4108 -1.4701 -1.52936

Para el NH4NO3 10N:

ΔHint = (C + (m sol NH 4 NO3 * Cp NH 4 NO3 )) * ΔT ΔHint = (592.7564 J /º K + (0.02 mol NH 4 NO3 * −0.048512 J / mol − º K )) * (−1.88 º K ) Entonces:

ΔHint = −1.1144 KJ

Laboratorio de Fisicoquímica I

Calor Integral y Diferencial de Solución

Para ser más breves elaboramos una tabla en donde es la siguiente: ΔT(°C) -1.88 -2.18 -2.58 -2.98 -3.38 -3.78

ΔHint (KJ ) -1.1144 -1.2922 -1.5293 -1.7664 -2.0035 -2.2408

n2 = soluto 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

Elaborara la grafica de ΔHint vs. n1/n2 (n1 = moles de agua, n2 = moles de H2SO4) Para el H2SO4:

ΔHint (KJ ) 2.1067 3.3415 5.6944 7.3077 9.2557 12.5597 14.106

n1/n2 225.8152 112.771 75.090 56.250 45.950 36.140 32.950

Gráfico de n1/n2 vs. Hint 15 10 Hint

III.

n1 = solvente 8.31 8.3169 8.3176 8.3183 8.3191 8.3198

5 0 0

50

100

150

n1/n2

200

250

Laboratorio de Fisicoquímica I

Elaborara la grafica de ΔHint vs. n1/n2 (n1 = moles de agua, n2 = moles de NH4NO3)

• Al 99% ΔHint (KJ ) -1.1144 -1.23295 -1.29223 -1.3515 -1.4108 -1.4701 -1.52936

n1/n2 129.3788 64.7465 43.16431 32.37422 25.9001 21.58345 18.50082

Gráfico n1/n2 vs. Hint 0.00 -0.20 0

20

40

60

80

-0.40 -0.60 Hint

IV.

Calor Integral y Diferencial de Solución

-0.80 -1.00 -1.20 -1.40 -1.60 -1.80 n1 /n2

100

120

140

Laboratorio de Fisicoquímica I Al 10N

ΔHint (KJ ) -1.1144 -1.2922 -1.5293 -1.7664 -2.0035 -2.2408

n1/n2 415.500 207.9225 138.6267 103.979 83.1900 69.332

Gráfico n1/n2 vs. Hint 0 0

100

200

300

-0.5

Hint

•

Calor Integral y Diferencial de Solución

-1 -1.5 -2 -2.5

n1/n2

400

500

Laboratorio de Fisicoquímica I

Calor Integral y Diferencial de Solución

CONCLUSIONES

•

La finalidad de trabajar a diferentes temperaturas es la de obtener una gráfica que nos represente los valores de delta de H en función de el cociente entre las moles de agua y los ácidos fuertes.

•

Nos dimos cuenta que, mientras gastamos un mayor volumen de ácido fuerte la temperatura de la mezcla aumenta, comprobado así la relación directa entre estas dos magnitudes.

•

Para calcular el Δ H, debemos sumar lo calores del agua mas el ácido fuerte, además de sumar el Q del termo calculado en el experimento anterior.

•

Concluimos que las reacciones entre agua y ácidos fuertes son exotérmicas, debido a que los valores de Δ H obtenidos para cada temperatura en todo momento fueron negativos.

•

Las moles de agua y de ácido fuerte guardan una relación directa, ya que para cada temperatura registrada, los valores de las moles de agua y ácido fuerte aumentan simultáneamente.

RECOMENDACIONES

•

Se recomienda registrar los valores de temperatura con el sensor electrónico y no con el termómetro manual, para de ésta manera, obtener una mejor precisión.

•

Mantener la precisión de la probeta mientras se llena con ácido fuerte, para evitar gastos inapropiados y contaminaciones q perjudiquen el ambiente y/o la salud de los alumnos.

Laboratorio de Fisicoquímica I

Calor Integral y Diferencial de Solución

BIBLIOGRAFIA

4a

•

LEVINE, IRA N. “Fisicoquímica” Interamericana de España, 1996.

•

MARON Y PRUTTON, Fundamentos de Fisicoquímica, editorial Limuza, Décima quinta reimpresión.

•

PONZ MUZZO GASTON “Tratado de Química Física” 2da edición 2000.

edición,

editorial

McGraw-Hill