Practica 3. - Capacidad Calorífica y Entalpía de Fusión

BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS ÁREA DE FISICOQUÍMICA LICENCIATURA EN QUÍMICO FARMACOBIÓLOGO LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I

NÚMERO DE EQUIPO: 3 NOMBRE DE LOS MIEMBROS DEL EQUIPO:

PROFESOR: Dr. Mario González Perea FECHA DE REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA 22 de febrero de 2023 FECHA DE ENTREGA DEL REPORTE 1 de marzo de 2023

Práctica No. 3 TÍTULO: Capacidad calorífica y entalpía de fusión. OBJETIVO: Determinar experimentalmente la Capacidad Calorífica de un calorímetro ( calor) y la entalpía de fusión del hielo, H fh. RESUMEN En esta práctica debemos calcular la capacidad calorífica del calorímetro que se nos proporcionó, y la entalpia de fusión del hielo, lo primero que se hace es pesar el calorímetro en seco, después se le agregan los 60ml de agua se vuelve a pesar y se toma la temperatura, posteriormente se agregan 40ml de agua caliente (temperatura conocida) se vuelve a pesar y se toma la temperatura, y por último se agrega el hielo volviendo a pesar el calorímetro. INTRODUCCIÓN Para comprender mejor la practica sobre capacidad calorífica y entalpia de fisión hay que entender sus definiciones, La capacidad calorífica de un cuerpo es razón de la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo en un proceso cualquiera por su cambio de temperatura correspondiente. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar 1 K su temperatura. Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende de la cantidad de material en el objeto, por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de una cucharadita. Al ser una propiedad extensiva, la capacidad calorífica es característica de un objeto en particular, y además depende de la temperatura y posiblemente de la presión. (1) La capacidad calorífica no debe ser confundida con la capacidad calorífica específica o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo para almacenar calor y es la razón de la capacidad calorífica entre la masa del objeto. El calor específico es una propiedad característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica. (1) La entalpía de fusión o calor de fusión es la cantidad de energía necesaria para hacer que un mol de un elemento que se encuentre en su punto de fusión pase del estado sólido al líquido, a presión constante. Cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. Es una magnitud de termodinámica (H), cantidad de energía que se puede intercambiar. (2) Además, debemos tomar en cuanta al calorímetro que es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. En un caso ideal de transferencia de calor se puede hacer una simplificación: que únicamente se consideren como sustancias intervinientes a las sustancias calientes y frías entre las que se produce la transferencia de calor y no los recipientes, que se considerarían recipientes adiabáticos ideales, cuyas paredes con el exterior serían perfectos aislantes térmicos (calorímetro). (3)

HIPÓTESIS El calorímetro nos permite medir el calor cedido o recibido por uno u otro cuerpo en su interior, ya que aísla el mismo sistema de su exterior, para evitar que pierda energía, por lo que es eficiente y fácil hacer mediciones de dicha energía. Asimismo, el calorímetro tiene su propia capacidad calorífica, la cual va aparte de la del agua, y como nos dice el objetivo, debemos determinar ese valor, así como la entalpía de fusión del hielo, esta última, en la literatura, tiene un valor de 80 cal/g, por lo que se espera que la práctica nos lleve a, por lo menos, aproximarnos a dicho valor. MÉTODO EXPERIMENTAL. Determinación de la Capacidad Calorífica de un calorímetro y de la Entalpía de Fusión del hielo por Calorimetría. MATERIAL Y SUSTANCIAS MATERIAL: 1 Calorímetro (termo) 1 Probeta de 100 ml1 Parrilla 1 Termómetro. 1 Vaso de precipitados de 250 ml. 1 Balanza granataria. REACTIVOS: Agua destilada. Hielo en cubitos. DESARROLLO EXPERIMENTAL ETAPA I: DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA 1. Pese el calorímetro vacío (limpio y seco) y anote el dato (WCV). 2. Agregue al calorímetro 60 ml de agua destilada y pese inmediatamente; anote el dato (Wca). 3. Registre la temperatura del calorímetro cada uno o dos durante 10 minutos o hasta que se alcance el equilibrio térmico; anote el dato como (Ti). Agite para alcanzar más rápidamente el equilibrio térmico. 4. En un vaso de precipitados caliente 50 ml de agua destilada, anótelo la temperatura alcanzada como (Ta); de los 50 ml medir un volumen de 30 ml en la probeta, después agregue rápidamente al calorímetro y tápelo; péselo inmediatamente y anote el dato (Wfc). 5. Registre la variación de la temperatura del agua en el calorímetro cada uno o dos minutos durante10 minutos o hasta que se alcance el equilibrio térmico; anote el dato como (Tf). Agite para alcanzar más rápidamente el equilibrio térmico.

NOTA: No tire el agua del calorímetro. ETAPA II: DETERMINACIÓN DE LA ENTALPÍA DE FUSIÓN DEL HIELO 1. Verifique la temperatura del calorímetro y anótela como (Ti(ll)). 2. Agregue, lo más rápido posible, un cubo de hielo al calorímetro y tápelo. Pese el calorímetro y anótelo como (Wch). 3. Registre la variación de la temperatura del calorímetro durante 10 minutos o hasta que se alcance el equilibrio térmico; anote el dato como (T f(lll)). Agite para alcanzar más rápidamente el equilibrio térmico. DATOS EXPERIMENTALES Durante el desarrollo de la práctica, se obtuvieron los siguientes valores: TABLA 1.- Pesaje del calorímetro: Calorímetro vacío 244 g

Masa de agua fría 57.8g

TABLA 2.- Registro de cambio de temperatura en sistemas: Sistema Agua fría Agua caliente Agua fría + Agua caliente Agua fría + Agua caliente + Cubo de hielo TABLA 3.- Datos experimentales del agua: Sistema Masa (g) Ti °C Agua fría 59.4 g 22°C Agua caliente 30.5 g 46°C Hielo 19.3 g 0°C

Calorímetro con agua fría 301.8 g

Temperatura (°C) 22°C 46°C 29°C 9°C

Tf °C 29°C 29°C 9°C

Ti(K) 295.15 319.15 273.15

TABLA 4.- Registro de masas en sistemas y sustancias: Sistema o sustancia Calorímetro Calorímetro + Agua fría Calorímetro + Agua fría + Agua caliente Tabla 5.- Datos teóricos de las propiedades del agua

Capacidad calorífica del agua 1 cal/gC

Tf(k) 302.15 302.15 282.15

Masa (g) 244g 301.8 g 340.7g Entalpía de fusión 80 cal/g

CÁLCULOS Y RESULTADOS A partir de los valores anteriores podemos determinar la capacidad calorífica del calorímetro y la entalpia de fusión del hielo. 1.- Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro: Para ello usamos la formula siguiente:

ε calor =−Ca

[

masa agua caliente(∆ T caliente) +masa de agua fria ∆ T fria

Sustituimos los valores:

]

38.9 g (29℃−46 ℃) +57.8 g ] ( 1gcal ) ℃ [ (29 ℃−22 ℃)

ε calor =−

−661.3 g ℃ +57.8 g ( 1gcal ) [ ] ℃ 7℃

ε calor =−

[ −94.471 g+ 57.8 g ] ( 1gcal ℃) 1 cal cal =−( (−36.671 g )=36.671 ) g℃ ℃

ε calor =− ε calor

Por lo tanto, podemos decir que la capacidad calorífica del calorímetro es correcta, ya que, nos dio un valor positivo y no negativo. 2- Con el valor de la capacidad calorífica del calorímetro y valores de las tablas, se usa la siguiente fórmula para determinar la entalpia de fusión del hielo: (−( T eq 2−T eq 1) ( mtotal Cp+ ε ) ) −( mh Cp ( T eq 2−0 ) ) ∆ Hh= −mh

[

∆ Hh=

[

]

(

(

(

−( 9℃−29 ℃ ) 96.7 g 1

[

∆ Hh=

)

)) (

cal cal cal +36.671 − 26.1 g(1 )( 9℃−0 ) g℃ ℃ g℃ −(26.1 g)

(−(−20 ℃ ) ( 133.371cal /℃ ) )−( 234.9 cal ) −(26.1 g)

]

)

]

∆ H h =¿

Se obtuvo un valor de entalpia de fusión del hielo de 93.19

cal , y según la Universidad g

cal (4). De tal manera que se puede calcular el g porcentaje de error de la siguiente manera: |V experimental−V teorico| % de error= ( 100) V teorico |93.19 cal/ g−80 cal/ g| % de error= (100)=16.4 % 80 cal / g Entre las posibles fuentes de error, podríamos decir primeramente que las condiciones en las que nos encontrábamos ese día no son las mismas a las teóricas, como la temperatura. También posiblemente se pudo haber escapado algo de calor durante la agregación del hielo y también pudo haber sido un error en la medición adecuada del agua fría inicial, lo

de Sevilla el valor teórico es de 80

que provocaría una disminución en la masa de la misma. En nuestro caso de 60 ml de agua fría, solo obtuvimos una masa de 57.8, perdiendo 2.2 g en el transcurso, por lo que esto afecto directamente a la capacidad calorífica del calorímetro.  ¿En qué unidades se expresan las siguientes magnitudes: calor, capacidad calorífica y entalpía de fusión? Calor: J o cal Capacidad calorífica: cal/g°C o J/kgK Entalpía de fusión; cal/g o J/kg 

Investigue valores de capacidad calorífica para diferentes sustancias Tabla 6.- Capacidad calorífica de diferentes sustancias:

Sustancia Aluminio Berilio Etanol Hielo Hierro Plomo Mercurio Cloruro de Sodio Plata

Capacidad Calorífica, C (J/kg K) 910 1970 2428 2000 470 130 138 879 234

COMENTARIOS En la realización de la práctica, tuvimos algunas perdidas de calor, en el momento que retirábamos el termómetro del calorímetro, también perdidas en la cantidad de sustancia, pero el punto que debemos tener más en cuenta fue la de pérdidas de calor, al momento de realizar los cálculos el valor no correspondía a lo descrito en la teoría, pero fue por una conversión. CONCLUSIONES La pérdida calorífica fue el factor que hizo variar la entalpia de fusión experimental ya que nos dio un valor de 93.19 cal/g con un porcentaje de error de 16.4 %. La diferencia entre el valor teórico y experimental fue un tanto aceptable. Pudimos observar que la entalpia de fusión de hielo si se regía con la idea de que es la cantidad de energía necesaria para que un mol del elemento pase de estado sólido a líquido. Por último, podemos decir que el método que se llevó a cabo resulto ser algo efectico. BIBLIOGRAFÍA 1 Capacidad_calorífica. (s. f.). https://www.quimica.es/enciclopedia/Capacidad_calor %C3%ADfica.html

2 Entalpía_de_fusión. (s. f.). https://www.quimica.es/enciclopedia/Entalp %C3%ADa_de_fusi%C3%B3n.html 3 Calorímetro. (s. f.). http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/calorimetro/calorimetro.html 4 Estado final de una mezcla de hielo y vapor de agua GIA. (s. f.) Universidad de Sevilla. http://laplace.us.es/wiki/index.php/Estado_final_de_una_mezcla_de_hielo_y_vao r_de_agua_GIA