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Departamento de Ingeniería Química 2024 - II
CALORIMETRÍA A PRESIÓN CONSTANTE
Química Avanzada
Informe de Laboratorio N°
Nombre del laboratorio: IQ 1002 Horario: 2. Miembros del grupo: Puente Alvarez, Damaris Abigail ……………………………Código: 202410255 Ccoyo MeZa, Flor……………..………………………………Código: 202410297 Rios Blas, Anghelo…………………………………………....Código: 202410746 Fecha:
1. Indicaciones generales para el acceso al laboratorio.
I)Objetivos:
General: ● "Estudiar los principios fundamentales de la termodinámica con un enfoque específico en el análisis de la calorimetría, destacando sus leyes y las fórmulas derivadas a través de aplicaciones experimentales, incluyendo la estandarización de soluciones y disoluciones." Específicos: ● "Comprender la teoría de la medición de calor en un sistema aislado (calorímetro), obteniendo los datos necesarios a partir de diversas reacciones químicas." ● "Determinar el calor de reacción y calcular la capacidad calorífica de las reacciones químicas realizadas en el laboratorio." ● "Manipular correctamente cada sustancia proporcionada, siguiendo las normas de seguridad y los procedimientos establecidos para cada etapa del experimento, utilizando el equipo de protección personal (EPP) adecuado."
II) Recursos empleados:
● Balanza ● Termómetro ● Termocupla ● Calorímetro ● Probeta 100 mL ● Vasos de precipitados dos de (100 mL y 400 mL) ● Espátula pequeña
Departamento de Ingeniería Química 2024 - II ● Bagueta ● Recipiente para agua caliente o puede ser un vaso de 600 mL ● Luna de reloj
III) Reactivos:
● Ácido nítrico (HNO3 1.2 M) ● Ácido clorhídrico (HCl 1.2M) ● Hidróxido de sodio (NaOH 1.2M) ● Magnesio metálico ● Agua destilada
IV) EPPS Empleados:
● Bata de laboratorio ● Guantes
V) MSDS de los Reactivos
HNO
NFPA:
Identificacion quimica: Acido nitrico Identificación de peligros: Clasificación: Corrosivo(C), oxidante fuerte. pictograma de peligro: Indicaciones: Provoca quemaduras graves en piel y ojos, además de ser peligroso por inhalación. Medidas de lucha contra incendios: Medios de extinción: No inflamables. Usar medios adecuados para el entorno del incendio (CO₂, espuma, polvo seco). Productos peligrosos de combustión: Libera óxidos de nitrógeno tóxicos y gases corrosivos al descomponerse. Estabilidad y reactividad: Reactividad: Altamente reactivo, especialmente con materiales orgánicos y metales. Estabilidad: Estable bajo condiciones normales, pero puede descomponerse liberando gases tóxicos en altas temperaturas.
Departamento de Ingeniería Química 2024 - II H2O Identificaciòn quìmica:Agua Identificación de peligros: Clasificación: Generalmente no se clasifica como peligrosa según normativas de seguridad. Pictogramas de peligro : No aplicable. Indicaciones de peligro : No se considera peligrosa para la salud ni inflamable bajo condiciones normales de uso. Sin embargo, el agua puede presentar peligros en ciertas situaciones (por ejemplo, ahogamiento, electrocución o al mezclarse con sustancias químicas reactivas). Medidas de lucha contra incendios: Medios de extinción: El agua misma es utilizada como medio de extinción de incendios para muchos tipos de materiales. Se usa generalmente en incendios de tipo A (materiales combustibles comunes como papel, madera). Productos peligrosos de combustión: El agua no se quema ni produce productos peligrosos de combustión. En algunas circunstancias extremas, puede descomponerse en hidrógeno y oxígeno (por ejemplo, en contacto con ciertos metales como el sodio, potasio o magnesio), lo que podría generar una atmósfera explosiva. Estabilidad y reactividad: Reactividad: El agua es estable y no reactiva bajo condiciones normales. Sin embargo, puede reaccionar con algunas sustancias químicas peligrosas: ● Metales alcalinos (sodio, potasio): Reacción violenta, produciendo hidrógeno inflamable. ● Ácidos fuertes (ácido sulfúrico concentrado): Puede generar calor extremo. Estabilidad: Estable bajo condiciones normales de temperatura y presión.
Departamento de Ingeniería Química 2024 - II Mg NFPA: Identificación química: Magnesio Identificación de peligros: Clasificación: Inflamable sólido. Pictogramas de peligro: Indicaciones: Puede causar incendios si se expone a fuentes de ignición o al calor excesivo. Medidas de luchas contra incendios: Medios de extinción: Utilizar polvo seco específico para metales, arena o agentes inertes. No usar agua ni extintores de CO₂, ya que el magnesio en contacto con agua genera hidrógeno, que puede explotar. Productos peligrosos de combustión: Emite óxidos de magnesio, que pueden ser tóxicos si se inhalan. Estabilidad y reactividad: Reactividad: Reacciona con agua, ácidos y algunos halógenos, liberando hidrógeno inflamable. Estabilidad: Estable bajo condiciones normales, pero puede reaccionar en presencia de humedad o ácidos.
Departamento de Ingeniería Química 2024 - II Experimento N°2: Determinación del calor de reacción del Mg con HCl (oxidación)
Departamento de Ingeniería Química 2024 - II Experimento N°3: Determinación del calor de neutralización usando NaOH Y HCl
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3. Cálculos y resultados Experimento 1: Determinaiòn de la capacidad calorífica del calorímetro. Datos obtenidos
𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜
𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜
Donde sabemos que Q liberado es proporcionado por el agua caliente y el Q
absorbido es por el Calorímetro y el Agua Ambiente, por lo tanto:
𝑄𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 = 𝑚𝐻2𝑂−𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 × 𝐶𝑒.𝐻2𝑂 × ∆𝑇 1
𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜
𝐻2𝑂−𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
× 𝐶
𝑒. 𝐻2𝑂
× ∆𝑇
2
𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
× ∆𝑇
3
Operando datos obtenidos:
1
2
3
𝐻2𝑂−𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝐻2𝑂−𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑒. 𝐻2𝑂
𝐽 𝑔°𝐶
Reemplazamos los datos en la ecuación:
50 × 4. 184 ×− 26. 90 =− [50 × 4. 184 × 18. 70 + 𝐶
𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
× 17. 60]
Masa(g) Temp. Inicial (°C) Temp. de la mezcla (°C) Calorímetro 248.74 18.60 36. Agua Ambiente 50.00 17.50 36. Agua Caliente 50.00 63.10 36.
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𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑎−𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝐽 °𝐶 Experimento 2: Determinación del calor de reacción del Mg con HCl (oxidación) Tiempo (s) T (°C) 10 19. 20 19. 30 19. 40 21. 50 22. 60 24. 70 25. 80 25. 90 25. 100 25. 110 25. 120 25.
0.16𝑔
24.30𝑔/𝑚𝑜𝑙 =^ 6. 58^ × 10
−
𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐻𝐶𝑙: 1. 2𝑚𝑜𝑙/𝐿 × 0. 1𝐿 = 120 × 10
−
𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑎−𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝐽 °𝐶
𝐶𝑒. 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 = 4. 184 (Se asume un comportamiento igual al agua, ya que su
𝐽 𝑔°𝐶 contenido tiene un alto porcentaje de agua). Realizamos los cálculos del calor de reacción ∆𝐻𝑟𝑥𝑛 =− [𝑄𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 + 𝑄𝑆𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛]
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𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝑂𝐻: 1. 2𝑚𝑜𝑙/𝐿 × 0. 05𝐿 = 0. 06 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝑂𝐻
𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐻𝐶𝑙: 1. 2𝑚𝑜𝑙/𝐿 × 0. 05𝐿 = 0. 06 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐻𝐶𝑙
𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑎−𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝐽 °𝐶
𝐶 (Se asume un comportamiento igual al agua, ya que su
𝑒. 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛
𝐽 𝑔°𝐶 contenido tiene un alto porcentaje de agua). Calor de la reacción: ∆𝐻𝑟𝑥𝑛 =− [𝑄𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 + 𝑄𝑆𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛] ∆𝐻𝑟𝑥𝑛 =− [𝐶𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑎−𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 × ∆𝑇 + 𝑚𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 × 𝐶𝑒. 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 × ∆𝑇] ∆𝐻 𝑟𝑥𝑛
=− [97. 47 × 6. 70 + 100 × 4. 184 × 6. 70]
Reacción : Moles de agua: Como la relación entre NaOH y HCl es de 1:1, la reacción formará 0. moles de H2O. Entalpía Molar de neutralización: ∆𝐻𝑟𝑥𝑛(𝑛) = ∆𝐻𝑟𝑥𝑛 𝑛 ∆𝐻 𝑟𝑥𝑛(𝑛)
110 26. 120 25.
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Departamento de Ingeniería Química 2024 - II Moles de agua: Como la relación entre NaOH y HNO3 es de 1:1, la reacción formará 0.06 moles de H2O. Entalpía Molar de neutralización: ∆𝐻 𝑟𝑥𝑛(𝑛)
∆𝐻𝑟𝑥𝑛 𝑛 ∆𝐻𝑟𝑥𝑛(𝑛) = −3,404.74𝐽 0.06 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂 ∆𝐻 𝑟𝑥𝑛(𝑛)
4. Discusión de resultados. Experiencia N°1 : Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro. En esta experiencia, se aplicó el principio de conservación de la energía, donde el calor liberado por el agua caliente es igual al calor absorbido por el agua ambiente y el calorímetro, según la ecuación de (Chang,2010, pág.279) : El calor intercambiado se calcula con la fórmula, derivada de (Chang,2010, pág.278): ● m es la masa ● Ce es la capacidad calorífica específica, ● ΔT es el cambio de temperatura. El calor liberado por el agua caliente se calculó usando esta fórmula, y se igualó a la suma del calor absorbido por el agua a temperatura ambiente y el calorímetro, que se expresar de la siguiente manera:
Departamento de Ingeniería Química 2024 - II Utilizando los datos experimentales y aplicando las ecuaciones mencionadas, se obtuvo que la capacidad calorífica del calorímetro es 97.47 J/°C. Este resultado se obtuvo al igualar el calor liberado por el agua caliente con la suma de los calores absorbidos por el agua a temperatura ambiente y el calorímetro, y luego despejar la capacidad calorífica del calorímetro de la ecuación. Experiencia N°2 : Determinación del calor de reacción del Mg con HCl En esta experiencia se determinó el calor de neutralización de la reacción entre magnesio (Mg) y ácido clorhídrico (HCl). Para ello, se midió el cambio de temperatura de la solución durante la reacción, comenzando con una temperatura inicial de 18.40°C y alcanzando una temperatura final de 25.60°C, lo que representa un aumento de 7.20°C. Se asumió que la capacidad calorífica específica de la solución es similar a la del agua (4.184 J/g°C) debido a su alto contenido de agua. Además, se utilizó la capacidad calorífica del calorímetro, previamente determinada como 97.47 J/°C. El calor liberado por la reacción se calculó utilizando la fórmula, derivada de (Chang,2010, pág.279): donde el calor absorbido por el calorímetro y la solución se calculó sumando el producto de la capacidad calorífica del calorímetro y el cambio de temperatura, y el producto de la masa de la solución (100 g), su capacidad calorífica específica y el cambio de temperatura. El resultado fue un calor liberado de -3,719.08 J. Finalmente, para obtener la entalpía molar de la reacción, se dividió el calor total liberado entre el número de moles de magnesio (0.00658 moles), ya que este es el reactivo limitante en la reacción con HCl. Esto dio como resultado una entalpía molar de -565,103.49 J/mol , lo que representa el calor liberado por cada mol de magnesio en la reacción. Experiencia N°3 : Determinación del calor de neutralización usando NaOH y HCl En esta experiencia se determinó el calor de neutralización de la reacción entre hidróxido de sodio (NaOH) y ácido clorhídrico (HCl). Se mezclaron 0.06 moles de NaOH con 0.06 moles de HCl, ambos en solución acuosa. Se registraron los cambios de
Departamento de Ingeniería Química 2024 - II 1:1). La entalpía molar de neutralización obtenida fue de -56.75 kJ/mol , lo que indica el calor liberado por mol de agua formado en la reacción.
5. Conclusiones: ● A lo largo de los experimentos, se empleó el calorímetro como un sistema aislado, lo que permitió obtener los datos necesarios para calcular con precisión el intercambio de calor en diversas reacciones químicas. La capacidad calorífica del calorímetro, determinada en 97.47 J/°C, demuestra su eficiencia para absorber el calor generado o liberado durante las reacciones. Esto facilitó la comprensión y aplicación de la teoría del intercambio de calor en un sistema cerrado, validando que el calor liberado o absorbido por el sistema químico se transfiera completamente al calorímetro, sin pérdidas significativas hacia el entorno. Este resultado refuerza la confiabilidad del método experimental, confirmando la precisión de las mediciones en sistemas aislados para el estudio de los cambios térmicos en las reacciones. ● Se determinó el calor de reacción del Mg con HCl, obteniendo un valor de -3,719.08J y -565,103.49 J/mol, confirmando que la reacción es altamente exotérmica. Asimismo, las reacciones de neutralización entre NaOH y HCl ( -3,456.33 J y -57.60 kJ/mol ) y entre NaOH y HNO3 ( -3,404.74 J y -56. kJ/mol ) fueron también exotérmicas, con valores de calor de neutralización similares, lo cual confirma la liberación de energía durantes la neutralización de ácido fuertes con bases fuertes. Además, el hecho de que se lograron estos cálculos precisos de los calores de reacción indica que la fórmula empleada para medir el calor en el calorímetro a presión constante fueron correctamente aplicadas, lo que demuestra la validez y efectividad del enfoque experimental utilizado. Petrucci et al. (2011) señalaron que "la cantidad de energía liberada durante la neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte es aproximadamente -57.1 kJ/mol" (p. 345). Esto nos demuestra que nuestros cálculos de la energía de neutralización molar son correctos, siendo esta la energía necesaria para la formación de mol de agua. ● A lo largo de los cuatro experimentos, se siguieron estrictamente las normas de seguridad, usando el equipo de protección personal(EPP) adecuado y manipulando con cuidado sustancias peligrosas como el ácido clorhídrico( HCl), ácido nítrico (HNO3) y el hidróxido de sodio (NaOH). Esto garantizo que las operaciones se llevarán a cabo de manera segura, minimizando los riesgos asociados a las manipulación de reactivos corrosivos y peligrosos, y permitió obtener resultados precisos y confiables sin comprometer la seguridad de los participantes o del equipo experimental.
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6. Cuestionario: 1) Defina lo siguiente: a) Calorímetro: Un dispositivo utilizado para medir la cantidad de calor involucrado en un proceso, como una reacción química o un cambio de estado. Un calorímetro está diseñado para ser un sistema aislado, minimizando la pérdida de calor al entorno, lo que permite obtener mediciones precisas de los intercambios de energía b) Capacidad calorífica: La capacidad calorífica de un cuerpo es la cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura de todo el objeto en 1°C o 1 K. Este valor depende tanto de la masa del objeto como de la naturaleza del material que lo compone. La capacidad calorífica se expresa en unidades de Joules por grado Celsius (J/°C) o Joules por Kelvin (J/K) c) Calor específico: El calor específico es una propiedad intrínseca de cada sustancia, que define cuánta energía térmica (calor) es necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de dicha sustancia en 1°C o 1 K. Se expresa en Joules por gramo por grado Celsius (J/g·°C) o J/g·K. d) Calor de neutralización: Es la cantidad de calor liberado o absorbido durante una reacción de neutralización entre un ácido y una base. En general, cuando un ácido fuerte reacciona con una base fuerte, se libera una cantidad significativa de calor, lo que convierte a la reacción en exotérmica 2) Investigar cuál es el calor específico del agua y hierro. Agua: El calor específico del agua es 4.184 J/g·°C. Hierro: El calor específico del hierro es aproximadamente 0.444 J/g·°C Referencia : Chang, R., & Goldsby, K. A. (2014). Química (11ª ed.). McGraw-Hill. Pág. 247, Tabla 6.2. 3) Determinar la cantidad de energía necesaria para que 18 gramos de agua suba su temperatura de 24°C a 26°C.
Q = m ⋅ c ⋅ Δ T
● m=18g
