Calor integral de disolución

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
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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).
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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
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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
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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
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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