práctico 10 - Departamento Estrella Campos

Química General II
Curso de laboratorio
Práctico 10
Página: 1/6
DEPARTAMENTO
“ESTRELLA CAMPOS”
PRÁCTICO 10:
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DE UNA
MUESTRA METÁLICA
Bibliografía:
“Química, La Ciencia Central”, T.L.Brown, H.E.LeMay, Jr., B. Bursten. Ed. Prentice-Hall,
Hispanoamérica, México, 7a Edición, 1998, págs. 145-153, 156-162.
1. OBJETIVOS
1.1. Determinar el calor desprendido por una muestra de una sustancia metálica, cuando
ésta sufre un proceso de enfriamiento.
1.2. Determinar la capacidad calorífica de la muestra y el calor específico y la capacidad
calorífica molar del metal.
2. CONCEPTOS PREVIOS
El calor desprendido o absorbido por las reacciones químicas o los procesos físicos
(cambios de fase, procesos de disolución, dilución, calentamiento, etc.) puede ser
determinado mediante una técnica denominada calorimetría. En la presente clase, se utiliza
dicha técnica para medir el calor desprendido por una muestra de una sustancia metálica,
cuando ésta sufre un proceso de enfriamiento.
Se hará uso de algunas definiciones que conviene recordar. La capacidad calorífica de un
cuerpo, C, es la cantidad de calor que se le debe suministrar para aumentar su temperatura
en un grado (centígrado, oC, ó Kelvin, K).
C = q / ∆T
Por ejemplo, que la capacidad calorífica de determinado cuerpo sea 2000 cal/grado
significa que para aumentar su temperatura en 1 grado debe suministrársele 2000 cal.
Para sustancias puras se definen dos magnitudes relacionadas: la capacidad calorífica molar
(capacidad calorífica por mol de sustancia) y el calor específico (capacidad calorífica por
gramo de sustancia).
Química General II
Curso de laboratorio
Práctico: 10
Página: 2/6
Capacidad calorífica molar, Cp, es la cantidad de calor que hay que suministrar a un mol de
sustancia para elevar su temperatura en un grado (cuando el calentamiento se realiza a
presión constante, condición que origina el subíndice “p”). Por lo tanto:
Cp = q / n ∆T
ó
Cp = C / n
donde n es el número de moles de sustancia cuya capacidad calorífica es C.
Calor específico, Ce, es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de
sustancia para elevar su temperatura en un grado. En consecuencia:
Ce = q / m ∆T ó
Ce = C / m
donde m es la masa de sustancia cuya capacidad calorífica es C.
Es importante observar que Cp y Ce son propiedades intensivas: no dependen de la cantidad
de sustancia. En cambio C es una propiedad extensiva, depende de la masa de sustancia (es
proporcional a ella). Así por ejemplo, en una tabla o manual podemos encontrar el valor del
calor específico del agua líquida ( = 1 cal / grado gramo) o de su capacidad calorífica molar
( = 18 cal / grado mol). Ambas son propiedades, características, del agua líquida. Sin
embargo, la pregunta “¿Cuál es la capacidad calorífica del agua líquida?”, no tiene
respuesta. Para contestarla, es necesario saber además de qué cantidad de agua líquida se
está hablando. Así por ejemplo, la capacidad calorífica de 5 moles de agua líquida es 18 x 5
cal / grado y la de 10 moles es 18 x 10 cal / grado.
En el experimento que se realiza en esta clase, se determina la capacidad calorífica de una
muestra de un metal. Para ello se coloca la muestra a una cierta temperatura (que es el
sistema en estudio), por ejemplo a 100 oC, en un recipiente aislado que contiene una cierta
cantidad de agua a otra temperatura, por ejemplo, 25 oC. El recipiente, el agua que contiene,
el termómetro que se utiliza para la medida de la temperatura y la varilla empleada para
agitar, constituyen un dispositivo llamado calorímetro y que es el ambiente con el cual el
sistema intercambia calor.
Al ponerse en contacto el sistema con el ambiente, la temperatura del primero disminuirá
mientras que la del segundo aumentará, hasta alcanzar ambos la misma temperatura, por
ejemplo, 30 oC. El sistema ha cedido energía (en la forma de calor) al ambiente. De acuerdo
al Primer Principio de la Termodinámica, la energía que perdió el sistema (ya que su
temperatura disminuyó), debe ser igual a la energía que ganó el ambiente (cuya temperatura
aumentó). Por lo tanto:
Ccalorímetro ∆Tcalorímetro = - Cmuestra ∆Tmuestra
Química General II
Curso de laboratorio
Práctico: 10
Página: 3/6
Sustituyendo por los valores de temperatura señalados más arriba se tiene:
Ccalorímetro ( 30 – 25 ) = - Cmuestra ( 30 – 100 )
(1)
Esta ecuación permite calcular Cmuestra , siempre que se conozca Ccalorímetro. De lo contrario
se tendrían dos incógnitas y una única ecuación que las relaciona. Es por ello que se debe
realizar otro
experimento independiente a fin de determinar Ccalorímetro. Este procedimiento se denomina
“calibración” del calorímetro.
Para ello se utiliza una cantidad medida de una sustancia de capacidad calorífica molar (o
calor específico) conocida; en el presente experimento se utiliza cobre (Cp = 5,97 cal / mol
grado, Ce = 0,0939 cal / g grado). Se pone en contacto, por ejemplo, 70 g de cobre a 100 oC,
con el agua contenida en el calorímetro, la que tiene, por ejemplo, una temperatura inicial
(antes de la mezcla) de 25 oC. La temperatura alcanza entonces un valor comprendido entre
25 y 100 oC, por ejemplo, 40 oC. En ese caso se tiene:
Ccalorímetro ( 40 – 25 ) = - 70 x 0,0939 ( 40 – 100 )
(2)
Con la ecuación (2), se calcula el valor de Ccalorímetro. Con la ecuación (1), en la que se ha
sustituído el valor recién calculado de Ccalorímetro , se calcula Cmuestra.
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
3.1. Construcción del calorímetro
Colocar en un vaso de espuma-plast 70 mL de agua e introducir un termómetro de manera
que quede suspendido a unos 2 o 3 cm del fondo. Agitar con una varilla el contenido del
vaso y medir la temperatura. Anotar ese valor (T1).
Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro
Colocar en tubo de ensayo entre 70 y 80 g de cobre (anotar la masa) y tapar el mismo con
un poco de algodón. Tanto el tubo como la muestra deben estar secos, ya que la presencia
de humedad es una fuente de error en la determinación. Calentar a ebullición un volumen
de agua suficiente para cubrir al cobre, contenido en el tubo de ensayo, durante todo el
tiempo de calentamiento. Mantener el tubo sumergido en el baño a ebullición durante 15
min. Anotar la temperatura del baño (T2 ). Retirar el tubo del baño, secarlo por fuera,
destaparlo y, rápida pero cuidadosamente, verter la muestra de cobre en el vaso de espumaplast. Agitar con la varilla y anotar la temperatura más alta alcanzada (T3.).
Química General II
Curso de laboratorio
Práctico: 10
Página:4/6
3.2 Determinación de la capacidad calorífica de la muestra metálica
Colocar en tubo de ensayo entre 70 y 80 g de una muestra metálica (anotar la masa) y tapar
el mismo. Tanto el tubo como la muestra deben estar secos, ya que la presencia de humedad
es una fuente de error en la determinación. Calentar a ebullición un volumen de agua
suficiente para cubrir la muestra metálica, contenida en el tubo de ensayo, durante todo el
tiempo de calentamiento. Mantener el tubo sumergido en el baño a ebullición durante 15
min. Anotar la temperatura del baño (T4). Retirar el tubo del baño, secarlo por fuera,
destaparlo y, rápida pero cuidadosamente, verter la muestra metálica en el vaso de espumaplast. Agitar con la varilla y anotar la temperatura más alta alcanzada (T5.)
Nota: Luego de finalizada la experiencia, no descarte las muestras metálicas. Séquelas
con papel de filtro, colóquelas en un vidrio de reloj e introdúzcalas en la estufa.
Química General II
Curso de laboratorio
Práctico: 10
Página:5/6
INFORME
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DE UNA MUESTRA
METÁLICA
FECHA:
GRUPO:
INTEGRANTES:
DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS
Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro
•
Anote los valores medidos
T1 (oC)
•
Masa de cobre (g)
T2 (oC)
T3 (oC)
Calcule Ccalorímetro
Determinación de la capacidad calorífica de la muestra metálica
•
Anote los valores medidos
T1 (oC)
•
Calcule Cmuestra
Masa de metal (g)
T4 (oC)
T5 (oC)
Química General II
Curso de laboratorio
Práctico:10
Página: 6/6
Determinación de la capacidad calorífica molar y el calor específico del metal
•
Calcule Ce del metal
• Si la muestra metálica hubiera estado húmeda, se habría determinado un valor erróneo
de Ce. ¿Sería éste mayor o menor que el verdadero valor?. Justifique su respuesta.
• Utilizando los valores de Ce de la siguiente tabla, indique cuál podría ser el metal en
estudio.
Metal
Ce (cal / g oC)
Peso atómico
•
Mg
0,249
24,305
Al
0,216
26,982
Una vez identificado el metal, calcule Cp.
Zn
0,0938
65,38
Sb
0,049
121,75
Pb
0,031
207,2