En este experimento se medirá y comparará la cantidad de calor desarrollada en tres procesos. Los procesos c.1) y c.2) refieren a calores de disolución (procesos de este tipo ya fueron ejercitados en el problema 7), mientras que el proceso c.3) refiere a un calor de reacción, en este caso, una neutralización. En todos los casos se despreciarán los cambios de volumen en los procesos de disolución o dilución.
c.1) Disolución de NaOH(s) en agua (∆H1)
NaOH(s) + H2O →Q1 Na+(aq) + OH− (aq)
Q1: calor liberado en la disolución.
Estado inicial: NaOH sólido + 100 ml de agua Estado final: 100 ml solución de NaOH 0,25 M
c.2) Disolución de NaOH(s) en HCl(aq) (∆H2)
NaOH(s) + H+(aq) + Cl−(aq) →Q2 H2O + Na+(aq) + Cl−(aq) Q2: calor liberado en la disolución más la neutralización Estado inicial: NaOH sólido + 100 ml solución de HCl 0,25 M
Estado final: 100 ml solución de NaCl 0,25 M
c.3) Neutralización de NaOH(aq) con HCl(aq) (∆H3)
Na+(aq) + OH−(aq) + H+(aq) + Cl−(aq) →Q3 H2O + Na+(aq) + Cl−(aq) Q3: calor liberado en la neutralización
Estado inicial: 50 ml solución de NaOH 0,5 M + 50 ml solución de HCl 0,5 M (*)
Estado final: 100 ml solución de NaCl 0,25 M
(*) Notar que al mezclar igual volumen de estas 2 soluciones se produce una dilución mutua 1:2, por lo que la concentración de ambos reactivos (ácido y base) será 0,25 M. Si no se tiene en cuenta el calor involucrado en el proceso de dilución (discutir la validez de esta suposición), el estado inicial de este proceso es:
Estado inicial: 100 ml solución de NaOH 0,25 y HCl 0,25 M.
Bajo esta suposición, si se plantea el ciclo termodinámico correspondiente, se verifica:
∆H2 = ∆H1 + ∆H3 5.3.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se utilizará como calorímetro un termo de vidrio y se medirán las temperaturas con un termómetro graduado a la décima de grado. Durante todas las experiencias deberá agitarse suave y continuamente el contenido del calorímetro. Para ello se utilizará un agitador magnético.
Nota: Para evitar roturas, antes de empezar cada experiencia tome la precaución de que el buzo magnético quede ubicado del lado contrario al termómetro, y que no lo golpee al girar. Utilice una velocidad de agitación baja; esta velocidad deberá ser la misma en todos los experimentos.
Todo el material empleado (vasos de precipitados, recipientes para pesar, probeta, termómetro y calorímetro) debe estar rigurosamente limpio antes de comenzar las experiencias.
5.3.3A Determinación de la constante del calorímetro
Para realizar la determinación se emplearán dos termómetros de escalas adecuadas: uno de 0-50 °C, graduado cada 0,1 °C (que nunca debe ser expuesto a una temperatura superior a 50 °C porque se rompe) y el termómetro del cajón (0-250 °C). Para calibrar dichos termómetros se los sumerge en un vaso de precipitados con agua a temperatura ambiente. Se emplea uno de los termómetros como patrón y se adopta como corrección para el segundo termómetro la diferencia de lecturas observada entre ambos. Usar el termómetro más preciso como patrón.
Ubique el calorímetro sobre el agitador y coloque dentro el buzo magnético. Pese 50 mL de agua en un vaso de precipitados. Caliente suavemente y cuando la temperatura alcance un valor aproximado de 60 °C (controlar la temperatura con el termómetro adecuado), vuelque el agua en el calorímetro, tape y encienda el agitador (utilice el agitador a una velocidad baja, para que la agitación sea suave). Pese nuevamente el vaso de precipitados (mojado) y obtenga por diferencia la masa de agua agregada. Controle la temperatura con el termómetro de 0-250 °C y, cuando se verifique que la temperatura es de 50 °C o un par de grados menor, cambie el termómetro por el de 0-50 °C. Manteniendo siempre el calorímetro tapado mida la temperatura cada 30 segundos y grafíquela en función del tiempo (el gráfico debe tener una pendiente constante). A los 4 o 5 minutos se agregan aproximadamente 50 mL de agua a temperatura ambiente (la masa de agua agregada se determina, como antes, por diferencia de peso entre el vaso con agua y el vaso vacío - mojado- luego del agregado). Para efectuar el agregado del agua, se introduce un embudo a través de la tapa del calorímetro, en el orificio preparado para tal fin, y se vierte el líquido lo más rápidamente posible. Una vez concluido el agregado, se retira el embudo de la tapa (la ranura de goma se cierra disminuyendo la pérdida de calor). Las variaciones de temperatura deberán ser similares a las indicadas en la figura:
Importante: antes de introducir el agua a temperatura ambiente en el calorímetro se debe medir su temperatura con el termómetro de 0-250 °C, pues éste será el valor de T2 que se empleará para los cálculos; también se debe registrar el tiempo al cual se realiza el agregado, ta, ya que este valor se empleará para extrapolar en el gráfico el valor de T1. Una vez agregada el agua se sigue registrando la temperatura cada 30 segundos hasta obtener una pendiente constante. Estos datos se emplearán para obtener, por extrapolación, el valor de la temperatura final del sistema, Tf.
t / s 0 200 400 600 800 1000 T / o C 36 38 40 42 44 46 48 50 T1 Tf ta T / °C
Nota: Realice la determinación por duplicado. Antes de proseguir con la práctica realice los cálculos de la constante y consulte al docente. Tenga presente que la obtención de buenos resultados en este práctica depende en gran medida de una buena determinación de la constante del calorímetro.
5.3.3B Determinación del calor de fusión del hielo
Pese 80 mL de agua en un vaso de precipitados. Caliente hasta una temperatura aproximada de 45 °C, vuelque el agua en el calorímetro y tape. Para obtener la masa de agua proceda como en 1. Encienda el agitador; tome la temperatura cada 30 segundos y grafique temperatura vs. tiempo en forma análoga a lo realizado en la experiencia anterior. Mida por lo menos 10 puntos antes de agregar el hielo.
Antes de pesar e introducir el hielo en el calorímetro, deberá removerse (en la medida de lo posible) el agua superficial en equilibrio con el sólido. Tome para ello una porción de hielo de la granizadora sobre papel absorbente, e inmediatamente pese 25-30 g en un vaso de precipitados. Destape levemente el calorímetro, agregue el hielo, tape nuevamente y, siempre bajo agitación, registre la temperatura cada 30 segundos; ésta debe llegar a un valor prácticamente constante. Realice el gráfico correspondiente y determine ∆T. Pese el agua contenida en el calorímetro. La diferencia de masa con respecto a la masa inicial le permitirá conocer la masa de hielo agregada.