4803-Operacions Bàsiques i Seguretat en Laboratori Químic
Pràctica nº 9: Introducció a la calorimetria. Determinació d'una calor de reacció Objectius específics
Adquisició del concepte de calor de reacció i de la seva mesura. Determinació de l’equivalent en aigua d’un calorímetre. Termogrames
Material
- Calorímetre:
Tassó Dewar amb tap
Termòmetre de dècimes de grau de 0 a 50ºC
- 1 tassó de precipitats de 250 ml - 1 tassó de precipitats de 500 ml - 1 pipeta de 10 ml - 1 proveta de 250 ó 100 ml - Trípode i reixeta - Pera de goma Introducció
Se denomina calor de reacció a la calor despresa o absorbida en el transcurs d'una reacció i se pot mesurar a pressió constant o a volum constant. Generalment, al laboratori, se determina la calor de reacció a pressió constant o Entalpia de reacció (∆H).
En aquesta pràctica la reacció de la qual se determinarà la seva entalpia és una de neutralització [1] és a dir la reacció d'un àcid amb una base per a donar la sal corresponent en dissolució aquosa.
H+(aq) + HO-(aq) H2O [1]
La reacció [1] és exotèrmica i la seva calor de reacció se pot determinar fàcilment amb un calorìmetre que és essencialment un recipient adiabaticament aïllat de l'exterior i que té a més a més un dispositiu que permet la mesura de la temperatura en el seu interior. En el nostre cas el calorímetre és un tassó Dewar1 al què se li ha afegit un termòmetre normal de mercuri.
Quan un àcid i una base reaccionen, la calor despresa en la reacció és absorbit pel medi (dissolució d'àcid, dissolució de base i calorímetre2), per la qual cosa es produeix un augment de la temperatura del sistema.
Si ∆t és l'increment de temperatura del sistema, llavors la calor produïda en la reacció vindrà donada per l'expressió:
1
Un tassó Dewar és un recipient de vidre amb doble paret entre les quals s'ha fet el buit (evita pèrdues de calor per conducció) i a més a més té una superfície reflectora que evita pèrdues per radiació
2
Q = mHCH∆t + mOHCOH∆t + mDCD∆t + mtCt∆t [2] on: mH = massa de l'àcid
mOH = massa de la base
CH = calor específica de la dissolució d'àcid COH = calor específica de la dissolució de base mD = massa del tassó Dewar
CD = calor específica del tassó Dewar mt = massa del termòmetre
Ct = calor específica del termòmetre
Ja que CH i COH són pràcticament iguals a la calor específica de l'aigua (Cw=1 cal/°C g), l'expressió [2] queda reduïda a:
Q = (mH + mOH)Cw∆t + ΣmiCi∆t [3]
on el terme ΣmiCi∆t engloba tota la calor absorbida per les diferents parts del calorìmetre.
La determinació del calor de reacció, Q = ∆H, se realitza mitjançant l'equació [3], mesurant experimentalment el valor de ∆t i coneixent el valor de mH, mOH i ΣmiCi∆t.
Experimental
L'àcid i la base que s’utilitzen en aquesta pràctica son l’àcid acètic i el hidròxid amònic diluïts.
Mesura de l’equivalent en aigua del calorímetre
A l’equació [3] el terme ΣmiCi es específic de cada calorímetre, por la qual cosa s’ha de determinar experimentalment en cada cas. El procediment que s’utilitza es fer equivaler aquest terme amb una massa d’aigua que per a un mateix increment de temperatura absorbeix la mateixa quantitat de calor que el calorímetre [4].
ΣmiCi = Cw EC = 1 EC [4]
EC és l’equivalent en aigua del calorímetre, i per a determinar-li experimentalment se fa un assaig amb la mateixa quantitat de líquid que s'utilitzarà després al determinar la calor de neutralització. Així que se prenen 150 ml d'aigua freda (m1) i se col·loquen en el calorímetre (amb el termòmetre), se mesura la temperatura de l'aigua en aquestes condicions (t1), se li afegeixen a continuació 100 ml d'aigua calenta (m2) aproximadament 45°C3, (t2), s'agita tota la mescla i se mesura qual és la major temperatura aconseguida pel sistema, t3.
El balanç de calor en aquest experiment [5] (calor cedida per l'aigua calenta, igual a la calor absorbida per l'aigua freda més calor absorbida pel calorímetre), permet determinar el valor d'EC, ja que en [5] totes les altres variables són conegudes.
m2(t2-t3)=m1(t3-t1)+EC(t3-t1) [5]
NOTA: Repetiu aquesta part de la pràctica 3 o 4 vegades o fins que s’obtinguin valors consistents d'EC. Per a la determinació de la calor de reacció utilitzi la mitjana aritmètica dels valors consistents d'EC.
3
No cal que la temperatura de l'aigua afegida sigui de 45º C justos però si és absolutament necessari saber quina temperatura és, per la qual cosa s’ha de determinar aquesta amb el termòmetre abans d'incorporar-la al calorímetre on està l'aigua freda
Mesura de la calor de reacció
S’agafen aproximadament 0,25 mols d'hidròxid amònic (amoníac) i es dilueixen fins a 250 ml amb aigua destil·lada. Se col·loquen al tassó Dewar. S'introdueix el termòmetre i se tanca. Se fan lectures de la temperatura cada minut i quan s'aprecien tres lectures iguals (equilibri tèrmic inicial) s'afegeixen 10 ml d'àcid acètic. A continuació se segueix mesurant la temperatura cada 10 segons mentre s'agita la mescla fins que aquesta no variï (equilibri tèrmic final)4.
Apunti a una taula els resultats dels valors de temps i temperatures mesurades i faci una representació gràfica dels mateixos (termograma)5. El valor de ∆t és la diferència entre el valor de la temperatura en l'equilibri tèrmic final i el valor de la temperatura en l'equilibri tèrmic inicial.
NOTA: Realitzi aquesta part almenys dues vegades si els valors de ∆t són semblants, si no, realitzi més experiments fins a obtenir un parell de valors consistents.
El valor de la calor de reacció vindrà donat per l'expressió [6] on el significat de cada símbol ja s'ha explicat anteriorment i maigua és la massa d'aigua destil·lada (densitat = 1 g/cm3) afegida per a diluir els 0,25 mols d'hidròxid amònic.
Q = (magua + mH + mOH+ EC)Cw∆t [6]
Si en les anteriors expressions les masses es donen en grams i les temperatures en graus centígrads, el valor de Q vindrà donat en calories. Determini el valor de l'entalpia de reacció en kcal/mol i contrasti el valor obtingut amb el que apareix en els llibres de Química General o de Química Física.
4
Ja que les masses dels reactius van a ser avaluades a partir dels volums mesurats, és absolutament necessari que aquests siguin mesurats amb proveta (o pipeta) i no amb el tassó de precipitats
5
La variació de temperatura amb el temps d'una manera contínua és la informació que obtindria si utilitzés un calorímetre comercial, més sofisticat que el que s'utilitza en aquesta pràctica
4803-Operacions Bàsiques i Seguretat en el Laboratori Químic
Pràctica nº 9: Introducció a la calorimetria. Determinació d'una calor de reacció Full de qüestions. Entregar les respostes una vegada finalitzada la pràctica.
Nom: Data:
1. Determinació de l’equivalent en aigua del calorímetre Massa d’aigua
freda, m1 (g) Temperatura del’aigua freda, t1 (ºC)
Massa d’aigua
calenta, m2 (g) Temperatura del’aigua calenta, t2 (ºC)
Temperatura final,
T3 (ºC) Equivalent enaigua del calorímetre, EC (g)
2.Termogrames de la reacció.
4. Quins dels dos reactius empleats hi és per defecte?