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’equivalenten aigua d’un calorímetre. Termogrames

Material

- Calorímetre:Tassó Dewar amb tapTermòmetre 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 sepot mesurar a pressió constant o a volum constant. Generalment, al laboratori, se determina la calorde reacció a pressió constant o Entalpia de reacció (∆H).

En aquesta pràctica la reacció de la qual se determinarà la seva entalpia és una deneutralització [1] és a dir la reacció d'un àcid amb una base per a donar la sal corresponent endissolució aquosa.

H+(aq) + HO-

(aq) H2O [1]

La reacció [1] és exotèrmica i la seva calor de reacció se pot determinar fàcilment amb uncalorìmetre que és essencialment un recipient adiabaticament aïllat de l'exterior i que té a més a mésun dispositiu que permet la mesura de la temperatura en el seu interior. En el nostre cas elcalorímetre 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 latemperatura del sistema.

Si ∆t és l'increment de temperatura del sistema, llavors la calor produïda en la reacció vindràdonada 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 amés a més té una superfície reflectora que evita pèrdues per radiació2 Encara que l'ideal seria que el calorímetre no absorbís calor, això és impossible en la pràctica

Q = mHCH∆t + mOHCOH∆t + mDCD∆t + mtCt∆t [2]

on: mH = massa de l'àcidmOH = massa de la baseCH = calor específica de la dissolució d'àcidCOH = calor específica de la dissolució de basemD = massa del tassó DewarCD = calor específica del tassó Dewarmt = massa del termòmetreCt = 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], mesurantexperimentalment 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 amònicdiluïts.

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 dedeterminar experimentalment en cada cas. El procediment que s’utilitza es fer equivaler aquestterme amb una massa d’aigua que per a un mateix increment de temperatura absorbeix la mateixaquantitat 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 deneutralització. Així que se prenen 150 ml d'aigua freda (m1) i se col·loquen en el calorímetre (ambel termòmetre), se mesura la temperatura de l'aigua en aquestes condicions (t1), se li afegeixen acontinuació 100 ml d'aigua calenta (m2) aproximadament 45°C3, (t2), s'agita tota la mescla i semesura 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 calorabsorbida per l'aigua freda més calor absorbida pel calorímetre), permet determinar el valor d'EC, jaque 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 consistentsd'EC. Per a la determinació de la calor de reacció utilitzi la mitjana aritmètica dels valors consistentsd'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, perla 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 reaccióS’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 fanlectures 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 segonsmentre 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 unarepresentació gràfica dels mateixos (termograma)5. El valor de ∆t és la diferència entre el valor dela 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, realitzimés 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 símbolja s'ha explicat anteriorment i maigua és la massa d'aigua destil·lada (densitat = 1 g/cm3) afegida per adiluir 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 enkcal/mol i contrasti el valor obtingut amb el que apareix en els llibres de Química General o deQuímica Física.

4 Ja que les masses dels reactius van a ser avaluades a partir dels volums mesurats, és absolutament necessari que aquests siguinmesurats amb proveta (o pipeta) i no amb el tassó de precipitats5 La variació de temperatura amb el temps d'una manera contínua és la informació que obtindria si utilitzés un calorímetrecomercial, 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’aiguafreda, m1 (g)

Temperatura del’aigua freda, t1(ºC)

Massa d’aiguacalenta, m2 (g)

Temperatura del’aigua calenta, t2(ºC)

Temperatura final,T3 (ºC)

Equivalent enaigua delcalorímetre, EC(g)

2.Termogrames de la reacció.

3. Quin valor, en calories, ha obtingut per a la calor de la reacció, Q.

4. Quins dels dos reactius empleats hi és per defecte?

5. Qual és el valor de l’entalpia (∆H) de reacció en kcal / mol?