DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD TÉRMICA DE UN VASO CALORIMÉTRICO POR EL MÉTODO DE MEZCLA

Facultad de Ciencias Químicas Campus Coatzacoalcos – Universidad Veracruzana

Bello H. Daniel A., Valdez M. Tomás, García M. Irving S. Hernández H Constantino, Ortiz R. Leonardo, Martínez P. Ángel D.Laboratorio de Fisicoquímica – Dr. Benoit Fouconnier

INTRODUCCIÓN

En un proceso de neutralización a nivel industrial, muchas veces no tenemos datos que hacen falta para realizar nuestros balances de energía, es por esto que determinamos experimentalmente la capacidad calorífica del calorímetro, y los calores liberados en una reacción de neutralización a pequeña escala.

Nuestro objetivo es determinar el calor liberado en una reacción de neutralización en el laboratorio a una escala pequeña, para darnos una idea del cuidado que se debe de tener al manejar estos reactivos a nivel industrial, puesto que un accidente así, cuesta fallas en la seguridad y pérdida de vidas.

La importancia del proceso de neutralización es conocer la cantidad de calor liberada, la cual debe estar controlada debido a que puede ocasionar explosiones, muertes y daños en el área de trabajo.

Al mezclar una solución acuosa de ácido sulfúrico con hidróxido de sodio en condiciones estándar de temperatura y presión ocurrirá una reacción de neutralización, la cual liberará calor hacia el alrededor.

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

- Introducir una masa de 30 g de agua caliente en el calorímetro y esperar a que la temperatura se quede estable. - Mientras, preparar 50 g de agua fría en un vaso de precipitado. Se tomará la temperatura de esta agua usando un termómetro y después se vaciará en el calorímetro conteniendo el agua caliente. Esperamos hasta que alcance la temperatura de equilibrio.

Balance de energía para un proceso de neutralización (Felder)

Una solución acuosa al l0.0% por peso de HCl a 40°C se neutralizará con una solución acuosa de NaOH al 20.0% por peso a 25°C en un reactor continuo. ¿A qué velocidad en kJ/ kg de solución de H2S0 4 se debe retirar calor del reactor si la solución de producto emerge a 25 °C?

HCl (ac ,10% )+NaOH (ac ,20% )−→NaCl(ac )+H 2O(l)

Éste es un problema sencillo, pero el número de cálculos intermedios necesarios para resolverlo pueden hacer que parezca más difícil de lo que es. Resumamos lo que debe hacerse.

1. Hallar el valor de m1, m2 y m3 mediante balances de materia.2. Calcular las proporciones molares solvente-soluto de todas las soluciones. (Estas cantidades se necesitan para determinar las entalpías de solución a partir de los calores de solución tabulados.)3. Calcular las entalpías de las soluciones. (Esto requerirá de cálculos de composición adiciona les para permitir el uso de las capacidades caloríficas de solución tabuladas.)4. Escribir la ecuación de balance de energía y encontrar así la velocidad de eliminación de calor.

Observe que en realidad no hay nada nuevo, y a1 realizar los cálculos para llegar al resultado final reconoceremos que la mayoría de ellos son sólo conversiones de composiciones de la solución de fracciones másicas a proporciones molares y de nuevo a proporciones másicas-conversiones necesarias por la naturaleza de los datos disponibles para las propiedades de las soluciones.

1. Resolver para m1, m2y m3 mediante balances de materia y calcularla cantidad de agua formada. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

Balancede Cl :1gr HCl x35gr Cl36

=m2 (gr NaCl ) x 35 gCl58 gr NaCl

m2=1.6 gr NaCl

Balancede Na :0.200m1 ( gr NaOH ) x 23.0 gr Na40 gr NaOH

=1.6gr NaCl x23 .0g Na58gr NaCl

m1=8.44 gr NaOH

Balancetotal demasa=10gr+8.44 gr=1.61gr+m3−→m3=16.83 gr H 2O(l)

Masa desolución de producto :m=m2+m3=18.44 gr H 2O

Agua formadaen lareaccion :1.6gr NaCl formado x1mol58 gr

x1mol H2O(l)1mol NaCl

=0.0275mol H 2O

2. Calcularlas relaciones molares solvente soluto (necesarias para determinar los calores de solución).

HCl (ac ):(9 gr H 2O )

(18.0 grmol )=0.5molde H 2O

(1 gr HCl)

( 36 grmol

)=0.0277mol HCl

r=0 .50mol H 2O

0.0277mol HCl=18.05mol H 2O

mol HCl

NaOH (ac ) :(0.800 x 8.440 ) gr H 2O

18.0grmol

=0.3751mol H 2O

(0.200 x8.440 )gr NaOH40.0 grmol

=0.0422mol NaOH

r=0.3751mol H 2O

0.0422mol NaOH=8.88mol H 2O

mol NaOH

HCl (ac ):( 16.83gr H 2O

18grmol )=0.935mol H 2O

( 1.6 grHCl58grmol )=0.0275mol de NaCl

r=0.935mol H 2O

0.0275mol de NaCl=34mol H 2O

molde NaCl

3. Calcular el grado de avance la reacció11. Para calcular observamos que reaccionaron 0.0277 mol de HCl.

Calcular el grado de avance la reacción. Para calcular observamos que reaccionaron o.0277 mol de HCl.

ε=n¿

|vHCl|=0.0277mol

1=0.0277mol¿

4. Calcular ΔH. Este problema es engañoso debido al hecho de que al agua no sólo es el solvente de las soluciones que participan, sino que también se forma como productos de reacción. Tomaremos como referencia las soluciones de reactivos y productos a 25 °C y evaluaremos ΔH.

∆ H=ε ∆ H r+∑ nSalida H Salida−¿∑ nentradaH entrada ¿

Al efectuar cálculos de química de soluciones en conveniente tabular los productos nH en vez de n y H por separado. A continuación se muestra la tabla completa de entalpías, seguida por los cálculos que condujeron a las entradas:

Referencias : HCl (ac, r = 18.05),NaOH(ac, 8.88), NaCl(ac,r = 34) a 25 °C

Sustancia

nentradaH entrada nSalida HSalida

HCl 57.8 - nH en KJ

NaOH 0 -NaCl - 58.9

nH=m ∫20 °C

40 °C

CpdT

¿10 gr x 3.098 Jg . °C

x (40−20 ) °C x1KJ1000 J

=0.6196KJ

nH=m ∫20 °C

35 °C

CpdT

¿18.44 gr x4.184 Jg . °C

x (35−25 )° C x1KJ1000 J

=0.KJ

Los calores de formación del NaCl (l) y el NaOH (c) se dan en la tabla B.1, y los calores de solución de estas especies en la tabla B. 11. El manual de Perry, en la p. 2-193.Los calores estándar de formación de las especies que participan en la reacción.

HCl (ac, r=49)+ NaOH (ac, r=8.9) NaCl (ac) + H2O (l)

HCl (ac): ΔĤ f°=¿[(-166.84)+(-73.3)]kJ/mol HCl= -240.14 kJ/mol HCl

NaOH (ac): ΔĤ f°=¿[(-426.6) + (-41.5)] kJ/mol NaOH= -468.1 kJ/mol NaOH

NaCl (ac): ΔĤ f°=¿-407.47 kJ/mol Na2SO4

H2O (l): ΔĤ f°=¿-285.84 kJ/mol H2O

Y el calor estándar de la reacción es, en consecuencia,

ΔĤ r°=¿[(-407.47)(1)+(-285.84)(1)-(-240.14)(1)-(468.1)(1)] kJ/mol

¿ -921.27 kJ/mol

5. Balance de energía

Q=ΔH=ξΔĤ r°+∑nsalidaĤ salida−∑nentradaĤ entrada

= (0.0277mol) (-921.27 kJ/mol)+(0.7715-0.61960)kJ= -25.36 kJ/10=-2.5361kJ.

Los calores de formación de los iones pueden determinarse a partir de los calores de solución de tales sustancias y emplearse para calcular los calores de formación de soluciones diluidas de materiales muy disociados. Hougen, Watson y Ragatz8 proporcionan una buena discusión de este tema y una tabla de calores de formación de iones.

DISCUCIONES

Como trabajamos a presión constante (1atm), sabemos que el calor a presión constante es la entalpia, notamos que el signo de la variación de la entalpía es negativo, pues se está liberando calor, siendo esta una reacción exotérmica, lo cual concuerda con los resultados de la literatura, obteniendo un calor estándar de neutralización de -12KJ aproximadamente.

Trabajamos con el sistema binario HCl y NaOH en solución diluida. Los calores de neutralización pueden determinarse experimentalmente, mientras que los calores de formación pueden determinarse a través de tablas haciendo evaliando la variación de la entalpía de los productos menos la de los reactivos,

RESULTADOS

Las temperaturas son 77 °C para la caliente y 6°C para la fría, alcanzándose una temperatura de equilibrio de 34°C.

QCalorímetro + Qagua fría= Qagua caliente

Qganado = -Qperdido

C=m2CpH 2O (T 2−Teq )−m1CpH 2O (Teq−T 1)

(Teq−T 1)

Donde m1 y T1 corresponden a la más fría y m2 y T2 a la caliente.

Con Cp H2O 4.186 J/g K

C=50g ( 4.186JgK ) (6 °C−34 ° C )−(30g)( 4.186 J

gK)(34 °C−77 ° C)

(34 °C−77 ° C)

C=10.7J/°C o 2.55cal/°C

0=mCpH 2O∆T +mCpH 2O∆T+mC∆T

Para

La primera ∆T corresponde a T1-Teq y la segunda ∆T a T2-Teq

C=−¿)

Evaluando para

Tc=69°C mf=50g mc=30g

Tf=20°C

Teq=38°C

C=211.88J/°C

Para los calores de neutralización

HCl 1.12mlSe tomaron 50.3g de HCl y 27.7g de NaOH

Tc=30°CTf=27°CTeq=29°C

Temperatura del HCl= 26.5°CTemperatura del NaOh= 27°C

∆HN = (M total*CpH2O+C) ∆T

Para calcular el calor de neutralización:

HCl (ac) + NaOH (ac) → NaCl (ac) + H2O (l)

El calor de reacción ∆H puede calcularse a partir de los respectivos calores de formación a 25°C ∆H°

ΔHº f NaOH -112236kcalΔHº f HCl -40023kcalΔHº f NaCl -97302kcalΔHº f H2O 68317kcal

Según la ecuación ΔH = H final - H inicial, el calor estándar de reacción para la ecuación será:

ΔHº 25°C = [(-97,302) + (-68,317)] - [(-112,236) + (-40,023)] = -13,680 kcal

Tenemos 50.3g de HCl y 27.7g de NaOH por lo que la masa total es 78g, entonces como Q=mCp∆T, además de que el calor a presión constante que es 1 atm en este caso, será la variación de la entalpia. Tomaremos los moles de NaOH porque es el reactivo limitante.

Los moles totales son 1.379mo HCl mas 0.692mol NaOH dando de 2.071moles totales

Q=∆H=(Mtotal*Cp +C) ∆T

∆HN=(2.702mol(4.18KJ/°C)+10.7KJ/°C)(27°c-30°C)= -65.97 KJ/mol

BIBLIOGRAFÍAS

Richar M Felder, Principios elementales de los procesos químicos,3ra Edición, México, 2010.

J. M. Smith, Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química, 7ma Edición, México, 2007.

Perry, R.H., Manual del ingeniero químico. Tomo I, 7° edición, México, Mc Graw Hill