FACULTAD DE INGENIERA QUIMICA Y TEXTIL

FACULTAD DE INGENIERA QUIMICA Y TEXTIL Laboratorio N2 de Fisicoqumica I

ENTALPA DE UNA REACCIN QUMICA

1) OBJETIVOS: Determinar el calor de reaccin, entropa y energa libre de Gibbs.

2) FUNDAMENTO TERICO:La funcin termodinmica llamada representa el flujo de calor en cambios qumicos que se efectan a presin o volumen constante. La entalpa, que denotamos con el smbolo H, es igual a la energa interna ms el producto de la presin y el volumen del sistema:

H= E + PV

La entalpa es una funcin de estado porque la energa interna, la presin y el volumenson funciones de estado. Supongamos ahora que se efecta un cambio a presin constante. Entonces,H = ( E + PV)

H= E N+ PV

Es decir, el cambio de entalpa est dado por el cambio de energa interna ms el producto de la presin constante y el cambio de volumen. El trabajo de expansin de ungas est dado por w = -P V, as que podemos sustituir -w por P V en la ecuacin. Adems, por la ecuacin podemos sustituir E por q + w y obtener, para H.H = E + PV = qp + w w = qp

Podemos descomponer cualquier reaccin en reacciones de formacin tal comoHicimos aqu. Al hacerlo, obtenemos el resultado general de que el calor estndar dereaccin es la suma de los calores estndar de formacin de los productos menos loscalores estndar de formacin de los reactivos:

Hr = nHf(productos) mHf(reactivos)

2.1) Ley de Hess:

Dice que si una reaccin se efecta en una serie de pasos, H para lareaccin ser igual a la suma de los cambios de entalpa para los pasos individuales. El cambio total de entalpa para el proceso es independiente del nmero de pasos y de la naturaleza especfica del camino por el cual se lleva a cabo la reaccin. Por tanto, podemos calcular H para cualquier proceso, en tanto encontremos una ruta para la cual se conozca el H de cada paso. Esto implica que podemos usar un nmero relativamente pequeo de mediciones experimentales para calcular H de un nmero enorme de reacciones distintas.

2.2) EntropaLa entropa de un sistema guarda relacin con su desorden. El hecho de que podamos asignar un valor definido a la entropa de un sistema implica que, de algn modo, el desorden se puede cuantificar.El cambio de entropa del entorno depender de cunto calor absorba o desprenda el sistema. En un proceso isotrmico, el cambio de entropa del entorno est dado por:

S= -qsis/T

2.3) Energa libre de Gibbs:Debe haber alguna forma de usar H y S para predecir si ser espontnea una reaccin que se lleva a cabo a temperatura y presin constantes. Los medios para hacerlo fueron ideados por primera vez por J. Willard Gibbs. Propuso una nueva funcin de estado, que ahora conocemos como energa libre de Gibbs .La energa libre de Gibbs, G, de un estado se define comoG = H TSdonde T es la temperatura absoluta. En un proceso que se lleva a cabo a temperaturaconstante, el cambio de energa libre del sistema, G, est dado por la expresinG = H - TS

3) TRATAMIENTO DE DATOS:

1. Elaborar un grfico de nivel del agua vs tiempo y trazar una lnea recta a travs de las porciones inicial y final de las curvas correspondientes a estos periodos

De los datos obtenido en el laboratorio N11TABLA N1 (DATOS RECOGIDOS DEL LABORATORIO) Se pide obtener un grfico del nivel del agua vs tiempo, del cual no tenemos el 1er dato, por ello debe ser calculado. Para hallar el nivel del agua que desciende (altura h del agua que baja), utilizamos los siguientes datos, para la pipeta utilizada (obtenidas en el laboratorio)

Donde:h =Altura que desciende el aguaV = Volumen que desciende del aguaAbase = rea de la base del cilindro hueco interior de la pipeta.

Con estos datos obtenemos la nueva tabla de valores:

TABLA N2 (CON DATOS DEL NIVEL DEL AGUA)

Con esta tabla podemos ubicar los puntos del diagrama Nivel del agua vs tiempo (sombreados en la tabla) y trazar la recta ajustada respectiva, La cual es:

GRAFICA N1(PERDIDA DEL NIVEL DEL AGUA VS TIEMPO) De igual manera para el volumen vs tiempo, obtenemos una grfica similar a la anterior

GRAFICO N2 (REPRESENTA LA RELACION DE LA PRDIDA DE VOLUMEN EN LA PIPETA VS TIEMPO)2. Calcular el volumen de 1g de hielo y 1g de agua y con ellos el cambio de volumen en la fusin de 1g de hielo(use el grafico anterior)

De los datos proporcionados en la gua de laboratorioDensidad del hielo a 0C Phielo = 0,9164 g/mLDensidad del agua a 0C Pagua = 0,9999 g/mLCalor latente de fusin del hielo a 0C CL Fusion = 79,7 cal/gVolumen de hieloVhielo = 1g/(0,9164 g/mL) Vhielo = 1,091226539 mLVolumen de aguaVagua = 1g/(0,9999g/mL) Vagua = 1,00010001 mL De estos datos y la ecuacin para la densidad P = m/V , podemos deducir que para una determinada masa m de hielo, su volumen al fundirse, disminuye Entonces en el experimento realizado, la reaccin exotrmica del magnesio y el cido sulfrico, genera calor necesario para derretir el hielo en el interior del calormetro, disminuyendo gradualmente el volumen total dentro de este ltimo. En conclusin, el descenso del nivel del agua en la pipeta representa la perdida de volumen del hielo al fundirse a lo largo del tiempo.El cambio de volumen del hielo al fundirse es : V = Vhielo - Vagua = 1,091226539 mL - 1,00010001 mL V = 0,091126529 mL .(teorico)Para hallar el cambio de volumen experimental, tomamos un intervalo relativamente grande de la tabla N2, por el ejemplo los puntos [t1(min) = 7 ; V1(mL) = 0,19] y [t2(min) =26 ; V2(mL) = 0,77 ]Hallando la masa de agua que ha bajado en ese intervaloPagua = (m)/(V2-V1) Pagua = (m)/(Vagua) m = 0,9999x(0,77-0,19) m = 0,579942 gHallando el volumen de hielo, para esa misma masaPhielo =(m)/Vhielo Vhielo = 0,579942 / 0,9164 Vhielo = 0,6328481013 mLHallando la variacin de volumen V V = Vhielo - Vagua = 0,6328481013 mL (0,77-0,19) mL V = 0,0528481013 ..(Experimental)

3. Calcular el calor liberado cuando 1 mol de Mg se disuelve en el cido sulfrico(1M) (use el grfico anterior)

Como el descenso del agua representa la perdida de volumen del hielo al fundirse, entonces si tomamos un intervalo de la Tabla N2 en donde se pueda apreciar un descenso notable de volumen, debido al calor de la reaccin dada en el bulbo de vidrio, podremos compararla con la perdida de volumen que hay en la fusin de 1g de hielo.Es decir:Si para 1g de hielo La prdida de V = 1,091226539 mL - 1,00010001 mL Volumen al fundirse es V = 0,091126529 mL

Para N g de hielo La prdida de(N) . ( V) = X mL Volumen al fundirse ser: X (Perdida de volumen del hielo durante la reaccin) De la Tabla N2 tomamos los puntos [ t1(min) = 5,2 ; V1(mL) = 0,0900 ], debido a que aqu se adiciono el Magnesio al cido, y [ t2(min) = 27,4 ; V2(mL) = 0,79 ], ambos tomados del siguiente grfico:

GRAFICA N3 (LOS CIRCULOS NEGROS INDICAN, RESPECTIVAMENTE, EL COMIENZO DE LA REACCION Y EL PUNTO APROXIMADO EN DONDE EL HIELO HA ABSORVIDO TODO EL CALOR LIBERADO POR LA REACCIN Y EL DESCENSO DE AGUA ES COMO AL INICIO) De los puntos tomados de la grfica N3

X = V2 V1 = 0,79 0,09 X =0,7 mLHallando N N. V = XN . (0,091126529 mL) = 0,7 mL N = 7,681626939 g De hielo se fundieron dentro del calormetro!

Con este dato podemos hallar el calor total liberado por la reaccin exotrmica entre el magnesio y el cido sulfricoSea la cantidad de calor absorbido por el hielo para fundirseQ rxn= mhielo . CL FusionQ rxn = (7,681626939 g ) x (79,7 cal/g) Q rxn = 612, 225667 calEl cual es numricamente igual al cambio de entalpia (Hrxn) Hrxn = -612, 225667 cal

Luego para hallar el calor liberado en la reaccion de 1 mol de magnesio con cido sulfrico, plateamos la ecuacinMg(s) + H2SO4(ac) H2(g) + MgSO4(ac) Hrxn (Exotermica)(exceso) 0,005 mol - 612, 225667 cal1mol 1mol H

Obtenemos el calor liberado para la reaccin con 1 mol de magnesio

Q = H = -122445,1334 cal/mol

4. Determinar S para la reaccin exotrmicaPara la reaccin: Mg(s) + H2SO4(ac) => H2(g) + MgSO4(g)S1 S2 S3 S4Para hallar el S usaremos la suma de entropas de los productos menos la suma de entropas de los reactivos:S = (S3 + S4) - (S1 + S2)S = (130,58 + 91,54) - (148,6 + 20,1)= 53,42 J/K S= 53,42 J/KEsto nos indica que hay un aumento de entropa y esto se debe a que se forma un gas, que es el estado en el que hay ms desorden.

5. Hallar el cambio de energa libre de Gibs de la reaccin a las condiciones de trabajoA condiciones estndar:G = H TSG =2559 J (273,15 K)(53,42 J/K)G = - 12,332KJEsto nos dice que a condiciones estndar la reaccin va a ser espontanea

6. Calcular el cambio de entalpia de reaccin a la temperatura de 0C, con las ecuaciones dadas en la introduccin tericaSabemos: H (reaccin) = ni (Hf) i (productos) - nj (Hf)j (reactivos)H = (0 + (-1276,99)) (0 + (-909,3)) = -367,69 KJLa variacin de la entalpia de reaccin con la temperatura se puede calcular; utilizandoH2 = H1 + T1T2 [ niCpi (productos) - njCpj (reactivos)] dT-367,69= H1 + 293298[6,947-0,0002T + 0,48.10-6T2]H1= -367,69 + 173,675 - 1,428-0,979H1= - 540,917 KJ4) DISCUSIN DE RESULTADO:

a) Despus de la reaccin, el magnesio no se desintegra en su totalidad, esto se debe a que se encuentra en mayor cantidad que el H2SO4(ac).1M.

b) El calor liberado por la reaccin no se utiliza por completo, ya que existe una liberacin al ambiente, esto se puede corroborar con las grficas, las rectas presentes verifican la existencia de pendientes distintas el cual se deduce q la energa del sistema vara.

c) Los factores que alteran el rendimiento se encuentra como la fusin del hielo rpidamente y as no conserva por mayor tiempo la temperatura del sistema, las impurezas en el Mg(s).

5) OBSERVACIONES:

a) Existen impurezas en el hielob) Se debe meter el hielo con cuidado y tratando de llenar todo el espacio posible ya que esto influir mucho en la velocidad de descensoc) Al inicio la rapidez de descenso en el tubo es pequea(0,5 mL/s)d) Al adicionar 0.25 g de magnesio la rapidez de descenso aumenta a 2 mL/se) Pasado un tiempo ya se observa el flujo constante igual que al inicio

6) CONCLUSIONES:

a) El descenso del nivel del agua en la pipeta representa la perdida de volumen del hielo al fundirse a lo largo del tiempo.b) Debido a que el dimetro de la pipeta es muy pequeo, la altura que desciende el agua no se aleja mucho del valor del volumen que baja en la pipeta, lo cual comprobamos en la similitud que existe en las grficas Nivel del agua vs tiempo y Volumen vs tiempoc) El valor de la variacin de volumen V y H obtenido con la tabla N2 y el grafico N3, respectivamente, son menores que los obtenido tericamente, esto debido a que existen variaciones tanto dentro del calormetro(tierra, burbujas de aire, impurezas del agua de cao) y fuera de est(aire que entra, impurezas que entran, etc) que provocan error en lo clculos haciendo que el hielo se derrita menos de lo que debera.d) La reaccin se produce liberando calor (H0) debido a esto es que tenemos una reaccin espontnea. 7) BIBLIOGRAFA: 1.-Aragons, M. Fisicoqumica. Primera edicin. Editorial Limusa, Mxico1980.Pg.:142-146.2.-Brown, Theodore L. Termoqumica. Novena edicin. Editorial Mexicana. Mxico 2004. Pg.:163-174, 754-755.3.-Petrucci, Ralph H. Termoqumica. Octava edicin. Editorial Prentice Hall. Madrid 2003. Pg.: 239-243.

8) APENDICE:

Aplicaciones industriales de la entalpa de reaccin: Refrigeracin de Compresin de Vapor

El refrigerante entra al compresor como un vapor ligeramente sobrecalentado a baja presin. Sale del compresor y entra al condensador como vapor a presin ligeramente elevada; All se condensa como resultado de la transmisin de calor al agua de enfriamiento o al ambiente exterior. El refrigerante entonces sale del condensador como lquido a alta presin.La presin del lquido decrece al fluir a travs de la vlvula de expansin y, como resultado, parte del lquido inmediatamente se vuelve vapor. El lquido restante, ahora a presin baja, se evapora en el evaporador como resultado de la transmisin de calor del espacio refrigerado. Entonces, este vapor entra al compresor.

Imagen N1: figura de ciclo simple de refrigeracin de compresin de vapor

Planta Simple de Vapor:

El vapor sobrecalentado a alta presin sale de la caldera , que es un elemento del generador de vapor y entra a la turbina. El vapor se expande en la turbina y mediante esto efecta un trabajo, lo cual hace que la turbina mueva un generador elctrico. El vapor a baja presin sale de la turbina y entra al condensador, en donde el calor es transmitido del vapor (haciendo que se condense) al agua de enfriamiento.Debido a que se requieren cantidades muy grandes de agua, las plantas de fuerza estn situadas cerca de los ros o los lagos. Cuando el agua disponible es limitada, podr utilizarse una torre de enfriamiento.

Imagen N2: Figura esquemtica de diagrama de planta de vapor.