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CALORIMETRÍA  I -

OBJETIVOS  Estudiar La transferencia de calor entre dos sistemas. Es decir la cantidad de calor que absorbe o libera en un sistema determinado.

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Calcular la constante de enfriamiento (α) utilizando balances de calor y relacionando el mismo con el calor que absorbe o desprende el calorímetro.

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Determinar el equivalente en agua del calorímetro (π) con ayuda ayuda de la constan constante te de enfriamiento y la ecuación de Newton.

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Aprender a realizar balances correctos de ca lor.

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Conocer el proceso de una reacción de neutralización.

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Experiment Experimentar ar el procedim procedimiento iento utiliz utilizado ado por la indust industria ria para para

el calculo calculo de calorías calorías,,

mediante el uso de la bomba bo mba calorimétrica.

 II

FUNDAMENTO TEORICO

Calorimetría, es la ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio

de calor. La calorimetría es la parte de Física dedicada a la medida de las cantidades de calor que intervienen en distintos fenómenos. Según aumente o disminuya la temperatura de un cuerpo, se dice que este ha recibido o cedido cierta cantidad de calor. La cantidad de calor recibida por un cuerpo puro es proporcional a la masa del mismo en la cual produce una variación de temperatura determinada. Calor específico, es la cantidad de calor necesaria para que la temperatura de masa de un cuerpo

 puro, diferente del agua, ascienda de t a t´, dependa de la naturaleza de ese cuerpo. De ello se deriva la definición de calor especifico numéricamente igual a la cantidad de calor necesaria para elevar un grado de la temperatura de la unidad de masa del cuerpo considerado. Se dice que la cantidad de calor que se debe proporcionar a la masa (m) de un cuerpo puro para que su temperatura varíe de t a t´ viene expresada en siguiente formula: Q = MC (t´ - t) En donde c es igual al calor especifico medio entre t y t´.

El calor, ocurre cuando dos cuerpos están a diferente temperatura, la temperatura del cuerpo mas caliente disminuye mientras que la del cuerpo frío aumenta hasta que ambas temperaturas se igualan , es decir que se establece un equilibrio térmico a este proceso se define como calor o también como energía de transito. Capacidad calorífica, energía necesaria para aumentar en un grado la temperatura de un

cuerpo. Sus unidades son J·K -1 o J·ºC-1. Si un cuerpo intercambia cierta cantidad de energía térmica Q y se produce un incremento de temperatura ΔT, la relación entre ambas magnitudes es: Q = C·ΔT donde C es la capacidad calorífica del cuerpo. Aumentar o disminuir la temperatura de un gas encerrado en un recipiente se puede realizar a volumen o a presión constante, por lo que en el caso de las sustancias gaseosas se habla de capacidad calorífica a volumen constante, Cv, y de capacidad calorífica a presión constante, C p.

Concepto de capacidad calorífica molar, que se define como la energía necesaria para

elevar en un grado la temperatura de un mol de sustancia.

Calorimetro El calorímetro el instrumento que mide la energía. El tipo de calorímetro de uso ,

más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo  para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida  por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado  bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica.

Aplicaciones del calorímetro en Química, la mayoría de las reacciones químicas se producen

con desprendimiento o absorción de calor y se dividen, respectivamente, en reacciones exotérmicas y endotérmicas, según que haya calentamiento o enfriamiento durante la reacción. El estudio de este fenómeno constituye la rama denominada Termoquímica, a la que se han dedicado trabajos muy importantes a finales del siglo XIX y a principios del XX. La Termoquímica se basa en la ley de Hess, que representa un caso particular del principio de los estados inicial y final. Según ella, la cantidad de calor que se desprende al pasar de un sistema A de sustancias a otro sistema B es independiente de la forma en que se produce el paso y de las reacciones intermedias, siempre que el estado físico de los sistemas A y B sea el mismo en todos los casos. Esta ley sólo es realmente válida cuando las transformaciones ocurren teniendo un volumen o una presión constante. Según la ley de Hess, se debe tener el mismo resultado para el calor de la formación de CO2 operando con C + O2. Si la cantidad de calor que se busca y que representa la formación de CO es x, se tendrá x = 96 – 68 = 28

Calorímetro  De Lavoisier 

Calorímetro  De Rumford 

Calorímetro Simple:

 III

PARTE EXPERIMENTAL

1.

Determinación de la Constante de Enfriamiento de un Calorímetro (   )

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En un vaso de precipitado, calentar aproximadamente 400ml de agua una tenperatura aproximada de 28 ° C.

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Esta agua se debe introducir dentro de un calorimetro (termo), equipado con una tapa y un termómetro.

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Tapar el calorimetro y tomar lecturas de temperaturas del agua en el calorimetro, en funcion del tiempo (t), durante aproximadamente 20 minutos. Las lecturas deben realizarse cada minuto.

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La (α) del calorímetro se determina a traves de : α

= 1 *ln (Tf – Ta) t

(To – Ta)

2.

Equivalente en Agua del Calorímetro (   )

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Introducir en el calorimetro 3 partes de agua fria.

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Posteriormente introducir 1 parte de agua caliente a una T proxima de 30 ¡C.

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En el momento que se realiza la mezcla, se pone a funcionar un cronometro para controlar  el tiempo en el que alcanza el equilibrio termico. La T final leida corresponde a la T final aparente (Tfa).

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El calculo de la final de la (Tfr), se realiza considerando la constante de enfriaiento determinada anteriormente. (Tfa – Ta)/ (Tfr – Ta) = e

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t

α

El balance calorífico es: - Calor cedido = Calor ganado

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El equivalente en agua del calorímetro es : π

= Mcalorimetro * Ce calorimetro

3.

Calor Específico de un Metal 

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Introducir un volumen aproximado de 200 ml de agua destilada en el calorimetro.

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Medir la temperatura inicial del agua del calorimetro.

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Pesar una porción de metal.

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Introducir el metal en un vaso de precipitado que tiene agua destilada hirviendo y dejar  que el metal alcance la T del agua caliente.

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Con una pinza sacar el metal e introducir rapidamente en el calorimetro.

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Tapar y controlar el tiempo en el que se produce el equilibrio termico. La T final leida corresponde a ala T final aparente (Tfa).

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Calcular la T final real. (Tfr).

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El balance calorífico es: Calor cedido = Calor ganado

4.

Calor de Neutralización

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Pesar un volumen determinado de una solución de hidróxido de sodio (50 o 100ml) 0,1 N y medir su temperatura.

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Pesar un volumen determinado de HCl (50 0 100ml) 0,1 N, esta solución introducirla en un calorímetro y medir su temperatura.

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Agregar al calorímetro la solución de hidróxido de Sodio y tapar.

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Tomar el tiempo en el cual la solución en el calorímetro alcanza el equilibrio térmico. Esta temperatura corresponde a la temperatura final aparente del sistema.

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A través del balance de calor correspondiente determine el calor de neutralización de la reacción desarrollada.

5.

Determinación del equivalente en agua del Calorímetro (   ).

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Se puede utilizar como muestra patrón el ácido benzoico.

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Pesar un alambre de cobre de aproximadamente 10 cm.

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Preparar la muestra en forma de pastilla, utilizando una prensa pastilladora.

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Pesar la pastilla del ácido benzoico.

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Introducir 2ml de agua destilada en la bomba calorimétrica.

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Introducir 2 litros de agua destilada en el balde, en el que se sumergirá la bomba calorimétrica.

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La cabeza de la bomba calorimétrica, poner en su soporte, para facilitar la colocación de la  pastilla con muestra.

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Sujetar la pastilla a la bomba, asegurando adecuadamente el alambre de cobre sa los soportes respectivos.

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Cerrar la bomba calorimétrica, poniendo la cabeza de la bomba en su respectiva rosca.

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Medir la temperatura inicial del agua en el calorímetro.

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Introducir oxigeno a una presión próxima a 25 atm, cerrar la válvula de la bomba.

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Introducir la bomba al interior del balde que contiene los 2 litros de agua destilada.

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Poner a funcionar el agitador del sistema y medir la temperatura inicial del agua

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Conectar el sistema a la fuente de poder, para producir loa combustión del ácido benzoico

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Medir la temperatura final del agua, luego del proceso de combustión.

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Destapar el sistema, desalojar el oxigeno de la b omba calorimetriíta.

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Pesar los residuos del alambre de cobre.

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Titular con carbonato de sodio, el liquido residual de la bomba calorimétrica utilizando un indicador.

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1) Determine el equivalente en agua del calorímetro (π).

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2) Determine el calor de combustión de una muestra orgánica (en reemplazo del ácido  benzoico) siguiendo el procedimiento anterior y considerando el equivalente en agua del calorímetro.

 IV 1.

DATOS Y CÁLCULOS 

Determinación de la Constante de Enfriamiento de un Calorímetro (   )

2.

Equivalente en Agua del Calorímetro (   )

3.

Calor Específico de un Metal 

5.

Calor de Neutralización

5.

Determinación del equivalente en agua del Calorímetro (   ).

V -

OBSERVACIONES

Y

CONCLUSIONES 

Se cumplieron nuestros objetivos, logramos determinar la constante de enfriamiento de un termo muy bueno, pero el problema resulta al medir la temperatura del ambiente, se debe dejar al termómetro alcanzar su enfriamiento primero.

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Muchas de las cosas que hacemos diariamente están relacionadas con el calor o con la  posibilidad de transferir calor de un cuerpo a otro. Por ejemplo cuando calentamos el agua  para cocinar no se relaciona con el proceso de la propagación del calor. Los temas de calorimetría fueron una gran preocupación de los científicos de los siglos XVIII y XIX. Sus investigaciones echaron luz sobre este asunto.

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Por otra parte los temas que plantea la calorimetría son muy usados en los campos de ingeniería y la construcción, etc.

VI -

BIBLIOGRAFIA

Samuel Maron y Carl Prutton (1974), Fundamentos de Fisicoquímica.  Editorial Limusa, México

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 Manuel Urquiza (1969), Experimentos de Fisicoquimica  Editorial Limusa, México. Pags: 29-30

VII CUESTIONARIO 1.

Que es la calorimetría?

 Es la ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. 2.

¿ Que es la constante de enfriamiento de un calorimetro?

 Es una medida de intercambio de calor que existe en el calorímetro y el exterior por unidad de tiempo.

3.

¿ Que es el equivalente en agua de un calorímetro?

 Es la cantidad de calor que absorbe el calorimetro, se refiere a la cantidad de agua que absorbería la misma cantidad de calor. 4.

¿Qué es un proceso endotérmico y que es uno exotérmico?

 Reacción endotérmica es una reacción química que absorbe energía. Casi todas las reacciones químicas implican la ruptura y formación de los enlaces que unen los átomos. Un proceso exotérmico es una reacción química que desprende energía. Por ejemplo, la reacción de neutralización de ácido clorhídrico con hidróxido de sodio desprende calor, y a medida que se forman los productos, cloruro de sodio (sal) y agua, la disolución se calienta. 5.

¿Qué es calor especifico?

 Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una  sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por   gramo y grado centígrado. el calor específico a presión constante es mayor que el calor  específico a volumen constante. 6.

¿Que es calor de combustión?

 Es el calor necesario para llevar a cabo una reacción de combustión. 7.

Que es calor de neutralización de acidos y bases?

 Es el calor que existe cuando se lleva a cabo una reacción de neutralización entre un acido y una base. 8.

A que se debe el calor de neutralización de un acido fuerte con una base fuerte? De un ácido debil con una base fuerte, base debil y acido fuerte y acido debil y acido debil?

Se debe a que los iones de las bases atacan a los cationes de las bases, pero todo depende de la valencia de los que forman los ácidos, una base fuerte neutraliza un acido fuerte, y reacciona a medias con uno debil, y una base debil, no puede contrarrestar a un acido fuerte pero si actua con una acido debil.