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Facultad Nacional de Ingeniería Laboratorio QMC 1206 LABORATORIO Nº10

TERMODINÁMICA

DE LAS

REACCIONES QUÍMICAS 1. RESUMEN

Esta experiencia la realizamos en base a una reacción química la cual fue entre el acido clorhídrico y el carbonato de calcio, el objetivo de esta experiencia fue principalmente medir las energías que produce la reacción como ser ΔS,ΔG,ΔH, con tres temperaturas de 16oC 45oC y 70oC Para ello realizamos

Calculamos la masa del Carbonato de Calcio y el volumen de HCl Calculamos Energía libre Por medio de la siguiente ecuación :

…1 Para hallar las concentraciones de CaCl2 y HCl, utilizamos la estequiometria de reacciones tomando como reactivo límite al CaCO3(S) y calculamos sus masas y numero de moles, medimos la altura del agua en la probeta con el objetivo de hallar la presión del gas CO2, utilizando:

Una vez calculado reemplazamos los datos em la ec. 1 y e igualamos con la relación 2 y hallamos A,B, y C que

son parámetros para cada reacción

específica y se puede determinar experimentalmente. Y obtuvimos: A=26348.3 B=-569.692 C=191.549 Y hallamos ΔG para cada temperatura

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;

;

hallamos ΔH con la ecuación de Gibbs Helmontz:

hallamos ΔS con la ecuación de Maxell:

2. INTRODUCCIÓN

REACCIONES QUÍMICAS

La evolución de los sistemas termodinámicos se desarrolla a través de las interacciones entre las partículas que los componen y entre ellas y las exteriores. Normalmente la interacción no es muy energética y los procesos de relajación a que da lugar se dice que son de tipo térmico (pudiéndose incluir aquí los cambios de fase), permaneciendo invariable la cantidad de cada especie química. Pero existen otras interacciones más energéticas que llegan a romper los enlaces químicos (reacción química), desapareciendo unos y apareciendo otros. Todavía existen reacciones más energéticas, que llegan a romper los enlaces nucleares (reacciones nucleares). Nótese que, cambiando la definición de especie química, también se pueden incluir aquí los cambios de fase, transformaciones alotrópicas, isomerización, ionización, disociación, cambios de nivel energético, etc. Los procesos reactivos son de particular importancia en combustión (motores térmicos, calderas, fuegos), en síntesis de materiales artificiales (metales, plásticos, cerámica y vidrio,tejidos artificiales, etc), y en general en toda la industria de productos químicos.

3. OBJETIVOS 

Estudiar reacciones químicas para determinar el cambio de energía libre de la reacción a temperatura y presión definidas.

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Calcular las magnitudes de ΔG, ΔH y ΔS de las reacciones utilizando las ecuaciones termodinámicas para establecer criterios de espontaneidad.

4. FUNDAMENTO TEÓRICO Criterios de Espontaneidad

+¿ ∆ S>0 ¿ −¿ ∆ G<0 ¿ el proceso espontaneo

∆ S<0 ( – ) +¿ ∆ G>0 ¿

el proceso no es

espontaneo Metodológicamente Sea

CaC O3(s )+2 H Cl( ac ) →CaC l 2(ac )+CO 2(g )+ H 2 O(l ) Primer paso.- Elegir las condiciones de trabajo T-P y la información de

∆ G y ∆ H y ∆ S de cada una de las sustancias involucradas en el proceso

químico. Segundo paso.- Calculo del cambio de la propiedad termodinámica para la condición estándar

∆ G298 =∑ V j ∙ Gf productos −∑ V i ∙G f reactantes por los resultados se debe involucrar

Tercer paso.-Escriba las dos formas de cambio de energía libre de Gibbs:

∆ G P ,T =∆ G P ,298 + RT ln K ∆ G P ,T = A+ BT +CT log T Cuarto paso.- Define la constante de equilibrio de la reacción:

K=

K=

π ∙ aV π ∙a

j

productos

Vi reactantes

aCaC l ∙ aCO ∙ a H O 2

2

2

2

aCa CO ∙ a 3

HCl

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a s=1 al =1 a( ac )=γ ∙ [ i ] Concentración Molar Coef de Act.

γ =1 para sustancias diluidas a g=Pi Por tanto:

K=

[ CaC l2 ] ∙ P C O

2

2

[ HCl ]

La medida de K, requiere de una prueba experimental. K>1  K<1

↔

K=1

5to paso.- plantear un sistema de ecuación termodinámica para determinar A, ByC

∆ G R ,298 + RT ln K= A+ BT +CT logT … … …(1) ∆ G R ,298 + RT 1 ln K 1= A+ B T 1 +C T 1 logT 1 … … .. ( 2 ) Sexto Paso.- Calcular

∆G,∆ H y ∆S

de la reacción a las temperaturas

estudiadas o

∆ G R= A+ BT +CT logT o R ,T

∆S

∂ ∆ GoR =− ∂T

(

)

P

Relación Maxwell

∆ GoR=∆ H oR−T ∆ SoR

( ) ( ) ∂

∆ GoR T ∂T

= P

−∆ H oR T

2

Séptimo paso.- Emitir criterio de espontaneidad

Gibbs- Helmolthz

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5. PROCEDIMIENTO

EXPERIMENTAL

5.1.1.MATERIALES Y REACTIVOS

MATERIALES

REACTIVOS

Manguera y tapón de

Agua oxigenada H2O2 Agua destilada Sol. KI

goma Un termómetro Un soporte universal 4 Vasos de plástico Matraz aforado Balón Volumétrico Balanza Bureta

5.1.2.MONTAJE DEL EXPERIMENTO

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Dispóngase del equipo que se muestra en la figura 

 



  

Armamos el equipo como se muestra en el esquema colocando agua a la probeta y al vaso, la probeta debe estar boca abajo, aun no colocar la manguera. Calculamos la masa de CaCO3(S ) y el volumen de -HCl (ac que necesitaremos para la reacción haciendo uso de la estequeometria de reacciones. Una vez calculada la cantidad, colocamos al matraz HCl (ac con la pipeta y CaCO3(S) lo tapamos y conectamos la manguera como se muestra en el esquema. El gas desprendido de la reacción que es el CO2 empujará al agua, una vez que el sistema quede en equilibrio, se mide la altura del agua con un fluxómetro, y el volumen de CO2 que indica la probeta, para hallar la presión de CO2 Luego quitamos el sistema de equilibrio y medimos el volumen final contenido en el matraz con la pipeta, éste volumen contendrá CaCl2 y H2O. Realizar los anteriores pasos para 3 temperaturas, una a temperatura ambiente, otra a 45ºc y la otra a 70ºc. Para temperaturas altas se debe calentar el agua en un recipiente, antes de colocar a la bureta y al vaso.

6. DATOS

Y RESULTADOS

DATOS OBTENIDOS Tenemos la siguiente reacción:

A partir de una masa de 0,32g obtenemos que el reactivo límite, que se consume totalmente es el CaCO3(S) y el HCl (ac es el reactivo en exceso porque:

Entonces la masa inicial es 0,32[g] del CaCO3(S) y el volumen de HCl debemos colocar se obtiene a partir de:

(ac

En la siguiente tabla mostramos los datos de masa, volumen, altura, V de solución a tres temperaturas: 16ºC= 298,15ºK ; 45ºC =318,15ºK ; 70ºC=343,15ºK

que

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TEMP ºK 289,15 318,15 343,15

M CACO3(S) [G]

H (MM]

0,32 0,32

V HCL (AC (L) 0,0064 0,0064

148 143

0,11 0,12

0,00645 0,0065

0,33

0,0060

113

0,14

0,00645

PARA DETERMINAR

VGAS (L)

VSOL (L)

ΔGRº Utilizamos la siguiente ecuación:

…………….1

Hallando K:

Calculando a temperatura ambiente de 16ºC : [CaCl 2 ] Calculamos la masa para hallar n:

Calculamos n para hallar

Calculando Pco2

Calculando [HCl ]

[CaCl2 ]:

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Calculamos k:

Calculando a temperatura de 45ºC : [CaCl 2 ]

Calculando Pco2

Calculando [HCl ]

Calculamos k:

Calculando a temperatura de 70ºC : [CaCl2 ] Calculamos la masa para hallar n:

Facultad Nacional de Ingeniería Laboratorio QMC 1206 Calculamos n para hallar

[CaCl2 ]:

Calculando Pco2

Calculando [HCl ]

Calculamos k: UTILIZAMOS LA ECUACIÓN 1 PARA REEMPLAZAR DATOS A LAS 3 TEMPERATURAS Y HALLAMOS A,B,C

Temp 16ºc

Temp 45ºc

Temp 70ºc

Facultad Nacional de Ingeniería Laboratorio QMC 1206 RESOLVIENDO A=26348.3 B=-569.692 C=191.549 Temp 16ºc

Temp 45ºc

Temp 70ºc

PARA DETERMINAR

ΔHRº :

Utilizamos la ecuación de Gibbs Helmontz:

Temp 16ºc

Temp 45ºc

Temp 70ºc PARA DETERMINAR

ΔSRº:

Utilizamos la ecuación de Maxell:

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Temp 16ºc

Temp 45ºc

Temp 70ºc CALCULANDO TEORICAMENTE: Aplicamos:

nos guiamos con la siguiente tabla: H2O(L)

CO2 (G)

CACL2 (AC)

HCL

285,83 0 237,17 8 69,95

393,51

-796

-92,31

-1206,9

394,36

-747,68

-95,299

-1128,8

213,677

104,6

186,786

93

Calculamos En condiciones normales:

(AC)

CACO3

(S)

Facultad Nacional de Ingeniería Laboratorio QMC 1206 Calculamos

Calculamos

7. CONCLUSIONES Y/O

RECOMENDACIONES

Determinamos la reacción química del carbonato de calcio y el ácido clorhídrico, calculando su ΔH, ΔS, Y ΔG a distintas temperaturas y presiones, por ende obtuvimos resultados que nos muestran claramente que la reacción fue químicamente factible

[

Ya que desprende calor , con un ordenamiento de moles y con mucho desgaste o disminución de energía por transformación a trabajo químico

8. CUESTIONARIO

1. Expongase el significado de los términos “espontaneo y equilibrio” usados en termodinámica. El término espontáneo, se refiere a la posibilidad de que se de un suceso o más específicamente una reacción química en determinadas condiciones tales como presión y temperatura, mide la factibilidad de un proceso a determinadas condiciones.

Facultad Nacional de Ingeniería Laboratorio QMC 1206 Por otro lado, el término equilibrio implica aquel punto en la reacción química en que se puede decir que reactantes están en equilibrio mutuo con productos, por lo que se tienen valores de 0 para las diferencias de entropía y energía libre. 2. Constrúyase una tabla de ΔH y ΔS incluyendo las cuatro posibilidades asociadas a los dos posibles signos de ΔH y ΔS. Explíquese el signo resultante de ΔG y el carácter espontaneo del proceso. H

+

-

S

G

Resultado

+

No espontáneo a baja temperatura

-

Espontáneo a alta temperatura

+

No espontáneo a alta temperatura

+

Espontáneo a baja temperatura

+

-

+

No espontáneo a cualquier temperatura

-

+

-

Espontáneo a cualquier temperatura

3. A 300 ºK un mol de una sustancia es sometido a un aumento isotérmico de presión desde 100 KP hasta 1000KP. Calcúlese G para cada sustancia desde el inciso i) hasta iv) y comparese los valores numéricos: (V es el volumen molar para cada sustancia) i) Gas ideal ii) Agua liquida V=18 cm3/mol iii) Cobre, V=7.1 cm3/mol iv) Cloruro de sodio, V=27 cm3/mol

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4. Usando la forma de la ecuación de Van der Waals, establézcase una expresión para ΔG si un mol de gas se comprime isotérmicamente desde 1.0 atm hasta una presión P mayor de una atmosfera.

5. Calcular el ΔG para el proceso siguiente: C2H5OH (l, 78.3ºC, 1 atm)=C2H5OH (g, 783ºC, 0.2 atm) La temperatura de ebullición del etanol liquido bajo la presión normal de 1.0 atm es de 78.3ºC.

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9. BIBLIOGRAFÍA 

Castellan Gilbert W., “Fisicoquímica”, Segunda Edición en Español,



Impresa en México, 1974,1987. M.Sc. Ing. Mario Huanca Ibañez, “Experimentos en laboratorio de

 

fisicoquímica”, Año 2010, Editorial QMC-FNI. www.wikipedia.com www.monografias.com