Universidad Nacional Autnoma de MxicoFacultad de Estudios Superiores Zaragoza

Nombres: Ramos Espinoza JessMiranda Cabaas Roberto Jess

Materia: Laboratorio de ciencias bsicas IIProfesor: No Castillo Grupo: 1263Carera: Qumico Frmaco BilogoSemestre: Segundo

Trabajo:Determinacin de la constante de un calormetro por mtodo del cido sulfrico El presente trabajo determina la constante de un calormetro elaborado con un recipiente de termo recubierto con una capa de yeso como aislante utilizando el mtodo de cido sulfrico para esto. Previo a la determinacin de la constante calorimtrica se valor la concentracin del cido sulfrico para saber la verdadera concentracin de dicho cido, determinada esta concentracin se comprob la elevacin de la temperatura en el interior del sistema aislado de adicionar un volumen de cido conocido en un intervalo de tiempo midiendo la elevacin de la temperatura. Con esto valores fue posible determinar la constante calorimtrica.Palabras clave: calormetro, constante, Pickering, titulacin

Hiptesis: Adicionando un volumen de cido sulfrico con concentracin conocida a un calormetro fabricado con materiales aislantes es posible determinar la constante calorimtrica utilizando el mtodo de cido sulfrico empleado por Pickering, demostrando de esta forma la cantidad de energa absorbida por el sistema utilizado. Variables:Independiente: Volumen de cido aadido. Dependiente: incremento de temperatura. Constantes: volumen de agua en el calormetro, tiempo.Marco terico: El calormetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos, es decir sirve para determinar el calor especifico de un cuerpo, as como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos, consiste en un recipiente con paredes entre los cuales se ha practicado un cierto grado de vaco que disminuye la perdida de calor por conduccin y conveccin. La pared interna se encuentra recubierta por una superficie que evita la perdida de calor por radiacin. El calor que se desprenda cuando ocurra la reaccin partira de la disolucin y se ceder al interior del recinto sin prdidas energticas al exterior que podr ser medidoEs un sistema aislado, de tal manera que no permite intercambio de calor con el medio ambiente.

Los datos del cuadro XVII, que son calculados partiendo del trabajo de pickering indican en la columna 3 el calor que se libera cuando se aade cido sulfrico concentrado (98.5%) a 100 mL, de agua, para dar una solucin de la normalidad indicada en la columna 2.los otros datos muestran que el equivalente en agua puede tomarse, en todos los casos, como igual a 100g. con un error no mayor de aproximadamente 1%. El calor, cuando se representa en funcin de la normalidad en el intervalo considerado, da una lnea exactamente recta, y, en consecuencia, se halla fcilmente, por interpolacin, el calor correspondiente a la normalidad en un experimento en particular. Calor.- Energa que se manifiesta por un aumento de temperatura y procede de la transformacin de otras energas; es originada por los movimientos vibratorios de los tomos y las molculas que forman los cuerposCalor especifico.-Cantidad de calor que por kilogramo necesita un cuerpo para que su temperatura se eleve en un grado centgradoCapacidad calorfica. Es el cociente entre la cantidad deenerga calorfica transferidaa un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimentaAislante.- Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderan a igualarse en temperatura, impidiendo que el calor traspase los separadores del sistema que interesa.Calibracin.- Es el proceso de comparar los valores obtenidos por uninstrumento de medicincon la medida correspondiente de un patrn de referenciaConstante.- Que no se interrumpe y persiste en el estado en que se encuentra, sin variar su intensidad

Conduccin.- es un proceso detransmisin de calorbasado en el contacto directo entre loscuerpos, sin intercambio demateria, por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperaturaa otro de menor temperatura que est en contacto con el primero.Conveccin.- La conveccin se produce nicamente por medio de materiales, la evaporacin del agua ofluidos. Lo que se llama conveccin en s, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluidoRadiacin.- Consiste en la propagacin deenergaen forma deondas electromagnticasopartculas subatmicasa travs del vaco o de un medio material.Frmula para determinar la constante del calormetroCon los datos realizados en la experimentacin se sustituyen los valores y se determina la constante, esto al partir de la siguiente formula donde a su vez se separa en tres partes para su determinacin sobre los datos del cido calormetro y agua, y despejamos CK para as poder hacer la determinacin.

Despejando CKcido Calormetro Agua

Clculos estequiometricos para las titulaciones de H2SO4 y estandarizacin de NaOHLa titulacin de cido sulfrico con hidrxido de sodio es una reaccin de neutralizacin completa e irreversible al tratarse de un cido y una base fuertes, por lo tanto la reaccin es completa.H2SO4 (ac) + 2NaOH (ac) Na2SO4(s) + 2H2O (L)Siendo as, la cantidad de reactivo de cido sulfrico depender de la cantidad de hidrxido de sodio y viceversa. Por lo tanto se consideraran las propiedades de pureza y densidad del cido sulfrico, esto por ser ms difcil de manipular al encontrase diluido con una pureza de 96-98 % y densidad de 1.835g/mL, teniendo entonces lo siguiente:

6mL de H2SO4 = 5.76mL de H2SO4 de forma pura presente en la muestra. De los cuales segn su densidad representan (5.76 mL)(1.835 g/mL) = 10.5696 g de H2SO4Esta cantidad se redondea por motivos de precisin a 10.6 g de cido sulfrico. De esta manera podemos determinar la cantidad de hidrxido de sodio requerida para neutralizar 10.6g de cido sulfrico diluido en 6 mL pues el hidrxido de sodio es un slido que es fcil de manipular por pesada directa. 98g 80gH2SO4 (ac) + 2NaOH (ac) Na2SO4(s) + 2H2O (L)10.6g X

Por medio de una regla de tres o factor de conversin podemos determinar la cantidad de hidrxido de sodio que relacionar estequiometricamente con el cido sulfrico. De esta forma 98g de cido sulfrico reaccionan con 80g de hidrxido de sodio, o visto de otra forma un mol de cido sulfrico reaccionan con dos moles de hidrxido de sodio.

(10.6g de H2SO4) (80g de NaOH) X= 8.6881g de NaOH

(98g de H2SO4)Determinadas las cantidades de reactivos requeridas para la reaccin se prepararon las diluciones. I. Preparacin de reactivos En este caso se prepar un volumen de doscientos mililitros de agua destilada des gasificada y des ionizada los gramos de hidrxido de sodio y mililitros de cido sulfrico, primero se hicieron los clculos de normalidad para despus continuar con el mtodo.Preparacin de dilucin de NaOH Para una dilucin de 1 normal de hidrxido de sodio se hicieron los siguientes clculos 1 mol de NaOH------------------40g/mol a.-) gramos que equivalen a una mol 1 equivalente de NaOH --------40g/mol b.-) nmero de equivalentes sobre mol X --------------8.6881g/mol c.-) cantidad en gramos que dispongo X = 0.2172 equivalentes d.-) nmero de equivalentes en la muestra Tenidos los equivalentes de hidrxido de sodio se utiliz la frmula de normalidad para determinar la concentracin normal de hidrxido de sodio

Mtodo de preparacin de NaOH En primera instancia se calibro una balanza granataria Utilizando una balanza granataria se encontr el peso de un cuadro de papel glassim para usarlo en la pesada del hidrxido de sodio (Tara) Se precedi a pesar por pesada directa la cantidad de 8.6 g de hidrxido de sodio el cual fue colocado en un matraz de aforo de doscientos mililitros y llenado con agua destilada hasta la marca de aforo Se mesclo de forma homognea y se coloc en una botella previamente etiquetada con volumen suficiente para contener toda la solucin.

Preparacin de solucin de cido sulfrico Para una disolucin 1 normal de cido sulfrico se hicieron los siguientes clculos 1 mol de H2SO4------------------98g/mol a.-) gramos que equivalen a una mol 1 equivalente de H2SO4 --------49g/mol b.-) nmero de equivalentes sobre mol X -------------------10.6g/mol c.-) cantidad en gramos* que dispongo X = 0.2172 equivalentes d.-) nmero de equivalentes en la muestra

*esta relacin se considera de forma terica y de forma experimental se consideran los 5.76 ml que contienen los gramos indicados Tenidos los equivalentes de cido sulfrico se utiliz la frmula de normalidad para determinar la concentracin normal del cido sulfrico

Mtodo de preparacin de cido sulfrico Trabajando en la campana de extraccin se colocaron una pileta graduada de diez mililitros, el frasco de reactivo concentrado y un matraz de aforo de doscientos mililitros Se coloc una pequea cantidad de agua destilada en el matraz de aforo (esto con el fin de evitar una reaccin muy violenta por contacto del cido con el agua) Con la pipeta graduada de diez mililitros se tomo la cantidad de acido sulfrico requerida y se coloc en el matraz de aforo de doscientos mililitros Poco a poco fue llenado el matraz hasta la marca de aforo y se dej reposar por diez minutos con el matraz cerrado en la campana de extraccin Se almaceno en un frasco previamente etiquetado con volumen suficiente para guardar el reactivo. Obtenidos las disoluciones se diluyeron en relacin uno a diez para disminuir el gasto de reactivos en la titulacin, Para ambos casos se tom una alcuota de diez mililitros de reactivo en 100 mililitros de solvente

10 mL de NaOH 1.086 N ---------------100 mL de agua destilada Concentracin de dilucin 10mL de H2SO4 1.086 N--------------100mL de agua destilada Concentracin de dilucin Estandarizacin del hidrxido de sodio Siendo el hidrxido de sodio un patrn secundario es necesario estandarizarlo, para esto se utiliz el biftalato de potasio el cual es un patrn primario que requiere desecarlo y retirarle la humedad pero que es de fcil manipulacin por pesada directa Para determinar la cantidad de biftalato de potasio requerida para titular un volumen determinado de hidrxido de sodio con concentracin desconocida se utiliz la siguiente relacin CA: concentracin de Analito gPp: gramos del patrn primario VA: volumen de Analito a evaluar (en L) de la estimacin que se tiene en el matraz Erlenmeyer PMPp: Peso molecular del patrn primario

Donde: Despejndola y utilizando los valores conocidos obtenemos:

gPp=0.22154g de biftalato de potasio por cada repeticin Sabiendo la cantidad de patrn primario requerido y escogido el indicado a utilizar se procedi a valorar el hidrxido de sodio

Materiales para titulacin

*Bureta 10 mL *5 Matraces Erlenmeyer 10 mL*Pipeta graduada *Matraz aforado *Pipeta volumtrica *Soporte universal*Pinzas de doble presin *Agitador magntico Reactivos*Biftalato de potasio*cido sulfrico*Hidrxido de sodio*Fenolftaleina (indicador)Titulacin Mtodo de valoracin de hidrxido de sodio Previo al uso del biftalato de potasio se deseco y calent en una estufa de calentamiento por 1 hora Con uso de la balanza analtica se pes aproximadamente o.22154 g de biftalato de potasio y se coloc de forma individual en un matraz Erlenmeyer de 25 mL al cual se le coloco un numero como distintivo como se indica en el esquema A De cada matraz se disolvi la muestra de biftalato de potasio con 10 mL de agua destilada Se mont un equipo de titulacin como se indica en el esquena B Utilizando una pipeta graduada se llen una bureta de 10 ml con la dilucin de hidrxido de sodio Colocando el matraz Erlenmeyer en una parrilla de agitacin como se muestra en el esquema C se agregaron 3 gotas de fenolftalena como indicador, y se introdujo un agitador magntico Se procedi a titular el hidrxido de sodio hasta observar el viraje de color en el medio Esquema de titulacin de NaOH123

A) Las pesadas de biftalato se llevaron en un matraz Erlenmeyer de forma individual con un numero para diferenciar cada pesada B) Esquema de titulacin, utiliza un soporte universal unas pinzas de doble presin, una bureta y un matraz Erlenmeyer.En bureta la muestra problema de NaOH C) En el matraz Erlenmeyer se coloca los gramos de biftalato de potasio diluido y 3 gotas de fenolftalena.Para mantener la agitacin se ocupa una parrilla de agitacin y un agitador magntico

La estandarizacin del hidrxido de sodio se repiti cinco veces teniendo los siguientes resultados:# Muestra g Biftalato de potasio mL H2O en matraz mL NaOH Consumidos Normalidad*NaOH

10.2260g10mL9.56mL1.159 N

20.2200g10mL9.56mL1.129 N

30.2223g10mL10.03mL1.056 N

40.2210g10mL10.50mL1.031 N

50.2248g10mL10.57mL1.042 N

*a continuacin se muestra el mtodo para determinar la normalidad de NaOHTomando como ejemplo la primera muestra se tiene que 1 mol de biftalato de potasio -----------------204g/mol 1 equivalente de biftalato de potasio -------204 g/equivalente X equivalentes de Biftalato de potasio-----0.2260 g/equivalente X= 1.1078X10-3 equivalentes de Biftalato de potasio presentes en la muestraEn este caso podemos decir que 1.1078X10-3 equivalentes de Biftalato son necesarios para consumir 9.5 mL de hidrxido de sodio Por la relacin de normalidad encontramos que tiene una concentracin:= 0.1159 N de hidrxido de sodio De la cual se tom una alcuota de uno sobre diez 0.1159N---------------- 10 mL X ----------------------100mLX= 1.159NDe esta forma se procedi a sacar los valores promedio, error absoluto, porciento de error, desviacin estndar y coeficiente de variacin. Valoracin del cido sulfrico Obtenida la concentracin real del hidrxido de sodio se procedi a valorar la concentracin del cido sulfrico

Mtodo de valoracin del cido sulfrico Se mont un equipo de titulacin como se indica en el esquena A Utilizando una pipeta graduada se llen una bureta de 10 ml con la dilucin de cido sulfrico En un matraz Erlenmeyer de forma individual se agreg con una pipeta volumtrica 10 mL de la disolucin de hidrxido de sodio estandarizado Colocando el matraz Erlenmeyer en una parrilla de agitacin como se muestra en el esquema B se agregaron 3 gotas de fenolftalena como indicador, y se introdujo un agitador magntico Se procedi a titular el cido sulfrico hasta observar el viraje de color en el medio

A) Esquema de titulacin, utiliza un soporte universal unas pinzas de doble presin, una bureta y un matraz Erlenmeyer.En bureta la muestra problema de cido sulfrico, en el matraz Erlenmeyer la muestra de 10 mL de hidrxido de sodio estandarizado B) En el matraz Erlenmeyer se coloca el hidrxido de sodio estandarizado y 3 gotas de fenolftalena.Para mantener la agitacin se ocupa una parrilla de agitacin y un agitador magntico

La valoracin del cido sulfrico se repiti cinco veces obteniendo los siguientes resultados:# Muestra N NaOH*mL H2SO4N H2SO4**

10.1083N7.5mL1.444N

20.1083N7.5mL1.444N

30.1083N7.6mL1.425N

40.1083N7.5mL1.444N

50.1083N7.6mL1.425N

*se toma la relacin normal de la disolucin que se usa, por lo tanto se toma la que presenta la alcuota al ser esta concnetracion la utilizada para valorar **a continuacin se muestra el mtodo que se utiliz para encontrar los valores de normalidad Conociendo el volumen y concentracin de un reactivo (hidrxido de sodio) y el volumen requerido (cido sulfrico) para neutralizar todo el hidrxido de sodio podemos utilizar una relacin de volumen para determinar la concentracin del cido.

C2=0.1444NDe los cuales se tomaron una alcuota de uno sobre diez

0.1444N--------------------10 mL X ------------------------100mL X=1.444N

Materiales para la construccin del calormetro*un termo *yeso (aislante)* unicel

Parte 2 Determinacin de constante del calormetroEl calormetro empleado fue un recipiente de termo recubierto con una capa de un grosor considerable de yeso, el cual se dej secar para que este material funcionase como aislante.La tapa utilizada constaba de una capa de unicel la cual tena una abertura para poder introducir un termmetro Mtodo de determinacin de constante del calormetro Para todas las mediciones se utiliz un termmetro de mercurio de escala Celsius de 0 a 100 calibrndolo con cambios de temperatura utilizando para esto un volumen de hielo, esto con el fin de tener la lectura de temperatura mejor posible Tenido el calormetro preparado se analiz para verificar si presentaba alguna fuga de lquido o de energa calorfica colocando 150 mL de agua a 70C y verificando la perdida de temperatura, (tabla 1) Ya determinada la perdida de temperatura del calormetro procedi a llenarse con 100mL de agua a temperatura ambiente midiendo si presentaba algn cambio de temperatura en el interior del calormetro , esto se hizo en todos los casos cinco minutos antes de la adicin del cido sulfrico y apuntando si haba algn cambio A continuacin se adiciono 3 mL de cido concentrado (con concentracin conocida) utilizando una pipeta graduada al interior del calormetro y se sell con la tapa de unicel. Se introdujo el termmetro con lectura de 0 lo antes posible en el interior del calormetro y se anot la variacin de temperatura a intervalos de 30 segundos, esto se repiti por tres series y se anotaron en tablas de forma individual (tabla 2-4 en anexo ) Obtenidos de las tablas se hizo un grfico de forma individual para encontrar la T de las reacciones de forma individual (anexo)

De esta forma se calcul de manera individual la capacidad calorfica de cada una de las repeticiones. De acuerdo a la relacin de:

Despejando CKcido Calormetro Agua

Del cual m1Ce1T (lo cual corresponde al cido, el agente que pierde calor o QP) se considera una constante al tener un valor muy bajo, y solo se suman los valores de las dos masas, y m2Ce2T (la cual corresponde al agua, el agente que gana calor o Qg).

Siendo con la utilizacin de

Las tres representaciones equivalen a lo mismo siendo la primera la que brinda mayor claridad en el uso de los valores requeridos para encontrar la constante de un calormetro

De esta manera se determina la constante del calormetro para los tres valores encontrados

Este valor permanecer constante para las tres repeticiones pues pese a que la diferencia de temperaturas varia la constante permanece para T. Es por este motivo que se requiere utilizar la cantidad de calor liberado hacia el agua empleando las tablas de Pickering.

De acuerdo a las tablas de Pickering encontramos que:

Una disolucin de 100mL de agua adicionada con 3mL de una solucin 1.1N de H2SO4 liberan 0.946 Kcal. Y utilizando la normalidad del H2SO4 encontrada en la valoracin adicionada en 100 mL de agua y un volumen de 3mL tenemos que:

Volumen de H2O mLH2SO4 Normalidad H2SO4 Calor liberado 100mL-----------3mL----------1.1N------------0.946Kcal Tabla de Pickering

100mL----------3mL---------1.4364N---------X Kcal Condiciones experimentales

X= 1.2353 KcalEncontrado el calor liberado podemos determinar la constante calorimtrica empleando la frmula:

CK=0.1029

Tabla de las CK para las tres repeticiones

CK1CK2CK3

T= 12CT=8CT=9C

0.10290.15440.1372

Tiempo ndice de enfriamiento

1 minuto 70C

2 minuto 69C

3 minuto69C

4 minuto69C

5 minuto68C

Tabla 1.- enfriamiento del medio en el interior del calormetro

Tiempo (segundos )ndice de enfriamiento

30s32C

60s32C

90s32C

120s32C

150s32C

180s32C

210s32C

240s32C

270s32C

300s32C

Tabla 2 Cambio de temperatura en la primera repeticin. La temperatura inicial del medio fue de 20C con un volumen de 100mL de agua

Tiempo (segundos )ndice de enfriamiento

30s33C

60s33C

90s33C

120s33C

150s32C

180s32C

210s32C

240s32C

270s32C

300s32C

Tabla 3 Cambio de temperatura en la primera repeticin. La temperatura inicial del medio fue de 25C con un volumen de 100mL de agua

Tiempo (segundos )ndice de enfriamiento

30s33C

60s33C

90s33C

120s33C

150s32C

180s32C

210s32C

240s32C

270s32C

300s32C

Tabla 3 Cambio de temperatura en la primera repeticin. La temperatura inicial del medio fue de 25C con un volumen de 100mL de agua

Haciendo una media de los resultados anteriores encontramos que:CK=0.1315 siendo esta la constante del calormetro Ea=Valor medio valor verdadero Ea=0.1315Ea=0.0285

Anlisis de datos:De acuerdo a las valoraciones tanto de hidrxido de sodio como de cido sulfrico la normalidad de la disolucin de cido es ms alta de lo esperado (en 0.3N) esto es debido a la pureza del compuesto el cual tiene un amplio margen de diferencia (entre 96-98%) tomando en cuenta esto podemos asegurar que la dilucin es ms pura a la estimada y por lo tanto ms concentrada, para futuros mtodos experimentales se considerara esto. Determinada la concentracin verdadera del cido y empleando este en la determinacin de la constante calorimtrica se determin que por la forma normal (Q/T) la variacin de la capacidad calorfica es nula, por lo tanto este valor se considera verdadero para un sistema (calormetro) sin ninguna fuga de energa aislado de forma perfecta esto en nuestro caso resulta imposible ya que de acuerdo a la tabla de enfriamiento del calormetro este tiene una ligera fuga de energa.Por lo tanto empleando las tablas de Pickering se logr hacer un clculo ms preciso, y gracias a este se pudo encontrar una constante calorimtrica que explica mejor el nivel de absorcin de calor por parte del sistema

Conclusin En resumen despus de realizar los procesos necesarios para la determinacin de la constante del calormetro construido, agregando el cido de concentracin conocida es posible realizar la determinacin calorimtrica, se logr observar y aprender que es el calormetro as como las partes fsicas que lo conforman, como tambin el clculo de su constante y su calibracin para posteriormente poder determinar el calor especifico de sustancias especficas, as como medir las cantidades de calor que se haya liberado o absorbido para llevarlas a cabo en experimentos y prcticas posteriores, mejorando nuestra eficiencia y efectividad a travs de la experiencia ganada con cada prctica.

Referencias Brown T., LeMay Jr., Bursten B., Qumica. La ciencia central. Editorial Prentice Hall Hispanoamericana SA. 1998. Sptima edicinOROZCO, D.F. Analisis quimico cuantitativo. Mexico, 1978PALMER, W.G. Qimica fsica experimental, EUDEBA, Buenos aires, 1966Ayres, G.H. Analisis quimico cuantitativo. Harla, Mexico 1978

ANEXOHoja de seguridad cido sulfrico El cido sulfrico al 100 por ciento es un lquido incoloro, inodoro, denso y viscoso. Esto se refiere al monohidrato, el cual puede ser considerado con una composicin equimolecular de agua y trixido de azufre. Este pierde trixido de azufre en el calentamiento hasta que, aproximadamente a los 338 C, resulta un cido de 98.3 por ciento.Frmula: H2SO4Peso molecular:98.08Sp. gr.: 1.834 18 C /4Punto de Fusin: 10.49 CPunto de Ebullicin:se descompone a 340 CEs soluble in todas las proporciones en agua, produciendo una gran cantidad de calor. Una libra de cido sulfrico al 100 por ciento diluido a 90 por ciento libera 80 Btu y diluido a 20 por ciento libera 300 Btu. Es muy fuerte y corrosivo para la vida de los materiales estructurales. Posee Pto. de ebullicin alto y se puede emplear para producir cidos voltiles como HCl y HCN. Es un agente oxidante suave. No se puede usar para preparar HBr o HI. Concentrado y en caliente disuelve al Cu. Es deshidratante.El cido sulfrico es capaz de disolver grandes cantidades de trixido de azufre, produciendo varios grados de oleum. Cuando estas soluciones (cido sulfrico-xido sulfrico) es mezclado con agua, el xido se combina con agua, formando ms cido sulfrico.Grados. Los dos ltimos grados son incoloros y prcticamente libres de impurezas metlicas y otras. La siguiente tabla muestra varios grados que son comercializados para satisfacer los requerimientos de las industrias.Propiedades del Hidrxido de sodioPeso molecular: 40- Punto de ebullicin 760 mm de Hg: 1,390C (2,534F).- Gravedad especfica (agua=1): 2,13- Densidad del vapor (aire=1 en el punto de ebullicin del hexano): No corresponde.- Punto de fusin: 310C (590F)- Presin de vapor a 20C (68F): Esencialmente 0.- Solubilidad en agua, g/100 g de agua a 20C (68F): 50- Velocidad de evaporacin (acetato de butilo=1): No aplica.- Potencial de ionizacin: No disponible.