Universidad Mayor de San Andrs

CALOR DE NEUTRALIZACIN

OBJETIVOS

Verificar experimentalmente el calor de neutralizacin de un cido fuerte con una base fuerte y el calor de disociacin de un cido dbil por medio de la neutralizacin con una base fuerte, empleando en ambos casos un calormetro adiabtico.

FUNDAMENTO TEORICO

Calor de disolucin y de dilucin

Cuando un soluto se disuelve en un disolvente para formar una solucin, se produce con frecuencia un desprendimiento o una absorcin de calor. La variacin de calor o efecto trmico por mol de soluto disuelto no es constante, pero generalmente vara con la concentracin de la solucin. Si la variacin total de entalpa que se observa al agregar m moles de soluto a una cantidad definida de disolvente, sea 1000g, se representa en funcin de m, para varios valores de esta ltima se obtiene un tipo de curva como el de la figura. La curva llega a un lmite en el punto S cuando la solucin est saturada a la temperatura de la experiencia; en este punto la solucin contiene moles de soluto para 1000g de disolvente. La altura de la ordenada para cualquier punto tal como X por el correspondiente nmero de moles de soluto disuelto, es decir, , representa el aumento de entalpa por mol de soluto cuando se disuelve para formar una solucin de una concentracin particular. Esta cantidad se denomina calor integral de disolucin a la concentracin dada. Es evidente en la figura que el calor integral de disolucin es en general aproximadamente constante a solucin diluida, pero disminuye cuando la concentracin aumenta.

Grfica - Calor de disolucin

SVariacin de entalpaMoles de soluto por 1000g de disolventemX

El aumento de entalpa cuando un mol de soluto se disuelve en un volumen de disolvente tan grande, a una concentracin particular, que no se produce cambio apreciable en la concentracin, es el calor diferencial de disolucin a la concentracin especificada. Esta propiedad est dada por la inclinacin de la curva en la figura, o si se expresa de forma matemtica, por , en el punto que corresponde a la concentracin dada. As como en el caso del calor integral de disolucin, se ve por la forma de la curva que el calor diferencial de disolucin es casi constante en soluciones muy diluidas; no obstante, disminuye generalmente a medida que la concentracin aumenta.Cuando se toman los calores integrales de disolucin es de prctica general establecer el nimero de moles de solvente en que se disuelve un mol de soluto; as,

Indica que cuando 1 mol de cido clorhdrico gaseoso se disuelve en 50 moles de agua se produce un desprendimiento de 17.21 Kcal de energa calrica. Para una dilucin infinita, es decir, cuando la solucin es tan diluida que una nueva dilucin no produce efecto trmico apreciable, la ecuacin termoqumica correspondiente para el calor integral de disolucin se escribir as:

Si se conocen los calores integrales de disolucin para un soluto dado en una serie de concentraciones, se puede deducir grficamente el calor diferencial de disolucin por medio de un diagrama del tipo dado en la figura anterior. En la siguiente tabla se dan los calores integrales de disolucin de algunas substancias en el agua a las concentraciones indicadas.

Calores integrales de disolucin en agua a 18C en Kcal.

Sustancia

Sustancia

HCl200-17.43KCl200+4.44

HBr200-19.92KOH200-13.29

NH3200-8.46KNO3200+8.46

HNO3200-7.45K2SO4400+6.55

NH4NO3200+6.34CaCl2400-18.00

NaCl200+1.28CaCl26H2O394+4.56

Na2SO4400-5.50CuSO4800-15.89

Na2SO410H2O390+18.90CuSO45H2O795+2.80

Se puede observar que cuando los haluros de hidrgeno gaseosos y el amonaco, y de hecho todos los gases, se disuelven en agua, se produce una disminucin en la entalpa total; en otras palabras, la disociacin est acompaada por un desprendimiento de calor. Para sales hidratadas, por ejemplo, CuSO45H2O y las sales que no forman hidratos estables, como KNO3; el calor integral de disolucin es positivo, de modo que la disolucin va acompaada por una adsorcin de calor. Cuando una sal que puede existir en forma hidratada se disuelve en la forma anhidra, por ejemplo CuSO4, se produce invariablemente una liberacin de energa calrica, es decir, el valor de es negativo. La diferencia en el comportamiento de las formas hidratada y anhidra de una sal dada se debe al cambio de contenido calrico asociado a la reaccin de hidratacin; en estos procesos hay usualmente un desprendimiento de calor, es decir, de hidratacin es negativo. El valor de este efecto trmico se puede calcular fcilmente con los calores integrales de disolucin; as, usando los datos de la tabla para el sulfato de cobre, se ve que:

Y restando

La hidratacin de un mol de sulfato de cobre anhidro slido, para dar el slido pentahidratado por la adicin de 5 moles de agua lquida, se produce con un desprendimiento de 18.69Kcal de energa calrica a 18C. El calor de hidratacin por el vapor de agua a la misma temperatura sera diferente.

El hecho de que el calor de disolucin de un soluto vare con su concentracin implica que debe producirse una variacin de entalpa cuando se diluye una solucin por adicin del disolvente. El calor integral de dilucin es la variacin de entalpa cuando a una solucin que contiene un mol de soluto se diluye de una concentracin a otra, y por la Ley de Hess se puede ver que es igual a la diferencia entre los calores integrales de disolucin a las dos concentraciones. El calor integral de dilucin del cido clorhdrico cuando para de una solucin de 1 mol de soluto en 50 moles de agua a otra dilucin infinita se obtiene restando las dos ecuaciones termoqumicas que se dieron previamente para los dos calores de disolucin; el resultado es:

El calor diferencial de dilucin tiene inters terico; se puede definir como el efecto trmico cuando 1 mol de disolvente se agrega a un gran volumen de la solucin a la concentracin especificada. Este se puede obtener representando de la solucin a varias concentraciones en funcin del nmero de moles de disolvente asociados con una cantidad definida de soluto y hallando la pendiente de la curva. Debido a la constancia aproximada del calor integral de disolucin para concentraciones bajas la curva se achata en las grandes diluciones, y el valor del calor diferencial de dilucin se aproxima entonces a cero.

Medidas calorimtricas

Los efectos trmicos involucrados en las reacciones qumicas se miden efectuando la transformacin en un recipiente adecuado rodeado por una cantidad definida de agua, este aparato de denomina calormetro. Si se libera calor en la reaccin, la temperatura del agua se eleva, disminuyendo en cambio si la reaccin absorbe calor. El producto de la elevacin o descenso de la temperatura por la capacidad calorfica del agua y dems partes del calormetro dan el efecto trmico de la reaccin. La capacidad calorfica del calormetro y de su contenido se pueden determinar a partir del peso y de las capacidades calorficas de las diversas partes. Otro mtodo consiste en colocar una resistencia en el calormetro y producir una cantidad definida de calor por el pasaje de una corriente elctrica. La capacidad calorfica se puede determinar a partir de la correspondiente elevacin de la temperatura del agua en el calormetro.Una de las mayores dificultades que se encuentra en la realizacin de mediciones termoqumicas exactas es evitar las prdidas de calor debidas a la radiacin. Se ha empleado dos procedimientos principalmente para eliminar esta fuente de error. En uno, el recipiente calorimtrico que contiene agua se rodea por varias camisas, o mejor, se coloca dentro de un recipiente de vaco de Dejar, de modo que la prdida de calor por radiacin sea mnima. En el otro mtodo, que usa el calormetro adiabtico, la temperatura de una camisa externa que contiene generalmente agua se regula continuamente en el curso de la reaccin de modo que no difiera en ms de 0.1C de la temperatura del recipiente de reaccin. En estas condiciones, la cantidad de calor que se irradia en el recipiente de reaccin o hacia ste es despreciable.Cuando se realizan medidas termoqumicas, conviene que la reaccin se efecte tan rpida y completamente como sea posible. Por esta reaccin las reacciones entre gases se aceleran a veces por medio de un catalizador que se encuentra en un tubo dentro del recipiente de reaccin del calormetro. Los calores de combustin slidos y lquidos orgnicos, incluyendo combustibles o sustancias alimenticias, se miden por medio de una bomba de explosin o combustin. Este es un recipiente cilndrico de 400 a 500cm3 de capacidad, hecho de acero duro o de otra aleacin. Se coloca en la bomba un peso conocido del material a estudiar, y se llena con oxgeno a una presin de 25 a 30 atm. Se introduce el aparato en el calormetro, y se provoca la ignicin del compuesto orgnico haciendo pasar una dbil corriente elctrica a travs de un hilo delgado de hierro que se encuentra debajo de la bomba. Se produce la combustin rpida en el oxgeno a presin, y se determina el calor liberado registrando la elevacin de la temperatura del lquido del calormetro. Para obtener resultados exactos se deben aplicar varias correcciones.

Calor de neutralizacin

Se ha establecido que la reaccin de neutralizacin de un mol de cualquier cido monobsico fuerte, mediante bases fuertes en soluciones acuosas diluidas, produce aproximadamente el mismo efecto trmico.

La razn de esto es, como se tratan de reacciones en solucin y la reaccin en el seno de una solucin acuosa, no se realiza entre molculas neutras, sino entre iones.En el caso de los cidos y bases dbiles, la reaccin es la misma, con la diferencia de que se necesita proporcionar energa para ionizar el cido o base dbil, de modo que debido a la existencia de este proceso endotrmico de disociacin, su calor de neutralizacin ser menor.Por otra parte, sabemos que el calor integral de solucin de un soluto X en n moles de agua se representa por la siguiente ecuacin.

En las reacciones de solucin por conveniencia se le asigna al agua una entalpa igual a cero, dado que esta no reacciona.Si a la sustancia disuelta se agrega otra cantidad de disolvente, se tiene la siguiente ecuacin:

Esta ecuacin representa la dilucin de una solucin, el valor corresponde al calor de dilucin, o sea el calor transferido desde el medio ambiente cuando se agrega solvente adicional a al solucin.El calor de dilucin de una solucin depende de su concentracin original y de la cantidad de solvente aadido.Lo ms adecuado para un estudio calorimtrico preciso es que la reaccin cumpla con las tres caractersticas siguientes: la reaccin debe ser rpida, completa y no debe dar lugar a reacciones secundarias.Resumiendo debemos indicar que si se hace reaccionar un cido y una base fuertes y concentrados, la entalpa involucrada corresponde al calor de neutralizacin. Si uno o los dos reactivos son diluidos, adems del calor de neutralizacin debe considerarse el de dilucin.

PROCEDIMIENTO

Determinacin de la capacidad calorfica Valoracin y titulacin de las solucionesdel calormetro

Preparar soluciones de NaOH 2N y 0.1N; de HCl 2N y 0.1N; de HAc 2NColocar 150ml de agua en el Vaso DewarColocar 2g de KCl anhidro en una ampolla de vidrioAsegurar la ampolla, termmetro Beckman y agitador en el vaso DewarAgitar y registrar la temperatura (Periodo inicial)Cuando la temperatura sea constante, dejar caer el KCl de la ampolla y anotar T(Periodo principal)Finalizar la toma de T cuando la temperatura sea constante o igual a la del ambiente(Periodo final)Valorar la solucin de HCl 2 N con carbonato de sodio anhidroTitular la solucin de NaOH 2N con el HCl valoradoValorar la solucin de HCl 0.1 N con carbonato de sodio anhidroTitular la solucin de NaOH 0.1N con el HCl valoradoTitular la solucin de HAc 2N con el NaOH valorado

Determinacin del calor de neutralizacin y disociacin

Colocar 150ml de NaOH 0.1N valorado en el Vaso DewarColocar 5 ml de HCl 2N valorado en un pipetaAsegurar la pipeta, termmetro Beckman y agitador en el vaso DewarAgitar y registrar la temperatura cada 10 segundos.(Periodo inicial)Cuando la temperatura sea constante, dejar caer el HCl de la pipeta y anotar T cada 10 segundos.(Periodo principal)Finalizar la toma de T cuando la temperatura sea constante o igual a la del ambiente(Periodo final)Repetir el mismo procedimiento con 150ml de HCl 0.1N en el vaso Dejar y 5 ml de NaOH en la pipeta 150ml NaOH 0.1N en el vaso Dejar y 5ml de HAc 2 N en la pipeta

HOJA DE DATOS

Valoracin de soluciones

Titulacin del HCl 2N:

Titulacin del NaOH 2N:

Titulacin del CH3COOH 2N:

Medidas calorimtricas

Calor de solucin KCL

T013.33T1012.73

T113.37T1112.70

T213.40T1212.69

T313.41T1312.70

T413.42T1412.70

T513.42T1512.70

T612.80T1612.70

T712.81T1712.70

T812.79T1812.70

T912.75T1912.70

Neutralizacin HCl con NaOHNeutralizacin NaOH con HCl

T014.71T1015.58T013.99T1014.29

T114.70T1115.58T113.98T1114.39

T214.71T1215.58T213.96T1214.52

T314.71T313.95T1314.65

T414.72T413.97T1414.65

T514.71T513.96T1514.66

T615.45T613.96T1614.66

T715.49T713.96

T815.55T813.96

T915.58T913.81

Neutralizacin NaOH y HAc

T014.37T1015.11

T114.68T1115.15

T214.70T1215.39

T314.71T1315.45

T414.72T1415.57

T514.73T1515.56

T614.73T1615.57

T714.74T1715.58

T814.80T1815.58

T914.87T1915.58

GRAFICAS

CALCULOS

Titulacin de soluciones

Titulacin HCl conc. Con Na2CO3

Titulacin HCl 2.22N con NaOH conc

Titulacin HAc conc. con NaOH 2.22N

Determinacin de la capacidad calorfica global del calormetro

Determinacin del calor de neutralizacin

NaOH 150ml 0.1N y HCl 5ml 2.22N

HCl 150ml 0.1N y NaOH 5ml 2.22N

Determinacin del calor de disociacin

NaOH 0.1N y HAc 2.22N

Como

Cmo depende la entalpa de neutralizacin de la concentracin?La entalpa de neutralizacin es una propiedad extensiva, por lo tanto, es directamente proporcional a la cantidad de materia. Es decir, cuanto mayor sea la cantidad de reactivos (concentracin) participantes en una reaccin de neutralizacin, se liberar ms calor. Sin embargo, si hablamos de la entalpia molar de neutralizacin, al ser esta una propiedad intensiva, no vara y esta tabulada en bibliografa

Calcular los errores relativos de las entalpas experimentales respecto de los valores bibliogrficos.

Explique detalladamente con ejemplos qu es un indicador y que es un intervalo del indicadorEn qumica, un indicador es una sustancia que siendo cidos o bases dbiles al aadirse a una muestra sobre la que se desea realizar el anlisis, se produce un cambio qumico que es apreciable, generalmente, un cambio de color; esto ocurre porque estas sustancias sin ionizar tienen un color distinto que al ionizarse. Indicadores: son colorantes cuyo color varia segn estn en contacto con un cido o con una base. el cambio de color se denomina viraje, para esto el indicador debe cambiar su estructura qumica al perder o aceptar un protn.Este cambio en el indicador se produce debido a que durante el anlisis se lleva a cabo un cambio en las condiciones de la muestra e indica el punto final de la valoracin. El funcionamiento y la razn de este cambio vara mucho segn el tipo de valoracin y el indicador. El indicador ms usado es el Indicador de pH que detecta el cambio del pH. Por ejemplo, la fenolftalena y el azul de metileno.Por ejemplo, la fenolftalena tiene un intervalo de pH de 8.3 a 10.0, en los cuales es incolora y rojo respectivamente. Si la fenoftalena es solucin permanece incolora, el pH de la solucin es menor que 8.3. Si fuera rojo, el pH de la solucin es mayor que 10.0.

Indicar que es una solucin tampnUna solucin tampn es una solucin reguladora de pH, es decir, que no permite cambios bruscos de pH en una solucin debido a la adicin de algn reactivo extrao. Preferiblemente son mezclas equimolares de una base o acido dbil con su cido conjugado o base conjugada respectivamente. Un ejemplo de solucin tampn muy conocido es el del acetato de sodio y cido actico.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La entalpa de neutralizacin es la energa involucrada en una reaccin de neutralizacin, esta energa se debe a la formacin de agua a partir de sus iones H+ y OH- provenientes de cidos y bases. Esta energa es constante y de -13.7kcal, para nuestros clculos experimentales, se obtuvo esta energa con error del 6.06% y 24.45%. Para el caso de la neutralizacin del cido actico, el calor de neutralizacin desprendido no se puede calcular directamente, pues parte del calor producido se consume en la disociacin del cido actico en sus iones. Las grficas realizadas de las temperaturas vs. tiempo son similares a las presentadas en la gua, la primera tpica de un proceso endotrmico como es la disolucin de KCl y la segunda tercera y cuarta tpicas de procesos exotrmicos como la disociacin y neutralizacin. No se tomo en cuenta el calor de dilucin de las soluciones diluidas por dos motivos, su pequea variacin de temperatura al momento de la experiencia y por falta de tiempo en laboratorio. Se aprecio el efecto del calor de disociacin del acido actico sobre el resultado final, pues el calor total de la reaccin fue la suma de aquel mas el calor de neutralizacin.

BIBLIOGRAFIA

FISICOQUMICALaidler, Keith J.; Meiser, John H.

FISICOQUIMICACastellan, Gilbert W.

CURSO DE FISICOQUMICA EXPERIMENTALDaniels, Farrington; Alberty, Robert A.; Williams, J.W.