Primera Ley de la Termodinámica: Trabajo práctico

Procesos exotérmicos y endotérmicos

Introducción

En los cambios físicos y químicos se consume o se libera energía. La cantidad de energía que se requiere para fundir un sólido recibe el nombre de calor de fusión. La cantidad de energía que se requiere para hervir un líquido se llama calor de vaporización. Cuando la transformación se lleva a cabo a presión constante, el calor involucrado recibe el nombre de entalpía. Tanto la fusión como la vaporización requieren de energía para llevarse a cabo, por lo tanto son endotérmicos. En los procesos opuestos, la condensación y la congelación, se libera energía: son exotérmicos.

Para determinar el calor de fusión del hielo se elige un sistema aislado formado por hielo, agua, un recipiente aislado térmicamente de los alrededores y un termómetro. El experimento consiste en medir la temperatura inicial del agua y medir el cambio de temperatura cuando se añade hielo al agua. Si se trata de un sistema aislado la energía se conserva, por lo tanto , la suma de de la energía que pierde el agua a temperatura ambiente es igual a la energía que recibe el hielo y su suma algebraica debe ser igual a cero.

Cuando se agrega hielo al agua, el agua pierde una cantidad de energía q_a igual al producto de su masa m_a por el cambio de su temperatura y su calor específico C_a .

q_a= m_a x DT_f x C_a

El calor específico del agua es la cantidad de energía necesaria para calentar un gramo de agua un grado y es igual a 1.00 cal/gK o 4.18 J/gK. La energía que pierde el agua fundirá el hielo y elevará la temperatura de la mezcla agua-hielo._. La energía necesaria para elevar la temperatura del hielo a su temperatura final es el producto de la masa del hielo por el aumento de temperatura DT_i. por el calor específico del agua C_a como se trata de un sistema cerrado, la suma de los cambios de energía del agua y del hielo debe ser igual a cero.

q_a -q_h =0  y

DH_f = (m_a + m_h ) DT_f x  C_a

También en procesos como la disolución de sales o la mezcla de dos líquidos, está involucrado un cambio de energía. Las sustancias cristalinas se disuelven o hidratan cuando las moléculas de disolvente se intercalan rompiendo la red cristalina, así, algunas sustancias absorben energía cuando se disuelven y otras desprenden energía en el mismo proceso.

En las reacciones químicas se forman sustancias a partir de otras distintas mediante la ruptura de enlaces y la formación de nuevos enlaces.. Se requiere energía para la ruptura de enlaces, mientras que la formación de nuevos enlaces libera energía. El balance entre estos dos procesos en una reacción, determina si es exotérmica o endotérmica.

En esta práctica el alumno debe distinguir los procesos exotérmicos y los endotérmicos.

Procesos endotérmicos y exotérmicos.

Objetivo: Distinguir entre procesos endotérmicos y procesos exotérmicos.

Material	Sustancias
1vaso chico y un vaso grande de unicel	Agua
vaso de precipitados de 150 ml	Hielo
Termómetro
Toallas de papel
Balanza granataria
Probeta

Procedimiento

I Entalpía de fusión

1. Pesa el vaso de unicel chico  y colócalo dentro del grande
2. Vierte 100 mL de agua destilada en el vaso
3. Mide la temperatura del agua
4. Coloca hielo en un vaso de 150 ml
5. Seca el hielo con una toalla de papel y transfiérelo al vaso de unicel con agua
6. Agita la mezcla con el termómetro.
7. Cuando todo el hielo se haya fundido, mide la temperatura
8. Pesa el vaso de unicel con la mezcla agua-hielo fundido.

II. Entalpía de disolución

Se mide el cambio de temperatura al disolver dos compuestos iónicos distintos para determinar si el calor de hidratación es mayor, menor o igual a la energía de la red cristalina.

Material	Sustancias
Dos tubos de ensaye con tapón	Agua
Termómetro	Cloruro de amonio
Probeta de 10 ml	Cloruro de litio

1. Coloca 3 g de cloruro de litio en un tubo de ensaye
2. Agrega 15 ml de agua.
3. Tapa el tubo y agítelo vigorosamente hasta que se disuelva
4. Mide la temperatura
5. En otro tubo de ensaye coloca 3 g de cloruro de amonio
6. Agrega 15 ml de agua.
7. Tapa el tubo y agítalo vigorosamente hasta que se disuelva
8. Mide la temperatura

III. Entalpía de reacción

Se determina las entalpías de las reacciones de neutralización.

Material		Sustancias
dos tubos de ensaye	Agua
Termómetro	Acido clorhídrico
Dos vasos de precipitados de 80 ml	Hidróxido de sodio
Agitador de vidrio
Pipeta de 10 ml
espátula
Probeta de 50 ml

1. En un vaso de precipitados coloque 30 ml de agua destilada
2. En la campana agrega gota a gota  y agitando 4 ml de HCL concentrado. Esta es la Solución I
3. Si el vaso se calienta mucho espera unos minutos antes de seguir agregando el HCl
4. Pese 4 g de NaOH
5. Disuélvelos en 30 ml de agua destilada. Esta es la Solución II
6. En uno de los tubos mezcla 5 ml de la solución I y 5 ml de la solución II
7. Mide la temperatura y anótela
8. En otro tubo mezcla 5 ml de la solución I y 10 ml de la solución II
9. Mide la temperatura y anótela
10. En otro tubo mezcla 10 ml de la solución I y 10ml de la solución II
11. Mide la temperatura y anótala

IV. Entalpía de mezclado.

Material		Sustancias
Dos probetas de 25 ml	Agua
1 probeta de 50 ml	Metanol
Termómetro
Agitador de vidrio

1. Mide 25 ml de agua en cada una las probetas de 25 ml.
2. Vacía el contenido de las dos probetas en la probeta de 50 ml bien seca. Observa y anota si el volumen del agua en la probeta de 50 ml.
3. Seca las probetas de 25 ml y en una de ellas mida 25 ml de agua y en la otra 25 ml de metanol. Mide su temperatura.
4. Vacía el contenido de las dos probetas en la probeta de 50 ml bien seca. Mide la temperatura de la mezcla y anota el volumen si no es el mismo que el del punto 3.

Cuestionario:

1. En el experimento I,
   1. ¿De qué consta el sistema?
   2. Escribe si la fusión del hielo es un proceso exotérmico o endotérmico
2. Escribe si la disolución del cloruro de litio es un proceso exotérmico o endotérmico. Explica porqué en cada caso.
3. Escribe la reacción química que se lleva a cabo en el experimento III.
   1. Si la reacción es la misma en los tres casos, ¿porqué el cambio de entalpia no es el mismo en los tres casos?
4. En el experimento IV estamos tratando de un proceso exotérmico o endotérmico.
   1. ¿El volumen de la mezcla metanol agua es igual al volumen del agua y del metanol antes de mezclarlos? Si no es así, explica porqué-.