Entalpía de reacción

Fuente: Smaa Koraym de la Universidad Johns Hopkins, MD, EE.UU.

1. Recopilación de datos para calcular la capacidad calorífica de un calorímetroexpandir

   Este experimento utilizará un calorímetro de presión constante hecho de dos vasos de poliestireno apilados, una tapa de cartón y una sonda que mide la temperatura de una solución en tiempo real. El poliestireno es un buen aislante, por lo que puede suponer que no se intercambia calor entre el interior y el exterior de las tazas. El calorímetro en sí absorberá algo de calor, que tendrá en cuenta calculando su capacidad calorífica.

   En la primera parte de este experimento, agregará agua caliente al agua fría en el calorímetro y medirá el aumento de temperatura. Después del experimento, calculará cuánto calor perdió el agua caliente en el calorímetro, en lugar de en el agua fría.

   • Ponte una bata de laboratorio, gafas de seguridad resistentes a salpicaduras y guantes desechables. Asegúrese de que su campana extractora esté limpia y lista para usar y que su cristalería esté limpia y sin daños.
   • Para comenzar el laboratorio, apila dos vasos de poliestireno para formar el recipiente calorímetro aislado. Coloque una barra magnética para agitar en el calorímetro.
   • Mide la masa combinada de las tazas vacías y la barra de agitación en una balanza de carga superior puesta a cero. Registre esto en su cuaderno de laboratorio como la masa del calorímetro vacía y devuélvalo a su campana extractora.

     Tabla 1: Calibración del calorímetro

     Calorímetro de masa vacía (g)
     Calorímetro de masa + agua fría (g)
     Masa de agua fría (g)
     Tinicial fría (ºC)
     Tcaliente inicial (ºC)
     Calorímetro de masa + mezcla de agua fría y caliente (g)
     Masa de agua caliente (g)
     Tfinal (ºC)
     ΔTcaliente (K)
     ΔTfrío (K)
     Capacidad calorífica específica del agua (J/g·K)	4.184
     Capacidad calorífica del calorímetro (J/K)

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   • Mide 50 mL de agua fría del grifo y viértela en el calorímetro. Mida la masa combinada, anótela en su cuaderno de laboratorio y lleve el calorímetro a su estación de trabajo.
   • Calcula la masa del agua fría, o m_fría, restando la masa del calorímetro vacío de la masa del calorímetro con agua fría dentro.
   • Mide 50 mL de agua desionizada y viértela en un vaso de precipitados de 150 mL. Coloque el vaso de precipitados en una placa calefactora debajo de una pinza de termómetro y fije un termómetro digital en el agua.
   • Coloque el calorímetro en el centro de una pequeña placa de agitación debajo de otra pinza de termómetro y cúbralo con una tapa de cartón que tenga un agujero en el centro.
   • Enciende tu dispositivo de grabación de datos y configúralo para registrar la temperatura a lo largo del tiempo. Ajuste la velocidad de grabación de datos a dos lecturas por segundo y la duración de la grabación a 600 s.
   • Inserte la sonda de temperatura a través del orificio en la tapa del calorímetro y sujétela en su lugar. La sonda siempre debe estar lo suficientemente alta como para que pueda levantar la tapa.
   • Encienda el motor de agitación y aumente la velocidad de rotación hasta que la barra de agitación esté agitando constantemente en el calorímetro.
   • Una vez que la temperatura mostrada en el dispositivo de adquisición de datos se estabilice dentro de más o menos 0.1 °C, regístrela en su cuaderno de laboratorio como T_{inicial en frío}.
   • Luego, encienda la placa calefactora y controle la temperatura del agua con el termómetro digital. Mientras esperas, lleva algunas toallas de papel a la campana extractora.
   • Una vez que el agua alcance los 60 °C, apague la placa calefactora. Retire la sonda de temperatura del agua fría, límpiela y sujétela o sujétela en el agua caliente. Asegúrese de que la sonda no toque la parte inferior del vaso de precipitados a medida que la lectura de temperatura se estabiliza.
   • Registre la temperatura en su cuaderno de laboratorio como T_hot-initial. Luego, retire la sonda del agua caliente, límpiela y devuélvala al calorímetro.
   • Una vez que la lectura de temperatura se haya estabilizado, inicie la recopilación de datos y espere a que el dispositivo registre unos segundos de datos.
   • Luego, vierta cuidadosamente el agua caliente en el calorímetro. Controle la lectura de la temperatura a medida que se mezclan el agua fría y caliente.
   • Una vez que la temperatura alcance un máximo, lo que significa que la temperatura ya no está aumentando, continúe recopilando datos durante 5 a 6 minutos para asegurarse de registrar una temperatura de equilibrio.
   • Luego, detenga la recopilación de datos y asigne al dato el nombre 'calibración'. Retire la sonda y la tapa del calorímetro y déjelas a un lado.
   • Mide la masa del calorímetro lleno de agua en la balanza de carga superior.
   • Registre la masa en su cuaderno de laboratorio y lleve el calorímetro de vuelta a la campana extractora.
   • Calcula la masa del agua caliente, o m_caliente, restando la masa del calorímetro que contiene agua fría de la masa del calorímetro que contiene agua fría y caliente mezclada.
   • Retira la barra magnética del calorímetro y vierte el agua por el fregadero.
   • Seque completamente el calorímetro y la barra de agitación y devuelva la barra de agitación al calorímetro antes de continuar.
2. Mg_(s) + 2 HCl_(aq) → MgCl_2(aq) + H_2(g)Expandir

   Esta es la primera reacción que realizarás en el calorímetro. Aquí, el magnesio metálico se oxida a magnesio 2+ y el H+ se reduce a hidrógeno gaseoso. Continuará trabajando en una campana extractora debido a los peligros asociados con los reactivos y productos de esta reacción. La cinta de metal de magnesio es reactiva al agua e inflamable. El ácido clorhídrico es corrosivo y tóxico, y el gas hidrógeno también es inflamable.

   • Crea una nueva ejecución de recopilación de datos con la misma configuración que antes.
   • Etiquete un vaso de precipitados de 600 ml para residuos acuosos de magnesio, que deben eliminarse por separado al final del laboratorio.
   • Obtenga la cinta de magnesio, que se proporciona en tiras precortadas de 0,45 a 0,55 g. Coloque un trozo de cinta en un bote de pesaje y llévelo de regreso a su capó.
   • Luego, usa una toalla de papel y papel de lija para pulir la cinta de magnesio, revelando un material brillante y plateado. El pulido elimina la capa exterior de óxido de magnesio que se forma cuando el metal de magnesio se expone al aire.
   • Corta la cinta de magnesio pulido en trozos de 0,5 a 1 cm de largo en el bote de pesaje.
   • Utilice una balanza analítica y un segundo bote de pesaje tarado para medir la masa precisa de su magnesio. Anota la masa en tu cuaderno de laboratorio. A continuación, deseche el bote de pesaje adicional y vuelva a colocar las piezas de magnesio en la campana extractora.

     Tabla 2: Primera reacción Mg + 2 HCl

     MasaMg (g)
     Volumende HCL añadido (mL)
     Tinicial (°C)
     Tfinal (°C)
     ΔTmg + HCl (K)
     DensidadHCl (g/mL)	1.039
     MasaHCl (g)
     Solución masiva (g)
     Capacidad calorífica específica de 2 M HCl (J/g·K)	3.98
     ΔUMg + 2H+ ≈ ΔHMg + 2H+ (kJ)
     Reactivo limitante (mol)
     Rendimiento teórico (mol)
     ΔHMg + 2H+ (kJ/mol)

     Haga clic aquí para descargar la Tabla 2
   • Ahora, lleve un vaso de precipitados de 150 ml y un vidrio de reloj a la campana extractora para dispensar HCl, y vierta con cuidado unos 110 mL de HCl de 2.0 M en el vaso de precipitados. Cubre el vaso de precipitados y transpórtalo de vuelta a la campana.
   • Utilice un cilindro graduado de 50 mL para añadir 100 mL de 2 M de HCl al calorímetro seco. Registre el volumen total de HCl añadido y neutralice las gotas de ácido derramadas.
   • Luego, coloque el calorímetro en la placa de agitación, cubra el calorímetro y sujete la sonda de temperatura en su lugar.
   • Ajuste el motor de agitación a una velocidad media-alta y comience a registrar los datos de temperatura. Espere a que se recopilen 30 s de datos para obtener una temperatura inicial precisa.
   • Luego, levanta la tapa de cartón y añade las piezas de magnesio al calorímetro de una sola vez.
   • Ajusta la velocidad de agitación para que las piezas se agiten rápidamente. nota: Es importante remover bien la mezcla para disolver la mayor cantidad posible de magnesio en el ácido.
   • Ahora, cierre el calorímetro y controle la lectura de datos a medida que aumenta la temperatura. Una vez que la temperatura alcance un máximo, permita que la recopilación de datos continúe durante otros cinco minutos. Luego, detenga la recopilación de datos y apague el motor de agitación.
   • Para evitar la contaminación cruzada en su próximo experimento, enjuague a fondo la sonda de temperatura con agua desionizada y recoja el enjuague en el vaso de precipitados.
   • Luego, retira el calorímetro de la placa de agitación y recupera la barra de agitación con pinzas. Limpie la barra agitadora y las pinzas de la misma manera.
   • Vierta el contenido del calorímetro en la basura y lave a fondo el calorímetro con agua desionizada. Seque el calorímetro con toallas de papel.
   • Cambia el orden de apilamiento de las copas de poliestireno para proporcionar una superficie interior limpia para la siguiente reacción. Seque las pinzas, la barra agitadora y la sonda de temperatura y devuelva la barra agitadora al calorímetro.
3. MgO_(s) + 2 HCl_(aq) → MgCl_2(aq) + H₂O_(l)Expandir

   Esta es la segunda reacción que realizarás en el calorímetro. Se trata de una reacción ácido-base en la que el óxido de magnesio neutraliza el HCl. Al igual que antes, el cloruro de magnesio permanecerá en solución como iones solvatados. El óxido de magnesio es un irritante respiratorio, así que tenga cuidado al medirlo.

   • Crea una nueva ejecución de recopilación de datos con la misma configuración que antes para continuar con el laboratorio.
   • Mida aproximadamente 1 g de óxido de magnesio en una balanza analítica y registre la masa precisa en su cuaderno de laboratorio.

     Tabla 3: Segunda reacción MgO + HCl

     Masa MgO (g)
     Volumende HCL añadido (mL)
     Tinicial (ºC)
     Tfinal (ºC)
     ΔTMgO + HCl (K)
     DensidadHCl (g/mL)	1.039
     MasaHCl (g)
     Solución masiva (g)
     Capacidad calorífica específica de 2 M HCl (J/g·K)	3.98
     ΔUMgO + 2H+ ≈ ΔHMgO + 2H+ (kJ)
     Reactivo limitante (mol)
     Rendimiento teórico (mol)
     ΔHMgO + 2H+ (kJ/mol)

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   • Utilice su vaso de precipitados de 150 mL para transportar aproximadamente 110 mL de 2 M de HCl a su campana extractora. Vierta 100 ml de HCl en el calorímetro y registre el volumen de HCl en su cuaderno de laboratorio.
   • Configura el calorímetro en la placa de agitación de la misma manera que en el último experimento. Comience a remover a alta velocidad y comience a recopilar datos de temperatura. Espere 30 segundos para establecer una lectura inicial precisa de la temperatura.
   • Luego, levanta la tapa del calorímetro y vierte el óxido de magnesio en el calorímetro de una sola vez. Asegúrese de que la mezcla se revuelva vigorosamente antes de volver a colocar la tapa. Controle la lectura de la temperatura a medida que aumenta.
   • Una vez que la temperatura alcance un máximo, recopile 5 minutos más de datos. Luego, detenga la recopilación de datos y apague el motor de agitación.
   • Guarde sus datos y transfiera el archivo a una computadora o unidad flash, para que pueda procesarlo más tarde.
   • Ahora, limpie y seque la sonda, la barra de agitación y las pinzas de la misma manera que antes. Vierta la mezcla de reacción en el vaso de precipitados y enjuague el interior del calorímetro antes de desechar los vasos.
   • Neutralice los residuos de magnesio ácido con bicarbonato de sodio, confirme que el pH es aceptable con papel de pH y viértalo en un recipiente designado para residuos acuosos de magnesio.
   • Enjuague bien el vaso de precipitados con agua desionizada y vierta el enjuague en la basura. Cierre el contenedor de residuos cuando haya terminado.
   • Luego, guarde su equipo de laboratorio y lave su cristalería de acuerdo con los procedimientos estándar de su laboratorio.
   • Neutraliza cualquier residuo ácido acuoso que no contenga magnesio con bicarbonato de sodio antes de tirarlo por el desagüe.
   • Deseche los botes de pesaje, el papel de lija y los vasos de manera adecuada para su laboratorio, limpie los materiales derramados en su campana de gases y deseche las toallas de papel usadas y otros desechos.
4. Resultadosexpandir
   • Primero, traza tus tres conjuntos de datos con la temperatura en el eje y y el tiempo en el eje x.
   • Encuentra los cambios de temperatura que necesitas para tus cálculos, empezando por tus datos de calibración. Mediste las temperaturas frías y calientes iniciales directamente, por lo que solo necesitas encontrar T_final, que es la temperatura estable máxima después de mezclar el agua. Rellene los valores inicial y final y resuelva ΔT_caliente y ΔT_frío.
   • A continuación, mira los datos de tus reacciones. Al igual que con los datos de calibración, Tfinal para cada reacción es la temperatura máxima. T_inicial es la temperatura estable antes de que comenzara cada reacción. Rellene estos valores y resuelva para obtener ΔT para cada reacción. Dado que ΔT es una diferencia de temperatura y los grados Celsius y Kelvin tienen el mismo intervalo, puede cambiar las unidades a Kelvin.
   • Ahora, calcule la capacidad calorífica de su calorímetro y los cambios en la energía interna de las reacciones. Para estos cálculos, supongamos que la presión era constante, que el volumen de la solución apenas cambiaba a medida que se calentaba y que no había transferencia de energía entre la solución y su entorno. Bajo estos supuestos, el cambio de entalpía es igual al calor, que a su vez es aproximadamente igual al cambio en la energía interna.
   • Primero, calcule la capacidad calorífica de su calorímetro. Comience llenando las masas de las porciones de agua fría y caliente de la primera parte del laboratorio. Rellene los valores ΔT_caliente y ΔT_frío que ha calculado a partir de los datos de calibración. Utilice la capacidad calorífica específica del agua a presión ambiente y resuelva la capacidad calorífica de su calorímetro.
   • A continuación, calcule la energía interna de la primera reacción. Determina la masa de la solución sumando las masas de los reactivos. ΔT proviene de su gráfica. Conoce la capacidad calorífica de su calorímetro y la capacidad calorífica específica de 2 M HCl es de aproximadamente 3,98 J/K⋅g. Rellena estos valores y resuelve para encontrar la energía interna y, por lo tanto, la entalpía aproximada de esta reacción. Utilice el mismo proceso para estimar la entalpía de la segunda reacción.
   • Para cada reacción, identifique el reactivo limitante y calcule el rendimiento teórico en moles. En base a esto, escale las entalpías para obtener un rendimiento de 1 mol.
   • Ahora, calcula la entalpía de formación de óxido de magnesio usando estos valores y la entalpía conocida de formación de_H2O. Ten en cuenta que tu segunda reacción debe invertirse para que estas tres reacciones se sumen a la formación de óxido de magnesio, por lo que usarás la entropía negativa de la reacción directa.

     Tabla 4: Cálculo de la entalpía de formación de MgO

     ΔHMg + 2H+ (kJ/mol)
     -ΔHMgO + 2H+ (kJ/mol)
     ΔHfH2O (kJ/mol)
     ΔHMgO (valor calculado; kJ/mol)
     ΔHMgO (valor de la literatura; kJ/mol)
     Error porcentual

     Haga clic aquí para descargar la Tabla 4
   • Finalmente, calcule el error porcentual entre su valor calculado y la formación de entalpía conocida del óxido de magnesio.