Variaciones de entalpías de disolución de sosa cáustica en agua

INTRODUCCIÓN

Para empezar vamos a explicar qué es la variación de entalpía (ΔH) de un proceso. Se trata de el calor absorbido o desprendido a presión constante, por lo que esta magnitud tiene interés para describir esos procesos, en especial las reacciones químicas y los procesos de disolución de sustancias.
La variación de entalpía se aprecia en muchas ocasiones como una variación en la temperatura de los sistemas estudiados.
Podemos determinar experimentalmente y de forma indirecta la variación de entalpía de un proceso utilizando la siguiente fórmula:

Q_p=C_p.m(T₂-T₁)

• Cp → Capacidad calorífica, a presión constante, de la sustancia. Unidades de energía: k . unidades de masa.
• m → Masa de la sustancia (Unidades de masa).
• T₂ y T₁→ Temperaturas final e inicial, respectivamente. Unidades: Kº ó ºC.
• Q_p  → Es el calor a presión constante. Unidades de energía: J, KJ, cal, Kcal…)

En nuestro caso vamos a medir la variación de entalpía de disolución de hidróxido de sodio (sosa cáustica) en agua, expresada en KJ/mol de NaOH. Para ello disolveremos una cantidad conocida hidróxido de sodio en agua tomando medidas de la temperatura antes y después del proceso de disolución. Con esos datos podremos calcular la variación de entalpía aplicando la fórmula ya nombrada, teniendo en cuenta que:

• Tanto el agua de la disolución como el vaso se calientan, por ello aplicaremos la fórmula al vaso y al agua.

                                 Cp (agua) = 4,18 J/gK
                                 Cp (vaso) = 0,84 J/gK

• Ante la dificultad de medir la temperatura del vaso, vamos a suponer que es la misma que la del agua.
• Al realizar los cálculos aplicando la fórmula obtenemos la entalpía expresada en unidades de energía (J, KJ, cal...) pero es necesario expresarlo en KJ/mol de NaOH, por lo que tendremos que tener en cuenta los moles de NaOH empleados y aplicar la proporcionalidad correspondiente.

OBJETIVO

Ahora bien, ¿cuál es el objetivo de la práctica? Nuestro fin es determinar de forma experimental la variación de entalpía del proceso de disolución de sosa cáustica en agua expresando el resultado en KJ/mol de NaOH, y también indicar de si se trata de un proceso endotérmico o exotérmico ( si se absorbe o se desprende calor).

MATERIAL

• Vaso de precipitados:

Es un recipiente cilíndrico de vidrio que se utiliza en el laboratorio, sobre todo, para preparar o calentar sustancias y traspasar líquidos. 

• Termómetro: Instrumento de medición de temperatura

• Agua:  Sustancia líquida constituida por hidrógeno y oxígeno ( H₂O )

• Hidróxido de sodio: (NaOH) también conocido como sosa cáustica, es un hidróxido cáustico usado en la industria como una base química, en la fabricación de papel, tejidos, y detergentes. Además, se utiliza en la industria petrolera en la elaboración de lodos de perforación base agua.

• Báscula: Es un aparato que sirve para pesar, esto es, para determinar el peso.

• Varilla:  (varilla agitadora) instrumento utilizado en los laboratorios de química.
  Es un fino cilindro macizo de vidrio que sirve para agitar disoluciones, con la finalidad de mezclar productos químicos y líquidos.

EXPLICACIÓN DEL EXPERIMENTO

PASOS

1. Pesar un vaso de precipitados y llenarlo con 100 ml de agua, y obtenemos que su masa es 93,36g.

   2.   Hay que medir la temperatura del agua con el termómetro. También habría que medir la  temperatura del vaso pero no disponemos de instrumentos para hacerlo por lo que suponemos que va a ser la misma que la del agua. Obtenemos que su temperatura es 20ºC.

   3. Hay que añadir al agua 0,05 mol de NaOH (para eso hay que saber primero la masa, que es 2 g), y después lo disolvemos ayudándonos de la varilla para agitar. Hay que agitar constantemente hasta que esté totalmente disuelto.

4. Hay que introducir el termómetro y anotar la temperatura más alta alcanzada.

5. Finalmente hay que realizar los cálculos necesarios para calcular el calor
desprendido en el proceso. Puesto que se desarolló a presión constante, podemos
podemos afirmar que el calor desprendido coincide con la variación de entalpía.
Para ello tener en cuenta que :

-Qabsorbido por el agua= Cp.magua (T2-T1)

-Qabsorbido por el vaso= Cp.mvaso (T2-T1)

Hemos medido las temperaturas inicial y final, que suponemos que son las mismas para el vaso y para el agua.

El calor desprendido en la disolución será la suma del calor absorbido por el vaso y el absorbido por el agua. La experiencia no es del todo exacta puesto que el vaso puede tener pérdidas ya que el
sistema no es aislado.

DATOS Y CÁLCULOS

Para poder sacar conclusiones claras del experimento, hemos ido realizando una serie de cálculos durante todo el proceso, los cuales nos ayudarán a demostrar las variaciones de entalpía que sufre el agua al tener disuelto NaOH.

En el experimento hemos empleado un vaso de precipitados (cuya masa es de 17,11 g), en el cuál hemos introducido 100 mL de agua (que son 93,36 g de agua, debido a las impurezas que esta presenta). La temperatura del agua es de 20ºC.

Después se disuelven 0,05 mol de hidróxido de sodio (NaOH). Al conocer las masas atómicos de los elementos que componen el NaOH, podemos hallar cuantos gramos hay en 0,05 mol de este compuesto:

Datos: m_Na= 23 u ; m_O = 16 u ; m_H = 1 u

 n=m/M (n= nº de moles, m=masa del compuesto, M=masa molar del compuesto)

 Primero hallamos M_NaOH=m_Na+m_O+m_H=23+16+1=40 g/mol

 n=m/M ; m=n . M=0,05 . 40; m_NaOH = 2 gramos de NaOH

Conocida la masa que tenemos que añadir de NaOH al agua (2 g), lo añadimos y lo diluimos. Una vez realizado este paso volvemos a medir la temperatura, la cual es de 24 ºC.

Cantidad de NaOH	Tº del agua
0 mol	20 ºC
0,05 mol	24 ºC

Una vez conocida la variación de temperatura del agua en relación con la cantidad de NaOH que contiene disuelto, podemos hallar la variación de entalpía, tanto del agua como del vaso. Primero vamos a hallar la del agua:

Variación de entalpía del agua

Como el proceso se ha realizado a presión constante, se puede afirmar que la variación de entalpía coincide con el calor absorbido, de modo que para hallarla vamos a emplear la fórmula del calor:

Q_{absorbido por el agua}= Cp.m_agua(T₂-T₁)

En esta fórmula, la Q es el calor absorbido por el agua, la Cp es la capacidad calorífica del agua (es un valor constante para cada sustancia, que, en el caso del agua, es de 4,18 J/g.K, la m es la masa del agua y T₁ y T₂ son los valores inicial y final de la temperatura del agua, respectivamente.). Como conocemos todos los datos necesarios, podemos hallar el calor que ha absorbido el agua:

Datos: Cp agua= 4,18 J/g.K ;m agua = 93,36 g;  T₁=20 ºC ;  T₂=24 ºC

Q_{absorbido por el agua}= Cp.m_agua(T₂-T₁); Q=4,18 . 93,36 . (24-20) ; Q=4,18 . 93,36 . 4; Q_{absorbido por el agua}= 31,219584 KJ/mol

Variación de entalpía del vaso

También podemos hallar la variación de entalpía del vaso (sabiendo que su capacidad calorífica es de 0,84 J/g.K, y su masa 17,11 g), y considerando que la temperatura del vaso es igual a la del agua (ya que apenas varía).

Datos: Cp vaso= 0,84 J/g.K ;  m vaso= 17,11 g ;  T₁= 20 ºC ; T₂= 24 ºC  

Q_{absorbido por el vaso}= Cp.m_vaso(T₂-T₁); Q=0,84 . 17,11 . (24-20) ; Q=0,84 . 17,11 . 4; Q_{absorbido por el vaso}= 57,4896 J.ºC/K=1,149792 KJ/mol

Podemos averiguar la absorción total de calor (la del vaso y la del agua) mediante la siguiente fórmula:

Q_TOTAL=Q_{absorbido por el vaso} + Q_{absorbido por el agua}; Q_TOTAL= 1,149792 + 31,219584; Q_TOTAL=32,369376 KJ/mol

Como el calor absorbido coincide con la variación de entalpía (ΔH):

ΔH = 32,369376 KJ/mol

Esa es la variación de entalpía que presenta el agua cuando se disuelve NaOH en él.

SOLUCIÓN DEL EXPERIMENTO:

Tras completar la disolución de la sosa cáustica en el agua, debemos de comprobar la temperatura posterior a la disolución y compararla con la temperatura tomada previamente. Y después, detallar si el calor de reacción es absorbido o desprendido, y el calor que es.

La variación de temperatura es de 20°C a 24°C , lo que significa que aumenta el calor de reacción 4°C.

En cuanto a posibles errores, hay que tener en cuenta que como ya dijimos anteriormente, al no poseer algunos instrumentos (como el necesario para medir la temperatura del vaso), hay un margen de error por lo que no es una solución real pero sí aproximada. Otra manera de acercarse más a los datos reales sería realizar el experimento varias veces y hacer una media de los resultados, pero esto nosotros no lo pudimos hacer debido a que no disponíamos de más tiempo.

La conclusión del experimento es llegar a los objetivos dados y especificar si la reacción es endotérmica o exotérmica.

Tras comparar las soluciones, se llega a la conclusión de que el calor de la reacción es absorbido y no desprendido, por lo que la disolución es exotérmica.

ENLACES

Si queréis saber más sobre la entalpía termodinámica o sobre otro tipo de entalpías os recomendamos este blog, el cual también habla de la entropía:                                                               https://nataliavillegas.wordpress.com/2012/10/20/leyes-de-la-termodinamica/

También si tenéis alguna duda sobre la práctica podéis ver este vídeo en el que realizan una muy parecida a la nuestra, tenéis que ponerlo en el minuto 3:55 cuando empieza el experimento B:

https://youtu.be/hhfI3RXmBV8