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Universidade Federal de São João Del Rei Departamento de Ciências Naturais
Beatriz do Livramento Felicidade Cristiane Marina de Carvalho Jéssica Regina Romão Cabral
Termoquímica
São João Del Rei – MG Novembro de 2010
Objetivo
Determinar o calor de neutralização entre ácidos e bases.
Introdução A maioria das reações químicas ocorre produzindo variações de energia, que freqüentemente se manifestam na forma de trabalho ou de calor. A energia térmica, relacionada à transferência de
calor, de uma substância depende do movimento de seus átomos e suas moléculas. O estudo quantitativo das variações térmicas que acompanham as reações químicas é feito pela termoquímica. 1,
A temperatura é a propriedade da matéria que determina se a energia térmica pode ser transferida de um corpo a outro e qual o sentido dessa transferência. Enquanto, o calor é a energia transferida de um objeto mais quente para um objeto mais frio. 2,
Quando dois corpos com temperaturas diferentes são postos em contato ocorre uma transferência de calor até que os dois atinjam a mesma temperatura, ou seja, atinjam o equilíbrio térmico.
O calor liberado ou absorvido por um sistema que sofre uma reação química é determinado por aparelhos chamados calorímetros. Um calorímetro é constituído de um recipiente com paredes adiabáticas provido de um agitador e de um termômetro que mede a variação de temperatura ocorrida durante a reação.
O calor liberado ou absorvido em uma reação é determinado a partir da expressão: q = m.c.∆t Em que, q é a quantidade de calor liberado ou absorvido pela reação, expresso em calorias (cal) ou em joules (J); m é a massa em gramas; c é o calor específico do liquido presente no calorímetro e ∆t é a variação de temperatura sofrida devido à ocorrência da reação. 2
O calor específico, também chamado capacidade calorífica, citado na equação acima é a quantidade de calor necessária para aumentar em um Kelvin a temperatura de um grama de uma substância. O calor específico está relacionado a três fatores: a quantidade de material, a magnitude da variação de temperatura e a identidade do material que ganha ou perde calor. 2,
O calor de reação pode ser medido a um volume constante ou à pressão constante, sendo que a variação de energia a volume constante é chamada variação de energia interna, representada por ∆E, e variação de energia determinada à pressão constante é chamada de variação de entalpia, representada por ∆H. 1
A entalpia, representada por H, corresponde ao fluxo de calor nas mudanças químicas que ocorrem á pressão constante quando nenhuma forma de trabalho é realizada a não ser o trabalho PV, que é o trabalho mecânico produzido em reações no laboratório à pressão constante. Dessa forma H é dado por:
Parte Experimental
Materiais Vaso Dewar, bastão de vidro, bureta de 50 mL (2), béquer de 250 mL (3), 1 termostato ou aquecedor, termômetro 0-100 oC (2), cronômetro.
Reagentes
Soluções padrão 1,0 mol L -1^ de ácido clorídrico, hidróxido de sódio e ácido acético, fenolftaleína.
Procedimento Experimental
1 a^ Parte - Determinação da capacidade calorífica do vaso Dewar (calorímetro)
Inicialmente, mediu-se 50 mL de água destilada em uma bureta e transferiu-se para no vaso Dewar. Em seguida, mediu-se novamente 50 mL de água destilada em uma bureta e transferiu –se para um béquer de 250 mL. Levou-se o béquer ao aquecedor, previamente regulado para 150 oC, controlando a sua potência até que a temperatura da água no béquer se estabilizasse. Anotou-se o valor T (^) a.
Tranferiu-se a água do béquer para o vaso Dewar e fechou-se imediatamente com a tampa e o termômetro, como está representado na da Figura 1.
Figura 1. Sistema para determinação do calor de neutralização. Quando foi atingido o equilíbrio térmico entre a água e o vaso Dewar, anotou-se a temperatura Tc.
Agitou-se bem a mistura e anotou-se a temperatura de 30 em 30 segundos até que o equilíbrio fosse atingido, isto é, até que a temperatura permanecesse constante. Anotou-se o valor obtido, T (^) f.
Determinou-se Cc.
Repetiu-se este procedimento e tirou-se a média dos valores obtidos Cc.
2 a^ Parte - Determinação dos calores de neutralização
Inicialmente o vaso de Dewar foi lavado com água corrente para resfriá-lo. Deixou-se o vaso de Dewar repousar aberto e com água suficiente para que fosse medida a temperatura. Após a temperatura estabilizar, a água foi descartada e secou-se o vaso. Mediu-se 50 mL da solução de ácido clorídrico em uma bureta. Em seguida, transferiu-se a solução para o vaso Dewar e adicionou-se 2 gotas de fenolftaleína. Aguardou-se o equilíbrio térmico, mantendo o vaso aberto. Anotou-se o valor de T (^) i.
Mediu-se 50 mL da solução de hidróxido de sódio em uma bureta e transferiu-se para um béquer. Retirou-se o termômetro do calorímetro, em seguida, este foi devidamente lavado e seco. Mediu-se a temperatura da solução de NaOH. A solução de NaOH foi transferida para o vaso de Dewar, o qual continha a solução de ácido clorídrico. O vaso de Dewar foi fechado imediatamente com a rolha e o termômetro. Agitou-se a mistura. Anotou-se a temperatura de 30 em 30 segundos até que o equilíbrio fosse atingido, isto é, até a temperatura permanecesse constante. Anotou-se o valor obtido, T (^) f.
Verificou-se a cor da solução dentro do vaso Dewar e anotou-se. Determinou-se Q = - F 04 4 H. Este procedimento foi refeito com a solução de ácido acético.
Resultados e discussão Em nosso dia-a-dia existem várias reações químicas que recebem e liberam energia em forma de calor. A esses tipos de reações damos o nome de endotérmica e exotérmica, respectivamente. A emissão ou absorção de energia faz com que o sistema varie sua temperatura. A variação de temperatura ocorrida em um sistema quando ele absorve certa quantidade de energia é determinada
Temperatura de Equilibrio 41 41
Com os valores das duas tabelas acima e sabendo que o calor especifico da água é 1 cal/g °C calculou-se o Capacidade Calorífica do Calorímetro C (^) C, obtendo-se:
O calor de reação entre um ácido e uma base é denominado calor de neutralização. Os ácidos e as bases fortes, em solução aquosa, encontram-se completamente dissociados e seu calor de neutralização é numericamente igual ao calor de dissociação da água com sinal contrário.
Na reação entre o ácido clorídrico e o hidróxido de sódio, que são, respectivamente, um ácido forte e uma base forte, acontece um caso de neutralização. As soluções de ácido clorídrico e hidróxido de sódio podem ser descritas segundo Arrhenius, como:
Partindo dessas soluções é possível descrever a reação de neutralização abaixo:
Tendo como sua equação iônica simplificada:
Onde é o calor de neutralização a 1 atm e 25°C. Para realizar o cálculo o calor de neutralização entre o HCl e NaOH, foi medida inicialmente, com o auxílio de um termômetro a temperatura de 50mL de uma solução de HCl com 2 gotas de fenolftaleína , que já se encontrava no calorímetro, e 50mL de uma solução de NaOH, apresentadas na Tabela 3.
Tabela 3 - Valores medidos para temperatura inicial das soluções de NaOH e HCl. Solução Temperatura(°C) NaOH 24 HCl 24
Após medidas as Temperaturas iniciais das soluções de HCl e NaOH, a solução de NaOH foi adicionada ao calorímetro e as duas foram misturadas e a cada intervalo de 30s media-se a temperatura de equilíbrio, mostrada na Tabela 4.
Tabela 4 – Temperatura de Equilíbrio da Mistura de HCl e NaOH no calorímetro. Medidas Temperatura (°C) 1 25 2 28 3 30
Para realizar o cálculo o calor de neutralização entre o CH (^) 3COOH e NaOH, foi medida inicialmente, com o auxílio de um termômetro a temperatura de 50mL de uma solução de CH3COOH com 2 gotas de fenolftaleína , que já se encontrava no calorímetro, e 50mL de uma solução de NaOH, apresentadas na Tabela 5.
Tabela 5 - Valores Medidos Para Temperatura Inicial do NaOH e HCl Solução Temperatura inicial (°C) NaOH 24 CH (^) 3COOH 24
Após medidas as temperaturas iniciais das soluções de CH (^) 3COOH e NaOH, a solução de NaOH foi adicionada ao calorímetro e as duas foram misturadas e a cada intervalo de 30s media-se a temperatura de equilíbrio, mostrada na Tabela 6.
Tabela 6 – Temperatura de Equilíbrio da Mistura de CH (^) 3COOH e NaOH no Calorímetro Medidas Temperatura (°C) 1 25 2 27 3 29 4 29 5 29 Temperatura de Equilíbrio 29
A quantidade total de calor Q pode ser medida pela elevação da temperatura do sistema durante o processo. Para relacionar Q à elevação da temperatura, sejam Ti a temperatura inicial de equilíbrio do calorímetro e dos reagentes, T (^) f a temperatura final de equilíbrio do calorímetro de dos reagentes da reação, Cc e CP as capacidades caloríficas do calorímetro e dos produtos, respectivamente.
A capacidade calorífica dos produtos pode ser calculada pela equação , como a reação de neutralização é entre as soluções de NaOH e CH3COOH, que são soluções aquosas e sendo o produto dessas reações
também uma solução iônica aquosas, admite-se o calor especifico dos produtos c (^) P e a massa m (^) P iguais, respectivamente, ao calor especifico e a massa da água, que são 1 cal/g °C e 50g.
Utilizou-se os dados das tabelas acima calculou-se o Q a partir da seguinte fórmula:
Como 529,4 cal é a quantidade de calor liberada pela reação entre 0,0493 mol de CH3COOH e
0,0498 mol de NaOH, realizando uma regra de três com os valores obtemos:
Conclusão
Os objetivos da prática foram alcançados com sucesso. A partir deste experimento, pode-se concluir que reações químicas ocorrem produzindo variações de energia, que freqüentemente se manifestam na forma de variações de calor. Essas reações podem ser classificadas como reações exotérmicas que liberam calor para o meio ambiente e como reações endotérmicas que para ocorrerem absorvem calor.
O calor de reação entre um ácido e uma base é denominado calor de neutralização. Como foi possível observar, a determinação do calor de neutralização é um processo complexo, pois, é necessário medir várias vezes a temperatura das soluções, além de conhecer a capacidade calorífica do calorímetro.
O calor de neutralização entre o ácido clorídrico e o hidróxido de sódio que são respectivamente, um ácido e uma base forte foi Q = 635,28 cal e a variação de entalpia na reação foi ∆H = -53, kJ/ mol, e portanto, a reação é exotérmica.
Quando o ácido e a base não estão completamente dissociados, no caso de ácidos e bases fracas, o calor de neutralização assume valores diferentes. No teste realizado com o ácido acético, que é um ácido fraco, o calor de neutralização entre o ácido acético e o hidróxido de sódio foi Q
