Lab Eq y c Práctica 1. Potenciales Termodinamicos

7/23/2019 Lab Eq y c Prctica 1. Potenciales Termodinamicos

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DEMXICO

FACULTAD DE QUMICA

LABORATORIO DE EQUILIBRIO Y CINTICAGRUPO: 32

PRCTICA 1. POTENCIALES

TERMODINMICOS.

INTEGRANTES:

Prez Flores KarlaPrez Romo Patricia Alejandra

Quiahua Salvador Gabriela

Ramrez Martnez SebastianVelzquez Salazar Mara Esperanza

EQUIPO: 1


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OBJETIVO

Conocer la importancia de los potenciales termodinmicos, su interpretacin fsica y

su aplicacin en una reaccin de xido- reduccin en una pila comercial.

DIAGRAMA DE FLUJO

CLCULOS

Para el clculo del trabajo elctricoF EWelec= n

Donde:n= Mol de electrones intercambiadosF= Constante de Faraday = 96,500 C/molE= Voltaje

Para todos los casos de la reaccin llevada a cabo en la pila:g O Zn nO 2AgA 2 + Z +

Hay intercambio de 2 mol de electrones.F, es una constante y E es la variable dependiente.

Anlisis dimensional

, la constante de Faraday tiene unidades de ,V1 = JCC

mol


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Ejemplo:

J 2moldee)(96500 )(1.5961 V) 08047.3Welec= ( C

mol = 3

Clculo de G

A temperatura y presin constantesGWelect=

Para yS H

donde , de la ecuacin de la recta de laG H S = T Gy= Sm= Hb=

grfica de dependiente de T se obtuvieron los valores de la variacin de entalpa G

y entropa.

RESULTADOS

TABLA 1.

t (C) T (K) E (V) Welec (J) (J)G r

40 313.15 1.5961 -308047.3 -308047.3

35 308.15 1.5967 -308162.1 -308162.1

30 303.15 1.5973 -308278.9 -308278.9

25 298.15 1.5980 -308414 -308414

20 293.15 1.5985 -308510.5 -308510.5

15 288.25 1.5991 -308626 -308626

TABLA 2.

Propiedad Datos experimentales Datos tericos % error

Hr (J) - 315 336 -319 400 1.27

Gr (J) - 308 398.05 - 308 398.05 0.29

Sr (J) - 23.27 - 33.891 31.51

Calculos:Zn + Ag2OZnO + 2 Ag

Sustancia Hr(kJ) Gr (kJ) Sr (J/K)

Zn 0 0 41.6

Ag2O -31.0 -11.2 121.0


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ZnO -350.46 -318.3 43.64

Ag 0 0 42.55

Hr= Hproductos-Hreactivos = -350 460 J - (-31 000J) = -319 460 J

% error = = 1.27%x100V teoricoV teorivo V experimental| |

= x100319 460

319 460 (315 336)l| |

GRFICAS

Ecuacin del grfico 3.7x 15336y= 2 3

ANLISIS DE RESULTADOS

1. Cules son las propiedades que cambian durante el experimento?Temperatura y voltaje

2. Cules son las propiedades que no cambian durante el experimento?Presin, volumen

3. Escribir la ecuacin qumica que se lleva a cabo en la pila.g O Zn nO 2AgA 2 + Z +

4. Cmo se calcula el trabajo elctrico de la reaccin? donde n= nmero de electrones intercambiados. F= cte de Faraday = F EWelec= n

96500 C/mol y E= Voltaje (V).


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5. Cmo se calcula el Gr de la reaccin?G W = elec

6. Hacer una grfica de Gr / (J) vs T / (K).

*est en la seccin de grficas*

7. Con base en los resultados experimentales, cmo es la relacin entre elGr y T?Es una relacin lineal

8. Determinar la pendiente y la ordenada al origen de la lnea recta obtenida.m= 23.27 y b= -315336

9. Cul es la interpretacin fsica de la pendiente y de la ordenada al origenobtenidas y qu unidades tienen respectivamente?La ecuacin de la grfica es 3.7x 15336y= 2 3

y la ecuacin que relaciona a temperatura constante esG, S, H

dondeG H S = T Gy= Sm= Hb=

10. Calcular el valor de Gr a 298.15 K a partir de los datos de la pendiente yordenada al origen.

G H S = T

G 15336J (298.15K)(23.27J/K)] 22273.9505J 22.274J = 3 [ = 3 = 3

11. Empleando la tabla 2 y considerando los datos reportados en la literatura deHm,f, Gm,f, y Sm, calcular Hr, Gr y Sr para esta reaccin ycompararlos con los datos obtenidos experimentalmente. Determinar el % erroren cada caso.

Tabla 2.

Propiedad Datos experimentale: Datos tericos % Error

Hr/ (J) -317593.2461J -314879 J 0.855

Gr/ (J) -305120.725 J -307184 J 0.672

TSr/ (J) -41.7071 J -25.8 J 61.65


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Porcentaje de Error:

Reflexionar y responder.

1. Por qu se utiliza aceite de nujol en lugar de agua para calentar la pila?El aceite de nujol es un compuesto no polar, es decir que no tiene cargas parciales,en cambio el agua es una molcula polar por lo que afectara la medicin con el

multmetro.

2. Cul es la finalidad de utilizar una hielera de unicel para colocar el baotrmico?No se utiliz la hielera de unicel, aunque la finalidad era poder conservar el calor porms tiempo para que ste no se perdiera al entrar en contacto con los alrededores yse pudiera llevar a cabo la reaccin.

3. Cules son los cambios energticos que se llevan a cabo en la pila?


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El cambio energtico dentro de una pila es de energa qumica de una reaccin, queen este caso de xido- reduccin a energa elctrica, que es la que se mide en elmultmetro.4. De acuerdo con los resultados experimentales, explicar:

a. Las condiciones de temperatura en las que la reaccin es ms favorable: Abajas temperaturas.

b. Si la reaccin es exotrmica o endotrmica: Es exotrmica porque su H CaO (s) + CO2

Hr Kcal/mol Gr Kcal/mol Sr [cal/mol] C

CO2 -94.05 -94.25 51.04CaO -151.9 -144.4 9.5

CaCO3 -288.49 -270.57 21.2

Hr= -94.05 - 151.9 + 288.49 = 42.54 Kcal/mol ENDOTRMICAdS= 51.04 + 9.5 - 21.2 = 39.34 Kcal/mol AUMENTA EL DESORDEN

Gr= -94.05 - 144.4 + 270.57 = 32.15 [cal/mol C] NO ESPONTNEA

b. NH3 (g) ---> N2 (g) + 3H2

Hr= 766.7 J ENDOTRMICA Sr= 2.57 J/K AUMENTA EL DESORDEN Gr= 0 J/mol SISTEMA EN EQUILIBRIO

c. CaCO3 (s) ---> CaO (s) + CO2 (g)

Hr= 1.78 KJ/mol ENDOTRMICA

dS= 0.24465 KJ AUMENTA EL DESORDEN


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Gr= 101 KJ NO ESPONTNEA

d. CH4 (g) + 2 O2 (g) ---> CO2 (g) + 2 H2O (l)

Sr= 429.244 J/K AUMENTA EL DESORDEN Hr= -520 KJ EXOTRMICA

e. SnCl4 (l) + 4 H2O (l) ---> Sn(OH)4 (s) + HCl (g)


f. H2 (g) + O2 (g) ---> H2O (l)

Hr= -258.8 J EXOTRMICA Sr= -0.95 J/K DISMINUYE EL DESORDEN Gr= 13.3 J/mol PROCESO NO ESPONTNEO

g. TiO2 (s) + 2C (s) + 2 Cl2 (g) ---> TiCl4 (l) + 2 CO (g)


6. En un experimento, se determin la variacin del potencial elctrico comofuncin de la temperatura para una celda de Daniell, obtenindose lossiguientes datos:

T/(K) 283.15 288.85 293.05 298.35 303.25 307.95

E/(V) 1.1051 1.1041 1.1034 1.1025 1.1017 1.1008

La reaccin global que se lleva a cabo en la celda es: Cu2+ (ac) + Zn (s) Cu(s) + Zn2+ (ac). Con esta informacin, determinar Hr, Sr y Gr a 298.15 K,explicando la interpretacin fsica de la variacin de cada una de laspropiedades termodinmicas en esas condiciones.


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Hr= 1.153 J-Sr= 0 J/KGr= 1.153JCon estos valores podemos determinar que esta reaccin es no espontnea por loque requiere que un agente externo acte sobre uno de los componentes del sistemapara que esta se lleve a cabo.El Cu en esta reaccin se redujo mientras que el Zn se oxida, lo cual indica que elflujo de electrones fue del Zn al Cu. Al ir aumentando la temperatura, el trabajo elelctrico que en este caso por ser a presin constante es igual a la energa libre deGibbs del sistema fue disminuyendo hasta llegar a un punto mnimo de equilibrio.La entropa de este sistema es cero ya que es un proceso reversible, lo indica que esun proceso no espontneo que nos rectifica el valor positivo de Gr, la entalpa delsistema es positivo ya que hace referencia a que es una reaccin endotrmica, estaenerga la que provoca el flujo de electrones de una especie a otra.7. El dixido de nitrgeno (NO2) es un gas txico que se produce en losmotores de combustin interna, el cual tiende a dimerizarse, de acuerdo con lasiguiente reaccin: 2 NO2 (g) N2O4 (g). Los datos de Hf y S a 298.15 K sepresentan a continuacin en la siguiente tabla:

Compuesto: Hf / (kJ/mol) S / (J/molK)

NO2 (g) 33.18 240.06

N2O4 (g) 9.16 304.29

a) Calcular Hr, Sr y Gr a 298.15 K

Hr= 9.16-((2)(33.18))= -57.2 kJ/mol


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Sr= 304.29-((2)(240.06))= -175.83 J/molKGr= (-57200 J/mol) - ((298.15 K)(-175.83 J/molK))= -4776.29 J/mol= -4.776 kJ/molKb) Asumiendo que Hr y Sr son independientes de la temperatura En qucondiciones se favorecer la formacin del dmero N2O4, a bajas o altas

temperaturas y por qu?A bajas temperaturas ya que H y S tienen valores negativos, para que la reaccinde la formacin del dmero sea espontnea G debe ser negativo y por la relacinmatemtica G=H-TS concluimos que el producto TS debe ser menor que H,para que esto sea posible tiene que llevarse a cabo a bajas temperaturas.

Aplicacin de lenguaje termodinmico.

1. Definir cul es el sistema termodinmico.

El matraz que contena el dispositivo con la pila y el aceite de nujol.

2. Cuntos componentes tiene el sistema y cules son?El sistema est conformado por el matraz, el corcho, el porta pilas, la pila, eltermmetro, los cables y el aceite de nujol.

3. Clasificar este sistema de acuerdo:a) al nmero de fases: heterognea, ya que estaba conformado por una fase liquida,el aceite de nujol una fase gaseosa, el aire que estaba dentro del matraz, as como

de una fase solida que era el porta pilas, la pila, los cables y el corcho.b) con su interaccin con el entorno: Es un sistema cerrado, ya que no permite el flujode materia pero si el flujo de energa.

4. Cules son las paredes del sistema y cmo se clasifican:a) Por la interaccin mecnica sistema-entorno: sistema cerrado.b) Por la interaccin trmica sistema-entorno, son paredes diatrmicas ya quepermiten el equilibrio trmico entre el agua y el dispositivo.c) Por el paso de materia son paredes impermeables, porque no permiten el paso de

materia sistema-entorno.

CONCLUSIONES

Se llev a cabo una reaccin de xido-reduccin en una pila de xido de plata y zinc,determinamos los potenciales termodinmicos Hr, Sr, Gr.En este caso experimentalmente obtuvimos como funcin de la temperatura, y G

gracias a la ecuacin que relaciona ) obtuvimos a S G, HyS G H S( = T

como la pendiente y H como la ordenada al origen .

Se observ una clara tendencia del valor de a decrecer conforme disminuye la G temperatura, pas de ser ms negativo a menos negativo, es decir de ms


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espontneo o a menos espontneo. Para al ir disminuyendo la temperatura es S

claro que el nmero de microestados tambin lo hace, el sistema se vuelve msordenado.

LO QUE APREND

Prez Flores Karla:Una reacciones de xido-reduccin, causa una diferencia de voltajes y puedenutilizarse como la base para la elaboracin de pilas elctricas, como la que utilizamosen la prctica que funcionaba a base de la reaccin redox del xido de plata y zinc,esta diferencia de voltaje puede expresarse como la diferencia de potencial elctrico, quebajo las condiciones en las que trabajamos, temperatura constante, es el trabajo que esta

realiza y es igual al cambio de energa de Gibbs (G), y bajo estas condiciones mientras masdisminuye la temperatura disminuye G, si esta disminuye tambin la capacidad del sistemapara realizar el trabajo elctrico, y la reaccin es cada vez menos espontnea.

Prez Romo Patricia Alejandra:Los potenciales termodinmicos son funciones de estado que estn definidas es unacondicin especfica del sistema, no se cuenta con instrumentos para medirdirectamente estas funciones, no existen entalpimetros ni entropiometros, etc, porlo cual es necesario transformar matemticamente estas funciones de modo queestas puedan ser medibles, como sabemos la mayora de las reacciones y prcticas

de laboratorio se llevan a presin constante.La utilidad de conocer el valor de de una reaccin es un criterio de espontaneidad G

y equilibrio en un proceso isobrico, isotrmico y reversible. Las ecuacionesfundamentales de la termodinmica nos sirven para conocer toda la informacinenergtica del sistema durante un proceso, en este caso de la reaccin redox de lapila.

Quiahua Salvador Gabriela:En la prctica aprend que si un cuerpo se le aplica calor y no cambia su estado, su

temperatura aumenta y que gracias a este aumento sus molculas se mueven msrpido y su energa cintica aumenta y tambin su energa potencial. Los potencialestermodinmicos son propiedades de estado extensivas que nos permiten describir,en cierto sentido, la cantidad de energa potencial que est disponible en un sistematermodinmico, as como para poder predecir cules cambios termodinmicos sernespontneos o no, o estarn en equilibrio.Tambin que la variacin de la energa de Gibbs en una reaccin es til porque es uncriterio de espontaneidad y equilibrio a temperatura y presin constantes en procesosreversibles, esto indica que cuando G < 0, denota un proceso espontneo, mientras

que G = 0, indica equilibrio termodinmico a temperatura y presin constantes. Por


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otra parte, G es importante porque incorpora a las variaciones de entalpa y deentropa, La variacin de la entropa, S, est asociada con el aumento o disminucindel nmero de estados microscpicos congruentes con un estado macroscpico dadopara el sistema.

Ramrez Martnez Sebastian:Aprend que al tener un sistema termodinmico de estudio en el laboratorio esimportante conocer todas sus propiedades, estas pueden macroscpicas omicroscpicas con lo cual siempre surge el problema de que las propiedadesmicroscpicas son muy difcil de medir a simple vista o con un aparato comn delaboratorio en este caso nos toc medir el flujo de electrones en una reaccin redoxdonde tuvimos que apoyarnos de las propiedades macroscpicas del sistema como elvoltaje y temperatura para as poder plantear un modelo matemtico til para por fin

conocer esta propiedad.Es importante saber el signo y valor de las variables de nuestro sistema para poderledar una buena interpretacin termodinmica porque sin eso no podramos describir loque sucede en el experimento a nivel micro y

Velzquez Salazar Mara Esperanza:En esta prctica comprend cmo funciona una pila, transformando la energa qumicaen energa elctrica, gracias a una reaccin de xido-reduccin en el cual el flujo deelectrones viajan por electrodos obtenindose electricidad.

Los potenciales termodinmicos nos ayudan a predecir cmo sern las reacciones,por ejemplo la entalpa: si el valor es mayor a cero es un proceso endotrmico y si esmenor a cero es un proceso exotrmico. En el caso de la energa libre Gibbs, si elvalor es mayor a cero, es un proceso no espontneo y si es menor a cero, es unproceso espontneo. Un valor igual a cero nos indica que la reaccin est enequilibrio. Y por ltimo, en el caso de la entropa, un valor menor a cero es unadisminucin de microestados y un nmero mayor a cero es un aumento del nmerode microestados.

En esta prctica se calcul los potenciales termodinmicos, para saber cmo fue la

reaccin gracias a su interpretacin fsica y su aplicacin en una reaccin de

xido-reduccin en una pila comercial.

BIBLIOGRAFA

Leidler, K., Meiser, J. Fisicoqumica. (2006). Mxico. CECSA, 1 ed. Chang, R. Fisicoqumica. (2008). Mxico. McGraw Hill 3a. edicin. P. Atkins and L. Jones, Chemical Principles. (2005). New York. Freeman, 3rd

ed. pp. 472-473, A11-A16.


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