Potenciales Termodinamicos Reporte 642843

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUIMICA Laboratorio de Equilibrio y Cinética

Profesores Teoría: Baldomero Esquivel Rodríguez Laboratorio: Xóchitl María Esther Arevalo Mora

Practica N° 1 Potenciales termodinámicos

Rocha Vázquez Brenda Berenice

Introducción

Los potenciales termodinámicos (U, H, A, G) son propiedades de estado extensivas. Para cierta masa de control de una sustancia pura, compresible y simple, las definiciones de H, A y G en términos de la energía interna1 (U), la presión (P), la temperatura (T) y la entropía (S) son:

H = U + PV entalpía

A = U − TS función de Helmholtz

G = H − TS función de Gibbs.

Como resultado de la segunda ley, una u otra de ´estas funciones se minimizan en estados de equilibrio termodinámico bajo ciertas condiciones bastante generales. La segunda ley nos dice que la entropía de un sistema aislado sólo puede aumentar. En consecuencia en un estado de equilibrio la entropía de un sistema aislado es máxima. Si no lo fuera, el sistema tendría una transición espontánea a un nuevo estado de equilibrio, con ∆S > 0, hasta alcanzar el máximo valor de S.

Cuestionario previo 1. ¿Qué es una reacción de óxido-reducción? Son aquellas que implican la transferencia de electrones entre potenciales químicos. Da lugar a dos procesos simultáneos. Oxidación: es el proceso en el cual una especie química pierde electrones y su número de oxidación aumenta. Reducción: es el proceso en el cual una especie química gana electrones y su número de oxidación disminuye. 2. ¿Qué es una pila y cuál es el principio de su funcionamiento? Es un generador portátil de energía obtenida mediante transformación de energía química. Su principio de funcionamiento es químico, consiste en la unión de forma controlada de dos sustancias químicas que se encuentran separadas. Al poner en o las dos sustancias mediante un conductor eléctrico, se

produce el paso de electrones por el conductor con la siguiente generación de una corriente eléctrica. Mientras las dos sustancias están aisladas eléctricamente no hay corriente y la energía eléctrica permanece almacenada. 3. Investigar qué es una pila de óxido de plata-zinc, cuál es la reacción de óxidoreducción que se lleva a cabo en ella y las aplicaciones de este tipo de pilas. Es un generador portátil de energía, no es recargable, tiene un electrolito seco, un tamaño reducido, una larga duración, un voltaje constante y una alta confiabilidad Reacción que se lleva acabo Ag2O (s) + Zn (s) -> 2Ag (s) + ZnO 4. ¿Qué es el potencial eléctrico? Es el trabajo realizado para trasladar un objeto de un punto a otro. En particular, para el caso eléctrico, definimos el potencial eléctrico de un punto A a un punto B, como el trabajo realizado para trasladar una carga positiva unitaria q de un punto a otro, desde B hasta A A W V = =−∫ EdL q B

5. ¿Qué es el trabajo eléctrico? Es el producto de una fuerza que actúa a distancia. Así, en este caso, se realizara un trabajo para trasladar una fuerza de un punto a otro. De tal forma que al aplicar un pequeño desplazamiento dL se genera un diferencial de trabajo dW. El trabajo realizado por la partícula realiza un trabajo positivo o negativo dependiendo de como sea el desplazamiento dependiendo de como sea el desplazamiento en relación con la fuerza Fa. Será considerado como un trabajo positivo aquel trabajo realizado por un agente externo al sistema carga – campo para ocasionar un cambio de posición. En el caso en que el trabajo tenga un signo negativo deberá interpretarse como el trabajo realizado por el campo. A

W =−∫ qE . dL B

Si W=0 el campo eléctrico es conservativo

6. Escribir la ecuación que relaciona al trabajo eléctrico con el potencial eléctrico para una reacción de óxido-reducción. Welec=−nFE n=moles de eF=96,500 C/mol E=diferencia de potencial 7. Explicar la interpretación física de ∆Gº cuando un proceso se lleva a cabo a presión y temperatura constantes. Si ∆Gº=0 reacción en equilibrio Si ∆Gº<0 se favorece la formación de productos Si ∆Gº>0 se favorece la formación de reactivos 8. Investigar la interpretación física de ∆Hº y ∆Sº cuando un proceso se lleva a cabo a presión constante. ∆Hº <0 la reacción desprendimiento de energía en forma de calor ∆Hº>0 la reacción requiere calor para llevarse a cabo ∆Sº=0la reacción está en equilibrio ∆Sº<0 se favorece la formación de reactivos ∆Sº>0se favorece la formación de producto 9. ¿Cuál es la ecuación que relaciona a ∆Gº con ∆Hº y ∆Sº a temperatura constante? ∆ Gº=∆ Hº +T ∆ S

10. Explicar el criterio de espontaneidad y equilibrio asociado con temperatura y presión constantes.

∆

Gº a

Gº=0 sistema en equilibrio

∆

Gº<0 proceso espontaneo

∆

Gº >0 proceso no espontaneo

∆

11. Mencionar cuáles son los factores que afectan el signo de ∆Gº en la ecuación que relaciona a ∆Gº con ∆Hº y ∆Sº a temperatura y presión constantes. Los factores que afectan el signo de ∆Gº son los valores de ∆Hº y ∆Sº

Material y reactivos 1 termómetro digitala 1 multímetro digitalb 1 controlador de inmersión de temperaturac 1 hielera de unicel 1 vaso de precipitados de 100 mL 2 soportes universales 1 pinza de tres dedos 1 elevador 1 pila comercial de Ag2O-Zn de 1.55 V 1 portapilas 2 cables con conexión de banana (rojo y negro) aceite de nujol agua hielo NOTA: aTermómetro digital con resolución de ± 0.1ºC. bMultímetro digital con resolución de ± 1 x 10-4 V. c Controlador de inmersión de temperatura con estabilidad térmica de ± 0.2ºC.

Desarrollo experimental

Figura 1. Esquema general del dispositivo experimental para la medición de potenciales termodinámicos en una pila comercial de Ag2O-Zn.

Montar el dispositivo experimental de acuerdo al esquema de la figura 1.

1. Unir los cables con conexión de banana al portapilas, empleando soldadura de estaño, respetando el código de colores (cable rojo: polo positivo y cable negro: polo negativo), para asegurar que la polaridad es la correcta. 2. Sujetar la pila de Ag 2O-Zn en el portapilas. Revisar que la polaridad y el o eléctrico sean correctos.

3. Colocar aceite de nujol en el vaso de precipitados de 100 mL, y sumergir el portapilas que contiene la pila. 4. Introducir el elevador dentro de la hielera de unicel y colocar sobre éste el vaso de precipitados con el aceite de nujol y el portapilas con la pila. 5. Introducir y encender el termómetro digital dentro del aceite de nujol, sujetándolo al soporte universal con una pinza de tres dedos. 6. Conectar las terminales de los cables del portapilas con el multímetro. Verificar que la polaridad sea correcta. 7. Introducir el controlador de temperatura al baño, ajustándolo con el soporte universal. 8. Colocar en la hielera una mezcla de hielo y agua, y llenar hasta una altura de 20 cm. 9. Encender el multímetro, elegir la escala de voltaje (corriente continua,V ) con el selector giratorio y presionar durante un segundo el botón de alta resolución (“Hi Res”) para visualizar en el multímetro la cuarta cifra en la medición del potencial eléctrico (voltaje) (Véase figura 2).

Figura 2. Esquema general del multímetro y su conexión con el portapilas que contiene la pila de Ag2O-Zn. 10. Encender el controlador de inmersión de temperatura (véase la figura 3) con el interruptor diferencial (11), y el botón de encendido (4). Emplear la velocidad de circulación alta (“high”) (8) y ajustar con la perilla indicadora (1) la temperatura en aproximadamente 10ºC y esperar hasta que la luz de calentamiento (6) se apague totalmente y así asegurar que se alcance el equilibrio térmico dentro del baño, y que la temperatura se encuentre alrededor de 10ºC. NOTA: en caso de contar con un modelo diferente, consultar el manual del equipo. 11. Registrar el potencial eléctrico a esa temperatura (≈10ºC), en la tabla 1. 12. Mover la perilla indicadora (1) para incrementar la temperatura del baño y cada 5ºC aproximadamente anotar el valor del potencial eléctrico y la temperatura a la que se efectuó la medición. Repetir este procedimiento hasta alcanzar una temperatura de aproximadamente 40ºC y tener siete determinaciones registradas en la tabla 1.

Determinaciones t / (ºC) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

T / (K) 283.15 288.15 293.15 298.15 303.15 308.15 313.15 318.15 323.15 328.15 333.15

Tabla 1. Eº / (V) 1.5030 1.5022 1.5014 1.5006 1.4999 1.4992 1.4984 1.4976 1.4966 1.4956 1.4950

Welec / (J) -290079 -289924.6 -289770.2 -289615.8 -289480.7 -289345.6 -289191.2 -289036.8 -288843.8 -288650.8 -288535

∆Gºr / (J) -290079 -289924.6 -289770.2 -289615.8 -289480.7 -289345.6 -289191.2 -289036.8 -288843.8 -288650.8 -288535

Tratamiento de datos Welec=−( 2 ) ( 96500 ) (1.5030 )=−290079

Análisis y discusión de resultados 1. ¿Cuáles son las propiedades que cambian durante el experimento? Potencial eléctrico y temperatura 2. ¿Cuáles son las propiedades que no cambian durante el experimento? Presión y volumen del aceite 3. Escribir la ecuación química que se lleva a cabo en la pila. Ag2O (s) + Zn (s) -> 2Ag (s) + ZnO 4. ¿Cómo se calcula el trabajo eléctrico de la reacción? Welec=−nFE

5. ¿Cómo se calcula el ∆Gºr de la reacción? La energía libre de Gibbs se define como la energía disponible para realizar trabajo, por lo tanto podemos decir que para el caso revisado la energía potencial que funciona como el trabajo es igual a la energía libre de Gibbs. 6. Hacer una gráfica de ∆Gºr / (J) vs T / (K).

7. Con base en los resultados experimentales, ¿cómo es la relación entre el ∆Gºr y T? Su relación es directamente proporcional ya que al aumentar la temperatura aumenta energía libre de Gibbs y viceversa. 8. Determinar la pendiente y la ordenada al origen de la línea recta obtenida. ∆G=∆H–T∆S Y= b +xm m=∆G/∆T =

(−288535 )−(−290079) =30.82 (333.15)−(283.15)

∆S= 30.82

b= y–xm 9. ¿Cuál es la interpretación física de la pendiente y de la ordenada al origen obtenidas y qué unidades tienen respectivamente? La pendiente corresponde a la ∆S cuyas unidades son J/K Y la ordenada al origen es ∆H entalpia cuya unidad es el J (joule) 10. Calcular el valor de ∆Gºr a 298.15 K a partir de los datos de la pendiente y ordenada al origen. ∆G=∆H–T∆S= (-289615.8 J)-(298.15 K)(30.82 J/K)= -298804.783 11. Empleando la tabla 2 y considerando los datos reportados en la literatura de ∆Hºm,f, ∆Gºm,f, y Sºm, calcular ΔHºr, ΔGºr y ΔSºr para esta reacción y compararlos con los datos obtenidos experimentalmente. Determinar el % error en cada caso. Tabla 2. Propiedad: ΔHºr / (J) ΔGºr / (J) TΔSºr / (J)

Datos experimentales: - 289.62 -298.80 -30.82

Datos teóricos: -319.41 -307.1 -34.19

% Error: 10.28 2.78 10.93

Reflexionar y responder 1. ¿Por qué se utiliza aceite de nujol en lugar de agua para calentar la pila?

Porque el aceite de nujol es un compuesto no polar, es decir q no tiene cargas parciales, en cambio el agua es una molécula polar por lo que afectaría la medición con el multímetro. 2. ¿Cuál es la finalidad de utilizar una hielera de unicel para colocar el baño térmico? Aclarando que en este caso no utilizamos el contenedor de unicel, la idea de colocarlo tiene como intención conservar el calor por más tiempo para que este no se pierda al entrar en o con los alrededores y se dirija hacia el aceite, elevando su temperatura y llevando a cabo la reacción 3. ¿Cuáles son los cambios energéticos que se llevan a cabo en la pila? l cambio energético dentro de una pila es de energía química de una reacción, que en este caso de óxido- reducción a energía eléctrica, que es la que se mide en el multímetro. 4. De acuerdo con los resultados experimentales, explicar: a) las condiciones de temperatura en las que la reacción es más favorable y por qué. A bajas temperaturas por que la energía de Gibbs es más negativa y por lo tanto la reacción es espontanea b) si la reacción es exotérmica o endotérmica y por qué. Es una reacción exotérmica, ya que al conocer la entalpia de reacción se obtiene un número negativo, lo que significa que el sistema pierde energía y lo libera a los alrededores c) si aumenta o disminuye el desorden al transformarse los reactivos en productos y por qué. Aumenta debido a que las interacciones moleculares son mas. 5. Determinar ΔHºr, ΔSºr y ΔGºr a 298.15 K para las siguientes reacciones, explicando en cada caso si la reacción es o no espontánea, si es exotérmica o endotérmica y si aumenta o disminuye el desorden al transformarse los reactivos en productos, en esas condiciones. Buscar los datos de de ∆Hºm,f, ∆Gºm,f, y Sºm que se requieran de la literatura. 2 NH3 (g) → N2 (g) + 3 H2 (g) NH3

N2

H2

∆ H° S

°

∆ G°

-46.11

0

0

kJ mol

192.45

191.61

130.68

J molK

-16.45

0

0

kJ mol

CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) CaCO3

∆H S

CaO

°

°

∆ G°

CO2

-1206.9

-635.09

-393.51

kJ mol

88.7

39.8

213.78

J molK

-1128.8

-604

-394.35

kJ mol

CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (l) CH4

O2

CO2

∆ H°

-74.87

0

-393.51

-285.83

kJ mol

S°

188.66

205.13

213.78

69.91

J molK

-50.8

0

-394.35

-237.13

kJ mol

∆ G°

H2O

H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l) H2

∆H S

°

°

∆ G°

O2

H2O

0

0

-285.83

kJ mol

130.68

205.13

69.91

J molK

0

0

-237.13

kJ mol

TiO2 (s) + 2 C (s) + 2 Cl2 (g) → TiCl4 (l) + 2 CO (g)

∆H

°

S° ∆G

°

TiO2 -945

C 0

Cl2 0

TiCl4 -763.20

CO -110.5

50.30

5.69

223.07

354.90

197.66

J molK

-890

0

0

-726.80

-137.16

kJ mol

kJ mol

6. En un experimento, se determinó la variación del potencial eléctrico como función de la temperatura para una celda de Daniell, obteniéndose los siguientes datos: T / (K)

283.15

Eº / (V)

1.1051

288.8 5 1.104 1

293.05 1.1034

298.3 5 1.102 5

303.25

307.95

1.1017

1.1008

La reacción global que se lleva a cabo en la celda es: Cu 2+(ac) + Zn (s) → Cu (s) + Zn2+(ac). Con esta información, determinar ΔHºr, ΔSºr y ΔGºr a 298.15 K, explicando la interpretación física de la variación de cada una de las propiedades termodinámicas en esas condiciones. 2+¿ ¿ Cu ∆ H° S

°

∆G

°

Zn

Cu

2+¿ ¿ Zn

64.77

0

0

-153.89

kJ mol

99.6

41.63

33.15

-112.1

J molK

65.49

0

0

-147.06

kJ mol

7. El dióxido de nitrógeno (NO2) es un gas tóxico que se produce en los motores de combustión interna, el cual tiende a dimerizarse, de acuerdo con la siguiente reacción: 2 NO2 (g) → N2O4 (g). Los datos de ∆Hfº y Sº a 298.15 K se presentan a continuación en la siguiente tabla: Compuesto : NO2 (g) N2O4 (g)

∆Hºf / (kJ/mol) 33.18 9.16

Sº / (J/mol K) 240.06 304.29

a) Calcular ΔHºr, ΔSºr y ΔGºr a 298.15 K ∆ H ° =[ [ 9.16 ] −[ 66.36 ] ]

kJ kJ =−57.2 mol mol

∆ S° =[ [ 304.29 ] −[ 480.12 ] ]

J J =−175.83 molK molK

∆ G=∆ H−T ∆ S −175.83

J 1 kJ kJ =−0.17583 molK 1000 J molK

(

)

∆ G=−57.2

kJ kJ −298.15 K −0.17583 mol molK

∆ G=−4.77

kJ mol

(

)

b) Asumiendo que ΔHºr y ΔSºr son independientes de la temperatura ¿En qué condiciones se favorecerá la formación del dímero N 2O4, a bajas o altas temperaturas y por qué? Es necesario tener temperaturas más altas, es decir, entre más alta se la temperatura más es favorable la formación del dímero.

Aplicación de lenguaje termodinámico 1. Definir cuál es el sistema termodinámico.

El sistema estudiado en esta práctica fue el dispositivo que contenía la pila, el aceite de nujol 2. ¿Cuántos componentes tiene el sistema y cuáles son? El sistema está conformado por dos componentes, la pila y el aceite de nugol. 3. Clasificar este sistema de acuerdo: a) al número de fases Heterogéneo b) con su interacción con el entorno. Es un sistema cerrado, ya q no permite flujo de materia pero si el flujo de energía. 4. ¿Cuáles son las paredes del sistema y cómo se clasifican: a) por la interacción mecánica sistema-entorno; b)Por la interacción térmica sistema-entorno; c) por el paso de materia sistema-entorno?

Cuestionario final ¿Qué aprendí? ¿Cómo lo aprendí? ¿Qué es lo que se me dificultó entender? Sugerencias para mejorar esta práctica.

Conclusiones