Practica 1 Potenciales Termodonamicos 1fm28

PRACTICA 1 “Potenciales Termodinámicos”

 Objetivo. Que el alumno conozca la importancia de los potenciales termodinámicos, su interpretación física y su aplicación en una reacción de óxido-reducción en una pila comercial.

 Diagrama de Flujo

Registrar el potencial eléctronico a la temperatura aproximada de 10°C

Montar el dispositivo experimental:

conectar los cables co conexión de banana al portapilas y al multímetro

sumergir el portapilas (ya con la pila) en el aceite de nujol qu estára en el vaso de precipitados.

elegir la escala de voltaje (corriente continua) en el multímetro, y apretar el botón "Hi Res" para ver la cuarta cifra en la medición

colocar el vaso de precipitados dentro de la hielera con agua a 10°C

incrementar la temperatura del baño aproximadamente cada 5°C y anotar el valor del potencial eléctrico en cada aumento

este procedimiento se realizara hasta llegar a una temperatura aproximada de 40°c

registra y completar con los cálculos requeridos las tablas

 Cálculos

Para calcular el trabajo recordamos que (1) donde n es número de moles y F es la constante de Faraday que es igual 96500 C/mol .Sabemos que trabajo (2) si sustituimos la ecuación 1 en la ecuación 2 nos queda que por lo tanto con los datos obtenidos sustituimos en la formula y obtenemos el trabajo eléctrico y sabemos que ∆G°=W elec por lo tanto así obtenemos ∆G° de la reacción redox de la pila de plata-zinc.

(

1.-

)(

)(

)

 Tablas 1 2 3 4 5 6 7

t / (°C) 10.1 15.1 20.1 25.1 30.1 35.1 40.1

T / (K) 283.25 288.25 293.25 298.25 303.25 308.25 313.25

E° / (V) 1.5860 1.5858 1.5853 1.5846 1.5844 1.5837 1.5831

285

290

295

Welec / (J) -306098.0 -306059.4 -305962.9 -305827.8 -305789.2 -305654.1 -305538.3

∆G°r / (J) -306098.0 -306059.4 -305962.9 -305827.8 -305789.2 -305654.1 -305538.3

 Graficas -305500 280

300

305

310

-305600

-305700

∆G° (J)

-305800 y = 19.024x - 311521

-305900

-306000

y = 19.024x - 311521 R² = 0.9829

-306100

-306200

Tíemperatura (K)

 Análisis de Resultados 1. ¿Cuáles son las propiedades que cambian durante el experimento? La temperatura y el potencial. 2. ¿Cuáles son las propiedades que no cambian durante el experimento? El trabajo eléctrico y la energía de Gibbs.

315

3. Escribir la ecuación química que se lleva a cabo en la pila. ( )

+2 ( )

→

( )

+ H2O (l) + 2

+ →2

()

+2

( )

+2

4. ¿Cómo se calcula el trabajo eléctrico de la reacción?

5. ¿Cómo se calcula el ΔGºr de la reacción?

6. Hacer una gráfica de ΔGºr / (J) vs T / (K). 7. Con base en los resultados experimentales, ¿cómo es la relación entre el ΔGºr y T? A mayor temperatura, menor es el ΔGºr 8. Determinar la pendiente y la ordenada al origen de la línea recta obtenida. Pendiente: -19.024 Ordenada al origen: -311521 9. ¿Cuál es la interpretación física de la pendiente y de la ordenada al origen obtenidas y qué unidades tienen respectivamente? Pendiente: ∆S= -19.024 J/mol K proceso espontáneo Ordenada al origen: ∆H= -311521J proceso exotérmico 10. Calcular el valor de ΔGºr a 298.15 K a partir de los datos de la pendiente y ordenada al origen.

-311521J – [(298k) (-19.024 J/K)] = -305851.848 J 11. Empleando la tabla 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. Propiedad:

Datos experimentales:

Datos Teóricos:

% Error:

∆H° /(J)

-311521

-317320

1.83%

∆G° / (J)

-305851.848

-307100

0.41%

∆S°r / (J)

-19.024

-34.19

44.09%

S°r / (J)

-5669.152

-10193.7

44.39%

Al ver los porcentajes de error, nos damos cuenta de que el valor experimental de ∆S°r (y por tanto también el de T∆S°r) es muy distinto del valor teórico. Pero esto no nos debe preocupar, ya que los demás datos no tienen tanto porcentaje de erros, y sobretodo que en la regresión lineal la r2=0.9829, es decir que los datos son confiables. Esto nos hace pensar que existe otra reacción involucrada en el experimento que no estamos tomando en cuenta, y es por esto que el valor de ∆S°r se ve afectado.

Reflexionar y responder. 1. ¿Por qué se utiliza aceite de nujol en lugar de agua para calentar la pila? Porque el aceite nujol tiene propiedades especificas una de ellas es que tiene un punto de fusión muy alto además porque el nujol no es un compuesto polar, por lo tanto no afecta la medición del voltaje como el agua no conduce la corriente eléctrica. El aceite nujol se utiliza como reactivo de laboratorio, en medicina y farmacia (sustituto de grasas), cosméticos, en elaboración de plásticos, lubricantes textiles, en alimentos repelentes de insectos etc. 2. ¿Cuál es la finalidad de utilizar una hielera de unicel para colocar el baño térmico? Que la temperatura se conserve y así la precisión al tomarla con el termómetro sea mayor 3. ¿Cuáles son los cambios energéticos que se llevan a cabo en la pila? Obtener una corriente eléctrica a partir de la energía química contenida en unas sustancias químicas que sufren una reacción de oxidación-reducción. 4. De acuerdo con los resultados experimentales, explicar: a) las condiciones de temperatura en las que la reacción es más favorable y por qué. La reacción de la pila es espontanea (ΔG°‹ 0), exotérmica (ΔH°‹ 0) y disminuye el desorden (ΔS°‹ 0), por lo que la reacción invierte su espontaneidad conforme se le aumenta la temperatura. Lo que nos lleva que a 298.15 K la reacción es favorecida entálpicamente (ΔH°‹ 0) y desfavorecida entrópicamente (ΔS°‹ 0). b) si la reacción es exotérmica o endotérmica y por qué.

Es exotérmica porque su ΔH°‹ 0 ya que si se aumenta la temperatura no se llevaría a cavo la reacción c) si aumenta o disminuye el desorden al transformarse los reactivos en productos y por qué. Disminuye entrópicamente porque ΔS°‹ 0 ya que la reacción invierte su espontaneidad si se le aumenta la temperatura 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 ∆Hºm, f, ∆Gºm, f, y Sºm que se requieran de la literatura. a) 2 NH3 (g) → N2 (g) + 3 H2 (g) Propiedad ∆H° /(J)

Resultado 32380 J/mol

Características Endotérmica

33320 J/mol

No espontanea

391.74 J/mol K

Aumento del desorden

Resultado 177700 J/mol

Características Endotérmica

130290 J/mol

No espontanea

160.45 J/mol K

Aumento del desorden

Resultado -890250 J/mol

Características Exotérmica

-1313180 J/mol

espontanea

-242.78 J/mol K

Aumento del desorden

ΔHºr = ΣΔH (productos) - ΣΔH (reactivos)

∆G° / (J) ΔGºr = ΣΔG (productos) - ΣΔG (reactivos)

∆S°r / (J)

ΔSºr = Σ nSº(productos) ΣnSº(reactivos)

b) CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) Propiedad ∆H° /(J) ΔHºr = ΣΔH (productos) - ΣΔH (reactivos)

∆G° / (J) ΔGºr = ΣΔG (productos) - ΣΔG (reactivos)

∆S°r / (J)

ΔSºr = Σ nSº(productos) ΣnSº(reactivos)

c) CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (l) Propiedad ∆H° /(J) ΔHºr = ΣΔH (productos) - ΣΔH (reactivos)

∆G° / (J) ΔGºr = ΣΔG (productos) - ΣΔG (reactivos)

∆S°r / (J)

ΔSºr = Σ nSº(productos) ΣnSº(reactivos)

d) SnCl4 (l) + 4 H2O (l) → Sn(OH)4 (s) + 4 HCl (g) Propiedad ∆H°

Resultado

Características

Resultado -285830 J/mol

Características Exotérmica

-237520 J/mol

espontanea

-162.56 J/mol K

Aumento del desorden

ΔHºr = ΣΔH (productos) - ΣΔH (reactivos)

∆G° ΔGºr = ΣΔG (productos) - ΣΔG (reactivos)

∆S°r

ΔSºr = Σ nSº(productos) ΣnSº(reactivos)

e) H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l) Propiedad ∆H° ΔHºr = ΣΔH (productos) - ΣΔH (reactivos)

∆G° ΔGºr = ΣΔG (productos) - ΣΔG (reactivos)

∆S°r

ΔSºr = Σ nSº(productos) ΣnSº(reactivos)

f) TiO2 (s) + 2C (s) + 2 Cl2 (g) →TiCl4 (l) + 2 CO (g) Propiedad ∆H°

Resultado -1589300 J/mol

Características Exotérmica

1640.5 J/mol

No espontanea

172.05 J/mol K

Disminución del desorden

ΔHºr = ΣΔH (productos) - ΣΔH (reactivos)

∆G° ΔGºr = ΣΔG (productos) - ΣΔG (reactivos)

∆S°r

ΔSºr = Σ nSº(productos) ΣnSº(reactivos)

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) E°/(V)

283.15 1.1051

288.85 1.1041

293.05 1.1034

298.35 1.1025

303.25 1.1017

307.95 1.1008

La reacción global que se lleva a cabo en la celda es: Cu2+ (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.

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

∆G°r=-nFE° (J/mol)

-211295.12

-211103.92

-210970.08

-210798

-210645.04

-210472.96

Graficando los valores anteriores: -210000 -210200 -210400 -210600

y = 158.7x - 211274 R = 0.9984

-210800 Series1 -211000

Linear (Series1)

-211200

Sabemos que la pendiente de la grafica nos permite conocer ΔSºr, por lo tanto, ΔSºr=158.7J/mol K y la ordenada al origen es ΔHºr, por lo tanto, ΔHºr= -211274 J/ mol. A partir de estos datos podemos conocer ΔGºr a 298.15 K Si: ΔGºr= ΔHºr-T ΔSºr Entonces: ΔGºr= (-211274 J/ mol)-[(298.15 K) 158.7J/mol K)] = -258590.40 J /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)

∆H°f /(KJ/mol) 33.18 9.16

S° / (J/mol K) 240.06 304.29

a) Calcular ΔHºr, ΔSºr y ΔGºr a 298.15 K (

∆H°r=∑

)

∑

(

)

= (9.16 KJ/mol)-[2(33.18 KJ/mol)] =-57.2 KJ/mol

∆S°r=∑

(

)

∑

(

)

=304.29 KJ/mol-[2(204.06 KJ/mol)] =-175.83 KJ/mol

∆G°r = ∆H°r-T∆S° = (-57.2 KJ/mol)-[(298.15 K) (-0.17583 KJ/mol K)] =-4.77 KJ/mol b) Asumiendo que ΔHºr y ΔSºr son independientes de la temperatura ¿En qué condiciones se favorecerá la formación del dímero N2O4, a bajas o altas temperaturas y por qué? Se ve favorecida a bajas temperaturas, pues al tener un ∆H y S∆ negativo obtenemos un ∆G también negativo lo cual nos indica que esa reacción es espontánea a bajas temperaturas.

Aplicación de lenguaje termodinámico 1. Definir cuál es el sistema termodinámico. La reacción óxido-reducción dentro de la pila

2. ¿Cuántos componentes tiene el sistema y cuáles son? Tiene 4 y son los presentes en la reacción

( )

+

( )

→2

( )

+

( )

3. Clasificar este sistema de acuerdo: a) al número de fases; b) con su interacción con el entorno. Homogéneo y cerrado 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 La paredes son las paredes dela pila son rígidas, impermeables y diatérmicas

 Conclusión Los potenciales termodinámicos nos ayudan a describir, en cierto sentido, la cantidad de energía potencial que está disponible en un sistema termodinámico, así como para poder predecir cuáles cambios termodinámicos serán espontáneos o no, o estarán en equilibrio. En esta práctica consideramos 3 potenciales termodinámicos importantes: Energía libre de Gibbs, Entalpia y entropía. En cuanto a nuestros porcentajes de error el más elevado fue el de ΔS° % de error=44.09%, sin embargo ΔG° tiene un porcentaje de error muy pequeño (% de error=0.41%) esto pude decir que calcular el trabajo eléctrico no es el único que se presenta en este proceso de óxido - reducción en la pila de plata –zinc.

 Bibliografía Castellan, G.W., Fisicoquímica, 2ª Edición, USA, Addison-Wesley Iberoamericana, 1987. Chang, R., Fisicoquímica, 3 Edición, México, Mc Graw Hill, 2008.