DETERMINAÇÃO DO CALOR DE NEUTRALIZAÇÃO

UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE – UNESC

CURSO DE ENGENHARIA QUIMICA

GABRIELE PORFÍRIO GAMBALONGA

LETÍCIA DE MATOS DA SILVEIRA

LUIZE LEITES DE MATTIA

NILSÉIA FELTRIN

DETERMINAÇÃO DO CALOR DE NEUTRALIZAÇÃO

CRICIÚMA, 2014

GABRIELE PORFÍRIO GAMBALONGA

LETÍCIA DE MATOS DA SILVEIRA

LUIZE LEITES DE MATTIA

NILSÉIA FELTRIN

DETERMINAÇÃO DO CALOR DE NEUTRALIZAÇÃO

Relatório apresentado à disciplina de Química Experimental II, do Curso de Engenharia Química, ministrado pelo professor Erlon Mendes.

CRICIÚMA, 2014

INTRODUÇÃO

Nas reações químicas grande parte da energia envolvida aparece em forma de calor, sendo classificadas como endotérmicas ou exotérmicas.

Sempre que houver envolvimento de energia na reação entre um ácido e uma base, produzindo um sal deve ser atribuída à reação dos prótons com as hidroxilas. Essa reação é denominada de neutralização e o calor (entalpia) envolvido em um mol de prótons com um mol de hidroxilas denomina-se de entalpia, ou calor de neutralização.

Neste relatório será apresentado o calor de neutralização entre um ácido (HCl) e uma base (NAOH).

OBJETIVO

Determinar o calor da reação de neutralização entre o acido clorídrico (HCl) e o hidróxido de sódio (NaOH).

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Diluição de soluções

A diluição é um procedimento para a preparação de soluções menos concentradas por meio de outras mais concentradas.

Ao efetuar um processo de diluição, ou seja, ao adicionar mais solvente a determinada quantidade da solução estoque, modifica-se (diminui) a concentração da solução sem variar o número de mols de soluto presente na solução. Em outras palavras,

mols de soluto antes da diluição=mols de soluto depois da diluição

Pelo fato de a molaridade ser definida como mol de soluto por litro de solução, observa-se que o número de mols de soluto é dado por

(mols de soluto)/(litros de solução)×volume de solução (em litros)= mols de soluto

ou

M.V=mols de soluto

Como todo o soluto provém da solução original, pode-se concluir que,

M_1 V_1=M_2 V_2

sendo que M_1 e M_2 são as concentrações inicial e final da solução em molaridade, e V_1 e V_2 são os volumes inicial e final da solução, respectivamente.

(CHANG, 2006, p. 115 - 116)

Neutralização ácido – base

Uma reação de neutralização é aquela que ocorre entre um ácido e uma base. De modo geral, as reações ácido-base em meio aquoso produzem um sal e água. O sal é um composto iônico constituído por um cátion diferente de H+ e um ânion diferente de OH- ou 02-:

ácido+base=> sal+água

Por exemplo, quando uma solução de HCl é misturada com uma solução de NaOH, ocorre a seguinte reação:

〖HCl〗_((aq))+〖 NaOH〗_((aq)) → 〖NaCl〗_((aq))+〖H_2 O〗_((l))

No entanto, como o ácido e a base são eletrólitos fortes, estão completamente ionizados em solução. A equação iônica é:

H_((aq))^++〖Cl〗_((aq))^-+〖Na〗_((aq))^++〖OH〗_((aq))^-=>〖Na〗_((aq))^++〖Cl〗_((aq))^-+ 〖H_2 O〗_((l))

(CHANG, 2006, p. 104)

Calor de reação

A temperatura é a medida quantitativa de um estado energético. Maior temperatura, maior conteúdo energético; menor temperatura, menor conteúdo energético. Ao passar de um sistema para outro, a energia varia de um valor definido para outro valor também definido. Em geral, o interesse é nas variações de energia e não nos valores absolutos da energia. Assim, observando-se as trocas de energia entre o sistema e o ambiente, pode-se medir as variações de energia.

A diferença de temperatura entre o sistema termodinâmico e sua vizinhança, gera uma diferença de energia, uma energia em transito conhecida como calor.

Numa reação química, a quantidade de calor trocada (doada ou recebida) pelo sistema com as vizinhanças é denominada de calor de reação.

3.4 Reações endotérmicas e reações exotérmicas

Ao dissolver hidróxido de sódio (〖NaOH〗_((s))) em água, pelo simples contato das mãos com o recipiente, observa-se uma elevação da temperatura. Ao contrário, a dissolução do cloreto de amônio (〖NH〗_4 〖Cl〗_((s))) em água, observa-se a condensação do vapor de água nas paredes do recipiente. Da mesma maneira, muitas reações químicas também ocorrem com desprendimento de calor (reações exotérmicas) e absorção de calor (reações endotérmicas).

A representação termodinâmica da entalpia numa reação é feita após o segundo membro (depois da representação dos produtos) dando ao valor da variação de entalpia (H) o sinal – (menos), quando o calor for liberado como um produto e dando-lhe um sinal + (mais), quando o calor for absorvido como um reagente (LENZI et al., 2004, p.328).

3.5 Calor de neutralização

Sabe-se que um ácido, ou uma base forte, são espécies que no solvente água estão completamente dissociadas, isto é, as moléculas e as possíveis estruturas cristalino-sólidas desaparecem e na solução aparecem os íons correspondentes (cátions - positivos e ânions – negativos).

Em geral, a equação resultante de uma base em meio aquoso e um ácido em meio aquoso é a seguinte:

H_((aq))^++〖OH〗_((aq))^-= 〖H_2 O〗_((l) )+Energia (liberada)

Portanto, se houver envolvimento de energia na reação acima deve ser atribuída à reação dos prótons com as hidroxilas. Essa reação é denominada de neutralização e o calor (entalpia) envolvido em um mol de prótons com um mol de hidroxilas denomina-se de entalpia, ou calor de neutralização.

A somatória de toda a quantidade de calor do sistema é igual a zero:

∑▒〖Q=0〗

(LENZI et al., 2004, p.338)

3.6 Calor de neutralização de NaOH e HCl tabelado

〖HCl〗_((aq))+〖 NaOH〗_((aq))=>〖NaCl〗_((aq))+〖H_2 O〗_((l)) ∆H= -56,2 kJ/mol

(CHANG, 2006, p. 186)

O calor de neutralização de uma reação, também pode ser calculado a partir da entalpia de formação dos compostos envolvidos.

Tabela 1 – Entalpia de formação

Composto ∆_f Hº/ (kJ mol-1)

〖HCl〗_((aq)) -167,16

〖〖Na〗^+〗_((aq)) -240,12

〖〖Cl〗^-〗_((aq)) -167,16

〖〖OH〗^-〗_((aq)) -299,99

〖H_2 O〗_((l)) -285,83

Fonte: Atkins, 2003.

MATERIAIS E MÉTODOS

4.1. Materiais e reagentes

Tabela 2 – Materiais utilizados

Materiais Capacidade Quantidade

Béquer 250 mL 02

Bastão de vidro - 01

Balança analítica - 01

Calorímetro - 01

Termômetro - 01

Fonte: elaboração dos autores.

Tabela 3 – Materiais utilizados

Reagentes Quantidade em (g)

Solução 1 mol/L de NaOH ± 376,00

Solução 1 mol/L de HCl ± 376,00

Fonte: elaboração dos autores.

4.2. Procedimento

Pesou-se aproximadamente 125 g da solução 1 mol/L de NaOH em um béquer;

Anotou-se a massa pesada;

Transferiu-se a solução contida no béquer para o calorímetro com capacidade térmica conhecida;

Aguardou-se o sistema calorímetro + solução de NaOH atingir o equilíbrio e mediu-se a temperatura T_1;

Pesou-se aproximadamente 125 g da solução 1 mol/L de HCl em um béquer;

Anotou-se a massa pesada;

Transferiu-se a solução contida no béquer para o calorímetro;

Agitou-se suavemente o sistema com o termômetro e mediu-se a temperatura T_2 máxima obtida;

Repetiu-se o procedimento em triplicata e utilizando os valores das massas de NaOH e HCl, da capacidade térmica do calorímetro e das temperaturas T_1 e T_2, determinou-se o calor molar de neutralização dos sistemas.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O objetivo do experimento era determinar o calor molar da reação entre uma solução 1 mol/L de NaOH e uma solução 1 mol/L de HCl, utilizando um termômetro calibrado e um calorímetro com capacidade térmica conhecida.

O valor da capacidade térmica conhecida do calorímetro (determinado na aula 1) e usado para os cálculos dos experimentos desse relatório é igual a 3,28 cal/°C.

Os dados e os cálculos obtidos podem ser observados a seguir:

Tabela 4 – Dados experimentais

Experimento m_NaOH (g) m_HCl (g) T_(1 ) (ºC) T_2 (ºC)

1 125,46 125,57 24,0 30,0

2 124,87 125,01 24,0 30,0

3 124,89 125,10 24,0 30,0

Fonte: elaboração dos autores.

Realizando uma interpolação dos dados com a escala Celsius para calibrar o termômetro e encontrar a temperatura real. Os resultados podem ser observados na tabela 5:

Temperatura corrigida/escala real:

X=(100.Y-10)/96,9

Onde:

X = temperatura corrigida/escala real

Y = temperatura não corrigida/dados iniciais

Utilizando os valores das massas dos produtos e das temperaturas T_1 e T_2, para determinar o calor de neutralização:

Q_(neutralização )+C_cal .(T_f-T_2 )+ m_(produto ) (g).c_produtos .(T_2-T_1 )=0 (equação 1.0)

Onde:

C_cal = 3,28 cal/°C

m_(produto )= m_NaOH+m_HCl

C_água = 1 cal/ (g.°C)

Experimento I:

Q_(neutralização )+C_cal .(T_f-T_2 )+ m_(produto ) (g).c_produtos .(T_2-T_1 )=0

Q_(neutralização )+3,28.(30,9-24,7)+251,03 .1.(30,9-24,7)=0

Q_(neutralização )= -20.336-1556,386

Q_(neutralização )=-1576,722 cal

Experimento II:

Q_(neutralização )+C_cal .(T_f-T_2 )+ m_(produto ) (g).c_produtos .(T_2-T_1 )=0

Q_(neutralização )+3,28.(30,9-24,7)+249,88 .1.(30,9-24,7)=0

Q_(neutralização )= -20.336-1549,256

Q_(neutralização )=-1569,592 cal

Experimento III:

Q_(neutralização )+C_cal .(T_f-T_2 )+ m_(produto ) (g).c_produtos .(T_2-T_1 )=0

Q_(neutralização )+3,28.(30,9-24,7)+249,99 .1.(30,9-24,7)=0

Q_(neutralização )= -20.336-1549,938

Q_(neutralização )=-1570,274 cal

Tabela 5 – Dados experimentais com a temperatura na escala Celsius real

Experimento m_NaOH (g) m_HCl (g) T_(1 ) (ºC) T_2 (ºC) Q_neutralização (cal)

1 125,46 125,57 24,7 30,9 -1576,722

2 124,87 125,01 24,7 30,9 - 1569,592

3 124,89 125,10 24,7 30,9 - 1570,274

Fonte: elaboração dos autores.

Utilizando os valores de Q_neutralização, para determinar o Q_molar:

M= n/V

Onde:

M=concentração molar de reagente;

V=volume da solução. .

Para calcular o Q_(molar ), utilizou-se o número de mols do agente limitante, que no caso foi o NaOH.

Q_molar=Q_neutralização/n

Onde:

n=número de mols de NaOH;

Q_neutralização=obtido a partir da reação 1.0.

Experimento I

n=M.V n=1 mol/L .0,12546 L n=0,12546 mol

Q_molar=Qneutralização/n Q_molar=(-1576,722)/0,12546 Q_molar= -12567,53 cal/mol

Experimento II

n=M.V n=1 mol/L .0,12487 L n=0,12487 mol

Q_molar=Qneutralização/n Q_molar=(-1569,592)/0,12487 Q_molar= -12569,81 cal/mol

Experimento III

n=M.V n=1 mol/L .0,12489 L n=0,12489 mol

Q_molar=Qneutralização/n Q_molar=(-15770,274)/0,12489 Q_molar= -12573,26 cal/mol

Para realizar a comparação da entalpia de formação entre NaOH e HCl, calculou-se a media dos valores para o Q_molar:

Média=(m_1+ m_2+ m_n)/n Média=((-12567,53)+(-12569,81)+(-12573,26))/3

Média=(-37710,6)/3 Média=Q_molar= -12570,2 cal/mol

Transformando de cal/mol para kJ/mol:

-12570,2 cal/mol.((1 kcal)/(1000 cal)).((4,18 kJ)/(1 kcal))= -52,55 kJ/mol

A partir dos valores de entalpia de formação (Tabela 1) calculou-se o ∆H_neutralização para as reações:

〖NaOH〗_((aq))⇌〖Na^+〗_((aq))+〖〖OH〗^-〗_((aq))

∆H=〖∑∆H〗_(z (produtos))-〖∑∆H〗_(z (reagentes))

〖∆H〗_fNaOH=(0)-((-240,12)+(-299,99))

〖∆H〗_fNaOH=-470,11 kJ/mol

〖NaCl〗_((aq))⇌〖Na^+〗_((aq))+〖〖Cl〗^-〗_((aq))

∆H=〖∑∆H〗_(z (produtos))-〖∑∆H〗_(z (reagentes))

〖∆H〗_fNaCl=(0)-((-240,12)+(-167,16))

〖∆H〗_fNaOH=-407,28 kJ/mol

〖HCl〗_((aq))+〖NaOH〗_((aq)) → 〖NaCl〗_((aq))+〖H_2 O〗_((l))

∆H=〖∑∆H〗_(z (produtos))-〖∑∆H〗_(z (reagentes))

∆H_neutralização=((-407,28)+(-285,83))- ((-167,16)+(-470,28))

∆H_neutralização= -693,11+637,44

∆H_neutralização= -55,67kJ/mol

Foi necessário definir o agente limitante da reação, aquele que teve a menor massa pesada, para se obter o calor de reação por mol de reagente utilizado. No caso, o NaOH foi o reagente limitante, assim, 1mol de NaOH reage com apenas 1 mol de HCl e o que foi pesado em excesso de HCl , não reage.

Devido ao fato das soluções estarem bastante diluídas, se considerou que o calor específico para o produto da reação de neutralização (c_produtos) foi igual a 1 cal/ (g.°C).

O valor tabelado e o valor obtido a partir da entalpia de formação são -56,2 kJ/mol e -55,67kJ/mol, respectivamente. O valor encontrado experimentalmente para Q_molar foi igual a - 52,55 kJ/mol. Como pode ser observado, esse valor está próximo do valor tabelado encontrado para a reação de neutralização.

No entanto, alguns erros podem ser citados:

- a capacidade térmica conhecida para o calorímetro, C_cal definida na aula 1, pode ser um valor não confiável;

- a análise incorreta das temperaturas por parte dos operadores;

- a concentração das soluções utilizadas pode não ser exatamente 1 mol/L;

CONCLUSÃO

A partir da reação entre HCl e NaOH em um calorímetro de capacidade térmica conhecida de 3,28 cal/°C, e após feita a devida interpretação e análise dos dados, obteve-se um calor de entalpia de formação de -55,67kJ/mol, e valor para Q_molar de - 52,55 kJ/mol que se aproxima do valor tabelado -56,2 kJ/mol.

Mesmo com tal precisão na medida encontrada, a não exatidão do mesmo pode ser atribuída a erros como, imprecisão das medições, como massa ou leitura do termômetro por parte dos operadores. Ou ainda o meio em que o experimento foi realizado, como o calorímetro não adequado e sua capacidade térmica como um valor não confiável.

Os resultados encontrados foram satisfatórios para o experimento realizado, cumprindo com o objetivo principal, a medição do calor de neutralização.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ATKINS, Peter. Físico-Química. 7. ed. São Paulo: Ltc, 2003.

CHANG, Raymond. Química Geral: Conceitos essenciais. 4. ed. Porto Alegre: Amgh, 2006.

LENZI, Ervim et al. Química Geral Experimental. Rio de Janeiro: Livraria Freitas Bastos Editora S.A, 2004.