Determinación experimental de la
entropía de una reacción química
Objetivos
Objetivo
general:
- Determinar experimentalmente la variación de la
entropía (ΔS) en una reacción química a partir de datos experimentales
relacionados con la temperatura y el equilibrio químico.
Objetivos
específicos:
- Medir la variación de temperatura durante la
reacción química en condiciones controladas.
- Calcular la entalpía (ΔH) y la
variación de la entropía (ΔS) en la reacción química utilizando datos experimentales.
- Analizar la relación entre el cambio de entropía y
el comportamiento de la reacción química.
- Comparar los resultados obtenidos
experimentalmente con los valores teóricos para discutir posibles fuentes
de error.
Introducción
La entropía (S) es una magnitud
termodinámica que describe el grado de desorden o aleatoriedad de un sistema.
En el contexto de una reacción química, la variación de la entropía (ΔS) está relacionada con el cambio en
la dispersión de la energía y la materia durante el proceso. La entropía juega
un papel fundamental en la determinación de la espontaneidad de las reacciones
químicas, a través de la ecuación de la energía libre de Gibbs:
donde:
- ΔG = es la variación de la energía libre de Gibbs
- ΔH = es la variación de la entalpía
- T = es la temperatura en Kelvin
- ΔS = es la variación de la entropía
En este experimento, se determinará la
variación de entropía en una reacción química mediante la medición de la
variación de temperatura y el cálculo de la entalpía. Los resultados obtenidos
experimentalmente se analizarán en relación con los valores teóricos, y se
discutirá el impacto de la entropía en la espontaneidad de la reacción.
Fundamentos teóricos
La entropía y su relación con la
termodinámica
La entropía es una propiedad
macroscópica que mide el grado de dispersión de la energía en un sistema. En
términos termodinámicos, se define como una función de estado y está
relacionada con la cantidad de microestados accesibles a un sistema a una temperatura
dada. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, la entropía de un
sistema aislado tiende a aumentar en procesos espontáneos.
Variación de entropía en una reacción
química
La variación de entropía (ΔS) durante una reacción química
depende de la diferencia en la organización molecular entre los reactivos y los
productos. Las reacciones que incrementan el número de estados accesibles o la
dispersión de energía en los productos generalmente tienen un cambio positivo
de entropía. Este cambio está estrechamente vinculado con la espontaneidad de
la reacción, ya que reacciones que aumentan la entropía son termodinámicamente
favorables.
La ecuación de la energía libre de
Gibbs y la espontaneidad de las reacciones
La ecuación de Gibbs relaciona la
variación de la energía libre (ΔG)
con los cambios en entalpía y entropía. Para una reacción espontánea, ΔG debe ser negativo, lo que implica
que el cambio de entropía debe ser tal que favorezca la espontaneidad de la
reacción. La entalpía y la temperatura también juegan un papel importante en
este equilibrio termodinámico.
Parte experimental
Materiales y reactivos:
- Calorímetro (o equipo adecuado para medir calor)
- Termómetro de alta
precisión
- Balanza de precisión
- Pipetas y buretas
- Ácido clorhídrico (HCl)
- Carbonato de sodio (Na₂CO₃)
- Agua destilada
- Cronómetro
Procedimiento:
1.- Preparación de las disoluciones:
- Preparar 50 mL de una disolución de ácido clorhídrico (HCl) 1.0 M.
- Preparar 50 mL de una disolución de carbonato de sodio (Na₂CO₃) 1.0
M.
2.- Registro de la temperature inicial:
- Verter la disolución de HCl en el calorímetro y taparlo.
- Esperar entre 3 y 5 minutos para que la solución alcance el
equilibrio térmico con el sistema.
- Medir y registrar la temperatura de la disolución de HCl, que será
considerada como la temperatura inicial Tinicial..
3.- Inicio de la reacción:
- Añadir rápidamente la disolución de Na₂CO₃ al calorímetro que
contiene el HCl.
- Cerrar inmediatamente el calorímetro y agitar suavemente para
facilitar la mezcla completa de los reactivos.
4.- Registro de temperaturas:
- Registrar la temperatura cada 30 segundos durante 5 minutos.
- Identificar la temperatura máxima alcanzada tras la mezcla, que será
considerada como la temperatura final Tfinal..
5.- Cálculo del cambio de temperatura:
- Calcular ΔT = Tfinal − Tinicial
6.- Cálculo de la entalpía:
- Utilizar la ecuación: ΔH = m ⋅ c ⋅ΔT
Donde: m es la masa total de la mezcla
(asumiendo densidad similar a la del agua: 1 g/mL, entonces 100 mL = 100 g); c
es la capacidad calorífica específica del agua (4.18 J/g·°C) y ΔT es el cambio de temperatura en °C.
7.- Cálculo de la entropía:
- Estimar la variación de entropía con la ecuación:
Donde
Tmedia es el promedio entre Tinicial y Tfinal,
expresado en kelvin.
8.- Análisis de resultados:
- Comparar los valores de ΔH y ΔS con los
reportados en la literatura para reacciones similares.
- Discutir posibles fuentes de error como pérdida de
calor, precisión de los instrumentos o mezclado incompleto.
Cuestionario
- ¿Cómo se define la entropía en el contexto de una
reacción química?
- ¿Qué factores afectan la variación de entropía en
una reacción?
- ¿Qué relación existe entre la entalpía y la
entropía en una reacción espontánea?
- Explica cómo el principio de Le Chatelier se puede
aplicar a la variación de entropía en este experimento.
- ¿Qué errores experimentales podrían afectar la
medición de la entropía en esta práctica?
Referencias
bibliográficas
- McQuarrie, D. A., &
Simon, J. D. (2011). Physical Chemistry: A Molecular Approach.
University Science Books.
- Farrar, J. B., Weast, C.
J., & Lide, D. R. (2009). Experiments in Physical Chemistry.
Pearson Education.
- Hine, J. R., & Skoog,
R. J. (1994). Laboratory Manual for Physical Chemistry. Saunders
College Publishing.
- Welty, J. S., &
McCormack, R. C. (2014). Experimental Physical Chemistry. Wiley.
- Ghosh, N. S. (2011). Practical
Physical Chemistry: An Experimental Approach. New Age International.
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