determinaÇÃo da capacidade calorÍfica e determinaÇÃo do calor de neutralizaÇÃo

U N I V E R S I D A D E E S T A D U A L D E F E I R A D E S A N T A N AD e p a r t a m e n t o d e C i ê n c i a s E x a t a s

C u r s o d e L i c e n c i a t u r a e m Q u í m i c aAvenida Transnordestina, S/N - Novo Horizonte - Avenida

Universitária, Módulo 5, 44036-900, Feira de Santana, Bahia,BrasilD E X A

Físico-Química I (EXA 458) – 2013.2

Profª Tereza Santos

Determinação da Capacidade Calorífica de um

Recipiente e Determinação do Calor de Neutralização do

NaOH(aq)

ALUNO: Thiago Conceição Cerqueira

Dezembro -2013

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANADepartamento de Ciências Exatas – DEXA /Química

Relatório de Experimento: "Determinação da Capacidade Calorífica de um Recipiente e Determinação do

Calor de Neutralização NaOH (aq) ”

Aluno: Thiago Conceição Cerqueira

Feira de Santana-Bahia

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXATAS – DEXA / ÁREA DE QUÍMICADisciplina: EXA-458- Físico-Química I

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1. APRESENTAÇÃO

Este relatório descreve as atividades desenvolvidas por Thiago Conceição Cerqueira,

aluno do curso de química da Universidade Estadual de Feira de Santana, no âmbito da

disciplina experimental EXA-458-Físico-Química I, durante o 2o semestre/2013, ministrada

pela Profª Tereza Santos.

Serão descritos os objetivos, a parte experimental, os resultados, os cálculos, a

discussão e as conclusões referentes ao experimento intitulado de Determinação da

Capacidade Calorífica de um Recipiente e Determinação do Calor de Neutralização do

NaOH(aq)

Feira de Santana, 12 de dezembro de 2013

Thiago Cerqueira


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2. INTRODUÇÃO TEÓRICA

A termodinâmica é o ramo da físico-química que estuda as causas e os efeitos de

mudanças na temperatura, pressão, volume e de outras grandezas termodinâmico-

fundamentais em casos menos gerais - em sistemas físicos em escala macroscópica.

Grosso modo, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com

"movimento". Por isso, em essência, a termodinâmica estuda o movimento da energia e

como a energia cria movimento. Historicamente, a termodinâmica se desenvolveu pela

necessidade de aumentar-se a eficiência das primeiras máquinas a vapor, sendo em

essência uma ciência experimental, que diz respeito apenas a propriedades vista a olho

nu ou de grande escala da matéria e energia. [1]

Define-se o Calor Específico (c) como a quantidade de calor necessária para

elevar em 1 ºC, 1g da substância. Por exemplo, o calor específico da água é igual a 1,0

cal/gºC, significa que é necessário fornecer uma quantidade de calor de 1,0 cal para

aquecer 1,0 g de água de 1ºC. Quanto menor o calor específico de uma substância, mais

facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura. Veja a simulação para a

mesma massa de três substâncias diferentes que recebem a mesma quantidade de calor.

A capacidade térmica é uma propriedade extensiva que é proporcional à quantidade de

material presente em um corpo. [1]

Com isso, dois corpos compostos pela mesma substância porém com massas

diferentes possuem diferentes capacidades caloríficas. [1]

Grandezas derivadas que especificam a capacidade térmica como uma propriedade

intensiva existem, sendo então uma característica da substância. Essas são: o calor

específico, que é a capacidade térmica por unidade de massa da substância. [1]

A entalpia de neutralização é o calor produzido quando um ácido e uma base

reagem, em solução aquosa, para produzir um mol de água. [1]

Transformações espontâneas:

Transformações espontâneas são aquelas que ocorrem naturalmente sem necessitar de

um efeito externo influenciando. Em transformações espontâneas há a variação de


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energia.

Entropia é a determinação da ordem ou desordem do sistema, quanto mais

desorganizado o sistema, maior sua entropia.

Podemos determinar se uma reação é espontânea ou não-espontânea a partir de um

relação entre entropia e entalpia.

Se o processo ocorre diminuição de entropia e aumento de entalpia, o processo será

não-espontâneo. Se o processo ocorre diminuição de entalpia e aumento de entropia, o

processor será espontâneo.

Se no processo ocorre o aumento ou diminuição da entropia e entalpia, é necessário

outra grandeza que relaciona entropia e entalpia, que é a Energia livre de Gibbs dada

pela formula:

∆G = ∆H – T *∆S

A partir da energia livre de Gibbs podemos determinar se um processo é capaz de

realizar trabalho. Em processos espontâneos a capacidade de realizar trabalho diminui,

ou seja, a energia livre é menor que zero. Em processos não-espontâneos a capacidade

de realizar trabalho aumenta, ou seja, a energia livre é maior que zero. [2]

A calorimetria é a ciência que estuda o calor. Calor é uma forma de energia em

trânsito, ou seja, é a energia transferida de um corpo com maior temperatura para um

corpo de menor temperatura. A partir desse conceito geral, pode-se entrar na parte mais

específica, voltada ao experimento, ou seja, a Capacidade Calorífica. Denomina-se

Capacidade Térmica ou Capacidade Calorífica, a capacidade de perder ou absorver calor

que determinado corpo possui, em razão da variação de temperatura sofrida por ele.

Calorimetria é a forma de estudo experimental em que se mede a variação de

temperatura entre os corpos em contato. [5]

A melhor forma de se medir essa variação de temperatura é se utilizando um

aparelho chamado calorímetro, isto é, uma bomba calorimétrica, no qual se consegue um

sistema parcialmente isolado, sem muita influencia do ambiente externo, se medindo a

temperatura inicial e final da água. [5]

Calorímetro: é um sistema fechado que não permite trocas de calor com o ambiente

semelhante à garrafa térmica. Capacidade Térmica: fornecendo a mesma quantidade de


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calor para uma massa de água e para outra massa três vezes maior de água, observa-se

experimentalmente que para que tenham a mesma variação de temperatura é necessário

fornecer uma quantidade de calor três vezes maior para a de massa. Temos, portanto,

que a quantidade de calor é diretamente proporcional à variação de temperatura. A

constante de proporcionalidade é denominada capacidade térmica. [5]

A matéria pode emitir ou absorver calor. A emissão ou absorção de calor faz com

que a temperatura de um objeto varie. Esta variação de temperatura sofrida por um

objeto que absorve certa quantidade de energia é denominada capacidade calorífica

deste objeto. [4]

Mais especificamente, a capacidade calorífica de um objeto é a quantidade de

energia necessária para elevar a sua temperatura em 1ºC ou 1K. Para as substâncias

puras, a capacidade calorífica é dada para uma quantidade específica de substância,

geralmente, para 1 mol. Então, tem-se a chamada capacidade calorífica molar, que é a

quantidade de energia necessária para aumentar em 1K ou 1ºC a temperatura de 1 mol

de substância. Existe também a capacidade calorífica específica ou simplesmente calor

específico de uma substância, que é a energia necessária para elevar de 1K ou 1ºC a

massa de 1g da substância. A capacidade térmica mede a quantidade de calor

necessária para que haja uma variação unitária de temperatura e está relacionada

diretamente com a massa do corpo. [4]

Equilíbrio Térmico: a quantidade de energia térmica transferida da substância de

maior temperatura para a de menor temperatura, é associada à quantidade de calor que

a substância de menor energia irá receber. Após um certo tempo, a temperatura atinge

um valor constante, ou seja, atingiram um equilíbrio térmico,estão com a mesma energia

térmica. [4]

Esta determinação é necessária porque o calorímetro troca calor com o sistema

que está sendo investigado no seu interior. [4]

Este processo é denominado de calibração. A calibração é feita pela mistura, no

interior do calorímetro, de quantidades conhecidas de água fria e quente.

A capacidade calorífica (C) é definida (de modo simplificado) como sendo a quantidade

de energia absorvida por um corpo para que sua temperatura aumente em 1°C. [4]


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Até o final do século XVIII, acreditava-se que o calor era um fluido indestrutível,

denominado calórico, e que era capaz de fluir, sem perdas, de um corpo de maior

temperatura para outro de menor temperatura. Depois das observações de Rumford e

Davy, na transição do século XVIII e XIX, que mostraram que por fricção podem ser

geradas quantidades ilimitadas de calor, concluiu-se que o calor é uma forma de energia

que pode ser transferida de um sistema para outro por diferentes processos (condução,

convecção e irradiação térmica). [6]

A matéria pode emitir ou absorver calor. A emissão ou absorção de calor faz com

que a temperatura de um objeto varie. Esta variação de temperatura sofrida por um

objeto que absorve certa quantidade de energia é denominada capacidade

calorífica deste objeto. Mais especificamente, a capacidade calorífica de um objeto é a

quantidade de energia necessária para elevar a sua temperatura em 1ºC. Para as

substâncias puras, a capacidade calorífica é dada para uma quantidade específica de

substância, geralmente, para 1 mol. Então, tem-se a chamada capacidade calorífica

molar, que é a quantidade de energia necessária para aumentar em 1ºC a temperatura

de 1 mol de substância. Existe também a capacidade calorífica específica ou

simplesmente calor específico de uma substância, que é a energia necessária para

elevar de 1K ou 1ºC a massa de 1g da substância. O calor específico de uma substância

é calculado por:

C = Q/ ∆T

Pode-se medir experimentalmente o fluxo de calor associado a uma transformação

medindo-se a variação de temperatura produzida, já que a temperatura é uma medida

direta da quantidade de calor de um sistema. O aparelho utilizado para medir o fluxo de

calor é chamado calorímetro.

Calorímetros são aparelhos simples, construídos para que isolar termicamente o

seu interior, para que não ocorram trocas de calor entre o interior e o ambiente externo.

Existem vários modelos de calorímetro, mas todos se baseiam na mesma estrutura: um

recipiente de paredes finas envolvido por outro recipiente fechado e com paredes grossas

e isolantes. Este recipiente, em montagens laboratoriais, é chamado de frasco de

Dewar. Neste instrumento, é colocado dois acessórios: um termômetro e um agitador. O


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termômetro obviamente é usado para aferição da temperatura do sistema, e o agitador é

usado para homogeneizar o sistema e fazer com que ele entre em equilíbrio térmico mais

rapidamente. O esquema do calorímetro pode ser visto na figura 1:

Figura 1 - Esquema de um calorímetro com agitador.

Se considerarmos que o calorímetro tem isolamento térmico perfeito, então as

diferenças de temperatura se devem somente às transformações termodinâmicas

ocorridas dentro do calorímetro. Ou seja, se acaso ocorre uma reação química dentro do

calorímetro, o aumento ou a diminuição da temperatura se deve ao calor consumido ou

desprendido da reação. Se amostras de uma mesma substância, mas de temperaturas

diferentes são adicionadas ao calorímetro, a diferença de temperatura se deve ao

processo de equilíbrio térmico que ocorre entre as amostras. Desta forma, através de

relações entre valores de massa, temperatura e calor específico, podem-se determinar

valores de capacidade calorífica. A relação utilizada para calcular o calor específico de


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um calorímetro em que são adicionadas amostras de uma mesma substância com

temperaturas diferentes é: [3]

V1 x C água . (θ f – θc) = – [V2 x C água . (θf – θh) + C (θf – θh)]

Onde:

V1 – Volume inicial contido dentro do calorímetro a temperatura ambiente.

V2 – Volume final após adicionar a água fria

C água – Valor tabelado do Calor específico da água

C – Capacidade calorífica do Calorímetro

Θ c – Temperatura da água fria

Θ h – Temperatura ambiente, previamente medida antes de ocorrer a mistura

Θ f – Temperatura final após a mistura da água na temperatura ambiente, e a água

na temperatura fria.

3. OBJETIVOS

Determinação da Capacidade Calorífica e um Recipiente e Determinação do

Calor de Neutralização.

4. PARTE EXPERIMENTAL

4.1 MATERIAIS E REAGENTES

Água Destilada, Calorímetro Caseiro (frasco de Dewar), Termômetro de imersão,

Béquer, Erlenmeyer, Bastão de Vidro, Proveta, Solução de HCl concentrado e Solução

de NaOH Concentrado.


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4.2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

4.2 Descrição do Procedimento experimental - Determinação da Capacidade Calorífica do Recipiente(Calorímetro)


Inicialmente mediu-se em uma proveta 100mL de água destilada e transferiu-se para o calorímetro, em seguida mediu-se a temperatura e anotou-se. Posteriormente mdeiu-se 50mL de água destilada em um bécker e colocou-se em banho de gelo, até que alcance a temperatura de aproximadamente 6ºC após alcançar 6ºC transferiu-se para o calorímetro.

Fechou-se o calorímetro e agitou-se para que ocorra a homogenização, no momento da homogenização medir a temperatura de 30 em 30 segundos até que a mesma fique constante.

Após a temperatura ficar constante anotar o valor e repetiu-se o procedimento por mais duas vezes.As outras duas medidas utilizou-se 60mL de água à temperatura constante e 25mL de água fria, valores inferiores aos iniciais devido a capacidade do calorímetro ser de apróximadamente 150mL.

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. 3.3 Descrição do Procedimento experimental (Determinação do Calor de Neutralização)


Inicialmente mediu-se em uma proveta de 100mL 20 mL de NaOH concentrado e adicionou-se no calorímetro, em seguida tranferiu-se em uma outra proveta de 100mL, 25 mL de HCl concentrado e mediu-se a temperatura.

Transferiu-se para o calorímetro o ácido e mediu-se a temperatura rapidamente da reação inicialmente, repetindo essa medição de 30 em 30 segundos até que a temperatura fique constante.

Anotou-se a temperatura de equilíbrio e repetiu-se o procedimento por mais duas vezes. Sendo que na segunda medida, utilizou-se 25mL e NaOH e 50mL de HCl, já na terceira medida utilizou-se 50mL de NaOH e 50mL de HCl.

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5. RESULTADOS

5.1 DETERMINAÇÕES DA CAPACIDADE CALORÍFICA

Modelo 1 – 1ª Medida

Modelo 1 (100mL/50mL) – 2ª Medida



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Quantidade de água a temperatura ambiente 100 ml

Quantidade de água fria 50 ml

Temperatura ambiente 27º C

Temperatura dá água fria 6º C

Temperatura após a mistura 22º C















Modelo 2 (60mL/25mL) – 2ª Medida

Modelo 3– 1ª Medida


V1

x C

água . (θ f – θc) = – [V2 x C água . (θf – θh) + C (θf – θh)]

Onde:



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Para o modelo 1: (1ª medida)

50. 1 (22 – 6) = - [100 . 1 (22 – 27) + C . (22 – 27)]

C = 60 cal.g-1. °C -1

Para o Modelo 1: (2ª medida)

50 .1(21 – 6) = - [100 x 1 (21 – 26) + C . (21 – 26)]

C= 50 cal.g-1. °C -1

Média entre os valores:

C médio = (60 + 50)/ 2

C médio = 55 cal.g-1. °C -1

Para o Modelo 2: (os valores encontrados na 1ª e na 2ª vez são iguais)

25 1 .(22 – 6) = - [ 60 . 1 . (22 – 25) + C (22 – 25)

C = 73,3 cal.g-1. °C -1

Para o Modelo 3: (os valores encontrados na 1ª e na 2ª vez são iguais)

50. 1 (20 – 6) = - [100 . 1 (20 – 25) + C . (20 – 25)]


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C = 40 cal.g-1. °C -1

Tabela 1.1- Análise de dados estatísticos de dados

Média S IC (95%)

56,1 cal.g-1. °C -1 16 ,6772 74,9944 ± 37,8944

µ = x ± z x s / √n

Olhando na tabela de distribuição normal o valor correspondente a 95% são 1,96.

µ = Intervalo de confiança

x = Média

z = 1,96

s = Desvio padrão

n = Número de amostras

µ = 56,1± 1,96 x 16,6772 /√3

µ = 74,9944 ± 37,8944

5.2 DETERMINAÇÃO DO CALOR DE NEUTRALIZAÇÃO


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1ª MEDIDA

2ª MEDIDA

3ª MEDIDA


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Quantidade de HCl na temperatura ambiente 50 ml

Quantidade de NaOH na temperatura ambiente 25 ml




Temperatura do HCl 25º C

Temperatura do NaOH 25º C



















V1 x C água . (θ f – θc) = – [V2 x C água . (θf – θh) + C (θf – θh)]

Onde:









Para 1ª medida

25. 1 (20 – 6) = - [50. 1 (20 – 25) + C. (20 – 25)]

25 . 14 = - [50. (-5) + C(-5)]

C1 = 20 cal.g-1. °C -1

Para 2ª medida

25. 1 (20 – 6) = - [50. 1 (20 – 25) + C. (20 – 25)]

25 . 14 = - [50. (-5) + C(-5)]

C2= 20 cal.g-1. °C -1

Para 3ª medida

50. 1 (19 – 6) = - [50. 1 (19 – 27) + C. (20 – 27)]

25 . 13 = - [50. (-8) + C(-8)]

C2= 31,25 cal.g-1. °C -1


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Média entre os valores:

C médio = (20 + 20 + 31,25)/ 3

C médio = 23,75 cal.g-1. °C -1

Tabela 1.1- Análise de dados estatísticos de dados

Média S IC (95%)

23,75 cal.g-1. °C -1 12,9903 38,4673 ± 9,0327

µ = x ± z x s / √n

Olhando na tabela de distribuição normal o valor correspondente a 95% são 1,96.

µ = Intervalo de confiança

x = Média

z = 1,96

s = Desvio padrão

n = Número de amostras

µ = 23,75 ± 1,96 x 12,9903 /√3

µ = 38,4673 ± 9,0327


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6. DISCUSSÃO

Com base nos dados, nos procedimentos e nas informações devidamente executadas e calculadas é possível constatar que o presente procedimento foi concluído com êxito, uma vez que alcançou-se o objetivo esperado.

No experimento foi ainda possível constatar que as proporções e as concentrações dos reagentes, NaOH e HCl tiveram um papel crucial para o bons resultados; o que levou a conclusão de que as medidas com proporções diferentes que não seja 1:1 tem-se um baixo valor na capacidade calorífica, isso serve também para não só a determinação do calor de neutralização e sim na determinação da capacidade calorífica de um recipiente.

Sendo assim, é plausível constatar que o experimento foi minuciosamente realizado sem grandes transtornos levando sempre em consideração os possíveis erros que poderiam comprometer a integridade dos dados obtidos, erros esses que são a troca de calor com o meio,onde o recipiente em estudo não era totalmente adiabático ou seja tinha caminhos onde poderia ter a troca de calor e sem deixar de ressaltar a inexperiência do operador diante na natureza do experimento e erros de leitura.

7. CONCLUSÕES

Como podemos comprovar a capacidade calorífica e calor de neutralização podem

ser determinados não só com materiais alternativos e sim com um método bastante

simples. Método esse que foi bem satisfatório. Ao finalizar o experimento concluiu-se que

para realizar uma medida, ela deve ser feita realmente com o maior grau de precisão

possível, para que se tenha uma melhor exatidão, e que cada instrumento possui seu

erro absoluto característico.Pode-se perceber também que a determinação da

capacidade calorífica e calor de neutralização varia de acordo com a proporção e

concentração dos reagente no caso do NaOH e HCl.

9. REFERÊNCIAS


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1. TIPLER, Paul A. Física. v.2. 4ª ed.Livros Técnicos e Científicos

Editora.

2. BROWN, T. L.; LEMAY, E.; BURTSTEN, B. E. Química: a ciência

central. Tradução de Robson Matos. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.

3. • PERRY, R. H.; CHILTON, C. Manual de Engenharia Química. Rio de

Janeiro:Guanabara Dois Ltda., 19816286.html> 05/04/2013

4. Fundamentos de Química Geral, 9ª edição, HEIN & ARENA.

5. Halliday, Resnick, Walker, Fundamentos de Física.v.2. 7ª ed. Livros Técnicos e

Científicos Editora.

6. ROZENBERG, I. M. Química geral. São Paulo: Edgar Blücher, 2002.


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determinaÇÃo da capacidade calorÍfica e determinaÇÃo do calor de neutralizaÇÃo

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