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IDENTIFICANDO UN METAL USANDO SU CALOR ESPECÍFICO
(CALORIMETRÍA)
OBJETIVOS
Aplicar los conceptos de calorimetría por medio de la práctica.
Determinar el calor específico de diferentes metales.
Identificar un metal desconocido por medio de su calor específico.
TÉCNICAS
Uso de un calorímetro
Uso del termómetro o medidor de temperatura
Transferencia cuantitativa
Uso de la balanza
Preparación e interpretación de gráficas
INFORMACIÓN DE TRASFONDO
Todo cambio químico o físico está acompañado por una transferencia de energía en forma de
calor (en adelante, calor). Determinados procesos liberan calor (procesos exotérmicos) mientras
que otros lo absorben (procesos endotérmicos). El calor liberado o absorbido por las reacciones
químicas o por los procesos físicos puede ser determinado mediante una técnica denominada
calorimetría. El instrumento utilizado para medir las cantidades de calor que un sistema
absorbe o libera se conoce como calorímetro. El cambio en calor que ocurre en las reacciones o
procesos químicos se expresa de forma cuantitativa y se denomina como entalpía de reacción,
ΔH, cuando el mismo se mide a presión constante.
Un concepto muy importante en calorimetría es el calor específico ya que cada sustancia se
caracteriza por tener un calor específico. Éste se define como la cantidad de calor que hay que
suministrar a un gramo de sustancia para elevar su temperatura por un grado centígrado (escala
Celsius). Por ejemplo, el calor específico de agua es: 4.184 J/g·ºC, lo cual significa que se requiere
aplicar 4.184 Joules (J) de energía en forma de calor para subirle la temperatura a un gramo de
agua por un ºC. La cantidad de calor (Δq) que desde sus alrededores absorbe (Figura 1) o hacia
sus alrededores libera (Figura 2) determinado material (sistema) provoca que su temperatura
aumente o disminuya, respectivamente, por una cantidad ΔT sin que ocurra un cambio de estado
de ese material. Ambas propiedades, Δq y ΔT, están relacionadas con la masa (m) y con el calor
específico (s) de ese material, según la ecuación 1:
Δq=msΔT = ms(Tf-Ti),
(Ecuación 1)
donde Ti es la temperatura inicial que tenía el material previo a absorber o liberar calor y Tf es la
temperatura final alcanzada luego del proceso de transferencia de calor hacia el sistema por sus
alrededores o desde el sistema hacia sus alrededores. Si el sistema absorbe calor, la Tf es mayor
que la Ti. (Tf > Ti). Por el contrario, si el sistema libera calor la Tf es menor que la Ti (Tf < Ti).
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alrededores
q
alrededores
q
sistema
sistema
(Tf > Ti)
(Tf < Ti)
Figura 1. Transferencia de energía
desde los alrededores hacia el sistema.
La temperatura del sistema aumenta
desde Ti a Tf.
Figura 2. Transferencia de energía
desde el sistema hacia los alrededores.
La temperatura del sistema disminuye
desde Ti a Tf.
Una nueva cantidad relacionada con el calor específico se denomina capacidad térmica o
capacidad calórica (C), la cual surge del producto de la masa (m) y el calor específico (s) de
determinada sustancia. Esto es,
C=ms
(Ecuación 2)
La determinación de "s" o de "C", según sea el caso, es fundamental para destinarle alguna
aplicación a un determinado material. En la Tabla 1 se presenta el calor específico para el agua y
para algunos metales. El mismo fue determinado a presión constante (1 atm):1
Sustancia
Agua, H2O(l)
Aluminio, Al
Cobre, Cu
Plomo, Pb
Cinc, Zn
Magnesio, Mg
Estaño, Sn
s, (J/g·ºC)
4.18
0.897
0.385
0.130
0.388
1.023
0.227
Tabla 1. Calor específico, s, para diferentes sustancias
El significado del "calor específico", así como el de "capacidad calórica", se puede entender si se
piensa lo siguiente: si se pesara un gramo de plomo y un gramo de estaño y a ambas muestras se
les aplicara 10 kJ de energía en forma de calor, ¿cuál de los dos metales alcanzaría una mayor
temperatura después de recibir dicha cantidad de calor? Escriba su respuesta aquí: _______________
En este experimento usaremos un calorímetro y aplicaremos el Principio de Conservación de
Energía (Primera Ley de Termodinámica) para estudiar la capacidad calórica de algunos metales.
Para poder determinar el calor específico de un determinado metal (sistema), se pesará un
pedazo de éste, se calentará y se pondrá en contacto con el ambiente (alrededores). La
temperatura del primero disminuirá mientras que la del segundo aumentará hasta que la
temperatura de ambos sea la misma. De acuerdo con la Primera Ley de Termodinámica, la
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energía que perdió el sistema debe ser igual a la energía que ganó el ambiente. Sabemos que el
sistema perdió energía ya que su temperatura, la cual está relacionada con la energía, bajó. Por
otro lado, sabemos que los alrededores ganaron energía ya que su temperatura aumentó. Por tal
razón, el sistema (metal) habrá cedido energía en forma de calor al ambiente. Vea la Figura 3, la
cual demuestra el aumento en temperatura que sufre el agua (alrededores) al ponerse en
contacto con un pedazo de metal caliente (sistema).
Figura 3. Gráfica de temperatura (ºC) como función de tiempo (s) para la
extrapolación de la temperatura máxima.
El metal seguirá perdiendo calor y el agua seguirá ganándolo hasta que ambos alcancen la misma
temperatura. Esto es, hasta que ambos alcancen el equilibrio termal. La temperatura final
alcanzada por el agua una vez está en contacto con el metal caliente (Tf agua) será la temperatura
máxima (Tmáx) del agua, según puede apreciarse de la Figura 3. Esta temperatura máxima
alcanzada por el agua será también la temperatura mínima alcanzada por el metal (Tf metal)
cuando éste le haya transferido su energía al agua. Así pues, en este momento Tf agua y Tf metal
serán iguales. El descenso en temperatura que se observa luego del aumento drástico en
temperatura del agua representa la pérdida de calor hacia el resto del universo. Esto ocurre
cuando no hemos aislado nuestro montaje experimental del resto del universo.
La transferencia de energía entre sistema y alrededores está expresada por la Ecuación 3:
Δqsistema = -Δqalrededores
(Ecuación 3)
la cual, ;a su vez, podemos expresarla de la siguiente forma:
maguasagua(Tf-Ti)agua = – mmetalsmetal(Tf-Ti)metal
(Ecuación 4)
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El signo de negativo (–), tanto en la Ecuación 3 como en la Ecuación 4, sólo significa que lo
perdido por uno es ganado por el otro.
Si conocemos la masa, el calor específico, la temperatura inicial y final del agua, y, por el otro
lado, conocemos la masa, la temperatura inicial y final del metal, nuestra única desconocida en la
Ecuación 4 será el calor específico del metal. Una vez buscado éste, podremos identificar nuestro
metal al comparar el calor específico experimental con el calor específico de los diferentes
metales obtenidos de la literatura.
PRECAUCIONES DE SEGURIDAD
Vestimenta: use todo el tiempo su bata y sus gafas. Puede usar guantes si lo desea
(deberá traerlos usted).
Instrumentos: verifique que la cristalería no tenga bordes rotos que puedan causar
laceraciones. Si es así, manéjela con cuidado y dígalo a su instructor para que la misma sea
repuesta. Tenga cuidado con la plancha de calentamiento. Para medir la temperatura
puede usar un termómetro o un sensor de temperatura. En caso de usar un termómetro,
tenga cuidado con éste. Si éste se rompe, notifique a su instructor rápidamente. Si el
mismo es de mercurio, no lo toque, aléjese y notifique a sus compañeros/as.
Reactivos: los únicos reactivos con los que trabajará en este experimento serán agua y
unos pedazos de diferentes metales. Debe tener cuidado pues trabajará con agua caliente.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Su instructor de laboratorio le asignará un metal desconocido con el que usted trabajará. Escriba
aquí el metal desconocido que le fue asignado: _____________________________
Parte A. Determinación de la capacidad calórica de la muestra metálica
A.1 Preparación del metal
1.
2.
3.
4.
Pese entre 10 y 30 gramos del metal asignado. Anote la masa de la muestra.
Transfiera la muestra de metal a un tubo de ignición (análogo a un tubo de ensayo) y
tape el mismo con algodón. Tanto el tubo como la muestra deben estar secos, ya que la
presencia de humedad es una fuente de error en la determinación experimental.
Sumerja el tubo con la muestra de metal en un vaso que contenga alrededor de 400
mL de agua. Sujételo con una grapa. Asegúrese que el nivel de agua en el vaso es
suficiente como para cubrir la muestra metálica contenida en el tubo de ignición.
Caliente el agua a ebullición (hasta que hierva). Mantenga el tubo sumergido en el
baño de agua a ebullición al menos durante diez (10) minutos para asegurarse que la
muestra de metal alcance el equilibrio térmico con el agua (ambos tengan la misma
temperatura).
NOTA: Continúe trabajando con la parte A.2 mientras la muestra de metal se calienta.
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A.2 Preparación de la muestra en el calorímetro
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Obtenga dos (2) vasos de poliestireno, una tapa para los vasos, un agitador de vidrio y
una calculadora equipada con un sensor de temperatura.
Coloque uno de los vasos dentro del otro.
Pese ambos vasos de poliestireno vacíos.
Una vez pesados, coloque aproximadamente 100 mL de agua en los vasos y péselos
nuevamente. Obtenga la masa del agua en los vasos por diferencia.
Permita que el agua equilibre su temperatura unos minutos.
Coloque el agitador de vidrio y el sensor de temperatura (o termómetro) a través de la
tapa de los vasos con mucho cuidado y tape los vasos que contienen el agua, tal como
aparece en la Figura 4. Asegure el sensor de temperatura con una grapa.
Figura 4. Montaje del calorímetro que incluye la tapa,
agitador de vidrio y sensor de temperatura.
A.3 Programación de MeasureNet para obtener sus datos
Refiérase al Apéndice provisto al finalizar de este escrito para realizar la
programación del equipo MeasureNet.
A.4 Determinación de la temperatura inicial del metal y del agua
Una vez alcanzado el equilibrio térmico, tanto del metal que se encuentra en el agua
hirviendo como del agua que se encuentra en el calorímetro (vasos de poliestireno),
anote ambas temperaturas. La temperatura del agua hirviendo será la temperatura
inicial del metal (Ti metal) y la temperatura del agua en el calorímetro será la
temperatura inicial del agua (Ti agua). Dé suficiente tiempo (al menos un minuto) para
que el termómetro pueda estabilizar su temperatura previo a tomar las lecturas.
A.5 Transferencia del metal caliente al agua en el calorímetro y recopilación de datos
1.
2.
Previo a añadir el metal al calorímetro, lea la temperatura del agua del calorímetro
unas cuatro (4) o cinco (5) veces con una separación de treinta (30) segundos para
poder generar la línea base de una gráfica que construirá con los datos que recopilará
en esta parte. Ésta será análoga a la Figura 3.
Retire el tubo de ignición que contiene el metal del baño de agua hirviendo. Séquelo
por fuera, destápelo y rápida pero cuidadosamente, vierta la muestra metálica en el
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3.
4.
5.
vaso de poliestireno (calorímetro) que contiene el agua y cuya temperatura ya usted
leyó.
Tape el vaso y agite con el agitador de vidrio suavemente para asegurar que la
temperatura dentro del vaso es homogénea.
Durante el primer minuto, recopile los datos de temperatura como función del tiempo
a intervalos de cinco (5) segundos luego de añadir el metal al agua y por otros cinco
(5) minutos a intervalos de cada quince (15) segundos. Es importante que anote en su
libreta los datos de temperatura, según va transcurriendo el tiempo, desde que añade
el metal al agua, así como la temperatura que tenía el agua previo a añadir el metal.
Con estos datos, preparará una tabla de Temperatura como función de Tiempo, tal
como se muestra en la Tabla 2.
Tiempo
(s)
Temperatura
(ºC)
0
30
60
90
120
Hará cinco (5) lecturas de
temperatura con una separación de
treinta (30) segundos previo a añadir
el metal al calorímetro.
Añade metal al calorímetro
125
130
135
...
180
195
210
225
...
465
480
Hará lecturas de temperatura con
una separación de cinco (5)
segundos durante un (1) minuto
luego de añadir el metal al
calorímetro.
Hará lecturas de temperatura con
una separación de quince (15)
segundos durante cinco (5) minutos
luego de transcurrido un minuto
luego de añadir el metal al
calorímetro.
Tabla 2. Datos de temperatura como función del tiempo
para la determinación del calor específico de un metal
Nota: No descarte las muestras metálicas luego de finalizada la experiencia de laboratorio. Seque
los pedazos de metal con papel de filtro, colóquelas en un cristal de reloj y deposítelas en el
recipiente provisto para ello.
A.6 Construcción e interpretación de la gráfica
1.
2.
Usando el programado Excel, construya una gráfica de temperatura como función del
tiempo para el proceso de adición del metal al agua.
Determine la temperatura máxima alcanzada por el metal usando el punto de
intersección de las siguientes dos líneas: (a) la línea que mejor describe la tendencia
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3.
4.
5.
en la región de enfriamiento de la gráfica y (b) la línea perpendicular a la línea del
tiempo en la región de mezcla; o sea, la región que demuestra el momento en que se
añade el metal. Vea la Figura 3.
Complete la Tabla 3, en la cual aparecerán los datos necesarios para calcular el calor
específico, s, del metal asignado.
Calcule el calor específico, s, para el metal asignado usando la Ecuación 4.
Compare el calor específico calculado con el calor específico de varios metales, tal
como aparece en la Tabla 1.
Dato
Cantidad y
unidades
Masa del metal
Temp. incial metal (Ti metal)
Temp. final metal (Tf metal) o
Temp. máxima de la gráfica
Masa del agua
Temp. inicial agua (Ti agua)
Temp.final del agua (Tf agua)
o Temp. máxima de la
gráfica
Tabla 3. Datos necesarios para la determinación del calor
específico del metal asignado.
Calor específico del metal asignado: _______________
Identidad del metal: __________________
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
En esta parte usted discutirá los resultados obtenidos en el experimento. Entre otros, incluya lo
siguiente:
1.
lo que significa el calor específico y cómo puede usarse para identificar especies
desconocidas;
2.
una comparación del calor específico, s, obtenido experimentalmente con los valores de
calor específico obtenidos de la literatura y que son presentados en la Tabla 1. Ya que
usted seleccionó uno de los materiales mencionados en dicha tabla como su metal
desconocido, justifique el por qué de su elección.
3.
el cálculo del por ciento de error entre el valor experimental y el valor de la literatura del
metal seleccionado por usted. Recuerde expresar el por ciento al número correcto de
cifras significativas.
4.
una discusión de las posibles fuentes de error que causaron el por ciento de error, según
calculado.
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5.
una comparación del calor específico, s, determinado por los diferentes grupos y coloque
los metales en orden ascendente respecto al valor de calor específico.
6.
si usted aplicara a un gramo de todos los metales que aparecen en la Tabla 1 la misma
cantidad de calor y todos estuvieran a una temperatura inicial de 25ºC, ¿cuál de ellos
alcanzará la temperatura más alta y por qué?
REFERENCIA
Lide, D.R., Editor in Chief, "CRC Handbook of Chemistry and Physics", 89th Edition (Internet
Version 2009), CRC Press/Taylor and Francis. Boca Raton, FL (2009).
Preparado por: Liz M. Díaz-Vázquez, Ph.D.
Editado por: Aníbal A. Hernández-Vega, B.Sc., LL.M.
Laboratorio de Química General I
Universidad de Puerto Rico-Recinto de Río Piedras
Departamento de Química
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Apéndice: Procedimiento para programar la calculadora y el CBL MeasureNet

Conectar la calculadora al CBL

Conectar la sonda de temperatura en CH 1

Encender calculadora

Apretar tecla PRGM

Marcar el 1 CHEMBIO y “ENTER” dos veces

Marcar el 1 para SET UP PROBES

Cantidad de probes = 1

Marcar 1 para sonda de temperatura

La sonda se encuentra en Channel number 1, “ENTER”

Marcar 2 para Collect Data

Marcar 2 para Time Graph

Entre el tiempo entre medidas, en segundos, “ENTER”

Entre el número de medidas, ENTER

Aparecerá un resumen de los parámetros, “ENTER”

Marcar 1 para USE TIME SETUP

Entrar valores de Y min y max, y de su escala (Yscl)

Marcar “ENTER” para colectar los datos

Una vez recolectados los datos, aparecerá la gráfica. Marque “ENTER” para regresar al
menú.

Marque 4 para VIEW DATA y siga las instrucciones. (Marque STAT y luego EDIT)

L1 es el tiempo y L2 la temperatura