Informe Nº 1: Determinación del Calor de neutralización ácido-base.

Solange Cortínez1, Carlos Flores1

1 Fisicoquímica, Ingeniería Ambiental, IMA 212Universidad de Valparaíso. Avenida Gran Bretaña 1111, Playa Ancha, Valparaíso.

Fecha de sesión de laboratorio: 02 diciembre, 2011, Fecha de entrega de informe: 07 de diciembre 2011.

Palabras clave: Capacidad calorífica, Calorímetro, calor de neutralización, Vaso Dewar, entalpía de reacción, calor específico.

RESUMEN

El calor de neutralización se determina midiendo la máxima temperatura que se alcanza en un calorímetro al mezclar las disoluciones de ambos reactivos. Para esto se deben obtener la capacidad calorífica del vaso Dewar, determinar los moles de cada reactivo, y por ultimo determinar el calor de neutralización del acido y base, sin dejar de lado la comparación de los resultados experimentales con los teóricos. Las leyes a discutir en esta experiencia son la primera ley de la termodinámica y la ley de Hess. La experiencia consto primero en determinar la capacidad calorífica del vaso Dewar esto se hizo por medio del método de masa de agua donde se determino la capacidad de mantener el calor de un volumen y masa conocida durante un intervalo de tiempo. Después se realizo usando el dato anterior la determinación del calor de neutralización en el cual se utilizo el acido HCl y la base NaOH, ácido y base fuertes respectivamente donde se vertió la base sobre el acido rápidamente ambos a una misma temperatura la reacción se hizo en el vaso Dewar y se determino el calor producido por la reacción. De estos experimentos se obtuvieron que el vaso

Dewar tenía una capacidad calorífica de 95 J/°K y que la reacción de neutralización es una reacción exotérmica, y que un mol de acido produce -59KJ/mol en la reacción de neutralización. Se determino que el reactivo limitante es el acido HCl. Se demostró que hay variaciones entre los valores experimentales y teoricos lo que se atribuye a la mala manipulación de los instrumentos, a las incertezas de los materiales y a los calulos efectuados posteriormente

Figura 1. Vaso de plumavit (vaso Dewar).

1. Introducción

El calor de neutralización de un acido y una base se determina midiendo la máxima temperatura que se alcanza en un calorímetro al mezclar sendas disoluciones diluidas de ambos reactivos. Previamente, se determina el equivalente en agua del calorímetro. Se detrminara el calor de la neutralización de la reacción entre el acido HCl y la base NaOH lo cual deja la reacción siguiente:

HCl(ac) + NaOH(ac) → NaCl(ac) + H2O(l)

En un reacción química o transferencia química se acompaña por la liberación o absorción de energía que suele manifestarse en forma de calor y los procesos químicos pueden clasificarse en endotérmicos (absorción de energía en forma de calor) y exotérmicos (liberación de energía en forma de calor)[1], en las reacciones químicas esta variación calorífica representa la diferencia entre el contenido energético de los productos y de los reactivos,

en las condiciones de P,V,T que se especifiquen. Si la transferencia de energía se en forma de calor es a volumen constante, y si no se efectúa ningún trabajo, el cambio de energía interna producida es igual al calor transferido, lo cual se puede escribir ∆U=qv ,( ∆U: cambio energía interna, qv: calor en volumen constante)[3]. Y si es a presión constante, ∆H:qp,( ∆H: cambio de entalpia, qp: calor en presión constante). Las leyes de la termodinámica están basadas en el principio de conservación de la energía, específicamente en el Primer principio de la termodinámica, enunciando: La ley de Lavoisier y Laplace: “el calor absorbido al descomponerse un compuesto, debe ser igual al calor desprendido durante su formación”.Ley de Hess: “el calor total de una reacción a presión constante es el mismo independientemente de los pasos intermedios que intervengan”. [2] Dada estas leyes las ecuaciones termodinámicas pueden desarrollarse en forma algebraica, y combinando, con datos

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experimentales, se pueden calcular calores de reacción no dependientes de determinaciones directas.En el caso de la experiencia realizada se determinara el calor de la reacción de la neutralización la cual corresponde a una transferencia química ya antes mencionada la cual se puede entender con mayor exactitud de la forma de calor molar de neutralización, que corresponde al calor producido en la reacción de neutralización de un mol de acido, en solución acuosa, por un mol de una base también en solución. este efecto térmico no es constante ya que depende de las concentraciones de los ácidos y bases, y si estos son fuertes o débiles[3]. Correspondiendo a esta experiencia las soluciones de ácidos y bases fuertes, dando a reacciones que el calor de reacción es independiente de la naturaleza de dichos componentes. Ejemplo de esto es el HCL ( ácido clorhídrico), NaOH (base fuerte). La experimentación de los cambios de calor que acompañan a las reacciones químicas, se realizan en una cámara en la cual se desarrolla la reacción , por lo general en un Vaso Dewar, que es un recipiente aislado, haciendo uso de un termómetro suficientemente sensible para medir la elevación o descenso de la temperatura. Los dispositivos destinados a realizar estas medidas se denominan calorímetros, y su capacidad calorífica ha de ser conocida. Su determinación se lleva a cabo efectuando en él una reacción cuyo calor sea conocido y midiendo la variación de la temperatura que se produce.En la experiencia realizada se debe tratar de determinar si la reacción de neutralización tiene una entalpia exotérmica o endotérmica, determinar la capacidad calorífica del vaso Dewar, y obtener una diferencia mínima entre los valores experimentales que se realizaran en el laboratorio y los valores teóricos de esta reacción. Los objetivos a cumplir en esta experiencia son:

Determinar la capacidad calorífica del calorímetro (Vaso Dewar) por medio del método de masa de agua.

Determinar los moles de los reactantes (ácido, base).

Determinar el calor de neutralización del ácido (HCl) y base (NaOH).

Comparar los datos experimentales del calor de neutralización y los datos teóricos.

Las leyes pertinentes que se usaran para esta experiencia son:Las leyes de la termodinámica: Primera ley de la termodinámica: la energía ni se crea ni se destruye, solo puede transformarse de una de sus formas en otra. En otras palabras la energía total del universo es constante. Se conoce también como Ley de Conservación. La energía de un sistema asilado es constante y si es un sistema adiabático el trabajo es igual a 0. ∆U= q = 0 o ∆H= q = 0

Donde:∆U= cambio de energía.q= calor .∆H= cambio de energía en forma de calor (entalpia).

Ley de Hess: la entalpia estándar de la reacción es la suma de las entalpias estándar (a la msima temperatura) de una serie de reacciones en las cuales se puede descomponer formalmente la reacción total:

∆ rH=∑j

vj ∆ fHj

Donde:Vj: coeficientes estequiométricos.∆fHj: entalpia estándar de formación del a sustancia j.∆rH: entalpia estándar.

2. Parte experimental

Tabla nº1 Materiales y reactivos químicos utilizados junto a su clasificación de seguridad.

Materiales Reactivos

Pizeta

Nombre,Fórmula, Molaridad,Marca,

Tipo de sustancia.

Manipulación

Vaso Dewar

Solución de Ácido Clorhídrico.HCl0.48

Solución de HCl disuelta en agua destilada, baja concentración molarUsar con delantal e idealmente bajo campana,

1Matraz Erlenmeyer

Solución de Hidróxido de sodio.≥99.8%Merck

Agua destilada.H2O

Tóxico.No manipular durante embarazo, portar delantal, lentes, guantes, máscara de respiración, trabajar bajo campana.

1Bagueta Agitadora

2 Probetas de 100ml.

2Vasos de precitiado de 100ml.

2 Embudos de vidrio

Cronómetro

Termómetro Digital

Etc…

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Determinación del calor específico de un vaso Dewar.

120ml H2O 150ml (sistema) 30ml H2O21.5°C 24.8°C 40.5°C

Primeramente verificamos que el instrumental de laboratorio se encuentre limpio, seco y en condiciones adecuadas para su manipulación. Tomamos el vaso Dewar y vertimos 150ml de agua destilada a temperatura ambiente de 21.5°C, paralelamente en un Matraz Erlenmeyer vertimos 30ml de agua destilada y lo calentamos en un baño termorregulador hasta llegar a 40.5°C, llegando a esta temperatura, vaciamos el contenido del matraz Erlenmeyer en el vaso Dewar, rápidamente lo tapamos insertamos el termómetro digital sobre un agujero de la tapa y comenzamos a medir las variaciones de temperatura de la solución cada 10 segundos.

De acuerdo a lo anterior determinamos que la temperatura final del sistema corresponde a 24.8°C.

Determinación del calor de neutralización ácido-base.

120ml de HCl 150ml (sistema) 30ml NaOH 0.48M 2M

21.7°C 26.7°C 22.0°C

Al igual que en la experiencia anterior debemos primero verificar que el instrumental de laboratorio esté limpio y en condiciones óptimas para llevar a cabo nuestra experiencia. Luego debemos en un vaso Dewar echar 120ml de una solución de una solución 0.48M de Ácido clorhídrico (HCl) registramos su temperatura y obtenemos 21.7°C, luego en un matraz Erlenmeyer vertemos 30 ml de Hidróxido de Sodio (NaOH) recreando el mismo proceso anterior, medimos su temperatura y registramos 22.0°C. Para neutralizar debemos tener un sistema en temperatura

equivalente, por ello hemos decididó sacar un promedio para trabajar a continuación. Luego de obtener una temperatura promedio para trabajar, debemos verter agilmente el contenido del matraz en el vaso Dewar, lo tapamos, y comenzamos a medir su temperatura cada 10 segundos con ayuda del termómetro digital. Registramos los datos que siguen.

Es por ello que determinamos que la temperatura final del sistema es 26.7°C

Una vez finalizada ambas experiencia debemos limpiar y ordenar el instrumental.

3. Resultados

Determinación de la capacidad calórica del calorímetro (Vaso Dewar).

Primeramente determinaremos la temperatura final del sistema, a partir del método de las masas de agua.En el calorímetro (Vaso Dewar) tenemos una muestra de 120ml de agua destilada medidos con la probeta volumétrica a 21.5ºC medidos con el termómetro digital. En el matraz erlenmeyer vertemos 30ml de agua destilada medidas con la probeta, lo calentamos en un baño termorregulador hasta llegar a los 40.5ºC medidos con un termómetro digital. Entonces los datos nos quedan como sigue: Agua fría Sistema Agua caliente

120ml 150ml 30ml 21.5ºC Tº sistema 40.5ºC

Para calcular la Tº final del sistema, luego de verter los 30ml de agua en el calorímetro, medimos la temperatura del sistema cada 10 segundos con ayuda de un cronòmetro y de un termómetro digital, nos queda la tabla a continuación.

Tabla n°2 Variación de temperatura en intervalos de tiempo.

Tiempo en segundos. Temperatura en °C0 26.310 25.420 2530 24.840 24.850 24.860 24.8

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Por tanto la temperatura final del sistema corresponde a 24.8ºC.

Luego, a partir de la siguiente fórmula, obtendremos la capacidad calórica del calorímetro (Vaso Dewar).

│qcedido│= qabsorbido

│qAgua Caliente│=qagua frìa + qvaso

cH2O*m2*(Tºf - Tº2) = CH2O*m1*(Tºf - Tº1) + Cv*(Tºf -Tº1)

Donde:cH20: Calor especìfico del agua = 4.18 J/g ºCm1: Masa de agua fría = 120gm2 : Masa de agua caliente = 30gTºf : Temperatura final del sistema = 24.8ºCTº1: Temperatura del agua fría = 21.5ºCTº2 : Temperatura del agua caliente = 40.5ºCCv Capacidad calórica del Calorímetro (Vaso Dewar).

Reemplazando los valores, nos queda: │4.18 (J/gºC)*30(g)*(24.8-40.5)(ºC) │= 4.18(J/gºC)*120(g)*(24.8-21.5)(ºC) + Cv*(24.8 -21.5)(ºC)

│125.4(J/ºC)* (-15.7)(ºC)│= 501.6(J/ºC)*(3.3)(ºC) + Cv(3.3)(ºC)

│-1968.78 (J)│= 1655.28 (J) + Cv *(3.3)(ºC)

(1968.78 -1655.28)(J) = Cv

3.3(ºC)

95 (J/ºC) = Cv

Por lo tanto la capacidad calorífica del calorímetro (Vaso Dewar) Es 95 (J/ºC).

Determinaciòn del calor de neutralización àcido-base.

Primero debemos medir las temperaturas de la solución de hidróxido de sodio y la de ácido clorhídrico, antes de neutralizar. Tenemos 120ml de solución de HCl a 0.48M a 21.7ºC y una 30ml de una solución de NaOH 2M a 22.0ªC

120ml HCl 150ml sistema 30ml NaOH 0.48M 2M 21.7 Tºpromedio sistema 22.0ºC

Como el sistema debe estar en equilibrio a partir de la siguiente fórmula obtenemos un promedio de la temperatura, como sigue:

T°HCl +T°NaOH = T°Sistema

2Reemplazando, nos queda:

21,7 + 22.0= T°Sistema

222°C = T°Sistema

La temperatura promedio inicial del sistema es 22ºC.

Luego vertemos el NaOH sobre la solución de HCl, y con la ayuda de un cronómetro y un termómetro digital, medimos cada 10 segundos la temperatura que adopta la disolución tal como se muestra a continuación.

Tabla n°3 Variación de temperatura en intervalos de tiempo.

Tiempo en segundos Temperatura en °C0 2410 25.720 26.530 26.640 26.750 26.760 26.7

Por lo tanto la temperatura final de neutralización corresponde a 26.7ºC, ya que es la más constante luego de la medición.

A continuación determinaremos el calor de neutralización, para ello diremos que el volumen de la disolución, es equivalente a las masas de agua pura, de acuerdo a la densidad podemos calcular la masa de NaOH y la de HCl con la fórmula a continuación.

D = m V

Donde:D: Densidad del agua = 1 g/mlM: masa de agua V= Volumen de agua.

Calculamos entonces las masas de NaOH y HCl. Masa de HCl

1(g/ml)*120(ml) = m120g = m

Masa de NaOH

1(g/ml)*30(ml) = m30g = m

Entonces la masa de la solución contenida en el sistema será la suma de la masa de NaOH y la del HCl.

mHCl +mNaOH = 120g +30g = 150g

Ahora mediremos el calor de neutralización ácido-base con la fórmula siguiente.

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│qcedido│= qabsorbido

│qneutralización│=qdisolción + qvaso

│qneutralización│= cH2O*m1*(Tºf - Tºi) + Cv*(Tºf -Tºi)

Donde:cH20: Calor especìfico de la disolución = 4.18 J/g ºC (Equivalente al agua)m1: Masa de disolución=(mHCl +mNaOH) =(120+30)g = 150gTºf : Temperatura final del sistema = 26.7ºCTºi: Temperatura inicial del sistema = 22.0ºCCv Capacidad calórica del Calorímetro (Vaso Dewar)= 95(J/ºC)

Reemplazando los datos, nos queda.

│qn│=-[4.18(J/gºC)*150g(26.7-22)ºC+95(J/ºC)*(26.7-22)ºC]│qn│= -[627(J/ºC)*(4.7)ºC +95(J)*(4.7)ºC)]│qn│=-[ 2946.9(J) +446.5(J)]│qn│=-3393.4 (J)

Determinamos el calor de neutralización por mol de sustancia reactante.

Tenemos que la relación estequiométrica de la reacción es:

H+ /Ac) + OH-

(Ac) → H2O(l)

Entonces la relación estequiométrica es 1:1, el cálculo de moles es de la siguiente manera.

Para el HCl

0.48mol * 1L * 120ml = mol de H+

L 103ml

0.058mol =mol de H+

Para el NaOH

2mol * 1L * 30ml = mol de NaOH L 103ml

0.06mol =mol de NaOH

Como la relación 1:1 no se cumple, debemos trabajar con el reactivo limitante que en este caso corresponde al HCl.

El Calor de neutralización por moles de sustancia se determino de la siguiente forma: __________ΔH neutralización =│qneutralización│ Moles de HCl__________ΔH neutralización = -3393.4 (J) 0.058 (mol)__________ΔH neutralización = -58506.9(J/mol)* 1KJ 1000J__________ΔH neutralización= -59KJ/mol

Por lo tanto nuestro calor de neutralización por moles de sustancia experimental corresponde a -59KJ/mol

Según los datos teóricos expuestos, obtendremos un calor de neutralización por moles de sustancia como sigue.

ΔHr =Σn*Hfp- Σn*Hfr

Prod. React.

Donde:ΔHf : Calor de neutralizaciónΣn : Coeficiente estequiométricos teóricos de los productos.HfH+ :Entalpìa de formación de H+ = 0 (kJ/mol)HfOH-: Entalpía de formación de OH- = -230.0 (kJ/mol)Hfp : Entalpìa de formación productos = -230.0(kJ/mol)Σn : Coeficiente estequiométricos teóricos de los reactantes.HfH2O :Entalpía de formación del agua = -285.8(kJ/mol)Hfr : Entalpía de formación reactantes = Entalpìa de formación del agua.

Según la siguiente reacción, determinaremos que los coeficientes estequimetricos serán así.

HCl(ac) + NaOH(ac) → NaCl(ac) + H2O(l)

Separándolo en sus iones, nos queda.

H+ /Ac) + OH-

(Ac) → H2O(l)

Por lo tanto los coeficientes estequiómetricos teóricos son 1 para el H+ y 1 para el OH-.

Reemplazando los datos, nos queda:ΔHr =1*(-285.8)(kJ/mol) - 1*(-230.0)(kj/mol)

ΔHr = -55.8kJ/mol

Entonces nuestro calor de neutralización teórico es -55.8kJ/mol.

4. Discusión

Para la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro (Vaso Dewar), referente al instrumental de laboratorio hemos trabajado en un vaso de plumavit que corresponde solo a un aislante del calor, a diferencia del Vaso Dewar real que corresponde a un sistema adiabático cerrado, que consta de una doble pared de vidrio cuyas paredes son reflectantes en las cuales existe un vacío entre ellas. Debido a esto, los resultados obtenidos son poco certeros, pues el material del vaso de plumavit permite la salida de calor, además la tapa utilizada para cerrar el sistema no era la adecuada por ende permite también la salida del calor hacia el entorno. Sin embargo, hemos intentado solucionar este problema siendo muy rápidos y cautelosos en la manipulación y realización de la experiencia. En cuanto al termómetro digital, acotaremos

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que al ser este muy sensible, registra los intercambios de calor que aporta el entorno al sistema, siendo una variable perjudicial en nuestra correcta logración de los objetivos. La probeta de 100ml presenta una mínima imprecisión de +1ml lo que nos indica una mínima incerteza al trasvasijar las soluciones al calorímetro o bien al matraz de aforo, por ello puede existir una pérdida de sustancia mínima que puede hacer variar nuestros resultados, sin embargo, la probeta volumétrica corresponde a uno de los instrumentos más certeros dentro del laboratorio. Por ello hemos tratado de ser cuidadosos en su manipulación para así no tener este inconveniente. En cuanto a la determinación del calor de neutralización teóricamente esperamos que la solución de hidróxido de sodio se encuentre a la misma temperatura que la solución de acido clorhídrico, aproximadamente temperatura ambiental, sin embargo hemos tenido que calcular un promedio entre estas dos temperaturas, pues existe una variación de 0.3 grados centígrados entre una y otra, hemos determinado que esto ocurre por la diferencia del material del que está elaborado el instrumental a utilizar, nuestro vaso dewar es de plumavit (poliestireno expandido) que protege a las sustancia de los cambios bruscos de temperatura, por ello existe una mínima perdida de calor por el sistema. No así el matraz Erlenmeyer que es un material de vidrio que presenta perdida o absorción (Absorción en nuestro caso) mayor de energía desde el entorno al sistema en comparación al primero. Además el momento de medición de ambas temperaturas no es paralelo, por ello luego de sacar la solución de la campana tendremos una perdida evidente de temperatura.

Dentro de los cálculos realizados, diremos qué tendremos un error e imprecisión en los resultados pues, en primera instancia trabajamos con varias cifras significativas, luego vamos eliminando números hasta llegar al valor final disminuido según la las reglas para trabajar las cifras significativas, por esto nosotros determinamos que se pierden datos debido a la aproximaciones realizadas, esto afecta de alguna manera la obtención de los resultados, pero por formalidad usamos este método al pie de la letra.

Esta experiencia aboga a las leyes de conservación de energía y materia y ley de Hess y si bien vemos ciertas variaciones en los datos, de acuerdo a todas las incertezas expuestas anteriormente, determinamos que por medio de esto se comprueban las leyes, sin embargo también ponemos en consideración los componentes del entorno que afectan de manera directa e indirecta al sistema.

Por último y respecto a los resultados obtenidos en el cálculo de calor de neutralización por unidad molar, respecto a los resultados teóricos expuestos, debemos mencionar que todos los factores anteriormente mencionados afectan en gran parte el sistema, por ejemplo, el material del calorímetro que permite una transferencia de calor entre el sistema y el entorno, ideal y teóricamente el cálculo esta generado en función de un sistema adiabático (sin intercambio de calor entre el sistema y el entorno) sin embargo al llevar a cabo la experiencia sabemos que de todas maneras existe aunque sea mínima

una transferencia de calor entre el sistema y el entorno por lo que se convierte en un sistema diatérmico. Además debemos considerar que en la determinación teorica de los datos, estos están precisados a temperatura ambiente de 25°C y nosotros trabajamos a temperatura de 21.5°C aproximadamente, los datos están precisados a 1atm de presión y nosotros no determinamos estos datos, para corroborar que nuestros cálculos teóricos debiesen ser equivalentes a los experimentales, sin embargo nuestros resultados son muy cercanos al valor a llegar, por ello concluimos un buen manejo y manipulación de los instrumentos, optimo analisis y observación de las muestras, buen seguimiento de los procesos a desarrollar y finalmente agilidad para evitar las transferencias de calor.

.5. Conclusiones

En relación a lo experimentado se puede concluir que el calor de neutralización ácido-base es una reacción exotérmica, ya que esta se libera energía en forma de calor lo que se representa en el dato de la transferencia de energía │qn│=-3393.4 (J), la q es absorbida por la disolución y el calorímetro en este caso un vaso de plumavit. También se pudo ver que con el método de masa de aguas se pudo determinar la capacidad calorífica del vaso Dewar la que nos dice que solo experimentalmente se puede sacar la capacidad calorífica, ya que cada vaso Dewar tiene su único valor y que no puede ser representado por un solo valor, también se pudo inferir que este valor no es exacto ya que con las mediciones y los cálculos realizados en la experiencia se produjeron aproximaciones y errores minimos pero que influyeron en el valor de este; por lo anterior se infirió que los valores experimentales no serian los mismo que los teóricos ya establecidos , debido a que el experimento no fue de lo mas exacto ya sea por el procedimiento, por los instrumentos que se utilizaron y por los cálculos que se efectuaron, sin despreciar que en esta experiencia se trato con mucho énfasis minimizar todos estos errores, dejando una diferencia mínima entre estos valores, calor de neutralización teórico (-55,8kJ/mol) y el de la experiencia (-59kJ/mol) dando una diferencia de 3,2KJ/mol. En lo que respecta a las leyes aplicadas se pudo establecer que si son aplicables ya que se pudo ver claramente la que las leyes de la termodinámica en especial la primera ley de la termodinámica aplica en esta experiencia ya que las energías en este caso en forma de calor no se crea ni se destruye solo se transforma, y que el calor cedido debe ser igual al calor absorbido y que la ley de Hess da una aplicación predominante en esta experiencia por la capacidad de facilitar los cálculos para determinar el calor de una reacción química en esta caso la neutralización ácido-base.Se infirió que entre mas aislado sea en sistema donde se esta desarrollando la reacción se puede llegar a la cantidad teorica ya que las leyes de la termodinámica expresan directamente que el asilamiento de estos procesos dan una mejor igualdad entre el calor absorbido y el calor cedido.

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Referencias

 [1]http://www.ucm.es/info/QCAFCAII/Doppler-Lissajous/Pagina-web/Practicas/Practicas-fqi/teoria8.html (pagina web universidad complutense de Madrid)

 [2]Atkins; “Fisico Quimica”, 3° edición, p.93.

 [3]http://www.ucm.es/info/QCAFCAII/Doppler-Lissajous/Pagina-web/Practicas/Practicas-fqi/teoria8.html

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