1
Laboratorio 2.
Calor de combustión
Objetivo
Determinar el calor de combustión de una sustancia orgánica como el naftaleno
y determinar la entalpía de formación utilizando el calorímetro de bomba
adiabático.
Teoría
El calor de combustión de una sustancia se define como la energía liberada en
forma de calor por la reacción de combustión cuando ésta ocurre a presión
constante. Esta energía es igual al cambio de entalpía, ∆H, que sufre el sistema
(reactivos y productos) durante el proceso (la reacción). Así,
qp = ∆H (2-1)
El calor de combustión estándar es la energía liberada en forma de calor cuando
la reacción de combustión ocurre a una presión constante de 1 atm y a una
temperatura especificada, típicamente 25°C. El calor de combustión se
representa con el símbolo °H.
Es decir si se quiere determinar qp = ∆H, la energía liberada para el proceso.
Energía liberada en forma de calor Cambio de energía dentro del sistema
REACTIVOS (P1,T1,V1) PRODUCTOS (P1,T1,V2)
2
Durante el proceso anterior se mantienen constantes la presión y temperatura, y
por lo tanto cambia el volumen. Experimentalmente, es mas conveniente (y mas
seguro) mantener el volumen constante y permitir que la presión cambie. En
otras palabras, se prefiere llevar a cabo el proceso
Puesto que el proceso ocurre a volumen constante el calor medido qv será el
cambio en energía interna, ∆U que sufre el sistema.
qv = ∆U (2-2)
=
En un calorímetro de bomba el calor medido para la muestra quemada es qv, el
cual es el cambio en energía interna de estados iniciales y finales. El cambio de
entalpía, ∆H, para este proceso se relaciona a la energía interna, como sigue:
∆ H =∆ U+ ∆ (pV) (2-3)
Si el gas es ideal,
∆ (pV) = ∆nRT (2-4)
Aunque se quiere obtener ∆H, en el laboratorio se mide ∆U. Para procesos a
volumen constante, ∆U se obtiene midiendo el calor qv. Para medir qv se utiliza
la ecuación básica de calorimetría a volumen constante.
REACTIVOS (P1,T1,V1) PRODUCTOS (P2,T1,V1)
Energía liberada en forma de calor Cambio de energía dentro del sistema
Cambio en el número de moles de todos los gases de la reacción del sistema
3
qv = CT (2-5)
Donde C es la capacidad calorífica del calorímetro a volumen constante.
La capacidad calorífica del calorímetro necesita ser determinada primero con
una sustancia a la cual ∆H se conoce. Luego C para el calorímetro se determina
y la ecuación (2-5) puede ser usada para resolver el calor de combustión de una
muestra desconocida.
Resumiendo,
1. Se resuelve para la capacidad calorífica del calorímetro:
Ccal = qv,conociddo / ∆ T (2-6)
2. Luego este valor se usa para encontrar el valor q de la muestra desconocida:
qv,desconocido = (Ccal) (∆ T) (2-7)
Calorímetro
Un calorímetro de bomba consiste de tres partes esenciales:
1. Una bomba (Figura 2-1), la cual contiene la muestra y el oxigeno, es aquí
donde la combustión toma lugar.
4
Figura 2-1
2. Un cubo (Figura 2-2), que tiene una cantidad medida de agua, en el cual
la bomba, el termómetro, y el agitador son sumergidos.
Figura 2-2
3. Un jacket (Figura 2-3) para aislar el cubo de los alrededores.
5
Figura 2-3
Existen dos métodos se usan para cubrir el calorímetro: calorímetro isotermal y
calorímetro adiabático. Estos dos calorímetros no solo difieren en la construcción
de la camisa, pero también en la forma en que las lecturas de temperaturas son
recogidas.
En un sistema adiabático, la temperatura del camisa se ajusta, usualmente
automáticamente, así nunca difiere de la temperatura del cubo, la cual se
alcanza durante el curso de la corrida. Puesto que la temperatura del cubo y los
alrededores es la misma, no se transfiere calor entre el sistema y los
alrededores, por esta razón el proceso es adiabático.
En el calorímetro adiabático, la temperatura del cubo permanece constante
hasta que la ignición ocurre; después la temperatura aumenta por la ignición.
Luego se observa que nuevamente la temperatura permanece constante, puesto
que no hay transferencia de calor entre el cubo y el camisa ya que estos están a
temperaturas iguales (Figura 2-4).
6
Figura 2-4. Temperatura versus tiempo para un calorímetro adiabático
Procedimiento experimental
Notas de seguridad
A continuación de da una serie de recomendaciones que es conveniente tener
presentes para trabajar sin tropiezos y obtener resultados correctos. Los puntos
marcados con un asterisco (*) son normas de seguridad que es imprescindibles
observar estrictamente, a fin de no correr riesgos.
a. Por ninguna razón debe usarse muestras de mas de un 1 gramo y /o
presiones de oxigeno mayores que 25 atm.
t (min)
T °
(C)
∆T
7
Figura 2-5
b. Después de colocar la muestra y cerrarla, la bomba debe manipularse con
cuidado, a fin de evitar que la pastilla puede moverse y perder contacto con
el alambre.
*c. Antes de inyectar oxigeno a la bomba, hay que cerciorarse que la tapa
este bien atornillado. De lo contrario, esta puede ser expulsada con fuerza.
Además, se perderá la muestra.
d. Los gases deben entrar y salir de la bomba muy lentamente a fin de no
producir turbulencias, la que podría arrastrar partículas de muestra fuera de
la cápsula de combustión.
e. El volumen de agua colocado en el envase debe ser reproducible dentro
de ±0.5 mL para asegurar la constancia de su capacidad calorífica.
Medidor de presión
8
*f. Si al colocar el agua en el envase se observa que salen burbujas de la
bomba, no debe realizarse la combustión. Esto podría indicar que la
empacadura de la tapa, o la válvula, están en malas condiciones.
g. El envase tiene tres marcas en su fondo. Al colocarlo en la camisa dichas
marcas deben coincidir con los tres topes (blancos) que hay en el piso de la
cavidad.
*h. Durante los 15 segundos siguientes debe haber apretado el botón IGNITE
debe mantenerse la tapa alejada de la tapa del calorímetro..
i. El botón IGNITE no debe mantenerse oprimido por mas de 5 segundos,
aun cuando la luz piloto no se hay apagado. De lo contrario, saltara un
interruptor magnético que hay dentro del aparato.
*j. Antes de abrir la bomba, después de la combustión, es importante
acordarse de liberar la presión residual. De lo contrario la tapa será
expulsada violenta y peligrosamente.
Calibración
Se mide ∆T (cambio de la temperatura a medida que transcurre la combustión)
con un termómetro.
En la corrida de calibración, se hace la corrida con acido benzoico, el cual el
valor de ∆U es conocido para obtener C para el sistema calorímetro-agua. Se
mide ∆T y se calcula C mediante la ecuación
C = - ∆U / ∆T (2-8)
El aparato se calibrara con muestras de ácido benzoico. Los pasos para la
9
calibración son los siguientes:
1. El ácido benzoico es un polvo y necesita ser comprimido en Pellets. El pellet
se hace de aproximadamente 0.8-0.9 gramos de ácido benzoico.
La Figura 2-6 muestra como llenar el molde de la prensa de la pastilla con la
muestra en polvo
Figura 2-6
2. Después de llenar el molde con la muestra en polvo, coloque el molde en la
prensa (Figura 2-7) y aplique presión en el polvo para apretar firmemente el
polvo y así facilitar la formación de la pastilla.
10
Figura 2-7
4. Corte un pedazo de alambre de ignición de hierro de 8 - 10 cm de largo. Pese
el alambre a 0,1 mg. Conecte el alambre. Ponga la pastilla sólida en la copa de
la ignición y pase el alambre por los ojales de los electrodos. Doble el alambre
para que esté cerca de la pastilla, pero que no toque la copa de esta.
Figura 2-8
5. Coloque la cabeza de la bomba en la bomba y enrosque el anillo de la
cubierta en el lugar apretadamente.
6. Cierre la válvula de la aguja de salida en la cabeza de bomba con el
instrumento proporcionado.
11
7. Verifique que las válvulas en el tanque de oxigeno estén cerradas. Conecte el
tubo de inlet del tanque a la bomba. (Figura 2-9)
Figura 2-9
Abrir la válvula principal en el tanque de oxigeno. Suavemente, aplicar 25 atm de
oxigeno en la bomba. No exceder 25 atm.
8. Sangrar el oxigeno de la línea de conexión, así eso puede ser desconectada
de la bomba hasta que usted no más largo oiga un sonido que silba.
9. Coloque el cubo en la camisa aislado y asegurase que se sienta plano. Mida 2
L de agua con un frasco volumétrico y colóquela dentro del cubo. Cerciórese que
la temperatura del agua este cerca de la temperatura mas baja del termómetro
que se mete en el calorímetro. Conecte los alambres principales a la bomba
manteniendo la bomba encima del agua. Baje suavemente la bomba en el cubo
y esté seguro que se sienta plano. Baje el termómetro en el calorímetro. Conecte
la goma de caucho al motor de agitación, hacer las conecciones eléctricas y
prender el calorímetro.
10. Registre la temperatura cada 10 segundos por cerca de tres minutos hasta
que la temperatura sea constante.
12
11. Ignición: Una persona debe empujar el botón de ignición y el botón de reloj al
mismo tiempo. Tenga el botón de la ignición hacia abajo por 2 a 5 segundos. No
lo tenga abajo más de 5 segundos. Mantenga su ojo en la luz como usted
empuja el botón. Debe prender brevemente. La temperatura necesitará
probablemente cerca de 20 segundos después que la ignición para empezar
asubir. Usted debe ver un aumento constante en la temperatura para los
primeros pocos minutos y entonces puede disminuir lentamente. Continúe
tomando las lecturas por dos a tres minutos después que usted tiene tres
lecturas consecutivas de la temperatura dentro de + /- 0,05 °C.
12. Cuando la corrida haya terminado, apague el motor, apague el agitador,
levante y mueva la tapa del calorímetro. Saque con cuidado la bomba, y abra
suavemente la válvula de salida de gas para liberar la presión del interior. Una
vez que la presión ha disminuido remueva la tapa de la bomba de oxigeno.
Verifique las paredes interiores de la bomba para observar la presencia de agua
u hollín. Estos son los signos de la combustión completa. Si hay cualquier
alambre no quemado, remuévalo y péselo. Determine la cantidad de alambre no
quemado. Nota: Por cada gramo de hierro quemado, 1400 cal deben ser
substraídas del calor de combustión de la muestra.
Combustión de la muestra
En la corrida experimental, se hace la corrida con un desconocido (naftaleno)
para determinar su ∆U. Se utiliza Cv obtenido en la corrida de calibración y se
mide ∆T. Se calcula ∆U mediante la ecuación
∆U = - C ∆T (2-9)
Repetir los pasos 1-13, teniendo en cuenta las mismas precauciones explicadas
antes de la sección experimental.
13
Cálculos
1. Para cada corrida grafique T (°C) versus tiempo (segundos) y determine ∆T
(Ver Figura 2-4).
2. Calibración del Calorímetro: Con las corridas para acido benzoico determine
∆UTotal, teniendo en cuenta los siguientes valores de calores de combustión a
25 °C: ácido benzoico: -6319 cal/g y alambre:-1400 cal/g.
∆UTotal = Ualambre alambre del Masa + UPastilla Pastilla la de Masa ∆×∆× ( 2-10)
∆UTotal = - C∆T ( 2-11)
Luego, C = ∆
−∆
Total U
T ( 2-12)
Determine el promedio de sus valores.
3. Determine la capacidad calorica del calorímetro de acuerdo a la siguiente
ecuación:
022 CCMCOHOH+= ( 2-13)
OHOH
CMCC 22
_
0 −= ( 2-14)
4. Determine el del naftaleno ∆UTotal teniendo en cuenta el valor C del
calorímetro,
∆UTotal, = TC∆− ( 2-15)
14
5. Determine el calor de combustión del naftaleno,
∆Ucombustión, =( ) ( )
pastilla la de Masa
U 1 naftalenoTotal, AlambreAlambreUm ∆×−∆
( 2-16)
6. Determine la entalpía de combustión del naftaleno utilizando la siguiente
ecuación balanceada,
C10H8(s) + 12O2(g) → 4H2O(l) + 10CO2 (g) ( 2-17)
∆HComb.,naftaleno1 = ∆UCombustión,1 ( )PV∆+ ( 2-18)
∆HComb,sust1 = ∆UCombustión,1 1,inicialnRT∆+ ( 2-19)
7. Discusión, Preguntas
¿Cuál es el calor de formación del compuesto?
¿Cuál es la energía de resonancia?
a) Si la sustancia que va a ser sometida a combustión se encuentra en estado
líquido, qué método usaría usted. Si se va utilizar el equipo de la bomba PARR?
b) Considera Ud. la experiencia en la bomba PARR fue realizada a presión
constante?
c) Señale algunas aplicaciones prácticas del calor de combustión de una
sustancia.
d) Al quemar un mol de C8H8O2 en una bomba PARR se liberan 980 Kcal.
Calcule el calor de combustión a presión constante a 25ºC.
Calcule la entalpía de formación del compuesto.
e) ¿Cómo se determina la capacidad calorífica de la bomba PARR? Señale
15
las posibles fuentes de error de esta práctica.
f) ¿Por qué se le agrega 2 L de agua en la práctica?
g)¿Cómo se puede determinar el contenido de nitrógeno de una muestra
que se quema en la bomba PARR?
Referencias
Sime, Rodney J. Physical Chemistry: Methods, Techniques, and Experiments.
Saunders College Publishing, Philadelphia, USA1990.
Levine, Ira N. FisicoQuimica. Editorial AC Madrid, 1977. Tercera Edición.
Mortimer, Robert g. Physical Chemistry. The Benjamin/Cummings Publishing
Company, Inc. Redwood City, California, 1993.
Top Related