“CALOR DE COMBUSTIÓN”
Profesor: M. en C. Gerardo Omar Hernández Segura
Departamento de FisicoquímicaLaboratorio de Termodinámica
Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Química
OBJETIVOQue el alumno determine el
calor de combustión de una muestra sólida a partir de datos
calorimétricos medidosexperimentalmente con la
bomba calorimétrica.
TERMOQUÍMICA
Es un área de la TERMODINÁMICA experimental que cuantifica la cantidad de calor cedida o absorbida
por una RQ
REACCIÓN DE COMBUSTIÓN
LA CANTIDAD DE CALOR se mide …..
Instrumento (recipiente) que permite cuantificar la
cantidad de calor cedida o absorbida por un sistema
colocado en su interior. Posee un dispositivo para medir la
temperatura y una pared adiabática que impide la
transferencia de calor hacia los alrededores.
CALORÍMETRO
ISOBÁRICOS (P = CONSTANTE)
ISOCÓRICOS (V = CONSTANTE)
TIPOS DE CALORÍMETROS
ADIABÁTICOS (Q = 0)
ESQUEMA DEL CALORÍMETRO
FUNDAMENTO DE LA MEDICIÓCLA ENERGÍA INTERNA...
Es la energía que tiene el sistema, involucrando a los átomosque lo componen y sus constituyentes (electrones, protones,neutrones), así como sus comportamientos (vibración, rotación,translación, etc.) de forma individual o como parte de agregadosquímicos (retículas, moléculas, etc.)
Ecuación energética
• dU = δQ + δW• ∆U = Q + W
Cambio de energía interna
en proceso isocórico
• Si V = cte, δW = 0 y dU = δQV
• ∆U = QV
Cambio de entalpía en
proceso isobárico
• Si P = cte, δW = −PopdV y Pop ≈ P sistema• dU = δQ −PdV o bien U2 − U1 = Qp −P(V2 − V1)• Qp = (U2 + P2V2) − (U1 + P1V1) pero H = U + PV• Qp = H2 − H1 = ∆H
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
ECUACIÓN TERMOQUÍMICA
SISTEMA TERMODINÁMICO: REACCIÓN QUÍMICA
Ecuación química balanceada.Estados de agregación: (s) sólido, (l) líquido, (g) gas, (ac) medio acuoso, (org) medio orgánico.Cantidad de calor asociada al proceso químico. Condiciones de T y P del proceso químico.Signo del calor asociado al proceso químico: Exotérmico (Qr < 0), Endotérmico (Qr > 0).Si P = cte, (Qr)p = ΔHr. Si V = cte, (Qr)V = ΔUr
03 2 2 2 298.15K
3CH OH( ) O ( ) CO ( ) 2H O( ) 726.76 kJ/mol2 rl g g l H+ → + ∆ = −
Estado inicial:
reactivos
Estado final:
productos
ENTALPÍA DE FORMACIÓN
2 20298.15K
C( ) O ( ) CO ( )
393.51 kJ/molr
grafito g gH
+ →
∆ = −
Formación del dióxido de carbono a partir de grafito y oxígeno:
ENTALPÍA DE REACCIÓN
SUSTANCIA: ΔHºf, 298.15 K / (kJ/mol)C6H5COOH (s) -384.80
O2 (g) 0CO2 (g) -393.51H2O (l) -285.83
0 0 0, ,r i f i j f j
i jH n H productos n H reactivos∆ = ∆ − ∆∑ ∑
06 5 2 2 2 298.15K
15C H COOH( ) O ( ) 7CO ( ) 3H O( ) 3227.26 kJ/mol2 rs g g l H+ → + ∆ = −
0298.15K (7)( 393.51 kJ/mol)+(3)( 285.83 kJ/mol) (1)( 384.80kJ/mol)rH∆ = − − − −
Ejemplo: Entalpía de combustión del ácido benzóico
RELACIÓN ENTRE ΔH y ΔU
0 0 ( )r rH U PV∆ = ∆ + ∆
H U PV= +
Definición de entalpía:
Gases ideales:
( ) ( )PV nRT
PV nRT=
∆ = ∆
Si T = cte:
0 0 ( )r r gasesH U n RT∆ = ∆ + ∆
0 0 ( )r r gasesU H n RT∆ = ∆ −∆
,gases prod. ,gases react.( )gases i ji j
n n n∆ = −∑ ∑
Para fases condensadas V ≈ ctepor efecto de T y P, además:V (g) >> V (s) y V (g) >> V (l)Por lo tanto, el volumen de las fases condensadas se desprecia
RELACIÓN ENTRE ΔH y ΔU
06 5 2 2 2
15 JC H COOH( ) O ( ) 7CO ( ) 3H O( ) 32272602 molrs g g l H+ → + ∆ = −
15 1( ) 72 2gasesn∆ = − = −
( )0 J 1 J J3227260 8.314 298.15K 3226020mol 2 molK molrU ∆ = − − − = −
0 cal6319.97gcombU∆ = −
0 J 1 cal 1 mol3226020mol 4.184 J 122 grU ∆ = −
0 0 ( )r r gasesU H n RT∆ = ∆ −∆
Calor de combustión del ácido benzóico a volumen constante:
PARTE EXPERIMETAL
1. Determinación de la constante del calorímetro:
Masa de agua en la cubeta: 2000 g a 25°CMasa de pastilla de ácido benzóico: 1 g (Masa molar: 122 g/mol)Calor específico del agua: 1 cal/gºCAdicionar 1 mL de agua destilada en el interior de la bomba.Pesar el alambre de ignición antes y después de la reacción de combustión (ΔUºalambre = −1400 cal/g).
2. Determinación del calor de combustión de una muestra sólida:
Masa de agua en la cubeta: 2000 g 25°CMasa de muestra sólida (chocolate, dulce, etc.): 1 gCalor específico del agua: 1 cal/gºCAdicionar 1 mL de agua destilada en el interior de la bomba.Pesar el alambre de ignición antes y después de la reacción de combustión (ΔUºalambre = −1400 cal/g).
PARTE EXPERIMETAL
PARTE EXPERIMETAL
DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DEL CALORÍMETRO
ganado cedidoQ Q= −
2H OK reacciónQ Q Q+ = −
2 2
0 0H O H O .( ) ( )f i f i ac benz comb alambre alambreK T T m c T T m U m U− + − = − ∆ − ∆
2 3H O HNO( )K comb alambreQ Q Q Q Q+ = − + +
2 2
0 0. H O H O ( )
( )ac benz comb alambre alambre f i
f i
m U m U m c T TK
T T− ∆ − ∆ − −
=−
0 1400 cal/galambreU∆ = −
DETERMINACIÓN DEL CALOR DE COMBUSTIÓN DE UNA MUESTRA SÓLIDA
ganado cedidoQ Q= −
2H OK reacciónQ Q Q+ = −
2 3H O HNO( )K muestra alambreQ Q Q Q Q+ = − + +
2 2
0H O H O0 ( ) ( )f i f i alambre alambre
muestramuestra
m c T T K T T m UU
m− + − + ∆
∆ =−
0 1400 cal/galambreU∆ = −
( ) ( )2 2
0 0H O H Of i f i muestra muestra alambre alambreK T T m c T T m U m U− + − = − ∆ − ∆
tiempo
⋅ ⋅ ⋅⋅
⋅
⋅⋅
Tem
pera
tura
Tiempo de ignición
Vaciar al gráfico los datosexperimentales
• Trazar en papel milimétrico lasmejores rectas posibles para lastemperaturas registradas antes ydespués del mezclado
• Identificar el tiempo en que ocurrióla mezcla
•Extrapolar ambas rectas hasta eltiempo de mezclado
• Determinar Ti y Tf
Ti = temperatura del agua antes dela reacción.
Tf = temperatura del agua despuésde la reacción.
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅ ⋅ ⋅
Determinación de las temperaturas para ambos experimentos
iT
fT
Leer en un periodo de 5 min
cada 30 segundos
Leer cada 15 segHasta una temp cte.
COMPARACIÓN DEL VALOR TEÓRICO Y EXPERIMENTAL
Comparar el ΔU0 experimental con el valor informado en el empaque del dulce y determinar el % error:
0 0
0% 100empaque exp
empaque
U UError
U∆ −∆
=∆
25sube a 27el experimento
termina Después de los 5 minutosque se repitan 5 temperaturas
1. Se coloca l Se abre de la llave negra. Manometro pequeño2.1. Manometro grandeime
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