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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)

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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

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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.

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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.

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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).

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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

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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

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*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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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)

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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

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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.