Integrantes:
Facultad de Química, UNAM Laboratorio de termodinámica
CALOR DE COMBUSTION Objetivo: Determinar el calor de combustión del acido benzoico y de un alimento en este caso es un pandita a partir de la información obtenida al usar la bomba calorimétrica. Además de aprender a usar la bomba calorimétrica.
Introducción: Calorimetría es la ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica. La eficacia del combustible, o capacidad calorífica, se mide normalmente en términos de energía térmica (calor) desarrollada cuando una cantidad dada del combustible se quema bajo condiciones estándar o patrón. Las capacidades caloríficas de los combustibles sólidos y líquidos se miden en julios por kilogramo o metro cúbico. A veces se hace una distinción entre capacidad calorífica superior, que es el calor total desarrollado durante la combustión, y capacidad calorífica inferior, que es el calor neto desarrollado, descontando el calor perdido en la evaporación del agua durante la combustión.
Procedimiento: Material
Un calorímetro de volumen constante (Bomba Parr) con accesorios Una unidad de ignición Una probeta de 1000 mL Una pipeta volumétrica de 1 mL Un cronometro Una broca de 1.5 mm Dos vidrios de reloj
Una espátula 10 cm de alambre de ignición Ni-Cr 1.5 g de acido benzoico 1.5 g de naftaleno Agua destilada Un cilindro de oxigeno Una prensa pastilladora
Determinación de la constante del calorímetro: Medidas de seguridad. + Existe riesgo de choque eléctrico o de corto circuito por las terminales expuestas. + Revisar cuidadosamente todas las conexiones antes de conectar la unidad de ignición a la corriente. + No presurizar la bomba más allá de 30 atmosferas, pues puede explotar. + Los cilindros de gas deben estar sujetos a la pared. + Verificar los empaques de las juntas para evitar riesgos al cerrar el instrumento. + No debe usarse aceite en la conexión para llenado de oxigeno ya que puede explotar el aparato de i nición.
1. - Pesar 1 g aproximadamente de Acido Benzoico. 2.- Con la prensa, hacer una pastilla usando el acido pesado anteriormente y atravesar la pastilla por el centro con una broca. 3.- Cortar 10 cm. del alambre de ignición, pesar la pastilla y el alambre por separado. 4.- Pasar el alambre por el orificio de la pastilla y amarrar las puntas a los electrodos de la bomba.
5.- Poner en el fondo de la bomba 1 ml de agua destilada medida. 6.- Colocar la tapa de la bomba, apretando la tuerca anular con la mano e introducir el oxigeno a la bomba. Procedimiento para introducir el oxígeno: a) Conectar el juego de manómetros al cilindro del oxigeno y la terminal moleteada a la bomba (apretar con la mano), con la válvula de descarga y de control cerradas. c) Abrir la válvula totalmente o lo suficiente hasta que la presión del tanque se lea en el manómetro. d) Abrir con cuidado la válvula de control hasta alcanzar entre 20 a 25 atm. No llegar a presiones superiores de 10 atm, pues puede explotar. e) Cerrar la válvula de control una vez alcanzada la presión, la válvula maestra y quitar la conexión moleteadas de la bomba.
7.- Preparar el baño de agua: a) En la cubeta metálica agregar 2 litros de agua a temperatura ambiente. b) Introducir la cubeta en el recipiente adiabático cuidando que quede en el lugar correcto. c) Poner dentro de la cubeta la bomba, utilizando las pinzas, observar que quede en el lugar adecuado. d) Colocar en la bomba los cables que suministran corriente eléctrica a los electrodos. (La intensidad de corriente es de aproximadamente 4 amp.,con un voltaje de 18 V) e) Colocar la tapa con el agitador y poner el termómetro de precisión en el orificio de la tapa, observando que puedan leerse y usar el lente de aumento para mejorar las lecturas del termómetro.
f) poner en funcionamiento el motor del agitador. 8.- Conectar los electrodos de la bomba a la fuente de poder y la fuente al suministro de corriente de 125 Volts. 9.- Empezar a leer la temperatura del baño de agua cada 30 segundos durante 5 minutos, después se procede a oprimir el botón de encendido de la unidad. El operador debe permanecer alejado del calorímetro durante 15 segundos después del encendido por seguridad. 10.- A partir de este momento tomar la temperatura cada 15 segundos hasta obtener un valor máximo y seguir leyendo la temperatura del baño durante 10 minutos más en intervalos de 30 segundos. 11.- Desconectar el agitador y la fuente de corriente para proceder a retirar con mucho cuidado el termómetro, el lente de aumento. 12.- Quitar la tapa del calorímetro, con las pinzas sacar la bomba de la cubeta, retirando antes los cables de los electrodos y secar por fuera la bomba. 13.- Sacar lentamente los gases de la bomba, usando la válvula de descarga. 14.- Destapar la bomba manualmente. 15.- Pesar los restos del alambre de ignición. 16.- Si se encuentra que el interior de la bomba está cubierto de hollín posiblemente no se administro la cantidad adecuada de oxigeno y se tendrá que repetir el experimento. 17.- Si lo anterior no sucedió, lavar la bomba con agua destilada y guardar toda el agua del lavado, para determinar el acido nítrico formado.
Determinación del calor de combustión de la sustancia problema: Utilizando el mismo procedimiento anterior para calcular el calor de combustión del alimento en este caso es un pandita de goma y el resultado experimental obtenido compararlo con las calorías del la bolsa, hacer el porcentaje de error.
Datos y resultados: Ecuación que representa la reacción de combustión del Ac. Benzoico: C7H6O7 + 5O2
7CO2
+ 3H2O +
ΔHm 0 = ΔUm 0 + ΔngasesRT Masa molar del acido benzoico (C7H6O2) = __122_g mol-1 ΔUalambre = _ 1400____ cal g-1 c agua = __1____ cal g-1 oC-1 ΔH0 298 para la combustión del Ac. Benzoico = __-766__________ kcal mol-1 ΔH0 298 para la combustión del Ac. Benzoico = ______-3218______ kJ /mol Calor de combustión de la sustancia problema reportado: ______6318_______ kcal g-1
m agua____2000__g m ac.ben. ___0.76_g m inicial alambre ___0.03__ g m final alambre___0.02____ g
m agua_1975___ g m muestra. __1.02__g m inicial alambre __0.03___g m final alambre___ 0.02___g
Datos experimentales de calibración Tiempo (min)
Temperatura (°C)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
19.4 19.4 19.4 19.4 19.4 19.4 19.4 19.4 19.4 19.4 Ignición24
5.45
24.1
Tiempo (min) 6.00 6.15 6.30 6.45 7.00 7.15 7.30
Temperatura (°C) 24.2 24.21 24.21 24.21 24.21 24.22 24.22
Tiempo (min) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
Combustión de la muestra Temperatura Tiempo Temperatura (°C) (min) (°C) 24.9 6.00 25.25 24.9 6.15 25.5 24.9 6.30 25.7 25 6.45 26 25 7.00 26.1 25 7.15 26.2 25 7.30 26.2 25 7.35 26.3 25 7.40 26.4 25 7.45 26.4 Ignición 25 7.50 26.4
5.45
25.2
8.00
25.4
A.- Determinar la capacidad térm ica de la bomba calorimétrica: 1.- Con los datos obtenidos del experimento trazar una gráfica de temperatura vs tiempo y obtener la variación de temperatura para obtener K. 2.- Establecer un balance energético de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, para determinar la constante del calorímetro. 3.- Encontrar el valor de Δn gases a partir de la reacción de combustión del acido benzoico. R.4 4.- Obtener el valor de ΔUm 0 298 para la combustión del acido benzoico.
=4815.68 5.- Obtener el valor de la constante del calorímetro (K)
=-3005.44 B.- Determinar el calor de combustión de la muestra problema: 1.- Con los datos obtenidos del experimento trazar una grafica de temperatura vs. tiempo y obtener la variación de temperatura para obtener el calor de combustión de la muestra problema. 2.- Establecer un balance energético de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, para determinar el calor de combustión de la muestra problema. 3.- Obtener el calor de combustión de la muestra problema.
Análisis de resultados: 1.- ¿Por qué la variación de temperatura durante el experimento se debe obtener del grafico temperatura vs. tiempo? Para poder obtener el valor de una constante 3.- ¿Como se aplica el principio de la conservación de la energía en esta práctica? En que se habla de un sistema para fines prácticos ideal aislado en el que calor que se pierde es igual al que absorben los demás cuerpos sin disipar nada en el ambiente. Calor de combustion de la muestra problema = __=1501.96 ____________________
Conclusiones: Benitez Cabriales Edgar Ulises En esta practica comprendi la relación de la química con la termodinámica ya que para poder hacer cálculos se necesita de realizar reacciones químicas para predecir la producción de alguna sustancia y poder analizarla termodinámicamente. Se puede deducir si una reacción es exotérmica o endotérmica (libera energía o absorbe energía) Al determinar la energía que contiene un producto comercial yo en lo personal me di cuenta de como comparar con las cantidades dadas en la información nutrimental se pueden analizar termodinámicamente su contenido calórico medido en joules. Se deben sacar varios cálculos como la constante del calorímetro ya que todo lo que interactúa en el sistema absorbe o sede energía. Díaz Sánchez Lorena Berenice
Concluí que hay una relación entre la química y termodinámica en las reacciones químicas de combustión donde desprende energía al contacto con el oxigeno y calor, estas reacciones son exotérmicas dependen de la temperatura. Los compuestos orgánicos son los que más se presentan en estas reacciones por la presencia de carbono por lo tanto hay combustión que es el proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz que dan como productos la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y agua, la energía que se desprende se mide con la unidad caloría o joule. Utilizamos una bomba para determinar el calor o calorías que hay en un alimento, en nuestro caso fue un pandita de goma, calculamos las calorías del pandita de goma mediante la constante del calorímetro utilizando la ecuación de conservación de la energía, aprendí a utilizar la bomba calorimétrica a presión constante y los cuidados y manejos para utilizarla adecuadamente. Los errores experimentales dependen de la mala medición de los reactivos o tomar una lectura mala de la temperatura o tiempo
Bibliografía: Microsoft ® Encarta ® 2006. © 1993-2005 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos. Levine, fisicoquímica 5ta edición.
Cuestionario previo: 1. ¿Que estudia la termoquímica? 2. Definir calor de combustión, combustible y comburente Calor combustión: Combustible: sustancia que reacciona químicamente con otra sustancia para producir calor, o que produce calor por procesos nucleares. El término combustible se limita por lo general a aquellas sustancias que arden fácilmente en aire u oxígeno emitiendo grandes cantidades de calor. Comburente:
3. ¿Qué es una reacción exotérmica y una endotérmica? Exotérmica: desprende energía. Endotérmica: que absorbe energía. Casi todas las reacciones químicas implican la ruptura y formación de los enlaces que unen los átomos. Normalmente, la ruptura de enlaces requiere un aporte de energía. 4. Indicar cuándo es conveniente trabajar con la bomba calorimétrica 5. Si se trabaja con la bomba calorimétrica, ¿cuál es la función termodinámica que nos indica la energía asociada a la reacción que se lleva a cabo y que propiedad se mantiene constante?
Calculos
ΔU=(0.76g x 6 318) + (0.01 x 1400) =4815.68 ΔU=CΔT C=-ΔU/ΔT C=4815.68/4.8 C=1003.26 K=((-(0.76(6318))+(0.01x1400)+(0.252x-41.424))/4.8)-(2000(1)) =-3005.44 ΔU pandita =(( (K+mCpH2O)ΔT ) –mΔUalambre-mΔHHNO3)/mpandita ΔUpandita= ((-3005.44+1975)1.5)-0.01(1400)-(0.252(-41.424))/1.02= -1518.84 ΔUcombustion= (ΔUpandita)-(malambre x ΔUalambre)-(mHNO3x-41.424)/mPandita =-(1518-(0.01x1400))/1,02 =1501.96
