UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Facultad de Química
Laboratorio de termodinám t ermodinámica ica
PRÁCTICA 8: CALOR DE COMBUSTION
° Cristobal Legorreta Laura Esperanza ° García Castro Brenda ° Sánchez Soto José Miguel
Grupo: 05 Lab c-9
05/05/2013
Equipo: 5
RESUMEN
En esta práctica se pretende determinar el calor de combustión, por medio de una bomba calorimétrica, para dos muestras, una es el ácido benzoico, y la otra es una gomita de panda. La calibración del calorímetro se obtiene determinando el calor de combustión de una sustancia de referencia, en este caso es el ácido benzoico. Para que lo resultados sean más precisos se recomienda hacer la mayor cantidad de mediciones de tiempo posibles antes de la ignición, para facilitar los cálculos, usar suficiente cantidad de agua en el calorímetro para facilitar el intercambio calórico y utilizar suficiente gas de oxígeno para que la combustión se realice por completo.
OBJETIVOS
Determinar el calor de combustión del ácido benzoico y una muestra problema utilizando un calorímetro adiabático de volumen constante. Conocer y aprender las unidades utilizadas para calcular el calor de combustión. Formular el balance de energía correcto sobre el sistema, para la determinación del calor de combustión. Aprender a utilizar correctamente un calorímetro adiabático (Bomba Parr). Aprender a utilizar correctamente un tanque de oxígeno a altas presiones. Aprender y aplicar los conceptos de calor de combustión Clasificar la reacción que ocurre en el experimento como exotérmica o endotérmica
DESARROLLO EXPERIMENTAL
PRIMERA PARTE Pesar aprox. 1 g de acido benzoico y con la prensa pastiilladora hacer una pastilla usando el solido pesado anteriormente.
Poner en el fondo de la bomba 1mL. de agua destilada medida con una pipeta volumetrica.
Colocar la tapa de la bomba, apretando la tuerca anular con la mano, sin usar herramientas.
Atravesar la pastilla por el centro con una broca de 1.5 mm.
Cortar 10 cm del alambre de ignicion.
Pasar el alambre por el orificio de la pastilla y amarrar las puntas a los electrodos de la bomba, cuidando que no haya falso contacto.
Introducir el oxigeno a la bomba. a)Conectar el juego de manòmetros al cilindro del oxigeno. b) conectar la terminal moleteada a la bomba (apretar con la mano), con la vàlvula de descarga y de control cerradas. c) Abrir la vàlvula maestra lo suficiente hasta que la presion del tanque se lea en el manòmetro. d)Abrir con cuiidado la valvula de control hasta alcanzar una presiòn de 20 ò 25 atm. No llegar a presiones superiores de 10 atm pues puede explotar. e)Cerrar la vàlvula de control una vez alcanzada la presion deseada. f)Cerrar la valvula maestra. g)Quitar la conexion moleteada de la bomba.
Pesar la pastilla y el alambre por separado.
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Preparación del baño de agua: a) En la cubeta metálica poner 2 litros exactos de agua destilada a 25.5 °C aproximadamente (para tener un ba ño de 25°C). b) Introducir la cubeta en el recipiente adiab ático cuidando que quede en el lugar correcto. c) Poner dentro de la cubeta la bomba, utilizando las pinzas especiales para ello, observar que quede en el lugar adecuado. d) Colocar en la bomba los cables que suministran corriente el éctrica a los electrodos. (La intensidad de corriente que pasa por el alambre de ignici ón es de aprox. 4 amp, con voltaje de 18 V. suficiente para encender la pastilla). e) Si se observan burbujas en la etapa de la bomba (intensas), sacarla de la cubeta, secarla y liberar el ox ígeno usando la v álvula de descarga y repetir la operaci ón de llenado con ox ígeno. f) Colocar la tapa con el agitador y poner el term ómetro de precisi ón (mercurio) en el orificio de la tapa, observando que puedan leerse los 25 ° C.
Conectar los electrodos de la bomba a la fuente de poder y la fuente al suministro de corriente de 125 Volts.
Empezar a leer la temperatura del baño de agua cada 30 s. durante 5 min.
Oprimir el botón de encendido de la unidad de ignición. El operador debe permanecer alejado del calorímetro durante 15 s. después del encendido para su propia seguridad.
A partir de este momento tomar la temperatura cada 15 s. hasta obtener un valor máximo. Seguir leyendo la temperatura del baño durante 10 min más en intervalos de 30 s.
Con las pinzas sacar la bomba de la cubeta, retirando antes los cables de los electrodos, secar por fuera la bomba. Sacar lentamente los gases de la bomba, usando la válvula de descarga y destapar la bomba manualmente, pesar el resto de alambre de ignición.
Si se encontró hollín en el interior de la bomba probablemente el oxígeno no fue suficiente para realizar la combustión, si no fue así lavar la bomba con agua destilada. Repetir procedimiento con la muestra problema.
MANEJO DE DATOS
CALIBRACION Tiempos (s) 0.15 0.30 0.45 1 1.15 1.3 1.45 2 2.15 2.3 2.45 3 3.15 3.3 3.45 4 4.3 5 5.3 6 6.3 7 7.3 8 8.3 9 9.3 10
Temperaturas. °C 24.5 24.6 25 25.3 25.6 25.8 26 26.1 26.2 26.4 26.4 26.4 26.4 26.4 26.5 26.5 26.6 26.6 26.6 26.6 26.6 26.6 26.6 26.6 26.6 26.6 26.6 26.6
COMBUSTION MUESTRA Tiempos (s) 0.15 0.30 0.45 1 1.15 1.3 1.45 2 2.15 2.3 2.45 3 3.15 3.3 3.45 4 4.3 5 5.3 6 6.3 7 7.3 8 8.3 9 9.3 10
masa molar del ácido benzoico = 122g/mol
△U alambre= 1400 cal/g c agua= 1cal/g°c △H para comb acido benz = -92.45 kcal/mol △H para la comb del ac benz=-0.76kcal/g calor de comb de la sustancia problema reportado= 8.0178kcal/g calibracion combustion m agua=1g m agua=1g mac. Benz=0.806g m muestra=2.504g m ini alam=0.015g m ini alam=0.015g m fin alam=0.008g m final= 0.013g
Temperatura °C 24.4 24.8 25.9 26.6 26.8 27 27.2 27.4 27.6 27.7 27.7 27.7 27.7 27.8 27.8 27.8 27.9 27.9 27.9 27.9 27.9 27.9 27.9 27.9 27.9 27.9 27.9 27.9
A.- Determinar la capacidad térmica 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 ácido benzoico.
4.- Obtener el valor de ΔUm 0298 para la combustión del ácido benzoico.
5.- Obtener el valor de la constante del calorímetro (K)
B.- Determinar el calor de combustión de la muestra problema: 1.- Con los datos obtenidos del experimento trazar una gráfica 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
Análisis de resultados 1.- ¿Por qué la variación de temperatura durante el experimento se debe obtener del gráfico temperatura vs tiempo? R= Para observar de una mejor manera la temperatura final e inicial y obtener el △T 2.- ¿Cómo afectaría al resultado el no tomar en cuenta el calor absorbido por el calorímetro? R= El valor del calor de combustión sería menor
3.- ¿Cómo se aplica el principio de la conservación de la energía en esta práctica? R=Que la energía de la reacción hacen que se convierta de energía química a energía calórica o viceversa dependiendo el tipo de reacción ya sea endotérmica o exotérmica y así sucesivamente. En la práctica el resultado de combustión que obtuvimos no fue muy preciso al valor aproximado que había dado el profesor ya que tuvimos complicaciones en calcular bien el valor de la constante, y al hacer el balance energético correctamente, mientras que los resultados obtenidos respecto a la temperatura y tiempo nos mostraron una gráfica tipo exponencial ya que mientras aumentaba el tiempo la temperatura también pero de una forma muy lenta hasta que se mantenía constante la temperatura Respuesta al problema propuesto: Calor de combustión de la muestra problema =
CONCLUSIONES
Cristobal Legorreta Laura Esperanza Logramos determinar el calor de combustión correspondiente a nuestro combustible que en este caso fue un pandita de grenetina utilizando al ácido benzoico como combustible de referencia para calibrar el calorímetro. Como logramos observar el calor de combustión que se generó al quemar la gomita en presencia del oxígeno dentro de la bomba se expresó como el calor que ganó el calorímetro y la cantidad de calor que ganó el agua. Los valores para determinar el calor ganado por el calorímetro los obtuvimos a partir de la primera gráfica. A partir de que logramos obtener la capacidad calorífica de nuestro calorímetro logramos calcular el valor del calor de combustión de nuestro pandita, con esto podemos concluir que nuestros objetivos fueron alcanzados.
García Castro Brenda En la práctica al realizar el experimento con la comba calorimétrica confirmamos que el calor de combustión de una sustancia se puede definir como la energía liberada en forma de calor por la reacción de combustión cuando esta se hace a presión constante pero si la presión cambia entonces habrá un cambió interior para esto el volumen solo se mantendrá constate mientras que la temperatura cambiara con respecto al tiempo dependiendo el tipo de reacción ya que si la reacción es exotérmica se observara que el sistema se ponga más caliente después de la reacción y en el caso de ser endotérmica se observara que por la convención de flujo de calor, el calor de la reacción es negativo se notara un enfriamiento después de la reacción, conforme al nuestros resultados a pesar de las tener complicaciones de cálculo y conversiones se puede decir que se logro el objetivo de encontrar el calor de combustión de ambas muestras y la constate del calorímetro
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BIBLIOGRAFÍA
Levine, I. N. (1996). Fisicoquímica. México: Mc Graw Hill-Interamericana joule.qfa.uam.es/beta-2.0/temario/tema1/tema1.php consultada el: 26/04/13 www.hiru.com/quimica/termoquimica-primer-principio-energia-internaentalpia-y-ley-de-hess consultada el: 26/04/13 Fisicoquímica. Gilbert W. Castellán/university of Maryland. Pearson Educación, segunda edición.
Reflexionar y responder 1.
¿Por qué es necesario usar un exceso de oxígeno?
R= Para que la reacción del ácido benzoico y de la pandita se completen, es decir, con exceso de oxigeno el reactivo limitante será el ácido benzoico y la pandita. 2. ¿Por qué es pequeña la variación de temperatura durante la reacción de combustión? R= Fue por una pequeña variación de temperatura en la reacción, ya que esta reacción no fue tan potente, no hubo un gran cambio de energía. 3. ¿Por qué se forma ácido nítrico durante la combustión? R= porque también en el aire existe el hidrogeno, por lo tanto este también afecta a la reacción. 4. ¿Cuál fue el comburente utilizado? R= fue el oxigeno
5. Decir si la reacción de combustión es exotérmica o endotérmica. R= Esta reacción es exotérmica por eso el cambio de energía pequeño.
Aplicación de lenguaje termodinámico. 1.- Clasificar las paredes de la bomba calorimétrica. R= las paredes de la bomba son adiabáticas, ya que no permiten el cambio de energía ni de materia con el exterior. 2.- Dar el nombre de una propiedad intensiva determinada experimentalmente. R= La temperatura 3.- Dar el nombre de una propiedad extensiva determinada experimentalmente. R= la capacidad térmica, en el caso de la bomba.
Cuestionario complementario: 1.-¿Cuál fue el combustible usado para determinar la energía asociada a la reacción de combustión? R: La gomita 2.-¿Cuál fue el combustible usado para determinar la constante del calorímetro? R: el ácido benzoico
3.- Resolver los siguientes problemas: Una muestra de urea cristalizada [CO(NH2)2] se quema en una bomba calorimétrica y libera 151.9 Kcal. Si los productos de la reacción de combustión son CO2 (g), H2O(l) y N2(g) contestar las siguientes preguntas: a.- ¿Qué tipo de calorímetro es la bomba calorimétrica? R: es isocorica b.- ¿Por qué se usa este tipo de calorímetro para obtener el calor de combustión? R: La reacción se efectúa a volumen constante. Al producirse o absorberse calor por la reacción en el interior del recipiente de aluminio, sólo pueden producirse cambios muy pequeños de temperatura. No se efectúa trabajo cuando la reacción se verifica en un calorímetro de "bomba" aunque participen gases porque ΔV = 0.Por lo tanto, ΔE = qv (volumen constante)
c.- La energía asociada a la reacción de combustión se determina mediante la variación de la temperatura. d.- ¿Cuáles son los valores de QP y QV en calorías?
e.- Escribir la reacción de combustión de la urea. 2CO(NH2)2 + 3O2 --> 2 CO2 + 2 N2 + 4H2O(l)
f.- Si la combustión de la urea libera energía, la reacción es: exotérmica
El propano, C3H8 (g) , es un combustible gaseoso común; la combustión de un mol del combustible libera a presión constante 2044 kJ. escribir la reacción de combustión C3H8(g) + 5O2(g) ----- 3CO2(g) + 4H2O(l)
Dar el valor de Qp y de Qv en Kcal suponiendo una temperatura de 25°C
Indicar si la reacción es exotérmica o endotérmica Es exotérmica
Aplicaciones del tema ° Los calores de combustión se emplean para calcular calores de formación de compuestos orgánicos. Dar un ejemplo numérico. Una muestra de 0.5865 g de ácido láctico (HC3H5O3) se quema en un calorímetro cuya capacidad calorífica es de 4.182 kJ/°C. La temperatura aumenta de 23.10°C a 24.95°C. Calcule el calor de combustión: a.
Calcule el calor de combustión del ácido láctico /gramo y
b. Calcule el calor de combustión del ácido láctico /mol De acuerdo a la relación de calor liberado por una combustión tenemos:
Qaborbido=-Qliberado El Q liberado es negativo porque corresponde a una pérdida de energía liberada durante la combustión del ácido láctico. Mientras que el Q absorbido corresponde a una ganancia de energía por el calorímetro. Adicionalmente. Q=Cp(T2-T1) Dónde Q--calor de combustión Cp-Capacidad calorífica T2-Temp. final T1-Temp. inicial Q(calorímetro)=Cp(calorímetro)(T2-T1) Q=(4.182KJ/°C)*(24.95-23.10)°C. [Se elimina °C] Q= 7.737KJ Ahora por gramo de ác. láctico. 7.737KJ / 0.5865 g ác. láctico = 13.191 KJ/g ác láctico. Ahora por mol. PM C3H6O3 = 90g/mol (7.737KJ / 0.5865 g ác. láctico) * (90 g/mol) = 1187.26 KJ/mol
° Los calores de combustión permiten estudiar las diferencias de energía de formas alotrópicas de los elementos. Dar un ejemplo numérico. Entalpía estándar de formación para el etanol, C2H5OH 2 C (grafito) + 3 H2 (g) + ½ O2 (g) → C 2H5OH (l)
DH°f = – 277.7 kJ
La entalpía estándar de formación de la forma más estable de cualquier elemento es cero porque no se requiere una reacción de formación si el elemento se encuentra en su estado estándar. Ejemplos:
DH°f C (grafito) = 0 kJ/mol, porque el grafito es una forma alotrópica del carbono más estable que el diamante a 1 atm y 25 °C DH°f O2 (g) = 0 kJ/mol, porque el oxígeno molecular (O2) es una forma alotrópica más estable que el ozono (O3) a 1 atm y 25 °C.
