Determinación del calor de combustión

Transcripción

1 Determinación del calor de combustión Objetivo Determinar el calor de combustión de una sustancia sólida, usando una bomba calorimétrica. Introducción teórica El calor de combustión de una sustancia es el calor de reacción que se obtiene de la oxidación de la sustancia con oxígeno molecular. El calor de combustión aceptado de ordinario es el que resulta de la combustión de una mol de la sustancia en su estado normal a 5 C y 1 atm, comenzando y terminando la combustión a la temperatura de 5 C. Los compuestos orgánicos que contienen carbono, hidrógeno y oxígeno se queman en atmósfera de oxígeno, dando como únicos productos dióxido de carbono y agua. El calor de combustión se determina normalmente con una bomba calorimétrica, que es el calorímetro a volumen constante, en este caso el calor liberado por la reacción v es U. El calorímetro (como se ve en la figura) consiste en un recipiente adiabático que contiene una cubeta metálica con una cantidad conocida de agua (000 g), en cuyo interior se introduce la cámara de reacción, que se conoce como bomba calorimétrica, dentro de la cual se pone un peso determinado de la sustancia que se va a quemar (1g ), se introduce oxígeno a una presión de 0 a 5 atm, y por medio de unos electrodos y un de ignición ( 10 cm de longitud) se enciende la mezcla y el calor producido por la reacción eleva la temperatura del agua, la cual se mantiene en agitación a fin de uniformar la temperatura en todos sus puntos. Partiendo de esta elevación de temperatura y conociendo la cantidad de calor requerido para elevar en un grado la temperatura del calorímetro con su contenido, se puede calcular el calor de combustión por mol de sustancia quemada. Se procura que la variación de la temperatura sea pequeña utilizando para ello una gran masa de agua, de esta manera, la temperatura final de los productos de reacción queda próxima a la temperatura inicial de los reactivos.

2 Equipo y reactivos Recopilación, adaptación y diseño : Un calorímetro de volumen constante (Bomba Parr) con accesorios Oxígeno Una unidad de ignición 10 cm de de ignición Ni-Cr Un cilindro de oxígeno 1.5 g de ácido benzoico Una bureta de 50 ml 1.5 g de naftaleno Un soporte para bureta Agua destilada Unas pinzas para bureta Anaranjado de metilo Una probeta de 1000 ml Solución 0.075N de carbonato de sodio Una pipeta volumétrica de 1 ml Un matraz volumétrico de 1L Un vaso de precipitados de 50 ml Un matraz Erlenmeyer de 50 ml Un cronómetro Una broca de 1.5 mm Dos vidrios de reloj Procedimiento La técnica es la misma para la sustancia (ácido benzoico) con la que se calcula la capacidad térmica del calorímetro y para la sustancia (naftaleno) a la que se le calcula el calor de combustión, lo único que varía es el tratamiento de los datos. PREPARACION DE LAS MUESTRAS 1.Pesar 1 g del sólido que se va a utilizar.. Prepara una pastilla de cada substancia sólida. Asegurate de ejercer suficiente presión para que la combustión de la pastilla sea lenta. 3.Atravesar la pastilla por el centro con una broca de 1.5 mm. 4.Cortar 10 cm. del de ignición. 5.Pesar la pastilla y el por separado. ENSAMBLAJE DE LA BOMBA 6.Pasar el por el orificio de la pastilla y amarrar las puntas a los electrodos de la bomba, cuidando que no haya falso contacto. 7.Poner en el fondo de la bomba 1 ml de agua destilada medida con una pipetavolumétrica. Colocar la tapa de la bomba, apretando la tuerca anular con la mano. No usar herramientas. Introducir el oxígeno a la bomba. 8.Colocar la tapa de la bomba, apretando la tuerca anular con la mano. No uasr herramientas.

3 9.Introducir el oxígeno a la bomba. a) Conectar el juego de manómetros al cilindro del oxígeno. b) Conectar la terminal moleteada a la bomba (apretar con la mano), con la válvula de descarga (4) y de control cerradas (). c) Abrir la válvula maestra (1) totalmente o lo suficiente hasta que la presión del tanque se lea en el manómetro M.C. (Ej.: 15 kg/cm tanque recién cargado) d) Abrir con cuidado la válvula de control () hasta alcanzar entre 0 ó 5 atm. No llegar a presiones superiores de 5 atm, pues puede explotar. e) Cerrar la válvula de control () una vez alcanzada la presión deseada. f) Cerrar la válvula maestra (1). g) Abrir la válvula de purga (3). h)uitar la conexión moleteadas de la bomba. 10.Preparación del baño de agua: a) En la cubeta metálica poner litros exactos de agua destilada a 5.5ºC aproximadamente (para tener un baño de 5ºC). 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 especiales para ello, 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 que pasa por el de ignición es de aproximadamente 4 amp., con un voltaje de 18 V, suficiente para encender la pastilla). e) Si se observan burbujas en la tapa de la bomba (intensas), sacarla de la cubeta, secarla y liberar el oxígeno usando la válvula de descarga y repetir la operación de llenado con oxígeno. Alguna que otra burbuja - una cada 5 o 10 segundos carece de importancia.

4 f) Colocar la tapa con el agitador y poner el termómetro de precisión (graduado en 0.01 ó 0.0ºC) en el orificio de la tapa, observando que puedan leerse los 5ºC. En ese momento colocar el lente de aumento el termómetro para mejorar las lecturas. g) Accionar el motor del agitador. 11.Conectar los electrodos de la bomba a la fuente de poder y la fuente al suministro de corriente de 15 Volts. 1.Empezar a leer la temperatura del baño de agua cada 30 segundos durante 5 minutos. 13.Oprimir el botón de encendido de la unidad de ignición. El operador debe permanecer alejado del calorímetro durante 15 segundos después del encendido para su propia seguridad. 14.A partir de este momento tomar la temperatura cada 15 segundos hasta obtener un valor máximo. un valor máximo. 15.Seguir leyendo la temperatura del baño durante 10 minutos más en intervalos de30 segundos. 16.Desconectar el agitador y la fuente de corriente. 17.Retirar con mucho cuidado el termómetro, el lente de aumento y guardarlos. 18.uitar la tapa del calorímetro. 19.Con las pinzas sacar la bomba de la cubeta, retirando antes los cables de loselectrodos. 0.Secar por fuera la bomba. 1.Sacar lentamente los gases de la bomba, usando la válvula de descarga (4)..Destapar la bomba manualmente (no usar herramientas). 3.Pesar los restos del de ignición. 4.Si se encuentra que el interior de la bomba está cubierto de hollín, posiblemente la cantidad de oxígeno disponible en el momento de la combustión fue insuficiente para provocar una combustión completa y el ensayo debe ser descartado. 5.Si lo anterior no sucedió, lavar la bomba con agua destilada y guardar toda el agua del lavado, para determinarle el ácido nítrico formado, utilizando una solución de carbonato de sodio N y anaranjado de metilo como indicador. IMPORTANTE: La operación de la bomba tiene que hacerse con precaución debido al peligro de descarga eléctrica del sistema de ignición o explosión por la alta presión que tiene. Es importante: a) Limpia la bomba con cuidado para no dañar las gomas selladoras. b) Desconectar el sistema por completo al momento de montar y desmontar la bomba. c) No quemes más de 1.5 gramos de ninguna sustancia. d) No uses una presión mayor de 533 Kpa (5 atm). En nuestro laboratorio se recomienda 0 atm. e) No hagas ignición si la bomba burbujea al sumergirla en el agua. f) Sigue las instrucciones especiales del docente. g) No debes usar aceite en la conexión para llenado de oxígeno, ya que podría explotar el aparato de ignición h) Al finalizar toda la operación hay que secar perfectamente la bomba y sus accesorios. Calculos 1.Elaborar una hoja de datos: a) Masa de la pastilla: m benz ó m naftaleno, masa del de ignición antes y después de la combustión, m, masa del agua destilada, m HO, masa del ácido nítrico formado, m HNO3

5 b) Calor de combustión del ácido benzoico, para el cálculo de la capacidad térmica del calorímetro,. U benz. c) Calor de formación del ácido nítrico, U fhno3 y calor de combustión del de ignición, U d) Calor específico del agua, c HO a la temperatura promedio del baño. e) Columna de datos: tiempo (min) vs. Temperatura ( C).. Gráfica los valores de Temperatura Vs. tiempo en una escala apropiada e indica claramente los títulos de los ejes y la escala. 3. Para el cálculo de capacidad térmica del calorímetro se hace el siguiente balance de calor: Calor ganado por el agua y elcalorímetro = Calor perdido por la reacción de combustión (incluye el combustible, el y la formación del ácido nítrico). Se usa ácido benzoico como combustible donde: + H ( O + K = + HNO 3 H O K = m = K T H O = m = m C H O T U U T es el incremento de temperatura producido por la reacción de combustión. K es la capacidad térmica del calorímetro. Despejando: ( ac benz ) HNO3 = mh OC T El T de la reacción se obtiene con la gráfica de tiempo vs. Temperatura, extrapolando la línea del inicio de la reacción y la línea del final de la reacción, y considerando entre estos dos valores un tiempo medio, en ese valor levantar una perpendicular y el valor de DT que se obtenga entre las dos líneas extrapoladas será el correspondiente a la reacción de combustión; para entender mejor observar el siguiente diagrama: K HO )

6 4. Calcule el valor de Cv del calorímetro de los valores correspondientes al ácido benzoico. Para el cálculo de capacidad térmica del calorímetro se hace el siguiente balance de calor: Calor ganado por el = - Calor perdido por la reacción de combustión (incluy agua y el calorímetro combustible, el y la del HNO 3 ). Se usa nafta como combustible. + = ( + + ) HO K Finalmente : ( U = + m naftaleno 4. Determine los gramos de quemados y Calcule el calor liberado por la oxidación del del valor de H comb. Para obtener el calor de combustión a presión constante, se usa el siguiente planteamiento; por definición: U = U + (PV ) Si en la reacción participan gases: P V = ( n) RT En donde ( n)gases es el número de moles de productos gaseosos menos las moles de reactivos gaseosos, si se considera que los gases a esa presión se comportan idealmente. H = U + ( n) RT gases + gases HNO3 Si en la reacción solamente participan sólidos y líquidos: H = U, porque V = 0 Anotar la reacción de combustión del naftaleno. ) HNO3