Calorimetría de combustión 1. Capacidad calorífica del calorímetro El alumno aprenderá a utilizar el manejo del calorímetro de combustión y determinara su capacidad calorífica. Alumno: Juan Carlos Rojas Montes 27/03/2014 GUIA DE ESTUDIOS 1. Explique que es un calorímetro de combustión. Es un aparato especialmente diseñado para realizar la combustión completa de sustancias solidas y liquidas reteniendo todos los productos de la reacción para que pueda evaluarse todo el calor liberado. 2. ¿Qué es la capacidad calorífica del calorímetro? Es el calor de combustión de una sustancia para entre el aumento de temperatura provocado por el calorímetro. 3. Demuestre que para un sistema cerrado en el que solo podría realizarse trabajo de expansión o de compresión a volumen constante ΔU= QV. Cuando el volumen es cte W=0 ∆U+∆Ep+∆Ek=Q+W dU=Qv dU=dQ+dW dW=-Pdv ∆U=Qv dU=dQ-Pdv 4. Escriba la reacción de combustión completa y balanceada para el acido benzoico. C6H5COOH(S) + 15/2 O2(g) 7 CO2(g) + 3 H2O(l) 5. Consulte en la literatura las entalpias de formación ΔHFº del C6H5COOH(S), el CO2 (g), y el H2O a 25ºC. calcule con ellas el cambio de entalpia de la reacción del punto anterior. ∆H=∆Hp-∆Hr ∆H=7∆H°f CO + ∆H°f HO -∆H°f CHCOOH ∆H=7-94.05kcalmol )+ 3-68.315kcalmol--92.03kcalmol ∆H=-771.265kcalmol 6. Utilizando resultados del punto anterior, calcule el cambio de energía interna, para la reacción de combustión del ácido benzoico a 25ºC, así como el calor liberado en la combustión de 1 g de acido benzoico en un recipiente a volumen constante, a la misma temperatura. ∆H=∆U+∆nRT ∆n=nprog-nreacg ∆U=∆H-∆nR ∆n=7-15/2=0.5 moles T(k)=25°C+273=298k ∆U=(-771265calmol )--0.5mol(1.987calmolk)(298k) PMC6H5COOH =122 g/mol ∆U=-771561.06calmol n=1g/(122g/mol)=8.196x10-3mol ∆U=Qv=-771.561kcalmol(8.196x10-3mol ) Qv=-6.3237 kcal 7. Estime el aumento de temperatura que seria observado en el calorímetro durante la combustión de 1 g de acido benzoico, considerando que el calorímetro esta constituido por 2 L de agua y 3kg de acero inoxidable. Considere la densidad del agua como 1g/cm3 y los calores específicos del H2O y del hacer inoxidable como 1cal/ (g ºC) y 0.12 cal/ (g ºC) respectivamente. Ρ=mV m = Ρ V m =(2000cm3)(1g/cm3) Qac=QH2O+Qacero Qac=(mH2O)(Cp)(ΔT)+(macero)(Cp)(ΔT) ∆T=Qac(m Cp+m Cp) ∆T=-6323.7 cal / [2000g*1calg°C+(3000g*0.12calg°C)] ∆T=-2.6795°C 8. La formación del HNO3 en el calorímetro se debe a la presencia de N2 en el aire inicial excepto que la muestra lo contenga. El calculo del calor proporcionado se puede hacer en base a la reacción: H2O (l) +N2 (g) + 5/2 O2 (g) - 2HNO3 (AC 1m) Consulte en la literatura2 la entalpia de formación del HNO3 en solución acuosa 1m, determine la entalpia de la reacción y el calor liberado por la formación de 1 mmol de HNO3. ∆H=∆Hprod.-∆Hreac. ∆H=Qp ∆H=2-49.56kcalmol--68.315kcalmol Qp=-30.805kcalmol 2 moles HNO3 ∆H=-30.805kcalmol -0.0154 kcalmol 1 mol HNO3 METODOLOGIA. El trabajo en el laboratorio esta dividido en dos partes, la preparación de la muestra y la operación del calorímetro. En la primera se pesa entre 0.9 y 1.1 g de ácido benzoico, este se anota hasta decimas de mg, se debe cuidar no pasar el peso máximo de la muestra pues se puede provocar una explosión de la bomba. El ácido pesado se comprime sin aplicar demasiada fuerza en la prensa empastilladora, se saca cuidadosamente la pastilla cambiando la pieza de abajo del cilindro de la prensa por la pieza apropiada y avanzando suavemente la cremallera de la prensa, y por ultimo pese en la balanza analítica la pastilla obtenida. En la segunda parte, antes que nada se menciona que es importante no conectar la fuente de ignición antes de que se indique, ya que un corto circuito puede dañarla gravemente. Primero se abre la bomba retirando la tapa con cuidado y colocándola en el soporte, se coloca la pastilla en una capsula de acero inoxidable y se coloca en el anillo en la tapa de la bomba. Se coloca entre los electrodos ubicados en la parte inferior de la cabeza de la bomba un tramo de 10cm de alambre de ignición. Se fija en los orificios que tiene los electrodos y bajar el capuchón que corre sobre los electrodos, para que la flama que se forme durante la combustión no incida directamente en los electrodos gire la capsula. Doble el alambre de manera que la pastilla no se mueva dentro de la capsula de acero pero cuidando que no toque las paredes de la capsula. Para disminuir la presión y la corrosión agregue 1ml de agua a la bomba. A continuación humedezca ligeramente el anillo de hule de la cabeza de la bomba, coloque la cabeza en el cuerpo de la bomba, ponga la tapa y ciérrela, revise que la válvula de la bomba se encuentre cerrada apretando ligeramente el botón estriado. Conecte la bomba al dispositivo de llenado y revise que la válvula de llenado este cerrada, si la conexión no se desliza fácilmente agregue una gota de sobre la válvula de llenado para lubricar los anillos del sellado, y abra la llave de oxigeno girando solo ¼ de vuelta. Llene la bomba a baja velocidad para no esparcir la muestra, cierre cuando haya una presión de 25atm. Elimine el O2 de la línea empujando hacia abajo la manivela de la válvula de alivio, el manómetro debe regresar a cero, si tarda en hacerlo y se desprende mucho gas hay un problema con el dispositivo y el experimento debe suspenderse. Continúe vaciando 2l de H2O en un vaso de precipitado la temperatura del agua debe ser igual o mayor a 20ºC , retire la tapa del calorímetro y la tina de acero inoxidable mida 2000ml de agua con el matraz volumétrico y vacíe en la cubeta de acero inoxidable y coloque correctamente la tina dentro del calorímetro. Levante la bomba y sumérjala correctamente en la tina retire el aza sin tocar el aza con las manos y regrese las gotas de agua que se le adhieran y conecte los cables de la bomba, si hay un desprendimiento continuo de burbujas suspenda la operación, coloque la tapa del calorímetro verificando manualmente que el agitador gire libremente coloque la banda del motor del agitados conecte el calorímetro a la línea de 115 v y encienda el agitador, aguarde 5min para que se estabilice la temperatura, en eso conecte la fuente de ignición a la línea de 115v y prepárese para tomar las temperaturas a diferentes tiempos, observe que las divisiones mas pequeñas del termómetro corresponden a 0.02ºC sin embargo con el lente de aumento la resolución puede ser de 0.01ºC, y se recomienda golpear el termómetro con un lapiza antes de hacer las lecturas. Encienda el cronometro, anote las temperaturas a intervalos de 1min durante 5min utilice la lente de aumento para las lecturas, después de la quinta lectura retírese del calorímetro. Al min 6 oprima el botón de ignición por 5s, el foco rojo de la fuente de ignición se enciende cuando se enciende inicialmente y se apaga cuando el alambre de ignición se rompe. No se coloque sobre el calorímetro durante los primeros 30s desde que se oprime el botón de encendido. Ahora sin utilizar la lente tome las temperaturas a los 45, 60, 75 y 90s después de la ignición (6,45 -7-7,15-7,30min del cronometro). Después del aumento rápido (4 o 5min) ajuste la lente de aumento y anote las temperaturas precisas a intervalos de 1min hasta la temperatura máxima, a note 5 temperaturas a intervalos de 1min. Apague el agitador y desconecte la fuente de ignición, separe la banda del motor y déjela sobre la tapa del calorímetro quite la tapa, saque el bulbo del termómetro y el agitador con un trapo limpio, levante la bomba desconéctela y séquela. Abra la válvula para reducir la presión, debe ser lenta, abra la bomba quite la cabeza y colóquela en su soporte. Vacíe el contenido de la bomba en el vaso de 250ml lave el cuerpo de la bomba con la piseta y coloque el agua en el mismo vaso, titule este lavado con NaOH 0.1M utilizando azul de bromo timol como indicador, anote el volumen gastado y la molaridad exacta del NaOH. Remueva y mida el alambre no quemado anote el resultado en cm. Limpie con un trapo húmedo las partes de la bomba y séquelas, ensamble la bomba dejando fuera la capsula de acero inoxidable, vacíe el agua de la tina, límpiela y séquela de igual forma que el calorímetro y coloque la tina dentro del calorímetro y cuidadosamente coloque la tapa del calorímetro en su lugar. Calorimetría de combustión 1. ¿Son entre .9000 ó 1.1000 g ácido benzoico? Pesar entre .9000 y 1.1000 g de ácido benzoico Capacidad calorífica del calorímetro SI NO Es muy importante no exceder El peso máximo indicado ya que podría Ocasionar la explosión de la bomba Pesar en la balanza analítica la pastilla obtenida, anotar su peso hasta las decimas de mg (Recuerde que no debe superar 1.1 g). PARTE II. OPERACIÓN DEL CALORÍMETRO La fuente de ignición no debe conectarse antes de que se indique, ya que un corto circuito accidental puede dañarla gravemente. Doblar el alambre de ignición de manera que oprima la pastilla y le impida moverse dentro de la cápsula. Sacar cuidadosamente la pastilla sustituyendo la pieza que se encuentra debajo del cilindro, por la pieza apropiada y avanzando suavemente la cremallera de la prensa. Abrir la bomba y retirar, cuidadosamente la cabeza de la bomba, colocándola sobre su soporte. Incline ligeramente la cápsula para que la flama que se forme durante la combustión consuma toda la muestra Agregar con pipeta 1 ml de agua destilada a la bomba Colocar el ácido benzoico en el interior del cilindro de la prensar pastilladora y comprimir Colocar la pastilla en una capsula de acero inoxidable y colóquela en el anillo de la cabeza de la bomba Cortar un tramo de 10 cm de alambre de ignición colocarlo entre los electrodos en la parte inferior de la bomba. Humedezca ligeramente el anillo de hule de la cabeza de la bomba. Retire el cabeza de la bomba con mucho cuidado. Ponga la tapa y ciérrela con cuidado. Revise que la válvula está cerrada apretando el botón estriado. Pág 7. Conectar la bomba al dispositivo de llenado y revisar que la válvula está cerrada. Extender una gota de agua sobre la válvula de llenado para lubricar los anillos de sellado. Abrir la llave del tanque de oxigeno girándola ¼ de vuelta. Abrir ligeramente la llave de llenado. Llene la bomba a baja velocidad para no esparcir la muestra. Cierre cuando la presión alcance 25 atm Recuerde que nunca debe usarcé aceite en las líneas de oxigeno a presión Si son más de 25 atm o la bomba se lleno demasiado rápido. Deberá repetir todos los pasos desde la preparación de la muestra. ¿Son 25 atm? SI NO Vaciando la bomba y limpiando primero. Elimine el O2 de la línea empujando hacia abajo la manivela de la válvula de alivio. El manómetro debe regresar a ceros. Si en este momento hay desprendimiento continuo de burbujas, suspenda la operación. Colocar el asa metálica en los orificios de la bomba. Con ella levante cuidadosamente la bomba y sumérjala en la tina en la posición correcta. Retire el agua sin tocar el agua con las manos. Regrese a la tina las gotas de H2O que se le adhieran conecte los cables a la bomba. Colocar cuidadosamente la tapa del calorímetro. Verifique manualmente que el agitador gire libremente. Coloque la banda del motor agitador. Conecte el calorímetro en la línea 115 V y encender el agitado. Mida con matraz volumétrico 2 L H2O y vacié cuidadosamente en la cubeta de acero inoxidable, evitando la perdida de H2O por salpicaduras Espere 5 minutos desde que encendió el agitador para que se estabilice la temperatura. Conecte el calorímetro a la línea 115 V prepare la hoja de datos experimentales para anotar temperaturas a diferentes tiempos Levante cuidadosamente la tapa del calorímetro y colóquela en su soporte. Retire la tina de acero inoxidable. Vaciar aproximadamente 2 L de H2O en un vaso se precipitado a 20C° o más; En caso contrario calentar. Pág 8. Al final del periodo de estabilización encienda el termómetro digital. Anote las temperaturas intervalos de 1 min durante 5 min. Después de quinta lectura retírese del calorímetro Después de 6 minutos oprima el botón de ignición durante 5 seg, Se encenderá el foco rojo de la fuente de ignición y después se apaga. Solo deben ser 5 seg. Apagar el agitador y la fuente de ignición separe la banda del motor y déjela sobre la tapa del calorímetro. Quite cuidadosamente la tapa y póngala en su soporte secar el bulbo del termómetro y el agitador con un trapo limpio Levante la bomba con su asa y desconecte los cables. Seque la bomba. Abra la bomba para reducir la presión. La reducción de la presión debe ser lenta, después abrir la bomba, quitar la cabeza y colocarla en su soporte Tomar las temperaturas a los 15, 30, 45, 60, 75 y 90 segundos después de la ignición. Después anotar temperaturas precisas a intervalos de 1 min hasta alcanzar la temperatura máxima, anote 5 temperaturas más a intervalos de 1 min Vaciar el contenido de la bomba al vaso de 250 ml. Lavar el cuerpo de la bomba con la piseta y colecte el H2O. Titule el lavado de la bomba con NaOH. Deseche al drenaje. Remueva el alambre no quemado y mídalo. Limpia bien la bomba con un trapo húmedo y séquela. También el calorímetro Coloque la tina dentro del calorímetro ponga la tapa al calorímetro con cuidado. FIN