DETERMINACION DEL CALOR DE COMBUSTION

Recopilación, adaptación y diseño :
MC. Rosalba Patiño Herrera
Agosto del 2006
D
eterminación 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 25°C y 1 atm, comenzando y terminando la combustión a la
temperatura de 25°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 Qv 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 (2000 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 20 a 25 atm, y por medio
de unos electrodos y un alambre 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.
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MC. Rosalba Patiño Herrera
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Equipo y reactivos
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Un calorímetro de volumen constante (Bomba Parr) con accesorios
Oxígeno
Una unidad de ignición
10 cm de alambre 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 0.0725N de carbonato de
sodio
Una pipeta volumétrica de 1 mL
Un matraz volumétrico de 1L
Un vaso de precipitados de 250 mL
Un matraz Erlenmeyer de 250 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.
2. 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 alambre de ignición.
5.Pesar la pastilla y el alambre por separado.
ENSAMBLAJE DE LA BOMBA
6.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.
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.
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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 (2).
c) Abrir la válvula maestra (1) totalmente o lo suficiente hasta que la presión del tanque se lea en el
manómetro M.C. (Ej.: 125 kg/cm2 tanque recién cargado)
d) Abrir con cuidado la válvula de control (2) hasta alcanzar entre 20 ó 25 atm. No llegar a presiones
superiores de 25 atm, pues puede explotar.
e) Cerrar la válvula de control (2) una vez alcanzada la presión deseada.
f) Cerrar la válvula maestra (1).
g) Abrir la válvula de purga (3).
h)Quitar la conexión moleteadas de la bomba.
10.Preparación del baño de agua:
a) En la cubeta metálica poner 2 litros exactos de agua destilada a 25.5ºC aproximadamente (para tener un
baño de 25ºC).
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 alambre 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.
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f) Colocar la tapa con el agitador y poner el termómetro de precisión (graduado en 0.01 ó 0.02ºC) en el
orificio de la tapa, observando que puedan leerse los 25ºC. 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 125
Volts.
12.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.Quitar la tapa del calorímetro.
19.Con las pinzas sacar la bomba de la cubeta, retirando antes los cables de loselectrodos.
20.Secar por fuera la bomba.
21.Sacar lentamente los gases de la bomba, usando la válvula de descarga (4).
22.Destapar la bomba manualmente (no usar herramientas).
23.Pesar los restos del alambre de ignición.
24.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.
25.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 0.0725 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 2533 Kpa (25 atm). En nuestro laboratorio se recomienda 20 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 ac. benz ó mnaftaleno, masa del alambre de ignición antes y después de la combustión,
malambre, masa del agua destilada, mH2O, masa del ácido nítrico formado, mHNO3
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b) Calor de combustión del ácido benzoico, para el cálculo de la capacidad térmica del calorímetro,.
∆U°ac.benz.
c) Calor de formación del ácido nítrico, ∆U°fHNO3 y calor de combustión del alambre de ignición, ∆U°alambre
d) Calor específico del agua, cH2O a la temperatura promedio del baño.
e) Columna de datos: tiempo (min) vs. Temperatura (°C).
2. 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 alambre y la formación del ácido nítrico). Se usa ácido benzoico
como combustible
QH 2O + Q K = −(Qac. benz . + Qalambre + QHNO3 )
donde:
QH 2O = m H 2O C H 2O ∆T
QK = K∆T
Qac. benz . = mac. benz . ∆U ° alambre
Qalambre = malambre ∆U °
∆T es el incremento de temperatura producido por la reacción de combustión.
K es la capacidad térmica del calorímetro.
Despejando:
− (Qac. benz . + Qalambre + QHNO3 )
K=
− m H 2O C H 2O
∆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:
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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 alambre y la del HNO3). Se usa nafta
como combustible.
QH 2O + Q K = −(Qac. benz . + Qalambre + QHNO3 )
Finalmente :
− (Qac. benz . + Qalambre + QHNO3 )
∆U ° =
mnaftaleno
4. Determine los gramos de alambre quemados y Calcule el calor liberado por la oxidación del alambre del
valor de ∆Hcomb. 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 ) gases 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 ) gases RT
Si en la reacción solamente participan sólidos y líquidos:
∆H ° = ∆U °, porque ∆V = 0
Anotar la reacción de combustión del naftaleno.