Calorimetría de combustión 1

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