Calor De Combustion

Calorimetría de Combustión 1

Capacidad Calorífica del Calorímetro

Objetivo:

Aprender a manejar el calorímetro de combustión y determinar su capacidad calorífica.

Consideraciones Teóricas:

El calorímetro de combustión es un aparato especialmente diseñado para realizar la combustión competa de sustancias sólidas y liquidas, reteniendo todos los productos de la reacción para que pueda evaluarse todo el calor liberado. La operación se efectuara con oxígeno a presión de 20 a 30 atm para obtener la combustión completa, esto es, la oxidación de todo el carbono a CO2 de todo el hidrogeno a H2O, de todo el azufre a sulfatos, etc.

Es importante notar que con este equipo se trabaja a presiones elevadas, por lo que es necesario seguir cuidadosamente las instrucciones para evitar posibles accidentes. Para determinar el calor de combustión de una sustancia por medio del calorímetro, se necesita conocer su capacidad calorífica C. Esta se obtiene realizando la combustión de una sustancia pura, con calor de combustión conocido, como es el ácido benzoico y midiendo el aumento de temperatura ΔT provocado en el calorímetro, de manera que:

C=Q/∆T (1)

Donde Q es el calor liberado en el proceso, el cual se debe principalmente a la combustión del ácido benzoico y a la pequeña aportación del calor de combustión del alambre usado para la ignición, así como del calor liberado al formase HNO3, cuya cantidad se determina por titulación con hidróxido de sodio valorado.

Por otro lado el término ΔT debe corregirse por la pérdida o ganancia de calor por el calorímetro con el exterior, durante el tiempo que se midió el cambio de temperatura. Esta corrección se hace en base al método propuesto en 1916 por el Dr. H.C. Dickinso que consiste en que dure el tiempo en que la temperatura sube al 63% del aumento máximo, el calorímetro se calienta (o se enfría) a la misma velocidad que en los 5 min anteriores a la ignición; mientras que en los 5 min posteriores a la máxima temperatura alcanzada.

Para relacionar los calores involucrados en el calorímetro de combustión con las propiedades termodinámicas, es conveniente notar que la operación transcurre a volumen constante, de manera que el calor manifestado se debe al cambio en la energía interna del sistema durante la reacción:

∆U=Q_v (2)

Si se considera que los cambios de temperatura son pequeños (2 °C o 3 °C), el proceso trascurre prácticamente a temperatura constante. El cambio de entalpia ΔH para cualquier reacción dentro del calorímetro será:

∆H=∆U+∆(PV) (3)

∆H=∆U+〖(PV)〗_productos-〖(PV)〗_reactivos

Para los líquidos y sólidos el termino Δ (PV) es en general muy pequeño comparado con los valores de ΔU y ΔH. Solo para gases es importante tomar en cuenta este término. Si se considera comportamiento ideal se tendrá:

∆H=∆U+∆nRT (4)

Donde Δn es el cambio del número de moles de las sustancias gaseosas de la reacción en estudio, esto es, Δn= productos gaseosos – n reactivos gaseosos para la ecuación balanceada.

Guía de estudios:

1.- Explique que es un calorímetro de combustión:

Es un aparato especialmente diseñado para realizar la combustión competa de sustancias sólidas 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 la cantidad de energía necesaria para aumentar 1K la temperatura de una sustancia.

3.- Demuestre que para un sistema cerrado, solo podría realizarse trabajo de expansión (o de compresión) a volumen constante ΔU=Qv

Es un proceso Isocórico ya que V=cte.

(En el proceso Isocórico no hay movimiento)

Balance de Masa

δ_ME-δ_ms+δ_MG-δ_Mc+δQ-δW=d_(Msist.) ∴ d_Msist=0

∫_I^F▒〖d_Msist=0〗 MsistF-MsistI=0

MsistF=MsistI

Balance de Energía

δ〖(E)〗_ME+δ〖(E)〗_MS+δQ-δW=d_Msist- ∴ E=H+E_c+E_p

δ(H+E_C+E_P )_ME+ δ(H+E_P+E_C )_MS+δQ-δW=d(U+E_C+E_P)

Por lo tanto:

δQ=dU

4.- Escriba la reacción de combustión completa para el ácido benzoico.

C_6 H_5 〖COOH〗_((s) )+ 15/2 O_(2(g))→7〖CO〗_(2(g))+3H_2 O_((l))

5.- Consulte en las literaturas las entalpias de formación ΔHf° del C6H5COOH(s), el CO2(g) y el H2O(l) a 25°C. Calcule con ellas el cambio de entalpía de la reacción del punto 4.

ΔHf° del C6H5COOH(s)= -92.03 Kcal/mol

ΔHf° del CO2(g)= -94.05 Kcal/mol

ΔHf° del H2O(l)= -68.315 Kcal/mol

∆H=∑▒〖〖∆H°f 〗_productos-〗 ∑▒〖∆H°f〗_reactivos

∆H=(-94.05 kcal/mol)(7)+(-68.215 kcal/mol)(3)-(-92.03 kcal/mol)(1)

∆H=-770.965 kcal/mol

6.-Utilizando resultado del punto 5, calcule el cambio de energía interna, para la reacción de combustión del ácido benzoico a 25°C, así como el calor liberado en la combustión de 1 g de ácido benzoico en un recipiente de 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= (-771265 cal/mol ) - (0.5 mol)(1.987cal/mol*k)(298k)

PMC6H5COOH =122 g/mol

∆U=-771561.06cal/mol n=1g/(122g/mol)=8.196x10-3mol

∆U=Qv=-771.561kcal/mol(8.196x10-3mol)

Qv=-6.3237 kcal

7.- Estime el aumento de temperatura que sería observado en el calorímetro

...