Determinación de calores de combustión de alcoholes

Introducción.

Una reacción de combustión se define como aquella que tiene lugar entre un elemento o compuesto y el oxígeno para formar el producto de oxidación correspondiente. Para compuestos orgánicos formados únicamente por carbono, hidrogeno oxigeno los productos de la combustión son siempre dióxido de carbono y agua.

Por ejemplo, la reacción de combustión para el etanol es la siguiente:

CH3CH2OH(l) + 3O2(g) 🡪 2CO2(g) + 3H2O(l)

El calor de combustión (∆cH) de una sustancia es el que resulta de la combustión de un mol de dicha sustancia en su estado normal a 25ºC (298.15 ºK) y 1 atm de presión. Experimentalmente se puede calcular el calor de combustión aproximado de algunos alcoholes determinando las temperaturas inicial y final alcanzadas al calentar una determinada cantidad de agua con el calor liberado de la combustión de dichas sustancias. Esto se puede llevar a cabo utilizando un líquido de referencia (acetona) al cual se le conoce a su calor de combustión (∆cH= -1790 KJ/mol a 298.15 ºK) y usando un sistema diseñado para usarse en el laboratorio.

La cantidad de energía en forma de calor QA liberado durante la combustión de la acetona se puede expresar de la siguiente forma:

QA= mA/ MA x ∆cH (Acetona)                                                (Ec. 1)

O bien:

QA= δAVA / MA x ∆cH (Acetona)                                                (Ec. 2)

Donde: δA, VA, mA y MA, son; la densidad, el volumen, la masa en gramos y el peso molecular de la acetona respectivamente.

De esta energía, al calentar el agua en un recipiente de vidrio, solo una fracción (K) sirve para calentar el agua por lo que la energía QH2O aprovechada por el agua es:

QH2O= K (δA,VA / MA) ∆cH (Acetona)                                         (Ec. 3)

La energía en forma de calor QH2O que sirvió para elevar la temperatura del agua, puede expresarse también como:

QH2O= mH2O CH2O  (TAF H2O - TAi H2O)                                        (Ec. 4)

Donde: CH2O es la capacidad calorífica de agua (4.184 J.g-1. K-1), mH2O es la masa del agua, TAi H2O y TAF H2O son las temperaturas inicial y final (en ºK) que alcanza el agua cuando se quema acetona, respectivamente.

Igualando las ecuaciones (2) y (3), tenemos:

mH2O CH2O (TAF H2O - TAi H2O) = K δAVA / MA x ∆cH (Acetona)                (Ec. 5)

Una ecuación similar a (4) se puede obtener para cada alcohol:

mH2O CH2O (TOHF,H20 - TOHi,H20) = K δOHVOH / MOH x ∆cH (Alcohol)        (Ec. 6)

Donde el superíndice y el subíndice OH están representando al alcohol correspondiente usado para la combustión.

Como se supone que la proporción de energía K que se pierde en forma de calor es la misma para la combustión de cada alcohol y para la acetona al utilizar el mismo sistema representado en la figura 1, las K son iguales, por lo tanto, despejando K de ambas ecuaciones, igualando las expresiones resultantes y posteriormente despejando la ∆cH para un alcohol se tiene:

∆cH (Alcoholλ) = (δA VA MOH / δOH VOH MA) • (TOHF,H20 - TOHi,H20 / TAF H2O - TA i H2O) ∆cH

(Ec. 7)

Sustituyendo los datos de temperatura experimentales en la ecuación 7 obtenidos al calentar una cierta cantidad de agua mediante la combustión de volúmenes conocidos del alcohol y de la acetona se puede obtener el calor de combustión para el alcohol correspondiente.

Propósito de la práctica.

Determinar el calor de combustión de (∆cH) varios alcoholes alifáticos utilizando la combustión de acetona como líquido de referencia y aplicar las fórmulas correspondientes para el cálculo de (∆cH) para cada grupo metileno en una serie de alcoholes.

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