Calorimetria

Laboratorio de Fisicoquímica

CALOR DE COMBUSTIÓN

OBJETIVOS

Determinar la capacidad calorífica de la bomba calorimétrica adiabática a volumen constante.

Determinar el calor de combustión a volumen y presión constante de una muestra problema.

Determinar el calor de formación de dicha muestra a partir de su calor de combustión.

DATOS TEÓRICOS Y EXPERIMENTALES

Para el desarrollo de la práctica se registraron los valores de temperatura y presión del momento, los cuales se observan en la Tabla 1. En ella también se observan datos teóricos consultados para el posterior desarrollo de cálculos.

Tabla 1. Datos teóricos y condiciones del laboratorio.

Temperatura laboratorio [K] 297,65

Presión del laboratorio [atm] 0,845

ΔHcomb Ácido benzoico [J/g] -26440

R constante de los gases [J/mol K] 8,317

Q calor de ignición del alambre fusible [J/cm] -9,62

ΔEform ácido nítrico [J/mol] -57750

Ρ Metanol [g/mL] 0,7918

ΔHcomb teórico del Metanol [J/g] -22662

ΔH°f teórico del Metanol [kJ/mol] 238,4

ΔH°f del Agua [kJ/mol] -286

ΔH°f del CO2 [kJ/mol] -393

Calibración de la bomba calorimétrica

Para determinar la capacidad calorífica de la bomba calorimétrica, se utiliza como sustancia patrón el ácido benzoico. Los valores requeridos para la determinación de la capacidad calorífica de la bomba y los datos de temperatura contra tiempo se muestran a continuación:

Tabla 2. Reporte de datos experimentales para la calibración de la bomba calorimétrica.

Masa de la pastilla de A. Benzoico [g] 0,9942

Vol. NaOH gastado en la titulación 1 [mL] 5,3

Concentración NaOH de titulación [M] 0,1027

L inicial del alambre de fusible[cm] 10

L final del alambre de fusible [cm] 4,4

Tabla 3. Variación de la temperatura del calorímetro con el tiempo ante la combustión de ácido benzoico.

Tiempo [s] Temperatura [°C]

0 25,4

15 26,0

30 26,4

45 27,0

60 27,3

75 27,5

90 27,6

105 27,8

120 27,9

135 28,0

150 28,1

165 28,1

180 28,2

195 28,2

210 28,2

225 28,2

Calor de combustión de la muestra problema:

Para la determinación del calor de combustión de la muestra problema (metanol), se hace uso de la boba calorimétrica anteriormente calibrada, adicionando 1 mL de muestra. Los datos experimentales requeridos para la determinación de dicho calor y el perfil de temperaturas con el tiempo para la reacción de combustión, se muestran a continuación:

Tabla 4. Reporte de datos experimentales para determinar el calor de combustión de la muestra problema.

Muestra Problema Metanol

Vol. NaOH gastado en la titulación 1 [mL] 5,4

L inicial del alambre de fusible[cm] 10

L final del alambre de fusible [cm] 4,7

Tabla 5. Variación de la temperatura del calorímetro con el tiempo ante la combustión del metanol (muestra problema).

Tiempo [s] Temperatura [°C]

0 27,9

15 28,4

30 28,8

45 29,0

60 29,3

75 29,4

90 29,5

105 29,6

120 29,7

135 29,7

150 29,7

165 29,8

180 29,8

195 29,8

210 29,8

225 29,8

MODELO DE CÁLCULO

Capacidad calorífica de la bomba calorimétrica:

Como el proceso es adiabático se cumple:

∑▒〖Q=∑▒∆E〗=0

Así:

∆E_Comb+∆E_Alambre+∆E_(A. Nítrico)+∆E_Calorim+∆E_Agua+∆E_Prod=0

Para determinar la capacidad calorífica de la bomba, se tiene que ∆E_Calorim≫∆E_Prod, por lo cual se desprecia el término de los productos. Se sabe que:

∆E=nC_V ∆T

Donde Cv es la capacidad calorífica a volumen constante. El valor de Cv depende de la temperatura, no obstante, para simplificar los cálculos, se considerará constante en el rango de temperaturas trabajado. Por otra parte:

∆E_Comb=∆H_Comb-∆nRT

Donde ∆n es la diferencia entre moles de productos gaseosos y reactivos gaseosos; R es la constante de los gases y T la temperatura en grados Kelvin a la cual ocurre la reacción. Para la reacción de combustión de ácido benzoico (con al cual se calibró la bomba calorimétrica), se tiene:

C_6 H_6 COOH_((s))+15/2 〖O_2〗_((g))→7C〖O_2〗_((g))+3H_2 O_((l))

Con lo cual:

∆n=7-15/2=-1/2=-0.5

Considerando lo anterior. El balance de energía para el proceso adiabático se reescribe como:

∆H_Comb-∆nRT+Q.L+∆E_form VM+C_V ∆T=0

Donde Cv es la capacidad calorífica total del calorímetro, incluyendo el agua contenida en él; L es la longitud de alambre quemado; V el volumen de base gastado en la titulación del ácido nítrico y M la molaridad de la base (NaOH) con que se tituló. Despejando Cv, se tiene:

C_V=(-∆H_Comb+∆nRT-Q.L-∆E_form VM)/∆T

Tomando los datos necesarios de las Tablas 1, 2 y 3, se llega a:

C_V=

(+26440*0.9942-0.5*8.317*(28.2+273.15)+9.62*(10-4.4)+57750*0.0053*0.1027)/((28.2-25.4))

C_V=8970.996 J/K

Calor de combustión de la muestra problema:

Se parte del mismo balance de energía que se utilizó para determinar la capacidad calorífica de la bomba, pero en esta ocasión el valor desconocido es el correspondiente al calor de combustión.

∆E_Comb+Q.L+∆E_form VM+C_V ∆T=0

∆E_Comb=-Q.L-∆E_form VM-C_V ∆T

Tomando lo valores necesarios de las Tablas 1, 4 y 5, se tiene:

∆E_Comb=-(-9.62)*(10-4.7)-(-57750)*0.0054*0.1027-8970.9964*(29.8-27.9)

∆E_Comb=-16961.880 J

La muestra problema asignada corresponde al metanol, con lo cual es posible determinar el valor de ∆n para hallar el calor de combustión a presión constante:

CH_3 OH_((l))+3/2 〖O_2〗_((g))→C〖O_2〗_((g))+2H_2 O_((l))

∆n=1-3/2=-1/2=-0.5

Así, se llega a:

∆H_Comb=∆E_Comb+∆nRT=-16961.88-0.5*8.317*(29.8+273.15)

∆H_Comb=-18221.698 J

Dado que la combustión se realizó para 1 mL de muestra de metanol, y conociendo la densidad de este compuesto (0.7918 g/mL), se tiene que los calores de combustión por gramo de metanol son:

∆E_Comb=-(16961.88017 J)/(1 mL)*(1 mL)/(0.7918 g)=-21421.925 J/g=-686.36 kJ/mol

∆H_Comb=-(18221.69775 J)/(1 mL)*(1 mL)/(0.7918 g)=-23013.006 J/g=-737.34 kJ/mol

El porcentaje de error para el calor de combustión a presión constante se halla teniendo en cuenta el valor teórico

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