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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXACTAS INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA PRÁCTICA N° 4 1.

DATOS INFORMATIVOS Grupo No: 1 NRC: 2192 Fecha de Realización de la Práctica: 30 de noviembre del 2018 Fecha de Entrega del Informe: 07 de diciembre del 2018

2.

TEMA: Bomba Calorimétrica Adiabática

3.

OBJETIVOS: 3.1 Objetivo General: Determinar la entalpía de combustión de carbohidratos y además conocer el funcionamiento de una bomba calorimétrica adiabática. 3.2 Objetivos específicos: • Reconocer los elementos que componen una bomba calorimétrica adiabática. • Definir las propiedades termodinámicas involucradas en la presente práctica y sus aplicaciones • Determinar la energía bruta de hidratos de carbono • Comparar los resultados experimentales con los datos de tablas.

4.

MARCO TEÓRICO:

El Calor de combustión se define como el calor liberado cuando un compuesto formado por C, H, O se quema en presencia de oxigeno 𝑂"($) para producir 𝐶𝑂"($) y 𝐻" 𝑂(()), cuando la reacción es completa (Peña & Céspedes, 2007). Para determinar la capacidad calorífica de una bomba calorimétrica 𝐶* se debe utilizar una sustancia patrón, el ácido benzoico (Rivas, 2010). La reacción de combustión del ácido benzoico solido a 298°K es:

El Poder Calorífico de un combustible es la máxima cantidad de calor que se puede obtener de él cuando se quema en forma completa y sus productos son enfriados hasta la temperatura original de la mezcla aire-combustible. Entre los productos de la combustión está presente vapor de agua, omo el vapor al condensar libera calor, mientras más condensado se forme mayor calor se estará obteniendo del combustible. Esto permite diferenciar entre Poder Calorífico Inferior y Poder Calorífico Superior. El Poder Calorífico Inferior indica la cantidad de calor que puede proporcionar el combustible

cuando toda el agua en los productos permanece como vapor, mientras el Superior refleja el calor que puede liberar el combustible cuando toda el agua en los productos condensa (Costa, 2005). FUNDAMENTO: La Bomba Calorimétrica se usa para determinar el Poder Calorífico de un Combustible cuando se quema a volumen constante. La bomba calorimétrica es un sistema aislado constituido por dos grandes partes genéricas: el reactor donde se producirá la combustión que liberará calor y un sistema autoregulado de camisa de agua que rodea el reactor y constituye la parte del sistema que absorberá el calor liberado junto con el resto de los materiales. Así, se combustiona una masa conocida de sustancia, cuyo calor de combustión se desea determinar, en presencia de oxígeno. Como el equipo es completamente adiabático, por lo tanto, el calor generado en la reacción de combustión se traduce en un incremento de la temperatura de una determinada masa de agua contenida en la camisa que rodea el reactor. El proceso ocurre a volumen constante, dado que el reactor se cierra herméticamente. Si bien, el calor que absorbe el agua no es el poder calorífico del combustible, debido a diversos factores como absorción de calor por la propia bomba (termómetro, agitador, etc.), liberación de calor del alambre que provoca el encendido del combustible, entre otros, éste se puede determinar a partir del incremento de la temperatura del agua y conociendo la constante de la bomba calorimétrica (Alvarez & Santa Cruz, 2017).

b) a) Figura N°1: Esquema de la bomba calorimétrica a) equipo completo, b) mini reactor. La Figura 1 muestra un esquema del equipo a utilizar. El mismo, consta de un agitador eléctrico (1), el mini reactor (bomba) (2), la camisa aislante que contiene agua para evitar pérdidas de calor (3), el balde adiabático (4), que contiene al mini reactor y una masa de 2kg de agua; el termómetro diferencial de Beckmann (5), un cable de ignición (6) y la tapa (7). El equipo también cuenta con una serie termistores asociados a una resistencia eléctrica cuya función es mantener constante la temperatura del balde adiabático para minimizar la transferencia de calor por conducción (Alvarez & Santa Cruz, 2017).

5. MATERIAL Y REACTIVOS: Propiedades físico químicas de los reactivos Reactivos FÍSICAS

Propiedades

Apariencia: incoloro, transparente Estado: sólido Densidad: 1.32 g/cm3 Masa molar: 122.12 g/mol Punto de fusión: 121.85°C Punto de ebullición: 248.85°C Presión crítica: 45 atm Ácido benzoico

Temperatura crítica: 479°C QUÍMICAS: pH: 2.8 No reacciona con el agua No hay polimerización Potencial de concentración nulo en la cadena alimentaria Demanda bioquímica de oxígeno (DBO): 15% en 5 días FÍSICAS Apariencia: cristales blancos Estado: sólido Densidad: 1.587 g/cm3

Sacarosa

Masa molar: 342.298 g/mol Punto de fusión: 186°C QUÍMICAS: Solubilidad en agua: 203.9g/100mL Es un dímero de la glucosa FÍSICAS Apariencia: cristales blancos

Stevia

Estado: sólido Densidad: 1.32 g/cm3 Masa molar: 122.12 g/mol

Punto de fusión: 238°C Punto de ebullición: 248.85°C Presión crítica: 45 atm Temperatura crítica: 479°C QUÍMICAS: No se metaboliza en el organismo No fermenta No hidrolizable por emulsión Es levógiro Soluble en agua FÍSICAS Apariencia: incoloro, transparente Estado: líquido, sólido o gaseoso Densidad: 1 g/cm3 Masa molar: 18 g/mol Punto de congelación: 0°C Punto de ebullición: 100°C Olor: inodoro Presión crítica: 217,5 atm Agua

Temperatura crítica: 374°C QUÍMICAS: Fuerzas: intermoleculares de London y Van der Waals Composición: 1 átomo de Oxígeno y 2 átomos de Hidrógeno •

Solvente universal

•

Bajo grado de ionización

•

Forma combinaciones complejas

FÍSICAS Apariencia: blanco cristalino Bicarbonato de sodio

Olor: inodoro Estado: sólido Densidad: 2.159 g/cm3

Masa molar: 84 g/mol Punto de fusión: 50°C QUÍMICAS: Solubilidad en agua: 203.9g/100mL pH: 8.3 FÍSICAS Apariencia: incoloro Olor: inodoro Estado: sólido Densidad: 1.429 kg/m3 Masa molar: 15.99 g/mol Punto de fusión: -218.8°C Oxígeno

Punto de ebullición: -183°C QUÍMICAS: Poco soluble en agua Elemento muy reactivo Elevada electronegatividad Soporta la combustión, ayuda a otros materiales a quemarse

Materiales Bomba calorimétrica adiabática de Gallenkamp Tanque de oxígeno Termómetro digital

6. PROCEDIMIENTO 1) Ensamblar la bomba colocando en un pequeño recipiente la muestra a quemarse. 2) Atar el cordel de algodón al fino conductor que se sujeta uniendo la horqueta de suspensión del recipiente. 3) Colocar una gota de agua dentro de la bomba. La cantidad del carbohidrato debe ser de alrededor de 1 gramo. 4) Ajustar solo con la mano la tapa de la bomba y llenar con oxígeno a presión (mínimo 15 bares). 5) Introducir la bomba en el agua y tapar el conjunto asegurando que haya un buen contacto para la ignición (lo cual se indica con una luz encendida) y que los termistores no estén rotos y sí en contacto con el agua tanto del calorímetro como de la camisa.

6) Registrar la mínima y máxima temperatura señaladas por el termómetro especial. 7. TABLA DE DATOS: ÁCIDO BENZOICO. 1

Valor calorífico del Ácido Benzoico J / g

2

Peso del Ácido Benzoico quemado

g

𝑚-.

3

Temperatura inicial

ºC

T

1

4

Temperatura final

ºC

T

2

5

Capacidad aparato

calorífica

total

∆𝑐𝐻-. = 𝑄-. = 26.42(

del J / ºC

𝐶𝑝78)9:;:9

MUESTRA

8.

6

Peso del porta muestra

g

7

Peso del porta carbohidrato

8

Temperatura inicial

ºC

𝑇;

9

Temperatura final

ºC

𝑇B

muestra

más g

𝑚? 𝑚?@7

EJEMPLO DE CÁLCULO: • Valor calorífico del Ácido Benzoico (AB) en J/g: J

QAB =3227 mol (NIST, 2011)

QAB =QAB

•

mol J J 1 mol J xmAB =3227 x =26.42 mol g g mol 122 g

Reacción de combustión del Ácido Benzoico: Para una mol de Ácido Benzoico 𝐶C 𝐻D 𝑂"(E) +

15 𝑂 → 3𝐻" 𝑂()) + 7𝐶𝑂"($) 2 "($)

Para n moles de Ácido Benzoico se realiza el mismo procedimiento que se utilizó para la sacarosa.

•

Capacidad térmica del calorímetro: Cpcalorimetro =

•

QAB x mAB 26.42 x mAB J = (T2 -T1 ) ºC (T2 -T1 )

Reacción de combustión de sacarosa: Para una mol de sacarosa 𝐶L" 𝐻"" 𝑂LL(E) + 12𝑂"($) → 11𝐻" 𝑂()) + 12𝐶𝑂"($) Para n moles de sacarosa Para ello se deben tomar en cuenta los gramos utilizados. 𝑔 𝑚...