Calor de Combustion PDF

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Summary

La cantidad de calor (Q) se define como la energía cedida o absorbida por un cuerpo de masa (m), cuando su temperatura varía en un número determinado de grados. La cantidad de calor (Q) está relacionada directamente con la naturaleza de la sustancia que compone el cuerpo. La dependencia de la cantid...

Description

INFORME DE LABORATORIO CALOR DE COMBUSTIÓN

I.

POR: MARIBEL ARANGO ROMÁN – SARA ARBOLEDA BRAND

DÍA: MARTES 13 – 16

FECHA DE ENTREGA: 28/02/2017

PROFESOR: LEONARDO BETANCUR CASTRILLÓN

MARCO TEÓRICO.

Una característica general de los fenómenos térmicos es que existen cuerpos que ceden energía en forma de calor, y otros que son capaces de absorber dicha energía. Con el objetivo de caracterizar cuantitativamente la emisión o la absorción del calor, se ha establecido el concepto cantidad de calor. La cantidad de calor (Q) se define como la energía cedida o absorbida por un cuerpo de masa (m), cuando su temperatura varía en un número determinado de grados. La cantidad de calor (Q) está relacionada directamente con la naturaleza de la sustancia que compone el cuerpo. La dependencia de la cantidad de calor con la naturaleza de la sustancia se caracteriza por una magnitud denominada calor específico de la sustancia. El calor específico de la sustancia se representa con la letra C y se define como la cantidad de calor requerida por la unidad de masa de una sustancia para variar su temperatura en 1 °C. Un cuerpo de masa (m) puede variar su temperatura inicial mediante un fenómeno térmico si absorbe o cede cierta cantidad de calor (Q). Al considerar que la energía no puede ser creada ni destruida de acuerdo con la ley de conservación de la energía, entonces la energía absorbida (o cedida) por un cuerpo debe, en principio, ser cedida (o absorbida) por otro cuerpo. En estos procesos de emisión y absorción de energía desempeña un papel muy importante el proceso de combustión, ya que en un número considerable de fenómenos térmicos se logra el desprendimiento de energía de los cuerpos, mediante su combustión. Una magnitud que permite caracterizar cuantitativamente el desprendimiento de calor de los cuerpos durante la combustión es el denominado calor específico de combustión o entalpía de combustión, que se representa con ∆Hc. Se define a la entalpía de combustión (∆H c) como la cantidad de calor que cede la unidad de masa del cuerpo a quemarse totalmente. El calor de combustión es el calor de reacción que se obtiene de la oxidación de la sustancia con oxígeno molecular. Los compuestos orgánicos que contienen carbono, hidrógeno y oxígeno, se queman en atmósfera de oxígeno, dando como únicos productos dióxido de carbono y agua. II. -

TABULACIÓN DE DATOS. Determinación de Cv del calorímetro:

Masa de la pastilla de ácido benzoico: 1,0012 g Longitud del alambre de ignición: 10 cm Molaridad del NaOH empleado en la titulación: 0,1 M Volumen del NaOH gastado en la titulación: 4,8 mL Temperatura antes de ignición: 25,9 °C Temperatura después de ignición: 28,9 °C -

Determinación de Combustión (∆E) de la muestra problema:

Volumen de muestra: 1 mL Longitud del alambre de ignición: 10 cm Volumen de NaOH gastado en la titulación: 2,9 mL

Temperatura antes de ignición: 25,6 °C Temperatura después de ignición: 27,4 °C -

Datos auxiliares:

Entalpía de combustión del ácido benzoico, ∆H°comb: -26,44 kJ.g-1 Constante de gases ideales, R: 8,317 J.K-1.mol-1 Calor de ignición de alambre fusible, Q: -9,62 J/cm Calor de formación del ácido nítrico, ∆Eform: -57,75 kJ.mol-1 Masa molar Metanol: 32,04 g/mol Densidad Metanol: 0,7918 g/mL III. -

CÁLCULO DE RESULTADOS. Capacidad calorífica del calorímetro:

Como el proceso en la bomba es adiabático se cumple Σ𝑄𝑣 = ΣΔE = 0. Luego:

∆𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏 + ∆𝐸𝑎𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 + ∆𝐸𝑎.𝑛í𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 + ∆𝐸𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚 + ∆𝐸𝑎𝑔𝑢𝑎 + ∆𝐸𝑝𝑟𝑜𝑑 = 0

Esta ecuación se puede reescribir como: Δ𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 − Δ𝑛𝑅𝑇 + 𝑄. 𝐿 + Δ𝐸𝑓𝑜𝑟𝑚 . 𝑉. 𝑀 + 𝐶𝑣 Δ𝑇 = 0 Despejando Cv se tiene que: 𝐶𝑣 =

𝐶𝑣 =

−Δ𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 + Δ𝑛𝑅𝑇 − 𝑄. 𝐿 − Δ𝐸𝑓𝑜𝑟𝑚 . 𝑉. 𝑀 Δ𝑇

1 −(−26,44 kJ. 𝑔 −1 ×1,0012 𝑔) + (− 2 𝑚𝑜𝑙×0,008137 𝑘𝐽 ∙ 𝐾 −1 ∙ 𝑚𝑜𝑙 −1 ×302,05 𝐾) − (−0,0962 𝑘𝐽) − (−57,75 kJ ∙ 𝑚𝑜𝑙 −1 ×0,0048 𝐿×0,1 𝑀) 3K

𝐶𝑣 = 8,456 𝑘𝐽. 𝐾 −1 -

Calcular el valor ∆E y ∆H de combustión de la muestra problema en kJ.mol-1 y evaluar el porcentaje de error.

Para hallar ∆E: ∆𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏 + ∆𝐸𝑎𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 + ∆𝐸𝑎.𝑛í𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 + ∆𝐸𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚 + ∆𝐸𝑎𝑔𝑢𝑎 + ∆𝐸𝑝𝑟𝑜𝑑 = 0 Δ𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 − Δ𝑛𝑅𝑇 + 𝑄. 𝐿 + Δ𝐸𝑓𝑜𝑟𝑚 . 𝑉. 𝑀 + 𝐶𝑣 Δ𝑇 = 0 ∆𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏 = Δ𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 − Δ𝑛𝑅𝑇

Δ𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏 = −𝑄. 𝐿 − Δ𝐸𝑓𝑜𝑟𝑚 . 𝑉. 𝑀 − 𝐶𝑣 Δ𝑇 Δ𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏 = −(−0,0962 𝑘𝐽) − (−57,75 𝑘𝐽. 𝑚𝑜𝑙 −1 ×0,0029 𝐿×0,1 𝑀) − (8,456 𝑘𝐽. 𝐾 −1 ×1,8𝐾) Δ𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏 = −15,108 𝑘𝐽 El resultado encontrado es el calor de combustión por 1 mL de muestra (metanol), entonces: Δ𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏 = −15,108 𝑘𝐽/𝑚𝐿 Δ𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏 =

1 𝑚𝐿 32,04 𝑔 −15,108 𝑘𝐽 × × 𝑚𝐿 0,7918 𝑔 1 𝑚𝑜𝑙

Δ𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏 = −611,342 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙

Para hallar ∆H: Δ𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 = ∆𝐸𝑐𝑜𝑚𝑏 + Δ𝑛𝑅𝑇 Δ𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 = −15,108 𝑘𝐽 + (−

1 𝑚𝑜𝑙×0,008137 𝑘𝐽 ∙ 𝐾 −1 ∙ 𝑚𝑜𝑙 −1 ×300,55𝐾) 2

Δ𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 = −16,331 𝑘𝐽

El resultado encontrado es el calor de combustión por 1 mL de muestra (metanol), entonces: Δ𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 = −16,331 𝑘𝐽/𝑚𝐿 Δ𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 =

−16,331 𝑘𝐽 1 𝑚𝐿 32,04 𝑔 × × 𝑚𝐿 0,7918 𝑔 1 𝑚𝑜𝑙

Δ𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 = −660,830 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 Evaluar el porcentaje de error para el cálculo de ∆Hcomb:

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 % 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = | | ×100 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 −726,3 − (−660,830) % 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = | | ×100 −726,3 % 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 9,014% -

Calcular calor de formación de la muestra problema: 3 𝐶𝐻3 𝑂𝐻(𝑙) + 𝑂2 (𝑔) → 2𝐻2 𝑂(𝑙) + 𝐶𝑂2 (𝑔) 2

∆H°CO2= -393,52 kJ.mol-1 ∆H°H2O= -286,04 kJ.mol-1 ∆Hcomb= -726,3 kJ.mol-1 ∆𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝜈Δ𝐻°𝐶𝑂2 + 𝜈Δ𝐻°𝐻2𝑂 − 𝜈Δ𝐻°𝐶𝐻3𝑂𝐻 Δ𝐻°𝐶𝐻3𝑂𝐻 = 𝜈Δ𝐻°𝐶𝑂2 + 𝜈Δ𝐻°𝐻2𝑂 − ∆𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 Δ𝐻°𝐶𝐻3𝑂𝐻 = 𝜈Δ𝐻°𝐶𝑂2 + 𝜈Δ𝐻°𝐻2𝑂 − ∆𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 Δ𝐻°𝐶𝐻3𝑂𝐻 = (−393,52 𝑘𝐽. 𝑚𝑜𝑙 −1 ) + 2(−286,04 𝑘𝐽. 𝑚𝑜𝑙 −1 ) − (−726,3 𝑘𝐽. 𝑚𝑜𝑙 −1 ) Δ𝐻°𝐶𝐻3𝑂𝐻 = −239,3 𝑘𝐽. 𝑚𝑜𝑙 −1 IV.

PREGUNTAS. 1. ¿Qué suposición debe hacerse con respecto al trabajo del agitador en la bomba?

El trabajo del agitador es básicamente mantener el equilibrio térmico en el sistema dado que gracias al movimiento de las partículas de agua, la temperatura se disipa de igual forma al interior de todo el recipiente. 2. ¿Cuál es la diferencia entre entalpía de combustión y entalpía de formación para un compuesto? La diferencia entre ambas entalpías consiste en que la entalpía de formación se refiere al calor necesario para formar una mol de una sustancia, a presión constante y a partir de los elementos que la constituyen mientras que la entalpía de combustión se refiere a la variación de entalpía cuando una mol de sustancia reacciona completamente con oxígeno para producir dióxido de carbono y agua.

3. ¿Cómo se afectan cualitativamente los resultados si la muestra problema tiene impurezas no combustibles a la temperatura de reacción? Las impurezas en la muestra problema podría tener diversos efectos en la reacción de combustión. Por ejemplo, la muestra no podría reaccionar por completo y el valor para el ∆H calculado podría estar alejado del valor real generando también porcentajes de error mayores a los esperados. Además, dichas impurezas podrían afectar las condiciones dadas para que se produzca la combustión, es decir, podría afectar las condiciones de activación de la reacción. Finalmente, si las impurezas no son combustibles a la temperatura de reacción, el equilibrio térmico del sistema podría verse alterado. 4. Consultar las reacciones de formación del ácido nítrico en la bomba calorimétrica. La reacción de formación de ácido nítrico que se presenta en la bomba calorimétrica es: 𝐻2 𝑂(𝑙) +

V.

5 𝑂 + 𝑁2 (𝑔) → 2𝐻𝑁𝑂3 (𝑙) 2 2 (𝑔)

ANÁLISIS DE RESULTADOS.

Las reacciones de combustión son siempre exotérmicas por lo que era de esperarse que la entalpía de combustión para esta reacción fuera negativa. Estos valores encontrados para los respectivos calores de combustión dan cuenta de la energía cedida durante la reacción por la ruptura de los enlaces dada por la interacción entre los reactivos para generar nuevas atracciones entre las moléculas y así generar nuevos compuestos. Finalmente, los errores presentes en los resultados producto de los datos tomados experimentalmente pueden atribuirse a errores sistemáticos, debido al operador: error en el pesaje de la muestra inicial, mala lectura de las temperaturas en el termómetro, mal sellado de la autoclave o de la camisa de agua (permitiendo la salida de calor, afectando la medición), incorrecta lectura del indicador durante la titulación (lo que afecta directamente los resultados para C V y ∆E) o errores debido al instrumento de medida, como: termómetro descalibrado (registrando temperaturas diferentes a las reales) o bureta igualmente descalibrada (afectando el volumen real usado en la titulación).

VI.

BIBLIOGRAFÍA.

Rincón, F. (2004). Manual de laboratorio de fisicoquímica. Universidad de Antioquia: Reimpresos, duplicación de textos y documentos académicos. Pp 15 – 21. (s.f.). El calor de combustión y el ahorro de energía. Recuperado el 24 de febrero de 2017, de Red Solar. Disponible en: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia20/HTML/articulo06.htm (s.f.). Determinación del calor de combustión. Recuperado el 24 de febrero de 2017, de Instituto Tecnológico de Celaya. Disponible en: http://www.iqcelaya.itc.mx/~roosph/PracticasFQ/H.pdf...