Practica 3 - Parte de quifis PDF

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Parte de quifis...

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3.- CALORES DE COMBUSTIÓN. BOMBA CALORIMÉTRICA CONCEPTOS Primer principio de la Termodinámica, sistema adiabático, sistema isócoro, sistema isobárico, energía y entalpía de reacción, capacidad calorífica.

OBJETIVOS Determinar la entalpía de combustión de una sustancia orgánica utilizando una bomba calorimétrica.

FUNDAMENTO TEÓRICO Una bomba calorimétrica es un dispositivo que se utiliza para medir calores de combustión de una reacción química, y que está formado por un reactor cerrado o bomba (a volumen constante) dentro de un baño de agua térmicamente aislado (calorímetro). El conjunto de medio de reacción y calorímetro se considera idealmente como un sistema adiabático. Por tanto, si se produce una reacción química el calor liberado o absorbido en la reacción (según sea exotérmica o endotérmica) produce un cambio de temperatura que puede medirse experimentalmente: 𝑇

𝑞𝑉 = ∫𝑇 0 𝐶𝑉 𝑑𝑇 1

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siendo 𝐶𝑉 la capacidad calorífica del sistema. Como la capacidad calorífica no varía mucho en este proceso se puede considerar constante de tal forma que: 𝑞𝑉 = −𝐶𝑉 (𝑇1 − 𝑇0 )

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Es importante tener en cuenta que la capacidad calorífica corresponde a todo el sistema (vaso calorimétrico + agua + bomba). Sin embargo, en las reacciones de combustión la contribución a la capacidad calorífica de los productos es muy pequeña, por lo que la capacidad calorífica coincide en la práctica con la del calorímetro: 𝐶𝑉 (𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 + 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎) ≈ 𝐶𝑉 (𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎). De esta forma para calcular el calor de combustión de un compuesto problema es necesario determinar en primer lugar la capacidad calorífica del calorímetro empleando un compuesto de calor de reacción conocido. La combustión completa de una sustancia orgánica se realiza en una bomba calorimétrica con exceso de oxígeno. Como la reacción tiene lugar a volumen constante, el calor de combustión se identifica con el cambio de energía interna o energía de reacción, U. Como la energía interna es una propiedad extensiva, tenemos que tener en cuenta la cantidad de sustancia quemada n (número de moles del reactivo limitante de la reacción), siendo la energía de reacción:

∆𝑈 = 𝑞𝑉 ⁄𝑛

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A presión constante, el calor de reacción es el cambio de entalpía o entalpía de reacción, ΔH. De esta forma puede calcularse la entalpía de reacción a partir de la energía de reacción ya que la relación entre ambas es: ∆𝐻 = ∆𝑈 + ∆(𝑃𝑉) = ∆𝑈 + 𝑅𝑇∆𝜈𝑔

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donde g es el incremento de coeficientes estequiométricos de sustancias gaseosas en la ecuación química de la reacción. La determinación calorimétrica del calor de reacción requiere que la reacción sea rápida, para que las posibles pérdidas de calor sean despreciables, única (sin reacciones secundarias) y completa, para conocer con precisión las cantidades de sustancia que han reaccionado, es decir, el avance o extensión de la reacción. Entre las reacciones que reúnen estos requisitos están las de combustión y neutralización.

MATERIAL Y PRODUCTOS Bomba calorimétrica, vaso calorimétrico, agitador magnético, fuente de alimentación de corriente, sonda y medidor de temperatura, mortero de porcelana, prensa para preparar pastillas, hilo de ignición, vidrio de reloj. Ácido benzoico, naftaleno, bombona de oxígeno.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Determinación de la capacidad calorífica del sistema calorimétrico. La determinación de la capacidad calorífica Cv del sistema (bomba + calorímetro + agua) se lleva a cabo mediante una reacción de calor de reacción conocido, en este caso la combustión del ácido benzoico ( Hc = - 3227 kJ/mol, a 25ºC). Para utilizar la bomba (preparación de pastillas, llenado de oxígeno e ignición) se procede siguiendo las instrucciones del profesor. En cada experimento debe pesarse una cantidad conocida y preparar una pastilla con un hilo de ignición (el peso del hilo se sustrae del peso total). La masa de cada pastilla será de 0,4 a 0,5 g. Una vez montada la pastilla en la bomba se carga con oxígeno puro a 10 bar y se coloca la bomba en el calorímetro. Finalmente, se produce la ignición y se registra la variación temporal de temperatura en una gráfica (T frente a tiempo) hasta que se estabilice el sistema. Regístrese la variación de temperatura desde 5 minutos antes de la combustión hasta 5 minutos después, en intervalos regulares de 30 segundos, salvo durante el salto de temperatura, que debe hacerse cada 15 segundos.

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OPERACIONES BÁSICAS II

Figura 1. Esquema general del conjunto de bomba calorimétrica y calorímetro (izqda.) y modelo de bomba usada en esta práctica (dcha).

Figura 2. Determinación de la variación de temperatura a partir de la gráfica de T. La línea vertical de incremento de temperatura debe separar dos áreas aproximadamente iguales.

2. Determinación del calor de combustión del naftaleno. Se procede igual que en el caso anterior empleando naftaleno. Tanto la combustión del ácido benzoico, para determinar la capacidad calorífica del sistema, como la combustión del naftaleno se repetirá al menos tres veces.

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TRATAMIENTO DE DATOS 1.- Primera principio de la Termodinámica. A partir del primer principio de la Termodinámica, razonar como a volumen constante podemos llegar a la ecuación 1, y como a presión constante el calor de reacción se corresponde con la entalpía de reacción. 2.- Cálculo de la capacidad calorífica del sistema calorimétrico. a) Escriba la ecuación química de la combustión del ácido benzoico (El agua formada en la combustión es líquida). b) Calcule la energía de combustión del ácido benzoico, Uc, conocida su entalpía de combustión ( Hc = -3227 kJ/mol, a 25ºC), mediante la ecuación (1). c) A partir  Uc,B y del incremento de temperatura  T correspondiente a la combustión de una cantidad nB de ácido benzoico, calcule la capacidad calorífica 𝐶𝑣 del sistema, aplicando las ecuaciones (3) y (4). 3.- Cálculo de la entalpía de combustión del naftaleno. a) Escriba la ecuación química de la combustión del naftaleno. (El agua formada en la combustión es líquida). b) A partir del incremento de temperatura T correspondiente a la combustión de una cantidad nN de naftaleno y de la capacidad calorífica C del sistema, obtenida en el apartado anterior, calcular la energía de combustión del naftaleno, Uc,N, y a partir de ella su entalpía de combustión, Hc,N,.

SEGURIDAD Además de las normas generales de seguridad en el laboratorio, en esta práctica debe prestarse atención especial a los siguientes puntos: 1. Manejo de la bomba calorimétrica. Una vez instalada la pastilla en la bomba, ciérrese fuertemente con la junta tórica y llénese con oxígeno a una presión de 10 bar, como se indica en el apartado siguiente. Introducir la bomba con cuidado en el calorímetro, que, si es de vidrio, es muy frágil. Una vez realizada la combustión, DESCOMPRIMIR LA BOMBA ANTES DE ABRIRLA. Una vez abierta, no golpear los electrodos para limpiarlos. 2. Manejo de la bombona de oxígeno. La bombona contiene oxígeno a muy alta presión (hasta 200 bar) y su manejo para llenar la bomba calorimétrica debe llevarse a cabo por el profesor o en su presencia. La bombona lleva una llave principal, al que se le acopla un manorreductor. Un manorreductor (o un reductor de presión) es una válvula que permite reducir la presión de un fluido a una presión constante fija o seleccionable. Bloque de Química Física

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Figura 1. Regulador de presión para bombona de gases.

Como se muestra en la figura, existen dos manómetros, uno indica la presión del gas en la bombona y el segundo mide la presión del gas a la salida del manorreductor, o lo que es lo mismo, a la entrada de nuestra bomba calorimétrica, valor que elige el usuario mediante la apertura de la llave del manorreductor (se abre en sentido opuesto al usual, por motivos de seguridad).on la llave de la bombona de oxígeno abierta, se abre lentamente la llave del manorreductor, hasta que la presión en el manómetro de salida indique 10 bar, lo que significa que la bomba calorimétrica (asegúrese de que la llave de la misma esté también abierta) contiene oxigeno hasta 10 bar. Una vez que esté llena la bomba calorimétrica cierre la llave principal de la bombona, la llave del manorreductor y la llave de la bomba calorimétrica.

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