Seminario V (Reporte) 2021 fisicoquimica buap PDF

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BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEPUEBLAFACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICASQUINTO SEMINARIODETERMINACIÓN DEL CALOR DECOMBUSTIÓN ALCOHOLESEQUIPO 4MARGARITA RODRÍGUEZ VALENCIAJOSÉ ESTEBAN PELÁEZ ROSASANTONIO PINTO TEXCUCANOHORARIO DE CLASES: VIERNES DE 8:00AM-10:00AMFecha: 15 de octubre de 2021INTRODUCCIÓNL...

Description

BENEMÉRI TA UNI VERSI DAD AUTÓNOMA DE PUEBLA F ACULTAD DECI ENCI ASQUÍ MI CAS QUI NTO SEMI NARI O

DETERMINACIÓN DEL CALOR DE COMBUSTIÓN ALCOHOLES EQUI PO 4 MARGARI TA RODRÍ GUEZVALENCI A J OSÉESTEBAN PELÁEZROSAS ANTONI O PI NTO TEXCUCANO HORARI O DECLASES:VI ERNESDE8: 0 0 AM 1 0 : 00 AM Fe c ha :1 5deoc t ubr ede2 0 21

INTRODUCCIÓN

La reacción de combustión puede llevarse a cabo directamente con el oxígeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno, llamada comburente, siendo el aire atmosférico el comburente más habitual. La reacción del combustible con el oxígeno origina sustancias gaseosas entre las cuales las más comunes son CO2 y H2O. Se denominan en forma genérica productos, humos o gases de combustión. Es importante destacar que el combustible solo reacciona con el oxígeno y no con el nitrógeno, el otro componente del aire. Por lo tanto el nitrógeno del aire pasará íntegramente a los productos de combustión sin reaccionar. Las reacciones químicas que se utilizan en el estudio de las combustiones técnicas tanto si se emplea aire u oxígeno, son muy sencillas y las principales son: C + O2 → CO2 CO + 1⁄2 O2 → CO2 El calor de combustión de una sustancia es el que resulta de la combustión de un mol de dicha sustancia en su estado normal a 25°C 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 su calor de combustión (∆ CH) y usando un sistema diseñado para usarse en el laboratorio. La cantidad de energía en forma de calor QA de la acetona se puede expresar de la siguiente forma:

O bien:

Donde: A, VA, mA y MA, son; la densidad, el volumen, la masa y el peso molecular de la acetona respectivamente. De esta energía, al calentar el agua en un recipiente de vidrio, sólo una fracción sirve para calentar el agua, por lo que la energía QH2O aprovechada por el agua es:

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

Donde: CH2O es la capacidad calorífica del agua (4.184 J.g-1 .K-1 ), m H2O es la masa del agua, Ti A H2O y Tf A H2O son las temperaturas inicial y final (en K) que alcanza el agua cuando se quema acetona, respectivamente . Igualando (2) y (3), tenemos:

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

Donde el superíndice y el subíndice OH está representando a los términos del alcohol considerado. Como se supone que la proporción de energía que se pierde en forma de calor es la misma para la combustión de cada alcohol, las K son iguales, por lo tanto, despejando K de ambas ecuaciones, igualando las expresiones resultantes y posteriormente despejado la ∆ CH para un alcohol se tiene:

OBJETIVO (S) Determinar el calor de combustión ( CH) de varios alcoholes alifáticos utilizando la acetona como líquido de referencia. Calcular el CH por cada grupo metileno. Estudiar la relación que existe entre el tamaño de la cadena y el calor de combustión en los alcoholes. HIPÓTESIS

1. Obtener teóricamente la cantidad de energía que tiene cada grupo metileno en los diferentes alcoholes, es decir en qué cantidad de KJ, aumenta o disminuye, cada grupo CH2 - (metileno) a las diferentes moléculas. 2. Conocer los calores de combustión de los alcoholes propuestos. 3. Comprobar que el calor de combustión del grupo CH2 - (metileno), a partir de los calores de combustión del etanol menos el calor del metanol, y que el calor del 1-propanol menos el etanol, son equivalentes.

MATERIALES Y SUSTANCIAS Materiales: 1 lata perforada: sirve como una camisa para que no se disipe el calor durante la combustión, circule el aire que lleva el oxígeno y quedará suspendido con ayuda del matraz Erlenmeyer. 1 Corcholata, sin corcho o plástico, sobre ella se colocará la bolita de algodón. Bolitas de algodón, estas se impregnarán con 2 ml del combustible utilizado. 1 Pinza para bureta, con ella se sujetará del cuello el matraz Erlenmeyer. 1 tela de asbesto: sobre ella se coloca la corcholata con la bolita de algodón impregnada con 2 ml del líquido inflamable. 1 Matraz erlenmeyer de 250 ml: siempre se utilizará limpio y contendrá, 200 ml de agua. Que se cambiará cada vez que se inicie un nuevo experimento. 1 Termómetro (-10°C – 100°C): con él se mide la temperatura inicial (antes de encender el algodón con el líquido inflamable) y la temperatura final, (la más alta alcanzada). 1 Vaso de precipitados de 250 ml y una probeta de 100 ml: para medir los 200 ml de agua. 3 Pipetas graduadas de 5 ml (o de 10 ml): para medir los 2 ml del líquido combustible. 1 Balanza granataria. Reactivos:    

Agua destilada Metanol Etanol 1-propanol

MÉTODO EXPERIMENTAL

   

1-butanol 1-pentanol Acetona Encendedor o cerillos

Combustión de alcoholes a temperatura ambiente y presión atmosférica. Precaución: Evite que los recipientes con los disolventes estén cerca de alguna flama o de una parrilla encendida, ya que son inflamables. DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. Pese el matraz el matraz erlenmeyer limpio y seco. 2. Agregue 200 g de agua de la llave. 3. Introduzca el matraz Erlenmeyer dentro del bote perforado y que pase por el hoyo del bote la boquilla y el cuello. Que quede de fuera el cuello del matraz. 4. Sujete el matraz erlenmeyer con las pinzas a una varilla de la mesa de trabajo y a una altura adecuada para llevar a cabo la combustión de los alcoholes. Entre la base de la mesa de trabajo y el bote perforado, que haya una distancia de dos dedos de su mano (tome como referencia los dedos índice y medio juntos). SOLO DOS. 5. Mida la temperatura inicial del agua del matraz y anótela como Ti. Mantenga el termómetro dentro del agua. 6. Coloque una pequeña borla de algodón sobre la corcholata que se encuentra sobre una tela de asbesto. Cuide que no quede muy compacta ni muy floja. 7. Adicione 2 ml de acetona sobre la borla de algodón rápidamente y de Inmediato enciéndala y colóquela debajo del matraz. Para esto levante la lata, encienda el algodón y suelte la lata, ya no la toque, se puede quemar. 8. Agite cuidadosamente el agua con el termómetro y cuando se apague la flama anote la temperatura máxima alcanzada (TF). 9. Quite el matraz, tire el agua y enjuáguelo varias veces con agua de la llave para enfriarlo. 10. Agregue nuevamente 200 g de agua de la llave y repita el procedimiento con el metanol y posteriormente con los otros alcoholes.

CÁLCULOS 1. Anote sus datos experimentales: T°C amb. = 25°C Líquido

Acetona Metanol Etanol 1-propanol 1-butanol 1-pentanol

Densidad (g/ml) 0.795 0.7918 0.789 0.7996 0.8097 0.817

T(°C)i

25 25 25 25 25 25

T(°C)F

54 46 52 57 59.5 61.5

58.08 32.04 46.07 60.09 74.12 88.15

2. Escriba la reacción de combustión para cada una de las sustancias. Acetona C3H6O(l) + 4 O2(g) → 3CO2(g) + 3H2O(l) Metanol 2 CH3OH(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 4 H2O(l) Etanol CH3CH2OH(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l) 1-propanol 2 CH3CH2CH2OH(l) + 9 O2(g) → 6 CO2(g) + 8 H2O(l) 1-butanol

∆T

Masa Molecular g/mol 29 21 27 32 34.5 36.5

CH3CH2CH2CH2OH(l) + 6 O2(g) → 4 CO2(g) + 5 H2O(l) 1-pentano 2 CH3CH2CH2CH2CH2OH(l) + 15 O2(g) → 10 CO2(g) + 12 H2O(l) 3. Determine la ∆CH de cada alcohol utilizando la ecuación No. 7.

CALOR DE COMBUSTION DE LA ACETONA

CALOR DE COMBUSTION DEL METANOL

∆cHOH =

298.15− ¿ ❑ ¿ ( 0.795 g ml−1) ( 2ml ) ( 32.04 g mol−1 )

( 0.7918 g ml−1 ) ( 2 ml) ( 58.08 g mol−1 )

¿

CALOR DE COMBUSTION DEL ETANOL CALOR DE COMBUSTION DEL PROPANOL CALOR DE COMBUSTION DEL 1- BUTANOL CALOR DE COMBUSTION DEL 1- PENTANOL 4. Calcule la CH del grupo metileno en los alcoholes. Para esto calcule: (a) la diferencia de los valores de CH entre el etanol y el metanol, (b) la diferencia entre los valores de CH entre el 1-propanol y el etanol, etc. (c) el promedio entre los dos valores anteriores. 5. Investigue los valores reportados en la bibliografía de CH para cada uno de los alcoholes; además, el valor de CH para el metileno y calcule el porcentaje de error. 6. Explique las posibles fuentes de error en sus determinaciones. Es evidente que en cualquiera de las combustiones que se llevaron a cabo no toda la energía sirvió para calentar el agua sino que también hubo pérdida de energía en forma de calor. Es decir, parte de la energía la absorbió, el aire, la lata, la

corcholata, el matraz y el termómetro. Sin embargo, supondremos que, en todos los casos la proporción de energía en forma de calor que se perdió la misma. 7. En la siguiente tabla anote sus resultados:

Líquido

CH reportado kJ/mol

C H experimental kJ/mol

% de error CH alcohol

Diferencia entre 2 % de error alcoholes consecutivos CH valor de CH para el metileno metileno kJ/mol

Acetona Metanol Etanol 1-propanol 1-butanol 1-pentanol 8. Con base a sus resultados anteriores, calcule los valores aproximados de ∆ CH del n-hexanol, del n-heptanol y del n-octano 9. Explique porque se debe usar el mismo matraz en todas sus determinaciones. Se debe de utilizar el mismo matraz para mantener exactitud en los cálculo obtenido de los calores de combustión, evitando así algunos errores, que ya se tienen. 10. Cada gramo de gas natural libera aproximadamente 45 kJ de energía al quemarse: a). Calcule la energía almacenada en un tanque de 20 kg de gas natural. 1 gr - 45 KJ x KJ = (45 KJ) (20 000 gr) / 1 20 000 gr - x KJ 1 gr X KJ = 900,000 KJ de energía almacenada en el tanque. b). ¿Cuántos litros de agua pueden calentarse de 20°C a 50 °C con ese tanque de gas natural? Supóngase que no se pierde energía al medio. Q = C (t2 – t1); despejando C (capacidad calorífica) queda: C = Q / (t2– t1) C=

900,000 KJ / (50 – 20 °C) = 30,000 KJ / °C = 30,000,000 J / °C

C = (masa de H2O) (calor especifico de H20); despejando la masa de H2O nos queda; masa de H2O = C / calor específico

Masa de H2O =

30,000,000 J / °C / 4.184 J / g °C

Por lo tanto: 7,170,172.08 gr = 7,170,172.08 ml = 7,170.1720 lt. x litros = 7,170.1720 litros se calentarán con 20 litros de gas 11. Uno de los principales componentes de la gasolina en el n-octano (C8H18). Su calor de combustión es de 6,500 kJ. mol-1. a). ¿Qué cantidad de energía se desprende al quemar 1 g de n-octano? 1mol de C8H18 = 114.214 gr mol-1 de C8H18 114.214 gr mol-1 de C8H18 - 6,500 KJ mol-1 1 gr de C8H18

- x KJ

x KJ = (6,500 KJ mol-1) (1 gr) / (114.214 gr mol-1) x KJ = 56.91071 KJ se desprenden de 1 gr de C8H18 b). ¿Cuánta energía hay almacenada en un tanque de gasolina de un coche con 30 kg de gasolina? 30 kg= 30000 gr 1 gr de C8H18

- 56.91071 KJ

30000 gr de C8H18

- x KJ

x KJ = (56.91071 KJ) (30000 gr de C8H18) / (1 gr de C8H18) = x KJ = 1,707,321.3 KJ almacenados en el tanque de gasolina ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADO

CONCLUSIÓN Del anterior trabajo entendemos que la combustión es un proceso químico e Importante. Muchos factores influyen en el proceso de combustión, uno de estos es el agente comburente, que en la mayoría de los casos es el oxígeno. La cantidad de éste, junto con la cantidad de sustancia combustible, nos permite identificar y establecer el tiempo que durará la reacción. En esta práctica nos dimos cuenta de los errores de los que tuvimos en el porcentaje de error. BIBLIOGRAFÍAS Químico, L. T. P. (2014, 23 diciembre). Reacción de Combustion. TP - Laboratorio Químico. Recuperado 14 de octubre de 2021, de https://www.tplaboratorioquimico.com/quimica-general/compuestosquimicos/reaccion-de-combustion.html

Jimdo. (s. f.). REACCIONES DE COMBUSTIÓN. Página web de antoniofisicayquimica. Recuperado 14 de octubre de 2021, de https://antoniofisicayquimica.jimdofree.com/4%C2%BA-eso/energ%C3%ADa-yvelocidad-de-reacci%C3%B3n/reacciones-de-combusti%C3%B3n/...