Facultad de Química, UNAM
Departamento de Fisicoquímica Laboratorio de Termodinámica
PRÁCTICA 9:
CALOR DE COMBUSTIÓN
ObjeIvo general
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
Determinar el calor de combusIón de un alimento
uIlizando una bomba calorimétrica
Termoquímica
•
Área de la termodinámica experimental que se encarga
de cuanIficar el calor que absorbe o cede una reacción
química
Cede calor, Q<0
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
Absorbe calor, Q>0
Termoquímica: calorímetros
Presión constante
(isobáricos)
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
Volumen constante
(isocóricos)
Termoquímica: reacciones de combusIón
•
Proceso químico rápido en el que reacciona una
sustancia (combusIble) con óxigeno produciendo calor
y/o luz
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
Termoquímica: reacciones de combusIón
•
CombusIbles orgánicos (C,H) producen dioxido de
carbono y agua
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
Calorimetría
Energía interna
En un proceso a
voumen constante
dU = !Q +!W
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
!W = 0
dU = !Q
En la bomba
calorimétrica la
energía interna es
igual al calor
transferido
Relación entre la entalpía y la energía interna
Entalpía: función de estado, propiedad extensiva
H =U + PV
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
!H = !U + !(PV )
PV = nRT
!(PV ) = !(nRT )
Ley del gas ideal
A T constante
!H = !U + !(n
gases)RT
¡Ojo! El volumen de las fases condensadas se desprecia porque es mucho menor que el de los gases, además las fases condensadas
Relación entre la entalpía y la energía interna
Donde
!U = !H " !(n
gases)RT
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
!(n
gases) =
n
i,gases prod."
n
j,gases react.j
#
i
Termoquímica: reacciones de combusIón
•
CombusIbles orgánicos (C,H) producen dioxido de
carbono y agua
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
C
6H
5COOH (s) + 15/2 O
2(g) 7 CO
2(g) + 3 H
2O (l)
!H
r0= !U
r0+ !(n
gases)RT
!(n
gases) = 7 "
15
2
= "
1
2
Termoquímica: reacciones de combusIón
•
Entalpía de la reacción: Ley de Hess
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
!H
r0=
n
i i"
!H
0f ,iproductos #
n
j j"
!H
0f , jreactivos
C
6H
5COOH (s) + 15/2 O
2(g) 7 CO
2(g) + 3 H
2O (l)
Sustancia ΔH°f, 298.15 K / (kJ/mol) C6H5COOH (s) -‐384.80
O2 (g) 0
CO2 (g) -‐393.51 H2O (l) -‐285.83
Termoquímica: reacciones de combusIón
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
C
6H
5COOH (s) + 15/2 O
2(g) 7 CO
2(g) + 3 H
2O (l)
!H
r0= !U
r0+ !(n
gases)RT
Problema
Determinar el calor de combusIón de la muestra
problema (contenido calórico)
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
Entalpía combusIón ácido benzóico
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón SUSTANCIA: ΔHºf, 298.15 K / (kJ/mol) C6H5COOH (s) -‐384.80 O2 (g) 0 CO2 (g) -‐393.51 H2O (l) -‐285.83 0 0 0 , , r i f i j f j i j H n H productos n H reactivos Δ =
∑
Δ −∑
Δ!Hr298.15K0 = (7)(!393.51 kJ/mol)+(3)( ! 285.83 kJ/mol) ! (1)(!384.80kJ/mol)
C6H5COOH(s) +15
2 O2 (g ) ! 7CO2 (g ) + 3H2O(l)
ΔU combusIón
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón 0 6 5 2 2 2 15 J C H COOH( ) O ( ) 7CO ( ) 3H O( ) 3227260 2 r mol s + g → g + l ΔH = − 15 1 ( ) 7 2 2 gases n Δ = − = −
(
)
0 3227260 J 1 8.314 J 298.15K 3226020 Jmol 2 molK mol
r U ⎛ ⎞⎛ ⎞ Δ = − − −⎜ ⎟⎜ ⎟ = − ⎝ ⎠⎝ ⎠ 0
6319.97
cal
g
combU
Δ
= −
0 3226020 J 1 cal 1 mol mol 4.184 J 122 g r U ⎛ ⎞⎛ ⎞⎛ ⎞ Δ = −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠⎝ ⎠ 0 0(
)
r r gasesU
H
n
RT
Δ
= Δ
− Δ
Constante del calorímetro
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
Masa de agua en la cubeta: 2000 g
Masa de pasBlla de ácido benzóico: aprox. 1 g (Masa
molar: 122 g/mol)
Calor específico del agua: 1 cal/gºC
¡ojo!
Adicionar 1 mL de agua desBlada en el interior de la
bomba.
Pesar el alambre de ignición antes y después de la
reacción de combusBón
Constante del calorímetro
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón ganado cedido
Q
= −
Q
2 H O K reacciónQ
+
Q
= −
Q
2 2 0 0 H O H O .(
f i)
(
f i)
ac benz comb alambre alambreK T T
−
+
m c
T T
−
= −
m
Δ
U
−
m
Δ
U
Q
K+ Q
H 2O= !(Q
comb+ Q
alambre)
2 2 0 0 . H O H O(
)
(
)
ac benz comb alambre alambre f i
f i
m
U
m
U
m c
T
T
K
T
T
−
Δ
−
Δ
−
−
=
−
01400 cal/g
alambreU
Δ
= −
Constante del calorímetro
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón
Masa de agua en la cubeta: 2000 g
Masa de a muestra: aprox. 1 g
Calor específico del agua: 1 cal/gºC
¡ojo!
Adicionar 1 mL de agua desBlada en el interior de la
bomba.
Pesar el alambre de ignición antes y después de la
reacción de combusBón
ΔU muestra
Laboratorio de Termodinámica. PrácBca 9: Calor de CombusBón ganado cedido
Q
= −
Q
2 H O K reacciónQ
+
Q
= −
Q
Q
K+ Q
H 2O= !(Q
muestra+ Q
alambre)
!U
muestra0=
m
H2Oc
H2O(T
f"T
i) + K(T
f"T
i) + m
alambre!U
alambre0
"m
muestra 01400 cal/g
alambreU
Δ
= −
(
)
2 2(
)
0 0 H O H Of i f i muestra muestra alambre alambre