TRABAJO PRACTICO N 1: DETERMINACION DEL CALOR DE COMBUSTION MEDIANTE LA BOMBA CALORIMETRICA.

Facultad Regional Rosario

Cátedra: FISICOQUIMICA.

TRABAJO PRACTICO N°1:

DETERMINACION DEL CALOR DE

COMBUSTION MEDIANTE LA BOMBA

CALORIMETRICA.

Elaborado por: Ing. Ma. Belen Alvarez – Ing. Judith Santa Cruz

Visado por: Ing. Martinet – Dra. Ciappini

 

  DETERMINACION DEL CALOR DE COMBUSTION MEDIANTE LA BOMBA CALORIMETRICA.    OBJETIVOS: 

 Reconocer los elementos que componen una bomba calorimétrica adiabática. 

 Definir  las  propiedades  termodinámicas  involucradas  en  la  presente  práctica  y  sus  aplicaciones. 

 Determinar el calor de combustión de una sustancia líquida o sólida. 

FUNDAMENTO: 

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 se  expresó 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, liberación de calor por la formación de ácido nítrico, entre otros,  éste se puede determinar a partir del incremento de la temperatura del agua y conociendo la  constante de la bomba calorimétrica.  CONCEPTOS TEORICOS:   Calor de combustión: es calor de reacción que se obtiene de la oxidación completa de una  sustancia con oxígeno molecular. 

 Calor  normal  de  combustión:  es  el  calor  de  combustión  de  un  mol  de  la  sustancia  en  su  estado normal de 25°C y  1 atm de presión. 

 Calor de reacción a volumen constante: 

El calor de reacción medido a volumen constante es igual al aumento de la energía interna y  no a un aumento de entalpía: 

  Q_V  U       (1)  Para  relacionar  la  variación  de  energía  interna  con  la  entalpía,  podemos  hacer  uso  de  la  definición de entalpia: 

 

La  variación  de  presión  se  determina  a  partir  de  la  variación  del  número  de  moles  de  los  reactivos  y    productos  gaseosos,  despreciando  la  variación  de  temperatura.  Considerando  comportamiento ideal, obtenemos:  

  V.  P n R T. .        (3)  Entonces:  

      H U n R T. .        ₍₄₎ 

Esta  variación  de  entalpía  es  igual  a  la  que  acompaña  a  un  proceso  a  presión  constante,  mientras  que  la  variación  de  energía  interna  se  refiere  a  la  transformación  a  volumen  constante. Con bastante aproximación, la ecuación (4) puede interpretarse como: 

  Q_P  Q_V  n R T. .        ₍₅₎ 

Mediante  las  ecuaciones  (4)  y  (5),  las  mediciones  en  la  bomba  calorimétrica, QV  U se  convierten en valores deQ_P H . 

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LA BOMBA: 

  Figura 1. Esquema de la bomba calorimétrica a) equipo completo, b) mini reactor. 

La  Figura  1  a)  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). Si  bien, no está representado en la gráfica, el equipo 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. 

 

En la Figura 1 b), se esquematizan los componentes del mini reactor. Éste es un recipiente de  acero que resiste un aumento de presión de hasta de 200 atm. Entre el mini reactor y su tapa  (4), hay O‐rings (3) que garantizan un cierre perfecto. En su interior tiene un crisol (5) donde se  coloca la sustancia a combustionar (6), por cuestiones de seguridad no debe tener una masa  superior  a  1  gr  (para  el  equipo  mostrado).  Ésta  no  debe  colocarse  en  forma  de  sólido  pulverulento ya que al presurizar el equipo o al iniciarse la combustión, debido a la expansión,  se  esparciría en  el  interior  del  reactor  de  modo  que  no  se  podría  asegurar  la  combustión  completa de la muestra, por ello los sólidos pulverulentos deben pastillarse previo al ensayo.  Los electrodos se unen mediante un hilo de cobre (7) sobre el que se enrolla hilo de algodón  (estandarizado) para facilitar el foco ígneo e iniciar la reacción de combustión en la muestra.  Por  la  válvula  superior  (1)  se  inyecta  O2  puro  hasta  25‐30  atm  para  garantizar  una  masa  suficiente de comburente. El volumen del mini reactor es de 300 cm3. 

El  termómetro  de  Beckmann  tiene  una  apreciación  de  0.01  °C.  Se  caracteriza  por  medir  variaciones de temperaturas y no temperaturas absolutas. La máxima lectura posible es un T 

de 6 °C. 

El  recipiente  exterior,  denominado  baño  calefactor  también  contiene  agua  y  se  encuentra  separado  por  una  cámara  de  aire  de  la  pared  exterior  del  balde  adiabático.  Las  paredes  del  balde son plateadas (cromadas) para reducir las pérdidas de calor por radiación.  El agitador cumple la función de homogeneizar la temperatura del agua.     PROCEDIMIENTO.   Preparación de la muestra:  o Muestra liquida: se coloca directamente dentro de la capsula.  o Muestra sólida: se compacta formando una pastilla.     Armado del sistema:   

 

a) Colocar la muestra en la cápsula, agregar 1 cm3 de agua (destilada) dentro del reactor  para  absorber  los  óxidos  de  nitrógeno  formados  a  partir  del  aire  que  contiene  el  reactor  y enrollar el hilo de algodón sobre el hilo de cobre que une los electrodos.  b) Cerrar el reactor. 

c) Inyectar  oxígeno  a  presión,  por  medio  de  la  válvula  de  retención,  hasta  que  el  manómetro indique una presión de 25 atm. Comprobar que no haya pérdidas de gas  (por medio de las variaciones del manómetro). 

d) Agregar 2 litros de agua destilada en el balde. Incorporar el reactor dentro del balde  adiabático. 

e) Una  vez  armada  la  bomba,  se  coloca  en  el  baño  calefactor  y  se  baja  la  tapa  de  la  camisa.  f)  Colocar el termómetro.  g)  Oprimir  a fondo el conector, se encienden las luces del equipo.  h) Cuando el equipo se ha estabilizado se baja el interruptor de encendido, se mantiene  durante 10 segundos, se suelta el interruptor.  i) Se registra la variación de temperatura que muestra el termómetro de Beckmann.    CÁLCULOS BASADOS EN LOS CONCEPTOS FISICOQUÍMICOS DEL SISTEMA 

Como  la  bomba  calorimétrica  y  el  agua  en  la  cual  se  sumerge  constituyen  un  sistema  adiabático,  la  temperatura  final  (T2)  es  distinta  de  la  inicial  (T1),  es  posible  establecer  el  siguiente balance de energía:  

 

Q

_TOTAL



Q

_desarrollado



Q

_absorbido



0

      (6)  Donde el 

Q

_desarrolladoestá formado por el calor desprendido en la combustión de  la muestra y  el  hilo  de  algodón,  en  la  oxidación  del  alambre  de  Cu  a  CuO  y  del  nitrógeno  a  ácido  nítrico.  Mientras  que  el 

Q

_absorbidoconsidera  al  calor  que  absorben  las  partes  constitutivas del  reactor  (paredes,  agitador,  tapa,  etc.)  y  el  agua;    reflejado  en la  variación de  la  temperatura.  La  ecuación (7) presenta el balance energético en forma detallada: 

 

3 3

lg lg

(

. . agua

)

muestra muestra Cu CuO a odón a odón HNO HNO abs bomba abs

m



U



m



U



m



U



m



U

 

Q



Q

      

(7)  El calor absorbido por el agua y la bomba se pueden calcular como:  

.

abs agua agua agua

Q m C  T

       (8) 

.

abs bomba bomba bomba

Q m C  T       (9)  Siendo:  muestra

U



: Calor de combustión de la muestra (incógnita).  CuO

U



: Calor de formación del CuO (dato).  

  ∆ : Calor de formación del HNO3 (dato).   lg a odón

U



: Calor de combustión del hilo de algodón (dato).  muestra

m

, Cu

m

, 

m

algodón, 

m

agua, 

m

bomba : Masa de la muestra, del alambre de cobre que se oxida,  del hilo de algodón, de agua, y de la bomba respectivamente (conocidas). 

agua

C

 y 

C

_bomba: Calor específico del agua y de la bomba. 

T

 : Cambio de temperatura producido.   

El  ΔT  se  determina  a  partir  de  mediciones  experimentales  de  la  temperatura  para  distintos  tiempos.  La  medición  se  realiza  con  el  termómetro  de  Beckmann.  El  perfíl  de  temperaturas  obtenido debe ser similar al mostrado en la figura 2.    Figura 2. Perfil de temperaturas esperado.  Los puntos sobre la gráfica determinan las diferentes etapas por las que atraviesa el proceso:  AB: etapa de calentamiento del hilo ignito.  B: punto de ignición. 

BC:  etapa  de  reacción.  En  un  corto  periodo  de  tiempo  se  eleva  considerablemente  la 

temperatura, debido al calor desarrollado por la reacción. 

CD: etapa de temperatura constante. Denota la finalización de la reacción de combustión.     La  masa  de  cobre  que  fue  oxidada  se  determina  a  partir  de  la  diferencia  de  la  longitud  del  alambre  antes  y  después  de  la  experiencia.  La  masa  y  el  calor  específico  de  la  bomba  son  constantes, y si se trabaja de forma tal que la masa de agua sea siempre la misma en este tipo  de ensayos y se estandarizan el tamaño de los hilos de cobre y de algodón, es posible reunir  estos términos en uno solo:  

  Q_{abs agua. .} Q_{abs bomba} 



m_aguaC_aguam_bombaC_bomba



 T       (10)  Tiempo Tem p eratura   A  B  C D

ΔT

 

A  la  suma  de  los  términos  que  se  encuentran  entre  paréntesis  de  la  ecuación  (10)  se  lo  denomina “constante del calorímetro” K:  

agua agua bomba bomba

m



C



m



C



K

      (11)  Por lo tanto el balance se puede escribir como:  

 

3 3

lg lg

muestra muestra Cu CuO a odón a odón HNO HNO

m



U



m



U



m



U



m



U

   

K

T

       (12) 

La constante del calorímetro (K) se determina mediante la combustión de una masa conocida  de un compuesto puro utilizado como patrón calorimétrico (por ejemplo, ácido benzoico) cuyo  calor de combustión se conoce con exactitud. Su variación de la entalpía molar de combustión  (



H

_{ac benzoico.} )  se  encuentra  tabulada.  Se  lleva  a  cabo  la  reacción  de  combustión  en  el  calorímetro,  se  registra  el  cambio  de  temperatura  ( T)  y  a  partir  de  la  ecuación  (13)  se  obtiene la constante del calorímetro, K.  

3 3

. . benzoico lg lg

(

m

ac benzoico

U

ac

m

Cu

U

CuO

m

a odón

U

a odón

m

HNO

U

HNO

)

K

T





















      (13)  En el caso de la bomba utilizada en nuestro laboratorio, se determinó la constante utilizando  ácido benzoico como patrón, obteniendo un valor de: K = 2470 cal / ºC. 

El  punto  final  del  proceso  se  evidencia  cuando  la  lectura  en  el  termómetro  de  Beckmann  es  nula. 

Finalmente, se obtiene el calor de combustión de la muestra como indica la ecuación (14).  

 

(

Cu CuO algodón algodón HNO3 HNO3

)

muestra muestra

K

T

m

U

m

U

m

U

U

m

   















      (14)   Resultados a presentar:  Determinar el calor de combustión del n‐butanol (l) (C4H10O) como ΔH según datos  experimentales, compararlo con su valor teórico, expresar el error absoluto y relativo  cometido en la experiencia y listar las posibles causas de los errores. Graficar el perfil  de temperatura (ΔT) indicando cada una de las etapas del proceso.    Datos experimentales:   mMUESTRA: 1.19 g   K: 2470 cal/ºC   a=60 cal   Tinicial: 23.5 ºC   Tfinal: 27.67 ºC     

  Tiempo (min)  ΔT (ºC)  0  1.44  0.5  1.6  1  3.44  1.5  4.52  2  5.09  2.5  5.35  3  5.48  3.5  5.54  4  5.57  4.5  5.59  5  5.6  5.5  5.61