Universidad Nacional.
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Escuela de Química. Laboratorio de Fisicoquímica experimental.
Profesora: Patricia Alvarado Aguilar. Bomba Calorimétrica. Estudiantes:
Kevin Carballo Chaves, ced: 402240034 Kevin Solís Ñurinda, ced: 402250626 Fabián Zamora Araya, ced: 402250895 Realizado el 14 de Agosto del 2014 Entregado el 21 de Agosto del 2014 II Ciclo 2014
Índice Resumen. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………3
Fundamento teórico. ............................................................................................................... Error! Bookmark not defined. Sección experimental. ............................................................................................................................................................. 4 Procedimiento. ........................................................................................................................................................................ 4 Resultados. .............................................................................................................................................................................. 5 Discusión de resultados. ......................................................................................................................................................... 7 Conclusiones. .......................................................................................................................................................................... 7 Referencias Bibliográficas. ...................................................................................................................................................... 8 Apéndice. ................................................................................................................................................................................ 8
Resumen
Se determinó el calor de combustión de una barra de cereal con ayuda de una bomba calorimétrica a volumen constante, la cual por su diseño puede ser considerada un sistema aislado. Primero se determinó la capacidad calorífica de la bomba al utilizar una pastilla de ácido benzoico como patrón con capacidad calórica conocida. La misma se colocó en un recipiente en contacto con un alambre de ignición, también con capacidad calórica específica. Luego se agregó oxígeno en exceso a la bomba y se colocó dentro de una cubeta con un volumen medido de agua; por último se conectaron dos electrodos a la bomba para generar la ignición, así como una banda de una polea conectada a un motor para homogenizar la temperatura. Durante el proceso se midió la temperatura del sistema con un termómetro digital cada minuto hasta llegar a temperatura constante. Luego de haber calibrado la bomba se procedió a hacer el mismo procedimiento a una barra de cereal comercial. Los datos obtenidos de la graficación de las temperaturas contra el tiempo se utilizaron para calcular la capacidad calórica de la bomba, y se obtuvo un valor experimental para la capacidad calórica del producto y su respectivo contenido energético. La concordancia entre el valor obtenido y el teórico llevan a apoyar la validez del método y se puede afirmar la aplicación de condiciones para generar un sistema teóricamente aislado al realizar las mediciones. Palabras Clave: Bomba Calorimétrica, Calor de combustión, Capacidad calorífica, Combustión, Sistema aislado.
Fundamento teórico
Muchos de los procesos físicos y químicos suelen ocurrir mientras se absorbe o se libera energía al medio, y muchas veces la manifestación de esta energía se da en forma de calor produciendo cambios en la temperatura de los sistemas y su entorno. La calorimetría es el estudio de la transferencia de calor durante un proceso físico o químico (1). El instrumento utilizado para medir la transferencia de energía se llama calorímetro. La bomba calorimétrica a volumen constante, llamada también Obús de Mahler, consta de un tanque central de acero resistente a altas presiones con un par de electrodos y un recipiente para la muestra; el calorímetro es el dispositivo completo, el cual posee un contenedor de agua, un agitador, una capucha aislante, un termómetro u otro instrumento para determinar la temperatura (2,3). Para asegurar la adiabaticidad, el calorímetro se suele sumergir en un baño externo de agua con una temperatura controlada respecto a la del calorímetro para evitar flujo de calor con el entorno (2). Al tratarse el calorímetro de un sistema cerrado, el cambio de temperatura del calorímetro es proporcional al calor que libera o absorbe el proceso que ocurre en su interior. A volumen constante un cambio infinitesimal en la temperatura produce un cambio infinitesimal en la energía interna, la constante de proporcionalidad es la capacidad calorífica del material “ Cv”. Si la capacidad calorífica es independiente de la temperatura dentro del rango de interés, un cambio en la energía interna puede identificarse como el calor proporcionado a volumen constante (2). La capacidad calorífica es una propiedad extensiva que representa la energía necesaria para elevar la temperatura de una cantidad de sustancia un grado Celsius o kelvin. Por lo tanto: Qv=CvΔT
(Ec. 1)
3
El calor específico de una sustancia además es la cantidad de energía necesaria para elevar en un grado Celsius o un kelvin un gramo de una sustancia: C=ms (Ec. 2) Además como el calor de la reacción es absorbido por el agua y los componentes del calorímetro, el calor de la reacción es igual a la suma del calor absorbido por el agua y el calorímetro, además para el caso de la práctica también se debe restar el calor proveniente del consumo del cable de ignición (2,3). Las ecuaciones son: Qrxn= Qagua + Q bomba – Qalambre (Ec. 3) Qagua= msΔT (Ec. 4) Qalam= msΔT (Ec. 5) Con las lecturas de temperaturas y realizando los balances de calor se puede determinar entonces el calor de un proceso, normalmente el calor de combustión (3). Los estudios con bomba calorimétrica son importantes pues permiten conocer el contenido energético de sustancias como combustibles, además tienen una gran importancia fisiológica pues el valor obtenido por la combustión de alimentos es igual a la energía obtenida en el metabolismo, con excepción del contenido en nitrógeno, el cual se oxida en la combustión a compuestos como ácido nítrico y en el metabolismo no se oxida más allá del amoniaco (4). Sección experimental.
Equipo: - Bomba de Oxígeno Calorimétrica Parr Modelo 6775 - Unidad de ignición con corriente de 4 amp. - Cronómetro - Termómetro digital Reactivos: - Ácido benzoico C3H5COOH Procedimiento.
Para esta práctica de laboratorio se siguió el procedimiento descrito en el Manual de Laboratorio de Fisicoquímica (UNA, pp. 26-28). 1) Montar el calorímetro y la bomba calorimétrica en un lugar sin fluctuaciones. 2) De ser necesario preparar pastillas de ácido benzoico que no posean más de 1g, usando una prensa pastilladora. La pastilla no debe ser muy dura. 3) Colocación del alambre de ignición: a) Cortar 10cm de alambre de ignición delgado y sujetar un extremo en el orificio del electrodo recto y hacer lo mismo en el otro electrodo. b) Introducir el alambre en el centro de la capsula que contiene la pastilla de ácido benzoico, cuidando que el cable entre en contacto con la pastilla. c) Conviene inclinar la capsula hacia un lado para que la llama no salga sobre el electrodo recto. 4) Introducción del oxígeno: a) Verificar que el anillo de contacto y de neopreno estén en buenas condiciones para evitar fugas y colocar el de contacto sobre el de neopreno. 4
5) 6)
7)
8)
9)
b) Colocar la cabeza de la bomba en su cilindro y cerrar con la tapa de rosca apretando a mano firme. c) Quitar el tapón de la válvula de la bomba. d) La conexión del tanque se une a la bomba apretando moderadamente la unión con una llave de tuerca. La válvula de salida del tanque debe abrirse un cuarto de vuelta. e) Se abre la llave de llenado para que pase oxígeno lentamente, hasta 25atm de presión y después se cierra. (Realizar despacio este paso para que el oxígeno no exparsa la muestra). Cuidar que la presión no sea mayor a 40atm, si esto sucede se debe vaciar la bomba, quitar la cabeza y volver a pesar la muestra antes de repetir. Agregar 2000mL de agua destilada a temperatura ambiente al recipiente para agua. Montaje del calorímetro: a) Colocar el recipiente para agua en la camisa del calorímetro. b) Introducir la bomba al recipiente con agua de tal forma que el electrodo quede cerca del alambre aislado de ignición y conectar la terminal con el alambre. c) Colocar la cubierta en la camisa del calorímetro, con la escala del termómetro hacia el operador. d) Poner el seguro colocado en la parte posterior de la cubierta y debe encajar en el orificio especial de la camisa. e) Poner la banda en la polea y echar a andar el motor, haciendo que la polea gire a 150rpm en dirección de las manecillas del reloj. Dejar girar 5min para alcanzar equilibrio térmico. Encendido: a) Conectar el cordón de la unidad de ignición a los tornillos de contacto del calorímetro y a los contactos de la unidad marcados para 10cm. b) Tomar la temperatura cada minuto durante 5 min y si son constantes tomar como temperatura inicial. c) Presionar el botón de ignición para encender el ácido benzoico, se suelta una vez que el sistema se abre (aproximadamente 5s) d) Tomar la temperatura cada minuto hasta obtener una temperatura constante, esa es la temperatura final. Desmontaje: a) Parar el motor, quitar el termómetro y la banda de polea, levantar la cubierta y desconectar el alambre aislado de ignición de la terminal de la bomba. b) Sacar el recipiente para agua junto con la bomba y sacar la bomba, descargar los gases de la bomba desatornillando parcialmente el tapón de la válvula y apretando la válvula de retención con tapón. Hacer lenta y uniformemente, en menos de 1min. c) Quitar la tapa de rosca, levantar la cabeza de la bomba y colocarla en su soporte. Examinar el interior de la bomba, si hay hollín u otra evidencia de combustión incompleta. Realizar lo mismo para el producto alimenticio.
Resultados.
La capacidad calorífica obtenida para la bomba fue de 0,4202 kcal. El calor de reacción promedio del producto alimenticio (Barra de cereal Cris Crispas Chocolate de Jack´s® ) fue de 86,216 kcal por porción. El porcentaje de error en la determinación de las calorías del producto alimenticio fue de -4,20%
5
Los gráficos de los datos de temperatura respecto al tiempo obtenidos fueron: 25.5 ) C °
25
1 0 0 , 0
24.5
± 24 ( a r u t 23.5 a r e p 23 m e T
22.5
22 0
2
4
6
8
10
12
Tiempo (min)
Figura 1. Variación de la temperatura vs tiempo de la combustión de una pastilla de ácido benzoico. 25.8 25.6 ) 25.4 C ° 1 0 0 , 0
25.2 25
± ( 24.8 a r u t 24.6 a r 24.4 e p 24.2 m e 24 T
23.8 23.6 0
2
4
6
8
10
12
Tiempo (min)
Figura 2. Variación de la temperatura vs tiempo de la combustión de una barrita de cereal, Repetición 1. 25.6 25.4
) C ° 25.2 1 0 0 , 0
25 24.8
± ( 24.6 a r 24.4 u t a r 24.2 e p 24 m e 23.8 T
23.6 23.4 0
2
4
6
8
10
12
Tiempo (min)
Figura 3. Variación de la temperatura vs tiempo de la combustión de una de una barrita de cereal, Repetición 2. 6
Discusión de resultados.
La bomba calorimétrica utilizada en la práctica fue una bomba adiabática, el cual era un recipiente cerrado a volumen constante, sumergido en un baño de agua que le mantiene aislado del medio. Esta se calibró midiendo la variación de la temperatura originada por el curso de la combustión de una sustancia conocida, en este caso el ácido benzoico. De este modo se puede pasar del aumento de temperatura medido, al calor desarrollado por la reacción química de la sustancia problema (1). Experimentalmente se determinó el cambio de energía de la sustancia, debido a que el método calorimétrico fue a volumen constante, si se deseara determinar el cambio de entalpía se debió implementar a presión contante, también se puede aplicar una corrección por el trabajo realizado durante la reacción basándose en la ecuación de los gases ideales (5). A manera de determinar el calor específico de un alimento y su contenido energético, en este caso una barra de cereal, comparándolo con su valor teórico, se obtuvo un porcentaje de error de -4,20%, lo cual se considera aceptable, demostrando que el tratamiento de la muestra fue bueno. Este porcentaje de error pudo generarse debido a varias fuentes, entre las cuales se puede mencionar como principales: La medición del agua utilizada no se realizó con un instrumento adecuado, pues se utilizó un balón aforado que permitió la medida precisa de agua, pero no aseguraba el mismo trasvasé del volumen para las repeticiones. Además, se aproximó una masa exacta de 2 kg para el agua sin tomar en cuenta la densidad exacta de la misma al momento de la medición del volumen. Estos factores son importantes debido a que el calor absorbido por el agua es proporcional a su masa (6). Además, se recomienda el uso de un segundo baño exterior de agua para evitar pérdidas de calor del sistema, esto pues la bomba calorimétrica utilizada, a pesar de tener un material aislante en su capa externa, no tenía un cierre tan confiable (2). Finalmente, algunas aplicaciones importantes de la bomba calorimétrica a nivel industrial son, el quemado de alimentos para determinar su contenido calórico, como lo realizado en la práctica pero a gran escala, y el quemado de semillas y otras sustancias para conocer su calor específico y contenido energético (7). Además de la evaluación del contenido energético de combustibles y aceites, así como otros derivados del petróleo. Conclusiones.
La aplicación más utilizada para el sistema calorimétrico a presión constante es la de determinar el contenido energético de alimentos. Lo que permitió comprobar experimentalmente los calores de combustión en un producto comercial para comparar este con el valor teórico de la envoltura. Se conocieron y practicaron los conceptos fundamentales para el manejo adecuado de una bomba calorimétrica, así como la determinación de la capacidad calorífica de esta a partir del calor absorbido. La capacidad calorífica es propiedad extensiva y directamente relacionada a la capacidad de absorber o liberar calor durante un proceso, por lo cual se utiliza como una constante que permite el cálculo del calor de procesos vinculados dentro de un ámbito de temperaturas. Es importante y válido el tratar al sistema calorimétrico como un sistema aislado y es importante mantener las condiciones experimentales adecuadas para el cumplimiento de esta condición para la determinación del flujo de calor producto de un proceso. En un sistema considerado como aislado, o en su defecto adiabático, el flujo de calor se presenta entre componentes con diferente temperatura, el calor absorbido por una sustancia es entonces proporcional al calor perdido o producido durante un proceso.
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Referencias Bibliográficas. 1. Costa, J.M. Diccionario de Química Física. 2. 3.
4.
5. 6. 7.
1era. edición; Editorial Días de Santos: España, 2005; p
47. Atkins, P,; De Paula, J. Atkins Química Física. 8va edición; Editorial Médica Panamericana: Buenos Aires, 2008; pp 38-41 Zamora, M. Termo I: Un estudio de los sistemas termodinámicos. Volumen I, Editorial del secretariado de la Universidad de Sevilla: Sevilla, España, 1998; p. 159 Macarulla, J.; Goñi, F. Bioquímica Humana: Curso básico. 2da Edición en español; Editorial Reverté: España, 1994; p. 380 Pereira, R; Alvarado, P; Jiménez, G; Vega, J. Manual de fisicoquímica experimental. Costa Rica; pp 26,27. Alrins, W. Principios de química. 1era. edición; Editorial Médica Panamericana: España, 2006; p 34. Giancoli, D; Campos, V. Física aplicada. 2da edición; Editorial Marcambo: España, 2000; p 390.
Apéndice. Capacidad Calorífica de la Bomba.
Calor de reacción. qrxn = 6,318 kcal/g; Ac. Benzoico qrxn=1,400 kcal/g cable
Calor del Agua. Sagua=0,9996cal/g°C
Calor de la bomba.
Capacidad Calorífica del calorímetro.
í
Cálculos respectivos a barra de cereal.
Masa del producto=(0,6003±0,00018)g; Ti=(23,150±0,00065)°C; Tf=(24,194±0,00065)°C.
) ( ) (
8
De manera similar se realizaron los cálculos para la segunda repetición: Repetición 2: C prod = 4,3393kcal/g Energía= 86,003 kcal Calorías promedio del producto alimenticio
̅
Porcentaje de error respecto a valor dado por el productor.
9
