IDENTIFICACION DE UNA MUESTRA PROBLEMA A PARTIR DE LA DETERMINACION DE SU CALOR DE COMBUSTION MEDIANTE UN CALORIMETRO ADIABATICO Hilenny Lezama, Lezama, Jexsy Jexsy Mata
Laboratorio de Fisicoquímica (Sección: 63) – Escuela de Ingeniería Química Universidad de Carabobo Profesor: Profesor: Jeanet Finol Finol Preparador: Preparador: Mariany Pacheco Pacheco
RESUMEN
El objetivo principal de esta práctica fue la determinación del calor de combustión de una muestra problema, haciendo uso de un calorímetro adiabático, Parr 1241. La determinación de la capacidad calorífica del calorímetro fue a partir de la combustión del ácido benzoico (C 6H5COOH); después de su combustión se recogió en agua ácido nítrico (HNO 3), el cual se tituló con hidróxido de sodio (NaOH) (0,0331±0,0001)N, para así poder aplicar la Primera Ley de la Termodinámica al sistema y determinar dicha capacidad calorífica que es de Cv = (0,00505±0,00005) kJ/g.°C. Luego al conocer dicho valor, se determinó el calor de combustión de la muestra problema ΔH°c = (22,5±2) kJ/g, para compararla con valores conocidos, resultando que la muestra era Anhídrido Ftálico (C 8H4O3), teniendo una desviación de 1,57% con respecto al valor teórico. Finalmente, se calculó el calor de formación de dicha muestra partiendo de su calor de combustión y de los calores de formación del CO 2 y H2O, siendo éste ΔH°f = (-90±2) kJ/g. Palabras Clave: capacidad calorífica, calorímetro adiabático, calorimetría, calor de combustión.
INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
La calorimetría es la rama de la termodinámica que mide la cantidad de energía liberada en procesos de intercambio de calor. Ésta resulta ser un método muy apropiado al emplearlo en el estudio del calor de combustión de compuestos orgánicos. En dicha práctica se desea conocer la capacidad calorífica del calorímetro adiabático a partir de la combustión del ácido benzoico y a partir de dicho dato, conocer el calor de combustión y de formación de la muestra problema. Entre las aplicaciones que abarca la combustión en la industria se encuentra la producción de energía para aviones y cohetes y el diseño de motores de combustión interna.
Antes de comenzar la práctica se verificó el equipo de trabajo, corroborando que se encontrara en buenas condiciones y apto para realizar la experiencia. Luego se pesó en la balanza analítica digital aproximadamente 1 g de ácido benzoico (C6H5COOH) sobre un vidrio de reloj, posteriormente se realizó una pastilla en un troquel mediante la presión ejercida por una prensa; la pastilla se extrajo sobre la cápsula de la bomba calorimétrica, la cual se pesó con la misma en su interior. Seguidamente, se colocó la cápsula en la tapa de la bomba calorimétrica, a la cual se le conectó en sus terminales un fino alambre de hierro, verificando que mantuviera contacto sólo con los terminales y la pastilla. Se agregó (1,0±0,1) mL de agua destilada en el interior de la bomba calorimétrica, se introdujo la tapa con mucho cuidado y se cerró. Luego se presurizó la
bomba calorimétrica con oxígeno, primeramente con 10 atm y luego con 15 atm, dejando escapar la presión por cada adición de oxígeno, para hacer un total de 25 atm. Se agregaron (1250,0±2,5) mL de agua corriente en el interior de la vasija del calorímetro, se introdujo la bomba calorimétrica cuidadosamente y se le conectaron los electrodos y se cerró el calorímetro. Se introdujo el termómetro digital y se encendió el agitador. Se esperó un tiempo hasta que existiera un equilibrio térmico entre la temperatura de la camisa y la vasija del calorímetro, observado cuando ambos termómetros registraban temperaturas iguales o con una diferencia máxima de ± 0,5°C. Se apretó el botón de ignición del equipo en el momento de equilibrio y al mismo tiempo se comenzaron a tomar lecturas de la temperatura del interior de la vasija cada (10,00±0,01)s hasta que la temperatura en la vasija se mantuviera constante al menos en 5 mediciones. Se abrió el calorímetro, se retiró la bomba calorimétrica y se llevó a la campana extractora para dejar escapar los gases de combustión. Luego, se abrió la bomba calorimétrica, se verificó la combustión completa del ácido benzoico y se retiró y pesó el hierro sobrante en los terminales de la tapa. Se lavó la bomba en su interior con agua destilada haciendo uso del frasco de lavado, recolectando después el líquido en una fiola para titularla con hidróxido de sodio (NaOH) (0,0331±0,0001) N, empleando fenolftaleína como indicador, hasta obtener una coloración rosado claro. Este procedimiento se realizó una vez más para el ácido benzoico y dos veces para la muestra problema. Al finalizar la experiencia se limpió el lugar de trabajo y se midió temperatura y presión ambiente.
Tabla 1. Variables másicas de las pastillas de acido benzoico, muestra problema y de la capsula antes y después de la combustión compuestos
Acido benzoico Muestra problema
1 2 1 2
masa de la pastilla (mp0,001)g
Masa de la capsula (mc0,001)
Masa de la muestra ( )g
Antes
Después
Antes
Después
0,999 0,986 1,017 0,985
0,976 0,978 0,972 0,969
0,005 0,004 0,008 0,007
15,592 15,594 12,588 12,585
11,611 11,612 11,608 11,609
Tabla 2. Variables másicas del alambre antes y después del proceso de combustión del acido Benzoico y de la muestra problema Masa del alambre Alambres usados para la (mA0,001)g combustión de: Antes Después 1 0,015 0,010 Acido Benzoico 2 0,016 0,011 1 0,016 0,006 Muestra problema 2 0,016 0,008 Tabla 3. Variables volumétricas empleadas en la titulación del acido nítrico formado por la combustión de Acido benzoico y la muestra problema Compuestos Volumen de Hidróxido de sodio gastado (VNaOH ) mL Acido Benzoico 1 1,4 2 1,5 Muestra 1 9,6 problema 2 7,3
Uno de los objetivos más importantes dentro de la practica es el de conocer el valor de la capacidad calorífica del equipo de trabajo (calorímetro) para realizar este cálculo se realizo un balance de energía en dicho equipo, partiendo de la primera ley de la termodinámica, la cual nos permite analizar minuciosamente cuales son aquellas variables o parámetros que deben ser tomados en cuenta dentro de la practica o análisis en RESULTADOS Y DISCUSION particular, resulta necesario despreciar en este Luego de realizada la práctica se utilizaron todos caso el calor que posiblemente sale hacia el los datos obtenidos para cumplir todos las ambiente porque se estuvo trabajando con un expectativas dentro de la misma, es decir, equipo adiabático, entre otros de los factores que verificar el cumplimiento de los objetivos no se tomaron en cuenta dentro de esta ley fueron: comparando tanto con los conocimientos previos el trabajo por desplazamiento y por ejes, así como como con los investigados posteriormente, y así también las variaciones en energía cinética y potencial, lo único que si se tomo en cuenta fue la concluir si dichos resultados son lógicos o no.
energía interna acumulada porque el sistema es cerrado y permite la acumulación de energía y las masas que se presentaron en el sistema tanto en la entrada como en la salida, es decir, las que se formaron y las que ya estaban presentes. [3] Las masas que se tomaron en cuenta para esta práctica fueron: la masa del alambre de hierro, la masa del Acido Benzoico y la masa del Acido nítrico que se formo, dichos datos necesarios para aplicar la primera ley resultante del análisis se encuentran en la tabla 1, tabla 2 y tabla 3. Una vez realizado el cálculo necesario para este objetivo se obtuvo que la capacidad calorífica es ̅ ( ) . (En la tabla 6 se encuentran los valores para las corridas 1 y 2) Tabla 4. Variación de la temperatura del acido Benzoico desde que comienza su combustión hasta que finaliza Temperatura Corrida Tiempo (t )s (T ) 0 26,5 10 26,8 20 27,3 30 28,0 40 28,5 50 28,9 60 29,1 70 29,4 80 29,6 90 29,7 100 29,9 110 30,0 120 30,1 130 30,2 1 140 30,2 150 30,3 160 30,3 170 30,4 180 30,4 190 30,5 200 30,5 210 30,5 220 30,5 230 30,4 240 30,6 250 30,6 260 30,6 270 30,6 0 26,4 10 26,5 2 20 26,8 30 27,3
2
40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
28 28,5 28,9 29,2 29,5 29,6 29,8 29,9 30,0 30,1 30,2 30,3 30,3 30,4 30,4 30,5 30,5 30,5 30,5 30,5
Tabla 5. Variación de la temperatura de la muestra problema desde que comienza su combustión hasta que finaliza Temperatura Corrida Tiempo (t )s (T ) 0 27,0 10 27,1 20 27,6 30 28,2 40 28,7 50 29,0 60 29,3 70 29,5 80 29,7 90 29,9 100 30,0 110 30,1 120 30,1 130 30,2 1 140 30,3 150 30,3 160 30,4 170 30,4 180 30,5 190 30,5 200 30,5 210 30,5 0 26,4 10 26,5 20 26,8 30 27,3 40 28 50 28,5
2
60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
28,9 29,2 29,5 29,6 29,8 29,9 30,0 30,1 30,2 30,3 30,3 30,4 30,4 30,5 30,5 30,5 30,5 30,5
Según la ecuación de calor de combustión este se determina con el valor de la capacidad calorífica por una variación de temperaturas, en laboratorios de investigación avanzada se utilizan fuentes de corriente de calor para determinar con mayor facilidad los calores liberados por el proceso de combustión [1]. Para el cálculo del calor de combustión y capacidad calorífica se utilizaron las temperaturas tanto del inicio como del final del proceso, las mismas se observan en las tablas 4 y 5 que se presentan anteriormente. La capacidad calorífica que se determino, fue un promedio de dos corridas, ambas dieron valores muy aproximados por lo que se considera no presento mucha desviación de acuerdo a los cálculos realizados, aunque es importante resaltar que existió un error en la ejecución de la practica y fue que antes de comenzar el proceso de combustión como tal, la temperatura de la vasija no se equilibro a la temperatura de la camisa, el valor de diferencia no era muy elevado pero si tenían cierta dispersión la una de la otra, por razones de tiempo no se espero un tiempo tan prolongado hasta que se igualaran, sino que se inicio la práctica de esta manera. Con la capacidad calorífica calculada anteriormente se determino el calor de combustión de la muestra problema entregada en el laboratorio (muestra 2) resultando este
( ) (En
la tabla 7 se presentan los valores del calor de combustión de la sustancia problema para las dos corridas realizadas) . Al compararlo con el calor de combustión de los compuestos listados por el laboratorio se determino entonces la sustancia problema que se tenía la cual resulto ser anhídrido ftálico, esta se selecciono porque de acuerdo a los cálculos realizados era el que se encontraba con mayor proximidad y con una desviación poco significativa la cual es . Si se realiza una comparación entre las características del anhídrido ftálico y la muestra problema se logran visualizar semejanzas una de ellas es el color blanco del compuesto y también la presencia de partículas grandes que lo forman [2]. Tabla 6. Capacidades caloríficas calculadas Corrida 1 Corrida 2 Promedio (Cv0,0003) (Cv0,0003) (Cv0,00005)
Tabla 7. Calor de combustión de la sustancia problema Corrida 1 Corrida 2 Promedio ( )
23
( )
( )
23
22,5
Sin embargo esta conclusión puede resultar errónea ya que existieron muchos factores que afectaron dentro de la práctica, principalmente el de la temperatura que nunca se estabilizo antes de comenzar el proceso practico, posiblemente un error en el manejo del equipo, o la cantidad de oxigeno suministrada al sistema no fue suficiente como para que el proceso de la combustión se llevara a cabo completamente, se sabe que para que esto ocurra debe existir un exceso de oxigeno. Para determinar el calor de formación de la muestra problema es necesario conocer alguna reacción química que incluya al compuesto, sea adecuada para la medición calorimétrica, y luego medir el calor de esta reacción [3]. En la práctica se utilizaron los calores de formación de aquellos componentes que se conocían y son estándares
como el agua ( ) y dióxido de carbono ( ), dicho calor de formación resulto ser ( ) el cual indica la cantidad de calor necesaria a suministrar para que se forme una cierta cantidad de dicho compuesto a partir de los componentes del mismo [3]. CONCLUSIONES
La capacidad calorífica del calorímetro a partir de la combustión de acido benzoico (C 6H5COOH) fue ̅ ( ) . El calor de combustión de la sustancia problema resulto ser ( ) . El compuesto seleccionado para la muestra problema fue anhídrido ftálico. El porcentaje de desviación entre el calor de formación de la muestra problema determinado en el laboratorio y el calor teórico de dicho compuesto fue . El calor de formación determinado para la muestra problema a partir de los elementos que la componen fue de ( ) . REFERENCIAS
[1] MARON, S. y PRUTTON, C. (1980). de fisicoquímica”. “Fundamentos Primera edición. Editorial Limusa. México. Páginas 421440 [2] http://www.insht.es. “Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo ”. España. [3] CASTELLAN, G. (1987). “Fisicoquímica”. 2da edición. Editorial Addison-Wesley Publishing Company, Massachusetts. Página: 141, 142, 143.
