UNIVERSIDAD VERACRUZANAFACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS. REGIÓN POZA RICA-TUXPAN

LABORATORIO DE FÍSICOQUÍMICA

PRÁCTICA 8

CALOR DE COMBUSTIÓN

OBJETIVO

Calcular el calor de reacción de combustión de una sustancia, a través de la bomba calorimétrica de PARR 1341.

 INTRODUCCIÓN

Varias reacciones químicas van acompañadas de absorción o desprendimiento de energía, que generalmente se manifiesta como calor. La termoquímica estudia los cambios de calor que acompañan a las reacciones. Estas pueden ser endotérmicas, si absorben calor, exotérmicas, si desprenden calor. Los cambios endotérmicos se expresan con signo positivo, y los cambios exotérmicos con signo negativo, de acuerdo con la primera ley de la termodinámica. El cambio de entalpía ocurrido en la reacción directa es exactamente opuesto en la reacción inversa. La magnitud del cambio depende de la constitución, el estado físico de reactivos y productos y de la expresión estequiométrica.

Los cambios térmicos pueden ocurrir a presión constante:

H = qp, U= qv

H representa el cambio de entalpía, y U el cambio de energía interna.

El calor de reacción, se define como el calor cedido o absorbido cuando las cantidades de reactantes especificadas por una ecuación balanceada, reaccionan completamente bajo condiciones establecidas.

De acuerdo a cada tipo de reacción se tienen los siguientes calores:

Calor de formación Calor de combustión Calor de solución Calor de neutralización

Varios calores de reacción se pueden determinar mediante una medición directa, especialmente los calores de combustión. Una muestra del material se quema en una atmósfera de oxígeno y el calor que se desprende se mide mediante un procedimiento adecuado.

El calorímetro de Parr 1341 puede usarse para determinar el valor calorífico de materiales combustibles sólidos o líquidos y para diversos tipos de análisis.

El calorímetro de Parr 1341, se compone de las partes que muestra la siguiente figura 6.

Figura 6. Calorímetro de PARR 1341.

1.- Termómetro 9.- Polea de agitación2.- Pinzas para soporte 10.- Soporte de agitación3.- Aros para soporte 11.- Alambre de ignición4.- Lente 12.- Flecha de agitación5.- Varilla para soporte 13.- Recipiente oval6.- Motor para agitación 14.- Chaqueta del calorímetro7.- Polea 15.- Bomba de oxígeno8.- Banda

Operación de la bomba de oxígeno 1108

Precauciones:La combustión con oxígeno dentro de una bomba cerrada herméticamente es un método efectivo para liberar la energía calorífica obtenida de una muestra y para preparación de materiales para análisis, pero hay ciertas precauciones que deben tenerse siempre presentes al hacer uso del equipo.

No sobrecargar la bomba con demasiada muestra o con una muestra la cual pudiera reaccionar con violencia explosiva.

No sobrecargar con exceso de oxígeno. La presión de carga inicial no debe exceder de 40 atm. No provocar el incendio en la bomba, sin la existencia de un medio de enfriamiento como

protección. Generalmente la bomba debe estar completamente sumergida en agua durante el proceso de combustión.

No encender la bomba, si burbujas de gas se liberan de cualquier parte, cuando está sumergida en agua.

Permanecer alejado del sistema durante la combustión, y no tocar la cualquier parte por lo menos 20 se después de la combustión.

Mantener la bomba siempre en buenas condiciones. Cualquier parte que presente señales de rotura o deterioro, debe ser reemplazada rápidamente.

Tamaño de muestras permisibles:

Para no correr el riesgo, la bomba nunca deber ser cargada con una muestra que libere más de 8000 cal cuando arde en oxígeno, y no presión inicial de oxígeno nunca debe excederse de 40 atm. La carga de combustible como muestra no deber ser mayor a 1.1 g. Cuando se hacen pruebas con materiales nuevos o no familiares, es siempre mejor usar muestras menores a 1 g, con la posibilidad de aumentar la cantidad si las pruebas preliminares indican un comportamiento no anormal.

Colocación del alambre:

Colocar la cabeza de la bomba sobre el soporte respectivo y sujetar 10 cm de alambre entre los dos electrodos. El Parr 48C10 es un alambre hecho de una aleación de níquel, usado para la mayoría de pruebas: éste viene en carretes con una longitud de 10 cm, de los cuales puede ser cortado, sin necesidad de hacer una medición posterior.Para colocar el alambre en los dos electrodos, insertar las terminales del alambre a través del orificio en la terminación de cada electrodo y presionar la campana hacia abajo para fijar el alambre.Colocar el recipiente con la muestra previamente pesada en el electrodo curvado y curvar el alambre hacia abajo sobre la superficie de la muestra. No es necesario sumergir el alambre dentro de la muestra, mejores combustiones se verifican, si la curvatura del alambre se coloca ligeramente sobre la superficie. Cuando se usen muestras en forma de tableta colocar el alambre de modo que la curvatura se ajuste firmemente contra la parte superior de la tableta y evitar que esta se mueve y choque contra las paredes del recipiente. Es también buena práctica inclinar la cápsula ligeramente hacia un lado de modo que la flama emergente de ella, no llegue directamente al extremo del electrodo recto.

Líquidos dentro de la bomba:

En la mayoría de los procedimientos de combustión en bombas se utiliza una pequeña cantidad de líquido, el cual es colocado en la parte inferior de la bomba, mismo que sirve como agente absorbente y de seguridad. Si la cantidad y tipo de líquido no es especificado, agregar 1.0 ml de agua destilada con una pipeta.

Cerrado de la bomba:

Debe tenerse cuidado de que la muestra no se agite, cuando la cabeza de la bomba se traslada al cilindro de la misma.

Checar que el empaque este bien colocado y humedecerlo con una pequeña cantidad de agua de modo que se deslice libremente dentro del cilindro empujándola hacia abajo hasta que embone bien. Para una fácil inserción se empuja la cabeza en forma vertical hacia abajo sin dar vueltas y dejar que el gas se libere abriendo la válvula dentro de esta operación. Colocar la tuerca de seguridad en el cilindro y girarla hacia abajo firmemente con la mano hasta que selle completamente.

Llenado de la bomba:

Parr proporciona la conexión para llenar de oxígeno 1825. El oxígeno se obtiene de un tanque con oxígeno comercial. Inspeccionar la capa protectora del tanque y las conexiones de la válvula de descarga para asegurarse de que estén limpias y en buenas condiciones. Colocar la terminación balón de la conexión en el enchufe de salida y acercar la tuerca unión apretándola con una llave para tuercas la conexión de presión hacia la bomba se hace con un conector movible que se encuentra en la parte terminal de la manguera, el cual se coloca en la entrada de gas en la cabeza de la bomba.

Cerrar la válvula de la conexión de llenado, abrir la válvula del tanque de oxígeno no más de un cuarto de giro. Abrir la válvula de control de la conexión de llenado lentamente y observar que la presión en el medidor alcance la presión deseada de llenado (generalmente 30 atm pero nunca más 40 atm); cerrar la válvula de control. La válvula check a la entrada de la bomba cerrará automáticamente cuando se corta el suministro de oxígeno. Expulsar la presión residual de la manguera de llenado moviendo hacia abajo la palanca unida a la válvula de seguridad. El medidor debe ahora regresar a cero, si la presión baja ligeramente y una gran cantidad de gas escapa cuando la presión pasa a través de la válvula de seguridad es que la válvula check en la cabeza de la bomba no está operando apropiadamente. Si demasiado oxígeno se introduce accidentalmente en la bomba, no empezar la combustión. Desconectar la conexión de llenado; dejando escapar el gas de la bomba, quitar la cabeza y volver a pesar la muestra antes de repetir la operación de llenado.

Combustión en la bomba:

Tomar la bomba con las pinzas de mano 421A por los dos orificios de la tapa de seguridad y colocarla en el recipiente con agua del calorímetro, checando que las bases inferiores de la bomba encajen bien en la base del recipiente. Retirar la pinzas de mano y eliminar cualquier cantidad de agua fuera del recipiente; conectar los dos alambres de ignición a través de los enchufes sobre la cabeza de la bomba.

Si alguna fuga de gas es detectada por muy insignificante que sea, no encender la bomba. En lugar de eso, quitar del baño de agua la bomba; liberar la presión y eliminar la fuga antes de proceder con una prueba de combustión. Si no es registrada ninguna fuga, se procede a incinerar la carga.

Recuperación de los productos de combustión:

Dejar la bomba en el calorímetro o baño de agua, por lo menos 3 minutos como mínimo, después sacarla y secarla con una toalla limpia. Abrir la perilla de la válvula ligeramente para expulsar la presión de todo el gas residual antes de intentar quitar la tuerca de seguridad. La liberación de gas debe hacerse lentamente en un período no menor a un minuto para evitar pérdidas. Después de que toda la presión ha sido expulsada, quitar la tuerca de seguridad, sacar la cabeza del cilindro y colocarla en el soporte, jalarla en forma vertical hacia fuera para evitar dificultades. Revisar el interior de la bomba por si existe hollín, tizne u alguna otra evidencia de combustión incompleta. Si esto es encontrado, la prueba tendrá que descartarse.

Lavar la superficie interna de la bomba y la cápsula de combustión con un chorro de agua destilada y colectar el agua de lavado. Si hay formación de un precipitado o residuo, removerlo con un agitador. No filtrar el agua de lavado, ya que se pueden remover componentes valiosos. Analizar el agua de lavado y medir la cantidad de alambre no incinerado.

MATERIAL Y/O EQUIPO SUSTANCIAS Calorímetro Parr 1341 Agua destilada Bomba de oxígeno Ácido benzoico (tableta) Fuente de 23 volts Muestra problema Prensa Parr 2811 Anaranjado de metilo Tanque de oxígeno Sol. Na2CO3 0.0709 N Conexión para llenado de oxígeno 1825 Termómetro Bureta de 25 ml Matraz Erlenmeyer de 250 ml (2) Soporte universal Cápsula para combustión Alambre de combustión Cronómetro Pinza para bureta Embudo de filtración Vaso de precipitado de 100 ml (2) Matraz aforado de 100 ml Frasco reactivo (2)

PROCEDIMIENTO

Cualquier operación para probar una muestra desconocida o para determinado Co, debe proceder en la forma siguiente:

Factor equivalente de energía:

Este factor (Co), representa la energía requerida para elevar la temperatura del calorímetro en un grado. Se determina con una muestra estandar cuyo valor de combustión se conoce, y se expresa en calorías por grado centígrado.

1. Preparar la muestra y cargar la bomba de oxígeno, tal y como se mencionó anteriormente.

2. Tapar el recipiente oval del calorímetro, llenarlo con 2000 g de agua. Agua destilada de preferencia, pero agua desmineralizada o con un contenido menor de 250 ppm de sólidos disueltos es recomendable. No es necesario usar 2000 g de agua, pero la cantidad debe variar en +/- 0.5 g.

3. Colocar el recipiente en el calorímetro: conectar las pinzas a los orificios del lado de la tuerca de seguridad y bajar la bomba dentro del agua con sus patas encajadas bien en la parte circular inferior del recipiente. Remover cualquier gota de agua o humedad de la parte exterior del

recipiente oval; empujar las dos guías de los alambres de ignición dentro de los enchufes sobre la cabeza de la bomba, teniendo cuidado de no remover cualquier cantidad de agua del recipiente con los dedos.

4. Colocar la tapadera sobre la chaqueta, con la graduación del termómetro de frente. Girando las poleas con la mano para asegurarse de que giren libremente, colocar la banda sobre ellas y poner en marcha el motor.

5. Dejar que el sistema gire por 5 minutos para alcanzar el equilibrio, antes de tomar una medición. Al final de este periodo contar el tiempo y leer la temperatura con una precisión de un décimo de la escala.

6. Leer y registrar temperaturas a intervalos de un minuto por cinco minutos, posteriormente para 6, 7, 8, ..., etc., hasta que la temperatura permanezca constante.

7. Encender la bomba, presionando ya sea el botón de la unidad de ignición o el de la fuente de 23 volts.

8. La temperatura del recipiente empieza a subir dentro de los 20 segundos después del encendido. Esta subida será rápida durante los primeros minutos, después irá aumentando lentamente hasta alcanzar una estabilidad máxima.

9. Después del rápido período de expansión, ajustar la lente de lectura y registrar temperaturas con una precisión de 1/10 de la escala en intervalos de un minuto hasta que la diferencia entre las lecturas sucesivas sea constante por 5 minutos. Generalmente la temperatura alcanza un máximo, luego baja muy lentamente.

10. Después de la lectura de la temperatura, parar el motor, quitar la banda y levantar la tapadera del calorímetro. Secar el bulbo del termómetro y frotarlo con un trapo limpio y colocar la tapadera sobre el soporte A37A. Sacar la bomba del recipiente; quitar los alambres de ignición y secarla con una toalla limpia.

11. Abrir la perilla o válvula sobre la cabeza de la bomba, para expulsar el gas a presión antes de intentar quitar la tuerca de seguridad. Esta expulsión debe hacerse lentamente en un período no menor a un minuto. Después de que toda la presión ha sido expulsada, quitar la tuerca de seguridad; levantar la cabeza fuera del cilindro y colocarla sobre el soporte. Revisar el interior de la bomba para verificar existencia de tizne, hollín u otra prueba de combustión incompleta. Si tal evidencia se encuentra, la determinación debe ser descartada.

12. Lavar las partes interiores de la bomba con un chorro de agua destilada y colectar los lavados.

13. Quitar las porciones de alambre de combustión no incineradas de los electrodos de la bomba, enderezarlas y medir su longitud en centímetros, restar esta longitud de la longitud inicial de 10 cm y calcular el valor calorífico.

14. Titular los lavados con la solución de Na2CO3 utilizando anaranjado de metilo como indicador.

15. Calcular el equivalente de energía del calorímetro por medio de la siguiente relación:

Hm + q1 + q2 = ( ma Cpa + Co ) T................................................(a)

Donde:

H = Calor de combustión de la muestra de ácido benzoico en Cal/gm = Masa de la muestra de ácido benzoico en gramosq1 = Calor de formación del ácido benzoico en caloríasq2 = Calor de combustión del alambre incinerado en caloríasma = Masa del agua en gramosCpa = Calor específico del agua en cal/gr.°CT = Cambio de temperatura

16.- Calcular el calor de combustión de la muestra de acuerdo al siguiente balance:

( ma Cpa + Co ) T = mnHg + q1 + q2..............................................(b)

Donde:

mn = Masa de la muestra problemaHg = Calor de combustión del naftalenoConstante = 1 ml de Na2CO3 = 2.52 cal.Constante = 1 cm de alambre incinerado = 2.3 cal

CUESTIONARIO

1. Defina los calores de reacción siguientes: Combustión Formación Neutralización Solución

2. Mencione y explique las dos condiciones generales bajo las cuales se efectúan las mediciones termoquímicas.

3. De acuerdo a la pregunta anterior, bajo ¿qué condición se lleva a cabo la combustión en el calorímetro de Parr. ¿Por qué?

4. ¿Qué tipo de reacción se verifica en la bomba calorimétrica? ¿Cómo se da cuenta de ello? ¿Qué implica un descenso de temperatura?

5. Mencione y explique otros factores de los cuales depende el calor asociado en un cambio químico.

6. ¿Qué es calorimetría y termoquímica?

7. ¿Qué puntos debe reunir una ecuación para una reacción para considerarla termoquímica?

8. Escriba la ecuación termoquímica para la combustión completa del ácido benzoico.

FUENTES DE INFORMACIÓN

Castellan, W. Gilbert (1987), “Fisicoquímica”. 2ª Edición. México, Addison-Wesley Iberoamericana.

Felder R. M., Rousseau R. W. (1991), “Principios elementales de los procesos químicos”. 2ª Edición. México, Addison-Wesley.

Levine, Ira N. (2004), “Fisicoquímica”, Volumen 1, Quinta Edición. México. Mc Graw-Hill. Smith, J.M. , Van Ness H.C. y Abbott M.M. (2003), “Introducción a la Termodinámica en Ingeniería

Química”, 6ª Ed. México, McGraw-Hill.