DETERMINACIÓN DEL CALOR DE COMBUSTIÓN DE UNA MUESTRA PROBLEMA

Yetsirah Contreras, Dubraska PerdomoLaboratorio de Fisicoquímica (Sección: 62) Escuela de Ingeniería Química

Universidad de Carabobo

Profesora: María C. Colmenares Preparador: Yonathan Díaz

RESUMEN

El calor de combustión es el efecto térmico de una reacción entre un elemento y el oxígeno, el objetivo principal de la práctica es determinar el nombre y la fórmula de un compuesto desconocido a través de su calor de combustión. Para ello se hace uso de una bomba calorimétrica, en la cual se llevan a cabo las reacciones pertinentes. En primer lugar se elaboró una pastilla con aproximadamente 1 gramo de ácido benzoico (sustancia patrón), la cual se quemó en la bomba calorimétrica presurizada a 15 atm, empleando un hilo conductor de hierro, este proceso se realizó dos veces para determinar de esta forma la capacidad calorífica del equipo, posteriormente se realizaron dos nuevas corridas, pero esta vez con la muestra problema para determinar su calor de combustión y de formación. . La capacidad calorífica del calorímetro fue de (0,0166 ± 0,0002) kcal/g ºC. Al comparar el calor de combustión obtenido experimentalmente con los valores teóricos se determinó que la muestra problema era acido oxálico y su calor de combustión y de formación fue de (55 ± 2) kcal/g y (-63 ± 2) kcal/g respectivamente.Palabras clave: calor de combustión, calor de formación, bomba calorimétrica, capacidad calorífica.

INTRODUCCIÓN

Casi todas las reacciones químicas absorben o producen energía, generalmente en forma de calor. Este efecto térmico es el mismo sin importar si la reacción ocurre en una o varias etapas. Este principio es el que permite determinar un compuesto desconocido a través de su calor de combustión, ya que éste es único para cada sustancia [1]. Determinar la energía absorbida o desprendida en una reacción es posible bajo dos condiciones: presión o volumen constante, dependiendo de las condiciones del reactor [2]. La reacción se realiza a volumen constante en un calorímetro; un reactor aislado, el cual impide el intercambio térmico con el ambiente. Una aplicación importante de este procedimiento es la identificación de sustancias y análisis de composición de mezclas orgánicas [1].

METODOLOGÍA

Se pesó aproximadamente (1±0,001) g de ácido benzoico utilizando la balanza analítica, este fue trasladado a un troquel el cual al ser prensado se obtuvo el sólido en forma de pastilla, luego se procedió a pesar la capsula de la bomba calorimetría en conjunto con la pastilla de ácido benzoico y el alambre de hierro. La capsula fue ubicada en la base de la tapa de la bomba calorimétrica donde de igual manera se adjuntó el alambre de hierro a los terminales en dicha tapa. Se midió 1mL de agua destilada con un cilindro graduado de 10mL, esta solución fue agregada a la bomba calorimétrica. Posteriormente se procedió a presurizar la bomba calorimétrica mediante la inyección de oxígeno, hasta que este alcanzó 15 atm. Se extrajo la vasija que se encontraba en el interior del calorímetro la cual se llenó con 1250 mL de agua que fue medida con un cilindro graduado de 500 mL, luego esta fue introducida de nuevo al colorímetro seguida de la bomba calorimétrica, a la cual se le conecto los

electronos. Posteriormente se cerró la tapa, se introdujo el termómetro y agitador para luego encender el calorímetro. Se esperó un tiempo prudencial para que la temperatura de la camisa y vasija se igualaran, momento en el que se procedió con la ignición y se registró la temperatura del agua de la vasija en intervalos de 10 segundos hasta que ésta se mantuvo constante en el tiempo. Se abrió el equipo y se sacó la bomba de la vasija para expulsar los gases presentes en ella en la campana extractora, se destapó la bomba y se recogió el agua de la misma en una fiola, para proceder con su valoración con hidróxido de sodio 0,0416 N y fenolftaleína como indicador. El procedimiento se realizó nuevamente para el ácido benzoico y dos veces más para la muestra problema.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El calor de combustión es el efecto térmico de la reacción de combustión completa de un mol de compuesto. Este procedimiento se efectúan en un aparto especial, la bomba calorimétrica [3].La bomba calorimétrica o cámara de reacción consiste en un cilindro de paredes gruesas con una tapa atornillada, ambos de acero inoxidable para soportar presiones apreciables, ya que es presurizada con oxígeno a presiones elevadas a fin de asegurar la combustión completa de la masa de sustancia que se encuentra en su interior [3].Es un recipiente aislado donde se ubica una vasija llena de agua en la cual se sumerge la cámara de reacción. Cuando la reacción es exotérmica el calor producido se transfiere al agua, cuyo ascenso de temperatura se lee con precisión mediante un termómetro sumergido en ella, además de éste también se encuentra sumergido un agitador a fin de mantener uniforme la temperatura que produce la reacción una vez que se conectan los electrodos y se da inicio a la reacción de combustión [4].La temperatura dentro de la bomba calorimétrica va aumentando a medida que transcurre el tiempo hasta que llega un momento donde permanece

constante, esto indica que la reacción de combustión ha terminado. Éste comportamiento se puede observar para el ácido benzoico en la figura 1 y para la muestra problema en la figura 2.

0 50 100 150 200 250 30027

28

29

30

31

32

33

1ra cor-rida

Tiempo (t ± 0,01) s

Tem

per

atu

ra (

T ±

0,1

) °C

Figura 1. Comportamiento de la temperatura del ácido benzoico en función del tiempo.

0 50 100 150 200 25027.5

28

28.5

29

29.5

30

30.5

31

31.5

32

1ra corrida

2da corrida

Tiempo (t ± 0,01) s

Tem

pera

tura

(T ±

0,1

) °C

Figura 2. Comportamiento de la temperatura de la muestra problema en función de tiempo.

Dentro del calorímetro, se encuentra la muestra, el alambre de hierro que inicia la chispa para la combustión, también se debe considerar una pequeña cantidad de nitrógeno que contamina el oxígeno que se añade al calorímetro el cual proviene del aire. Por lo tanto, en el caso de las

corridas con el ácido benzoico las reacciones que se llevan a cabo del calorímetro son:

C7H6O2 (s)+15/2 O2 (g) → 7CO2 (g) +3H2O(l) (I)

N2(g) + O2(g) → 2NO(g) (II)

2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) (III)

3NO2(g) + H2O(l) → 2 HNO3(ac) + NO(g) (IV)

2 Fe(s)+32

O2(g) ⟶Fe2 O3(s) (V)

Para las corridas con la muestra problema ocurren las mismas reacciones exceptuando la (I), la cual se sustituye por la reacción de combustión de la muestra. Al presurizar la bomba calorimétrica con oxigeno se lleva a cabo la reacción (I), la cual es la combustión del ácido benzoico necesita calor para generarse, es por ello que se unen los electrodos a la bomba calorimétrica, estos generan en el alambre de hierro la chispa que enciende la muestra de ácido benzoico, por ello es muy importante mantener el contacto entre el alambre y la muestra. Las reacciones II, III y IV ocurren por la existencia de nitrógeno dentro de la bomba, como se menciono anteriormente el mismo proviene por contaminación del oxígeno con el aire. Por estar el oxígeno en exceso y no consumirse por completo en la reacción (I), éste oxida al nitrógeno para formar monóxido de nitrógeno según la reacción (II) Dentro de la bomba existe oxigeno en exceso provocando de nuevo la oxidación del monóxido de nitrógeno según la reacción (III), dando paso a la formación del dióxido de nitrógeno.El agua anañida a la bomba (1 mL) recoge el dióxido de nitrogeno formando ácido nítrico y monóxido de nitrógeno (IV). Es por la formación de estos gases que la bomba calorimétrica se despresuriza dentro de una campana extractora, ya que los mismos son muy tóxicos.Mediante la reacción (IV) se obtiene en ácido nítrico acuoso, este se titula con hidróxido de sodio (NaOH), empleando fenolftaleína como

indicador, para determinar la masa de ácido nítrico formada luego de la combustión. Los resultados pueden observarse en la tabla 1 donde se presenta la masa de ácido nítrico formada en el ácido benzoico y en la muestra problema.

Tabla 1. Masa de ácido nítrico formado luego de la combustión de ambas sustancias.

Muestra CorridaMasa de HNO3

(m ±0,0001)g

Ácido benzóico1 0.0128

2 0.0076

Muestra problema

1 0.0155

2 0.0184

m: masa de ácido nítrico (g)

La capacidad calorífica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado la temperatura de una cantidad determinada de sustancia, este es una propiedad extensiva (por depender de la cantidad de masa). Se determina por la combustión de cierta cantidad de sustancia cuyo calor de combustión es conocido [5]. Al aplicar la primera ley de la termodinámica en la bomba calorimétrica, sabiendo que el calor generado por la reacción es el mismo que absorbe el agua por ser el calorímetro un recipiente adiabático; adicionalmente, al aplicar un conjunto de consideraciones y sabiendo las reacciones que ocurren en la bomba antes descrita, queda la ecuación (1):

C v=mAcB . ∆ H combAcB

+mFeF . ∆ H fusFe−mHN O3

. ∆ H form HN O3

mH 2 O. ∆T

(1)

Dónde:C v: capacidad calorífica a volumen constante del calorímetro (kcal/g.ºC)mAcB: masa de ácido benzoico consumida en la combustión (g)

∆ H combAcB: calor de combustión del ácido benzoico

(Kcal/g)mFeF: masa fundida del alambre de hierro (g)

∆ H fusFe: calor de fusión del hierro (kcal/g)

mHN O3: masa generada de ácido nítrico. (g)

∆ H formHN O3

: calor de formación del ácido nítrico (kcal/g)

mH2 O: masa de agua en la vasija. (g)

∆ T : variación de la temperatura del agua de la vasija (ºC)

La masa de ácido benzoico consumida en la reacción se determina mediante la ecuación (2):

mAcB=mc¿−mc v (2)Donde:mc ¿: masa de la cápsula llena (g)mc v: masa de la capsula después de la ignición (g)

La masa del hilo de hierro fundido en la reacción se determina mediante la ecuación (3):

mFeF=mFei−mFef (3)Donde:mFei: masa inicial del alambre de hierro (g)

mFef : masa final del alambre de hierro (g)

La masa de agua presente en la bomba calorimétrica se determina empleando la ecuación (5):

mH2 O=ρH2 O . V H 2 O (4)

Donde:ρH 2 O: densidad del agua. (g/mL)

V H 2O: volumen de agua en la vasija. (mL)

La variación de temperatura se determina mediante la ecuación (4) teniendo en cuenta que la temperatura inicial corresponde a la temperatura de equilibrio del agua en la vasija y la temperatura final es la que se observa en la figura 1 con una tendencia constante (lo cual es indicativo de que ha concluido la combustión):

∆ T=T f −T i (5)

Donde:

T f : temperatura final del agua en la vasija. (ºC)

T i: temperatura inicial del agua en la vasija. (ºC)

La densidad del agua se evalúa a la temperatura media. Los resultados correspondiente a la combustión del acido benzoico se presentan en la tabla 2.

Tabla 2. Masa de ácido benzoico reaccionante, masa de hierro fundido y masa de agua en la combustión.

Corrid

a

Masa de ácido benzoico

(MAcB ±0,002 ) g

Masa de hierro

( MFeF ±0,002

) g

Masa de

Agua

(mH2O ±25 ) g

1 0.998 0.009 1244

2 0.978 0.019 1244

MAcB : masa de acido benzoico.MFeF :masa de hierro fundido.mH2O :masa de agua.

Con esto se conocen todas las variables involucradas en la combustión del ácido benzoico. El valor de la capacidad calorífica obtenida se puede observar en la tabla 2 sustituyendo todos los parámetros en la ecuación 1.

Tabla 3. Valor de la capacidad calorífica del equipo.

Corrida

Capacidad calorífica

(Cv ±0,0002) kcal /kg∙°C

Experimental Promedio

1 0.01670.0166

2 0.0164

Cv: Capacidad calorífica del calorímetro.

Una vez conocida la capacidad calorífica del equipo se puede determinar el calor de combustión de la muestra problema empleando la

ecuación (1) cambiando los parámetros referidos al ácido benzoico por variables genéricas asociadas a una muestra cualquiera, la capacidad calorífica del equipo se mantiene ya que esta no depende de la muestra en cuestión.El resto de los parámetros necesarios para el modelo matemático se calculan de forma análoga a como se realizó previamente, estos datos se encuentran en la tabla 4. Los calores de combustión para las dos corridas realizadas de la muestra problema se presentan en la tabla 5.

Tabla 4. Masa de la muestra problema reaccionante, masa de hierro fundido y masa de agua en la combustión.

Corrid

a

Masa de la muestra

problema

( Mmp ± ) g

Masa de hierro

( MFeF ±

0,002) g

Masa de

Agua

(mH2O ±25 ) g

1 0.992 0.009 1244

2 0.968 0.013 1244

Mmp: masa de la muestra problema.

Tabla 5. Calor de combustión de la muestra problema

Corrida

Calor de combustión de la muestra problema.

(∆ H comb ±2) kcal/g

Experimental Promedio

1 56 55

2 53

∆ H comb: calor de combustión

Este valor indica la cantidad necesaria de calor para que la combustión se lleve a cabo.Al comparar el calor de combustión obtenido experimentalmente con los calores de combustión teóricos de las posibles muestras se determino que la sustancia problema se trataba de ácido oxálico como se evidencia en la tabla 6, ya que al

calcular las desviaciones con los valores de calor de combustión teóricos con el obtenido experimentalmente, este resulto ser menor al resto de los compuestos. En la tabla 7 se representa la muestra problema identificada con su desviación respecto al valor teorico.

Tabla 6. Porcentajes de desviación del calor de combustión de la muestra problema con respecto a diversos compuestos orgánicos.

CompuestoCalor de

combustión(ΔHcom) kcal/g

Porcentaje de desviación

(%Desv) Adim.

Acido adipico 669 91.826

Benzamida 847.6 93.549

Acido succínico

356.36 84.655

Acido benzoico 771.2 92.910

Acido cinámico

1040.2 94.743

Benzofenona 1556.5 96.487

Anhidrio ftálico

783.4 93.020

Fenantreno 783.4 93.020

Ácido ftalico 771 92.908

Acido oxálico 58.7 6.845

Ácido salicilco 823.1 93.357

Naftaleno 1317.88 95.851

Ácido succinico

276.1 80.195

%Desv: porcentaje de desviación.

Tabla 7. Identificación de la muestra problema y desviación con respecto al calor de combustión.Muest

raFormula empírica

(∆HCOMB ± 118)

kcal /molDesviaci

ón

Teóric Experimental

o(D ± )%

Acidooxálico

C2 H 2 O4 58.70 54.68 6.845

Se puede observar que existen pequeñas desviaciones entre el valor de calor de combustión obtenido experimentalmente y el teórico, este se pueden atribuir principalmente a las diferencias de condiciones a las cuales fueron realizados los experimentos. El calor de formación de una sustancia es el cambio térmico involucrado en la formación de 1 mol de una sustancia a partir de sus elementos constituyentes [4].La cantidad de calor en este caso no es igual para los diferentes compuestos; además los valores de los efectos térmicos cambian considerablemente al variar los parámetros externos del sistema, por ejemplo, la temperatura [4].La importancia práctica de los calores de formación consiste en que se puede calcular el efecto térmico de una reacción, es decir, si es de carácter exotérmico o endotérmico. Así según la ley de Hess, el efecto térmico de una reacción es igual a la diferencia entre la suma de los calores de formación de los productos finales y la de los calores de formación de las sustancias iniciales, teniendo en consideración los coeficientes estequiométricos anexos a las fórmulas de estas sustancias en la ecuación de reacción [1].Una vez conocida la muestra problema se conoce la reacción de combustión que se lleva a cabo dentro de la bomba calorimétrica, la misma viene dada por:

C2 H 2 O4+12

O2→ 2 C O2+ H 2O(VI )

El calor de formación de la sustancia problema se obtuvo utilizando los calores de formación estándar del dióxido de carbono (CO2) y del agua (H2O), el calor de combustión del ácido oxálico (obtenido experimentalmente) y el calor de formación de O2 (siendo este igual a cero por tratarse de una sustancia pura). Para determinar el calor de formación del acido oxálico se aplica la

ley de Hess mediante la ecuación (6) y el resultado se presenta en la tabla 8:

∆ H MP° =

(nC O2∆ Hf C O 2

° +nH 2 O ∆ Hf H 2 O° )−nO 2

∆ Hf O2

° −∆ HMP

nMP

(6)

Donde:

∆ H MP°

: calor de formación de la muestra problema (kcal/g)nC O 2

: coeficiente estequiométrico del CO2 en la reacción (adim)nH 2 O: coeficiente estequiométrico del H2O en la reacción (adim)

∆ Hf C O2

°: calor de formación del CO2 (kcal/g)

∆ Hf H2 O°

: calor de formación del H2O (kcal/g)

nMP: Coeficiente estequiométrico de la muestra problema en la reacción (adim)

Tabla 8. Calor de formación y su desviación respecto al valor teórico.

Muestra problema

Formula química

Calor de formación

(∆ H °± 2) (kcal/g)

Acido oxálico C2 H 2 O4 -63

Presión ambiente: (721,2 ± 0,5)mmHgTemperatura ambiente: (25,0 ± 0,1)ºC

CONCLUSIONES

La capacidad calorífica del calorímetro es igual a (0,0166 ± 0,0002) kcal/g ºC. El calor de combustión de la muestra

problema es (55 ± 2) kcal/g La muestra problema determinada fue

ácido oxálico. El calor de formación de la sustancia

problema fue de (-63 ± 2) kcal/g. El porcentaje de desviación del calor de

combustión experimental de la sustancia problema con respecto al teórico es de 6,30 %

BIBLIOGRAFÍA

[1] Universidad Iberoamericana. Departamento de ciencias. Laboratorio de fisicoquímica (2003). [Guía de laboratorio en línea]. Disponible en http://200.13.98.241/~javier/practica5.pdf

[2] Zona Quimica. (2011). Calorimetría. [Documento en línea]. Disponible en: http://zona-quimica.blogspot.com/2010/06/calorimetria.html.

[3] Peña, A., Céspedes, J. Fisicoquímica manual de laboratorio. Primera edición. Universidad de Medellin. Páginas 22-25.

[4] Maron, S., Protton, C. (2004). Fundamentos de fisicoquímica. Editorial: Limusa. México. Páginas: 144-152.

[5] Scrib. (2011). Mexico. Reacciones de combustión. [Documento en línea]. http://es.scribd.com/doc/72952600/38/%E2%80%9CImportancia-de-las-reacciones-de-combustion%E2%80%9C

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