Informe: Calor de Combustión de Sustancias Orgánicas

Informe Calor de combustión
Diego F. Cuellar*1 and Anggie K. Sabogal**2
1
Profesor Gustavo Adolfo Orozco
October 2020
1.
Justificación
La medición de la entalpı́a de combustión es muy importante cuando se está estudiando cualquier
proceso de combustión, este calor es atribuido a la naturaleza de la reacción en donde la mayorı́a de
las reacciones de combustión pertenece al grupo de reacciones exotérmicas, es decir son liberadoras de
calor, a partir de esta propiedad es posible comparar los diferentes sustancias según su potencial para
producir energı́a mediante una reacción de combustión. Para el ingeniero quı́mico es importante estudiar esa propiedad debido a que es una de las propiedades termodinámicas empleadas en el desarrollo
energética , además es fundamental el conocimiento de la cantidad energética a la cual estará expuesta
la reacción y por lo tanto los equipos involucrados.
Mediante la implementación del software Beyond labz, se determinó el calor de combustión de
cuatro sustancias orgánicas usando un calorı́metro adiabático, dicha medición se realizó a partir de
los cambios en la temperatura que presentaba una masa de agua conocida antes y después de realizar
la combustión en el calorı́metro Dewar. También, se calculó la constante del calorı́metro con el fin de
corroborar el valor especificado en la plataforma.
2.
2.1.
Objetivos
Objetivo general
Determinar experimentalmente el calor de combustión para cuatro sustancias orgánicas y establecer
los errores asociados mediante el error relativo a los valores reportados en la literatura.
2.2.
Objetivos especı́ficos
Realizar un análisis energético sobre el sistema para determinar el calor de combustión de la
sacarosa, grasa de pollo , TNT y dos sustancias desconocidas.
Analizar y comprender el comportamiento de una reacción de combustión a volumen constante.
Realizar una comparación de los resultados para determinar cual sustancia seria mejor aprovechada como combustible.
3.
Materiales y equipos
Bomba calorimétrica
* [email protected]
** [email protected]
1
Balanza analı́tica.
Espátula.
Pipeta.
Sacarosa.
TNT. (Trinitrotolueno)
Grasa de pollo.
Alambre de hierro.
Sustancia orgánica desconocida.
Figura 1: Entorno Beyond Labz
2
4.
Procedimiento
Figura 2: Procedimiento para determinar el calor de combustión de cualquier muestra a analizar
5.
Tabla de datos
Prueba
Prueba
Prueba
Prueba
1
2
3
4
Masa (g)
1.0305
1.0266
1.0591
1.4919
Ti (°C)
25.003
24.998
25.000
27.706
Tf (°C)
27.592
27.564
27.670
31.450
∆(℃)
2.589
2.566
2.670
3.743
Longitud del cable (cm)
3.96
4.10
4.16
3.84
Presión O2 (atm)
29.94
29.96
29.55
30.05
Tabla 1: Datos para la estandarización del calorı́metro
Prueba
Prueba
Prueba
Prueba
1
2
3
4
Masa (g)
1.0100
0.9650
0.8952
1.0647
Ti (°C)
24.999
25.003
24.998
24.999
Tf (°C)
28.771
28.483
28.212
28.836
∆(℃)
3.772
3.481
3.215
3.836
Longitud del cable (cm)
4.09
3.90
3.92
3.87
Tabla 2: Datos para el calor de combustión de grasa de pollo
3
Presión O2 (atm)
29.83
30.17
29.94
29.63
Prueba
Prueba
Prueba
Prueba
1
2
3
4
Masa (g)
1.0987
0.9868
1.0201
1.0199
Ti (°C)
24.998
25.006
25.001
24.996
Tf (°C)
26.763
26.527
26.599
26.587
∆(℃)
1.739
1.522
1.598
1.591
Longitud del cable (cm)
3.99
4.14
3.97
3.94
Presión O2 (atm)
30.44
29.85
29.67
29.92
Tabla 3: Datos para el calor de combustión de sacarosa
Prueba
Prueba
Prueba
Prueba
1
2
3
4
Masa (g)
1.0489
1.0154
1.0889
1.0950
Ti (°C)
24.999
24.997
25.001
24.999
Tf (°C)
26.492
26.419
26.540
26.557
∆(℃)
1.494
1.421
1.539
1.557
Longitud del cable (cm)
4.01
3.92
3.83
3.85
Presión O2 (atm)
29.78
29.67
30.31
29.89
Tabla 4: Datos para el calor de combustión de TNT
Prueba 1
Prueba 2
Prueba 3
Masa (g)
0.344
0.344
0.344
Ti (°C)
25.005
25.934
25.005
Tf (°C)
25.933
26.855
25.940
∆(℃)
0.928
0.921
0.935
Longitud del cable (cm)
4.15
3.94
4.11
Presión O2 (atm)
29.64
30.18
29.46
Tabla 5: Datos para el calor de combustión de sustancia desconocida 1
Prueba 1
Prueba 2
Masa (g)
0,9809
0,9863
Ti (°C)
27,595
33,281
Tf (°C)
30,649
35,796
∆(℃)
3,054
2,515
Longitud del cable (cm)
4,11
3,87
Presión O2 (atm)
30,19
29,83
Tabla 6: Datos para el calor de combustión de sustancia desconocida 2
Prueba
Masa (g)
±0, 0001
Ti (°C)
±0, 001
Tf (°C)
±0, 001
∆(℃)
±0, 001
Longitud del cable (cm)
±0, 01
Presión O2 (atm)
±0, 01
Tabla 7: Incertidumbre asociada a cada valor brindado por la bomba calorimétrica
6.
6.1.
Muestra de cálculo
Reacciones involucradas en la practica
1. Reacción Ácido Benzoico
2C6 H5 CO2 H + 15O2 → 14CO2 + 6H2 O
2. Reacción Grasa de pollo
C20 H32 O2 + 27O2 → 20CO2 + 16H2 O
3. Reacción Sacarosa
C12 H22 O11 + 12O2 → 12CO2 + 11H2 O
4. Reacción TNT
2C7 H5 N3 O6 + 10, 5O2 → 14CO2 + 5H2 O + 3N2
4
6.2.
Calores de combustión teóricos
Calor de combustión
(kJ / mol )
5639
3406
3227
30038
28,157 kJ / g
26,486 kJ /g
Sustancia
Sacarosa
TNT
Ac. Benzoico
Grasa de Pollo
Sustancia desconocida 1
Sustancia desconocida 2
Peso molecular
(g/mol)
342,30
227,13
122,12
797,70
NA
NA
Tabla 8: Valores de calor de combustión teóricos y peso molecular de la muestra
6.3.
Determinación capacidad calorı́fica de la bomba calorimétrica
E l primer paso es realizar un balance de energı́a sabiendo que, la energı́a liberada por la combustión
del ácido benzoico es recibida por el agua y la bomba cartométrica, cabe mencionar que la energı́a
producto de la combustión del alambre también se tendrá en cuenta en una corrección que se explica
mas adelante [3].
∆T (K + mH2 O ∆HH2 O ) = mAB ∆HAB
(1)
En la ecuación 1 ∆T es el cambio en la temperatura del agua, K será la constante para la capacidad
calorı́fica de la bomba calorimétrica , mH2 O y mAB corresponden a la masa del agua y la masa del
ácido benzoico respectivamente, ∆HH2 O es el cambio en la entropı́a del agua el cual se calcula con su
J
respectivo Cp = 4,18 gK
y ∆HAB corresponde a la entalpı́a de combustión del ácido, la cual tiene un
kJ
valor de 3227.6 mol , reorganizando la ecuación se obtiene:
K=
mAB ∆HAB + ρH2 O VH2 O CpH2 O ∆T
∆T
(2)
Para la ecuación 2 se reemplazó la masa del agua por la multiplicación de la densidad, que a 25 el
977 Lg y el volumen que fue constante para todas las pruebas e igual a 2L.
Como se aclaro anteriormente la constante K corresponde únicamente a la bomba calorimétrica, sin
embargo para la realización de los cálculos de calor de combustión para las sustancias estudiadas se
calcula una segunda constante que integra el agua y tiene la forma:
KT =
6.4.
mAB ∆HAB
∆T
(3)
Determinación Calor de combustión
Una vez obtenidos los datos experimentales de las 5 diferentes sustancias, es posible determinar
el calor de combustión asociado de cada una a partir del mismo procedimiento. Como primer medida
es necesario calcular el cambio en la temperatura que sufrió el agua en contacto con la cámara de
combustión [1].
∆T = |Tf − Ti |
(4)
Posteriormente se determinan los moles de combustible agregados al calorı́metro , a partir del peso
molecular de la sustancia.
M oles muestra =
P eso medido
P eso molecular de la muestra
Para determinar el calor de combustión asociada a la muestra se utiliza la siguiente expresión:
5
(5)
(Csystem ∆T )
(6)
n
En donde Csystem es la capacidad calorifica aportada por la bomba calorimetrica , 4T es el cambio de
temperatura que presentó el agua , y n el numero de moles de la sustancia combustionada. Hay que
tener en cuenta que este valor no se esta calculado a condiciones estandar, si se quiere ser más riguroso
en el calculo del calor de combustión es necesario recurrir a una expresión más detallada tal como :
∆Hcomb =
Q=
m
X
Nj (hoF + Mj ∗
Z
T
Cp(T ) dT )j −
To
j=1
l
X
Ni (hoF + Mi ∗
Z
T
Cp(T ) dT )i
(7)
To
i=1
Pero para el uso de esta expresión es necesario contar con el conocimiento total de la reacción , los
calores especı́ficos asociado a cada reactivo y producto y su entalpı́a relativa a condiciones estándar [?].
6.5.
Calor asociado al alambre de hierro
El alambre metálico es utilizado para generar la combustión por medio de los electrodos del equipo
, este alambre también presentara un calor de combustión asociado que distorsionara los valores calculados para cada muestra , es por esto que es necesario realizar una corrección del calor aportado por
el alambre [2]. Es posible determinar este valor a partir del conocimiento de la reacción , el cual es
F e + O2 → F e2 O3
(8)
A partir del conocimiento del peso del alambre utilizado , es posible conocer los moles que reaccionaron y a partir del conocimiento del calor de combustión asociado al metal por cada mol asociado se
puede determinar la energı́a que el alambre aporta a la reacción principal.
Por otra parte Beyond Labz nos provee de información valiosa para realizar este análisis , al
momento de tomar medida del largo del cable utilizado es posible denotar que por cada centı́metro de
cable que reacciona , esta aportando una cantidad energética de 10,750 Joules.
6.6.
Propagación del error
La propagación de error esta definida de la siguiente manera :
f (x, y, z) −→ f = (x + δx, y + δy, z + δz)
δf = |
δf
δf
δf
|δx + | |δy + | |δz
δx
δy
δz
(9)
(10)
Por lo tanto es posible aplicar una serie de de derivadas parciales para poder llegar a las expresiones
que nos definirı́an las propagaciones del error para cada medida. A continuación se mostrarán como se
calcula la incertidumbre para cada tipo de operación matemática:
1. Multiplicación por una constante
f = k(x + ∆x) = kx + k∆x
2. Suma y resta de dos medidas
f = (x ± ∆x) + (y ± ∆y) = (x + y) ±
p
(∆x)2 + (∆y)2
f = (x ± ∆x) − (y ± ∆y) = (x + y) ±
p
(∆x)2 + (∆y)2
3. Multiplicación y división de dos medidas
6
s
f = (x ± ∆x) ∗ (y ± ∆y) = (x ∗ y) ± (x ∗ y) (
(x ± ∆x)
x x
f=
= ±
(y ± ∆y)
y
y
7.
s
(
∆x 2
∆y 2
) +(
)
x
y
∆x 2
∆y 2
) +(
)
x
y
Resultados
Prueba 1
Prueba 2
Prueba 3
Prueba 4
Promedio
Desviación estándar
Error
K (kJ/℃)
2.18
2.24
2.15
-0.86
2.19
0.04
0.03
KT (kJ/℃)
10.52
10.57
10.48
7.48
10.52
0.04
0.03
Error relativo ( %)
2.35
2.55
1.68
27.47
Tabla 9: Capacidad calorı́fica de la bomba calorimétrica
Prueba
Prueba
Prueba
Prueba
1
2
3
4
Masa
(g)
1,0100
0,9650
0,8952
1,0647
Moles
0,0012
0,0012
0,0011
0,0013
Delta T
(°C)
3,772
3,481
3,215
3,836
Longitud cable
(cm)
4,09
3,90
3,92
3,87
H alambre
(KJ)
0,0439
0,0419
0,0421
0,0416
H comb corregido
(kJ/mol)
31305.754
30236.711
30100.575
30203.601
Error relativo
( %)
4.22 %
0.66 %
0.21 %
0.55 %
Tabla 10: Calor de combustión grasa de pollo
Prueba
Prueba
Prueba
Prueba
1
2
3
4
Masa
(g)
1,0987
0,9868
1,0201
1,0199
Moles
0,0032
0,0029
0,0030
0,0030
Delta T
(°C)
1,739
1,522
1,598
1,591
Longitud cable
(cm)
3,99
4,14
3,97
3,94
H alambre
(KJ)
0,0429
0,044505
0,0427
0,0424
H comb corregido
(kJ/mol)
5686.220
5538.591
5626.687
5603.183
Error relativo
( %)
0.84 %
1.78 %
0.22 %
0.64 %
H comb corregido
(kJ/mol)
3394.017
3334.427
3368.488
3388.956
Error relativo
( %)
0.35 %
2.10 %
1.10 %
0.50 %
Tabla 11: Calor de combustión sacarosa
Prueba
Prueba
Prueba
Prueba
1
2
3
4
Masa
(g)
1,0489
1,0154
1,0889
1,0950
Moles
0,0046
0,0045
0,0048
0,0048
Delta T
(°C)
1,494
1,421
1,539
1,557
Longitud cable
(cm)
4,01
3,92
3,83
3,85
H alambre
(KJ)
0,0431
0,0421
0,0412
0,0419
Tabla 12: Calor de combustión TNT
7
Prueba 1
Prueba 2
Prueba 3
Masa
(g)
0,3440
0,3440
0,3440
Delta T
(°C)
0,928
0,921
0,935
Longitud cable
(cm)
4,15
3,94
4,11
H alambre
(KJ)
0,0446
0,0424
0,0442
H comb corregido
(kJ/g)
28.250
28.042
28.465
Error relativo
( %)
0.33 %
0.41 %
1.09 %
Tabla 13: Calor de combustión sustancia desconocida 1
Prueba 1
Prueba 2
Masa
(g)
0,9809
0,9863
Delta T
(°C)
3,054
2,515
Longitud cable
(cm)
4,11
3,87
H alambre
(KJ)
0,0442
0,0416
H comb corregido
(kJ/g)
32,162
26,783
Error relativo
( %)
21.43 %
1.12 %
Tabla 14: Calor de combustión sustancia desconocida 2
Prueba
Masa
(g)
±0, 0001
Moles
±0, 0001
Delta T
(°C)
±0, 001
Longitud cable
(cm)
±0, 01
H alambre (kJ)
±0, 1
H comb corregido
(kJ/mol)
±0, 01
Tabla 15: Incertidumbre asociada a cada valor brindado y calculado en la practica
8.
Análisis de resultados
Con los datos obtenidos en la práctica se determinó el calor de combustión de la Sacarosa, de
la grasa de pollo , del TNT y de dos sustancias desconocidas.Se realizaron los cálculos asumiendo un
comportamiento ideal, es decir, combustión completa tanto de la sustancia como del alambre detonante
de esta [3]. Si la practica se realizara presencialmente se podrı́a visualizar si la combustión no fue
completa a partir de una generación de hollı́n en el crisol , además de que se podrı́a observar que tanto
del cable reacciono.
Actualmente las bombas calorimétricas poseen tecnologı́as avanzadas que permiten un máximo
grado de aislamiento , por lo tanto no se prevé una perdida de calor por parte de la chaqueta de la
bomba hacia los alrededores. Por parte de Beyond Labz fue brindado el valor de la capacidad calorı́fica
10.31 kJ ℃−1 , sin embargo los cálculos se realizaron con la constante KT calculada a partir de los
datos tomados para el ácido benzoico, la cual tiene un valor de 10.52 ±0,03 kJ℃−1 , ya que el ácido
benzoico es un patrón recomendado para la estandarización de calorı́metros, la constante calculada
tiene en cuenta la capacidad del equipo, el agua en la chaqueta e incluso posibles aunque pequeñas
perdidas energéticas, el necesario aclarar que los datos de la prueba 4 fueron rechazados por ser datos
atı́picos.
A partir de los resultados obtenidos en las tablas 10,11,12,13,14 , es posible denotar un error relativo
menores al 2,5 % , lo cual indica que el software permite simular de manera acertada una reacción de
combustión.
Se puede apreciar que la grasa de pollo es la sustancia con el mayor valor de entalpı́a de combustión , esto es posible atribuirse a que en la reacción de la grasa de pollo se están formando una
cantidad mayor de CO2 y H2 O , estas moléculas aportaran una contribución energética denominada
entalpı́a de formación, se encontraron informes en donde se adicionaba cierta cantidad de grasa de
pollo a combustibles como el bioetanol para ası́ mismo mejorar su eficiencia como combustible, ya que
este componente posee grandes cadenas de carbonos relativamente largas similares a los combustibles
convencionales, tal como la gasolina o el Diesel. La grasa pollo no podrı́a utilizarse por si solo como
combustible ya que posee una gran viscosidad , lo que dificulta su uso en motores de combustión y por
lo tanto es necesario diluirlo en otros alcoholes o combustibles de bajo peso molecular.
En el caso de la sacarosa y el TNT se observa una diferencia en cuanto a la formación de moléculas
de H2 O y por lo tanto se contribuye a una mayor entalpı́a de combustión por parte de la sacarosa.
8
9.
Conclusiones
1. Por medio de la bomba calorimétrica del entorno virtual de Beyond Labz se determinó el calor
de combustión para cinco sustancias de las cuales se concluye: la sacaroso obtuvo los valores mas
exactos para la entalpı́a de combustión con errores relativos inferiores al 2 % y buena presión con
una desviación estándar de 61.05, las sustancias desconocidas tuvieron las menores desviaciones
estándar 0.21 y 3.80 para la sustancia uno y dos respectivamente, lo cual se ve afectado por las
pocas pruebas que se realizarón para dichas sustancias, además se determina que el experimento
para la sustancia dos no es representativo por su alto error relativo del 21.43 %, la grasa de pollo
fue la sustancia con mayor dispersión con una desviación estándar de 565.71, sin embargo el error
relativo muestra gran exactitud puesto que se mantuvo por debajo del 5 %, finalmente la TNT
fue la sustancia conocida con mayor precisión con una desviación estándar de 27.05 y una gran
exactitud con un error relativo inferior al 3 % pero presento
2. Para el calculo del calor de combustión se deben tener en cuenta todos los componentes des
sistema es decir, bomba calorimétrica, agua, alambre de hierro y la sustancia empleado, los dos
primeros de integran a los balances de energı́a en la constante del calorı́metro y la contribución
del alambre depende de su longitud.
3. El software permite analizar las reacciones de combustión únicamente para el caso ideal es decir,
combustión completa, si la practica se realizara de manera presencial se deberı́a agregar una
corrección a los balances por parte de la muestra que no reacciona o que que se transforma en
productos indeseados como el hollı́n.
4. Actualmente se esta evaluando la posibilidad de utilizar diferentes grasas animales o vegetales como combustibles no convencionales , para ası́ reducir en gran medida la dependencia de
combustibles altamente contaminantes como los fósiles.
5. Conociendo la reacción de combustión de dos diferentes sistemas , es posible determinar a priori
cual generara un mayor valor de energı́a.
10.
Sugerencias y recomendaciones
Se sugiere seguir las instrucciones rigurosamente para ası́ mismo emplear de buena manera la practica y reducir notablemente la posibilidad de averiar el equipo. Para incitar a que ocurra una combustión
completa es necesario purgar debidamente la cámara de combustión y llenarla en su totalidad de oxigeno con pureza del 99 %, procurar posicionar el equipo adecuadamente para poder conectarlo a un
suministro de agua de llave, de oxigeno y de salida de gases para ası́ poder liberar los residuos gaseosos
de la combustión de forma adecuada.
11.
Estimación de costos
A continuación se presenta un breve listado de los costos de reactivos y equipos empleados en la
realización de la practica:
9
Descripción
Cantidad
Reactivos
Sacarosa
10g
TNT
10g
Acido benzoico
10g
Alambre de hierro
80cm
Equipos
Bomba calorimetrica
1
Balanza
1
Espátula
1
Pipeta
1
Costo (COP)
1000
2400
600
9040000
1520000
13600
546000
Tabla 16: Costos asociados a la practica
12.
Análisis de riesgos
Es necesario contar con todas las medidas de seguridad que normalmente se encuentran en un
laboratorio , además de que el estudiante use los elementos de protección necesarios.
Se debe utilizar de buena manera los equipos de laboratorio , para ası́ mismo no generar un daño
de estos , además de no involucrar ni perjudicar la integridad del estudiante , se recomienda tener bien
referenciados y etiquetados los reactivos a utilizar , además de que el estudiante debe de contar con
la ficha de seguridad de los reactivos a utilizar para saber como reaccionar en caso de una anomalı́a
en el laboratorio. Siempre que se vaya a utilizar reactivos peligrosos por parte de un estudiante , el
encargado de laboratorio debe estar al tanto y mantener una vigilancia constante de la utilización del
mismo.
Para la utilización de equipos que trabajan a temperaturas altas como el calorı́metro y el horno , es
fundamental contar con herramientas auxiliares como pinzas , vasos de precipitado, cricoles y bandejas
metálicas si es necesario.
Referencias
[1] Y. Cengel and M. Boles, Termodinamica (5a. ed.). Distrito Federal: McGraw-Hill Interamericana,
2007. [Accessed: 07 Sep- 2020]
[2] ACADEMIA COLOMBIANA DE CIENCIAS EXACTAS, FÍSICAS Y NATURALES (ACCEFYN), ”FACTORES DE EMISIÓN DE LOS COMBUSTIBLES COLOMBIANOS”, Bogotá,
2020. .
[3] Felder, R. and Rousseau, R., 2013. Principios Elementales De Los Procesos Quimicos. 3rd ed.
Mexico: Limusa Wiley.
10