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 * dfcuellars@unal.edu.co ** aksabogalp@unal.edu.co 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