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CALORIMETRÍA DE BOMBA

I. PropósitoDeterminar el calor de combustión de substancias orgánicas y determinar la entalpía deformación ()Hf) usando la ley de Hess.

II. Definiciones

A. Calor de combustión - energía envuelta para quemar compuestos que resulta en laproducción de los óxidos de los elementos de dichos compuestos. El valor del calorde combustión da una idea de la fortaleza de los enlaces.1. Ejemplos:

(1)

2. Otros óxidos que pueden formarse son NO2, SO2 en presencia de azufre onitrógeno.

B. Calor de formación - es la energía envuelta en la formación dde un mol decompuesto partiendo de sus elementos en su estado natural o patrón (t = 25°C y P =1 atm).

C. Función de estado - es una función que describe a un sistema con un número mínimode variables y que no depende del paso, sino que depende del estado final y del estadoinicial del sistema. Ejemplos: )U, )H.

D. Primera Ley de termodinámica:

1. (2)

2. Volumen constante:

(3)

3. Presión constante:

(4)

III. CalorimetríaA. La reacción dentro del calorímetro es una reacción adiabática (q = 0) a volumen

constante donde aumenta la temperatura y disminuye la presión ya que el oxígeno seconsume:

(5)

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B. La medida experimental en calorimetría envuelve el cambio en temperatura comofunción de t iempo que genera una gráfica como la que se presenta a continuación:

C. Nota: Para reacciones en solución la reacción es adiabática y se lleva a cabo a presiónconstante y no a volumen constate. Por lo tanto la presión inicial es igual a la presiónfinal.

IV. Análisis experimental.

A. El paso I corresponde a la reacción que ocurre en el calorímetro donde se lleva a caboun proceso adiabático (qV = 0), a volumen constante ()V = 0), aumenta latemperatura (T1 < T2 ) y la presión disminuye (P1 > P2 ) ya que se consume la cantidadde oxígeno necesaria para llevar a cabo la combustión. Bajo estas condiciones comoqV = 0 y w = 0 ()V = 0) entonces

(6)

B. El paso II es un paso de enfriamiento hasta la temperatura inicial que ocurreteóricamente.

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(7)

C. Los parámetros termodinámicos que deseamos determinar ()H, )U) correspondena los parámetros de la reacción total donde las especies (reactivos y productos) semantienen a una misma temperatura. Como )H y )U son funciones de estado (solodependen del estado inicial y final) se puede determinar por la ley de Hess siguiendouna ruta alterna.

(8)

Sustituyendo la ecuación (6) y (7) en la (8):

(9)

Para líquidos y sólidos )PV . 0 por lo tanto )H . )U.

D. Dentro del calorímetro se encuentra la muestra, el alambre que inicia la chispa parala combustión y la muestra que se quema. También se puede considerar una pequeñacantidad de nitrógeno que contamina el oxígeno que se añade al calorímetro. Por lotanto el )Utotal incluye todas esas especies.

(10)

E. La constante del calorímetro se determina con una muestra a la que se le conoce laentalpía de combustión (ácido benzoico). La ecuación necesaria para la determinaciónde la constante es:

(11)

F. Una vez se determina la constante del calorímetro se procede a determinar la entalpíade combustión de la muestra que en este caso es antraceno y fenantreno.

(12)

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G. Corrección de Dickinson

(13)

donde:r1 = rapidez (grados/s) en que la temperatura aumenta debido a factores

externos.r2 = rapidez (grados/s) en que la temperatura disminuye debido a pérdida

de calor interno.a = tiempo de igniciónb = tiempo donde T = 0.63(Tmax - Tignicion)c = tiempo máximo

H. Datos útiles:

Sustancia entalpía de combustión

alambre 1400 cal/gramo

ácido benzoico -382.5 kJ/mol

ácido nitríco 60.58 kJ/mol