9. Calorimetría a volumen constante | 🔥 Termoquímica | Joseleg

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 Un tipo importante de reacción estudiada usando calorimetría es la combustión, en la cual un compuesto reacciona completamente con exceso de oxígeno. Las reacciones de combustión se estudian con mayor precisión utilizando un calorímetro de bomba:

Figura 9‑1. Calorímetro de bomba.  Ese calorímetro posee dos contenedores, el primero es el del calorímetro propiamente dicho que debe impedir el flujo de calor, y es el más externo. el segundo contenedor es la bomba, dónde se encuentra el reactivo combustible que va a reaccionar con el oxígeno u otra sustancia de ignición. ¡Si su diseño experimental es con el calorímetro de un solo contenedor, NO USE LAS ECUACIONES DE ESTA SECCION!.

La sustancia a estudiar se coloca en una pequeña copa dentro de un recipiente sellado y aislado llamado bomba. La bomba, que está diseñada para soportar altas presiones, tiene una válvula de entrada para agregar oxígeno y cables eléctricos para iniciar la reacción. Después de colocar la muestra en la bomba, la bomba se sella y se presuriza con oxígeno. Luego se coloca en el calorímetro y se cubre con una cantidad de agua medida con precisión. La reacción de combustión se inicia haciendo pasar una corriente eléctrica a través de un cable fino en contacto con la muestra. Cuando el cable se calienta lo suficiente, la muestra se enciende.

El calor liberado cuando se produce la combustión es absorbido por el agua y los diversos componentes del calorímetro (que en conjunto forman el entorno), lo que hace que la temperatura del agua aumente. El cambio en la temperatura del agua causado por la reacción se mide con mucha precisión.

Dado que el proceso tiene lugar a volumen constante, el recipiente interno de reacción debe estar construido para resistir la alta presión resultante del proceso de combustión, que equivale a una explosión confinada. El recipiente se suele llamar "bomba" y la técnica se conoce como calorimetría de bomba. La reacción se inicia descargando un condensador a través de un alambre delgado que enciende la mezcla.

Debido a que el recipiente mismo hace parte del sistema que alcanza un equilibrio término, su calor específico deberá calcularse previamente en un procedimiento de estandarización

 

Estandarizando el calor específico del calorímetro con el calor de reacción

Para calcular el calor de combustión a partir del aumento de temperatura medido, debemos conocer la capacidad calorífica total del calorímetro más el agua involucrada. Esta cantidad se determina quemando una muestra que libera una cantidad conocida de calor y midiendo el cambio de temperatura con todo y agua. La capacidad calorífica calculada de este modo la denominaremos capacidad calorífica estándar del calorímetro Cº. (incluyendo el agua). La notación estándar o inicial del calor de reacción y de la temperatura implican que son valores conocidos, mediante una reacción química ya conocida. Una de estas reacciones de estandarización es la del ácido benzoico.

👉Enunciado: La combustión de cierta masa de ácido benzoico, C₆H₅COOH, en un calorímetro de bomba produce 26.42 kJ de calor con aumento en la temperatura de 4.673 °C. Determine la capacidad calorífica estándar de dicho calorímetro // Pulse aquí.

Ecuaciones

Una vez que tenemos el calor específico estándar, podemos deducir las fórmulas para el calorímetro de bomba, pero teniendo en cuenta que tendremos dos seres de funciones, las simplificadas y las exactas. Debido a que las reacciones en un calorímetro de bomba se llevan a cabo a volumen constante, el calor transferido corresponde al cambio en la energía interna, ∆E, en lugar del cambio en la entalpía, ∆H. Sin embargo, para la mayoría de las reacciones, la diferencia entre ∆E y ∆H es muy pequeña, aunque igual determinaremos funciones para ambos casos. Adicionalmente obtendremos cuatro tipos de entalpías diferentes.

👉Entalpía de la reacción en unidades de J o kJ

👉Entalpía estándar de la reacción en unidades de J/mol o kJ/mol, pero en este caso el mol corresponde al avance de la reacción completa y no a una sustancia particular, debido a las confusiones de este concepto, es que se convierte a:

👉Entalpía de la reacción ajustada a la cantidad de sustancia clave (calor de combustión de una sustancia en moles) J/mol o kJ/mol, en este caso el mol si representa a una sustancia concreta.

👉Entalpía de la reacción ajustada a la masa de sustancia clave (calor de combustión de una sustancia en gramos) J/g o kJ/g, donde g representa a una sustancia concreta.

👉Enunciado: Hallar las funciones que permitan describir un calorímetro en términos de una reacción de combustión y la masa o cantidad de sustancia del reactivo limitante. Ignore el efecto del cambio de cantidad de gas // Pulse aquí.

👉Enunciado: Se quemó una cantidad de 1.435 g de naftaleno (C₁₀H₈), una sustancia de olor acre que se usa en repelentes de polillas, en un calorímetro de bomba de volumen constante. En consecuencia, la temperatura del agua se elevó de 20.28 °C a 25.95 °C. Si la capacidad calorífica de la bomba más agua fue de 10.17 kJ / °C, calcule el calor de combustión del naftaleno sobre una base molar; es decir, encuentre el calor molar de combustión // Pulse aquí.

👉Enunciado: Se quemó 1.922 g de metanol (CH₃OH) en un calorímetro de bomba de volumen constante. En consecuencia, la temperatura del agua aumentó 4.20 ° C. Si la capacidad calorífica de la bomba más agua fue de 10.4 kJ/°C, calcule el calor molar de combustión del metanol // Pulse aquí.

👉Enunciado: Una muestra de 0.1375 g de magnesio sólido se quema en un calorímetro de bomba de volumen constante que tiene una capacidad calorífica de 3024 J/°C. La temperatura aumenta en 1.126 ° C. Calcule el calor desprendido por la combustión de Mg, en kJ/g y en kJ/mol // Pulse aquí.

👉Enunciado:  En un experimento de calibración, una muestra de ácido benzoico (C₆H₅COOH) (122.12 g/mol) que pesaba 0.825 g se encendió a 25°C en un calorímetro de bomba y produjo un aumento de temperatura de 1.94 K. Para el ácido benzoico, se sabe que el calor de combustión es -3226 kJ/mol. Utilice este información para determinar la capacidad calorífica del calorímetro ignorando el efecto de los gases // Pulse aquí.

👉Enunciado: En un experimento de calibración, una muestra de ácido benzoico (C6H5COOH) (122.12 g/mol) que pesaba 0.825 g se encendió a 25°C en un calorímetro de bomba y produjo un aumento de temperatura de 1.94 K. Para el ácido benzoico, se sabe que el calor de combustión es -3226 kJ/mol. Utilice este información para determinar la capacidad calorífica del calorímetro teniendo el efecto de los gases // Pulse aquí.

👉Enunciado: Una muestra de bifenilo ((C₆H₅)₂) que pesaba 0.526 g se encendió en un calorímetro de bomba inicialmente a 25 °C, produciendo un aumento de temperatura de 1.91 K. En un experimento de calibración, una muestra de ácido benzoico (C₆H₅COOH) que pesaba 0.825 g se encendió en condiciones idénticas y produjo un aumento de temperatura de 1.94 K. Para el ácido benzoico, se sabe que el calor de combustión a presión constante es 3226 kJ/mol. Utilice este información para determinar la entalpía estándar de combustión de bifenilo // Pulse aquí.