Determinação do Calor de Combustão do Ácido Benzóico

Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Instituto de Química

Físico-Química Experimental – QUI03004

29 de março de 2007

Determinação do Calor de Combustão

do Ácido Benzóico

  Integrantes: Carla Y Castro Ventura

                    Liliana Dutra dos Santos

                  Lin Cornely Costa

  Grupo: 51

  Professor Responsável: Alexandre Umpierre

1. Resumo

 

O experimento foi realizado com o auxílio de uma bomba de combustão com água. Foi feita a combustão de uma pastilha de ácido benzóico, e anotadas as temperaturas, que variavam com o passar do tempo, à medida que a pastilha ia queimando. Com esses dados foi possível criar um gráfico temperatura X tempo, no qual aparecem dois patamares, e, pela diferença entre eles, acha-se a [pic 1]T necessária para o cálculo desejado.

Os resultados obtidos foram bastante satisfatórios, com erro relativo de 10,65%.

 2. Objetivo do experimento

O objetivo da prática é a determinação do calor de combustão de um composto orgânico (ácido benzóico), através da elevação de temperatura em uma reação de combustão em um calorímetro com condições adiabáticas.

3. Procedimento Experimental

O processo se dá da seguinte forma: primeiramente, medimos 2200mL de água destilada em dois balões, de 2000mL e 200mL, e então retiramos 5mL, com uma pipeta volumétrica, para a bomba calorimétrica, despejando o restante cuidadosamente dentro do recipiente calorimétrico.

Em seguida, pesamos aproximadamente 0,5 gramas do ácido benzóico em uma balança analítica. Seguimos então para a confecção da pastilha, realizada com sucesso já na primeira tentativa. Colocamos a massa de ácido em uma peça afunilada, que compunha o pastilhador. Em seguida, cortamos um fio, feito de uma liga de Níquel e Cromo, dando-lhe três nós. Esse fio foi conectado a uma das partes da prensa, para que sustentasse a pastilha de maneira eficiente e permitisse a ignição. Com isso, o ácido em pó ficou alojado sobre uma placa metálica, para em seguida ser prensado cuidadosamente (muita pressão racharia a pastilha, pouca pressão seria ineficiente). Após alguns instantes, a prensa foi levantada e o anteparo que serviu de apoio para moldar a pastilha foi virado, contendo um orifício para armazenar a pastilha no momento em que ela sai da peça afunilada. Então, já com a pastilha pronta, a prendemos  com o fio condutor na bomba calorimétrica, tendo o cuidado de pôr um cadinho de vidro sob ela, para que quando houvesse a queima, as cinzas fossem depositadas nele.

Só então pudemos realizar três purgas com o gás oxigênio na bomba calorimétrica, para que não houvesse impurezas. Isso foi feito regulando a passagem do gás do cilindro para a bomba, através de válvulas no cano condutor conectado a ela. Quando a bomba estava cheia, a esvaziávamos abrindo uma válvula com uma chave inglesa.

Após as purgas, enchemos a bomba com o gás na pressão desejada (30 bar), desconectamos os cabos dela e a colocamos cuidadosamente dentro do recipiente calorimétrico, com o cuidado de não encostar os dedos na água, para que não houvesse alteração no volume medido.

Então montamos o conjunto calorimétrico (Figura 1), constituído da bomba de combustão, um termômetro diferencial de Beckman, um agitador mecânico e um dispositivo elétrico responsável pela ignição da pastilha. Ligamos o motor e começamos a realizar as medidas de temperatura, com o auxílio de uma lente de aumento. Durante 10 minutos, anotamos as temperaturas a cada 60 segundos, controlando o tempo em um cronômetro.

Em seguida, demos ignição na pastilha e continuamos anotando as variações de temperatura a cada minuto por mais 16 minutos, até que se obtivesse um segundo patamar, necessário para a confecção do gráfico.

Com os dois patamares, acha-se [pic 2]T, que é a diferença nas alturas dos dois, e, assim, procede-se aos cálculos para a determinação de [pic 3]H.

[pic 4]

Figura 1: Esquema simplificado de um calorímetro. (1) Válvula de admissão de oxigênio sob alta pressão. (2) Amostra em forma de pastilha. (3) Terminais da resistência. (4) Termômetro diferencial. (5) Agitador. (6) Bomba calorimétrica imersa em água.

4. Cálculos e Resultados

A primeira lei da termodinâmica mostra que [pic 5], uma vez que [pic 6]por se tratar de um sistema adiabático e [pic 7] pelo fato da reação ocorrer a volume constante.

Sabemos que [pic 8]                 (1)

        onde [pic 9](calor de combustão a volume constante [J.mol-1]) é o efeito térmico da combustão levada a efeito isotermicamente na temperatura T1 [K] e [pic 10]é o efeito térmico que acompanha o aquecimento do calorímetro e dos produtos da reação da temperatura T1 à temperatura T2.

Essa relação é dada pela seguinte integral:

        

[pic 11]                                (2)

onde Cv é a capacidade térmica a volume constante [J.mol-1.K-1].

Como o intervalo de temperaturas considerado é muito pequeno, pode-se considerar a capacidade térmica do calorímetro e dos produtos constante, resultando em:

[pic 12]                                        (3)

[pic 13]                        (4)

[pic 14]                                (5)

Analisando a equação (5), nota-se que se pode calcular o efeito térmico [pic 15]conhecendo a capacidade térmica do calorímetro com os produtos da reação e a elevação de temperatura sofrida pelo conjunto devido à combustão. A capacidade térmica do sistema é dada por:

[pic 16]                                (6)

Onde [pic 17] é a massa de água no recipiente calorimétrico [g], [pic 18] é o calor específico da água [J.mol-1.K-1] e C0 a capacidade térmica do conjunto calorimétrico [J.mol-1.K-1].