Determinação do calor de combustão de calorímetro

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Relatório da Segunda Aula Prática de Físico-Química I

Título da Prática: Determinação do Calor de Combustão do Naftaleno

Docente: Cinthia S. Soares

Discentes: Talis Silva e Filipe Batista

Data de realização da prática: 15/08/2014

Data de entrega do relatório: 29/08/2014

Introdução

A calorimetria é a parte da Termodinâmica que se ocupa do estudo de todas as possíveis formas de trocas de calor entre os corpos dentro de um processo químico. Estuda também, as modificações que o estado físico dos referidos corpos sofrem durante tais processos.

O calor (Q) é a forma sob a qual dois corpos trocam energia térmica entre si, onde a energia sempre flui do corpo com maior temperatura para aquele de menor temperatura. O calor é uma forma de transmitir energia de um corpo para o outro, sem transporte de massa, e que não corresponde a execução de um trabalho mecânico. O calor se relaciona com os conceitos de energia interna (U) e trabalho (W) através da primeira lei da Termodinâmica:

U = Q + W

O calor de um corpo pode também ser expressa matematicamente como Q = m.c. ∆T, onde Q é o calor cedido (ou removido do corpo), m é a massa do corpo, c o calor específico do corpo e ∆T avariação de temperatura envolvida no processo.

O calor de combustão (ou entalpia de combustão) é o calor liberado na queima de um mol de uma dada substância. O calor de combustão é determinado experimentalmente por meio de um equipamento chamado calorímetro (equipamentos adiabáticos dotados de termômetro e agitador mecânico). Através da variação de temperatura verificada no interior do calorímetro (temperatura de equilíbrio), torna-se possível o cálculo do calor envolvido em um determinado processo químico.

Sendo o calorímetro um recipiente adiabático, não existe troca de calor entre o sistema (interior do calorímetro) e as vizinhanças (meio externo em relação ao calorímetro) através das paredes do calorímetro. Entretanto, parte do calor do processo acaba escoando para as paredes do calorímetro.

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Figura 1 – Exemplo de Calorímetro

(disponível em < http://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAAfseoAK-0.jpg>)

Assim, no interior de um calorímetro ocorrem as seguintes relações de calor entre reação, meio e paredes do calorímetro:

qreação + qmeio + qparedes = 0

qreação = – qmeio – qparedes

qreação = – mmeio . cmeio . ∆Tmeio – mcalorímetro . ccalorímetro . ∆Tcalorímetro

qreação = – mmeio . cmeio . ∆Tmeio – Ccalorímetro . ∆Tcalorímetro

qreação = – mmeio . cmeio . (Tfmeio - Timeio) – Ccalorímetro . (Tfcalorímetro – Ticalorímetro)

qreação = – mmeio . cmeio . (Teq – Timeio) – Ccalorímetro . (Teq – Ticalorímetro)

• mmeio: a massa do meio reacional
• cmeio: o calor específico do meio reacional
• Teq: a temperatura de equilíbrio obtida experimental|| p/o meio reacional
• Timeio: a temperatura inicial do meio reacional
• Ccalorímetro a capacidade térmica do calorímetro, definida como Ccalorímetro = mcalorímetro . ccalorímetro, onde mcalorímetro e ccalorímetro são a massa e o calor específico das paredes do calorímetro, respectivamente
• Ticalorímetro a temperatura inicial do calorímetro

(Apostila de Termoquímica – Prof. Cínthia Santos Soares)

Uma grandeza muito importante relacionada aos calorímetros é a capacidade térmica, que representa a quantidade de calor necessária para se provocar uma elevação de 1 grau em sua temperatura. Essa quantidade é extremamente importante, pois está relacionada com a quantidade de calor que escoa para as paredes do calorímetro. A capacidade térmica depende do calorímetro em questão, de modo que cada calorímetro possui o seu respectivo valor de capacidade térmica. A capacidade térmica de um calorímetro pode ser obtida a partir de experimentos simples utilizando água em diferentes temperaturas ou uma resistência elétrica. Matematicamente é definida como sendo QCalorímetro = CΔT, onde QCalorímetro é o calor absorvido pelas paredes do calorímetro, C a capacidade térmica do calorímetro e ΔT a variação de temperatura envolvida na reação (Teq – Ticalorímetro).

Materiais e métodos

O procedimento experimental realizado pelo grupo foi o intitulado “procedimento 2”, onde se trabalhou efetivamente com o ácido benzoico. Primeiramente, pesou-se 0,400g de naftaleno em balança analítica e, em seguida, foi feita uma pastilha com a massa de naftaleno. Essa pastilha foi feita inserindo-se a massa (pó) de naftaleno em uma prensa, onde esse pó foi modelado na forma de uma pastilha (foi inserido um fio metálico dentro da prensa, de forma que na pastilha formada houvesse esse fio a atravessando). Em seguida, pesou-se a pastilha de naftaleno, obtendo-se como resposta a massa de 0,354g (foi descontada a massa do fio, que correspondeu a 0,020g). O próximo passo foi adicionar água ao calorímetro, onde o volume de água utilizado foi 850 mL (que corresponde a 850 g, já que considerou-se a massa específica da água como 1 g/mL). A pastilha de naftaleno foi fixada nas hastes da bomba calorimétrica (hastes estas que estavam ligadas a uma fonte de corrente contínua) e em seguida a bomba foi fechada. A seguir, colocou-se a bomba calorimétrica dentro do calorímetro juntamente com o termopar. Após, fixou-se a mangueira de oxigênio na bomba e abriu-se a linha de gás, inserindo oxigênio dentro da bomba (esperou-se cerca de quatro minutos para o oxigênio preencher totalmente o interior da bomba). Após quatro minutos, procede-se o fechamento da linha de gás e a retirada da mangueira da bomba. Em seguida, ligou-se a fonte de corrente contínua, fornecendo energia ao sistema por meio das hastes do termopar. Após alguns instantes, a fonte foi desligada e observou-se a elevação de temperatura no interior da bomba por meio de um leitor digital ligado ao termopar. A temperatura, que inicialmente estava em 22,5 C°, se elevou para 25,6 C°, sendo esta temperatura a temperatura de equilíbrio, necessária para o cálculo do calor de combustão do naftaleno. Em seguida, aliviou-se a pressão no interior da bomba (para expulsar o oxigênio restante) e abriu-se a mesma. Com os dados obtidos no “procedimento 2”, e de posse da capacidade térmica do calorímetro, calculada no “procedimento 1”, foi possível passar para a próxima etapa: determinar o calor de combustão do naftaleno.