Calorimetria

Determinación de Entalpía de Combustión y Entalpía de Isomerización de Dos Isómeros

Resumen

Para determinar ΔH˚comb. de antraceno y fenantreno se necesita que una reacción de combustión ocurra en un calorímetro de bomba donde bajo exceso de oxigeno se presencie un aumento en temperatura indicando la formación de los productos. En el experimento se obtuvo que el ΔH˚comb fue -4912 y -4869kJ/mol para antraceno y fenantreno respectivamente. Mientras que el ΔH˚f fue -202 y -207 kJ/mol para antraceno y fenantreno respectivamente. El ΔH˚isom fue 4.36 kJ/mol.

Introducción

El calor de formación estándar (ΔH˚f) de una especie es el calor relacionado al proceso de formar un mol de dicha especie a partir de sus elementos en sus estados normales a condiciones estándar. De maneraexperimental para muchas sustancias es difícil determinar, sin embargo, si la especie a analizarse se puede quemar entonces con el calor de combustión (ΔH˚comb.) y los ΔH˚f de los productos se puede determinar el ΔH˚f de la especie. Los isómeros antraceno y fenantreno son compuesto aromáticos cuya fórmula molecular es C14H10. Experimentalmente la reacción de combustión de estos compuestos (1) esrealizada en un calorímetro de bomba.

C14H10(s) + 332O2(g) 14CO2(g)+ 5H2O (l) @ 25˚C (1)

El calorímetro de bomba es un envase cerrado que disminuye el intercambio de calor entre el sistema y sus alrededores. La muestra es colocada en la bomba a una presión de oxigeno (aprox. 25atm) para asegurar la combustión. Para calcular el ΔH˚comb por mol utilizamos la primera ley de termodinámica(ΔU = q - pΔV) donde ΔV=0 debido a que es un

proceso isocórico y la ley de Hess para los procesos isotermales e isobáricos que ocurren en el calorímetro. Este valor de ΔH˚comb tiene que ser corregido por el calor liberado en la formación del acido nítrico por combustión del nitrógeno del aire y el calor del alambre. Obtenemos la siguiente ecuación:

ΔH˚c = -Cv(ΔT) + RTΔngas - ΔH˚ƒ HNO3 - (ΔH˚calam)(galam) (2)

donde Cv es la capacidad calórica a volumen constante de los productos y el calorímetro, los moles del HNO3 se determinaran por titulación y los gramos del alambre de ignición se calcularan por diferencia de peso antes y después de la combustión. De los valores obtenidos de ΔH˚comb de la ecuación (2) obtenemos la entalpía de formación de los isómeros con la ecuación (3):ΔH˚ƒisom=nCO2 ∆HƒCO2+nH2O ∆HƒH2O-ΔH˚ƒcomb.nisom (3)
donde n es el coeficiente estequiométrico de la especie (C14H10) según la reacción (1).
Finalmente para determinar el cambio en entalpia para la isomerización de los isómeros estructurales se utilizó la siguiente ecuación:
ΔH˚isomerización=H˚ƒisom1-ΔH˚ƒisom2 (4)

Métodos y Materiales

Se utilizó un calorímetro debomba (modelo de Parr) con un sistema de ignición eléctrico y sistema computarizados para recopilar datos. 1Acido benzoico (certificado como estándar primario para calorimetría), antraceno y fenantreno. Se prepararon y pesaron pastillas de aproximadamente un gramo de los sólidos. Se añadieron dos litros de agua al calorímetro luego se colocó la pastilla en el porta muestra y se conectó el alambre,previamente pesado, entre los dos conectores del sistema de ignición. Se añadió un mililitro de agua destilada a la bomba. Se ensambló la bomba, cerraron las válvulas de seguridad y se llenó con oxigeno hasta una presión de 20 atm. Se sumergió la bomba en el agua del calorímetro y se verificó que no hubiera escape de gas. Se conectó el sistema de ignición. Se cerró el calorímetro, se conectó elagitador y el sensor de temperatura. Se esperó a que la temperatura se estabilizara, se tomaron lecturas de T vs. t por dos minutos luego se hizo ignición y se tomaron lecturas de T vs. t hasta que la temperatura subió a un máximo y descendió. Al finalizar la combustión de la pastilla se liberó el oxigeno, desmanteló y limpió la bomba vertiendo su contenido en un vaso para titularlo con NaOH...