Relazione laboratorio (bomba calorimetrica), Chimica fisica

RELAZIONE ESPERIENZA DI LABORATORIO

CALORE DI COMBUSTIONE

CORSO: Laboratorio di Chimica fisica 1 CCL: Chimica

DOCENTE: Prof. ssa Anita Scipioni ESPERIENZA: n°5

SCOPO DELL’ ESPERIENZA: Determinare l’equivalente in acqua del calorimetro sfruttando il

calore di combustione dell’acido benzoico (una sostanza madre). Questo ci permette di calcolare

con esattezza il calore di reazione scambiato con l’acqua e di conseguenza la possibilità di

ricalibrare il calorimetro in uso.

MATERIALI E STRUMENTAZIONE:

Bomba calorimetrica (o di Berthelot-Mahler);

Calorimetro ad acqua con termoresistenze ed agitatore (m = 524.5g);

eq

Computer per l’ archiviazione dei dati;

Bilancia di precisione (sensibilità ± 0.001 g);

Bombola con ossigeno ad alta pressione;

Filo di ferro fino;

Acido benzoico in polvere;

Pressa per pasticca.

PRINCIPIO DEL METODO:

All’interno della bomba avviene la combustione della pasticca di acido benzoico secondo la

reazione: C H COOH + 7.5 O → 3H O + 7CO

6 5 (s) 2(g) 2 (l) 2(g)

Per determinare il calore scambiato possiamo ricorrere al primo principio della termodinamica:

ΔU = q + w

Ma dato che non c’è variazione di volume, il lavoro (-pdV) svolto dal sistema è zero dunque

l’equazione diventa: [ΔU = q ] v

Quindi avremo che il calore scambiato a volume costante sarà uguale a:

∆ U c ∆T

=q =n

V H O v

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Dove ΔT corrisponde alla temperatura dell’acqua nel calorimetro prima e dopo la combustione

dell’acido benzoico.

Se le condizioni sperimentali dovessero portare alla formazione di vapor d’acqua ovviamente

occorre determinare una quantità di calore diverso.

ELABORAZIONE DATI:

Una volta allestita la bomba e fatta partire la combustione, si noterà che la temperatura dell’acqua

del calorimetro avrà un andamento simile a quello riportato in grafico; ciò è segno di una reazione

ben riuscita, quindi l’acido benzoico ha bruciato efficacemente e completamente:

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Leonardo Calabresi RELAZIONE CALORE DI COMBUSTIONE 20/02/2013

Tin /°C

18,4

18,2

18

17,8

/°C

Tin 17,6

17,4

17,2

17 0 200 400 600 800 1000 1200

time /s

Da questo grafico si può notare che prima e dopo la combustione la temperatura, ovviamente, ha un

andamento costante; effettuando un fitting lineare dei valori in questione possiamo determinare il

ΔT che ci occorre per il calcolo del calore scambiato con l’acqua; per fare questo si effettua una

differenza dei valori di intercetta delle rette: y = 17,077 + 0,00013084x R= 0,89331

Tin /C

temp 1 y = 18,226 + 9,2565e-5x R= 0,7563

temp 2

18,4

18,2

18

17,8

°C

/

Tin 17,6

17,4

17,2

17 0 200 400 600 800 1000 1200

time /s

Dalle equazioni delle rette di fitting otteniamo i valori di intercetta; da questi possiamo calcolare

agevolmente il ΔT per differenza:

ΔT = T – T = 18.226 °C – 17.077 °C = 1.149 °C

2 1

Durante la combustione occorre tenere conto anche del calore di combustione del ferro; questo

perche il filo di ferro per far partire la reazione deve ossidarsi bruciando fino alla rottura

2

Leonardo Calabresi RELAZIONE CALORE DI COMBUSTIONE 20/02/2013

accendendo l’acido benzoico: anche l’ossidazione del ferro apporta calore alla bomba e ciò va

tenuto in considerazione.

È possibile fare questo conoscendo la massa del filo prima e dopo la combustione; la differenza dà

la massa che ha bruciato nella reazione.

m filo (g) m filo dopo (g) m acido (g) ΔH acido J/g ΔH ferro J/g

0.0061 g 0.0046 g 0.4648 g -26435.2 J/g -5858 J/g

Utilizzando i valori di letteratura dei ΔH di combustione dell’acido e del ferro è possibile effettuare

il calcolo del calore scambiato durante la reazione; per agevolare i calcoli i ΔH vengono espressi

rispetto alla massa piuttosto che alle moli. J J

( ) ( )

q ∆ H ∆ H . 2 . 4648 g . 0015 g . 9 J

( ) ( )

= ∗m + ∗m = −26435 ∗0 + −5858 ∗0 =12295

sc comb . acido ox Fe g g

acido Fe

Ora possiamo ricavare la massa equivalente tramite l’equazione:

q ∆ T m m

( )

=c +

sc H O x

v H O

( ) 2

2

Dove m è la massa equivalente in acqua del calorimetro: la nostra incognita:

x q 12295.9 J

sc

m g=556,5 g

= −2000= −2000

x c ∆ T 4.186 J∗1.149° C

v

Dove la massa dell’acqua corrisponde a quella immessa nel calorimetro che equivale a 2000 g (2l).

PROCEDIMENTO, OSSERVAZIONI FINALI:

Prima di allestire la bomba occorre preparare la pasticca di acido benzoico: si mette una quantità di

circa 0.5/1g dentro un apposito stampo che permette di far passare il filo di ferro tagliato e pesato

(circa 12 cm) dentro; ora, utilizzando la pressa, si compatta la polvere. Successivamente si estrae la

pasticca dallo stampo e si pesa. Ora la massa di acido benzoico deve essere legata tra le due

asticelle della bomba in modo da tenerla sollevata dal fondo e in modo che il contatto elettrico sia

efficiente in quanto saranno le 2 asticelle che a contatto con il filo porteranno la corrente per

l’innesco. Si chiude il tutto, la bomba ora viene riempita con ossigeno fino a 20 bar circa (si deve

far fuoriuscire l’aria: si fa scorrere dell’ossigeno all’interno a bassa pressione).

Ora la bomba è pronta per essere immessa nel calorimetro; il secchiello deve essere riempito con

due litri d’acqua (utilizzare il cilindro graduato). Una volta chiuso il calorimetro e acceso l’agitatore

per rendere omogenea la temperatura, si può far partire la combustione premendo un apposito

pulsante: una corrente circola nel filo che passa nella pasticca di acido benzoico e fondendosi lo

innesca. Come si può vedere dall’elaborazione dati, la temperatura dell’acqua cresce rapidamente di

qualche grado e poi si stabilizza, è segno che la reazione è avvenuta correttamente; è possibile che il

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