EXPERIMENTO Nº 05 – Calorimetria: determinação da variação de entalpia de combustão de sólidos

Ana Cláudia Philippus

André Beringhs

Danielle Siegel

Carla Elise Heinz Rieg

Haíra Andreossi

Florianópolis, 04 de maio de 2010

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINACURSO DE GRADUAÇÃO EM FARMÁCIATERCEIRA FASEDISCIPLINA: FÍSICO-QUÍMICAPROFESSOR: NITO ANGELO DEBACHER

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Introdução

Dentre as várias áreas de estudo da Físico-Química encontra-se a Calorimetria,

que se trata do estudo das trocas de energia entre corpos ou sistemas sendo que essa

troca deve ser em forma de energia térmica. As análises calorimétricas são feitas a partir

da termodinâmica do calor recebido por um sistema que não o possuía previamente e,

também, pelo calor cedido por esse sistema.

Quando nos referimos ao calor, estamos falando, em especial, da energia em

transito que flui espontaneamente de corpos de maior temperatura para corpos de menor

temperatura, sendo que a unidade mais comumente utilizada é a caloria. Neste

experimento faremos a análise de calorimetria de uma substância cuja entalpia de

combustão e energia interna são desconhecidas. Para tal, utilizamos uma substância com

estes valores conhecidos com a finalidade de calibração do equipamento.

Para a determinação da entalpia de combustão e energia interna do naftaleno,

aplicaremos conhecimentos termoquímicos como a quantidade de calor sensível, que é o

quanto de calor um corpo pode receber ou ceder sem alterar sua temperatura, o calor

específico, que é o quanto de calor que um grama de substância recebe ou doa para que

sua temperatura se altere em 1 grau Celsius, e também a capacidade térmica.

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Objetivo

O objetivo deste experimento, é a determinação do valor da energia interna (∆U) e

da entalpia de combustão (∆H) da amostra de naftaleno com o auxílio de um

calorímetro. Para a medição deve-se utilizar uma amostra de ácido benzóico como

padrão, que possibilita a determinação da capacidade calorífica total do calorímetro.

Tratamentos de dados

1. Faça um gráfico para a amostra, de temperatura versus tempo e obtenha os

valores de T1 e T2 (∆T), como indicado.

O gráfico encontra-se anexado a este trabalho.

2. Calcule a capacidade calorífica total do sistema (C) usando a equação 2.

Dados: Para a combustão do ácido benzóico, ∆UT1 é igual a -26.434,5 J.g-1 ou

-6.318 cal.g-1. Para o fio de ferro o valor é: -5,86 J.cm-1 ou -1,4 cal.cm-1.

Lembre-se que você não queimou exatamente 1,0g de material.

Massa(C6H5COOH) = 0,699g

Tabela de dados para o ácido benzóico

Tempo em minutos Temperatura em Kelvin

0 2,45

0,5 2,45

1,0 2,45

1,5 2,83

2,0 3,60

2,5 3,90

3,0 4,05

3,5 4,09

4,0 4,19

4

4,5 4,22

5,0 4,23

5,5 4,24

6,0 4,25

6,5 4,25

7,0 4,25

∆T = (Tfinal – Tinical)

∆T = 4,25 – 2,45

∆T = 1,8 K

De acordo com os dados ∆U = -6.318 cal/g então em 0,699g temos -4.416,28cal.

Se em 1 cm o poder calorífico do fio é 1,4 cal em 7 cm é 9,8 cal.

Como o tamanho inicial do fio era de 10 cm e o final de 3 cm a conclusão é que

juntamente com o ácido benzóico foi queimado 7 cm de fio. Para poder calcular a

capacidade calorífica do calorímetro é necessário retirar a impureza, no caso o fio de

ferro, portanto: (-4.416,28) – (-9,8) = -4.406,48

Então:

∆U = -C. ∆T

(-4.406,78) = -C. 1,8

C = 4.406,48

1,8

C = 2.448,04 cal.g-1.K-1

De acordo com que está escrito no roteiro, para determinar a capacidade calorífica é

necessário queimar uma amostra, cuja energia interna (∆U) seja conhecida e medir

experimentalmente a variação de temperatura (∆T). Foi exatamente isso que realizamos

com o ácido benzóico chegando ao valor descrito a cima.

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3. Escreva a equação química balanceada da reação de combustão da amostra

fornecida colocando cada componente no seu estado físico antes e após a

combustão e calcule ∆n, conforme a equação 5.

C10H8(s) + 12 O2(g) 10 CO2(g) + 4 H2O (L)

∆n(g) = n2 – n1

∆n(g) = 10 – 12

∆n(g) = -2

4. Calcule a variação de energia interna (∆UT1) e entalpia (∆HT1) para as

amostras usando as equações 2 e 5. O resultado deve ser cal/g ou por mol.

OBS: Não foi realizado o experimento para o Naftaleno, pois no momento da

experiência ao acionar o botão vermelho do calorímetro nada acontecia. Por esse

motivo, fomos orientados a utilizar os valores de outra equipe para poder fazer os

cálculos.

Massa (C10H8) = 0,723g

∆T = (Tfinal – Tinical)

∆T = 3,03 K

Foi considerado que o fio de 10 cm de ferro queimou totalmente. Então:

1cm ------ -1,4 cal

10cm----- x

x = -14,0 cal

Cálculo da variação de energia interna para a massa de 0,723g:

∆U = -C. ∆T

∆U = (-2.448,04) . (3,03)

∆U = -7.417,56 cal.g-1

Para 1g: ∆U = -10.259,42cal

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Para poder calcular a capacidade calorífica do calorímetro é necessário retirar a

impureza, no caso o fio de ferro, portanto: (-10.259,42) – (-14,0) = -10.245,42cal/gK

Cálculo da variação da entalpia:

Dados: ∆U = -10.245,42cal

∆n(g) = -2

R = 1,987 cal.mol-1.K-1

T (Temperatura absoluta) = 298 K

Como a pressão não é constante:

∆H = ∆U + ∆n.R.T

∆H = (-10.245,42) + (-2) x 1,987 x 298

∆H = -11.429,67 cal/g

Através da equação para transformação isobárica chegamos a uma variação de entalpia

de -11.429,67 cal/g. O valor negativo indica que é uma reação que libera calor -

exotérmica, isso é perfeitamente aceitável já que foi feita uma combustão.

Transformação de unidade:

1g ----------------- -11.429,67cal

128,18g ----------- Y

Y = -1.465.055,101 cal

5. Compare os valores de energia interna (∆UT1) e entalpia (∆HT1) com os da

literatura e calcule o erro percentual. Comente as possíveis causas de erro.

∆H(Teórico) = -1232kcal/mol

Transformação de unidade:

1kcal --------------- 1000 cal

-1232kcal ----------- X

X = - 1.232.000 cal

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Cálculo do erro:

|(- 1.232.000) – ( -1.465.055,101) / - 1.232.000| x 100 = 18,92%

As possíveis causas de erro são: calorímetro descalibrado, erro na válvula do cilindro de

oxigênio, impureza na substância, equivoco na leitura da temperatura.

6. Como você poderia fazer para calcular quantas calorias contém 1,0g de

chocolate? Explique.

Deve-se desidratar o alimento, para que o valor obtido na combustão seja

somente referente à queima de moléculas orgânicas, e não da água. Depois, seria

necessário pesá-lo e prosseguir como no experimento realizado, queimando-o em um

calorímetro. Após a combustão, pesam-se os resíduos que sobram (substâncias

inorgânicas) e calcula-se a quantidade de calor trocada pela combustão da massa

consumida. Esse valor seria o equivalente à quantidade de calorias presentes em 1,0g de

chocolate.

7. Discuta a diferença entre energia interna (∆UT1) e entalpia (∆HT1) para uma

substância.

Energia interna é a soma das energias cinética e potencial que compõem o

sistema. Quando o volume é constante em uma reação, o calor absorvido ou liberado é

igual à variação de energia interna.

Entalpia é a soma da energia interna com o trabalho realizado, ou seja, quando

se tem a variação de volume, em uma pressão constante. E se não houver variação no

volume a entalpia será igual à energia interna.

8. Na compra de determinados produtos alimentícios você pode obter

informações do teor calórico do produto na sua embalagem. Por exemplo,

300 cal/g ou na forma científica correta, 300 kcal.g-1. Qual a relação

existente entre o experimento e esta informação? Comente sobre o assunto.

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Temos uma alimentação baseada em lipídeos, glicídios e proteínas, que são fontes

de energia responsáveis por manter as nossas funções biológicas. O nosso organismo

funciona como uma bomba calorimétrica, que faz com que os alimentos ingeridos

passem por diversas reações até se transformarem em glicose. Sendo a glicose solúvel

no sangue, ela é levada até as células, onde irá reagir com oxigênio por várias reações

com a produção de CO2 (g), H20 (l) e energia. A energia liberada é conhecida como

poder calórico.

Neste experimento, com o uso de um calorímetro, foi possível a determinação do

poder calórico do naftaleno, ou seja, foi feita uma degradação total e através de alguns

cálculos foi possível a determinação.

O valor encontrado nas embalagens representa o poder calórico de determinada

quantidade de produto. Como no exemplo do enunciado temos 300 calorias em um

grama de produto.

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Conclusão

Com estes experimentos, foi possível compreender uma das formas de se

determinar a variação de entalpia que ocorre na combustão de sólidos, a calorimetria.

Os princípios da calorimetria se baseiam nas leis da termodinâmica e podem ser

aplicados com o uso de um calorímetro, aparelho que isola um sistema em condições

adiabáticas e mede as variações sofridas por ele decorrentes da combustão de

substâncias.

Os valores da variação da entalpia obtidos experimentalmente servem como

indicadores da quantidade de energia presente em uma quantidade de matéria, e

observa-se que diferentes moléculas possuem diferentes quantidades de energia

armazenada.

Isso também é válido para as moléculas orgânicas utilizadas por seres vivos.

Carboidratos, proteínas e gorduras são oxidados para liberar a energia armazenada em

suas moléculas, o que permite a realização de trabalho e a produção de energia térmica.

Ao se quantizar as trocas de calor ocorridas em um sistema e a energia presente

em cada tipo de molécula é possível compreender melhor as reações químicas e

biológicas que ocorrem em nosso meio.

Bibliografia

MORRIS, G. J; Físico-Química para Biólogos. São Paulo: Polígono, 1972.

http://www.cetesb.sp.gov.br/emergencia/produtos/ficha_completa1.asp?

consulta=NAFTALENO