Relatório físico química bomba calorimétrica

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Laboratório de Físico-Química 
Poder calorífico de um alimento usando uma bomba calorimétrica.
 
1. Objetivo
	- Determinar o calor de combustão a volume constante conhecido de uma substância . 
2. Introdução
	A Bomba Calorimétrica é utilizado para a medida de precisão do calor de combustão. Consiste em um recipiente de construção resistente, no qual se coloca uma quantidade conhecida de uma substância cujo calor de combustão se queira determinar. Ocorre a combustão em atmosfera rica de oxigênio ( a uma elevada pressão ) e se mede o aumento de temperatura de uma massa conhecida de água na qual se mantém submergida a bomba. Todo o sistema se constitui num recipiente adiabático. 
Figura 1 - Calorímetro Parr . 1- calorímetro, 2- balde de imersão, 3- bomba calorimétrica, 4- unidade de ignição, 5- tampa
A partir da queima da substância pode-se calcular o calor produzido na combustão, como sendo:
Qsistema = -Qqueimas
Onde Q sistema pode ser estimado a partir da equação: 
Qsistema = (m.cp)sistema. (T
e
(m.cp)sistema = (mbalde .cp inox + mbomba.cp inox + mH2O .cpH2O)
ATENÇÀO:
Esta forma de calcular a capacidade calorífera do sistema é aproximada. Para maior precisão (por exemplo, em um laudo técnico), sugere-se utilizar o valor de (mcp)sistema dado pelo fabricante , sendo que este deve ser conferido a partir de calibração com uma substância padrão, principalmente se levar-se em consideração os anos de utilização da Bomba Calorimétrica . 
Para este fim, queima-se uma pastilha padrão de ácido benzóico (1 g) cujo calor de combustão é conhecido na literatura (Handbook) e a partir deste valor e com a variação de temperatura experimentalmente obtida se encontra o valor da capacidade calorífera do sistema.
Então (considerando de forma aproximada):
Qsistema = (mbalde .cp inox + mbomba.cp inox + mH2O .cpH2O)] . (T
Sendo (T = T1 – T2 , onde (T é a variação de temperatura medida na experiência [ T1: temperatura inicial ou ambiente antes da queima e T2: a temperatura final após a queima (constante)]
3. Procedimento Experimental 
Equipamento e materiais
	- Calorímetro Parr , com bomba calorimétrica, sistema de agitação, sistema de ignição e termômetro a 0,05 0F;
	- Tanque de oxigênio PA com conexão para a válvula da bomba;
	- Pastilhas de ácido benzóico (para calibração);
	- Pinça para manejar as pastilhas;
	- Fio de arame para ignição;
	- Circuito para inserir o fio de ignição na pastilha; 
 - balao volumétrico de 2 l.
 - 1 g da amostra a ser queimada .
Preparação da amostra: 
 Dois dias antes da experiência:
Certa quantidade de amostra (obedecendo critérios de amostragem) é triturada em gral e após colocada por 6h em estufa à 50 °C. Após é deixada em dessecador até o momento da experiência para remoção de umidade residual.
 Então se pesa no cadinho de inox uma quantidade de no máximo 1,0 g 
a) Peso do cadinho vazio: ..............................g
b) Peso do cadinho + amostra: .......................g
c) Peso da amostra = b) – a)
Após colocar 2 ml de H2O destilada com pipeta de volume fixo dentro da bomba
Colocar o arame (fio de ignição ) como descrito a seguir :
Corta-se 10 cm de fio de arame padrão (fornecido pelo fabricante cujo calor de combustão é conhecido;
Se a amostra pode ser preparada na forma de uma pastilha compacta ( como as da substancia padrão Ácido benzóico ) então o fio é preparado da seguinte maneira 
 Conecta-se o fio a um circuito como mostrado:
 - Figura 3 -
- Conecta-se a pastilha debaixo do fio.
	- Fecha-se o circuito e se empurra a pastilha até em cima, sustentando-a com uma pinça, para que se ligue ao fio. Quando o fio chega aproximadamente a metade da espessura da pastilha, se abre o circuito. A pastilha deve ficar firmemente ligada.
	- Pesa-se o conjunto, calculando por diferença o peso da pastilha.
4.3) Colocação do fio de arame nos eletrodos
- Coloca-se em seu suporte a cabeça da bomba para facilitar a ligação do fio de ignição.
	- Coloca-se um extremo do fio no orifício do eletrodo reto ( etapas a, b, c e d da figura 4 );
 - Figura 4 -
	- Efetua-se a mesma operação no outro eletrodo ( etapas e, f, g e h );
	- Dobra-se o fio como se indica em ( i );
Coloca-se na cápsula em seu suporte e baixa-se o arame até um ponto que a amostra esteja fixa contra um lado da parede da cápsula. Convém inclinar a cápsula vazia um lado, para que a chama de combustão não saia diretamente sobre o eletrodo reto.
Se a mostra está na forma de pó ( que é o mais comum ) então após pesagem no cadinho ( < 1g ) o fio é colocado conforme orientação dos passos A-H e montado sobre a amostra conforme a figura 5 .
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Figura 5 - Colocação do fio sobre a amostra.
Encher a bomba com O2 (entre 25 a 30 atm). 
 Introdução do oxigênio: 
Figura 6 -Bomba sendo carreagada com O2.
- Coloca-se o parafuso da bomba em seu cilindro e fecha-se com a chave de fenda ( R ) apertando firmemente com as mãos. Fecha-se o tampão da válvula da bomba ( T ). 
- Unir-se a conexão de oxigênio instalada no tanque de oxigênio à válvula da bomba, apertando moderadamente a conexão com uma chave turca. 
- Abre-se a válvula de saída do tanque ( V1 ) ¼ da volta .
- Abre-se a válvula de entrada ( V2 ), para que passe oxigênio lentamente até alcançar 25 atm, e fechar esta chave e a V1. 
- Abre-se V3 para esvaziar o gás do tubo conector antes de terminar a conexão de oxigênio da bomba ( o medidor deve marcar 0 ).
PRECAUÇÃO: uma pressão maior que 40 atm na Bomba pode provocar explosão. Se, por acidente, a pressão da Bomba superar as 40 atm é necessário esvaziá-la e repetir a operação de entrada.
- Fecha-se a conexão de oxigênio por um tampão na válvula (rosquea-se manualmente até que fique firme).
- Figura 7 -
Água no calorímetro: 
- Coloca-se no balde de inox [recipiente para água ( A )], 2000g de água medidos em balão volumétrico.
4.6) Ensaio do calorímetro: 
	Monta-se o calorímetro e a bomba como o indicado na figura 2, em um lugar onde não hajam flutuações bruscas de temperatura.
 - Figura – Sistema a ser montado
 Coloca-se dentro da camisa do calorímetro, o recipiente para água ( A ) sobre os apoios do fundo da camisa, com a saliência no fundo ,para o apoio da a bomba, na posição perto do operador. 
- Segura-se a bomba pelo tampão da válvula e submergi-la cuidadosamente na água, colocando-a sobre a saliência de A . A bomba deve estar colocada de forma que: 
	1) o terminal do eletrodo da bomba fique próximo a conexão ( “U” ) do circuito da ignição; 
	2) deixar espaços suficientes de ambos os lados da Bomba para imersão do agitador S e do termômetro T. Não devem perceber-se vazamentos ( borbulhas de gás constantes), caso contrário não proceder a ignição.
- Conecta-se o terminal do eletrodo com a conexão em “U”. Sacudir com os dedos dentro de A para que a água aderida caia em seu interior. Verificar o bom contato ( medir R entre bornes ) ( 7 (.
- Se não se dispõe de agitador acionado através de uma polia, colocar um motor que pode regular-se a 150 RPM sobre a tampa, inserindo o agitador no eixo do motor através da tampa. 
- Coloca-se a tampa na camisa do calorímetro. O fixador da tampa deve encaixar no orifício da camisa. Deixar o agitador atingir 150 RPM; deve funcionar durante 5 minutos para alcançar o equilíbrio térmico, o que é verificado por leituras espaçadas da temperatura.
- Coloca-se o termômetro cuidadosamente em seu orifício, conectando-o firmemente ao seu suporte. Ler a temperatura de 1 em 1 min. , até valor constante. Anotar a temperatura final como T0 .
4.7) Ignição:
- Conecta-se o cabo da ignição aos terminais de contatos do calorímetro e aos contatosda unidade marcados para 10 cm. O cabo deve ser o suficientemente grande para permitir o controle remoto para precaução.
- Lê-se a temperatura do calorímetro a cada minuto, durante 5 minutos.
- Ao começar o sexto minuto aperta-se o botão da unidade de ignição para aumentar a carga. Solta-se o botão ao apagar-se a luz vermelha. Esta deve apagar-se em 1-2 seg. Caso não se apague, no circuito de ignição provavelmente a corrente deve estar escapando por algum contato indevido.
PRECAUÇÃO: O operador deve permanecer ao lado do calorímetro durante 15 segundos depois da ignição.
- Um aumento da temperatura indica que começa a combustão. Toma-se leituras aos 30, 45, 60, 75, 90 e 105 segundos, e depois a cada 30 segundos num regime constante, durante 5 minutos. Caso contrário, abrir a bomba adequadamente ( v. item 4.8 ) verificar e corrigir o problema elétrico na ignição.
4.8) Desmonte da operação:
- Para-se o motor, retira-se o termômetro e levanta-se a tampa do calorímetro.
	- Desconecta-se o terminal do eletrodo e retirar o recipiente A junto com a bomba.
- Retira-se a bomba e descarrega-se os gases, desparafusando parcialmente T e apertando-se a válvula de retenção no mesmo tampão. Isto deve fazer-se lenta e uniformemente de modo que a operação demore não menos que um minuto.
- Fecha-se o parafuso da rosca R, levanta-se o parafuso da bomba e coloca-se a mesma em seu suporte.
- Examina-se o interior da bomba: se não tem óleo ou outra evidência de combustão incompleta, descarta-se as possibilidades.
4.9)Correção do fio de arame de ignição: 
-Juntam-se todas as partes do fio sem queimar e mede-se a sua distância em cm.
 4.10) Determinar a temperatura final , Tf .
 Resultados e Cálculos
Determinação de T0 (temperatura inicial)
	tempo ( min )
	0
	1
	2
	3
	4
	5
	7
	8
	9
	temperatura ( °C)
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Determinação de Tf (temperatura final)
Após a ignição começar a anotar a temperatura de 1 em 1 minuto
	tempo ( min )
	0
	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	8
	9
	temperatura (°C )
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Graficar Temperatura versus tempo
 T (C) temp.final
 
 Temp.inicial
 tempo
Anotar:
To = ............... °C
Tf = ................ °C
Calcular o calor gerado na combustão da substância:
Qsistema = (mbalde .cp inox + mbomba.cp inox + mH2O .cpH2O)] . (T
Sendo (T = T1 – T2 , onde (T é a variação de temperatura medida na experiência [ T1: temperatura inicial ou ambiente antes da queima e T2: a temperatura final após a queima (constante)]
Correções :
Para um resultado preciso, considera-se o calor da amostra que queimou mais o calor liberado por outras possíveis reações paralelas, como por exemplo : a queima do fio de ignição ( exotérmica) e a formação de ácido nítrico HNO3 , igualmente exotérmica. 
Então ,
Qqueimas = Qamostra + Qfio + QHNO3
Logo: o calor liberado por certa massa (m) de amostra vale : 
Qamostra = Q queima + [Qfio + QHNO3 ]
Calor liberado na queima do fio de ignição
a) comprimento inicial do fio : ............cm
b) comprimento final do fio após a queima :..............cm
Considerando que o :
Calor de combustão do fio : - 2,3 cal / cm (dado pelo fabricante)
Então :
Q liberado pela queima do fio: [ (b) – (a) ] x 2,3 cal/cm = ..........cal
Calor liberado na formação de ácido nítrico
A formação de ácido nítrico de ver-se-ia atribuir ao N2 (nitrogênio) do ar, presente dentro da bomba, que quando em atmosfera rica em oxigênio poderia formar NOx e este dissolvido na água que esta dentro da bomba formaria posteriormente ácido nitrico. 
Volume gasto de soda (NaOH) durante a dosagem de HNO3 = ...........ml
Normalidade da soda : .............N
Calor de formação do HNO3 = - 735 cal/g
Cálculo: 
Volume gasto de NaOH x Normalidade NaOH x 63 g/mol (10-3) = massa de HNO3 formado
 Mol do HNO3
 Correção de unidade de ml para litro
Calor total liberado ( Qt ) : .735 cal/g x massa de HNO3 formada: ...............cal
Resumo de correções :
- Calor de combustão do fio ( Qfio ) + Calor de formação do HNO3 ( Qác ) 
Calor final da substância corrigido :
Calor liberado na queima da amostra ( Qam ) : .....................cal 
 [Qqueima - (Qfio + Qác. nitrico )] 
Este calor Q é para “m” gramas de substância queimada, então:
 Q ...................”m” gramas de substância queimada
 x..................... 1 grama
Então se expressa o resultado do poder calorífero da substância como :
 ............................................. .......cal/g
Conclusões
Comparando-se o valor teórico esperado (rótulo do produto queimado ou outras informações sobre a amostra ) com o valor experimental, verifica-se que ..................................................................................................................................
7. Bibliografia
- “Fisicoquímica Experimental “ Manuel Urquiza
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey
México, 1965.
- “Curso de Fisicoquímica Experimental” Daniels, Alberty, etc
Mc Graw Hill, México, 1972.
-“ Práticas de Fisicoquímica “ - Busmistrova e outros , Editora Mir (MOSCOW), 1978. 
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