Calor de Combustion, guía de laboratorio

Universidad de ConcepciónFacultad de Ciencias Químicas

Asignatura: Técnicas Experimentales en la Enseñanza de la Química I

Profesor: Catherine SepúlvedaAlumnas: Claudia Altamirano, Paulina Azócar, Carina Catalán.

Guía para el profesor

Nombre: ______________________________ Curso: ______ Fecha: ______

¡Hola alumnos!En esta oportunidad estudiaremos las reacciones de combustión y el

calor de combustión a través de una actividad experimental muy

sencilla. No olvides que debes poner atención a tu profesor y seguir cada una de las instrucciones que él te dé.

“Fuego a la

vista”




Tema: Calor de combustión Nivel: 3º año medio Subsector: Química Unidad 1: Termoquímica

Al iniciar la clase, el profesor debe mencionar los objetivos de la actividad que será desarrollada.

Objetivos:

o Conocer de manera general las reacciones de combustión.o Estudiar el calor de combustión utilizando diversas sustancias como

combustible de fácil acceso.o Obtener el calor de combustión del material utilizado como combustible con

los datos experimentales.

El profesor, comenta los conocimientos que los estudiantes deben recordar para realizar esta actividad, puede realizar un pequeño resumen de estos si lo desea.

Conocimientos previos para realizar la actividad:

Sistemas termodinámicos

- Aislado- Cerrado- Abierto

Energía, trabajo y calor

Primera ley de la termodinámica

Importante:

Antes de iniciar la actividad, es necesario que el profesor recuerde las normas de seguridad que deben seguir los estudiantes:

Delantal en lo posible de algodón. Anteojos de seguridad. Calzado que cubra todo el pie. Pelo tomado para quienes lo usen largo.




No fumar, comer o beber en el laboratorio. Procure no andar de un lado a otro sin motivo y, sobre todo, no correr

dentro del laboratorio. No huela ni ingiera ningún reactivo o producto utilizado. En caso de producirse un accidente, quemadura o lesión,

comuníquelo inmediatamente al profesor.

ANTES DE COMENZAR (El profesor muestra las imágenes a sus estudiantes y les pide que las observen con mucha atención para responder las preguntas siguientes)

A partir de las imágenes responde las siguientes preguntas:

¿Qué tienen en común las imágenes?

Los alumnos deben responder que en cada una de ellas, aparece una llama de fuego




¿Qué reacción química se puede apreciar en ellas?

Los alumnos deben responder que corresponden a una reacción de combustión.

No es necesario que los alumnos respondan adecuadamente estas preguntas pues durante la clase se analizara esto. Las preguntas se realizan para identificar los conocimientos previos de sus estudiantes. A continuación, el profesor debe entregar las definiciones correspondientes:

El profesor debe entregar un ejemplo de reacción de combustión:

El profesor debe explicar a sus alumnos el metano (CH4) en estado gaseoso es el combustible, el oxígeno en estado gaseoso (O2) es el comburente y el dióxido de carbono gaseoso (CO2) más el agua son los productos de esta reacción. Si el profesor lo desea puede utilizar otros ejemplos.

Combustible+Comburente→CO2+H 2O

Es una reacción química o de combustión de tipo exotérmica, en donde una sustancia o mezcla de sustancias actúa como combustible con el oxígeno (comburente) para alcanzar la temperatura de inflamación, formando una llama, que es la masa gaseosa incandescente que emite luz y calor que está en contacto directo con el combustible.




Observa las imágenes (El profesor pide observar con mucho cuidado las llamas de cada imagen para responder las preguntas)

¿Ves siempre la misma reacción?

R: La respuesta correcta que no se observa la misma reacción.

¿Qué diferencias observas?

R: La diferencia entre estas llamas, es el color y tamaño.

¿A qué se deben?

R: Estas diferencias de coloración indican que en una de ellas hay combustión completa (llama azul) y en la otra, combustión incompleta (llama anaranjada o amarilla)

Si los alumnos no son capaces de dar las respuestas correctas, el profesor debe aclarar las diferencias entre las distintas

llamas. Además debe dar todas las características de los dos tipos de llama que se encuentran en la tabla a continuación.

Los alumnos deben completar la siguiente tabla de acuerdo a lo que ha explicado el profesor

Menciona las diferencias existentes entre combustión completa e incompleta

Combustión completa Combustión incompleta

Mucho oxígeno Poco oxígeno

Humo blanco Humo negro

Sin residuos Residuos de hollín

Llama azul Llama amarilla

Produce CO2 y H2O Produce C, CO, CO2 y H2O




Para la siguiente actividad el curso debe ser divido en grupos de acuerdo a la cantidad de estudiantes y como estime conveniente el profesor, además puede dividir el trabajo indicando que cada grupo trabajara con un combustible distinto.

El profesor da paso a la actividad experimental explicando con mucho cuidado cada paso a sus alumnos, idealmente, el profesor debería tener un ejemplo de cómo cortar la lata y como colocar la nuez en esta de acuerdo a lo que se observa en las siguientes imágenes:

(1)

(2)

(3) (4)

Imagen (1): Lata inferior; Imagen (2): Lata inferior con el combustible enganchado en un clip; Imagen (3): Sistema lata superior con agua, lata inferior cortada con combustible; Imagen (4): sistema completo dentro del calorímetro artesanal.

Materiales Procedimiento

- Latas de aluminio- Termómetro- Agua- Fósforos- Probeta de 50 [mL]- Clips- Nueces- Galletas- Suflitos - Poliestireno- Tijeras o cartonero- Alfileres

1. Con mucho cuidado, se corta completamente la parte superior de una de las latas y se le realiza una especie de puerta por un lado de la lata en la parte inferior.

2. Se agregan 50 [mL] de agua a otra lata y se mide la temperatura de esta.

3. Se masan los materiales a combustionar (galletas y nueces).

4. Se colocan en un clip (atravesado) y este en la lata cortada, cuidando que quede en el centro de esta.

5. Se coloca la lata con agua sobre esta y con mucho cuidado se enciende.

6. Una vez que el combustible se apague se toma nuevamente la temperatura del agua.

7. Al finalizar la combustión, se masa el residuo del material utilizado




Durante la actividad experimental, los alumnos deben completar la tabla de datos que se encuentra en su guía de aprendizaje. El profesor debe guiar la actividad en todo momento cuidando que no ocurra ningún accidente y aclarando dudas a sus estudiantes, pero idealmente ellos deben ser quienes realicen la actividad.

Finalizada la actividad, el profesor comenta a sus estudiantes que los distintos combustibles que utilizaron, se encuentran conformados por varios componentes:

- De la nuez, los materiales combustibles son las grasas totales (ácido oleico omega 9 y ácido linoleico omega 6), la fibra que posee y los hidratos de carbono que corresponden a la mayor parte de la nuez (86%)

- En cuanto a la galleta, utilizamos una galleta de cereal quaker, la que está compuesta principalmente de fibra (grano trigo entero, salvado), azúcar y carbohidratos.

- Del suflito, lo que se quema son los carbohidratos, aceite de maravilla

Luego de esta explicación, los alumnos completan en su guía los componentes que se queman en cada sustancia para dar paso a la segunda actividad.

El profesor explica que en esta actividad obtendrán el calor de combustión entregado por cada una de las sustancias combustibles utilizadas, para lo cual será necesario realizar algunos cálculos.

Con los datos obtenidos de temperatura del agua y masa de los combustibles se obtiene ΔT y Δm con las relaciones siguientes:

Para este cálculo, es necesario restar a la temperatura final, la tomada inicialmente:

∆𝑇= 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖El mismo cálculo se hace con la masa:

∆𝑚 = 𝑚𝑖 − 𝑚𝑓El profesor puede realizar un ejemplo de cálculo con algunos de los datos obtenidos por sus estudiantes.

Realizados estos cálculos, los alumnos deben completar la tabla que se presenta en su guía de aprendizaje.




El profesor revisa que estén los cálculos listos y explica que con la variación de temperatura del agua se puede obtener el calor que fue absorbido por el agua a través de la relación siguiente:

Donde:C = calor específico (4.184 J/gºC)ΔT = Variación de temperatura del aguam = Masa del agua (50 g)

El profesor puede dar un ejemplo con los datos obtenidos por los alumnos. Luego los alumnos realizan los cálculos correspondientes y completan la tabla que se encuentra en su guía.

Luego de realizado este cálculo, los alumnos pueden calcular el calor de combustión a través de la relación siguiente:

∆ H com=Q|¿|

m¿

Donde la masa corresponde a la masa combustionada. El resultado de este cálculo estará en [kJ/g] sin embargo si se quiere obtener una mayor rigurosidad en el cálculo, este debe realizarse por mol de compuesto combustionado, lo que no implica que este cálculo esté incorrecto. El profesor puede dar un ejemplo de este cálculo con los datos obtenidos por los alumnos. Los alumnos deben calcular el calor de combustión para cada medición y luego obtener un promedio para cada sustancia. Los datos son ordenados en una tabla que se encuentra en la guía del alumno.

El profesor debe considerar además que si desea ser más riguroso aun en los cálculos, se debe considerar la capacidad calorífica que posee el aluminio de las latas utilizadas.

Para finalizar, se realiza una recapitulación para recordar los conceptos estudiados a través de las preguntas siguientes:

1. ¿Para qué se mide la temperatura del agua?R: Se mide para saber cuánto logro calentarse el agua con la energía obtenida desde el combustible utilizado.

2. ¿Con qué instrumento se mide la temperatura?R: Un termómetro




3. ¿Quién emite calor al sistema?R: El combustible utilizado, en este caso, nuez, galleta y Suflito.

4. ¿Quién absorbe el calor emitido por el combustible?R: El agua que se encuentra en la lata superior del sistema

5. ¿Quién actúa como comburente en cada una de las reacciones que observamos?R: El oxígeno que entra por el orificio de la lata inferior.

6. ¿Por qué se cubre el sistema con un material aislante?R: Para evitar que el calor entregado por el combustible escape al ambiente y asegurarse que todo este calor será utilizado para calentar el agua.

7. ¿Cuál es el material aislante?R: Plumavit o poliestireno.

8. ¿Qué tipo de combustión se observó? ¿Completa o incompleta?R: Incompleta, la llama que se observa es de color anaranjado-amarillo.

Para finalizar, el profesor invita a sus alumnos a realizar sus propias conclusiones de acuerdo a lo aprendido y observado durante la clase.

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