BOMBE CALORIMÉTRIQUE 1. CHALEUR DE COMBUSTION DU CHOCOLAT

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1 Groupe E BOMBE CALORIMÉTRIQUE 1. CALEUR DE COMBUSTION DU COCOLAT 1.1 But Déterminer la chaleur de combustion du chocolat à l aide d une bombe calorimétrique (à volume constant) calibrée avec l acide benzoïque dont la chaleur de combustion est connue. 1. Théorie Lors d une réaction chimique, la variation d énergie interne équivaut à U q + w, q étant la chaleur échangée et w le travail. Ici, la réaction de combustion aura lieu dans une bombe calorimétrique, c est à dire à volume constant. Le travail (w) sera donc nul. A volume constant, U qv. La variation d enthalpie (ici de combustion) peut être reliée à la variation d énergie interne pour un gaz parait comme O par la relation suivante : U + n R T qv + n R T comb est acilement calculable d après l équation de combustion et à l aide des enthalpies de ormation grâce à la ormule suivante : n produits n réactis comb [ ] [ ] Lors de la réaction chimique à l intérieur de la bombe calorimétrique, la chaleur totale dégagée Q est égal à Q ( Kbombe + K res. + K ) T, K étant la chaleur spéciique. Il est donc important de aire le calibrage ain de déterminer la chaleur spéciique de la bombe et du réservoir pour pouvoir connaître la chaleur de combustion du chocolat. K est acilement déterminé en connaissant la masse d ajoutée à la bombe K m C (). La chaleur spéciique du réservoir et de la bombe (K ) est déterminée par le calibrage p à l acide benzoïque. La constante K ayant été déterminée, nous pouvons calculer la chaleur de combustion du chocolat qv : q v ( choc) ( K' + K T q q ) il acide nitrique Le T est déterminé graphiquement, il s agit de la diérence entre les deux tangentes tirées à partir des premiers points constants et des premiers points à nouv à température constante après la combustion de l échantillon. (voir graphiques en annexe). Le qacide nitrique est déterminé par titration en sachant que 1mL de NaCO3 1calorie dégagée

2 Groupe E Partie pratique Peser environ 0.5 grammes d acide benzoïque et mesurer 0 cm de il de Nickeline. Presser la pastille et le il et peser le tout exactement. Remplir la bombe avec 1990 grammes d distillée, placer la pastille dans la bombe calorimétrique et placer cette dernière dans l enceinte. Prendre la température en onction du temps et une ois la réaction terminée sortir la bombe et peser le il restant (non brûlé). La bombe calorimétrique est utilisée également pour amener un échantillon de chocolat à une combustion complète. L échantillon est tout d abord pesé puis entouré d un il de Nickeline, ce dernier permettra de générer l étincelle nécessaire à la combustion. L échantillon est placé dans la bombe calorimétrique, où 10 ml d ont préalablement été versés, la bombe calorimétrique sera remplie d oxygène pour éviter que l à l intérieur soit portée à ébullition. La bombe calorimétrique est alors placée dans le calorimètre et après deux minutes, les mesures de température en onction du temps commencent à être prises. 1.4 Résultats _ Les graphiques de combustion ainsi que leurs données expérimentales se trouvent en annexe La réaction de combustion de l acide benzoïque est : C76O + 17/ O _ 7 CO + 3 O On peut donc calculer l enthalpie de combustion de l acide benzoïque à l aide des enthalpies de ormation de chaque composant de la réaction chimique. ( C 7 ( O ( CO ( ) 0 kj/mol 6 O ) kj/mol ) kj/mol O) kj/mol comb [ 7 ( kj/mol) + 3 ( kj/mol) ] [ 17 / 0 kj/mol + ( kj/mol) ] 37 kj/mol Le signe «-» signiie que la combustion est exothermique. Connaissant la chaleur de combustion on peut caluler qacide. Noter que la variation de n pour les gaz est de 1.5 q q acide acide comb n gaz RT cal/mol Tabl n 1 : Calibrages de la bombe avec l acide benzoïque données expérimentales Essai 1 Essai q [cal] données expérimentales q [cal] Acide benzoïque g 3004 ± g 3001 ± 1 Fil 10 cm 14.0 ± cm 14.0 ± 0.1 NO 3 0. ml 0. ± ml 0. ± 0. K [cal/k] 1990 K' [cal/k] _T Pour _T, voir annexe à la in du rapport K' moyen [cal/k]

3 Groupe E K est la somme des chaleurs spéciiques de la bombe et du réservoir. Il est nécessaire de connaître cette somme ain de pouvoir plus tard, déterminer uniquement la chaleur dégagée par la combustion du chocolat. K a été déterminé par la ormule suivante : q K' acide + q il T + q NO3 K Valeur en du système : m K' 753 cal K -1 ( ) 1cal K g -1 ' - C 1 p 753 g Tabl n : Titrage des solutions de NO3 par NaCO3 0.03M Echantillon VNaCO3[ ml] ± 0.1 ml Calorie dégagée Choc Choc Tabl n 3 : Données et résultats de la chaleur de combustion pour le chocolat Essai 1 Essai qil [cal/cm] Lil brûlé ± 0.1 [cm] qil ± 0.14 [cal] mchocolat ± [g] qno3 ± 0. [cal] K ± 0.1 [cal/k] T ± 0.14 [K] K' moyen [cal/k] qv (choc) [cal] qv (choc) [cal/g] qv (choc) [kj/g] La chaleur moyenne de combustion du chocolat s élève à : qv moyen du chocolat [kj/g]

4 Groupe E Discussion des résultats Lors de la mesure de notre température en onction du temps, nous remarquons qu au départ, notre température reste constante, jusqu au moment ou l étincelle est provoquée. Dès lors la température augmente rapidement, pendant environs 4 minutes et se stabilise à nouv. Cela nous permet de calculer la diérence de température entre les deux seuils de température constante. Voir les graphiques en annexe. Pour le calcul d erreur de K : Posons Q qacide + qno3 + qil 3018 cal Q K' ( q ) + ( q ) + ( q ) ( 1) + ( 0.) + ( 0.1) 1 acide Q Q NO3 T + + T il ( K ) K' + + ( 0.1) cal/k K' 753 ± 100 cal/k m ' 753 ± 100 g Calcul de l erreur pour chaque chaleur de combustion du chocolat : q v (choc) ( K' ) + K ( K'+K ) ( ) + (T) T (( K'+K ) T) + q il + q NO3 q v (choc) ( ) cal q v (choc) kj/g Nous obtenons une chaleur de combustion du chocolat de 4.74 kj/g ± 1.75 kj/g. La valeur théorique de la combustion du chocolat est donnée à 3.0 kj/g, ce qui est relativement proche de notre résultat. D ailleurs, en tenant compte de la marge d erreur, la valeur théorique entre dans notre intervalle de coniance. La plus grande source d erreur provient du graphique ain d estimer la variation de température de la combustion

5 Groupe E EXERCICE Une voiture consomme 6 litres d essence pour 100 km. Si l on suppose pour simpliier que l essence est constituée de n-octane pur, calculer l énergie dégagée par la combustion. Si l on avait utilisé la même quantité d octane pour chauer 100 m 3 d d une piscine, quelle serait l augmentation de température correspondante? Formule brute de l octane : C 8 18 Réaction de combustion de l octane : C / O 8 CO + 9 O Moctane [g/mol] _octane 700 [g/l] comb (octane) [kj/mol] _ La combustion est donc exothermique comme attendue. q v n R T kj/mol Pour 6 litres d essence : m n ρ m M V g mol q n R T q q tot n l 01'56 kj J kj/mol 6 litres d essence libèrent donc une chaleur de J qui sera ournit au 100 m 3 d. La masse de 100 m 3 d est égale à g (_ g/m 3 ) Avec l équation : q mc T, on trouve la variation de température de la açon suivante : tot p T qtot mc p J g J K -1 g K La température de l augmentera de 0.48 K ( 0.48 C) Polycopié des travaux pratiques de chimie physique I Atkins, Jones, Principe de chimie, DeBoeck, SOURCES BIBLIOGRAPIQUES - 5 -

6 Groupe E Acide benzoïque 4. ANNEXES Tabl n 4 : Valeurs expérimentales de la combustion de l acide benzoïque Essai 1 Essai Température Température Beckmann Temps [s] Beckmann Temps [s] ±0.01 ±

7 Travaux pratiques de chimie physique I Groupe E Graphique n 1 & : Calcul de la variation de température due à la combustion de l acide benzoïque -7-

8 Groupe E Chocolat Tabl n 5 : Valeurs expérimentales de la combustion du chocolat Essai 1 Essai Température Température Beckmann Temps [s] Beckmann Temps [s] ±0.01 ±

9 Travaux pratiques de chimie physique I Groupe E Graphique n 3 & 4 : Calcul de la variation de température due à la combustion du chocolat -9-