Thermochimie : Bombe calorimétrique

Transcription

1 I But de l expérience Thermochimie : Bombe calorimétrique Le but de cette expérience, est de déterminer la chaleur de combustion du chocolat et de l huile, à volume constant. Dans un premier temps, la bombe calorimétrique est calibrée, à l aide d une pastille d acide benzoïque, de chaleur de combustion connue. Enfin, on réalise la mesure avec le chocolat, deux fois pour plus précision. II Partie théorique Dans cette expérience, on mesure la quantité de chaleur produite par la combustion de diverses substances. Puisque cette chaleur est conservée, on utilise l équation ci- dessous reliant les propriétés thermodynamiques des échantillons analysés. Q=(K bombe +K reservoir +K eau ) T =qv +q Q = chaleur totale dégagée par la combustion qv = chaleur de combustion de l échantillon q = chaleur de combustion du fil de nickeline K x = chaleur spécifique de «x» La chaleur dégagée est ainsi confinée dans la bombe calorimétrique, se qui se traduit par une augmentation de température du milieu ( T). Cependant, avant toutes mesures, la bombe doit être calibrée, c est- à- dire que K (ci- dessous) doit être déterminé. Pour ce faire, on procède à la combustion d une substance (en l occurrence une pastille d acide benzoique) dont la chaleur de combustion est connue. Ainsi, K = K bombe + K reservoir = (qv + q)/ T K eau Avec K eau = m eau C p,eau Une fois K déterminé, on peut procéder à la combustion de l échantillon et apprécié sa chaleur de combustion selon l équation réadaptée de la manière suivante : qv = (K bombe + K reservoir + K eau ) T q = (K + K eau ) T - q - 1 -

2 III Mode opératoire : 1) Appareillage La bombe calorimétrique, récipient indéformable est placée dans une enceinte calorimétrique rempli d eau. Celle- ci est munie d un thermomètre ainsi qu un agitateur pour homogénéiser la température. La bombe est aussi reliée à un générateur de courant. 2) Manipulation Tout d abord, 2000g d eau est placé dans l enceinte calorimétrique, à une température de 23 C. Ensuite, la bombe calorimétrique est calibrée avec une pastille d acide benzoïque. La pastille est préalablement pesée et attachée à un fil de nickéline (pesé préalablement), le tout fixé à l intérieur de la bombe calorimétrique. 10mL d eau est ajouté à la bombe calorimétrique, puis celle- ci est fermée et de l oxygène est ajouté jusqu'à une pression de 30 atm. La bombe est ensuite reliée à un générateur de courant (grâce aux bornes situées sur le couvercle de la bombe), puis placée dans l enceinte calorimétrique. Durant les 5 premières minutes, nous avons laissé la température se stabiliser. Puis le courant est déclenché, ce qui induit la combustion du produit. La température est alors relevée toutes les 15 seconds pendant 10 minutes. La combustion est alors terminée, la bombe est donc extrait de l enceinte, puis ouverte en la remettant à la pression extérieure. Les restes de fil et de produit qui n ont pas brulé, sont alors pesés et appréciés. On réalise cette même manipulation une fois de plus, pour calibrer avec plus de précision notre bombe calorimétrique. Puis, on procède de la même façon, en remplaçant la pastille d acide benzoïque par du chocolat, pour pouvoir déterminer ça chaleur de combustion (en faisant deux fois l expérience pour une meilleure appréciation des résultats)

3 Enfin, toujours en respectant la même procédure, on détermine la chaleur de combustion de l huile, en plaçant le liquide dans une capsule. On effectue deux fois l expérience, une fois avec la capsule seule et une fois avec l huile et la capsule pour soustraire à la chaleur de combustion du tout, la chaleur de combustion de la capsule, et ainsi déterminé celle de l huile. IV Calibrage de la bombe calorimétrique La combustion de l acide benzoïque (dont la chaleur de combustion est connue), nous permet de calibrer la bombe calorimétrique, on obtient les résultats suivants : Acide benzoïque 1 Acide benzoïque 1 m échantillon [g]: m fil [g]: m tot. [g]: m seau vide [g]: 820 m fil restant [g]: m eau [g]: 2002 Ta [K]: a [s]: 300 r1: 1.48E- 05 Tb [K]: b [s]: 390 r2: 4.36E- 05 Tc [K]: c [s]: 600 ΔT [K]: 2.42E+00 C eau [J/gK]: 4.18 C a. benzoïque [kj/g]: C fil [KJ/g]: 5.85 K eau [J/k]: Q a. benzoïque [KJ]: Q fil:[kj]: 0.06 K'1: 2.33 Acide benzoïque 2 ΔT [K]: 2.56 K'2: 2.29 Acide benzoïque 2 K' moyen: temps [s]

4 V Résultats des expériences 1) Le Chocolat Chocolat 1 ΔT [K]: 2.45 Q choc. [KJ] : Q choc. massique [KJ/g]: Chocolat 1 Chocolat 2 ΔT [K]: 2.43 Q choc. [KJ] : Q choc. massique [KJ/g]: Pratique : Q choc. massique moyen [KJ/g] : Théorique* : Q chocolat [KJ/g] : 22.9 Différence [%] 0.6 *sur Chocolat 2 2) L huile Capsule vide : Capsule vide ΔT: 0.58 Q capsule [KJ] 6.11 Q massique caps. [KJ/g]

5 Capsule avec huile ΔT: 0.58 Q capsule+huile [KJ] Capsule avec huile Q huile [KJ] Q massique huile [KJ/g] VI Discussion des résultats et conclusion En ce qui concerne le chocolat, la valeur obtenue est très proche (0.6% d erreur) de la valeur de la littérature (donnée par le fabricant), de plus nos deux expériences ont donné des résultats semblables. On peut donc dire que notre expérience s est bien déroulée. Pour l huile, nous n avons pas de valeur de comparaison, cependant, il s agissait d huile d olive dont la valeur nutritionnelle est environ de 35KJ/g, ce qui reste dans le même ordre de grandeur. Nous nous étions basés sur les valeurs obtenues par des collègues pour l huile avec la capsule. Nous pouvons donc dire que dans l ensemble les expériences que nous avons menées, ont bien fonctionné et nous avons pu nous familiariser avec cette méthode d analyse permettant de mesurer une enthalpie de combustion. VII Bibliographie - Hans Hagemann, Protocole des travaux pratiques de chimie physique I, (2011), p Andreas Hauser & Hans Hagemann, Polycopié de chimie physique I, (2011) - David R. Lide, Handbook of Chemistry and Physics, ( ) - 5 -

6 VIII Exercices Une voiture consomme 6 litres d essence pour 100 km. Si l on suppose pour simplifier 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 chauffer 100 m 3 d eau d une piscine, quelle serait l augmentation de température correspondante? ρ octane = 703 g/l H comb (octane) = kj/g Ainsi, pour 6 litre d octane on a : M octane = (6 L)(703 g/l) = 4218 g octane Qv = (4218 g)(47.84 kj/g) = 201,9 MJ = J (pour 6 L d octane) La chaleur nécessaire pour chauffer 100 m3 d eau est : Q = m eau C p,eau T Avec : m eau = 10 6 g/m m 3 = 10 8 g et C p,eau = J/(g K) Ainsi : T = Qv / ( C p,eau m eau ) = 0.48 K = 0.48 C - 6 -