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ENTALPIA DE COMBUSTÃO DE CASTANHA DO PARÁ: PROPOSTA DE EXPERIMENTO DE TERMOQUÍMICA 1

ALINE MARQUES DA SILVA2; ANA CARLA PENTEADO FELTRIN3; ANÁLIA MARIA LOPES4; CANDICE KEMMERICH5; GILMAR BENINI6; JULIETA SALDANHA DE OLIVEIRA7; MÁRCIO MARQUES MARTINS8.1 Trabalho de Pesquisa realizado na disciplina de Físico-Química IV – QMC2862-8 Curso de Química do Centro Universitário Franciscano (UNIFRA), Santa Maria, RS, BrasilE-mail:marciomm@unifra.br

RESUMO

Experimentos de termoquímica costumam exigir complexos equipamentos para serem devidamente

realizados. Esse trabalho propõe um experimento para determinar o calor de combustão de alimentos

a partir de uma montagem simples, usando apenas equipamentos e vidrarias básicas de laboratório.

O alimento usado no experimento foi a castanha-do-pará, cujo conteúdo oleoso é alto e, portanto, de

grande inflamabilidade. A castanha é presa a uma espiral de cobre, é então incendiada e posicionada

sobre um copo de Béquer contendo gelo e envolto por folhas de alumínio. A temperatura no interior

de Béquer é mantida constante por inspeção da temperatura e adição de gelo. O presente

experimento foi realizado de forma preliminar na disciplina de Físico-Química IV. O calor de

combustão foi de, respectivamente, 2619,9 cal/g e 4142,5 cal/g, contra um valor teórico de 3133,3

cal/g. Os erros experimentais encontrados foram 16,5% e 32,2%. Fatores de erro são discutidos ao

final desse trabalho.

Palavras-chave: Físico-Química; Termoquímica; Ensino de Química.

1. INTRODUÇÃOCalorimetria é uma parte da Termoquímica que permite determinar o calor envolvido

em reações químicas, mudanças de fase, etc. Uma das categorias de reações químicas que

pode ter o calor envolvido determinado experimentalmente é a combustão Ao determinar o

calor de combustão de uma substância, determina-se a quantidade de energia liberada na

queima deste na presença de oxigênio puro, em outras palavras o seu valor calórico.

As medições de valor calórico são frequentemente feitas usando uma bomba

calorimétrica. A bomba calorimétrica é um dispositivo composto por um cilindro de aço

inoxidável de paredes rígidas, o qual pode ser lacrado e preenchido com oxigênio gasoso

puro sob alta pressão. Nesse dispositivo, a amostra pesada é colocada em um recipiente

preparado para incendiar a amostra por meio de uma centelha elétrica. Ao redor da amostra,

há uma quantidade conhecida de água, a qual absorverá o calor liberado pela combustão do

alimento. A amostra incendiada na atmosfera de oxigênio puro aquece a bomba e a água

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circundante. Quando se estabelece o equilíbrio térmico, a bomba e a água terão a mesma

temperatura. Usando o princípio de conservação da energia.

Calor liberado pela combustão do alimento = calor absorvido pela água + calor

absorvido pela bomba ou, na forma da equação:

qreação = (qágua + qbomba ) (onde q é o símbolo para o calor)

O qreação, por convenção, tem um valor negativo, porque a reação de combustão é

exotérmica (ou seja, ela libera energia para a vizinhança). O qágua e o qbomba são calculados a

partir da variação de temperatura da água e da bomba calorimétrica, necessitando-se

conhecer a capacidade calorífica da água e da bomba. A soma desses termos resulta no

calor de combustão da amostra que foi usada.

A construção de uma bomba calorimétrica é complicada e demanda tempo e

dinheiro. Normalmente, não é possível dispor de tal equipamento em sala de aula, devido

aos fatores acima expostos.

O calor é a quantidade de energia que flui através da fronteira do sistema durante

uma transformação, devido a um gradiente de temperatura,isso é, uma quantidade de

energia que ‘escoa’ de um ponto a uma temperatura mais elevada para outro ponto a uma

temperatura mais baixa. Convencionou-se o sinal positivo para o calor absorvido pelo

sistema e o sinal negativo para o calor liberado pelo sistema.

Como calor é uma manifestação de energia ele é descrito na unidade como calorias

ou Joules, sendo que 1 cal = 4,184 J.

Neste trabalho, apresentamos uma proposta de experimento para a determinação do

conteúdo calórico de alimentos através de uma construção simplificada de calorímetro.

As nozes e castanhas são alimentos ideais para o desenvolvimento de experimentos

desse tipo, pois são ricos em óleos vegetais e, portanto, altamente combustíveis. Essa

característica é desejável, visto que o experimento será realizado em ambiente aberto, ao

contrário da combustão realizada em uma bomba calorimétrica com excesso de oxigênio e

em ambiente isolado, a fim de garantir a combustão completa da castanha.

3. EXPERIMENTAL

3.1.MATERIAIS

Béquer de 250 mL revestido com folha de alumínio;

Espiral de fio de cobre;

Termômetro de mercúrio (até 150ºC);

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proveta graduada ou copo de Béquer;

Agarrador de madeira

Castanha-do-pará ou outros frutos de casca rija, como amêndoas, cajus, pecans,

nozes, amendoim, etc.

gelo

3.2.DESENVOLVIMENTO

A montagem do experimento é descrita na figura 01 (abaixo):

Figura 01: Aparato usado para a determinação do calor de combustão da castanha

O Béquer a ser usado deve estar limpo e seco, a fim de evitar alterações na massa

de água obtida por derretimento do gelo.

Com uma braçadeira ajustável grande, prende-se o Béquer ao suporte universal.

A espiral de fio de cobre é usada para prender a castanha e permitir a queima

completa.

A massa da castanha deve ser medida antes de iniciar o procedimento.

O gelo deve ser adicionado ao Béquer apenas alguns instantes antes da combustão

da castanha, para evitar a formação de água líquida por derretimento natural do gelo.

Deve-se posicionar a castanha de forma que a parte superior da chama apenas

toque o fundo do Béquer a fim de permitir que o alimento queime completamente.

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Após a combustão completa da castanha, usando o agarrador de madeira, deve-se

segurar o Béquer e cuidadosamente derramar a água líquida (mas sem gelo) numa proveta

graduada. Deve-se determinar a massa de água obtida pelo derretimento do gelo.

Para eliminar a necessidade da determinação do calor específico do Béquer (que

cumpre o papel de bomba calorimétrica) é necessário que o calor liberado pela castanha

seja, o máximo possível, absorvido pelo Béquer. Para viabilizar isso, o Béquer é revestido

com uma folha de alumínio que cumpre o papel de concentrar o calor liberado pela chama

da castanha.

As demais condições experimentais são controladas para manter uma temperatura

constante e igual a 0OC dentro do Béquer.

O Béquer é preenchido com uma grande quantidade de gelo, e o derretimento do

mesmo deve ser acompanhado da renovação do gelo derretido. O operador deve monitorar

a temperatura do meio a fim de assegurar-se que a temperatura não sofre incrementos

significativos.

O calor evoluído pela combustão da castanha derrete o gelo e produz água líquida.

Enquanto há a passagem de água da forma sólida para a forma líquida, não ocorre variação

de temperatura, pois todo o calor absorvido pelo gelo é, teoricamente, usado para a

mudança de fase. Dessa forma, a quantidade de água líquida presente ao final da

combustão da castanha é proporcional ao calor liberado pela queima do alimento.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Nesta experiência, o calor é medido em calorias. Uma caloria é a quantidade de calor

necessária para elevar a temperatura de 1,0 g de água de 1ºC (ORTEGA, NETZ, 2002).

Devido ao excesso de gelo no Béquer, a temperatura do sistema deve permanecer

constante em 0ºC, assim acontecendo o derretimento do gelo em água líquida à uma

temperatura constante. O calor necessário para derreter um grama de gelo a 0ºC é

conhecido como o calor de fusão e tem um valor tabelado de 80 cal/g de água (ORTEGA,

NETZ, 2002).

Em caso de não haver acesso a uma balança eletrônica, pode-se usar o volume de

água medido na proveta para determinar a massa de água obtida usando-se a aproximação

1,0 mL H2O = 1,0 g H2O.

O calor produzido por combustão do amendoim é calculado através da equação:

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qcastanha = mágua x 80 cal/g,

onde:

qcastanha = calor produzido pela castanha (em calorias)

mágua = massa de água em g

80 cal/g = calor de fusão do gelo (o calor necessário para derreter um grama de gelo)

O experimento foi realizado em duplicata. Na primeira tentativa, o controle sobre a

temperatura do meio foi rigorosa. Na segunda tentativa, o controle da temperatura interna

não foi tão criterioso. A descrição dos resultados obtidos é feita a seguir:

Tentativa 1:

mcastanha = 2,749 g

mH2O = 89,725 g

qcastanha = (89,725 g x 80 cal/g) = 7194 cal

Cálculo da massa de castanha que efetivamente sofreu combustão:

mcastanha,inicial - mcastanha,final = 2,749 g – 0,270 g = 2,479 g

Cálculo do calor liberado por grama de castanha:

2,479 g castanha -------------------- 7194 cal

1,000 g castanha -------------------- q

q = 2616,9 cal/g

Consultando as informações nutricionais do fabricante da castanha:

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Figura 01: Informações nutricionais da castanha-do-pará

O conteúdo energético de 15,0 g de castanha é de 47000 cal. Dividindo 47000 cal por 15 g

retorna um valor de 3133,3 cal/g. Esse é o valor que nosso experimento deve reproduzir.

Comparação do dado experimental com o dado “teórico”:

3133,3 cal ----------------------- 100%

2616,9 cal ----------------------- X

X= 83,52% (erro relativo de 16,5%)

Tentativa 2:

Nessa segunda realização do experimento, a temperatura dentro do Béquer subiu a

10OC e não foi realizada uma limpeza adequada do mesmo. O fundo do Béquer estava sujo

de fuligem proveniente da queima anterior de castanha. Esses dois fatores contribuíram

para um erro experimental maior.

mcastanha = 2,367 g

mH2O = 112,884 g

qcastanha = (112,884 g x 80 cal/g) = 9030,72 cal

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Cálculo da massa de castanha que efetivamente sofreu combustão:

mcastanha,inicial - mcastanha,final = 2,367 g – 0,187 g = 2,180 g

Cálculo do calor liberado por grama de castanha:

2,180 g castanha -------------------- 9030,72 cal

1,000 g castanha -------------------- q

q = 4142,5 cal/g

Comparação do dado experimental com o dado “teórico”:

3133,3 cal ----------------------------- 100%

4142,5 cal ----------------------------- X

X= 132,20% (erro relativo de +32,2%)

.

Os valores obtidos nos cálculos de calor liberado pela castanha estão quase que de

acordo com as informações nutricionais do fabricante, sendo a primeita tentativa com menor

erro relativo de 16,5%, e a segunda com mair de 32,20%. Baseando-se que o experimento

foi realizado sem o devido isolamento térmico e sem o ambiente controlado provido por uma

bomba calorimétrica.

5. CONCLUSÃO

Os dados experimentais de calor de combustão da castanha (2616,9 cal/g e 4142,5

cal/g) comparado com as informações nutricionais fornecidas pelo fabricante (3133,3 cal/g),

mostram através dos cálculo de erro experimental (16,5% e 32,20%) um erro experimental

aceitável.

Alguns fatores podem ser enunciados como possíveis fontes de erro e que afastaram

os valores experimentais dos valores esperados:

1) A combustão é realzada em ambiente aberto, parte do calor de combustão

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escapa para a vizinhança e não é usado no aquecimento do Béquer e do gelo.

2) A falta de controle sobre a temperatura interna do Béquer durante a combustão

da castanha leva a um derretimento excessivo de gelo, o que influencia

negativamente o cálculo de calor de combustão.

3) A adição de gelo previamente derretido também mascara a quantidade de calor

liberada pela queima da castanha.

4) A premissa de que o calor absorvido pelo Béquer é desprezível é parcialmente

verdadeira. Parte do calor liberado pela combustão é absorvido por ele e reduz a

quantidade de água ao final do processo de combustão. O revestimento do

Béquer com alumínio apenas minimiza a perda de calor para a vizinhança e para

o Béquer.

5) A quantidade de água formada pelo derretimento do gelo pode, ainda, ser

mascarada pela absorção de calor do meio.

Tendo-se em vista todos esses fatores de erro levantados, pode-se dizer que o

experimento proposto mostrou-se bastante adequado para a determinação do calor de

combustão de alimentos.

Como perspectivas futuras, novas determinações de calor de combustão envolvendo

a castanha e outros alimentos serão realizadas a fim de determinar com maior precisão a

validade do método.

Se a exigência de precisão não for tão alta, pode-se adotar essa metodologia sem

maiores preocupações.

A técnica descrita, por ser de baixo custo e de fácil execução, é adequada para uso

em aulas experimentais de disciplinas de Físico-Química de nível superior e médio.

REFERÊNCIAS

ORTEGA, George Gonzáles; NETZ, Paulo A. Fundamentos de Físico-Química,

Uma abordagem conceitual para ciências farmacêuticas. 1ªed. São Paulo:

ARTMED, 2002.

KATZ, David A., Energy of a peanut: an experiment in calorimetry, <

http://www.chymist.com/energy%20of%20a%20peanut.pdf>, acessado em

22/09/2010