Ejercicio resuelto de Termoquímica · Química · Galicia · 2025

PREGUNTA 1. DESTREZAS BÁSICAS DE LA QUÍMICA / REACCIONES QUÍMICAS (2,5 puntos)

Suponga que usted trabaja en el departamento de emergencias de una fábrica que emplea ácido clorhídrico (HCl) en el proceso de producción, y debe elaborar un procedimiento para neutralizar el ácido en caso de derrame accidental, para lo que dispone de una gran cantidad de disolución de hidróxido sódico (NaOH) en el almacén de la fábrica. La reacción entre ambas sustancias genera un producto inocuo; ${\text{HCl}}_{(aq)}+{\text{NaOH}}_{(aq)}\to {\text{NaCl}}_{(aq)}+{\text{H}}_2{\text{O}}_{(l)}$. Sin embargo, usted sabe que al mezclar directamente un ácido y una base fuertes se desprende gran cantidad de calor que podría elevar la temperatura del derrame hasta límites peligrosos. Por ello, es importante cuantificar el calor desprendido en el proceso de neutralización teniendo en cuenta las condiciones de trabajo en la fábrica: todos los productos se almacenan a 25 °C en disolución; la concentración de la disolución de NaOH es 1 M y la del HCl 2 M.

1.1. Diseñe un aparato para determinar, de forma aproximada, la entalpía de la reacción de neutralización del HCl con el NaOH en las condiciones del supuesto vertido, a 25 °C. Para llevar a cabo el diseño debe escoger el material que considere más apropiado de entre el que se indica a continuación, y describir cómo sería el procedimiento que realizaría para determinar la entalpía en el dispositivo diseñado. Material: vaso de precipitados, tela aislante, tapón de corcho del tamaño del vaso de precipitados, termómetro, tijeras, punzón para hacer agujeros, matraz aforado, tapón de vidrio del tamaño del matraz aforado, bureta, probeta, vara agitadora y cinta adhesiva. (1 punto)

1.2. Suponga que llevó a cabo un experimento para determinar la entalpía de la reacción de neutralización con el aparato que diseñó, empleando 100 mL de la disolución de HCl y 200 mL de la disolución de NaOH, y obtuvo los resultados mostrados en la Tabla I. A partir de estos datos calcule la entalpía de neutralización molar en las condiciones de trabajo de la fábrica. (1 punto)

Tabla I	Tiempo (segundos)	Temperatura (°C) 0	25,00 15	30,16 30	34,19 45	34,18 60	34,16

Nota: considere que la densidad de la disolución resultante de mezclar el ácido con la base es $1\mathrm{g}\mathrm{/}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$, que su capacidad calorífica es igual a la del agua, $\mathrm{4,18}\mathrm{J}\mathrm{/}\mathrm{g}{}^{\circ }\mathrm{C}$, y que los volúmenes son aditivos. Desprecie la capacidad calorífica del calorímetro.

1.3. En el caso de un vertido accidental se trabajaría con grandes volúmenes de ácido y base. ¿Alteraría este hecho la temperatura máxima que podría alcanzar la mezcla de neutralización? Teniendo esto en cuenta, discuta razonadamente si considera que este sería un buen método de neutralización. (0,5 puntos)

$\mathbf{\text{1.1.}}\mathbf{\text{Dise}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{e}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{aparato}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{determinar,}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{forma}}\mathbf{\text{aproximada,}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{entalp}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{neutralizaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{HCl}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{NaOH}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{condiciones}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{supuesto}}\mathbf{\text{vertido,}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{25}}\mathbf{\text{°C.}}\mathbf{\text{Para}}\mathbf{\text{llevar}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{cabo}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{dise}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{debe}}\mathbf{\text{escoger}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{material}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{considere}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{apropiado}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{entre}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{indica}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{continuaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n,}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{describir}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{ser}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{procedimiento}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{realizar}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{determinar}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{entalp}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{dispositivo}}\mathbf{\text{dise}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{ado.}}\mathbf{\text{Material:}}\mathbf{\text{vaso}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{precipitados,}}\mathbf{\text{tela}}\mathbf{\text{aislante,}}\mathbf{\text{tap}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{corcho}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{tama}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{vaso}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{precipitados,}}\mathbf{\text{term}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{metro,}}\mathbf{\text{tijeras,}}\mathbf{\text{punz}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{hacer}}\mathbf{\text{agujeros,}}\mathbf{\text{matraz}}\mathbf{\text{aforado,}}\mathbf{\text{tap}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{vidrio}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{tama}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{matraz}}\mathbf{\text{aforado,}}\mathbf{\text{bureta,}}\mathbf{\text{probeta,}}\mathbf{\text{vara}}\mathbf{\text{agitadora}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{cinta}}\mathbf{\text{adhesiva.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

El aparato que se pide es un $\mathbf{\text{calor}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{metro}}$ sencillo, es decir, un recipiente lo más aislado posible dentro del cual se mide el cambio de temperatura que produce la reacción. Todo el calor que la reacción libera debe quedarse dentro y calentar la propia disolución.

$\mathbf{\text{Material}}\mathbf{\text{elegido}}$, de entre el de la lista:

i) El $\mathbf{\text{vaso}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{precipitados}}$, que será el recipiente de reacción. Se descarta el matraz aforado porque su cuello estrecho impide agitar y tomar la temperatura.

ii) La $\mathbf{\text{tela}}\mathbf{\text{aislante}}$, con la que se forra el vaso por fuera, sujeta con la $\mathbf{\text{cinta}}\mathbf{\text{adhesiva}}$, para reducir las pérdidas de calor al ambiente.

iii) El $\mathbf{\text{tap}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{corcho}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{tama}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{vaso}}$, que hace de tapa. Se elige el de corcho y no el de vidrio por dos razones: el de vidrio no encaja en el vaso, sino en el matraz, y además el corcho es mal conductor del calor, que es justo lo que interesa.

iv) Las $\mathbf{\text{tijeras}}$ para cortar la tela y el $\mathbf{\text{punz}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}$ para hacer dos agujeros en el tapón.

v) Por un agujero se introduce el $\mathbf{\text{term}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{metro}}$, con el bulbo sumergido en el líquido; por el otro, la $\mathbf{\text{vara}}\mathbf{\text{agitadora}}$.

vi) La $\mathbf{\text{probeta}}$ para medir los volúmenes de las dos disoluciones. La bureta no hace falta: aquí no se valora nada, solo se añade un volumen fijo de una vez.

$\mathbf{\text{Procedimiento}}$:

i) Se comprueba que las dos disoluciones están a 25 °C, la temperatura de almacenamiento en la fábrica.

ii) Con la probeta se miden 200 mL de NaOH 1 M y se vierten en el vaso ya forrado. Se tapa, se introducen termómetro y agitador y se anota la temperatura inicial.

iii) Con la probeta se miden 100 mL de HCl 2 M y se añaden de golpe al vaso, tapando inmediatamente.

iv) Se agita suavemente y se anota la temperatura $\mathbf{\text{cada}}\mathbf{\text{pocos}}\mathbf{\text{segundos}}$ hasta que alcanza un máximo y empieza a bajar. Ese máximo es la temperatura final; a partir de ahí lo que se mide ya es el enfriamiento hacia el ambiente.

v) Con $\mathrm{\Delta }T=T_{\max }-T_{\text{inicial}}$ se calcula el calor absorbido por la disolución, $Q=mc\mathrm{\Delta }T$, y se divide entre los moles de agua formados para obtener la entalpía molar.

Los volúmenes elegidos no son arbitrarios: 100 mL de HCl 2 M aportan los mismos moles que 200 mL de NaOH 1 M, de modo que la neutralización es completa y no sobra ácido ni base.

$\mathbf{\text{1.2.}}\mathbf{\text{Suponga}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{llev}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{cabo}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{experimento}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{determinar}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{entalp}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{neutralizaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{aparato}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{dise}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{,}}\mathbf{\text{empleando}}\mathbf{\text{100}}\mathbf{\text{mL}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{disoluci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{HCl}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{200}}\mathbf{\text{mL}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{disoluci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{NaOH,}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{obtuvo}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{resultados}}\mathbf{\text{mostrados}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{Tabla}}\mathbf{\text{I.}}\mathbf{\text{A}}\mathbf{\text{partir}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{estos}}\mathbf{\text{datos}}\mathbf{\text{calcule}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{entalp}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{neutralizaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{molar}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{condiciones}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{trabajo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{f}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{brica.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

De la tabla se toma la temperatura $\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{xima}}$, que es la de los 30 s; a partir de ahí la mezcla ya se está enfriando (34,18 y 34,16 °C):

$\mathrm{\Delta }T=\mathrm{34,19}-\mathrm{25,00}=\mathrm{9,19}{}^{\circ }\mathrm{C}$

La masa que se calienta es la de la disolución resultante. Como los volúmenes son aditivos y la densidad es 1 g/cm³:

$V=100+200=300\mathrm{m}\mathrm{L}\Rightarrow m=300\cdot 1=300\mathrm{g}$

El calor que absorbe esa disolución es el que ha liberado la reacción:

$Q=mc\mathrm{\Delta }T=300\cdot \mathrm{4,18}\cdot \mathrm{9,19}$

$Q=\mathrm{1,15}\cdot {10}^4\mathrm{J}=\mathrm{11,5}\mathrm{k}\mathrm{J}$

Faltan los moles de reacción. Se comprueba primero que ninguno de los dos reactivos está en exceso:

$n(\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l})=2\cdot \mathrm{0,100}=\mathrm{0,200}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$

$n(\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H})=1\cdot \mathrm{0,200}=\mathrm{0,200}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$

La estequiometría es 1:1 y las cantidades coinciden, así que reaccionan por completo y se forman 0,200 mol de agua. La entalpía molar de neutralización es el calor por mol, con signo negativo porque el proceso desprende calor:

$\mathrm{\Delta }H=-{\displaystyle \frac{Q}{n}}=-{\displaystyle \frac{\mathrm{11,5}}{\mathrm{0,200}}}$

$\mathrm{\Delta }H=-\mathrm{57,6}\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{/}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$

La neutralización desprende unos 57,6 kJ por cada mol de agua formada. El valor tabulado para un ácido fuerte con una base fuerte es $-\mathrm{57,3}$ kJ/mol, así que la medida es muy buena: en realidad, sea cual sea el ácido y la base fuertes que se usen, la reacción que ocurre es siempre la misma, ${\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

$\mathbf{\text{1.3.}}\mathbf{\text{En}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{caso}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{vertido}}\mathbf{\text{accidental}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{trabajar}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{grandes}}\mathbf{\text{vol}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{menes}}\mathbf{\text{de}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{base.}}\mathbf{\text{¿Alterar}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{este}}\mathbf{\text{hecho}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{xima}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{podr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{alcanzar}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{mezcla}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{neutralizaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n?}}\mathbf{\text{Teniendo}}\mathbf{\text{esto}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{cuenta,}}\mathbf{\text{discuta}}\mathbf{\text{razonadamente}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{considera}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{este}}\mathbf{\text{ser}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{buen}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{todo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{neutralizaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

$\mathbf{\text{No}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{alterar}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a.}}$ Conviene verlo con la fórmula en lugar de por intuición. Si se multiplican los volúmenes por un factor $k$ sin cambiar las concentraciones, se multiplican por $k$ tanto los moles que reaccionan como la masa de disolución que hay que calentar:

$\mathrm{\Delta }T={\displaystyle \frac{Q}{mc}}={\displaystyle \frac{\mathrm{\mid }\mathrm{\Delta }H\mathrm{\mid }n}{mc}}={\displaystyle \frac{\mathrm{\mid }\mathrm{\Delta }H\mathrm{\mid }nk}{mck}}$

El factor $k$ se simplifica. La temperatura máxima $\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{depende}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{escala}}$, sino de las concentraciones: con estas disoluciones la mezcla subirá siempre unos 9 °C, hasta unos 34 °C, se trate de 300 mL o de 300 L.

Ahora bien, de ahí no se sigue que el método sea recomendable. Un aumento de 9 °C es asumible, pero el razonamiento anterior también avisa de lo contrario: si el derrame fuera de ácido más concentrado, el salto térmico crecería en la misma proporción y sí podría llegar a ser peligroso. Y hay un factor que juega en contra al aumentar la escala: en un volumen grande la superficie por unidad de volumen es menor, así que el calor se disipa peor y la temperatura alta se mantiene durante mucho más tiempo.

A esto se añade que el NaOH es una base fuerte y muy corrosiva, de manera que un exceso mal calculado sustituye un problema por otro.

Por todo ello el método no es el más adecuado. Es preferible diluir primero el derrame con abundante agua, lo que reduce la concentración y con ella el salto de temperatura, y neutralizar después con una base débil como el carbonato o el hidrogenocarbonato de sodio: la reacción es mucho menos exotérmica, el producto no es cáustico y un exceso de reactivo no supone ningún riesgo.