Ejercicio resuelto de Entalpía · Química · Galicia · 2024

PREGUNTA 7 [2 puntos (1 punto por apartado)].
En un laboratorio se dispone de una disolución acuosa de 100 mL de HCl 2,0 M y otra de 100 mL de NaOH 2,0 M.

7.1. Calcule el valor de la entalpía de neutralización expresado en kJ/mol, cuando se mezclan ambas disoluciones, sabiendo que el incremento de temperatura que se produce es de 12 ºC. Datos: Considere despreciable la capacidad calorífica del calorímetro: calor específico(mezcla) = calor específico(agua) = 4,18 $\mathrm{J/g\ ^{0}C}$; densidades de las disoluciones del ácido y de la base = 1,0 g/mL.
7.2. Describa el procedimiento que se debe llevar a acabo indicando el material necesario para determinar la entalpía de neutralización.

$\textbf{7.1. Calcule el valor de la entalpía de neutralización expresado en kJ/mol, cuando se mezclan ambas disoluciones, sabiendo que el incremento de temperatura que se produce es de 12 °C. (1 punto)}$

La reacción es la neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte:

$\mathrm{HCl(ac)} + \mathrm{NaOH(ac)} \rightarrow \mathrm{NaCl(ac)} + \mathrm{H_2O(l)}$

El calor que desprende la reacción lo absorbe la disolución resultante y se manifiesta en su subida de temperatura. La masa de esa disolución, con densidad 1,0 g/mL y volúmenes aditivos, es:

$m = (100 + 100) \cdot 1{,}0 = 200\ \mathrm{g}$

$Q = m\,c\,\Delta T = 200 \cdot 4{,}18 \cdot 12$

$Q = 1{,}00 \cdot 10^{4}\ \mathrm{J} = 10{,}0\ \mathrm{kJ}$

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

$n(\mathrm{HCl}) = 2{,}0 \cdot 0{,}100 = 0{,}20\ \mathrm{mol}$

$n(\mathrm{NaOH}) = 2{,}0 \cdot 0{,}100 = 0{,}20\ \mathrm{mol}$

La estequiometría es 1:1 y las cantidades coinciden, así que la neutralización es completa y se forman 0,20 mol de agua. La entalpía molar es el calor por mol, con signo negativo porque el proceso es exotérmico:

$\Delta H = -\dfrac{Q}{n} = -\dfrac{10{,}0}{0{,}20}$

$\Delta H = -50{,}2\ \mathrm{kJ/mol}$

El valor tabulado es $-57{,}3$ kJ/mol; la medida se queda algo corta, como es normal en un calorímetro sencillo, porque parte del calor se pierde hacia el ambiente y hacia el propio recipiente, cuya capacidad calorífica se ha despreciado.

$\textbf{7.2. Describa el procedimiento que se debe llevar a cabo indicando el material necesario para determinar la entalpía de neutralización. (1 punto)}$

Lo que se necesita es un $\textbf{calorímetro}$, es decir, un recipiente lo más aislado posible en el que medir el cambio de temperatura que produce la reacción.

$\textbf{Material necesario}$: vaso de precipitados, material aislante para forrarlo (corcho, poliestireno expandido o tela aislante), tapa de corcho con dos orificios, termómetro de décimas de grado, varilla agitadora, dos probetas o pipetas para medir los volúmenes y un cronómetro.

$\textbf{Procedimiento}$:

i) Se forra el vaso de precipitados con el material aislante y se le adapta la tapa de corcho, atravesada por el termómetro y la varilla agitadora. Cuanto mejor sea el aislamiento, menos calor se escapa y más se acerca la medida al valor real.

ii) Se comprueba que las dos disoluciones están a la misma temperatura ambiente; si no lo estuvieran, el $\Delta T$ medido no correspondería solo a la reacción.

iii) Se miden 100 mL de la disolución de HCl 2,0 M y se vierten en el calorímetro. Se tapa y se anota la temperatura inicial cuando se estabilice.

iv) Se miden 100 mL de la disolución de NaOH 2,0 M y se añaden $\textbf{de una sola vez}$, tapando de inmediato.

v) Se agita suavemente y se anota la temperatura cada pocos segundos hasta que alcanza un máximo y comienza a descender. Ese máximo es la temperatura final: a partir de ahí lo que se mide ya es el enfriamiento hacia el ambiente.

vi) Con $\Delta T = T_{\max} - T_{\text{inicial}}$ se calcula $Q = m\,c\,\Delta T$ y se divide entre los moles de agua formados, como en el apartado anterior.

vii) Conviene repetir la experiencia tres veces y promediar, y calibrar el calorímetro con una reacción de entalpía conocida si se quiere corregir el calor que absorbe el propio recipiente.