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Química 2ed

5.2 Calorimetría

Química 2ed5.2 Calorimetría

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Índice
  1. Prefacio
  2. 1 Ideas esenciales
    1. Introducción
    2. 1.1 La química en su contexto
    3. 1.2 Fases y clasificación de la materia
    4. 1.3 Propiedades físicas y químicas
    5. 1.4 Mediciones
    6. 1.5 Incertidumbre, exactitud y precisión de las mediciones
    7. 1.6 Tratamiento matemático de los resultados de las mediciones
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  3. 2 Átomos, moléculas e iones
    1. Introducción
    2. 2.1 Las primeras ideas de la teoría atómica
    3. 2.2 Evolución de la teoría atómica
    4. 2.3 Estructura atómica y simbolismo
    5. 2.4 Fórmulas químicas
    6. 2.5 La tabla periódica
    7. 2.6 Compuestos iónicos y moleculares
    8. 2.7 Nomenclatura química
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  4. 3 Composición de sustancias y soluciones
    1. Introducción
    2. 3.1 La fórmula de masa y el concepto de mol
    3. 3.2 Determinación de fórmulas empíricas y moleculares
    4. 3.3 Molaridad
    5. 3.4 Otras unidades para las concentraciones de las soluciones
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  5. 4 Estequiometría de las reacciones químicas
    1. Introducción
    2. 4.1 Escritura y balance de ecuaciones químicas
    3. 4.2 Clasificación de las reacciones químicas
    4. 4.3 Estequiometría de la reacción
    5. 4.4 Rendimiento de la reacción
    6. 4.5 Análisis químico cuantitativo
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  6. 5 Termoquímica
    1. Introducción
    2. 5.1 Conceptos básicos de energía
    3. 5.2 Calorimetría
    4. 5.3 Entalpía
    5. Términos clave
    6. Ecuaciones clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  7. 6 Estructura electrónica y propiedades periódicas de los elementos
    1. Introducción
    2. 6.1 Energía electromagnética
    3. 6.2 El modelo de Bohr
    4. 6.3 Desarrollo de la teoría cuántica
    5. 6.4 Estructura electrónica de los átomos (configuraciones de electrones)
    6. 6.5 Variaciones periódicas de las propiedades de los elementos
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  8. 7 Enlace químico y geometría molecular
    1. Introducción
    2. 7.1 Enlace iónico
    3. 7.2 Enlace covalente
    4. 7.3 Símbolos y estructuras de Lewis
    5. 7.4 Cargas formales y resonancia
    6. 7.5 Fuerza de los enlaces iónicos y covalentes
    7. 7.6 Estructura molecular y polaridad
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  9. 8 Teorías avanzadas del enlace covalente
    1. Introducción
    2. 8.1 Teoría de enlace de valencia
    3. 8.2 Orbitales atómicos híbridos
    4. 8.3 Enlaces múltiples
    5. 8.4 Teoría de los orbitales moleculares
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  10. 9 Gases
    1. Introducción
    2. 9.1 Presión del gas
    3. 9.2 Relaciones entre presión, volumen, cantidad y temperatura: la ley de los gases ideales
    4. 9.3 Estequiometría de sustancias gaseosas, mezclas y reacciones
    5. 9.4 Efusión y difusión de los gases
    6. 9.5 La teoría cinético-molecular
    7. 9.6 Comportamiento no ideal de los gases
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  11. 10 Líquidos y sólidos
    1. Introducción
    2. 10.1 Fuerzas intermoleculares
    3. 10.2 Propiedades de los líquidos
    4. 10.3 Transiciones de fase
    5. 10.4 Diagramas de fase
    6. 10.5 El estado sólido de la materia
    7. 10.6 Estructuras de red en los sólidos cristalinos
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  12. 11 Soluciones y coloides
    1. Introducción
    2. 11.1 El proceso de disolución
    3. 11.2 Electrolitos
    4. 11.3 Solubilidad
    5. 11.4 Propiedades coligativas
    6. 11.5 Coloides
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  13. 12 Cinética
    1. Introducción
    2. 12.1 Tasas de reacciones químicas
    3. 12.2 Factores que afectan las tasas de reacción
    4. 12.3 Leyes de velocidad
    5. 12.4 Leyes de tasas integradas
    6. 12.5 Teoría de colisiones
    7. 12.6 Mecanismos de reacción
    8. 12.7 Catálisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  14. 13 Conceptos fundamentales del equilibrio
    1. Introducción
    2. 13.1 Equilibrio químico
    3. 13.2 Constantes de equilibrio
    4. 13.3 Equilibrios cambiantes: el principio de Le Châtelier
    5. 13.4 Cálculos de equilibrio
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  15. 14 Equilibrios ácido-base
    1. Introducción
    2. 14.1 Ácidos y Bases de Brønsted-Lowry
    3. 14.2 pH y pOH
    4. 14.3 Fuerza relativa de los ácidos y las bases
    5. 14.4 Hidrólisis de sales
    6. 14.5 Ácidos polipróticos
    7. 14.6 Tampones
    8. 14.7 Titulaciones ácido-base
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  16. 15 Equilibrios de otras clases de reacción
    1. Introducción
    2. 15.1 Precipitación y disolución
    3. 15.2 Ácidos y Bases de Lewis
    4. 15.3 Equilibrios acoplados
    5. Términos clave
    6. Ecuaciones clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  17. 16 Termodinámica
    1. Introducción
    2. 16.1 Espontaneidad
    3. 16.2 Entropía
    4. 16.3 La segunda y la tercera ley de la termodinámica
    5. 16.4 Energía libre
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  18. 17 Electroquímica
    1. Introducción
    2. 17.1 Repaso de química redox
    3. 17.2 Celdas galvánicas
    4. 17.3 Potenciales del electrodo y de la celda
    5. 17.4 Potencial, energía libre y equilibrio
    6. 17.5 Baterías y pilas de combustible
    7. 17.6 Corrosión
    8. 17.7 Electrólisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  19. 18 Metales representativos, metaloides y no metales
    1. Introducción
    2. 18.1 Periodicidad
    3. 18.2 Incidencia y preparación de los metales representativos
    4. 18.3 Estructura y propiedades generales de los metaloides
    5. 18.4 Estructura y propiedades generales de los no metales
    6. 18.5 Incidencia, preparación y compuestos de hidrógeno
    7. 18.6 Incidencia, preparación y propiedades de los carbonatos
    8. 18.7 Incidencia, preparación y propiedades del nitrógeno
    9. 18.8 Incidencia, preparación y propiedades del fósforo
    10. 18.9 Incidencia, preparación y compuestos del oxígeno
    11. 18.10 Incidencia, preparación y propiedades del azufre
    12. 18.11 Incidencia, preparación y propiedades de los halógenos
    13. 18.12 Incidencia, preparación y propiedades de los gases nobles
    14. Términos clave
    15. Resumen
    16. Ejercicios
  20. 19 Metales de transición y química de coordinación
    1. Introducción
    2. 19.1 Incidencia, preparación y propiedades de los metales de transición y sus compuestos
    3. 19.2 Química de coordinación de los metales de transición
    4. 19.3 Propiedades espectroscópicas y magnéticas de los compuestos de coordinación
    5. Términos clave
    6. Resumen
    7. Ejercicios
  21. 20 Química orgánica
    1. Introducción
    2. 20.1 Hidrocarburos
    3. 20.2 Alcoholes y éteres
    4. 20.3 Aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres
    5. 20.4 Aminas y amidas
    6. Términos clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  22. 21 Química nuclear
    1. Introducción
    2. 21.1 Estructura y estabilidad nuclear
    3. 21.2 Ecuaciones nucleares
    4. 21.3 Decaimiento radiactivo
    5. 21.4 Transmutación y energía nuclear
    6. 21.5 Usos de los radioisótopos
    7. 21.6 Efectos biológicos de la radiación
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  23. A La tabla periódica
  24. B Matemáticas esenciales
  25. C Unidades y factores de conversión
  26. D Constantes físicas fundamentales
  27. E Propiedades del agua
  28. F Composición de los ácidos y las bases comerciales
  29. G Propiedades termodinámicas estándar de determinadas sustancias
  30. H Constantes de ionización de los ácidos débiles
  31. I Constantes de ionización de las bases débiles
  32. J Productos de solubilidad
  33. K Constantes de formación de iones complejos
  34. L Potenciales de electrodos estándar (media celda)
  35. M Semivida de varios isótopos radiactivos
  36. Clave de respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
    17. Capítulo 17
    18. Capítulo 18
    19. Capítulo 19
    20. Capítulo 20
    21. Capítulo 21
  37. Índice

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Explicar la técnica de la calorimetría
  • Calcular e interpretar el calor y las propiedades relacionadas utilizando los datos típicos de la calorimetría

Una de las técnicas que podemos utilizar para medir la cantidad de calor que interviene en un proceso químico o físico se conoce como calorimetría. La calorimetría se utiliza para medir las cantidades de calor transferidas hacia o desde una sustancia. Para ello, se intercambia el calor con un objeto calibrado (calorímetro). El cambio de temperatura medido por el calorímetro se utiliza para obtener la cantidad de calor transferida por el proceso estudiado. La medición de la transferencia de calor utilizando este enfoque requiere la definición de un sistema (la sustancia o sustancias que sufren el cambio físico o químico) y su entorno (todas las demás materias, incluidos los componentes del aparato de medición, que sirven para proporcionar calor al sistema o absorberlo).

Un calorímetro es un dispositivo que se utiliza para medir la cantidad de calor que interviene en un proceso químico o físico. Por ejemplo, cuando se produce una reacción exotérmica en una solución en un calorímetro, el calor producido por la reacción es absorbido por la solución, lo que aumenta su temperatura. Cuando se produce una reacción endotérmica, el calor necesario se absorbe de la energía térmica de la solución, lo que disminuye su temperatura (Figura 5.11). El cambio de temperatura, junto con el calor específico y la masa de la solución, puede utilizarse entonces para calcular la cantidad de calor implicada en ambos casos.

Se muestran dos diagramas etiquetados como a y b. Cada uno está formado por dos recipientes rectangulares con un termómetro insertado en la parte superior derecha y que se extiende hacia el interior. Hay una flecha orientada a la derecha que conecta cada cuadro en cada diagrama. El recipiente de la izquierda en el diagrama a representa una solución en remolino de color rosa y verde con los términos "Proceso exotérmico" y "Sistema" escritos en el centro con flechas que se alejan de los términos y apuntan a "q". Las etiquetas "Solución" y "Entorno" están escritas en la parte inferior del contenedor. El recipiente de la derecha en el diagrama a tiene el término "Solución" escrito en la parte inferior del recipiente y una flecha roja hacia arriba cerca del termómetro con la frase "Temperatura aumentada" al lado. Los remolinos rosas y verdes están más mezclados en este recipiente. El recipiente de la izquierda en el diagrama b representa una solución que se arremolina de color púrpura y azul con los términos "Proceso endotérmico" y "Sistema" escritos en el centro con flechas que se alejan de los términos y "Solución" y "Entorno" escritos en la parte inferior. Las flechas apuntan hacia fuera de la letra "q" El recipiente de la derecha en el diagrama b tiene el término "Solución" escrito en la parte inferior y una flecha roja hacia abajo cerca del termómetro con la frase "Temperatura disminuida" al lado. Los remolinos azules y morados están más mezclados en este recipiente.
Figura 5.11 En una determinación calorimétrica, o bien (a) se produce un proceso exotérmico y el calor, q, es negativo, lo que indica que la energía térmica se transfiere del sistema a su entorno, o bien (b) se produce un proceso endotérmico y el calor, q, es positivo, lo que indica que la energía térmica se transfiere del entorno al sistema.

Las mediciones de calorimetría son importantes para comprender las transferencias de calor en las reacciones en las que intervienen desde proteínas microscópicas hasta máquinas masivas. Durante su estancia en la Oficina Nacional de Estándares, la química investigadora Reatha Clark King realizó experimentos calorimétricos para conocer los calores precisos de varios compuestos del flúor. Su trabajo fue importante para la NASA en su búsqueda de mejores combustibles para cohetes.

Los científicos utilizan calorímetros bien aislados que prácticamente impiden la transferencia de calor entre el calorímetro y su entorno, lo que limita de hecho el "entorno" a los componentes que no forman parte del sistema con el calorímetro (y el propio calorímetro). Esto permite determinar con precisión el calor implicado en los procesos químicos, el contenido energético de los alimentos, etc. Los estudiantes de química general suelen utilizar calorímetros sencillos construidos con vasos de poliestireno (Figura 5.12). Estos calorímetros de "taza de café", fáciles de usar, permiten un mayor intercambio de calor con el entorno exterior y, por tanto, producen valores energéticos menos precisos.

Se muestran dos vasos de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro con una tapa encima. Un termómetro y una varilla de agitar se introducen a través de la tapa y en la solución dentro del vaso, que se muestra como un corte. La varilla de agitar tiene una flecha de doble punta al lado, orientada hacia arriba y hacia abajo. La mezcla líquida dentro del vaso está etiquetada como "Mezcla de reacción".
Figura 5.12 Se puede construir un sencillo calorímetro con dos vasos de poliestireno. Un termómetro y un agitador se extienden a través de la tapa en la mezcla de reacción.

También existen calorímetros de solución comerciales. Los calorímetros relativamente baratos suelen consistir en dos vasos de paredes finas que se anidan de forma que se minimiza el contacto térmico durante su uso, junto con una tapa aislada, un agitador de mano y un termómetro sencillo. Los calorímetros más caros utilizados para la industria y la investigación suelen tener un recipiente de reacción bien aislado y completamente cerrado, un mecanismo de agitación motorizado y un sensor de temperatura más preciso (Figura 5.13).

Se muestran dos diagramas etiquetados como a y b. El diagrama a representa un termómetro que pasa a través de una cubierta aislante en forma de disco y dentro de un cilindro metálico que se denomina "recipiente interior metálico" que, a su vez, está anidado en un cilindro metálico denominado "recipiente exterior metálico". El cilindro interior se apoya en un anillo de soporte aislante. Un agitador pasa a través de la cubierta aislante y también al interior del cilindro. El diagrama b muestra un recipiente metálico interior medio lleno de líquido que descansa sobre un anillo de soporte aislante y está anidado en un recipiente metálico exterior. Una sonda de temperatura de precisión y una varilla de agitación motorizada se colocan en la solución del recipiente interior y se conectan mediante cables al equipo exterior del montaje.
Figura 5.13 Los calorímetros de solución comerciales van desde (a) modelos sencillos y económicos para uso de estudiantes hasta (b) modelos caros y más precisos para la industria y la investigación.

Antes de hablar de la calorimetría de las reacciones químicas, consideremos un ejemplo más sencillo que ilustra la idea central de la calorimetría. Supongamos que tenemos inicialmente una sustancia de alta temperatura, como un trozo de metal caliente (M), y una sustancia de baja temperatura, como el agua fría (W). Si colocamos el metal en el agua, el calor fluirá de M a W. La temperatura de M disminuirá y la de W aumentará hasta que las dos sustancias tengan la misma temperatura, es decir, cuando alcancen el equilibrio térmico (Figura 5.14). Si esto ocurre en un calorímetro, lo ideal es que toda esta transferencia de calor se produzca entre las dos sustancias sin que se gane o se pierda calor por su entorno externo. En estas circunstancias ideales, el cambio de calor neto es cero:

qsustancia M+qsustancia W=0qsustancia M+qsustancia W=0

Esta relación puede reordenarse para mostrar que el calor ganado por la sustancia M es igual al calor perdido por la sustancia W:

qsustancia M=qsustancia Wqsustancia M=qsustancia W

La magnitud del calor (cambio) es, por tanto, la misma para ambas sustancias y el signo negativo se limita a mostrar que qsustancia M y qsustancia W son opuestas en cuanto a la dirección del flujo de calor (ganancia o pérdida), pero no indica el signo aritmético de ninguno de los dos valores de q (que viene determinado por si la materia en cuestión gana o pierde calor, por definición). En la situación concreta descrita, qsustancia M es un valor negativo y qsustancia W es positivo, ya que el calor se transfiere de M a W.

Se muestran dos diagramas etiquetados como a y b. Cada diagrama está compuesto por un recipiente rectangular con un termómetro insertado en su interior desde la esquina superior derecha. Ambos contenedores están conectados por una flecha hacia la derecha. Ambos recipientes están llenos de agua, que se representa con la letra "W", y cada recipiente tiene un cuadrado en el centro que representa un metal que está etiquetado con una letra "M". En el diagrama a, el metal está dibujado en marrón y tiene tres flechas orientadas hacia el exterior. Cada flecha tiene la letra "q" en su extremo. El metal está etiquetado como "sistema" y el agua como "entorno". El termómetro de este diagrama tiene una lectura relativamente baja. En el diagrama b, el metal se representa en color morado y el termómetro tiene una lectura relativamente alta.
Figura 5.14 En un proceso de calorimetría simple, (a) el calor, q, se transfiere del metal caliente, M, al agua fría, W, hasta que (b) ambos están a la misma temperatura.

Ejemplo 5.3

Transferencia de calor entre sustancias a diferentes temperaturas

Un trozo de barra de refuerzo de 360,0 g (una varilla de acero utilizada para reforzar el hormigón) se deja caer en 425 mL de agua a 24,0 °C. La temperatura final del agua se midió como 42,7 °C. Calcule la temperatura inicial del trozo de barra de refuerzo. Supongamos que el calor específico del acero es aproximadamente el mismo que el del hierro (Tabla 5.1) y que toda la transferencia de calor se produce entre la barra de refuerzo y el agua (no hay intercambio de calor con el entorno).

Solución

La temperatura del agua aumenta de 24,0 °C a 42,7 °C, por lo que el agua absorbe calor. Ese calor procedía del trozo de barra de refuerzo, que inicialmente estaba a una temperatura más alta. Suponiendo que toda la transferencia de calor se produjera entre la barra de refuerzo y el agua, sin que se "pierda" calor con el entorno exterior, entonces el calor cedido por la barra de refuerzo = −el calor absorbido por el agua, o:
qbarra de refuerzo=qaguaqbarra de refuerzo=qagua

Como sabemos que el calor está relacionado con otras magnitudes medibles, tenemos:

(c×m×ΔT)barra de refuerzo=−(c×m×ΔT)agua(c×m×ΔT)barra de refuerzo=−(c×m×ΔT)agua

Suponiendo que f = final e i = inicial, en forma expandida, esto se convierte en:

cbarra de refuerzo×mbarra de refuerzo×(Tf,barra de refuerzoTi,barra de refuerzo) =cagua×magua×(Tf,aguaTi,agua)cbarra de refuerzo×mbarra de refuerzo×(Tf,barra de refuerzoTi,barra de refuerzo) =cagua×magua×(Tf,aguaTi,agua)

La densidad del agua es de 1,0 g/mL, por lo que 425 mL de agua = 425 g. Observando que la temperatura final de la barra de refuerzo y del agua es de 42,7 °C, sustituyendo los valores conocidos se obtiene:

(0,449J/g °C)(360,0g)(42,7°CTi,barra de refuerzo)=(4,184J/g °C)(425g)(42,7°C24,0°C)(0,449J/g °C)(360,0g)(42,7°CTi,barra de refuerzo)=(4,184J/g °C)(425g)(42,7°C24,0°C)
Ti,barra de refuerzo=(4,184J/g °C)(425g)(42,7°C24,0°C)(0,449J/g °C)(360,0g)+42,7°CTi,barra de refuerzo=(4,184J/g °C)(425g)(42,7°C24,0°C)(0,449J/g °C)(360,0g)+42,7°C

Resolviendo esto se obtiene Ti,barra de refuerzo= 248 °C, por lo que la temperatura inicial de la barra de refuerzo era de 248 °C.

Compruebe lo aprendido

Un trozo de cobre de 248 g se deja caer en 390 mL de agua a 22,6 °C. La temperatura final del agua se midió como 39,9 °C. Calcule la temperatura inicial del trozo de cobre. Supongamos que toda la transferencia de calor se produce entre el cobre y el agua.

Respuesta:

La temperatura inicial del cobre era de 335,6 °C.

Compruebe lo aprendido

Un trozo de cobre de 248 g inicialmente a 314 °C se deja caer en 390 mL de agua inicialmente a 22,6 °C. Suponiendo que toda la transferencia de calor se produce entre el cobre y el agua, calcule la temperatura final.

Respuesta:

La temperatura final (alcanzada por el cobre y el agua) es de 38,7 °C.

Este método también puede utilizarse para determinar otras cantidades, como el calor específico de un metal desconocido.

Ejemplo 5.4

Identificación de un metal mediante la medición del calor específico

Un trozo de metal de 59,7 g que había sido sumergido en agua hirviendo se transfirió rápidamente a 60,0 mL de agua inicialmente a 22,0 °C. La temperatura final es de 28,5 °C. Utilice estos datos para determinar el calor específico del metal. Utilice este resultado para identificar el metal.

Solución

Suponiendo una transferencia de calor perfecta, el calor cedido por el metal = -el calor absorbido por el agua, o:
qmetal=qaguaqmetal=qagua

En forma ampliada, esto es:

cmetal×mmetal×(Tf,metalTi, metal)=cagua×magua×(Tf,aguaTi,agua)cmetal×mmetal×(Tf,metalTi, metal)=cagua×magua×(Tf,aguaTi,agua)

Observando que como el metal estaba sumergido en agua hirviendo, su temperatura inicial era de 100,0 °C; y que para el agua, 60,0 mL = 60,0 g; tenemos:

(cmetal)(59,7g)(28,5°C100,0°C)=−(4,18J/g °C)(60,0g)(28,5°C22,0°C)(cmetal)(59,7g)(28,5°C100,0°C)=−(4,18J/g °C)(60,0g)(28,5°C22,0°C)

Resolviendo esto:

cmetal=(4,184J/g °C)(60,0g)(6,5°C)(59,7g)(-71,5°C)=0,38J/g °Ccmetal=(4,184J/g °C)(60,0g)(6,5°C)(59,7g)(-71,5°C)=0,38J/g °C

Comparando esto con los valores de la Tabla 5.1, nuestro calor específico experimental es el más cercano al valor del cobre (0,39 J/g °C), por lo que identificamos el metal como cobre.

Compruebe lo aprendido

Un trozo de 92,9 g de un metal plateado/gris se calienta a 178,0 °C y luego se transfiere rápidamente a 75,0 mL de agua inicialmente a 24,0 °C. Después de 5 minutos, tanto el metal como el agua han alcanzado la misma temperatura: 29,7 °C. Determine el calor específico y la identidad del metal. (Nota: Debería comprobar que el calor específico se aproxima al de dos metales diferentes. Explique cómo puede determinar con seguridad la identidad del metal).

Respuesta:

cmetal= 0,13 J/g °C

Este calor específico se acerca al del oro o al del plomo. Sería difícil determinar de qué metal se trata basándose únicamente en los valores numéricos. Sin embargo, la observación de que el metal es plateado/gris, además del valor del calor específico, indica que el metal es plomo.

Cuando utilizamos la calorimetría para determinar el calor involucrado en una reacción química, se aplican los mismos principios que hemos estado discutiendo. La cantidad de calor absorbida por el calorímetro suele ser lo suficientemente pequeña como para poder despreciarla (aunque no para realizar mediciones muy precisas, como se verá más adelante), y el calorímetro minimiza el intercambio de energía con el entorno exterior. Como la energía no se crea ni se destruye durante una reacción química, el calor producido o consumido en la reacción (el "sistema"), qreacción, más el calor absorbido o perdido por la solución (el "entorno"), qsolución, deben sumar cero:

qreacción+qsolución=0qreacción+qsolución=0

Esto significa que la cantidad de calor producida o consumida en la reacción es igual a la cantidad de calor absorbida o perdida por la solución:

qreacción=qsoluciónqreacción=qsolución

Este concepto se encuentra en el corazón de todos los problemas y cálculos de calorimetría.

Ejemplo 5.5

Calor producido por una reacción exotérmica

Cuando se añaden 50,0 mL de 1,00 M HCl(aq) y 50,0 mL de 1,00 M NaOH(aq), ambos a 22,0 °C, a un calorímetro de taza de café, la temperatura de la mezcla alcanza un máximo de 28,9 °C. ¿Cuál es la cantidad aproximada de calor producida por esta reacción?
HCl(aq)+NaOH(aq)NaCl(aq)+H2O(l)HCl(aq)+NaOH(aq)NaCl(aq)+H2O(l)

Solución

Para visualizar lo que ocurre, imagine que puede combinar las dos soluciones tan rápidamente que no se produce ninguna reacción mientras se mezclan; luego, tras la mezcla, se produce la reacción. En el momento de la mezcla, se tienen 100,0 mL de una mezcla de HCl y NaOH a 22,0 °C. El HCl y el NaOH no reaccionan entonces hasta que la temperatura de la solución alcanza los 28,9 °C.

El calor desprendido por la reacción es igual al absorbido por la solución. Por lo tanto:

qreacción=qsoluciónqreacción=qsolución

(Es importante recordar que esta relación solo se mantiene si el calorímetro no absorbe ningún calor de la reacción y no hay intercambio de calor entre el calorímetro y el entorno exterior.)

A continuación, sabemos que el calor absorbido por la solución depende de su calor específico, de la masa y del cambio de temperatura:

qsolución=(c×m×ΔT)soluciónqsolución=(c×m×ΔT)solución

Para proceder a este cálculo, tenemos que hacer algunas suposiciones o aproximaciones más razonables. Como la solución es acuosa, podemos proceder como si fuera agua en cuanto a sus valores de calor específico y masa. La densidad del agua es de aproximadamente 1,0 g/mL, por lo que 100,0 mL tienen una masa de aproximadamente 1,0 ×× 102 g (dos cifras significativas). El calor específico del agua es de aproximadamente 4,184 J/g °C, por lo que lo utilizamos para el calor específico de la solución. Sustituyendo estos valores se obtiene:

qsolución=(4,184J/g °C)(1,0×102g)(28,9°C22,0°C)=2,9×103Jqsolución=(4,184J/g °C)(1,0×102g)(28,9°C22,0°C)=2,9×103J

Finalmente, como estamos tratando de encontrar el calor de la reacción, tenemos:

qreacción=qsolución=-2,9×103Jqreacción=qsolución=-2,9×103J

El signo negativo indica que la reacción es exotérmica. Produce 2,9 kJ de calor.

Compruebe lo aprendido

Cuando se mezclan 100 mL de NaCl(aq) 0,200 M y 100 mL de AgNO3(aq) 0,200 M, ambos a 21,9 °C, en un calorímetro de taza de café, la temperatura aumenta a 23,5 °C al formarse AgCl sólido. ¿Cuánto calor se produce en esta reacción de precipitación? ¿Qué suposiciones ha hecho para determinar su valor?

Respuesta:

1,34 ×× 1,3 kJ; se supone que el calorímetro no absorbe calor, que no se intercambia calor entre el calorímetro y su entorno, y que el calor específico y la masa de la solución son los mismos que los del agua.

La química en la vida cotidiana

Termoquímica de los calentadores de manos

Cuando trabaja o juega al aire libre en un día frío, puede usar un calentador de manos para calentarlas (Figura 5.15). Un calentador de manos reutilizable común contiene una solución sobresaturada de NaC2H3O2 (acetato de sodio) y un disco metálico. Al doblar el disco se crean sitios de nucleación alrededor de los cuales el NaC2H3O2 metaestable cristaliza rápidamente (en un capítulo posterior sobre soluciones se investigará la saturación y sobresaturación con más detalle).

El proceso NaC2H3O2(aq)NaC2H3O2(s)NaC2H3O2(aq)NaC2H3O2(s) es exotérmico, y el calor producido por este proceso es absorbido por sus manos, calentándolas así (al menos durante un rato). Si el calentador de manos se recalienta, el NaC2H3O2 se redisuelve y puede reutilizarse.

Se muestra una serie de tres fotos. Hay dos flechas orientadas a la derecha que conectan una foto con la siguiente. La primera foto muestra un calentador de manos químico. Es una bolsa que contiene un líquido transparente e incoloro. Hay un disco blanco situado a la derecha dentro de la bolsa. La segunda foto muestra lo mismo, excepto que el disco blanco se ha convertido en una sustancia blanca y turbia. La tercera foto muestra toda la bolsa llena de esta sustancia blanca.
Figura 5.15 Los calentadores de manos químicos producen calor que calienta la mano en un día frío. En esta, se puede ver el disco metálico que inicia la reacción de precipitación exotérmica (créditos: modificación del trabajo de Science Buddies TV/YouTube).

Otro calentador de manos común produce calor cuando se abre, exponiendo el hierro y el agua del calentador de manos al oxígeno del aire. Una versión simplificada de esta reacción exotérmica es 2Fe(s)+32O2(g)Fe2O3(s)2Fe(s)+32O2(g)Fe2O3(s) La sal en el calentador de manos cataliza la reacción, por lo que produce calor más rápidamente; la celulosa, la vermiculita y el carbón activado ayudan a distribuir el calor uniformemente. Otros tipos de calentadores de manos utilizan líquido para encendedores (un catalizador de platino ayuda a que el líquido para encendedores se oxide exotérmicamente), carbón vegetal (el carbón vegetal se oxida en un caso especial) o unidades eléctricas que producen calor pasando una corriente eléctrica desde una batería a través de cables resistivos.

Ejemplo 5.6

Flujo de calor en una bolsa de hielo instantánea

Cuando el nitrato de amonio sólido se disuelve en agua, la solución se enfría. Esta es la base de una "bolsa de hielo instantáneo" (Figura 5.16). Cuando 3,21 g de NH4NO3 sólido se disuelven en 50,0 g de agua a 24,9 °C en un calorímetro, la temperatura disminuye a 20,3 °C.

Calcule el valor de q para esta reacción y explique el significado de su signo aritmético. Indique las suposiciones que ha hecho.

Un diagrama muestra una bolsa rectangular que contiene una sustancia sólida blanca y una bolsa interior llena de agua. El sólido blanco está etiquetado como "nitrato de amonio". En la parte superior de la bolsa está escrito "Instant Cold Pack" (Bolsa de frío instantáneo). También tiene tres pictogramas que, de derecha a izquierda, muestran una mano apretando la bolsa, agitándola, y colocándola sobre el cuerpo de una persona. En la parte inferior de la bolsa hay unas palabras impresas que dicen "de un solo uso".
Figura 5.16 Una bolsa de frío instantáneo consiste en una bolsa que contiene nitrato de amonio sólido y una segunda bolsa de agua. Cuando se rompe la bolsa de agua, la bolsa se enfría porque la disolución del nitrato de amonio es un proceso endotérmico que elimina la energía térmica del agua. A continuación, la bolsa fría elimina la energía térmica de su cuerpo.

Solución

Suponemos que el calorímetro impide la transferencia de calor entre la solución y su entorno externo (incluido el propio calorímetro), en cuyo caso:
qrxn=qsolnqrxn=qsoln

con "rxn" y "soln" como abreviatura de "reacción" y "solución", respectivamente.

Suponiendo también que el calor específico de la solución es el mismo que el del agua, tenemos:

qrxn=qsoln=−(c×m×ΔT)soln=−[(4,184J/g °C)×(53,2g)×(20,3°C24,9°C)]=−[(4,184J/g °C)×(53,2g)×(-4,6°C)]+1,0×103J=+1,0kJqrxn=qsoln=−(c×m×ΔT)soln=−[(4,184J/g °C)×(53,2g)×(20,3°C24,9°C)]=−[(4,184J/g °C)×(53,2g)×(-4,6°C)]+1,0×103J=+1,0kJ

El signo positivo de q indica que la disolución es un proceso endotérmico.

Compruebe lo aprendido

Cuando una muestra de 3,00 g de KCl se añadió a 3,00 ×× 102 g de agua en un calorímetro de taza de café, la temperatura disminuyó en 1,05 °C. ¿Cuánto calor está involucrado en la disolución del KCl? ¿Qué suposiciones ha hecho?

Respuesta:

1,33 kJ; supongamos que el calorímetro impide la transferencia de calor entre la solución y su entorno exterior (incluido el propio calorímetro) y que el calor específico de la solución es el mismo que el del agua.

Si la cantidad de calor absorbida por un calorímetro es demasiado grande para despreciarla o si necesitamos resultados más precisos, debemos tener en cuenta el calor absorbido tanto por la solución como por el calorímetro.

Los calorímetros descritos están diseñados para funcionar a presión constante (atmosférica) y son convenientes para medir el flujo de calor que acompaña a los procesos que ocurren en la solución. Otro tipo de calorímetro que funciona a volumen constante, conocido coloquialmente como calorímetro de bomba, se utiliza para medir la energía producida por reacciones que generan grandes cantidades de calor y productos gaseosos, como las reacciones de combustión. (El término "bomba" proviene de la observación de que estas reacciones pueden ser lo suficientemente vigorosas como para parecerse a explosiones que dañarían otros calorímetros.) Este tipo de calorímetro consiste en un robusto recipiente de acero (la "bomba") que contiene los reactivos y está a su vez sumergido en agua (Figura 5.17). La muestra se coloca en la bomba, que se llena de oxígeno a alta presión. Se utiliza una pequeña chispa eléctrica para encender la muestra. La energía producida por la reacción es absorbida por la bomba de acero y el agua circundante. Se mide el aumento de temperatura y, junto con la capacidad calorífica conocida del calorímetro, se utiliza para calcular la energía producida por la reacción. Los calorímetros de bomba requieren una calibración para determinar la capacidad calorífica del calorímetro y garantizar la exactitud de los resultados. La calibración se realiza utilizando una reacción con un q conocido, como una cantidad medida de ácido benzoico encendida por una chispa de un hilo fusible de níquel que se pesa antes y después de la reacción. El cambio de temperatura producido por la reacción conocida se utiliza para determinar la capacidad calorífica del calorímetro. Por lo general, la calibración se realiza siempre antes de que el calorímetro se utilice para recopilar datos de investigación.

Se muestran una imagen y un diagrama, etiquetados como a y b, respectivamente. La imagen a representa un calorímetro de bomba. Se trata de una máquina en forma de cubo con una cavidad en la parte superior, un cilindro metálico que está por encima de la cavidad y un panel de lectura fijado en la parte superior derecha. El diagrama b representa la figura recortada de un cubo con un recipiente cilíndrico lleno de agua en el centro. Otro recipiente, etiquetado como "bomba", se encuentra dentro de un cilindro más pequeño que contiene un vaso de muestras y está anidado en el recipiente cilíndrico rodeado por el agua. Una línea negra se extiende en el agua y está etiquetada como "Termómetro de precisión". Dos cables etiquetados como "Electrodos" se extienden desde una tapa que se encuentra en la parte superior del contenedor interior. En la parte superior derecha del cubo hay un panel de lectura.
Figura 5.17 (a) Un calorímetro de bomba se utiliza para medir el calor producido por reacciones en las que intervienen reactivos o productos gaseosos, como la combustión. (b) Los reactivos están contenidos en la "bomba" hermética, que está sumergida en agua y rodeada de materiales aislantes (créditos a: modificación del trabajo de "Harbor1"/Wikimedia commons).

Ejemplo 5.7

Calorimetría de bombas

Cuando se queman 3,12 g de glucosa, C6H12O6, en un calorímetro de bomba, la temperatura del calorímetro aumenta de 23,8 °C a 35,6 °C. El calorímetro contiene 775 g de agua, y la propia bomba tiene una capacidad calorífica de 893 J/°C. ¿Cuánto calor ha producido la combustión de la muestra de glucosa?

Solución

La combustión produce un calor que es absorbido principalmente por el agua y la bomba. (Las cantidades de calor absorbidas por los productos de la reacción y el exceso de oxígeno sin reaccionar son relativamente pequeñas y tratarlas está fuera del alcance de este texto. No los tendremos en cuenta en nuestros cálculos.)

El calor producido por la reacción es absorbido por el agua y la bomba:

qrxn=−(qagua+qbomba)=−[(4,184J/g °C)×(775g)×(35,6°C23,8°C)+893J/°C×(35,6°C23,8°C)]=−(38.300J+10.500J)=−48 800 J=-48,8 kJqrxn=−(qagua+qbomba)=−[(4,184J/g °C)×(775g)×(35,6°C23,8°C)+893J/°C×(35,6°C23,8°C)]=−(38.300J+10.500J)=−48 800 J=-48,8 kJ

Esta reacción liberó 48,7 kJ de calor cuando se quemaron 3,12 g de glucosa.

Compruebe lo aprendido

Cuando se queman 0,963 g de benceno, C6H6, en un calorímetro de bomba, la temperatura del calorímetro aumenta en 8,39 °C. La bomba tiene una capacidad calorífica de 784 J/°C y está sumergida en 925 mL de agua. ¿Qué cantidad de calor produjo la combustión de la muestra de benceno?

Respuesta:

qrx = -39,0 kJ (la reacción produjo 39,0 kJ de calor)

Desde que se construyó el primero en 1899, se han construido 35 calorímetros para medir el calor producido por una persona viva.2 Estos calorímetros de cuerpo entero de diversos diseños son lo suficientemente grandes como para albergar a un ser humano. Más recientemente, los calorímetros de habitación completa permiten realizar actividades relativamente normales, y estos calorímetros generan datos que reflejan más fielmente el mundo real. Estos calorímetros se utilizan para medir el metabolismo de los individuos en diferentes condiciones ambientales, diferentes regímenes dietéticos y con diferentes condiciones de salud, como la diabetes.

Por ejemplo, el equipo de Carla Prado, de la Universidad de Alberta, realizó una calorimetría de cuerpo entero para conocer el gasto energético de las mujeres que habían dado a luz recientemente. Estudios como este permiten elaborar mejores recomendaciones y regímenes de nutrición, ejercicio y bienestar general durante este periodo de importantes cambios fisiológicos. En los seres humanos, el metabolismo se mide normalmente en calorías por día. Una caloría nutricional (Caloría) es la unidad de energía utilizada para cuantificar la cantidad de energía derivada del metabolismo de los alimentos; una Caloría es igual a 1.000 calorías (1 kcal), la cantidad de energía necesaria para calentar 1 kg de agua en 1 °C.

La química en la vida cotidiana

Medición de calorías nutricionales

En su vida cotidiana, es posible que esté más familiarizado con la energía expresada en Calorías, o calorías nutricionales, que se utilizan para cuantificar la cantidad de energía de los alimentos. Una caloría (cal) = exactamente 4,184 julios, y una Caloría (note la mayúscula) = 1.000 cal o 1 kcal. (Esta es aproximadamente la cantidad de energía necesaria para calentar 1 kg de agua en 1 °C.)

Los macronutrientes de los alimentos son las proteínas, los carbohidratos y las grasas o aceites. Las proteínas aportan unas 4 Calorías por gramo, los carbohidratos también unas 4 Calorías por gramo y las grasas y aceites unas 9 Calorías/g. Las etiquetas nutricionales de los envases de los alimentos muestran el contenido calórico de una ración del alimento, así como el desglose en Calorías de cada uno de los tres macronutrientes (Figura 5.18).

Se muestran dos imágenes etiquetadas como a y b. La imagen a muestra un primer plano de un tazón de macarrones con queso. La imagen b es una etiqueta alimentaria que contiene información resaltada en formato de tabla. En la parte superior de la etiqueta se lee "Etiqueta de muestra para macarrones con queso". Debajo aparecen las palabras "Información nutricional". Debajo hay dos líneas de texto resaltado que dicen "Tamaño de la porción una taza (228 g)" y "Porciones por envase 2". Una etiqueta a la izquierda de estas líneas dice "Comenzar aquí" y una flecha hacia la derecha está al lado de estas palabras. Debajo aparecen las palabras "comprobar calorías", que se encuentran a la izquierda de las frases "Cantidad por ración", que están encima de las palabras "Calorías 250" y "Calorías de grasa 210". El siguiente segmento de la etiqueta está resaltado y contiene cinco frases: "Grasa total 12 g", "Grasa saturada 3 g", "Grasa trans 3 g", "Colesterol 30 m g" y "Sodio 470 m g". La frase "Limitar estos nutrientes" se encuentra a la izquierda de estas cinco frases. La frase que aparece debajo de estos es "Carbohidratos totales 31 g" y va seguida de una frase resaltada, "Fibra dietética 0 g". Debajo aparecen las frases "Azúcares 5 g" y "Proteínas 5 g". Debajo hay una parte resaltada que contiene las frases "Vitamina A", "Vitamina C", "Calcio" y "Hierro". Una etiqueta a la izquierda de estos términos dice "Ingiera suficiente de estos nutrientes". En la parte inferior de la etiqueta figura una "Nota a pie de página" que dice: "Los porcentajes de valores diarios se basan en una dieta de 2.000 calorías". Sus valores diarios pueden ser mayores o menores en función de sus necesidades calóricas". Cada uno de los términos resaltados en la tabla está alineado con un valor porcentual a la derecha de la tabla. Una nota en la parte exterior derecha de la tabla dice "Guía rápida del % de VD", "5% o menos es bajo" y "20% o más es alto". La ingesta o el valor diario (VD) para la grasa total es del 18 %, para la grasa saturada es del 15 %, para el colesterol es del 10%, para el sodio es del 20 %, para los carbohidratos totales es del 10 %, para la fibra dietética es del 0 %, para la vitamina A es del 4 %, para la vitamina C es del 2 %, para el calcio es del 20 % y para el hierro es del 4 %". En la parte inferior hay una tabla que indica las calorías a 2.000 y 2.500. Para la grasa total, la tabla indica menos de 65 g para 2.000 calorías y 80 g a partir de 2500 calorías. Para las grasas saturadas, la tabla indica menos de 20 g para 2.000 calorías y 25 g para 2500 calorías. Para el colesterol, la tabla indica menos de 300 m g para 2.000 calorías y 300 m g para 2500 calorías. Para el sodio, la tabla indica menos de 2400 m g para 2.000 calorías y 2400 m g para 2500 calorías. Para los carbohidratos totales, la tabla indica 300 g para 2.000 calorías y 375 g para 2500 calorías. Para la fibra dietética la tabla indica 25 g para 2.000 calorías y 30 g para 2500 calorías.
Figura 5.18 (a) Los macarrones y el queso contienen energía en forma de macronutrientes en el alimento. (b) La información nutricional del alimento aparece en la etiqueta del envase. En los EE. UU., el contenido energético se indica en Calorías (por ración); en el resto del mundo se suelen utilizar kilojulios (créditos a: modificación del trabajo de “Rex Roof”/Flickr).

Para el ejemplo mostrado en (b), la energía total por porción de 228 g se calcula mediante:

(5g de proteína×4Calorías/g)+(31g de carbohidratos×4Calorías/g)+(12g de grasa×9Calorías/g)= 252Calorías (5g de proteína×4Calorías/g)+(31g de carbohidratos×4Calorías/g)+(12g de grasa×9Calorías/g)= 252Calorías

Por lo tanto, puede utilizar las etiquetas de los alimentos para contar sus calorías. Pero, ¿de dónde vienen los valores? ¿Y qué precisión tienen? El contenido calórico de los alimentos puede determinarse mediante la calorimetría de bomba, es decir, quemando el alimento y midiendo la energía que contiene. Se pesa una muestra de alimento, se mezcla en una batidora, se liofiliza, se muele en polvo y se forma una pastilla. La pastilla se quema dentro de un calorímetro de bomba y el cambio de temperatura medido se convierte en energía por gramo de alimento.

En la actualidad, el contenido calórico de las etiquetas de los alimentos se obtiene mediante un método denominado sistema de Atwater, que utiliza el contenido calórico medio de los distintos componentes químicos de los alimentos, proteínas, carbohidratos y grasas. Las cantidades medias son las indicadas en la ecuación y se derivan de los distintos resultados que arroja la calorimetría de bomba de los alimentos enteros. La cantidad de carbohidratos se descuenta una cierta cantidad por el contenido de fibra, que es un carbohidrato no digerible. Para determinar el contenido energético de un alimento, se multiplican las cantidades de carbohidratos, proteínas y grasas por la media de Calorías por gramo de cada uno y se suman los productos para obtener la energía total.

Notas a pie de página

  • 2Francis D. Reardon et al. "El calorímetro humano Snellen revisado, rediseñado y mejorado: Características de diseño y rendimiento". Medical and Biological Engineering and Computing 8 (2006)721-28, http://link.springer.com/article/10.1007/s11517-006-0086-5.
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