Aprende Calorimetría y entalpía desde cero
Antes de esto: Estequiometría
1Calor y temperatura
El calor (q) es energía que fluye de un objeto caliente a otro más frío. Se mide en julios (J) o kilojulios (1 kJ = 1000 J).
La temperatura indica lo caliente que está algo. El calor es lo que cambia la temperatura.
Calentar 1 kg de agua 10 °C requiere más energía que calentar 1 kg de hierro 10 °C. Cada sustancia tiene su propio calor específico c: el calor necesario para calentar 1 g en 1 °C.
Para el agua, c = 4,18 J/(g·°C). Para el aluminio es 0,897 J/(g·°C), para el plomo solo 0,129 J/(g·°C). El agua cuesta calentarla, los metales se calientan fácilmente.
El calor necesario para un cambio de temperatura es:
q = m · c · ΔT
Aquí m es la masa en gramos y ΔT = Tfinal − Tinitial. Una q positiva significa que se absorbe calor; una q negativa significa que se desprende calor.
Autoevaluación ¿Cuánto calor hace falta para calentar 100 g de agua 10 °C (c = 4,18 J/(g·°C))?
- 0,418 kJ
- 4,18 kJ
- 41,8 kJ
- 418 J
Respuesta: 4,18 kJ. q = 100 · 4,18 · 10 = 4180 J = 4,18 kJ. 418 J olvida multiplicar por ΔT, y 41,8 kJ introduce un factor 10 al convertir J en kJ.
2El calorímetro: calor cedido = calor absorbido
Un calorímetro es un vaso aislado. No sale calor de él, así que todo el calor que cede una cosa lo absorbe la otra.
Echa un bloque de metal caliente en agua fría. El bloque se enfría, el agua se calienta, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura final Tf.
mm · cm · (Tm − Tf) = mw · cw · (Tf − Tw)
El lado izquierdo es el calor cedido por el metal, el derecho el calor absorbido por el agua. Ambos se escriben como números positivos.
Despejar Tf da un promedio ponderado de las dos temperaturas iniciales, donde cada peso es m · c:
Tf = (mmcmTm + mwcwTw) / (mmcm + mwcw)
Como el agua tiene un m · c grande, Tf suele quedar cerca de la temperatura del agua.
Autoevaluación Un bloque de metal caliente se echa en agua fría en un vaso aislado. ¿Dónde debe estar la temperatura final?
- Entre las dos temperaturas iniciales
- Exactamente a medio camino entre las dos temperaturas iniciales
- Por debajo de la temperatura inicial del agua
- Por encima de la temperatura inicial del metal
Respuesta: Entre las dos temperaturas iniciales. El metal se enfría y el agua se calienta hasta que se encuentran, así que Tf está entre ellas. Está a medio camino solo si ambos tienen el mismo m · c, lo cual es raro.
3Entalpía de reacción
Las reacciones también absorben o desprenden calor. A presión constante este calor es el cambio de entalpía ΔH, en kJ.
- Exotérmica: ΔH es negativo. La reacción desprende calor, como al quemar combustible.
- Endotérmica: ΔH es positivo. La reacción absorbe calor, como una bolsa de frío.
La entalpía estándar de formación ΔH°f es el ΔH al formar 1 mol de una sustancia a partir de sus elementos. Para un elemento en su forma normal, como O₂ o C, es 0.
Con estos valores de una tabla, hallas el ΔH° de cualquier reacción:
ΔH° = ΣΔH°f(productos) − ΣΔH°f(reactivos)
Multiplica cada ΔH°f por el coeficiente de esa sustancia en la ecuación ajustada. Esto funciona gracias a la ley de Hess: el ΔH total no depende del camino del inicio al final.
Autoevaluación Halla el ΔH° de CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Usa ΔH°f: CH₄ −74,8, CO₂ −393,5, H₂O(l) −285,8 kJ/mol.
- +890,3 kJ
- −1039,9 kJ
- −604,5 kJ
- −890,3 kJ
Respuesta: −890,3 kJ. Productos: −393,5 + 2 · (−285,8) = −965,1. Menos reactivos: −965,1 − (−74,8) = −890,3 kJ. −604,5 olvida el coeficiente 2 del agua, y +890,3 resta al revés.
4El método paso a paso
Calentamiento:
- Escribe q = m · c · ΔT y sustituye lo que se da. Convierte kJ en J (× 1000) para que las unidades coincidan con c.
- Despeja la incógnita: q, ΔT, m o c.
Calorímetro:
- Escribe calor cedido por el objeto caliente = calor absorbido por el frío.
- Pon Tf en ambas diferencias de temperatura, caliente menos Tf y Tf menos frío.
- Despeja Tf y comprueba que esté entre las dos temperaturas iniciales.
Entalpía de formación:
- Multiplica cada ΔH°f por su coeficiente. Los elementos cuentan como 0.
- ΔH° = suma de los productos − suma de los reactivos.
- Para el calor de una masa dada, convierte la masa en moles y escala ΔH° a esa cantidad.
5Un ejemplo resuelto
Sigue cada paso. Intenta adivinar el siguiente antes de abrirlo.
Ejemplo resueltoUn bloque de aluminio de 100 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 110 °C se echa en 200 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C en un vaso aislado. Halla la temperatura final Tf.
1Aluminio: 100 · 0,897 = 89,7 J/°C. Agua: 200 · 4,18 = 836 J/°C.
El agua necesita mucho más calor por grado, así que Tf estará cerca de 20 °C.
2Calor cedido por el aluminio = calor absorbido por el agua.
89,7 · (110 − Tf) = 836 · (Tf − 20)
39867 − 89,7·Tf = 836·Tf − 16 720
Tf = (9867 + 16 720) / (89,7 + 836) = 26 587 / 925,7 = 28,7 °C
4Calor cedido por el aluminio: 89,7 · (110 − 28,7) ≈ 7290 J. Calor absorbido por el agua: 836 · (28,7 − 20) ≈ 7290 J. Son iguales.
Y 28,7 °C está entre 20 °C y 110 °C, cerca de la temperatura del agua, como era de esperar.
6Errores frecuentes
- Mezclar J y kJ. Los calores específicos están en J, así que convierte antes los kJ en J.
- Usar la masa equivocada, por ejemplo la masa del metal con el calor específico del agua.
- Escribir ΔT como inicial menos final. Entonces el signo de q es incorrecto.
- En un calorímetro, escribir ambos lados como Tf menos el inicial. Entonces un lado es negativo y el balance falla.
- Olvidar los coeficientes al sumar entalpías de formación.
- Calcular reactivos menos productos, lo que invierte el signo de ΔH°.
Autoevaluación Se añaden 78 kJ de calor a 400 g de agua (c = 4,18 J/(g·°C)). ¿Cuál es el aumento de temperatura?
- 0,0214 °C
- 0,0467 °C
- 195 °C
- 46,7 °C
Respuesta: 46,7 °C. ΔT = q / (m · c) = 78 000 / (400 · 4,18) = 46,7 °C. Dejar q en kJ da 0,0467 °C, olvidar c da 78 000 / 400 = 195 °C, e invertir la fracción da 0,0214 °C.
7Cómo son las preguntas de examen
- Fácil: calentamiento con q = m·c·ΔT. Halla el calor para calentar agua entre dos temperaturas, o el aumento de temperatura a partir de un calor dado.
- Medio: calorímetro. Un bloque de metal caliente en agua fría; halla la temperatura final con calor cedido = calor absorbido.
- Difícil: entalpía de formación. Halla el ΔH° de una combustión a partir de una tabla, o el calor liberado al quemarse una masa dada.
Ejemplo de pregunta difícil: el etanol arde con ΔH° = −1366,7 kJ/mol. 50 g de etanol (M = 46,07 g/mol) son 1,085 mol, así que libera 1,085 · 1366,7 ≈ 1483 kJ.
Apréndelo paso a paso en la appApréndelo paso a paso en la app