Ejemplo resuelto: Medir la entalpía de reacción con la calorimetría de un vaso de café

Se puede utilizar un calorímetro a presión  constante para encontrar el cambio de entalpía   de una reacción química. Tomemos como ejemplo  la reacción química entre una solución acuosa   de nitrato de plata (AgNO3) y una solución  acuosa de cloruro de sodio (NaCl) para formar   un precipitado de cloruro de plata y nitrato  de sodio en solución acuosa (AgCl+NaNO3). Suponemos que tenemos 25.0mL (veinticinco  punto cero mililitros) de una solución   0.100M AgNO3 (cero punto uno cero  cero molar de nitrato de plata) y   25.0mL mililitros de una solución 0.100M NaCl  (molar de cloruro de sodio). Ambas soluciones   están inicialmente a una temperatura de 25.00ºC  (veinticinco punto cero cero grados Celsius). A continuación, añadimos las dos soluciones a  nuestro calorímetro, que está formado por dos   vasos desechables de café. Y como el vaso superior  está sobrepuesto, esta reacción ocurre bajo la   presión constante de la atmósfera, por lo tanto,  se considera calorimetría a presión constante. Una vez que las dos soluciones acuosas se mezclan,  se produce la reacción y fijamos la atención en   el termómetro del calorímetro. En este caso, la  temperatura de la solución resultante aumenta,   llegando a 25.781ºC (veinticinco punto setecientos  ochenta y uno grados Celsius), la temperatura   final más alta alcanzada en el experimento.  Así, el cambio en la temperatura de la solución   resultante, que es igual a la temperatura  final menos la temperatura inicial, sería  ∆T=25.781 –(menos) 25.0, lo cual da   como resultado 0.781ºC (cero punto setecientos  ochenta y uno grados Celsius positivos). El volumen total de la solución  resultante es 25 más 25, lo que equivale   a 50.0mL (cincuenta punto cero) mililitros  de solución. Si aceptamos que la densidad   de la solución es de un gramo por mililitro,  50.0mL (mililitros) equivalen a 50.0g (gramos). Luego, necesitamos determinar la cantidad de  calor ganado por el agua, para lo cual podemos   emplear la ecuación q es igual a mc∆T (m por c por  delta T). Por lo tanto, al despejar para el calor,   cuyo símbolo es q, sustituimos los siguientes  valores: m es la masa de la solución resultante,   calculada en 50.0g (gramos), podemos asumir que el  calor específico de la solución es el mismo que el   calor específico del agua, igual a 4.18J/g-ºC  (cuatro punto dieciocho joules por gramo por   grado Celsius) y el cambio en la temperatura de  la solución resultante fue de 0.781ºC (grados   Celsius). En este caso, los gramos se cancelan,  los grados Celsius se cancelan, y encontramos que   q es igual a q=+1.63x102J (más uno punto sesenta  y tres por diez a la segunda potencia joules). El signo positivo significa que el agua  ha ganado energía, pero pensemos ahora   en la diferencia entre el sistema y los  alrededores. El sistema está formado por   los reactantes y los productos de la reacción, y  los alrededores están formados por todo lo demás,   incluyendo el agua. Entonces, en este caso,  como la temperatura de los alrededores aumentó  —¿cierto?—; observamos un aumento en la  temperatura del agua, lo que significa   que el calor se transfirió desde el sistema  hacia los alrededores, de manera que los   alrededores aumentaron su energía, y eso es lo que  representa el signo positivo de este resultado. Si suponemos una transferencia perfecta  de calor del sistema a los alrededores,   el hecho de que los alrededores ganaran energía  implica que el sistema perdió esa energía. De esta   forma, si pensamos en el calor transferido por la  reacción, encontramos que tiene la misma magnitud,   qrxn=-1.63x102J (uno punto sesenta y tres  por 10 (diez) a la segunda potencia joules,   pero con signo negativo, lo cual indica  que la energía fue cedida por la reacción. El calor que se transfiere a presión constante es  igual al cambio en la entalpía de la reacción, ∆H   (delta H). Sin embargo, calcularemos el cambio en  la entalpía en términos de kJ/mol AgCl (kilojoules   por mol de cloruro de plata) para visualizar el  resultado en las unidades que manejamos. Dado   que el cloruro de plata es uno de los productos de  la reacción, primero determinaremos la cantidad de   moles de los reactantes utilizando la ecuación  de molaridad, que establece que M=mol/L (la   molaridad es igual a la cantidad de moles de  una sustancia dividida por litros de solución). Para la solución de nitrato de plata, la  concentración es de 0.100 molar. Queremos   encontrar la cantidad de moles de esta sustancia,  representada por x. El volumen de la solución   es igual a 25.0mL mililitros, que son 0.0250L  (cero punto cero doscientos cincuenta litros),   así que despejando x obtenemos x=0.00250 mol AgNO3  (cero punto cero cero doscientos cincuenta moles),   que es el número de moles de nitrato de plata  al inicio del experimento. Para encontrar los   moles de cloruro de sodio (NACl) se  realiza exactamente el mismo cálculo,   por lo que esta cantidad también es el  número de moles de cloruro de sodio inicial. Ahora, volvemos a la ecuación  química balanceada y podemos   ver que los coeficientes al frente del nitrato  de plata (1AgNO3), cloruro de sodio (1NaCl) y   cloruro de plata (1AgCl+NaNO3) son iguales  a uno. En consecuencia, con las cantidades   de reactivos iniciales se obtendrán 0.00250  mol AgCl+NaNO3 (moles de cloruro de plata). A continuación, calcularemos el cambio en la  entalpía, ∆H (delta H), para la reacción. El   calor que se transfirió fue ∆H=-1.63x102J (menos  uno punto sesenta y tres) por 10 (diez) a la   segunda potencia joules. Dividiremos esta cantidad  por los moles de cloruro de plata producidos que   son 0.00250 moles de cloruro de plata AgCl.  El resultado es -65200J/mol AgCl (menos   sesenta y cinco mil doscientos) joules por mol  de cloruro de plata. Convirtiendo a kilojoules   obtenemos -65.2kJ/mol AgCl (menos sesenta y cinco  punto dos kilojoules por mol de cloruro de plata). Podríamos detener el procedimiento en este  punto y dar esto como respuesta final,   pero sigamos adelante y obtengamos el  cambio en la entalpía ahora en términos   de kilojoules por mol para la reacción. Primero,  reescribamos esto: tenemos -65.2kJ/mol AgCl (menos   sesenta y cinco punto dos kilojoules por mol de  cloruro de plata). El significado de las unidades   kilojoules por mol para la reacción tiene que ver  con cómo está establecido el balance de reacción,   mostrado aquí abajo. De esta forma, si  consideramos la ecuación balanceada,   observamos que hay un mol de cloruro de plata  de acuerdo con la escritura de la reacción. Así,   podemos obtener un factor de conversión igual a  1mol AgCl/1molrxn (un mol de cloruro de plata)   por un mol para la reacción. Al multiplicar por  este factor, los moles de cloruro de plata se   cancelan y tenemos como resultado -65.2KJ/molrxn  (menos sesenta y cinco punto dos kilojoules por   mol para la reacción, que también  puede ser la respuesta final. Por último, el signo negativo denota  que la reacción es exotérmica. Es decir,   la reacción liberó energía. El valor de  la entalpía cuando se hace un experimento   de calorimetría a presión constante  suele ser un poco menor que el valor   real porque en realidad no siempre hay  una transferencia perfecta de calor de   la reacción al agua. A menudo, parte  de la energía se pierde en el medio.