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Química avanzada (AP Chemistry)
Curso: Química avanzada (AP Chemistry) > Unidad 10
Lección 2: La entalpía- Introducción a la calorimetría y la entalpia
- La entalpía
- Calor de formación
- La ley de Hess y el cambio en la entalpía de una reacción
- La ley de Hess. Ejemplo
- Entalpía de enlace y entalpía de reacción
- Entalpía de enlace y entalpía de reacción
- Respuesta libre 7 del AP de Química 2015.
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Introducción a la calorimetría y la entalpia
El episodio de hoy sondea en el CÓMO de la entalpía. Cómo calcularla y conocerla experimentalmente...aunque las mediciones expuestas en el curso "Crash Course Chemistry" tengan unas cuantas limitaciones.
Escritores: Edi Gonzalez
Editor en jefe: Blake de Pastino
Consultor: Dr. Heiko Langner
Director/Editor: Nicholas Jenkins
Diseñador de sonido: Michael Aranda
Gráfica: Thought Cafe
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- me encantan sus vídeos son geniales gran edición ,es muy gracioso e informativo !woo !<3 me encanta lo hace muy interesante e entretenido(4 votos)
Transcripción del video
Ácido clorhídrico, el amienemigo de los químicos,
es tan terriblemente peligroso como terriblemente útil. Quemará tu piel, tus ojos, incluso tus
membranas mucosas si respiras sus vapores por mucho tiempo. Pero el HCl como es un ácido,
cede su hidrógeno con bastante facilidad, por eso es bueno para hacer fertilizantes,
colorantes e incluso sal de mesa. También está el hidróxido de sodio, aunque me alegro de
que exista, es otra sustancia que no desearía que tuviera mi peor enemigo. Lo conocemos como lejía,
es sustancia extremadamente cáustica que se puede usar para todo, desde limpiar tuberías obstruidas
hasta purificar el agua potable. Es una base, acepta fácilmente los protones que liberan los
ácidos. Entonces ¿qué crees que pasará cuando mezclemos estas dos soluciones?, ¿se cancelarán
entre ellas y no pasará nada?, ¿explotarán o tal vez viajemos en el tiempo? Bueno, si
has puesto atención, ya sabrás qué pasará: van a sufrir una reacción de neutralización de
la que hemos hablado con anterioridad. Estas dos sustancias potencialmente mortales formarán agua
y sal inofensivas, pero la reacción también tendrá un efecto que podremos sentir, liberará calor
y no sólo un poco de calor. Combinar ácidos y bases concentrados libera tanto calor que
puede provocar una explosión. Te mostraré cómo producir una cantidad de calor segura
pero perceptible con esta reacción. Para mí, la parte más divertida es de dónde viene el calor:
proviene de la energía que es parte de los enlaces químicos en el ácido y en la base. Como una
pelota en la cima de una colina, las moléculas siempre se mueven hacia el estado de menor energía
posible y esto es justo lo que harán: los enlaces de alta energía se romperán y los enlaces de baja
energía se formarán, y podemos sentir los efectos del cambio de energía entre estos dos estados. Eso
es bastante genial. Lo que es más impresionante, si me preguntas, es que podemos calcular
exactamente cuánto calor liberará la reacción. Recuerda que medir el cambio de calor está
estrechamente relacionado con la entalpía, que definimos como la energía interna de
un sistema más la energía que usa para hacer retroceder el ambiente circundante
y dejar espacio para su presión y volumen a una presión constante [H = E + PV], como
tenemos aquí en la superficie de la Tierra, resulta ser exactamente igual al calor
que absorbe o libera una reacción. Esto nos ayudará a saber qué tanto calor es
liberado o absorbido por una reacción química, además de los calentadores para mano exotérmicos
que vemos en el mercado, también hay paquetes de enfriamiento endotérmicos de productos químicos
para el tratamiento de lesiones. Los pilotos también usan la capacidad de calcular el cambio y
la entalpía para saber qué tan lejos podrán volar dependiendo del combustible que hay en el tanque
del avión. Y en lo personal, me interesa mucho que se aseguren de que el avión pueda llegar.
Una de las formas de calcular el cambio en la entalpía de un sistema es con la Ley de Hess
que, como recordarás, nos dice que el cambio total de la entalpía para una reacción química no
depende del camino que tome, sólo depende de los estados inicial y final. Todo esto está expresado
en términos de la entalpía estándar de formación: la cantidad de calor perdida o ganada cuando se
forma un mol de un compuesto desde sus elementos constituyentes. Así es como encontramos la
cantidad exacta de calor que liberan mis calentadores de manos. Pero esta no es la única
forma en la que podemos utilizar la Ley de Hess, la ley misma no nos dice nada sobre la entalpía de
formación; cualquier forma de encontrar el cambio en el calor entre los productos y los restantes
funcionará bastante bien. Aquí es donde entra la calorimetría. La calorimetría es la ciencia
que mide el cambio en el calor asociado con una reacción química. Esto de aquí puede parecer una
botella de plástico dentro de una funda aislante, pero en realidad es un calorímetro. Un calorímetro
puede ser una elegante y cara pieza de hardware o puede ser algo muy simple, pero no importa cómo
se vea, básicamente es un contenedor aislado que incluye un termómetro y puede estar hecho de acero
inoxidable o de una taza de espuma de poliestireno y no hay diferencias importantes en cómo
funcionan. Ya sabemos la configuración general: las sustancias químicas en el calorímetro
conforman el sistema termodinámico y todo lo demás es el ambiente, el aislamiento minimiza
la cantidad de calor que se filtra hacia o desde el sistema, por lo tanto, podemos estar bastante
seguros de que cualquier transferencia de calor es parte del sistema y no del ambiente. El
termómetro registra el cambio de temperatura, que es parte de los cálculos que debemos hacer.
Generalmente hay una forma de revolver para estar seguros de que la reacción ocurra por completo.
Bien, la seguridad es primero, aunque realmente debería estar usando guantes. Voy a poner 100
mililitros, que en este caso es equivalente a 100 gramos de ácido clorhídrico. Una solución
de HCl en mi calorímetro hasta la última gota, y luego pondré la misma cantidad de solución de
hidróxido de sodio. Antes de hacer la reacción, necesitamos conocer la temperatura inicial, así
que pondré el termómetro por aquí y esperaré unos segundos para registrarla. Debería ser
aproximada a la temperatura ambiente, ya que han estado en este cuarto durante mucho tiempo,
así que la temperatura actual es de 20.8°C, esto es 294 K. Y ahora agregaré mis 10 mililitros
de hidróxido de sodio. La temperatura, como era de esperar, está aumentando muy rápido, y en
estos momentos estoy haciendo algo que tú nunca, nunca debes hacer: revolver con el termómetro. Si
esto ocurriera en las escuelas, en todo el mundo tendríamos millones de termómetros rotos, y lo que
contienen no es nada bueno, así que nunca hagan lo que estoy haciendo. Muy bien, la temperatura
parece estable en este momento, tenemos 28.2°C, y existe una sencilla fórmula que nos permite
encontrar el cambio en el calor de la reacción al medir el cambio en la temperatura que ocurrió
en el calorímetro. Tenemos que el cambio en el calor es igual al calor específico de la sustancia
por la masa total por el cambio y la temperatura, así que examinaremos las partes de esto.
Primero, el cambio en el calor en la fórmula del calorímetro se representa normalmente por una
q minúscula, pero también puede representarse como el cambio y la entalpía o delta H [∆H], ya que,
recordemos que la presión constante ∆H = q. Y la presión constante siempre es una buena suposición
durante el curso de un experimento o al menos mientras nos quedamos en la superficie de la
Tierra. Por razones que aclararemos después, usamos ∆H para representar el cambio en
el calor en este experimento. El calor específico representado por la letra s minúscula
es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de una unidad de masa, como
1 gramo o 1 kilogramo de una sustancia, por 1 grado Celsius. Entonces resulta que
diferentes cantidades de calor crean diferentes cambios en la temperatura. Por ejemplo, los
metales se calientan y se enfrían muy fácilmente; otras sustancias como el agua requieren mucha
energía térmica para aumentar su temperatura y, por lo tanto, tienen que liberar mucho calor para
enfriarse. Siempre me pregunto ¿qué significa eso físicamente en las moléculas?, ¿será que el calor
no eleva la temperatura de todas las sustancias de la misma manera? y ¿por qué es que el agua en
particular tiene un calor específico tan alto? La energía calorífica puede hacer muchas cosas además
de aumentar la temperatura. La temperatura, o la velocidad a la cual las moléculas rebotan, es sólo
una forma en que los átomos o las moléculas pueden obtener energía. La energía calorífica también
puede absorberse para la formación o ruptura de enlaces entre las moléculas, y, como aprenderemos
en otro episodio, el calor específico del agua es tan alto debido a la ruptura y formación de los
enlaces de hidrógeno que están asociados con los cambios relativamente pequeños en la temperatura.
¿Cómo conocemos el calor específico? Bueno, me hace muy feliz informar que algunos químicos
nobles trabajaron duro para determinar el calor específico de cientos de sustancias para
que no tengamos que hacerlo nosotros, sólo tenemos que buscar los valores en una tabla.
Muy bien, entonces el calor específico multiplica a la masa total, que a su vez multiplica al
cambio en temperatura-. La masa es importante, ya que a mayor masa de la sustancia que tengamos se
presentan más enlaces químicos, y como la energía está contenida en los enlaces químicos, entonces
éstos tienen un gran efecto en la cantidad de energía que se puede absorber o liberar. Por
último, tenemos el cambio en la temperatura. Cuando se realiza una calorimetría calculamos
el cambio en el calor al medir el cambio en la temperatura, pero como hemos dicho millones
de veces, el calor y la temperatura no son lo mismo. Por favor, no pienses que esta cosa mide
el calor porque no es así, afortunadamente en este caso específico están relacionados con nuestra
práctica fórmula del calorímetro. Ahora puede que no te hayas dado cuenta, pero aquí estamos en la
interfaz de la Química y la Física. Cada ciencia puede reclamar propiedad sobre este fenómeno, pero
la verdad es que son los humanos los que separan la Física y la Química. A la termodinámica, que
estudia el calor, la energía y el trabajo no le interesan nuestras reglas insignificantes. La
termodinámica, por sí sola, hace las reglas del universo, esa es la ley fundamental. Así que ahora
ya lo sabes, aunque no te importe, pero debería, porque es genial, súper, ultra, mega maravilloso.
Muy bien, suficiente plática. Vamos, es momento de hacer las matemáticas correspondientes. Recuerda
que la fórmula es ∆H = sm ∆T. Las soluciones que estamos usando aquí están tan diluidas que casi
toda su masa consiste en agua, por lo tanto, podemos usar simplemente el calor específico del
agua. Si lo buscamos en una tabla, podemos ver que es 4.184 J/gK. Por otra parte, usamos 100 gramos
de cada reactante para una masa total de 200 gramos, y finalmente necesitamos el cambio en la
temperatura. Si recuerdas, la temperatura aumentó de 294 Kelvin a 301.4 Kelvin, la diferencia
entre estas dos temperaturas es de 7.4 Kelvin, y es un valor positivo porque se incrementó
de la temperatura. Cancelamos las unidades correspondientes y luego de unos golpes en la
calculadora obtenemos 6,192.32 Jules liberados o cerca de 6.2 KJ en esta reacción. Debido a que
la fórmula se basa en el cambio de temperatura y dado que la temperatura aumentó, terminamos
con un valor positivo; pero lo más importante es que nos da la magnitud del cambio en la energía
calorífica. Así que me pregunto: ¿cómo se compara esto con la cantidad que predijimos al usar la
Ley de Hess y la entalpía estándar de formación? Recuerda que podemos ver la entalpía estándar de
formación para todos los productos y reactantes en la parte de atrás de un libro de texto o
en línea. La reacción química entre el ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio produce agua
líquida y cloruro de sodio, la entalpía estándar de formación del ácido clorhídrico es de -167.2
KJ/mol, para la hidróxido de sodio es de -469.15 K/mol, para el agua líquida es de -285.8 k/mol y
para el cloruro de sodio es de -407.27 K/mol. No vamos a hacer todos los cálculos de los moles en
la pantalla, pero créeme cuando te digo que usamos 0.100 moles de HCl y la misma cantidad de NaOH.
Ya que todo en la ecuación se balancea, tenemos una razón de 1 a 1 a 1 a 1. Podemos suponer que
tenemos la misma cantidad de cada producto. Si sustituimos esto en la Ley de Hess y hacemos
los cálculos, encontraremos que el cambio en el calor o entalpía de la reacción es de -5.67 KJ,
y el sistema está liberando o perdiendo energía, entonces tenemos un valor negativo. Pero de nuevo,
lo que queremos saber es la magnitud. Así que ahí lo tienes, la fórmula de la calorimetría nos
da un valor absoluto en la entalpía de 6.2 KJ, mientras que la ley de Hess nos da un cambio de
5.67 KJ. Entonces, ¿por qué la diferencia? Bueno, la causa principal probablemente es que usamos el
calor específico del agua pura en lugar de usar el del agua salada, que fue lo que obtuvimos; tampoco
incluimos el calor específico del calorímetro, es decir, sus paredes y el termómetro también se
calentaron y esa parte del calor producido no se contabilizó; el aislamiento del calorímetro,
obviamente es un poco ligero, lo que permite que se escape un poco de calor y esa es otra
causa principal. Aún así diría que lo hicimos bastante bien. Lo importante es que nos mostró
lo que necesitábamos ver a pesar de ser sólo una pequeña botella de plástico dentro de una funda
aislante. Para ser un método simple y rápido, el calorímetro nos acercó bastante al valor
calculado. Si estuviéramos calculando la cantidad de un combustible en particular
necesario para viajar a marte o inventando una compresa fría para que no te congele,
necesitaríamos usar un sistema un poco más sofisticado y tendríamos más cuidado, pero este
funciona bastante bien para nuestros propósitos