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Introducción a la calorimetría y la entalpia

Transcripción del video

y ácido clorhídrico el a mi enemigo de los químicos es tan terriblemente peligroso como terriblemente útil quemar a tu piel tus ojos incluso tus membranas mucosas y respirar sus vapores por mucho tiempo pero él hcl como es un ácido sé de 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 solo un poco de calor combinar ácidos y bases concentrados libera tanto calor que puede provocar una explosión te mostraremos cómo producir una cantidad de calor segura pero perceptible con esta reacción para mí la parte más divertida es de donde 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 dan 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 liberará la reacción [Música] recuerda que medir el cambio de calor está estrechamente relacionado con la cnrt al día 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 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 que tanto calor es liberado o absorbido por una reacción química además de los calentadores para mano sexo térmicos 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 cnrt al pie 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 cnrt al pie de un sistema es con la ley de hesse que como recordarás nos dice que el cambio total de la antártida para una reacción química no depende del camino que tome solo depende de los estados inicial y final todo esto está expresado en términos de la cntc al pie estándar de formación la cantidad de calor perdida o ganada cuando se forma un molde 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 hesse la ley misma no nos dice nada sobre la intrépida deformación 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 calor y metro un calor y metro puede ser una elegante y cada 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 es 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 étnica lori metro 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 esperar 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 grados celsius esto es 294 kelvin 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 devolver 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 grados celsius 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 pero el cambio en el calor en la fórmula del calorímetro se representa normalmente por una minúscula pero también puede representarse como el cambio y la cnrt al pie o delta h ya que recordemos que a presión constante delta h es igual a 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 delta 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 un gramo o un kilogramo de una sustancia por un 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 como 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 solo tenemos que buscar los valores en una tabla muy bien entonces el calor específico multiplica a la masa total 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 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 100 se 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 haz las reglas del universo la ley fundamental así que ahora ya lo sabes aunque no te importe pero debería porque es genial super ultra mega maravilloso muy bien suficiente plática vamos es momento de hacer las matemáticas correspondientes recuerda que la fórmula es delta h es igual a s m del datem 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 llull por gramo grado que el vino por otra parte usamos 100 gramos de cada restante para una masa total de 200 gramos y finalmente necesitamos el cambio en la temperatura si recuerdas la temperatura aumentó de 294 kelvin a 300 1.4 kelvin la diferencia entre estas dos temperaturas es de 7.4 kelvin y es un valor positivo porque ese incremento de la temperatura cancelamos las unidades correspondientes y luego de unos golpes en la calculadora obtenemos 6.192 punto 32 tools liberados o cerca de 6.2 kilos jules de calor 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 hesse y la cnrt al pie estándar de formación recuerda que podemos ver la intel pie estándar de formación para todos los productos hidratantes 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 entropía estándar de formación del ácido clorhídrico es de menos 167.2 kilo jules formol para la hidróxido de sodio es de menos 469 punto 15 kilos por mol para el agua líquida es de menos 280 y 5.8 kilos por mol y para el cloruro de sodio es de menos 400 7.27 kilos formol no vamos a hacer todos los cálculos de los moles en la pantalla créeme cuando te digo que usamos 0.7 moles de hcl y la misma cantidad de nh ya que todo en la ecuación se balancean 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 hesse y hacemos los cálculos encontraremos que el cambio en el calor o entalpía de la reacción es de menos 5 puntos 67 kilos 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 cndh al pia de 6.2 kilos mientras que la ley deje nos da un cambio de 5.67 kilos entonces porque 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 cuenta 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 solo una pequeña botella de plástico dentro de una funda aislante para hacer 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 congelen necesitaríamos usar un sistema un poco más sofisticado y tendríamos más cuidado pero este funciona bastante bien para nuestros propósitos
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