Introducción a la calorimetría y la entalpia

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