Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Calorimetría a presión constante de cuerpo reactivo

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En la termoquímica, el estudio de los intercambios de energía térmica se vuelve especialmente relevante cuando las sustancias involucradas reaccionan químicamente entre sí. A diferencia de los cuerpos inertes, los cuerpos reactivos no solo cambian de temperatura, sino que también transforman su estructura química, liberando o absorbiendo calor en el proceso. Esta energía, que acompaña a las reacciones, se denomina entalpía de reacción, y su medición es esencial para comprender fenómenos como la neutralización ácido-base, la formación de precipitados o la disolución exotérmica o endotérmica de sales.

La calorimetría a presión constante permite determinar estos cambios energéticos mediante dispositivos sencillos, como el calorímetro tipo taza de café. En estos sistemas, el calor generado o absorbido por la reacción química se transfiere al medio circundante —generalmente agua— y produce un cambio de temperatura que puede medirse con precisión. A partir de esta variación térmica, y conociendo propiedades como la masa y el calor específico de las sustancias, es posible calcular la cantidad de calor intercambiado y relacionarlo con la cantidad de reactivo transformado.

Los siguientes ejercicios, extraídos de fuentes reconocidas como Química: La ciencia central de Brown y Química de Chang, ilustran cómo se determina la entalpía molar de diferentes reacciones. Estas actividades permiten comprender la relación entre energía y transformación química en sistemas simples, reforzando la capacidad para aplicar la teoría termoquímica en contextos experimentales y reales.

Química de Brown

Ejemplo 5.6
Cuando un estudiante mezcla 50 mL de una disolución 1,0 M de HCl con 50 mL de una disolución 1,0 M de NaOH en un calorímetro tipo taza de café, la temperatura de la disolución resultante aumenta de 21,0 °C a 27,5 °C. Calcula el cambio de entalpía de la reacción en kJ/mol de HCl, asumiendo que el calorímetro pierde una cantidad de calor despreciable, que el volumen total de la disolución es 100 mL, que su densidad es de 1,0 g/mL, y que su calor específico es de 4,18 J/g·K.

Práctica 5.6
Cuando se mezclan 50,0 mL de una disolución 0,100 M de AgNO₃ con 50,0 mL de una disolución 0,100 M de HCl en un calorímetro de presión constante, la temperatura de la mezcla aumenta de 22,30 °C a 23,11 °C. El aumento de temperatura se debe a la siguiente reacción:
AgNO₃(ac) + HCl(ac) → AgCl(s) + HNO₃(ac)
Calcula el valor de ∆H para esta reacción en kJ/mol de AgNO₃, asumiendo que la disolución combinada tiene una masa de 100,0 g y un calor específico de 4,18 J/g·°C.

Ejercicio 5.25
Cuando una muestra de 18,6 g de hidróxido de potasio sólido se disuelve en 200,0 g de agua en un calorímetro tipo taza de café (ver Figura 5.18), la temperatura se eleva de 23,7 °C a 44,5 °C.
(a) Calcula la cantidad de calor liberado en la reacción (en kJ).
(b) Utilizando el resultado de la parte (a), calcula el valor de ∆H (en kJ/mol de KOH) para el proceso de disolución. Se asume que el calor específico de la disolución es el mismo que el del agua pura.

Ejercicio 5.84
(a) Cuando una muestra de 8,50 g de nitrato de amonio sólido (NH₄NO₃) se disuelve en 120,0 g de agua en un calorímetro tipo taza de café (ver Figura 5.18), la temperatura desciende de 24,0 °C a 18,9 °C. Calcula el valor de ∆H (en kJ/mol de NH₄NO₃) para el proceso de disolución:
NH₄NO₃(s) → NH₄⁺(ac) + NO₃⁻(ac)
Se asume que el calor específico de la disolución es el mismo que el del agua pura.
(b) ¿Este proceso es endotérmico o exotérmico?

Química de Chang

Ejemplo 6.8
Una cantidad de 100 mL de HCl 0,500 M se mezcla con 100 mL de NaOH 0,500 M en un calorímetro de presión constante con capacidad calorífica despreciable. La temperatura inicial de ambas disoluciones era la misma: 22,50 °C. La temperatura final de la disolución mezclada fue de 25,86 °C. Calcula el cambio de calor para la reacción de neutralización en base molar:
NaOH(ac) + HCl(ac) → NaCl(ac) + H₂O(l)
Se asume que las densidades y los calores específicos de las disoluciones son los mismos que los del agua (1,00 g/mL y 4,184 J/g·°C, respectivamente).

Práctica 6.8
Una cantidad de 400 mL de HNO₃ 0,600 M se mezcla con 400 mL de Ba(OH)₂ 0,300 M en un calorímetro de presión constante con capacidad calorífica despreciable. La temperatura inicial de ambas disoluciones es la misma: 18,46 °C. ¿Cuál es la temperatura final de la disolución resultante? (Utiliza el resultado del Ejemplo 6.8 para hacer el cálculo.)

Ejercicio 6.38
Una cantidad de 200 mL de HCl 0,862 M se mezcla con 200 mL de Ba(OH)₂ 0,431 M en un calorímetro de presión constante con capacidad calorífica despreciable. La temperatura inicial de ambas disoluciones es la misma: 20,48 °C. Para el proceso
H⁺(ac) + OH⁻(ac) → H₂O(l)
el calor de neutralización es de −56,2 kJ/mol. ¿Cuál es la temperatura final de la disolución mezclada?