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. [brown.15ed.e.5.6]

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. [brown.15ed.p.5.6]

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. [brown.15ed.5.25]

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? [brown.15ed.5.84]

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). [chang.10ed.e.6.8]

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. -56.2 kJ/mol) [chang.10ed.p.6.8]

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? [chang.10ed.6.38]