Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Calorimetría a volumen constante

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La termoquímica analiza los intercambios de energía térmica que acompañan a las transformaciones químicas y físicas. En este campo, la calorimetría de volumen constante permite estudiar con precisión los procesos que liberan o absorben calor sin que el sistema experimente cambios de volumen, como ocurre en las reacciones de combustión dentro de un calorímetro de bomba. Este tipo de calorímetro es especialmente útil para determinar el contenido energético de sustancias combustibles y para establecer comparaciones cuantitativas entre distintos compuestos orgánicos e inorgánicos.

En un experimento típico, una muestra se quema completamente en un recipiente sellado rodeado de agua. La energía liberada en la combustión se transfiere al agua y a las paredes metálicas del calorímetro, elevando su temperatura. A partir de esta variación térmica y conociendo la capacidad calorífica total del sistema, es posible calcular el calor de combustión de una sustancia, ya sea por unidad de masa, por mol, o incluso por unidad de volumen en algunos casos aplicados.

Los ejercicios presentados a continuación, tomados de obras reconocidas como Química: La ciencia central de Brown y Química de Chang, ilustran el uso práctico del calorímetro de bomba en la determinación de energías internas y entalpías de combustión. A través de ejemplos detallados se desarrollan competencias para interpretar datos experimentales, balancear ecuaciones termoquímicas y calcular la energía asociada a la transformación completa de compuestos orgánicos e inorgánicos. Esta sección permite afianzar el vínculo entre la teoría termoquímica y su aplicación en el laboratorio y en la industria energética.

Química de Brown

Ejemplo 5.7
La combustión de metilhidrazina (CH₆N₂), un combustible líquido para cohetes, produce N₂(g), CO₂(g) y H₂O(l):
2 CH₆N₂(l) + 5 O₂(g) → 2 N₂(g) + 2 CO₂(g) + 6 H₂O(l)
Cuando se queman 4,00 g de metilhidrazina en un calorímetro de bomba, la temperatura del calorímetro aumenta de 25,00 °C a 39,50 °C. En un experimento separado, se midió la capacidad calorífica del calorímetro: 7,794 kJ/°C. Calcula el calor de reacción para la combustión de un mol de CH₆N₂.

Práctica 5.7
Una muestra de 0,5865 g de ácido láctico (HC₃H₅O₃) reacciona con oxígeno en un calorímetro cuya capacidad calorífica es de 4,812 kJ/°C. La temperatura aumenta de 23,10 °C a 24,95 °C. Calcula el calor de combustión del ácido láctico:
(a) por gramo
(b) por mol

Ejercicio 5.26
Una muestra de 1,50 g de quinona (C₆H₄O₂) se quema en un calorímetro de bomba cuya capacidad calorífica total es de 8,500 kJ/°C. La temperatura del calorímetro aumenta de 25,00 °C a 29,49 °C.
(a) Escribe la ecuación química balanceada para la reacción en el calorímetro.
(b) ¿Cuál es el calor de combustión por gramo y por mol de quinona?

Ejercicio 5.27
En condiciones de volumen constante, el calor de combustión de la sacarosa (C₁₂H₂₂O₁₁) es 16,49 kJ/g. Se quema una muestra de 3,00 g de sacarosa en un calorímetro de bomba. La temperatura del calorímetro aumenta de 21,94 °C a 24,62 °C.
(a) ¿Cuál es la capacidad calorífica total del calorímetro?
(b) Si el tamaño de la muestra de sacarosa hubiera sido exactamente el doble, ¿cuál habría sido el cambio de temperatura del calorímetro?

Ejercicio 5.85
Una muestra de 2,20 g de fenol (C₆H₅OH) se quema en un calorímetro de bomba cuya capacidad calorífica total es de 11,90 kJ/°C. La temperatura del calorímetro y su contenido aumenta de 21,50 °C a 27,50 °C.
(a) Escribe la ecuación química balanceada para la combustión en el calorímetro.
(b) ¿Cuál es el calor de combustión por gramo y por mol de fenol?

Ejercicio 5.86
En condiciones de volumen constante, el calor de combustión del naftaleno (C₁₀H₈) es 40,18 kJ/g. Se quema una muestra de 2,50 g de naftaleno en un calorímetro de bomba. La temperatura del calorímetro aumenta de 21,50 °C a 28,83 °C.
(a) ¿Cuál es la capacidad calorífica total del calorímetro?
(b) Se quema una muestra de 1,50 g de una nueva sustancia orgánica en el mismo calorímetro. La temperatura del calorímetro aumenta de 21,14 °C a 25,08 °C. ¿Cuál es el calor de combustión por gramo de esta nueva sustancia?
(c) Supón que al cambiar de muestra se pierde una parte del agua del calorímetro. ¿Cómo afectaría esto, si es que lo hace, la capacidad calorífica del calorímetro?

Química de Chang

Ejemplo 6.6
Una muestra de 1,435 g de naftaleno (C₁₀H₈), una sustancia de olor penetrante usada como repelente de polillas, se quemó en un calorímetro de bomba a volumen constante. Como resultado, la temperatura del agua aumentó de 20,28 °C a 25,95 °C. Si la capacidad calorífica del sistema (bomba más agua) es de 10,17 kJ/°C, calcula el calor de combustión molar del naftaleno.

Práctica 6.6
Se quema una muestra de 1,922 g de metanol (CH₃OH) en un calorímetro de bomba a volumen constante. La temperatura del agua aumenta en 4,20 °C. Si la capacidad calorífica de la bomba más el agua es de 10,4 kJ/°C, calcula el calor de combustión molar del metanol.

Ejercicio 6.37
Se quema una muestra de 0,1375 g de magnesio sólido en un calorímetro de bomba a volumen constante cuya capacidad calorífica es de 3024 J/°C. La temperatura aumenta en 1,126 °C. Calcula el calor liberado por la combustión del magnesio, en kJ/g y en kJ/mol.