6.8: Calorimetría de Presión Constante

La calorimetría es una técnica utilizada para medir la cantidad de calor que implica un proceso químico o físico o para medir el calor transferido hacia o desde una sustancia. El calor es intercambiado con un dispositivo calibrado y aislado llamado calorímetro. Los experimentos de calorimetría se basan en la suposición de que no hay intercambio de calor entre el calorímetro aislado y el ambiente externo. Los calorímetros bien aislados impiden la transferencia de calor entre el calorímetro y su entorno externo, lo que limita efectivamente el “entorno” de los componentes que no forman parte del sistema dentro del calorímetro (y el calorímetro mismo). Esto permite determinar con precisión el calor que interviene en los procesos químicos, como el contenido energético de los alimentos. 

El cambio de temperatura medido por el calorímetro se utiliza para obtener la cantidad de calor transferido por el proceso en estudio. En un calorímetro, un sistema se define como la sustancia o sustancias sometidas al cambio químico o físico, o en otras palabras, la reacción, y el entorno es toda otra materia, incluyendo la solución y cualquier otro componente en el calorímetro que proporcione calor al sistema o absorba calor del sistema.

Antes de discutir la calorimetría de las reacciones químicas, considere un ejemplo más simple que ilustra la idea central detrás de la calorimetría. Supongamos que se coloca una pieza de metal caliente a alta temperatura en una sustancia a baja temperatura, como el agua fría. El calor fluirá del metal caliente hacia el agua. La temperatura del metal disminuirá y la temperatura del agua aumentará hasta que las dos sustancias tengan la misma temperatura, es decir, cuando alcancen el equilibrio térmico. Si esto ocurre en un calorímetro, todo el calor se transfiere entre las dos sustancias, sin calor ganado o perdido por su entorno externo. En estas circunstancias ideales, el cambio de calor neto es cero:

Esta relación se puede reorganizar para mostrar que el calor ganado por el metal es igual al calor perdido por la sustancia, el agua:

La magnitud del calor (cambio) es, por lo tanto, la misma para ambas sustancias. El signo negativo simplemente muestra que q_metal y q_agua son opuestas en dirección del  flujo de calor (ganancia o pérdida), pero no indica el signo aritmético de ninguno de los dos valores de q (que por definición es determinado por si la materia en cuestión gana o pierde calor). En la situación específica descrita, q_metal es un valor negativo y q_agua es un valor positivo ya que el calor se transfiere del metal al agua.

Cuando se usa la calorimetría para determinar el calor implicado en una reacción química, se aplican los mismos principios. La cantidad de calor absorbida por el calorímetro es a menudo lo suficientemente pequeña como para que pueda ser desestimada y el calorímetro minimiza el intercambio de energía con el ambiente exterior. Cuando se produce una reacción exotérmica en solución en un calorímetro, el calor producido por la reacción es absorbido por la solución, lo que aumenta su temperatura. Cuando se produce una reacción endotérmica, el calor necesario se absorbe de la energía térmica de la solución, lo que disminuye su temperatura. El cambio de temperatura (ΔT), junto con el calor específico (c_soln) y la masa de la solución (m_soln), se pueden utilizar para calcular la cantidad de calor (q_soln) implicada en cualquier caso.

Un  calorímetro simple — llamado calorímetro de taza de café — está construido a partir de dos tazas de poliestireno anidadas cerradas con una tapa suelta. Los calorímetros de taza de café se utilizan para medir el calor de las reacciones que tienen lugar en soluciones (principalmente soluciones acuosas) y que implican un cambio de volumen nulo o muy pequeño. Dado que la energía no se crea ni se destruye durante una reacción química, el calor producido o consumido en la reacción (el “sistema”), q_rxn, más el calor absorbido o perdido por la solución (el “entorno”), q_soln, debe sumar cero:

Esto significa que la cantidad de calor producida o consumida en la reacción es igual a la cantidad de calor absorbido o perdido por la solución:

El calorímetro de taza de café es un calorímetro de presión constante y el calor medido de la reacción es equivalente al cambio en la entalpía.

Este texto ha sido adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 5.2: Calorimetría.

Para una reacción química realizada a presión constante, como la presión atmosférica, el calor intercambiado durante el proceso se mide como el cambio en la entalpía delta H.El cambio de entalpía de la reacción se manifiesta como un cambio de temperatura, que se mide mediante una técnica llamada calorimetría. En la calorimetría, la reacción se ejecuta en un recipiente sellado y calibrado llamado calorímetro. El calorímetro está bien aislado y evita cualquier flujo de calor entre él y su entorno.

Por lo tanto, el calor intercambiado entre los reactivos y productos, que constituyen el sistema, y el calorímetro, que es el entorno, se puede calcular con precisión monitoreando los cambios posteriores en la temperatura en el calorímetro. Si la reacción es exotérmica, el calor fluye desde el sistema hacia los alrededores y la temperatura aumenta. Por el contrario, si la reacción es endotérmica, el calor fluye desde los alrededores hacia el sistema, lo que hace que la temperatura del calorímetro descienda.

Un calorímetro de taza de café simple mide el cambio en la entalpía de una reacción que ocurre en una solución, bajo condiciones de presión constante. El calorímetro consta de dos tazas de café de espuma de poliestireno colocadas juntas y equipadas con un termómetro y un agitador. El calorímetro se cierra con una tapa de corcho holgada para mantener las condiciones de presión constante y abierta a la atmósfera.

Suponga que 50, 0 mililitros de ácido clorhídrico acuoso, 1, 0 molar, e hidróxido de potasio acuoso, 1, 0 molar, reaccionan dentro del calorímetro para elevar la temperatura de la solución en 6, 9 grados centígrados. El calor absorbido por la solución solución q-es igual a su calor específico, C s, 4.18 julios por gramo grado centígrado igual que el del agua multiplicado por su masa total, m-100.0 gramos, y el cambio en temperatura. El calor de la solución es 2.9 diez veces elevado a la potencia de 3 julios o 2.9 kilojulios.

El calor de la reacción reacción q-tiene el mismo valor, pero con signo opuesto. Debido a que la presión es constante, el cambio de entalpía es el mismo que el calor de la reacción. Para encontrar el cambio de entalpía de la reacción por mol, la entalpía se divide por el número de moles de ácido clorhídrico.

Los moles de ácido clorhídrico se encuentran multiplicando el volumen en litros 0.05 L con la molaridad de 1 molar. Por lo tanto, 2.9 kilojulios negativos divididos por 0.050 moles dan 58 kilojulios negativos por mol.