Calorimetría de Volumen Constante

Los calorímetros son útiles para determinar el calor liberado o absorbido por una reacción química. Los calorímetros de taza de café están diseñados para funcionar a presión constante (presión atmosférica) y son convenientes para medir el flujo de calor (o cambio de entalpía) que acompaña a los procesos que se producen en la solución a presión constante. Un tipo diferente de calorímetro que opera a volumen constante, coloquialmente conocido como calorímetro de bomba, se utiliza para medir la energía producida por reacciones que rinden grandes cantidades de calor y productos gaseosos, tales como las reacciones de combustión. (El término “bomba” proviene de la observación de que estas reacciones pueden ser lo suficientemente potentes como para parecerse a explosiones que podrían dañar otros calorímetros.) 

La primera ley de la termodinámica sugiere que el cambio en la energía interna (ΔE) de una reacción es la suma de calor (q) y trabajo (w). 

En las reacciones gaseosas, el trabajo realizado es de tipo presión-volumen, dando como resultado cambios en el volumen de la reacción. 

Los calorímetros de bomba están diseñados para funcionar a volumen constante, de forma que no se permite que cambie el volumen de la reacción (ΔV = 0). 

Por lo tanto, el trabajo realizado es cero y el calor (q_v) medido utilizando un calorímetro de bomba es equivalente al cambio en la energía interna de la reacción.

Un calorímetro de bomba consiste en un contenedor de acero robusto que contiene los reactivos y que a su vez está sumergido en agua. La muestra se coloca en la bomba, que luego se llena de oxígeno a alta presión. Se utiliza una pequeña chispa eléctrica para encender la muestra. La energía producida por la reacción es absorbida por la bomba de acero y el agua circundante. Se mide el aumento de la temperatura (ΔT) y, junto con la capacidad calorimétrica conocida (C_cal), se calcula el calor absorbido por todo el complejo calorimétrico (q_cal). 

Dado que el calorímetro está aislado y no se pierde calor hacia el medio ambiente, el calor ganado por el calorímetro equivale al calor liberado por la reacción.

Debido a las condiciones de volumen constante, el calor tomado en la reacción corresponde al cambio de energía interno.

Este es el cambio de energía interna para la cantidad específica de reactivo que se está quemando. La ΔErxn por mol de un reactante particular se obtiene dividiendo el valor por el número de moles que realmente reaccionaron.

Los calorímetros de bomba requieren calibración para determinar la capacidad de calor del calorímetro y garantizar resultados precisos. La calibración se realiza utilizando una reacción con una q conocida, como una cantidad medida de ácido benzoico encendido por una chispa de un alambre de fusible de níquel que se pesa antes y después de la reacción. El cambio de temperatura producido por la reacción conocida se utiliza para determinar la capacidad de calor del calorímetro. Generalmente la calibración se realiza antes de cada vez que se vaya a utilizar el calorímetro para recopilar datos de investigación.

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