Termoquímica

1 ejercicio

Entalpía de reacción

Competencial

2025 · Ordinaria · Titular

Suponga que usted trabaja en el departamento de emergencias de una fábrica que emplea ácido clorhídrico ( $\ce{HCl}$ ) en el proceso de producción, y debe elaborar un procedimiento para neutralizar el ácido en caso de derrame accidental, para lo que dispone de una gran cantidad de disolución de hidróxido sódico ( $\ce{NaOH}$ ) en el almacén de la fábrica. La reacción entre ambas sustancias genera un producto inocuo;

\ce{HCl(aq) + NaOH(aq)} -> \ce{NaCl(aq) + H2O(l)}

Sin embargo, usted sabe que al mezclar directamente un ácido y una base fuertes se desprende gran cantidad de calor que podría elevar la temperatura del derrame hasta límites peligrosos. Por ello, es importante cuantificar el calor desprendido en el proceso de neutralización teniendo en cuenta las condiciones de trabajo en la fábrica: todos los productos se almacenan a $25^\circ \text{C}$ en disolución; la concentración de la disolución de $\ce{NaOH}$ es 1 M y la del $\ce{HCl}$ 2 M.

1.1. Diseñe un aparato para determinar, de forma aproximada, la entalpía de la reacción de neutralización del

\ce{HCl}

con el

\ce{NaOH}

en las condiciones del supuesto vertido, a

25^\circ \text{C}

. Para llevar a cabo el diseño debe escoger el material que considere más apropiado de entre el que se indica a continuación, y describir cómo sería el procedimiento que realizaría para determinar la entalpía en el dispositivo diseñado. Material: vaso de precipitados, tela aislante, tapón de corcho del tamaño del vaso de precipitados, termómetro, tijeras, punzón para hacer agujeros, matraz aforado, tapón de vidrio del tamaño del matraz aforado, bureta, probeta, vara agitadora y cinta adhesiva.1.2. Suponga que llevó a cabo un experimento para determinar la entalpía de la reacción de neutralización con el aparato que diseñó, empleando 100 mL de la disolución de

\ce{HCl}

y 200 mL de la disolución de

\ce{NaOH}

, y obtuvo los resultados mostrados en la Tabla I. A partir de estos datos calcule la entalpía de neutralización molar en las condiciones de trabajo de la fábrica.

Nota: considere que la densidad de la disolución resultante de mezclar el ácido con la base es $1 \text{ g/cm}^3$ , que su capacidad calorífica es igual a la del agua, $4,18 \text{ J/g} \cdot ^\circ \text{C}$ , y que los volúmenes son aditivos. Desprecie la capacidad calorífica del calorímetro.

1.3. En el caso de un vertido accidental se trabajaría con grandes volúmenes de ácido y base. ¿Alteraría este hecho la temperatura máxima que podría alcanzar la mezcla de neutralización? Teniendo esto en cuenta, discuta razonadamente si considera que este sería un buen método de neutralización.

TermoquímicaEntalpíaActividad competencial+1

1.1. Diseño del calorímetro casero y procedimiento

Material seleccionado: vaso de precipitados, tela aislante, tapón de corcho, termómetro, punzón, probeta, vara agitadora y cinta adhesiva.Diseño: Se envuelve el vaso de precipitados con tela aislante sujeta con cinta adhesiva para minimizar las pérdidas de calor al entorno. Con el punzón se hacen dos orificios en el tapón de corcho: uno para introducir el termómetro y otro para añadir los reactivos o insertar la vara agitadora. El conjunto actúa como un calorímetro de vaso de café.Procedimiento: Se miden con la probeta los volúmenes de disolución de $\ce{HCl}$ (2 M) y de $\ce{NaOH}$ (1 M) que se vayan a utilizar, ambas almacenadas a 25 °C. Se vierte uno de ellos en el vaso calorimétrico, se coloca el tapón con el termómetro y la vara agitadora y se registra la temperatura inicial ( $T_i$ ). A continuación se añade rápidamente la otra disolución a través del orificio del tapón, se agita y se registra la temperatura cada cierto tiempo hasta que se alcanza el valor máximo ( $T_{max}$ ). La variación de temperatura $\Delta T = T_{max} - T_i$ permite calcular el calor desprendido y, dividiendo por los moles de agua formada, la entalpía molar de neutralización.

1.2. Cálculo de la entalpía de neutralización molar

Primero se identifican los moles de cada reactivo y el reactivo limitante:

n(\ce{HCl}) = 2 \text{ M} \times 0{,}100 \text{ L} = 0{,}200 \text{ mol}

n(\ce{NaOH}) = 1 \text{ M} \times 0{,}200 \text{ L} = 0{,}200 \text{ mol}

Ambos reactivos están en cantidad estequiométrica (relación 1:1), por lo que se forman 0,200 mol de $\ce{H2O}$ .De la Tabla I, la temperatura inicial es $T_i = 25{,}00\ ^\circ\text{C}$ (tiempo 0 s) y la temperatura máxima es $T_{max} = 34{,}19\ ^\circ\text{C}$ (tiempo 30 s, tras el cual se mantiene prácticamente constante). Por tanto:

\Delta T = T_{max} - T_i = 34{,}19 - 25{,}00 = 9{,}19\ ^\circ\text{C}

La masa de la disolución resultante (volúmenes aditivos, densidad 1 g/cm³):

m = (100 + 200)\ \text{mL} \times 1\ \text{g/mL} = 300\ \text{g}

El calor absorbido por la disolución:

q_{\text{disol}} = m \cdot c_p \cdot \Delta T = 300\ \text{g} \times 4{,}18\ \frac{\text{J}}{\text{g}\cdot ^\circ\text{C}} \times 9{,}19\ ^\circ\text{C} = 11{,}530\ \text{kJ}

La reacción cede ese calor a la disolución, por lo que el calor de reacción es $q_{\text{rxn}} = -11{,}530\ \text{kJ}$ .La entalpía molar de neutralización:

\Delta H_{\text{neut}} = \frac{q_{\text{rxn}}}{n(\ce{H2O})} = \frac{-11{,}530\ \text{kJ}}{0{,}200\ \text{mol}} = -57{,}6\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}

La entalpía de neutralización molar en las condiciones de trabajo de la fábrica es $\Delta H_{\text{neut}} = -57{,}6\ \text{kJ/mol}$ , valor muy próximo al valor estándar de neutralización de ácido y base fuertes (−57,3 kJ/mol), lo que valida el experimento.

1.3. Efecto del volumen en la temperatura máxima y valoración del método

Al trabajar con grandes volúmenes en las mismas concentraciones (2 M de $\ce{HCl}$ y 1 M de $\ce{NaOH}$ ) y en proporción estequiométrica, tanto el calor total liberado ( $q = n \cdot |\Delta H_{\text{neut}}|$ ) como la masa de disolución crecen proporcionalmente al volumen. La temperatura máxima alcanzada depende de:

\Delta T = \frac{q}{m \cdot c_p} = \frac{n \cdot |\Delta H_{\text{neut}}|}{m \cdot c_p}

Como $n$ y $m$ son ambas proporcionales al volumen total, el cociente $n/m$ es constante e independiente del volumen. Por tanto, $\Delta T$ no cambia al escalar el experimento: la temperatura máxima que alcanzaría la mezcla sería la misma (~34 °C), independientemente de la cantidad de ácido y base empleada.Sin embargo, aunque la temperatura máxima no sería peligrosa en sí misma (~34 °C), en un vertido accidental la situación es distinta: el ácido derramado puede no estar en proporción estequiométrica con el $\ce{NaOH}$ añadido, puede haber exceso de uno de los reactivos, y la mezcla podría no producirse de forma homogénea, generando zonas locales de alta concentración y alta temperatura. Además, el control del volumen exacto vertido en una emergencia es muy difícil.En conclusión, la neutralización con $\ce{NaOH}$ es un método efectivo químicamente (genera $\ce{NaCl}$ y $\ce{H2O}$ , productos inocuos) y la elevación de temperatura no es intrínsecamente peligrosa si las concentraciones son las de trabajo (~34 °C). Sin embargo, en la práctica de un derrame real habría que añadir el $\ce{NaOH}$ de forma gradual y controlada, evitar el exceso de base o ácido, y considerar soluciones más diluidas para reducir el calor generado por unidad de volumen, haciendo el procedimiento más seguro.