Calorimetría: calorímetro y entalpía molar de reacción

Un termómetro mide un cambio de temperatura, no directamente una entalpía molar. Para pasar de una lectura a otra hay que decidir qué cuerpos absorben calor, escribir un balance y dividir después por la cantidad que realmente ha reaccionado. Saltarse uno de esos pasos puede producir un valor numérico razonable con un significado incorrecto.

Los siguientes ejercicios usan datos originales de procesos hipotéticos en disolución. Suponemos presión constante, únicamente trabajo de expansión, aislamiento térmico respecto al exterior y equilibrio térmico final. La capacidad calorífica y el calor específico se consideran constantes en cada intervalo. No son protocolos para realizar reacciones en casa.

Qué representa cada término

Definimos ΔT=Tfinal−Tinicial. La disolución intercambia qdis=mcΔT, donde m es su masa total y c su calor específico. El recipiente y los accesorios incluidos en la calibración intercambian qcal=CcalΔT.

Ccal se expresa en J·K⁻¹: ya es una capacidad calorífica completa y no se vuelve a multiplicar por una masa. En cambio, c puede expresarse en J·g⁻¹·K⁻¹ y sí debe multiplicarse por los gramos de disolución.

El balance ideal es qreacción+qdis+qcal=0. Por tanto, qreacción=−(mc+Ccal)ΔT. Bajo las condiciones de presión y trabajo indicadas, ese calor corresponde al cambio de entalpía de la cantidad que ha reaccionado.

Una diferencia de 3,4 °C tiene el mismo valor numérico que una diferencia de 3,4 K. Esto permite emplear ΔT en cualquiera de esas escalas con unidades coherentes. No significa que una temperatura absoluta de 3,4 °C sea 3,4 K.

Ejercicio 1: reacción que calienta la mezcla

En un montaje ideal, 100,0 g de disolución tienen c=4,18 J·g⁻¹·K⁻¹. La capacidad del calorímetro es 20,0 J·K⁻¹ y la temperatura aumenta 3,40 K. El avance de una reacción ajustada es 0,0250 mol. Calcula la entalpía molar asociada a esa ecuación.

Paso 1. Capacidad total. mc+Ccal=100,0·4,18+20,0=438 J·K⁻¹.

Paso 2. Calor recibido. La disolución y el calorímetro reciben 438·3,40=1489,2 J. La reacción cede esa cantidad: qreacción=−1489,2 J.

Paso 3. Dividir por el avance. ΔrH=−1489,2/0,0250=−59 568 J·mol⁻¹≈−59,6 kJ·mol⁻¹.

La unidad mol⁻¹ se refiere a la ecuación ajustada tal como se haya escrito. Si multiplicases por dos todos sus coeficientes, el avance numérico para la misma transformación se reduciría a la mitad y la entalpía de esa nueva ecuación se duplicaría.

Si ignorases el calorímetro, obtendrías −56,8 kJ·mol⁻¹. El módulo sería menor porque atribuirías a la reacción únicamente el calor absorbido por la disolución, dejando fuera el recipiente.

Ejercicio 2: proceso que enfría el entorno inmediato

Una transformación ocurre en 80,0 g de disolución con el mismo c. Ahora Ccal=15,0 J·K⁻¹ y ΔT=−2,00 K. El avance es 0,0100 mol.

Paso 1. Mantener el signo medido. La capacidad total es 80,0·4,18+15,0=349,4 J·K⁻¹. Al multiplicar por −2,00 K resulta qdis+qcal=−698,8 J.

Paso 2. Aplicar el balance. qreacción=+698,8 J. La transformación absorbe energía del entorno inmediato, que por eso se enfría.

Paso 3. Expresar por mol. ΔrH=+698,8/0,0100=+69,88 kJ·mol⁻¹, aproximadamente +69,9 kJ·mol⁻¹.

No cambies ΔT a un número positivo para después decidir el signo de memoria. Escribir el balance con la variación real hace visible la dirección del intercambio y evita dos cambios de signo independientes.

Ejercicio 3: prever la subida de temperatura

Una reacción hipotética A+B→C tiene ΔrH=−40,0 kJ·mol⁻¹. Se mezclan 0,0200 mol de A y 0,0300 mol de B, reaccionan completamente hasta agotar A y la capacidad térmica total es 500 J·K⁻¹. ¿Qué variación ideal se espera?

Paso 1. Encontrar el avance. La proporción es 1:1. A limita y el avance es 0,0200 mol; no se suman los moles iniciales.

Paso 2. Calcular el calor de reacción. qreacción=−40 000·0,0200=−800 J.

Paso 3. Resolver el balance. El conjunto térmico recibe +800 J, de modo que ΔT=800/500=+1,60 K. No hace falta conocer la temperatura inicial para calcular esa variación.

Qué debe indicar una respuesta completa

Identifica la masa de la mezcla, no solo la de uno de los líquidos, y utiliza el calor específico que proporciona el enunciado. Aproximar una disolución por agua es una hipótesis que debe estar autorizada por los datos; no es una igualdad universal.

Comprueba que la capacidad total incluya una sola vez cada contribución. Si una calibración ya da la capacidad del conjunto completo, añadir otra vez mc contaría parte del calor dos veces.

Finalmente, separa precisión aritmética y validez experimental. Pérdidas al exterior, evaporación, una reacción incompleta o una temperatura mal homogeneizada pueden romper los supuestos. Más decimales en la calculadora no reparan esas limitaciones. En una resolución, nombrarlas muestra qué estás suponiendo y qué resultado has calculado realmente.

Para situar esta práctica en el bloque completo, consulta el artículo relacionado de Química. El recurso gratuito de repaso ayuda a organizar conceptos; su descarga no implica que se permita llevarlo a una prueba.

Referencia conceptual: OpenStax, apartado consultado. Los ejercicios, datos y desarrollos son originales. No se atribuyen a un examen oficial ni predicen su frecuencia o los criterios de una convocatoria.

Preguntas frecuentes

¿Una subida de temperatura implica entalpía positiva?

No. Si la disolución y el calorímetro se calientan por la reacción, esta les cede calor y su entalpía es negativa bajo los supuestos indicados.

¿Se divide el calor entre todos los moles que había al inicio?

No. Se divide entre la cantidad que corresponde al avance de la reacción ajustada; hay que considerar el reactivo limitante.

¿Puedo identificar siempre el calor medido con ΔH?

No. La identificación exige presión constante y las condiciones de trabajo apropiadas; un montaje a volumen constante requiere otro tratamiento.

Del cambio de temperatura al avance de reacción

Escribe en dos columnas el calor que gana el entorno inmediato y el que intercambia la reacción. Después identifica el avance con los coeficientes ajustados. Repite el primer ejercicio sin la capacidad del recipiente y explica por qué cambia el módulo, aunque no cambie el signo.

Para ampliar la preparación, revisa la ficha del curso disponible de Química. Allí puedes comprobar contenido, precio y condiciones actuales de compra. Selecciona tu comunidad: esta práctica conceptual no describe por sí sola la estructura ni las instrucciones de su examen.