Calor de neutralización

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Las reacciones químicas generalmente absorben o liberan energía, que suele manifestarse en forma de calor. Es fundamental comprender la distinción entre energía térmica y calor. El calor se define como la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos a diferentes temperaturas.

Frecuentemente se hace referencia al “flujo de calor” desde un objeto caliente hacia otro frío. Aunque el término «calor» implica transferencia de energía, se suele utilizar “calor absorbido” o “calor liberado” para describir los cambios energéticos durante un proceso.

Reacciones endotérmicas y exotermicas

Las reacciones químicas pueden ser endotérmicas, si absorben calor, o exotérmicas, si liberan calor. Los cambios endotérmicos se expresan con signo positivo, mientras que los cambios exotérmicos se indican con signo negativo, de acuerdo con la primera ley de la termodinámica. El cambio de entalpía en una reacción directa es el opuesto al de la reacción inversa, y este efecto térmico es consistente, sin importar si la reacción ocurre en una o varias etapas. La magnitud del cambio depende de la constitución, el estado físico de reactivos y productos, y de la expresión estequiométrica.

Los cambios térmicos pueden ocurrir a presión constante o a volumen constante, y se expresan mediante las siguientes ecuaciones:

donde (Delta H) representa el cambio de entalpía y (Delta E) el cambio de energía. La (Delta H) se puede determinar experimentalmente midiendo el flujo de calor que acompaña a una reacción a presión constante, mientras que la (Delta E) se mide a volumen constante.

Calor especifico y capacidad calorífica

En el laboratorio, los cambios de calor en procesos físicos o químicos se determinan mediante un calorímetro, un recipiente cerrado diseñado para tal propósito. La calorimetría, es decir, la medición de los cambios de calor depende del entendimiento de los conceptos de calor específico y capacidad calorífica.

El Calor Específico ((s)) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar en un grado Celsius la temperatura de un gramo de dicha sustancia. La Capacidad Calorífica ((C)) de una sustancia es el calor necesario para elevar en un grado Celsius la temperatura de una cierta cantidad de sustancia.

El calor específico es una propiedad intensiva, mientras que la capacidad calorífica es una propiedad extensiva. Si se conoce el calor específico y la cantidad de una sustancia, el cambio en la temperatura de una muestra ((Delta t)) permitirá calcular la cantidad de calor ((q)) absorbido o liberado en un proceso determinado. La ecuación para el cálculo de (q) es la siguiente:

donde (m) es la masa de la muestra y (Delta t) es el cambio de temperatura. El signo convencional de (q) sigue el mismo criterio que el cambio de entalpía: es positivo para procesos endotérmicos y negativo para exotérmicos.

La Capacidad Calorífica ((C)) de una sustancia indica la dificultad que presenta para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Esto puede interpretarse como un efecto de inercia térmica y se expresa en la siguiente ecuación:

donde (C) es la capacidad calorífica, (Q) es el calor y (Delta T) la variación de temperatura. La relación entre la capacidad calorífica y el calor específico de una sustancia está dada por:

En muchos casos, es útil conocer la capacidad calorífica específica, también conocida como calor específico ((c)), que se define como:

así, la ecuación para el cálculo del cambio de calor queda como:

Calor de Neutralización

La neutralización de soluciones acuosas diluidas de un ácido con una base es un tipo específico de reacción química denominada reacción de neutralización. La neutralización de una solución acuosa de HCl con NaOH se representa de la siguiente manera:

El calor de reacción (Delta H^circ_{25^circ C}) se puede calcular a partir de los calores de formación (Delta H^circ_f):

Según la ecuación (Delta H = H_{text{final}} – H_{text{inicial}}), el calor estándar de reacción para la ecuación será:

El símbolo (ac) indica que la solución acuosa es lo suficientemente diluida como para que una dilución adicional no produzca efectos térmicos. Los calores de neutralización se pueden medir directamente mediante calorimetría, con mediciones en serie sobre soluciones diluidas. Algunos ejemplos son:

El calor de neutralización para ácidos y bases fuertes en solución diluida es casi constante, debido a la disociación completa de los ácidos y bases fuertes en sus respectivos iones. Por ejemplo, la neutralización de una solución diluida de HCl y NaOH puede interpretarse como una reacción iónica:

En la neutralización de ácidos y bases débiles, como el ácido acético ((text{CH}_3text{COOH})) con NaOH, el calor de neutralización es menor debido al calor necesario para completar la disociación del ácido en iones.

Materiales

• Termo o frasco Dewar
• Termómetro con precisión de 0.1 grado
• Cronometro
• Vaso de precipitados

Reactivos

• Ácido acético 0.03 N
• Hidróxido de sodio 0.45 N
• Ácido clorhídrico 0.6 N
• Agua destilada

Procedimiento – Calor de neutralización

Acido fuerte – base fuerte

Colocar en el termo o frasco Dewar 100 ml de ácido clorhídrico 0.6 N dejar que alcance el equilibrio térmico por 3 minutos medir y registrar temperatura. Mezclar con 100ml de la solución de hidróxido de sodio 0.45 N, agitar suavemente el contenido con el termómetro y anotar la temperatura cada 20 segundos hasta completar 4 minutos.

Acido débil – base fuerte

Colocar en el termo o frasco Dewar 100 ml de ácido acético 0.03 N dejar que alcance el equilibrio térmico por 3 minutos medir y registrar temperatura. Mezclar con 100ml de hidróxido de sodio 0.45 N, agitar suavemente el contenido con el termómetro, medir y anotar la temperatura cada 20 segundos hasta completar los 4 minutos.

Después del laboratorio

Elaborar un gráfico de T (ºC) vs t (s) y determinar el ΔT para cada caso.  Calcular el ΔH para cada caso consultando la capacidad calorífica de cada solución. ¿En qué caso se tiene un cambio de entalpia mayor? ¿Por qué?

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