Ejercicios: Entalpía y calorimetría

El carbonato de calcio se descompone térmicamente según la siguiente ecuación termoquímica a $298\,\text{K}$ y $1\,\text{bar}$:

$$\mathrm{CaCO_3(s)} \rightarrow \mathrm{CaO(s)} + \mathrm{CO_2(g)} \quad \Delta H^\circ = +178{,}0\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$$

1. a) Justificá razonadamente si el proceso es exotérmico o endotérmico y qué magnitud física representa dicha variación de entalpía si la reacción se lleva a cabo en un recipiente abierto a presión constante.
2. b) Calculá el calor intercambiado, expresado en kilojulios, cuando se descomponen completamente $25{,}0\,\text{g}$ de carbonato de calcio puro.

Datos: Masas molares atómicas: $M(\mathrm{Ca}) = 40{,}1\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{C}) = 12{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{O}) = 16{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

Se dispone de dos combustibles para calefacción doméstica: metano, $\mathrm{CH_4(g)}$, y propano, $\mathrm{C_3H_8(g)}$. Las ecuaciones termoquímicas de combustión completa estándar a $298\,\text{K}$ son:

$$\mathrm{CH_4(g)} + 2\,\mathrm{O_2(g)} \rightarrow \mathrm{CO_2(g)} + 2\,\mathrm{H_2O(l)} \quad \Delta H^\circ = -890{,}4\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$$ $$\mathrm{C_3H_8(g)} + 5\,\mathrm{O_2(g)} \rightarrow 3\,\mathrm{CO_2(g)} + 4\,\mathrm{H_2O(l)} \quad \Delta H^\circ = -2220{,}0\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$$

1. a) Calculá la energía desprendida por gramo de combustible consumido en cada caso.
2. b) Indicá, justificando con los resultados obtenidos, cuál de los dos hidrocarburos proporciona mayor aporte energético por unidad de masa.

Datos: Masas molares atómicas: $M(\mathrm{C}) = 12{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{H}) = 1{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

La síntesis industrial del amoníaco se describe mediante el proceso Haber-Bosch. En el siguiente diagrama entálpico se representa la energía asociada a dicha transformación termoquímica a $298\,\text{K}$:

En la figura se esquematiza el balance entálpico de la reacción:

Los reactivos gaseosos se encuentran a entalpía relativa de $0\,\text{kJ}$ y los productos a $-92{,}0\,\text{kJ}$ por mol de $\mathrm{N_2(g)}$ que reacciona.

1. a) Escribí la ecuación termoquímica ajustada con coeficientes estequiométricos enteros mínimos y deducí razonadamente el signo y el valor numérico indicado por la flecha con interrogante.
2. b) Calculá la cantidad de calor intercambiado a presión constante cuando reaccionan completamente $0{,}50\,\text{mol}$ de $\mathrm{N_2(g)}$ con hidrógeno en exceso, y determiná el calor necesario para descomponer $68{,}0\,\text{g}$ de amoníaco gaseoso en sus elementos a la misma temperatura.

Datos: Masa molar: $M(\mathrm{NH_3}) = 17{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

En un calorímetro a presión constante de $1\,\text{bar}$ (cuya capacidad calorífica se considera despreciable) se mezclan $100{,}0\,\text{mL}$ de una disolución acuosa de $\mathrm{HCl} 0{,}50\,\text{M}$ con $100{,}0\,\text{mL}$ de disolución acuosa de $\mathrm{NaOH} 0{,}50\,\text{M}$, ambos inicialmente a $21{,}0\,^\circ\text{C}$. Tras completarse la neutralización, la temperatura final de la mezcla homogénea se estabiliza en $24{,}4\,^\circ\text{C}$.

1. a) Escribí la ecuación iónica neta del proceso y determiná la cantidad de sustancia, en moles, de agua formada.
2. b) Calculá la entalpía molar experimental de neutralización expresada en $\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ de agua generada.

Datos: Suponé que la densidad de todas las disoluciones acuosas es $1{,}00\,\text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$ y que su calor específico medio es igual al del agua pura, c_e $= 4{,}18\,\text{J}\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$. Considerá que no hay pérdidas de calor al exterior.