Entalpía y calorimetría

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

$$\mathrm{CaCO_3(s)} \rightarrow \mathrm{CaO(s)} + \mathrm{CO_2(g)} \quad \Delta H^\circ = +178.0\,\text{kJ}\times\text{mol}^{-1}$$

1. a) Justifica 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) Calcula el calor intercambiado, expresado en kilojulios, cuando se descomponen completamente $25.0\,\text{g}$ de carbonato de calcio puro.

Datos: Masas molares atómicas: $M(\mathrm{Ca}) = 40.1\,\text{g}\times\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{C}) = 12.0\,\text{g}\times\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{O}) = 16.0\,\text{g}\times\text{mol}^{-1}$.

La síntesis industrial del amoniaco 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) Escribe la ecuación termoquímica ajustada con coeficientes estequiométricos enteros mínimos y deduce razonadamente el signo y valor numérico indicado por la flecha con interrogante.
2. b) Calcula 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 determina el calor necesario para descomponer $68.0\,\text{g}$ de amoniaco gaseoso en sus elementos a la misma temperatura.

Datos: Masa molar: $M(\mathrm{NH_3}) = 17.0\,\text{g}\times\text{mol}^{-1}$.

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:

$$\mathrm{CH_4(g)} + 2\,\mathrm{O_2(g)} \rightarrow \mathrm{CO_2(g)} + 2\,\mathrm{H_2O(l)} \quad \Delta H^\circ = -890.4\,\text{kJ}\times\text{mol}^{-1}$$ $$\mathrm{C_3H_8(g)} + 5\,\mathrm{O_2(g)} \rightarrow 3\,\mathrm{CO_2(g)} + 4\,\mathrm{H_2O(l)} \quad \Delta H^\circ = -2220.0\,\text{kJ}\times\text{mol}^{-1}$$

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

Datos: Masas molares atómicas: $M(\mathrm{C}) = 12.0\,\text{g}\times\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{H}) = 1.0\,\text{g}\times\text{mol}^{-1}$.

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) Escribe la ecuación iónica neta del proceso y determina la cantidad de sustancia, en moles, de agua formada.
2. b) Calcula la entalpía molar experimental de neutralización expresada en $\text{kJ}\times\text{mol}^{-1}$ de agua generada.

Datos: Supón que la densidad de todas las disoluciones acuosas es $1.00\,\text{g}\times\text{mL}^{-1}$ y que su calor específico medio es igual al del agua pura, c_e $= 4.18\,\text{J}\times\text{g}^{-1}\times\text{K}^{-1}$. Considera que no hay pérdidas de calor al exterior.