17.13: Calor de la Solución

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Al preparar diluciones de ácido sulfúrico concentrado, las instrucciones generalmente exigen agregar el ácido lentamente al agua con agitación frecuente. Cuando este ácido se mezcla con agua, se libera una gran cantidad de calor en el proceso de disolución. Si se agregara agua al ácido, el agua se calentaría y salpicaría rápidamente, causando daño a la persona que elabora la solución.

Calor de la solución

Los cambios de entalpía también ocurren cuando un soluto se somete al proceso físico de disolución en un disolvente. Los paquetes calientes y las bolsas frías (ver figura a continuación) utilizan esta propiedad. Muchos paquetes calientes utilizan cloruro de calcio, que libera calor cuando se disuelve, de acuerdo con la siguiente ecuación.

\[\ce{CaCl_2} \left (s \right) \rightarrow \ce{Ca^{2+}} \left( aq \right) + 2 \ce{Cl^-} \left( aq \right) + 82.8 \: \text{kJ}\nonumber \]

El calor molar de solución\(\left( \Delta H_\text{soln} \right)\) de una sustancia es el calor absorbido o liberado cuando un mol de la sustancia se disuelve en agua. Para cloruro de calcio,\(\Delta H_\text{soln} = -82.8 \: \text{kJ/mol}\).

Paquete caliente instantáneo (izquierda) y paquete frío instantáneo (derecha). — Figura\(\PageIndex{1}\): Los paquetes calientes químicos y las bolsas frías funcionan debido a los calores de solución de los químicos dentro de ellos. Cuando se aprieta la bolsa, una bolsa interna estalla, permitiendo que el químico se disuelva en agua. El calor se libera en el paquete caliente y se absorbe en el paquete frío. (CC POR-NC; CK-12)

Muchas bolsas frías utilizan nitrato de amonio, que absorbe el calor de los alrededores cuando se disuelve.

\[\ce{NH_4NO_3} \left( s \right) + 25.7 \: \text{kJ} \rightarrow \ce{NH_4^+} \left( aq \right) + \ce{NO_3^-} \left( aq \right)\nonumber \]

Las bolsas frías se usan típicamente para tratar distensiones musculares y dolor en las articulaciones. La bolsa fría se activa y se aplica a la zona afectada. A medida que el nitrato de amonio se disuelve, absorbe el calor del cuerpo y ayuda a limitar la hinchazón. Para nitrato de amonio,\(\Delta H_\text{soln} = 25.7 \: \text{kJ/mol}\).

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

El calor molar de solución,\(\Delta H_\text{soln}\), de\(\ce{NaOH}\) es\(-44.51 \: \text{kJ/mol}\). En cierto experimento,\(50.0 \: \text{g}\) de\(\ce{NaOH}\) se disuelve completamente en\(1.000 \: \text{L}\) de\(20.0^\text{o} \text{C}\) agua en un calorímetro de copa de espuma. Suponiendo que no haya pérdida de calor, calcule la temperatura final del agua.

Solución

Paso 1: Enumere las cantidades conocidas y planifique el problema.

Conocido

Masa\(\ce{NaOH} = 50.0 \: \text{g}\)
Masa molar\(\ce{NaOH} = 40.00 \: \text{g/mol}\)
\(\Delta H_\text{soln} \: \left( \ce{NaOH} \right) = -44.51 \: \text{kJ/mol}\)
Masa\(\ce{H_2O} = 1.000 \: \text{kg} = 1000. \: \text{g}\) (asume densidad\(= 1.00 \: \text{g/mL}\))
\(T_\text{initial} \: \left( \ce{H_2O} \right) = 20.0^\text{o} \text{C}\)
\(c_p \: \left( \ce{H_2O} \right) = 4.18 \: \text{J/g}^\text{o} \text{C}\)

Desconocido

Este es un problema de varios pasos:

1) Los gramos\(\ce{NaOH}\) se convierten en moles.

2) Los moles se multiplica por el calor molar de la solución.

3) Los julios de calor liberados en el proceso de disolución se utilizan con la ecuación específica de calor y la masa total de la solución para calcular el\(\Delta T\).

4) El\(T_\text{final}\) se determina a partir de\(\Delta T\).

Paso 2: Resolver.

\[50.0 \: \text{g} \: \ce{NaOH} \times \frac{1 \: \text{mol} \: \ce{NaOH}}{40.00 \: \text{g} \: \ce{NaOH}} \times \frac{-44.51 \: \text{kJ}}{1 \: \text{mol} \: \ce{NaOH}} \times \frac{1000 \: \text{J}}{1 \: \text{kJ}} = -5.56 \times 10^4 \: \text{J}\nonumber \]

\[\Delta T = \frac{\Delta H}{c_p \times m} = \frac{-5.56 \times 10^4 \: \text{J}}{4.18 \: \text{J/g}^\text{o} \text{C} \times 1050 \: \text{g}} = 13.2^\text{o} \text{C}\nonumber \]

\[T_\text{final} = 20.0^\text{o} \text{C} + 13.2^\text{o} \text{C} = 33.2^\text{o} \text{C}\nonumber \]

Paso 3: Piensa en tu resultado.

El proceso de disolución libera una gran cantidad de calor, lo que provoca que la temperatura de la solución suba. Se debe tener cuidado a la hora de preparar soluciones concentradas de hidróxido de sodio, debido a las grandes cantidades de calor liberadas.

Resumen

El calor molar de solución\(\left( \Delta H_\text{soln} \right)\) de una sustancia es el calor absorbido o liberado cuando un mol de la sustancia se disuelve en agua.
Se dan cálculos de muestra usando calor molar de solución.