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Entalpía, calorimetría y ley de Hess

La entalpía es H = U + pV. A presión constante, el calor que entra o sale del sistema es igual a ΔH; a volumen constante es igual a ΔU. Medimos ΔU en una bomba calorimétrica cerrada y ΔH en un calorímetro de vaso abierto, usando q = C ΔT o q = m c ΔT. Para gases, ΔH = ΔU + Δn_g RT. La entalpía de reacción ΔrH es negativa si la reacción es exotérmica y positiva si es endotérmica, y ΔrH° = ΣΔfH°(productos) − ΣΔfH°(reactivos). Ley de Hess: el cambio total de entalpía es el mismo tanto si la reacción ocurre en un paso como en varios, así que las ecuaciones termoquímicas se pueden sumar como en álgebra.

🎬 Historia paso a paso

  1. Esta olla de acero está cerrada, así que su volumen no puede cambiar. Quemamos un poco de carbono dentro. El calor calienta el agua y el termómetro sube. A volumen fijo, el calor mide ΔU.
  2. Este vaso está abierto al aire, así que la presión se mantiene igual. Mezclamos un ácido y una base. El agua se calienta. A presión fija, el calor mide ΔH.
  3. Ahora cuenta las moléculas de gas. Cuatro moléculas de gas se convierten en dos. Con menos moléculas de gas, el aire hace trabajo sobre el sistema. Por eso ΔH y ΔU se diferencian en Δn_g RT.
  4. Dibuja los niveles de energía. Si los productos quedan más abajo, sale calor: es exotérmica y ΔH es negativo. Si quedan más arriba, entra calor: es endotérmica y ΔH es positivo.
  5. Puedes ir del carbono al dióxido de carbono de un solo salto, o en dos saltos pequeños pasando por el CO. La bajada total es la misma: −393.5 kJ. Esta es la ley de Hess.
  6. Ahora te toca a ti. Cambia la masa de agua y la subida de temperatura. Observa cómo cambian q = mcΔT y ΔH.

Consejo: arrastra la escena 3D para girarla. Usa dos dedos para hacer zoom.

🤔 Dudas comunes, resueltas

¿Por qué la bomba tiene que ser de acero grueso?

El volumen no debe cambiar, ni siquiera cuando los gases calientes empujan hacia fuera durante la combustión. Un recipiente fuerte y cerrado mantiene V fijo, así que el calor es igual a ΔU.

¿Por qué un vaso abierto da ΔH y no ΔU?

El vaso está abierto al aire, así que la presión se mantiene en 1 atm. A presión constante, el calor es ΔH por definición.

¿Por qué en Δn_g solo cuentan las moléculas de gas?

El término p–V viene del cambio de volumen. Los gases ocupan mucho volumen; los sólidos y los líquidos casi no ocupan espacio extra. Mira cómo las 4 moléculas de gas pasan a ser 2.

¿Cómo sé si ΔH es negativo o positivo?

Mira el diagrama de energía. Si los productos están más abajo que los reactivos, se liberó energía: ΔH < 0 (exotérmica).

¿Por qué podemos sumar los valores de ΔH como si fueran números?

H es una función de estado. Los dos caminos empiezan en C + O₂ y terminan en CO₂, así que sus totales tienen que coincidir: −110.5 + (−283.0) = −393.5.

¿Qué significa un ΔT negativo en el vaso?

La disolución se enfrió, así que el agua cedió calor a la reacción: es endotérmica y ΔH es positivo. Mueve ΔT por debajo de cero en el juego libre.

Entalpía y cambio de entalpía

La mayoría de las reacciones de un laboratorio o de la cocina ocurren en recipientes abiertos, a presión constante (la del aire). Para estos casos usamos una nueva función de estado, la entalpía: H = U + pV.

A presión constante, el primer principio da q_p = ΔU + pΔV = ΔH. Es decir, ΔH es simplemente el calor que entra o sale a presión constante. A volumen constante, ΔV = 0 y q_V = ΔU.

Relación entre ΔH y ΔU

Los sólidos y los líquidos casi no cambian de volumen, así que para ellos ΔH ≈ ΔU. Para los gases, pV = nRT, por lo que ΔH = ΔU + Δn_g RT, donde Δn_g = moles de productos gaseosos − moles de reactivos gaseosos. Usa R = 8.314 × 10⁻³ kJ K⁻¹ mol⁻¹ cuando ΔU está en kJ.

Propiedades extensivas e intensivas

Capacidad calorífica

La capacidad calorífica C es el calor necesario para subir la temperatura 1 K: q = C ΔT. El calor específico c se refiere a un gramo (agua: 4.18 J g⁻¹ K⁻¹), así que q = m c ΔT. La capacidad calorífica molar se refiere a un mol. Para un gas ideal, C_p − C_v = R, porque a presión constante parte del calor se gasta en el trabajo de expansión.

Calorimetría: medir ΔU y ΔH

Calorimetría significa medir calor. La reacción ocurre dentro o cerca de una masa conocida de agua, y leemos el cambio de temperatura.

ΔU con una bomba calorimétrica (volumen constante)

Un recipiente de acero fuerte y cerrado (la «bomba») contiene la muestra y oxígeno a presión. Está sumergido en agua. Una chispa eléctrica inicia la combustión. El volumen no puede cambiar, así que no hay trabajo p–V y q_V = ΔU. Calor liberado = C_calorímetro × ΔT. El signo para la reacción es el opuesto al calor que gana el agua.

ΔH con un calorímetro de vaso (presión constante)

Para reacciones en disolución (como ácido + base), basta un vaso aislado y abierto al aire. La presión se mantiene en la atmosférica, así que q_p = ΔH. Calor = m c ΔT de la disolución; ΔH por mol = −q ÷ moles.

Si ΔT sube, la reacción es exotérmica (ΔH < 0). Si baja, la reacción es endotérmica (ΔH > 0).

Entalpía de reacción, estados estándar y formación

La entalpía de reacción ΔrH es el cambio de entalpía cuando reaccionan los moles que indica la ecuación ajustada: ΔrH = ΣH(productos) − ΣH(reactivos).

Entalpía estándar

Los valores dependen de las condiciones, así que los comparamos en el estado estándar: la sustancia pura a 1 bar y a la temperatura indicada (normalmente 298 K). Los valores estándar llevan el signo °: ΔrH°.

Ecuaciones termoquímicas

Es una ecuación ajustada con los estados y con ΔrH, por ejemplo CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l); ΔrH° = −890.3 kJ mol⁻¹. Reglas: (1) los coeficientes son moles; (2) si duplicas la ecuación, se duplica ΔH (es extensiva); (3) si inviertes la ecuación, cambia el signo de ΔH; (4) los estados importan (H₂O(l) y H₂O(g) dan valores distintos).

Entalpía estándar de formación ΔfH°

Es el cambio de entalpía cuando se forma 1 mol de un compuesto a partir de sus elementos en su estado más estable (estado de referencia). Para un elemento en su estado de referencia (O₂(g), C grafito, H₂(g)), ΔfH° = 0. Entonces ΔrH° = Σ ai ΔfH°(productos) − Σ bi ΔfH°(reactivos).

Ley de Hess de la suma constante de calores

Ley de Hess: si una reacción ocurre en varias etapas, su cambio total de entalpía es la suma de los cambios de entalpía de las etapas. El camino no importa, porque H es una función de estado.

Ejemplo: C(grafito) + O₂ → CO₂, ΔH = −393.5 kJ. O en dos pasos: C + ½O₂ → CO (−110.5 kJ), y luego CO + ½O₂ → CO₂ (−283.0 kJ). Suma = −393.5 kJ.

Por qué es útil

Algunas entalpías (como ΔfH del CO o del CH₄) no se pueden medir directamente. Sumamos, restamos, invertimos o multiplicamos ecuaciones termoquímicas conocidas hasta obtener la ecuación que buscamos, y hacemos lo mismo con los valores de ΔH.

En el examen

Se preguntan a menudo problemas de la ley de Hess (3 puntos), la conversión entre ΔH y ΔU (2 puntos) y las definiciones de calorimetría.

Pruébalo en casa: un calorímetro de vaso

Pon un vaso de acero dentro de un vaso de poliestireno (corcho blanco). Añade 100 mL de agua del grifo y anota su temperatura (sirve un termómetro de cocina o de fiebre). Echa dos cucharadas de sosa para lavar o un poco de detergente en polvo, remueve y lee la nueva temperatura. Si subió, la disolución fue exotérmica. Ahora usa q = m c ΔT = 100 × 4.18 × ΔT. Prueba los mismos números en el juego libre del 3D.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. ¿Cuánto calor hace falta para calentar 250 g de agua de 20 °C a 80 °C?

q = m c ΔT = 250 × 4.18 × (80 − 20) = 250 × 4.18 × 60 = 62 700 J = 62.7 kJ.

2. Se queman 1.00 g de grafito en una bomba calorimétrica con capacidad calorífica de 20.0 kJ K⁻¹. La temperatura sube 1.64 K. Calcula ΔU al quemar 1 mol de carbono.

Calor ganado por el calorímetro = 20.0 × 1.64 = 32.8 kJ. La reacción lo desprendió, así que q = −32.8 kJ por gramo. 1 mol de C = 12 g: ΔU = −32.8 × 12 = −393.6 kJ mol⁻¹.

3. Se mezclan 50 mL de HCl 1 M con 50 mL de NaOH 1 M en un calorímetro de vaso. La temperatura sube 6.8 K. Calcula la entalpía de neutralización (toma 100 g de disolución, c = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹).

q = 100 × 4.18 × 6.8 = 2842 J. Moles de agua formados = 0.050 × 1 = 0.050 mol. ΔH = −2842 ÷ 0.050 = −56 840 J mol⁻¹ ≈ −56.8 kJ mol⁻¹.

4. Para N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g), ΔU = −87.0 kJ a 298 K. Calcula ΔH.

Δn_g = 2 − 4 = −2. ΔH = ΔU + Δn_g RT = −87.0 + (−2)(8.314 × 10⁻³)(298) = −87.0 − 4.96 = −91.96 ≈ −92.0 kJ.

5. Calcula ΔcH° del metano. ΔfH°: CH₄(g) = −74.8, CO₂(g) = −393.5, H₂O(l) = −285.8 kJ mol⁻¹.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). ΔrH° = [−393.5 + 2(−285.8)] − [−74.8 + 0] = −965.1 + 74.8 = −890.3 kJ mol⁻¹.

6. Dadas C + O₂ → CO₂, ΔH = −393.5 kJ y CO + ½O₂ → CO₂, ΔH = −283.0 kJ, calcula ΔfH° del CO.

Buscamos: C + ½O₂ → CO. Toma la ecuación 1 tal cual e invierte la 2: CO₂ → CO + ½O₂, ΔH = +283.0. Suma: C + ½O₂ → CO, ΔH = −393.5 + 283.0 = −110.5 kJ mol⁻¹.

7. Usa la ley de Hess para hallar ΔfH° del CH₄. ΔcH°: C(grafito) = −393.5, H₂(g) = −285.8, CH₄(g) = −890.3 kJ mol⁻¹.

Buscamos: C + 2H₂ → CH₄. (i) C + O₂ → CO₂, −393.5. (ii) 2 × [H₂ + ½O₂ → H₂O], 2 × (−285.8) = −571.6. (iii) invertir la combustión del CH₄: CO₂ + 2H₂O → CH₄ + 2O₂, +890.3. Suma: −393.5 − 571.6 + 890.3 = −74.8 kJ mol⁻¹.

8. La capacidad calorífica molar de un gas ideal a volumen constante es 12.5 J K⁻¹ mol⁻¹. Calcula C_p y el calor necesario para calentar 2 mol durante 10 K a presión constante.

C_p = C_v + R = 12.5 + 8.3 = 20.8 J K⁻¹ mol⁻¹. q_p = n C_p ΔT = 2 × 20.8 × 10 = 416 J. Esto es ΔH.

Errores comunes

Test de práctica

1. El calor medido en una bomba calorimétrica es igual a:
2. ¿En qué reacción se cumple ΔH = ΔU?
3. ΔfH° del O₂(g) a 298 K es:
4. La ley de Hess funciona porque la entalpía es:
5. ¿Cuál es una propiedad intensiva?

Práctica: responde tú mismo

Escribe o elige tu respuesta y pulsa Comprobar. Usa la pista si te atascas; la solución completa aparece después de responder.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la entalpía en palabras sencillas?

La entalpía (H = U + pV) es el contenido de calor de un sistema a presión constante. Su cambio, ΔH, es el calor que entra o sale en un recipiente abierto.

¿Qué diferencia hay entre una bomba calorimétrica y un calorímetro de vaso?

Una bomba calorimétrica está cerrada (volumen constante) y mide ΔU, sobre todo en combustiones. Un calorímetro de vaso está abierto (presión constante) y mide ΔH, sobre todo en reacciones en disolución.

¿Qué dice la ley de Hess?

El cambio de entalpía de una reacción es el mismo tanto si ocurre en un paso como en varios. Por eso podemos sumar ecuaciones termoquímicas para hallar valores desconocidos de ΔH.

Dónde se estudia

Canada (Ontario)Grade 12D. Energy Changes and Rates of Reaction
NetherlandsHAVO 5 (eindexamenjaar)Chemical processes and cycles (part 2)
NetherlandsVWO 5Chemical processes (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IKinetics, equilibrium and energetics
RomaniaClasa a VIII-aChemistry in our lives
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
Spain2º BachilleratoChemical reactions
Ukraine11 класGeneral review of chemistry
CBSE (India)Class 11Chemical Thermodynamics
England (GCSE, A level)Year 123.1 Physical chemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 8MS-PS1 Matter and its interactions
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Thermochemistry
Japan高校2年Chemical change and equilibrium
South Korea고등학교 2학년Spontaneity of chemical change
South Korea고등학교 3학년Dynamic reactions
South Korea고등학교 3학년Reaction enthalpy and equilibrium
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Hydrocarbons: fuels and reactants
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
China高二Selective 1 Ch.1 Thermal effects

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