Calorimetría de la combustión de etanol
En una práctica de calorimetría se quema etanol en una lámpara de alcohol bajo un vaso de precipitados con 200,0 g de agua. La temperatura del agua sube de 20,0 °C a 55,0 °C. La masa de la lámpara disminuye en 1,50 g durante el experimento. El calorímetro (vaso + termómetro + soporte) tiene una capacidad calorífica equivalente a 45 J/K y se supone que todo el calor de la combustión se reparte entre el agua y el calorímetro. La llama se observa amarilla y con hollín en los bordes. El valor tabulado de la entalpía de combustión del etanol es -1367 kJ/mol. El profesor pide calcular el valor experimental, compararlo con el tabulado y decidir si el método es adecuado para determinar la entalpía de combustión con una exactitud del 10 %. Datos: capacidad calorífica específica del agua = 4,18 J g^-1 K^-1; masa molar del etanol = 46,07 g/mol.
1. Calcula el calor liberado en el experimento y la entalpía de combustión experimental del etanol.
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Calor absorbido por el agua: q_agua = m c ΔT = 200,0 g × 4,18 J g^-1 K^-1 × 35,0 K = 29 260 J. Calor absorbido por el calorímetro: q_cal = C ΔT = 45 J/K × 35,0 K = 1 575 J. Calor total liberado, suponiendo pérdidas nulas: 30 835 J = 30,835 kJ. Moles de etanol quemados: 1,50 g / 46,07 g/mol = 0,03256 mol. ΔH_c experimental = -30,835 kJ / 0,03256 mol = -947 kJ/mol.
2. Compara el valor experimental con el tabulado y explica si el método cumple la exactitud del 10 %.
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Error relativo = |−1367 − (−947)| / 1367 × 100 = 30,7 %. No cumple la exactitud del 10 %. La llama amarilla y el hollín indican combustión incompleta: parte del etanol no pasa a CO2 y H2O, por lo que se libera menos energía por mol. También hay pérdidas de calor por las paredes, calor que calienta el aire y los productos gaseosos, y posible evaporación de etanol sin quemar. El valor experimental es menos negativo que el tabulado, coherente con esas pérdidas.
3. Propón dos mejoras concretas y explica cómo afectarían al resultado.
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Usar una bomba calorimétrica con exceso de O2 para asegurar combustión completa, y aislar mejor el calorímetro además de calibrar su capacidad calorífica. Una combustión completa evita el hollín y libera todo el calor correspondiente al CO2 y H2O; un mejor aislamiento reduce las pérdidas al entorno. También conviene quemar una masa mayor y medir con precisión, y corregir el calor de condensación del agua si se usa un calorímetro de bomba. Estas mejoras acercarían el valor experimental al tabulado.