QuímicaMedio2 pts

Termoquímica y entalpías de reacción

También trata: Teorías ácido-base e hidrólisis

Cataluña · 2019 · Septiembre

Enunciado

Para el tratamiento de las molestias causadas por los golpes, se utilizan unas bolsas que se calientan o se enfrían instantáneamente. En el caso de las bolsas que se enfrían, suelen contener nitrato de amonio y agua dispuestos en compartimentos separados; cuando se golpea la bolsa, las dos sustancias entran en contacto y tiene lugar el siguiente proceso de disolución:

\text{NH}_4\text{NO}_3(s) \rightarrow \text{NH}_4^+(ac) + \text{NO}_3^-(ac), \qquad \Delta H_{\text{disolución}} > 0

a) (1 punto) Explique el procedimiento experimental que seguiría en el laboratorio para determinar la entalpía de disolución del nitrato de amonio en agua, e indique el nombre de todo el material de laboratorio que utilizaría. ¿Qué medidas experimentales y qué otros datos se necesitan para calcular la entalpía de este proceso de disolución?

b) (1 punto) Suponga que en el proceso de enfriamiento de la bolsa se disuelven

5\ \text{g}

de nitrato de amonio en

180\ \text{g}

de agua. Justifique, a partir del modelo de ácidos y bases de Brønsted-Lowry, si la disolución resultante será ácida, neutra o básica. Razone si el pH aumentará o disminuirá si se disuelve el doble de gramos de nitrato de amonio en la misma cantidad de agua, suponiendo que el volumen total de la disolución no varía.

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Resultado

a) Se mide en un calorímetro (con termómetro y balanza) la temperatura inicial del agua y la final tras disolver una masa conocida de

\text{NH}_4\text{NO}_3

; hacen falta las masas, las dos temperaturas y la capacidad calorífica de la disolución.

b) La disolución es ácida (el

\text{NH}_4^+

cede

\text{H}^+

al agua); con el doble de nitrato de amonio, el pH disminuye.

Ver la solución oficialla corrección de la PAU, con los puntos de cada paso

Solución oficial

Corrección oficial de la PAU de Cataluña (Generalitat de Catalunya), traducida del catalán. Las puntuaciones de cada paso son las de la pauta de corrección.

\text{NH}_4\text{NO}_3(s) \rightarrow \text{NH}_4^+(aq) + \text{NO}_3^-(aq) \qquad \Delta H_{\text{disolución}}\ ?

0,4 p. Procedimiento experimental para determinar $\Delta H_{\text{disolución}}$ :

En un calorímetro colocamos un determinado volumen de agua (o una determinada masa de agua) y medimos la temperatura inicial. Posteriormente, añadimos una determinada masa de

\text{NH}_4\text{NO}_3

sólido al calorímetro. Agitamos rápidamente la mezcla para disolver todo el sólido, tapamos el calorímetro y esperamos un tiempo hasta que la temperatura que nos marca el termómetro deje de bajar (se estabilice). Medimos esta temperatura final.

Suponemos que el calorímetro no absorbe calor (no es necesario que esta consideración se explicite).

0,3 p. Material:

Calorímetro (por ejemplo, un vaso de plástico con tapa y aislado).
Termómetro.
Balanza (y pipeta o probeta si medimos el volumen de agua).

0,2 p. Medidas experimentales que necesitamos:

Masa de $\text{NH}_4\text{NO}_3$ y masa o volumen del agua.
Temperatura inicial del agua, y temperatura final de la disolución una vez se ha estabilizado.

0,1 p. Otros datos que necesitamos para calcular la $\Delta H_{\text{disolución}}$ :

Capacidad calorífica de la disolución.

b)

0,7 p. Disolución formada: ¿ácida, neutra o básica? Justificación (modelo de Brønsted-Lowry)

Reacción de disolución de la sal:

\text{NH}_4\text{NO}_3(s) \rightarrow \text{NH}_4^+(aq) + \text{NO}_3^-(aq)

De los dos iones,

\text{NH}_4^+

\text{NO}_3^-

, solo tiene reacción de hidrólisis el ion amonio, $\text{NH}_4^+$ . Este ion, según el modelo de Brønsted-Lowry, actúa como ácido y con agua cede $\text{H}^+$ generando iones $\text{H}_3\text{O}^+$ , lo que hace que la disolución final sea ácida (además de formar amoníaco, que es la base débil conjugada).

\text{NH}_4^+(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftarrows \text{NH}_3(aq) + \underset{\substack{\uparrow\\ \text{disolución ácida}}}{\text{H}_3\text{O}^+(aq)}

Opcional: el ion nitrato no tiene ni carácter ácido ni básico; si con agua captara iones $\text{H}^+$ generaríamos un ácido fuerte ( $\text{HNO}_3$ ), pero este no se forma nunca en disolución acuosa.

0,3 p. Cómo se modificaría el pH de la disolución si doblamos la cantidad de $\text{NH}_4\text{NO}_3$

Tenemos el siguiente equilibrio del ion amonio en agua:

\text{NH}_4^+(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftarrows \text{NH}_3(aq) + \text{H}_3\text{O}^+(aq) \qquad K_a

Si en una reacción en equilibrio aumentamos la cantidad de un reactivo, la reacción se desplaza hacia la formación de productos. En esta reacción, si disolvemos más masa de nitrato de amonio, estamos aumentando la concentración de iones amonio, los cuales generan una concentración más alta de iones