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Supuesto 26

Baleares 2026 ·

Enunciado

En un laboratorio se estudia la combustión del etanol líquido:

CX2HX5OH(l)+OX2(g)→COX2(g)+HX2O(l)\ce{C2H5OH(l) + O2(g) -> CO2(g) + H2O(l)}

a) Calcula la entalpía estándar de combustión del etanol. (5 puntos) b) Se queman 2,30 g de etanol en un calorímetro que contiene 500 g de agua, inicialmente a 20,0 °C. La temperatura final es de 36,5 °C. Calcula el calor absorbido por el agua. (4 puntos) c) Determina la entalpía experimental de combustión del etanol (en kJ·mol⁻¹). (3 puntos) d) Compara el valor experimental con el teórico y propón dos fuentes de error que expliquen la diferencia. (4 puntos) e) Explica, a nivel de enlaces químicos, por qué la combustión del etanol es un proceso exotérmico. (4 puntos)

(Datos: ΔHf∘[COX2(g)]=−393,5\Delta H_f^\circ[\ce{CO2}(g)] = -393{,}5 kJ·mol⁻¹; ΔHf∘[HX2O(l)]=−285,8\Delta H_f^\circ[\ce{H2O}(l)] = -285{,}8 kJ·mol⁻¹; ΔHf∘[CX2HX5OH(l)]=−277,0\Delta H_f^\circ[\ce{C2H5OH}(l)] = -277{,}0 kJ·mol⁻¹; calor específico del agua: c=4,18c = 4{,}18 J·g⁻¹·K⁻¹)

Solución

a) Entalpía estándar de combustión. Igual que en B4, la ecuación del enunciado no está ajustada:

CX2HX5OH(l)+3 OX2(g)→2 COX2(g)+3 HX2O(l)\ce{C2H5OH(l) + 3 O2(g) -> 2 CO2(g) + 3 H2O(l)}

Aplicando la ley de Hess (y recordando que ΔHf∘(OX2)=0\Delta H_f^\circ(\ce{O2}) = 0):

ΔHc∘=2(−393,5)+3(−285,8)−(−277,0)=−787,0−857,4+277,0\Delta H_c^\circ = 2(-393{,}5) + 3(-285{,}8) - (-277{,}0) = -787{,}0 - 857{,}4 + 277{,}0 ΔHc∘=−1367,4 kJ/mol\boxed{\Delta H_c^\circ = -1367{,}4\ \mathrm{kJ/mol}}

b) Calor absorbido por el agua.

Q=m c ΔT=500⋅4,18⋅(36,5−20,0)=3,45⋅104 J=34,5 kJQ = m\,c\,\Delta T = 500 \cdot 4{,}18 \cdot (36{,}5 - 20{,}0) = 3{,}45\cdot 10^{4}\ \mathrm{J} = \boxed{34{,}5\ \mathrm{kJ}}

c) Entalpía experimental. Con M(CX2HX5OH)=46,0M(\ce{C2H5OH}) = 46{,}0 g/mol, los 2,30 g son exactamente n=0,0500n = 0{,}0500 mol. Suponiendo que todo el calor liberado lo ha absorbido el agua:

ΔHexp=−Qn=−34,4850,0500=−690 kJ/mol\Delta H_{\text{exp}} = -\frac{Q}{n} = -\frac{34{,}485}{0{,}0500} = \boxed{-690\ \mathrm{kJ/mol}}

d) Comparación y fuentes de error. El valor experimental es solo el 50 % del teórico (−690-690 frente a −1367-1367 kJ/mol): un error relativo del 49,5 %, enorme. Y el signo de la discrepancia es informativo: siempre se obtiene menos calor del debido, nunca más. Fuentes de error, por orden de importancia:

  1. Pérdidas de calor al entorno. Es, con diferencia, la principal en un calorímetro escolar de vaso con un quemador de alcohol: buena parte de los gases calientes y de la radiación de la llama se van al aire, no al agua. Un calorímetro de bomba adiabático recupera más del 99 %.
  2. No se ha tenido en cuenta la capacidad calorífica del calorímetro (vaso, agitador, termómetro). Ese recipiente también se ha calentado 16,5 K y ese calor no se ha contabilizado: habría que haber determinado antes la constante del calorímetro CcalC_{\text{cal}} y escribir Q=(mc+Ccal)ΔTQ = (mc + C_{\text{cal}})\Delta T.
  3. Combustión incompleta. Con oxígeno limitado se forma CO y hollín (visible como negror en el fondo del recipiente), reacciones que liberan mucha menos energía.
  4. Evaporación de etanol sin quemarse y evaporación de agua del vaso, que consume calor latente.

Conviene añadir un matiz que suele distinguir una buena respuesta: si el agua saliera como vapor en lugar de líquida, la entalpía teórica sería −1235,4-1235{,}4 kJ/mol, todavía muy lejos de los −690-690 medidos. La discrepancia no se explica por el estado del agua, sino por las pérdidas.

e) Por qué es exotérmica, a nivel de enlaces. Toda reacción requiere romper enlaces (proceso endotérmico) y formar otros nuevos (exotérmico); el signo global lo fija la diferencia:

ΔH≈∑Eenlaces rotos−∑Eenlaces formados\Delta H \approx \sum E_{\text{enlaces rotos}} - \sum E_{\text{enlaces formados}}

En la combustión se rompen los enlaces C–C, C–H, C–O y O–H del etanol y, sobre todo, el doble enlace O=O del oxígeno molecular, que es sorprendentemente débil (498 kJ/mol para un doble enlace). En cambio se forman los enlaces más fuertes posibles con esos átomos: dos C=O por cada COX2\ce{CO2} (unos 799 kJ/mol cada uno) y dos O–H por cada agua (463 kJ/mol). Los productos son, así, mucho más estables —más abajo en energía— que los reactivos, y la diferencia se libera como calor.

Esta es la razón de fondo por la que todos los hidrocarburos y alcoholes arden liberando energía, y por la que el COX2\ce{CO2} y el HX2O\ce{H2O} son los «cementerios energéticos» del carbono y el hidrógeno: para volver a subirlos energéticamente hace falta fotosíntesis o electrólisis.

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