Laboratorio virtual de calorimetría: calor de neutralización

Este laboratorio virtual de calorimetría corresponde a la práctica obligatoria (required practical) de AQA GCSE sobre cambios de temperatura y sirve de apoyo al trabajo de calorimetría de AP Chemistry. Los estudiantes mezclan ácido clorhídrico e hidróxido de sodio en un vaso de poliestireno y anotan la temperatura más alta. Repiten la prueba con distintos volúmenes de álcali, trazan una gráfica y hallan el volumen que neutraliza exactamente el ácido. Después calculan la variación de entalpía de neutralización con Q = m·c·ΔT. Una sola clase da un conjunto completo de datos, una gráfica de dos rectas y un valor de ΔH con una fuente de error clara.

Relación con el currículo

• AQA GCSE Chemistry 4.5.1.1 (reacciones exotérmicas y endotérmicas) y su práctica obligatoria sobre cambios de temperatura. En Combined Science: Trilogy el mismo contenido es el 5.5.1.1.
• AP Chemistry Unit 6, tema 6.4 Heat Capacity and Calorimetry (ENE-2.D).
• NGSS HS-PS1-4 (estándar de EE. UU.): una reacción química libera o absorbe energía.
• Otros cursos: es la práctica estándar de entalpía de neutralización en IB Chemistry, en A-level y en la química de secundaria superior de Alemania y de otros países. Los volúmenes están en mL y las concentraciones en mol/L, así que el método se aplica sin cambios.

Simulic no está afiliado al College Board ni a AQA, ni cuenta con su respaldo.

Antes del laboratorio (5 min)

Pide a los estudiantes que se comprometan con una predicción, en papel o como pregunta 1 del enlace de clase:

"Se mezclan 25 mL de HCl 1,0 M con NaOH 1,0 M. Repites la mezcla con 10, 20, 30, 40 y 50 mL de NaOH. ¿Cómo cambia la temperatura más alta a medida que aumenta el volumen de NaOH?"

La mayoría de los estudiantes dice "sigue subiendo". No los corrijas todavía.

Método en la simulación

Cada prueba es una mezcla nueva: las dos disoluciones empiezan a 25,0 °C y van a un vaso limpio con tapa. En una práctica escolar, los estudiantes suelen añadir el álcali por partes a un mismo vaso. Los datos tienen la misma forma.

1. Pon V(HCl) en 25 mL, C(HCl) en 1,0 M, C(NaOH) en 1,0 M y Pérdida de calor en 5 %.
2. Pon V(NaOH) en 10 mL. Pulsa Verter y agitar.
3. Observa el termómetro. Sube durante unos segundos y luego baja despacio. Anota la lectura más alta. La prueba se añade a la tabla de resultados cuando ha pasado el máximo.
4. Pulsa Nueva medición, cambia solo V(NaOH) y repite con 15, 20, 25, 30, 35, 40 y 50 mL.
5. Representa la temperatura más alta frente al volumen de NaOH. Traza una recta de mejor ajuste por los puntos que suben y otra por los que bajan.
6. Para la prueba de 25 mL, calcula Q = m·c·ΔT y ΔH = −Q ÷ n(H₂O). Toma m = 50 g y c = 4,18 J/g·°C.

V(NaOH) (mL)	Temperatura más alta (°C)	ΔT (°C)
10
15
20
25
30
35
40
50

Resultados esperados

Estas lecturas salen de la simulación con los ajustes de arriba (25 mL de HCl 1,0 M, NaOH 1,0 M, 5 % de pérdida de calor):

V(NaOH) (mL)	10	15	20	25	30	35	40	50
T más alta (°C)	28,6	29,8	30,7	31,4	30,8	30,3	29,9	29,3
ΔT (°C)	3,6	4,8	5,7	6,4	5,8	5,3	4,9	4,3

En algunos dispositivos la lectura de 10 mL puede salir 0,1 °C más alta. El máximo está en 25 mL, donde los moles de ácido y de álcali son iguales (0,025 mol de cada uno). Antes de ese punto, más NaOH neutraliza más ácido y libera más calor. Después, el ácido se ha agotado: el NaOH extra no libera nada y solo añade masa que calentar.

Para la prueba de 25 mL: Q = 50 × 4,18 × 6,4 = 1338 J, así que ΔH = −1338 ÷ 0,025 = −53,5 kJ/mol. El valor teórico en la simulación es −57,3 kJ/mol. La diferencia se debe al 5 % de pérdida de calor y a que el vaso se enfría mientras sube la temperatura.

Preguntas para los estudiantes

1. (Predicción, se repite después del laboratorio) ¿Cómo cambia la temperatura más alta cuando el volumen de NaOH aumenta de 10 a 50 mL?
2. ¿Qué variables deben mantenerse iguales en todas las pruebas?
3. Con 25 mL de cada disolución y 5 % de pérdida de calor, ¿cuánto sube la temperatura?
4. Usa esa subida para calcular la variación de entalpía de neutralización en kJ/mol.
5. ¿Por qué tu valor es menor en valor absoluto que −57,3 kJ/mol, y cómo se podría mejorar el método?

Respuestas para el docente: (1) Sube hasta un máximo en 25 mL y luego baja. (2) El volumen y la concentración del HCl, la concentración del NaOH y el ajuste de pérdida de calor. (3) 6,4 °C (se acepta 6,3–6,5). (4) −53,5 kJ/mol (se acepta de −52,5 a −54,5). (5) El calor se escapa al vaso, a la tapa y al aire, así que ΔT es demasiado pequeño. Ayuda un mejor aislamiento, o registrar la temperatura en el tiempo y extrapolar la recta de enfriamiento hasta el momento de la mezcla.

Ideas erróneas frecuentes

• "Más reactivo siempre da una subida de temperatura mayor." Solo el reactivo limitante libera calor. La disolución en exceso solo añade masa.
• "El doble de volúmenes, el doble de ΔT." El doble de calor calienta el doble de masa, así que ΔT se queda en 6,4 °C. La guía para redactar preguntas convierte esto en una pregunta de predicción.
• "ΔH es positivo porque la temperatura subió." El entorno ganó la energía, así que la reacción la perdió: ΔH es negativo.

Ampliación

• La pérdida de calor como variable: repite la prueba de 25 mL + 25 mL con pérdida de calor del 0 %, 15 % y 30 %. La simulación da ΔT = 6,9; 5,5 y 4,3 °C, y ΔH = −57,7; −46,0 y −35,9 kJ/mol. Los estudiantes ven cómo un error sistemático empuja el resultado en una sola dirección. Con 0 % la temperatura nunca baja, así que la prueba solo se añade a la tabla cuando el cronómetro llega a 3:00 (unos 25 segundos). El −57,7 difiere de −57,3 solo porque el termómetro redondea a 0,1 °C.
• Calorimetría al estilo AP: cambia las dos concentraciones a 2,0 M y predice ΔT antes de la prueba. Pregunta por qué ΔH por mol se mantiene más o menos igual.

Preguntas frecuentes

¿Pueden los estudiantes hacer toda la práctica sin laboratorio?

Sí. Pueden obtener todas las lecturas, trazar la gráfica y calcular ΔH en la simulación. Úsala antes de un laboratorio real para enseñar el método, o en su lugar cuando falten tiempo o material.

¿Por qué la simulación empieza cada prueba a 25,0 °C?

Elimina una fuente de dispersión para que los estudiantes se centren en el patrón. En una práctica real, mide la temperatura inicial de cada disolución y usa la media.

¿Cómo doy a los estudiantes un montaje distinto?

Cambia los valores iniciales en el enlace de clase, por ejemplo 30 mL de HCl. El máximo pasa entonces a 30 mL de NaOH. Escribe los nuevos ajustes en la pregunta 3 y recalcula las respuestas antes de la clase.

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