Questão 4) Os seguintes dados foram obtidos em um experimento de calor de neutralização:
Calibração do Calorímetro (foram utilizados 50 mL de água quente e 50 mL de água fria)
Reação de Neutralização (foram misturados 50 mL de uma solução de HCl e 50 mL de uma solução de NaOH);
.
Quantos Joules são necessários para aquecer o calorímetro em
? Sabendo que as concentrações das soluções de NaOH e HCl eram
e
, respcetivamente, calcule o calor de neutralização. Por que motivo os estudantes utilizaram a molaridade da base maior que do ácido?
Quantos Joules são necessários para aquecer o calorímetro em
Passo 1
Vou listar exatamente o que o enunciado dá e o que pede.
Dados da calibração (peguei estes números do enunciado):
- Volume de água quente:
(assumo densidade → massa ). - Volume de água fria:
→ massa . - Temperatura da água fria:
. - Temperatura da água quente:
. - Temperatura de equilíbrio:
.
Dados da neutralização:
- Volume de HCl:
(massa aproximada ). - Volume de NaOH:
(massa aproximada ). - Temperatura inicial do HCl:
. - Temperatura final da mistura (HCl + NaOH):
. - Concentrações:
e .
O que é pedido:
- Quantos Joules são necessários para aquecer o calorímetro em
(ou seja, achar a capacidade térmica do calorímetro em ). - Calcular o calor de neutralização (isto é, energia liberada por mol de reação) usando os dados da neutralização.
- Explicar por que os estudantes usaram a molaridade da base maior que a do ácido.
Observações assumidas (comunicação comum em experimentos): a densidade das soluções é aproximada a da água e a capacidade calorífica específica é tomada como a da água pura. Além disso assumo que a temperatura inicial da solução de NaOH era igual à temperatura inicial do HCl (o enunciado só deu
), que é uma suposição padrão se não for informado outro valor.
Passo 2
Princípio físico e fórmula básica que vamos usar (aulas rápidas e claras).
- Conservação de energia térmica num sistema isolado: o calor perdido por corpos que se arrefecem é igual ao calor ganho por corpos que se aquecem. Aqui, na calibração, o calor perdido pela água quente vai para a água fria e para o calorímetro.
- Capacidades caloríficas que aparecem:
- Calor específico da água:
. Isso significa que para aquecer de água em são necessários . - Massa da água: convertemos volumes em massa assumindo
.
- Calor específico da água:
Equação de balanço térmico na calibração:
Matematicamente:
onde:
-
é a massa da água quente, -
é a temperatura da água quente, -
é a massa da água fria, -
é a temperatura da água fria, -
é a temperatura de equilíbrio, -
é a capacidade térmica do calorímetro que queremos.
Agora vamos substituir os números e resolver para
.
Cálculos detalhados:
-
, , . -
. -
.
Calor perdido pela água quente:
Calor ganho pela água fria:
Pela equação:
Isolando
:
Arredondando de forma razoável:
.
Comentário didático curto: esse
representa quantos joules o calorímetro “guarda” ao aquecer-se
. É usado em experimentos subsequentes para separar o calor que foi absorvido pelo calorímetro do calor que aqueceu a solução.
Passo 3
Calor liberado na neutralização (passo a passo físico e numérico).
- Processo: a reação ácido + base libera calor; esse calor é absorvido pela solução formada (a massa combinada das duas soluções) e pelo calorímetro.
- Equação de balanço:
ou, em módulo (energia liberada pela reação = energia absorvida),
Cálculo das quantidades:
- Massa total da solução ≈
. - Variação de temperatura:
. - Calor absorvido pela solução:
- Calor absorvido pelo calorímetro:
Somando:
Observação de sinal: a reação é exotérmica, então o calor da reação é negativo se considerado
(sistema perde calor). Porém ao calcular o valor absoluto por mol, usaremos o módulo e colocaremos o sinal
no resultado final de
.
Passo 4
Cálculo do calor por mol (calor de neutralização) e interpretação.
- Calcular quantas moles reagiram (reação:
, estequiometria ):
- O reagente limitante é o
(tem menos moles). Logo o número de mols reagidos é
- Calor liberado por mol de reação (módulo):
Convertendo para
e indicando sinal (exotérmico):
Comentário didático: o valor experimental obtido (
) é um pouco menor em magnitude que o valor teórico típico para neutralização de um ácido forte por uma base forte (aprox.
). Fontes de diferença:
- Perdas de calor para o ambiente durante o experimento;
- aproximação de que a capacidade calorífica da solução é exatamente a da água pura;
- pequenas imprecisões nas temperaturas, volumes, ou na suposição de densidade igual a
; - calor de diluição e outras pequenas contribuições.
Passo 5
Resposta à questão qualitativa sobre por que a molaridade da base foi maior que a do ácido.
- Motivo prático e experimental: usando uma base com molaridade maior os estudantes garantem que a base esteja em excesso e que o ácido seja o reagente limitante. Isso é útil porque assim o número de mols consumidos na reação é igual ao número de mols do reagente em menor quantidade (neste caso o ácido), facilitando o cálculo do calor por mol — basta usar a quantidade do ácido conhecida como a quantidade reagida.
- Motivos adicionais: ter um excesso da base reduz o risco de não alcançar neutralização completa por erros de medida; também evita que pequenas impurezas ou absorção de CO2 (no caso de bases alcalinas) tornem a reação incompleta e alterem o cálculo do calor por mol.
Resposta
A molaridade da base foi feita maior para que a base ficasse em excesso e o ácido fosse o reagente limitante, facilitando o cálculo do calor por mol e garantindo neutralização completa.