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Termoquímica
Capítulo 6
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Energía es la capacidad para efectuar un trabajo
•
Energía térmica es la energía asociada con el
movimiento aleatorio de átomos y moléculas.
•
Energía química es la energía guardada dentro
de los enlaces de sustancias químicas.
•
Energía nuclear es la energía guardada dentro
de la colección de neutrones y protones en el
átomo.
•
Energía eléctrica es la energía asociada con el
flujo de electrones.
•
Energía potencial es la energía disponible en
función de la posición de un objeto.
6.1
Cambios de energía en las reacciones químicas
Calor es la transferencia de energía térmica entre dos
cuerpos que están a temperaturas diferentes.
Temperatura es una medida de energía térmica.
Temperatura = Energía térmica
900C
400C
mayor energía térmica
6.2
Termoquímica es el estudio de los cambios de calor en las
reacciones químicas.
El sistema es la parte específica del universo que es de
interés en el estudio.
SISTEMA
Vapor de agua
Calor
ALREDEDORES
Calor
abierto
Intercambio : masa y energía
cerrado
aislado
energía
nada
6.2
Proceso exotérmico es cualquier proceso que cede calor, es
decir, transfiere energía térmica hacia los alrededores.
2H2 (g) + O2 (g)
H2O (g)
2H2O (l) + energía
H2O (l) + energía
Proceso endotérmico, en el cual los alrededores deben
suministrar calor al sistema.
energía + 2HgO (s)
energía + H2O (s)
2Hg (l) + O2 (g)
H2O (l)
6.2
Entalpía (H) se usa para medir el calor absorbido o liberado
por un sistema durante un proceso a presión constante.
DH = H (productos) – H (reactivos)
Exotérmico:
calor liberado
por el sistema
hacia los alrededores
Hproductos< Hreactivos
DH < 0
Energía
Energía
DH = calor emitido o absorbido durante una reacción a presión constante
Endotérmico:
calor absorbido
por el sistema
de los alrededores
Hproductos > Hreactivos
DH > 0
6.3
Ecuaciones termoquímicas
¿Es DH negativo o positivo?
Entalpía
Calor absorbido
El sistema absorbe calor
por el sistema
de los alrededores
Endotérmico
DH > 0
Cada fusión de 1 mol de hielo a 00C y 1 atm absorbe
6.01 kJ.
H2O (s)
H2O (l)
DH = 6.01 kJ
6.3
Ecuaciones termoquímicas
¿Es DH negativo o positivo?
Entalpía
Calor liberado
por el sistema
El sistema emite calor
hacia los alrededores
Exotérmico
DH < 0
La combustión de 1 mol de metano a 25°C y 1 atm
provoca una disminución en la entalpía del sistema
de 890.4 kJ.
CH4 (g) + 2O2 (g)
CO2 (g) + 2H2O (l) DH = -890.4 kJ
6.3
Ecuaciones termoquímicas
•
Los coeficientes estequiométricos siempre se refieren al
número de moles de una sustancia
H2O (s)
•
DH = 6.01 kJ
Si invierte una reacción, el signo de DH cambia
H2O (l)
•
H2O (l)
H2O (s)
DH = -6.01 kJ
Si multiplica ambos lados de la ecuación por un factor n,
entonces DH debe cambiar por el mismo factor n.
2H2O (s)
2H2O (l)
DH = 2 x 6.01 = 12.0 kJ
6.3
Ecuaciones termoquímicas
•
Los estados físicos de todos los reactivos y productos se
deben especificar en las ecuaciones termoquímicas.
H2O (s)
H2O (l)
DH = 6.01 kJ
H2O (l)
H2O (g)
DH = 44.0 kJ
¿Cuánto calor se libera cuando 266 g de fósforo blanco
(P4) se queman en el aire?
P4 (s) + 5O2 (g)
266 g P4 x
P4O10 (s)
1 mol P4
123.9 g P4
x
DH = -3013 kJ
3013 kJ
= 6470 kJ
1 mol P4
6.3
El calor específico (s) de una sustancia es la cantidad de calor (q)
requerida para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la
sustancia.
La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de calor (q)
requerida para elevar un grado Celsius la temperatura de una
determinada cantidad (m) de la sustancia.
C = ms
Calor (q) absorbido o liberado:
q = msDt
q = CDt
Dt = tfinal - tinicial
6.4
¿Cuánto calor se emite cuándo una barra de hierro de 869
g se enfría de 94°C a 5°C?
s de Fe = 0.444 J/g • 0C
Dt = tfinal – tinicial = 50C – 940C = -890C
q = msDt = 869 g x 0.444 J/g • 0C x –890C = -34,000 J
6.4
Calorimetría a volumen constante
Termómetro
Alambre de
ignición
Agitador
Cubierta del
calorímetro
Chaqueta
aislante
Agua
Entrada para
el O2
Bomba
Recipiente
para la muestra
qsis = qagua + qbomba +qreacció
qsis = 0
qreac = - (qagua + qbomba )
qagua = msDt
qbomba = CbombaDt
Reacción a V constante
DH = qreacción
DH ~ qreacción
¡Ningún calor entra o sale!
6.4
Calorimetría
a presión
constante
Constant-Pressure
Calorimetry
Termómetro
Vasos de
poliestireno
Agitador
qsys = qwater + qcal + qrxn
qsys = 0
Mezcla
de
reacción
qrxn = - (qwater + qcal)
qwater = msDt
qcal = CcalDt
Reacción a P constante
DH = qrxn
¡Ningún calor entra o sale!
6.4
6.4
¿Por qué no hay manera de medir el valor absoluto de la
entalpía de una sustancia, debo medir el cambio de
entalpía para cada reacción de interés?
Establezca una escala arbitraria con la entalpía estándar de
formación (DHf0) como un punto de referencia para todas las
expresiones de entalpía.
0) es el cambio de
La entalpía estándar de formación (DH
f
calor que resulta cuando un mol de un compuesto se
forma de sus elementos a una presión de 1 atm.
La entalpía estándar de formación de cualquier elemento
en su forma más estable es cero.
DH0f (O2) = 0
DH0f (O3) = 142 kJ/mol
DH0f (C, grafito) = 0
DH0f (C, diamante) = 1.90 kJ/mol
6.5
6.5
La entalpía estándar de reacción (DH0 reacción ) es la entalpía
de una reacción llevada a cabo a 1 atm.
aA + bB
cC + dD
DH0rxn = [ cDH0f (C) + dDH0f (D) ] - [ aDH0f (A) + bDH0f (B) ]
DH0rxn = S nDH0f (productos-) S mDHf0 (reactivos)
Ley de Hess: Cuando los reactivos se convierten en
productos, el cambio en entalpía es el mismo
independientemente si la reacción tiene lugar en un paso o
en una serie de pasos .
(La entalpía es una función de estado. No le importa cómo
llega allí, sólo dónde empieza y termina.)
6.5
Calcule la entalpía estándar de formación de CS2 (l)
teniendo que:
C(grafito) + O2 (g)
CO2 (g) DH0
= -393.5 kJ
reacción
S(rómbico) + O2 (g)
CS2(l) + 3O2 (g)
SO2 (g) DH0 = -296.1 kJ
reacción
0 = -1072 kJ
CO2 (g) + 2SO2 (g) DHrxn
1. Escriba la reacción de la entalpía de formación para CS2
C(grafito) + 2S(rómbico)
CS2 (l)
2. Agregue las reacciones para que el resultado sea la
reacción deseada.
C(grafito) + O2 (g)
CO2 (g) DH0 rxn
= -393.5 kJ
2S(rómbico) + 2O2 (g)
2SO2 (g) DH0 = -296.1x2 kJ
reacción
+ CO2(g) + 2SO2 (g)
CS2 (l) + 3O2 (g)
0 = +1072 kJ
DHreacción
C(grafito) + 2S(rómbico)
CS2 (l)
0 = -393.5 + (2x-296.1) + 1072 = 86.3 kJ
DH
6.5
reacción
El benceno (C6H6) se quema en el aire para producir
dióxido de carbono y líquido de agua. ¿Cuánto calor se
libera por mol de combustión de benceno? La entalpía
estándar de formación del benceno es 49.04 kJ/mol.
2C6H6 (l) + 15O2 (g)
12CO2 (g) + 6H2O (l)
DH0 = S nDH0f (productos)- S mDHf0 (reactivos)
reacción
= [ 12DH0f (CO2) + 6DH0f (H2O)] - [ 2DH0f (C6H6)]
DH0reacción
= [ 12x–393.5 + 6x–187.6 ] – [ 2x49.04 ] = -5946 kJ
DH0reacción
-5946 kJ
= - 2973 kJ/mol C6H6
2 mol
6.5
La entalpía de disolución (DHsolución) es el calor generado o
absorbido cuando cierta cantidad de soluto se diluye en cierta
cantidad de disolvente.
DHsolución = Hsolución - Hcomponentes
¿Qué sustancia(s) podría
usarse para la fundición del
hielo?
¿Qué sustancia(s) podría
usarse para un paquete frío?
6.6
El proceso de disolución para el NaCl
Iones Na+ y Cl- en estado gaseoso
Paso 2
Paso 1
Calor de disolución
Iones Na+ y Clen estado sólido
DHsolución = Paso 1 + Paso 2 = 788 – 784 = 4 kJ/mol
Iones Na+ y Cl- hidratados
6.6
Termodinámica
Las funciones de estado son propiedades determinadas por el
estado del sistema, independientemente de cómo esa
condición se haya alcanzado .
energía, presión, volumen y temperatura
La energía potencial del excursionista
1 y excursionista 2 es la misma
aunque ellos tomaron caminos
diferentes.
6.7
Termodinámica
DE = q + w
DE es el cambio en la energía interna de un sistema
q es el intercambio de calor entre el sistema y los alrededores
w es el trabajo realizado sobre (o por) el sistema
w = -PDV cuando un gas se expande contra una presión externa
constante
6.7
Entalpía y la primera ley de la termodinámica
DE = q + w
A presión constante, q = DH y w = -PDV
DE = DH - PDV
DH = DE + PDV
Aire+vapor de agua+
gas H2
Aire+vapor de agua
6.7