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Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura

Universidad Nacional del Nordeste

Avenida Libertad 5450- 3400. Corrientes

TE: (03794)457996- Int. 105

QUÍMICA

GENERAL
Unidad VII: Termoquímica

Dra. Maria Irene Vera

Profesora Titular

CARRERAS: Ingeniería Electrónica- Ingeniería Eléctrica

Ingeniería en Agrimensura

Profesorado en Física y Licenciatura en Física

2014

AL ALUMNO: El apunte aquí desarrollado tiene como finalidad orientar la búsqueda bibliográfica que necesariamente se debe hacer en el estudio de un determinado contenido. De ninguna manera intenta reemplazar a un libro. Se sugiere tomarlo como guía y buscar los temas aquí tratados en la bibliografía sugerida, para elaborar un material personal de estudio para consulta y para el examen final de la asignatura.


Dra. María Irene Vera.

Profesora Titular

Química General


(Ingeniería y Física)

UNIDAD VII. TERMOQUÍMICA.

CONTENIDOS CONCEPTUALES Reacciones exotérmicas y endotérmicas. Entalpía y energía interna. Ecuaciones termoquímicas. Calor de formación normal. Calores de combustión y de neutralización. Calores sensible y latente. Calores de fusión y de vaporización. Leyes de Lavoisier – Laplace y de Hess. Espontaneidad de las reacciones. Trabajo útil máximo. Cambio de energía libre. Ecuación de Gibbs – Helmholtz. Concepto de entropía.
BIBLIOGRAFÍA SUGERIDA


Atkins, P. y Jones, L. Química. Moléculas. Materia. Cambio. Ediciones Omega S.A. Barcelona. España. 1998

Atkins, P. y Jones, L. “Principios de Química. Los caminos del descubrimiento”. Editorial Médica Panamericana.2007

Brown, T., LeMay, H., Bursten, B. “Química la Ciencia Central. Prentice Hall Hispanoamericana S.A. México. 2004.

Chang, R.Química”. McGraw-Hill Interamericana de México, S.A. de C. V. México. 2010

Whitten, K., Davis, R., Peck, M. Química General. McGraw-Hill/Interamericana de España S.A.U. 2008.

http://fresno.pntic.mec.es/~fgutie6/quimica2/ArchivosHTML/Teo_1_princ.htm

http://www.ing.unp.edu.ar/asignaturas/quimica/teoria/termoquimica.pdf

Termoquímica

La Termodinámica: es el estudio de la energía y sus transformaciones.

Casi todas las reacciones químicas absorben o liberan energía en forma de calor. El calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas.

La termoquímica, es la parte de la química que estudia el flujo de calor asociado a una reacción química o cambio físico.

La ley de la conservación de la energía afirma que la energía no se puede crear ni destruir; pero se puede transformar de una forma a otra y transferir de un lugar a otro.

Conviene distinguir entre sistema y entorno (o medio ambiente o alrededores).

Sistema: es una porción del universo objeto de estudio. Un sistema es una región restringida,

no necesariamente de volumen constante, ni fija en el espacio, en donde se puede estudiar la transferencia y transmisión de masa y energía. Es la sustancia o la mezcla de reacción que está siendo objeto de estudio (puede ser una mezcla de reacción colocada dentro de un recipiente, o un pedazo de Cu) (porción que separamos para estudiar).

Entorno: es la parte del universo próxima al sistema y que se ve afectada en alguna medida por los procesos que ocurren en el sistema. (son los alrededores del sistema, por ejemplo los recipientes). El entorno es donde hacemos las observaciones sobre la energía transferida al interior o al exterior del sistema.

Generalmente, solo se tiene en cuenta los alrededores inmediatos de un sistema. El entorno y el sistema juntos forman el universo.

Sistema + Entorno = Universo

Los sistemas se clasifican según cómo sea la pared que los separa del entorno. En función de sus paredes o límites, un sistema puede ser: abierto si intercambia materia y energía con el entorno; cerrado cuando tiene una cantidad fija de materia y puede intercambiar energía con el entorno; aislado cuando no puede transferir materia ni energía con su entorno.

Reacciones exotérmicas y endotérmicas

Desde el punto de vista del flujo de calor, se pueden distinguir dos tipos de reacciones o procesos.

Reacciones exotérmicas: en las que una reacción libera calor al ambiente.

CH4 (g) + 2O2 (g)  CO2 (g) + 2H2O (ℓ) + Energía

Esta reacción desprende calor al ambiente, que puede ser un vaso de precipitado con agua, y se observará un aumento de la temperatura del agua. El efecto de las reacciones exotérmicas es aumentar la temperatura ambiente.

Reacciones endotérmicas: en las que el sistema reacciónate absorbe calor del ambiente. Ejemplo la fusión del hielo.

H2O (s) + Energía  H2O (ℓ)

El proceso absorbe calor del ambiente y la temperatura del agua disminuye.

“el efecto de una reacción endotérmica es disminuir la temperatura ambiente”.


Entalpía y energía interna

La mayoría de los cambios físicos y químicos ocurren en condiciones de presión constante. El calor absorbido o liberado por un sistema durante un proceso a presión constante se denomina entalpía y se representa por el símbolo H. Es una propiedad extensiva. La entalpía se puede imaginar como una medida de la energía que un sistema puede dar en forma de calor.

Como es imposible determinar la entalpía de una sustancia, lo que se mide realmente es el cambio de entalpía ΔH o entalpía de reacción.



La entalpía de reacción puede ser positiva o negativa, según el proceso.

En los procesos endotérmicos, ΔH es (+) (ΔH > 0)

En los procesos exotérmicos, ΔH es (-) (ΔH < 0)
Reacción exotérmica: < 0 es decir:



Reacción endotérmica: > 0 es decir:




Basados en el principio de conservación de la energía decimos que el flujo de calor observado en el medio ambiente, se compensa exactamente con el cambio de entalpía en la mezcla reaccionante.

La energía interna (U) es una medida de la cantidad de energía de un sistema; es su reserva total de energía. Es la capacidad de un sistema para realizar un trabajo. Es la energía conservada en un sistema como energía cinética y potencial. No es fácil determinar la energía interna de un sistema pero si su variación que es el flujo de calor de la reacción a volumen constante.

Ecuaciones termoquímicas

Las ecuaciones termoquímicas son aquellas que muestran además de las relaciones de masa, los cambios de entalpía que ocurren en las reacciones químicas. Combina una ecuación química y la entalpía asociada a la reacción.

a) H2O (s)  H2O (ℓ) ΔH = 6,01 kJ/mol

b) CH4 (g) + 2O2 (g)  CO2 (g) + 2H2O (ℓ) ΔH = -890,4 Kj/mol

● Los coeficientes estequiométricos siempre se refieren al número de moles de una sustancia que reaccionan para dar el incremento de entalpía correspondiente.

La ecuación a) se puede leer: cuando se forma un mol de H2O (ℓ) a partir de un mol de hielo a 0°C, el cambio de entalpía es de 6,01 kJ.

La ecuación b): cuando un mol de metano gaseoso reacciona con dos moles de oxigeno gaseoso para formar un mol de dióxido de carbono gaseoso y dos moles de agua liquida, el cambio de entalpía es de -890,4 kJ.

● Cuando se invierte una ecuación, la magnitud de ΔH se mantiene igual, pero cambia el signo.

Es decir si una reacción es endotérmica, la reacción inversa debe ser exotérmica y viceversa.

a) H2O (ℓ)  H2O (s) ΔH = -6,01 kJ./mol

b) CO2 (g) + 2H2O (ℓ) CH4 (g) + 2O2 (g) ΔH = +890,4 kJ/mol

● Si se multiplican ambos lados de una ecuación termoquímica por un factor n, ΔH también se debe multiplicar por el mismo factor. Si n = 2 en el ejemplo de la fusión del hielo.

2H2O (ℓ)  2H2O (s) ΔH = 2. -6,01 kJ/mol = 12,02 kJ/mol

● Cuando se escriben ecuaciones termoquímicas, siempre se debe especificar el estado físico de todos los reactivos y productos, porque esto ayuda a determinar el cambio real de entalpía.

Si en la combustión de CH4 se obtuvo como producto vapor de agua en lugar de agua liquida.

CH4 (g) + 2O2 (g)  CO2 (g) + 2H2O (g) ΔH = -802,4 kj/mol

Calor de formación Normal (ΔHof)

El estado normal de una sustancia, para la termodinámica, es su estado mas estable a la presión de 1 atm y a alguna temperatura especifica (25°C o 298 K a menos que se especifique otra temperatura).

El calor normal de formación es la variación de entalpía que se produce cuando se forma un mol de un compuesto a partir de sus elementos en su estado más estable a una presión de una atm y 25°C.

El “ O ” representa el estado normal, el subíndice “ f ” significa formación.

Ag (s) + ½ Cl2 (g)  AgCl (s) ΔH = -127 kJ

= -127 KJ/mol

½ N2 (g) + O2 (g)  NO2 (g) ΔH = +33,9 Kj

= +33,9 KJ/mol

Por convención, el calor de formación de cualquier elemento en su forma más estable es cero.

Los valores de ΔHof están tabulados (la mayoria son < 0).

Los ΔHof de compuestos, se pueden utilizar para calcular la entalpía normal de una reacción, que se define como “la variación de entalpía que acompaña a una reacción que se efectúa a 25ºC y 1 atm.”

Como regla general: para cualquier reacción ΔHReac es igual a la suma de los calores de formación de los productos menos la suma de los calores de formación de los reactivos. Usamos ∑ para indicar la sumatoria de.



n y m coeficientes estequiométricos de reactivos y productos.
Ejemplo:

ΔHof de tabla


CO2 (g) = -393,5 Kj/mol

H2O (ℓ) = -285,8 Kj/mol

C3H8 (g) = -103,8 Kj/mol


A partir de los valores de tabla, halle el ΔH° de la siguiente reacción.

C3H8 (g) + 5O2 (g) +  3CO2 (g) + 4H2O (ℓ)





Ejercitación:

● Haciendo uso de la tabla de calores normales de formación, escribir las ecuaciones termoquímicas para la formación de:

a) NH3 (g)

b) KClO3 (s)

c) Al2O3 (s)

d) Na2SO4 (s)

e) CaCO3 (s)

● En base a las entalpías de formación, calcule la entalpía normal de la reacción:

ΔHof de tabla


NH3 (g) = -46,2 kj/mol

H2O (g) = -241,8 kj/mol

NO (g) = -90,4 kj/mol

4NH3 (g) +5O2 (g)  4NO (g) +6H2O (g)

Calor normal de combustión (ΔH°C)

Cuando se queman compuestos orgánicos (contienen C, H, O) en atmósfera de O2 se obtiene CO2 (g) y H2O (l). El calor de combustión es la variación de entalpía, que acompaña a la combustión completa de 1 mol de compuesto orgánico para dar CO2 (g) y H2O (l).

O bien: el calor de combustión es la cantidad de energía liberada por cada mol de hidrocarburo quemado.

Metano CH4 (g) + 2 O2 (g)  CO2 (g) + 2 H2O (l) ∆HºC= -890 KJ

Octano C8H18 (g) + 17/2 O2 (g) → 8 CO2 (g) + 9 H2O (l) ∆HºC= -1,09.104 kJ/2

Estas reacciones son la base de los importantes usos de los hidrocarburos como combustibles.


Combustibles

Hidrocarburos: CH4, C2H6, C8H18

Alcohol: CH3-CH2OH

Benceno: C6H6


Ejercicio: escribir la ecuación termoquímica de combustión de los siguientes compuestos:

a) C6H6 (l)

b) C8H18 (g)
Calor de neutralización (ΔH°N)

Es la variación de entalpía que se produce cuando reaccionan cantidades equivalentes de soluciones diluidas de un ácido y una base fuerte a presión de 1 atm y temperatura de 25°C

HNO3 (ac) + KOH (ac) KNO3 (ac) + H2O ()

H+ (ac) + NO3- (ac) + K+ (ac) + OH- (ac) K+ (ac) + NO3- (ac) + H2O ()
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