TermoquímicaCapítulo 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

Calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a temperaturas diferentes.

Cambios de energía en las reacciones químicas

Temperatura es una medida de energía térmica.

Temperatura = Energía térmica

900C400C

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.

abierto

masa y energíaIntercambio :

cerrado

energía

aislado

nada

SISTEMAALREDEDORES

6.2

Vapor de agua

Calor Calor

Proceso exotérmico es cualquier proceso que cede calor, es decir, transfiere energía térmica hacia los alrededores.

Proceso endotérmico, en el cual los alrededores deben suministrar calor al sistema.

2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (l) + energía

H2O (g) H2O (l) + energía

energía + 2HgO (s) 2Hg (l) + O2 (g)

6.2

energía + H2O (s) H2O (l)

Entalpía (H) se usa para medir el calor absorbido o liberado por un sistema durante un proceso a presión constante.

H = H (productos) – H (reactivos)

H = calor emitido o absorbido durante una reacción a presión constante

Hproductos< Hreactivos

H < 0Hproductos > Hreactivos

H > 0 6.3

Endotérmico:calor absorbido por el sistema

de los alrededores

Exotérmico:calor liberado por el sistema

hacia los alrededores En

erg

ía

En

erg

ía

Ecuaciones termoquímicas

H2O (s) H2O (l) H = 6.01 kJ

¿Es H negativo o positivo?

El sistema absorbe calor

Endotérmico

H > 0

Cada fusión de 1 mol de hielo a 00C y 1 atm absorbe 6.01 kJ.

6.3

En

talp

ía

Calor absorbido

por el sistemade los alrededores

Ecuaciones termoquímicas

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) H = -890.4 kJ

¿Es H negativo o positivo?

El sistema emite calor

Exotérmico

H < 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.

6.3

En

talp

ía

Calor liberado

por el sistemahacia los alrededores

H2O (s) H2O (l) H = 6.01 kJ

• Los coeficientes estequiométricos siempre se refieren al número de moles de una sustancia

Ecuaciones termoquímicas

• Si invierte una reacción, el signo de H cambia

H2O (l) H2O (s) H = -6.01 kJ

• Si multiplica ambos lados de la ecuación por un factor n, entonces H debe cambiar por el mismo factor n.

2H2O (s) 2H2O (l) H = 2 x 6.01 = 12.0 kJ

6.3

H2O (s) H2O (l) H = 6.01 kJ

• Los estados físicos de todos los reactivos y productos se deben especificar en las ecuaciones termoquímicas.

Ecuaciones termoquímicas

6.3

H2O (l) H2O (g) H = 44.0 kJ

¿Cuánto calor se libera cuando 266 g de fósforo blanco (P4) se queman en el aire?

P4 (s) + 5O2 (g) P4O10 (s) H = -3013 kJ

266 g P4

1 mol P4

123.9 g P4

x3013 kJ1 mol P4

x = 6470 kJ

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 = mst

q = Ct

t = 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

t = tfinal – tinicial = 50C – 940C = -890C

q = mst = 869 g x 0.444 J/g • 0C x –890C = -34,000 J

6.4

Calorimetría a volumen constante

¡Ningún calor entra o sale!

qsis = qagua + qbomba +qreacción

qsis = 0

qreac = - (qagua + qbomba )

qagua = mst

qbomba = Cbombat

6.4

Reacción a V constante

H ~ qreacción

H = qreacción

Recipiente

para la muestra

Bomba

Entrada para el O2

Agua

Chaqueta aislante

Cubierta del calorímetro

AgitadorAlambre de ignición

Termómetro

Constant-Pressure Calorimetry

¡Ningún calor entra o sale!

qsys = qwater + qcal + qrxn

qsys = 0

qrxn = - (qwater + qcal)

qwater = mst

qcal = Ccalt

6.4

Reacción a P constanteH = qrxn

Calorimetría a presión constante

Termómetro

Mezcla de reacción

AgitadorVasos de poliestireno

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 (H0) como un punto de referencia para todas las expresiones de entalpía.

f

La entalpía estándar de formación (H0) es el cambio de calor que resulta cuando un mol de un compuesto se forma de sus elementos a una presión de 1 atm.

f

La entalpía estándar de formación de cualquier elemento en su forma más estable es cero.

H0 (O2) = 0f

H0 (O3) = 142 kJ/molf

H0 (C, grafito) = 0f

H0 (C, diamante) = 1.90 kJ/molf6.5

6.5

La entalpía estándar de reacción (H0 ) es la entalpía de una reacción llevada a cabo a 1 atm.

reacción

aA + bB cC + dD

H0rxn dH0 (D)fcH0 (C)f= [ + ] - bH0 (B)faH0 (A)f[ + ]

H0rxn nH0 (productos )f= mH0 (reactivos)f-

6.5

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.)

Calcule la entalpía estándar de formación de CS2 (l) teniendo que: C(grafito) + O2 (g) CO2 (g) H0 = -393.5 kJ

reacción

S(rómbico) + O2 (g) SO2 (g) H0 = -296.1 kJreacción

CS2(l) + 3O2 (g) CO2 (g) + 2SO2 (g) H0 = -1072 kJrxn

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.

rxnC(grafito) + O2 (g) CO2 (g) H0 = -393.5 kJ

2S(rómbico) + 2O2 (g) 2SO2 (g) H0 = -296.1x2 kJreacción

CO2(g) + 2SO2 (g) CS2 (l) + 3O2 (g) H0 = +1072 kJreacción

+

C(grafito) + 2S(rómbico) CS2 (l)

H0 = -393.5 + (2x-296.1) + 1072 = 86.3 kJreacción6.5

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)

H0reacción

nH0 (productos)f= mH0 (reactivos)f-

H0reacción

6H0 (H2O)f12H0 (CO2)f= [ + ] - 2H0 (C6H6)f[ ]

H0reacción= [ 12x–393.5 + 6x–187.6 ] – [ 2x49.04 ] = -5946 kJ

-5946 kJ2 mol

= - 2973 kJ/mol C6H6

6.5

La entalpía de disolución (Hsolución) es el calor generado o absorbido cuando cierta cantidad de soluto se diluye en cierta cantidad de disolvente.

Hsolución = Hsolución - Hcomponentes

6.6

¿Qué sustancia(s) podría usarse para la fundición del hielo?

¿Qué sustancia(s) podría usarse para un paquete frío?

El proceso de disolución para el NaCl

Hsolución = Paso 1 + Paso 2 = 788 – 784 = 4 kJ/mol 6.6

Iones Na+ y Cl- en estado gaseosoCalor de hidratación

Energía

retic

ular

Paso 1

Paso 2

Calor de disolución

Iones Na+ y Cl- en estado sólido

Iones Na+ y Cl- hidratados

Termodinámica

Las funciones de estado son propiedades determinadas por el estado del sistema, independientemente de cómo esa condición se haya alcanzado .

La energía potencial del excursionista 1 y excursionista 2 es la misma aunque ellos tomaron caminos diferentes.

energía, presión, volumen y temperatura

6.7

Termodinámica

6.7

E = q + w

E 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 = -PV cuando un gas se expande contra una presión externa constante

Entalpía y la primera ley de la termodinámica

6.7

E = q + w

A presión constante, q = H y w = -PV

E = H - PV

H = E + PV

Aire+vapor de agua

Aire+vapor de agua+gas H2