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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
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
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.
abierto
masa y energía Intercambio :
cerrado
energía
aislado
nada
SISTEMA ALREDEDORES
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.
DH = H (productos) – H (reactivos)
DH = calor emitido o absorbido durante una reacción a presión constante
Hproductos< Hreactivos
DH < 0
Hproductos > Hreactivos
DH > 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) DH = 6.01 kJ
¿Es DH negativo o positivo?
El sistema absorbe calor
Endotérmico
DH > 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 sistema de los alrededores
Ecuaciones termoquímicas
CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) DH = -890.4 kJ
¿Es DH negativo o positivo?
El sistema emite calor
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.
6.3
En
talp
ía
Calor liberado
por el sistema hacia los alrededores
H2O (s) H2O (l) DH = 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 DH cambia
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
H2O (s) H2O (l) DH = 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) DH = 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) DH = -3013 kJ
266 g P4 1 mol P4
123.9 g P4 x
3013 kJ
1 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 = 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
¡Ningún calor entra o sale!
qsis = qagua + qbomba +qreacción
qsis = 0
qreac = - (qagua + qbomba )
qagua = msDt
qbomba = CbombaDt
6.4
Reacción a V constante
DH ~ qreacción
DH = qreacción
Recipiente
para la muestra
Bomba
Entrada para el O2
Agua
Chaqueta aislante
Cubierta del calorímetro
Agitador Alambre de ignición
Termómetro
Constant-Pressure Calorimetry
¡Ningún calor entra o sale!
qsys = qwater + qcal + qrxn
qsys = 0
qrxn = - (qwater + qcal)
qwater = msDt
qcal = CcalDt
6.4
Reacción a P constante DH = qrxn
Calorimetría a presión constante
Termómetro
Mezcla
de reacción
Agitador Vasos 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 (DH0) como un punto de referencia para todas las
expresiones de entalpía. f
La entalpía estándar de formación (DH0) 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.
DH0 (O2) = 0 f
DH0 (O3) = 142 kJ/mol f
DH0 (C, grafito) = 0 f
DH0 (C, diamante) = 1.90 kJ/mol f 6.5
6.5
La entalpía estándar de reacción (DH0 ) es la entalpía
de una reacción llevada a cabo a 1 atm. reacción
aA + bB cC + dD
DH0 rxn dDH0 (D) f cDH0 (C) f = [ + ] - bDH0 (B) f aDH0 (A) f [ + ]
DH0 rxn nDH0 (productos ) f = S mDH0 (reactivos) f S -
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) DH0 = -393.5 kJ reacción
S(rómbico) + O2 (g) SO2 (g) DH0 = -296.1 kJ reacción
CS2(l) + 3O2 (g) CO2 (g) + 2SO2 (g) DH0 = -1072 kJ rxn
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.
rxn C(grafito) + O2 (g) CO2 (g) DH0 = -393.5 kJ
2S(rómbico) + 2O2 (g) 2SO2 (g) DH0 = -296.1x2 kJ reacción
CO2(g) + 2SO2 (g) CS2 (l) + 3O2 (g) DH0 = +1072 kJ reacción
+
C(grafito) + 2S(rómbico) CS2 (l)
DH0 = -393.5 + (2x-296.1) + 1072 = 86.3 kJ reacción 6.5
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)
DH0 reacción
nDH0 (productos) f = S mDH0 (reactivos) f S -
DH0 reacción 6DH0 (H2O) f 12DH0 (CO2) f = [ + ] - 2DH0 (C6H6) f [ ]
DH0 reacción = [ 12x–393.5 + 6x–187.6 ] – [ 2x49.04 ] = -5946 kJ
-5946 kJ
2 mol = - 2973 kJ/mol C6H6
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
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
DHsolución = Paso 1 + Paso 2 = 788 – 784 = 4 kJ/mol 6.6
Iones Na+ y Cl- en estado gaseoso
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
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
Entalpía y la primera ley de la termodinámica
6.7
DE = q + w
A presión constante, q = DH y w = -PDV
DE = DH - PDV
DH = DE + PDV
Aire+vapor de agua
Aire+vapor de agua+
gas H2
