Termoquímica. Química General II era Unidad

Transcripción

1 Termoquímica Química General II era Unidad

2 Termodinámica Es el estudio científico de la conversión del calor a otras formas de energía

3 Energía Es la capacidad de efectuar un trabajo.

4 Algunas formas de manifestarse de la energía Energía radiante: Proviene del sol y es la principal fuente de energía de la tierra. Energía térmica: Es la energía asociada al movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas. Un a medida de esta energía es la temperatura pero son conceptos distintos. Energía Potencial: Es la energía disponible en función de la posición de un objeto. Energía Cinética: Es la energía asociada al movimiento de un objeto.

5 La temperatura es una medida de la energía térmica temperatura = energía térmica 90 0 C mayor energía térmica 40 0 C

6 Energía Química Es la energía que está almacenada en las unidades estructurales de las sustancias. En una reacción química, la energía química de los enlaces se libera, se almacena o se convierte en otras formas de energía.

7 Interconversión de las distintas formas de energía En principio todas las formas de energía se pueden convertir unas en otras.

8 Calor Es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas. Las reacciones químicas absorben o producen energía en forma de calor.

9 Calor Sus valores dependen de la ruta que sigue el proceso y varían respecto a ella. El calor no es propiedad de un sistema, se manifiesta sólo durante un proceso (durante un cambio).

10 Primera Ley de la Termodinámica Se basa en el principio de conservación de la energía: La energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir.

11 Termoquímica Es el estudio de los cambios de calor en las reacciones químicas. Para poder estudiar los cambios de calor es necesario definir: Sistema: Es la parte específica del universo que es de interés. Alrededores: Es el resto del universo, externo al sistema.

12 Sistemas termodinámicos Paredes Sistema Q, W, m Entorno Universo

13 Tipos de sistema Sistema abierto: Puede intercambiar masa y energía (generalmente en forma de calor) con los alrededores. Sistema cerrado: Permite la transferencia de energía (calor) pero no de masa con los alrededores. Sistema aislado: Impide la transferencia de masa o energía con los alrededores.

14 Tipos de sistemas abierto cerrado aislado Intercambio: masa y energía energía nada 6.2

15 Calor y procesos químicos Una reacción química que cede calor, es decir que transfiere energía térmica hacia los alrededores es un proceso exotérmico. 2H2(g) + O2(g) g 2 H2O(g) + energía

16 Calor y procesos químicos Una reacción química que requiere que los alrededores le suministren energía (absorbe calor) es un proceso endotérmico. 2 H2O(g) + energía g 2H2(g) + O2(g)

17 Unidades de calor Inicialmente se utilizó la caloría (cal). La caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua, de 14.5 a 15.5 ºC a una presión de 1 atm. Siendo el calor la transferencia de un tipo de energía, también se utiliza el Joule (J). El Joule es el trabajo realizado cuando una fuerza de un newton actúa a través de una distancia de un metro.

18 Unidades de calor 1 cal = J 1 Kcal = 1000 cal 1 BTU (unidad térmica británica) = 252 cal. 1 BTU = 1054 J

19 Temperatura Es una función que permite medir el estado térmico de un cuerpo, utilizando un instrumento que entra en equilibrio térmico con ese cuerpo y midiendo en una escala arbitraria. Escalas: Celsius (ºC) Fahrenheit (ºF) Kelvin (K)

20 Interconversiones TºC = 5/9 (TºF 32) TºF = 9/5TºC + 32 TK = TºC +273 Ejemplos, puntos de fusión y ebullición del agua.

21 Calorimetría Es la medición de los cambios de calor.

22 Calor específico de una sustancia Es la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia. Sus unidades son: J/(gºC) o cal/(gºc)

23 Calor específico Tiene un valor característico para cada sustancia

24 Capacidad calorífica Es la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado celsius la temperatura de determinada cantidad de sustancia. Sus unidades de medida son: J/ºC o cal/ºc

25 Para poder distinguir entre ambas: Propiedades extensivas: Dependen de la cantidad de materia (por ejemplo, la masa y el volumen) Propiedades intensivas: NO depende de la cantidad de materia (densidad, temperatura)

26 Para poder distinguir... El calor específico es una propiedad intensiva. La capacidad calorífica es una propiedad extensiva.

27 Relación entre calor específico y capacidad calorífica. A través de la siguiente expresión: C = c x m Donde: C es la capacidad calorífica c es el calor específico m es la masa de la sustancia en gramos.

28 Problema Un trozo de plata de 362 gramos tiene una capacidad calorífica de 85.7 J/ºC. Cuál es el calor específico de la plata en Joules y en calorías?

29 Cantidad de calor La cantidad de calor que se absorbe o se libera en un proceso en particular está dada por: q = CΔt Que es igual a: q = mc e Δt Donde Δt es el cambio de temperatura: Δt = t final - t inicial

30 Cantidad de calor El valor de q es positivo para procesos endotérmicos (absorben calor de los alrededores) El valor de q es negativo para procesos exotérmicos (liberan calor de los alrededores).

31 Problema Calcule el valor liberado cuando se enfrían 850 g de oro de 50ºC a 40ºC, en calorías. El calor específico del oro es J/gºC. Respuesta: -1,096.5 J o se liberan 1,096.5

32 Problema Qué cantidad de calor se necesita para calentar 50 g de cobre desde 20ºC hasta 70ºC? Calor específico del cobre = J/gºC. Respuesta: cal = J

33 Problema 1 Kilocaloría de calor eleva la temperatura de 200 g de hierro en 46.7 ºC. Calcular el calor específico del hierro. Respuesta: cal/gºc

34 Problema Si se suministran 6,401.5 J a 45 ml de agua a 14ºC, cuál será la temperatura final? Respuesta: 48ºC

35 Problema Cuánta energía se libera cuando se enfrían 50 g de plomo desde 150ºC hasta 50ºC, si su calor específico molar promedio en este intervalo de temperatura es 6.42 cal/molºc? El peso atómico del plomo es Respuesta: -155 cal

36 Cambios de estado físico de la materia Son procesos en los cuales las sustancias cambian de un estado físico a otro y que se caracterizan por ocurrir a temperatura constante. Estos cambios se nombran según los estados físicos involucrados.

37 Cambios de estado físico de la materia. Sólido a Líquido : Fusión Líquido a Sólido: Solidificación Líquido a Gas: Evaporación Gas a Líquido: Condensación líquida Gas a Sólido: Condensación sólida Sólido a Gas: Sublimación

38 Cambios de estado físico de la materia Punto de ebullición: Temperatura en la que hay un equilibrio entre la fase líquida y la fase gaseosa. Se utiliza normalmente de líquido a gas, de los contrario se llama punto de condensación. H 2 O (l) H 2 O (g) a 1 atm es de 100ºC

39 Cambios de estado físico de la materia Punto de fusión: Temperatura en la que hay un equilibrio entre la fase sólida y la fase líquida. Se utiliza normalmente de sólido a líquido, de los contrario se llama punto de congelación o solidificación H 2 O (s) H 2 O (l) a 1 atm es de 0ºC

40 Cambios de estado físico de la materia Para que una sustancia cambie de un estado físico a otro completamente, se requiere de: Una cantidad de calor de tal manera que las partículas de la sustancia aumenten su energía cinética. O liberar esa cantidad de calor de tal manera que las partículas de la sustancia disminuyan su energía cinética. Siempre a temperatura constante, el calor absorbido o liberado no produce un cambio de temperatura.

41 Calor de fusión Es la cantidad de calor necesaria para fundir un gramo de un sólido sin variación de temperatura. Cada sustancia tiene su propio calor de fusión. Dato útil: q f agua = 80 cal/g

42 Calor de vaporización Es la cantidad de calor necesaria para evaporar un gramo de un líquido sin variación de temperatura. Todos los líquidos tienen sus propios calores de vaporización. Dato útil: q vap agua = 540 cal/g

43 Calor de sublimación Cantidad de calor necesaria para que una sustancia pase del estado sólido al gaseoso directamente a una temperatura determinada Se suele representar por q s CO 2(s) CO 2(g)

44 Calor en cambio de estado físico En general se utiliza la expresión Q = mq x Para evaluar la energía o calor necesarios para que una sustancia experimente un cambio de estado físico. Donde: Q = calor en el proceso m = masa en g de la sustancia q x = calor de cambio de estado

45 Calor de combustión Es la cantidad de calor que se produce cuando un gramo (cantidad de masa) o un mol (cantidad de materia) de una sustancia sufre una reacción de combustión. Sus unidades son: cal/g o cal/mol También se utiliza: J/g o J/mol

46 Calor de combustión En la combustión del acetileno: KJ/mol Note que el calor liberado aparece en el lado de los productos.

47 Poder calorífico de un combustible Es la cantidad de calor (en calorías o en Joules) que un combustible genera cuando se quema una unidad de masa del mismo.

48 Problema La combustión de 5 g de carbón aumentó la temperatura de 1 Kg de agua desde 10ºC hasta 47ºC. El calor específico del agua es de 1 cal/gºc. Calcule el poder calorífico del carbón en Kcal/g. Respuesta: 7.4 Kcal/g

49 Problema Suponiendo que es utilizable el 50% del calor, cuántos Kg de agua a 15 ºC podrán calentarse hasta 95 ºC, quemando 200 litros de metano CH 4, medidos a temperatura y presión estándar? El calor de combustión del etano es 213 Kcal/mol. Respuesta: 11, g o 11.9 Kg de agua

50 Problema El calor de combustión del etano C 2 H 6 es 373 Kcal/mol. Suponiendo que sea utilizable el 60% del calor, cuántos litros de etano, medidos a T.P.E., tienen que ser quemados para suministrar el calor suficiente para elevar la temperatura de 80 Kg de agua, de 20ºC a 90ºC? Ojo: interpretar adecuadamente el porcentaje. Respuesta: L de etano.

51 Problema La combustión de 2 g de antracita liberan 61,086 J. Qué cantidad de este carbón se necesita para calentar 10 litros de agua desde la temperatura ambiente (20ºC) hasta el punto de ebullición (a la presión de una atmósfera), suponiendo que el proceso es 100% eficiente? La densidad del agua a 20ºC se puede considerar como 1 g/ml. Respuesta: g de antracita

52 Gráficas de cambio de estado en serie Son gráficas con las siguientes características: En el eje y va la temperatura En el eje x va el calor que se añade Una pendiente indica que la adición de calor produce un aumento de temperatura y no hay cambio de estado. Una recta horizontal indica que hay cambio de estado a temperatura constante.

53 Gráficas de cambio de estado en serie Graficar temperatura contra calor de el proceso en el cual 1000 g de agua sólida pasan de -20 ºC hasta 120 ºC a 1 atm de presión. Considerar los siguientes datos: Punto de fusión: 0ºC Punto de ebullición: 100ºC c agua sólida = 0.5 cal/gºc c agua líquida = 1.0 cal/gºc c agua gaseosa = 0.5 cal/gºc qf del agua = 80 cal/g qv del agua= 540 cal/g

54 Problema Calcular la cantidad de calor necesaria para transformar 201 g de mercurio sólido a la temperatura de su punto de fusión de -39 C, en vapor a su punto de ebullición a 357 C. Calor específico del mercurio: cal/g C Calor de fusión del mercurio:2.8 cal/g Calor de vap. del mercurio: 67.8 cal/g