TERMOQUIMICA. Ecuaciones Termoquímicas

Transcripción

1 TERMOQUIMICA La Termoquímica se encarga de estudiar las características de una reacción química, con respecto al requerimiento o liberación energética implicada en la realización de los cambios estructurales correspondientes. Si la energía química de los reaccionantes es mayor que la de los productos se produce una liberación de calor durante el desarrollo de la reacción, en caso contrario se necesita una adición de calor. Esto hace que las reacciones se clasifiquen en exotérmicas o endotérmicas según que liberen o requieran calor. La reacción entre hidróxido de sodio y ácido clorhídrico es altamente exotérmica, mientras que la reacción de formación de óxido de magnesio a partir de oxígeno y magnesio es endotérmica. Ecuaciones Termoquímicas En termoquímica las reacciones químicas se escriben como ecuaciones donde además de las fórmulas de los componentes se especifica la cantidad de calor implicada a la temperatura de la reacción, y el estado físico de los reactivos y productos mediante símbolos "s" para sólidos, "g" para gases, "l" para líquidos y "ac" para fases acuosas. El calor de una reacción, Q R, usualmente se expresa para la reacción en sentido derecho y su signo indica si la reacción es exotérmica o endotérmica, de acuerdo a que si Reacción exotérmica : Q R < 0 Reacción endotérmica : Q R > 0 La siguiente reacción está escrita en forma de ecuación termoquímica: Fe 2 O 3 (s) + 3C(grafito) 2Fe(s) + 3CO(g) Q R = 492,6 KJ/mol porque se expresan los estados de sus componentes y el calor de reacción en condiciones estándares. Se entiende que KJ es la cantidad de calor requerido en la reacción, por cada mol de óxido férrico que reacciona en estado sólido a 25'C y 1 atmósfera de presión

2 La siguiente reacción escrita en forma termoquímica: 2H 2 S(g) + Fe(s) FeS 2 (s) + 2H 2 (g) Q R o = -137 KJ/mol muestra que es exotérmica y que por cada 2 moles de sulfuro de hidrógeno en forma gaseosa que reaccionan se liberan 137 KJ de calor en condiciones estándares, indicado esto mediante el superíndice colocado sobre el símbolo. Calor de formación de una sustancia Es la cantidad de calor liberado o absorbido en la reacción de formación de un mol de una sustancia a partir de sus elementos constituyentes. La reacción de formación del bromuro de hidrógeno gaseoso a partir de sus elementos componentes en estado gaseoso y su correspondiente calor de formación, a condiciones estándares, es: ½ H 2 (g) + ½ Br 2 (g) HBr(g) Q f 0 = -36,38 KJ/mol Los compuestos como el bromuro de hidrógeno gaseoso se denominan compuestos exotérmicos porque su reacción de formación es exotérmica, en caso contrario se llaman compuestos endotérmicos. Es importante notar que el cambio en el estado material de alguno de los componentes de una reacción química producirá un cambio en la cantidad de calor implicada y/o en la naturaleza energética de la reacción. En la reacción de formación del agua no hay diferencias estructurales al obtenerla en forma gaseosa o líquida, pero energéticamente es mayor la cantidad liberada cuando se forma un mol de agua líquida con respecto a la cantidad liberada cuando se forma un mol de agua gaseosa, como se puede observar en las siguientes reacciones de formación H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 O(g) Q 0 f = KJ/mol. H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 O(1) Q 0 f = -285,830 KJ/mol Los calores de formación son determinados experimentalmente y para su estimación se asume que el calor de formación de los elementos en estado libre y en condiciones estándares es cero. La Tabla 1 muestra los calores de formación de un conjunto de compuestos en condiciones estándares 100

3 Calor de reacción Es el calor liberado o absorbido en una reacción a condiciones determinadas. Es una propiedad termodinámica de estado cuyo valor, depende principalmente, de la temperatura de la reacción y se calcula por la diferencia entre las energías químicas de los productos, Ep, y los reaccionantes, Er, es decir, Q R = Ep - Er Cuando la suma de los contenidos calóricos de los productos excede al de los reaccionantes, la diferencia es la cantidad de calor requerida en la reacción endotérmica y es de signo positivo. Si la suma de los contenidos calóricos de los reaccionantes excede al de los productos la diferencia es la cantidad de calor liberada en la reacción exotérmica y es de signo negativo Ley de Hess La Ley de Hess expresa que: "El calor de una reacción es independiente del número de etapas que constituyen su mecanismo y, por lo tanto, depende sólo de los productos (estado final) y reaccionantes (estado inicial)" La ley de Hess aplicada a la reacción global resultante de la suma del conjunto de etapas que explican su mecanismo, permite calcular el calor de reacción estimando la diferencia entre la suma de los calores totales de formación de los productos y la suma de los calores totales de formación de los reaccionantes, es decir: Q = n Q n Q R p f, p r f, r siendo n p, y n r, los coeficientes estequiométricos y Q 0 f,p y Q 0 f,r los calores de formación de cada uno de los productos y reaccionantes, respectivamente 101

4 Ejercicios Resueltos Ejercicio 1. Calcular el calor de la reacción, en condiciones estándares, y explicar si es exotérmica o endotermica CaC 2 (s) + 2H 2 O (l) Ca(OH) 2 (s) + C 2 H 2 (g) Los calores de formación de cada uno de los productos y de los reaccionantes tomados de La Tabla 1 son: Compuestos Q f 0 CaC 2 (s) H 2 O (l) Ca(OH) 2 (s) C 2 H 2 (g) - 60 KJ/mol - 285,83 KJ/mol - 986,1 KJ/mol 226,7 KJ/mol Al aplicar la ley de Hess con los datos suministrados Q R 0 = (-986, ,7) - ( x (-285,83)) = KJ / mol el signo negativo, del calor de reacción, significa que es exotérmica. Calor de combustión Es el calor que se libera en una reacción de combustión de un compuesto orgánico. Se entiende por combustión completa la oxidación de un compuesto orgánico con el oxígeno del aire, produciéndose los gases bióxido de carbono y vapor de agua, además de la liberación de una cantidad de calor. Si en vez de bióxido de carbono se produce monóxido de carbono o carbono en estado natural, se dice que la combustión es incompleta. El gas natural o el propano son gases que además de aprovecharlos con propósitos de síntesis de otros compuestos son utilizados como combustibles, tanto doméstica como industrialmente, debido a su gran calor de combustión. Los alimentos al ser digeridos por los seres vivos son compuestos 102

5 orgánicos (carbohidratos, lípidos y proteínas) transformados mediante mecanismos de reacción que totalizados corresponden a sus reacciones de combustión cuyos calores liberados son utilizados por la célula para su almacenamiento y funcionamiento Los calores de combustión se determinan experimentalmente y sus valores son aprovechados para estimar calores de formación de compuestos orgánicos difíciles de estimar por otros métodos. La Tabla 2 muestra calores de combustión de un conjunto de compuestos orgánicos en condiciones estándares Ejercicio 2. Calcular el calor de formación del ácido acético, en condiciones estándares, a partir de su calor de combustión. La reacción de combustión completa del ácido acético gaseoso, en condiciones estándares, es: CH 3 COOH (g) + 2O 2 (g) 2CO 2 (g) + 2H 2 O (g) -875,1 KJ/mol es decir, que por cada mol de CH 3 COOH (g) que combuste se liberan 875,1 KJ. Conociendo el calor de combustión del ácido acético y los calores de formación de los otros componentes de la reacción, en condiciones estándares, al aplicar la ley de Hess se puede calcular el calor de formación del ácido acético así: Compuestos CO 2 (g) H 2 O (g) Calor de formación - 393,51 KJ/mol - 241,81 KJ/mol O 2 (g) 0 Q = (2Q + 2 Q ) ( Q + Q ) C f, CO2( g ) f, H2O( g ) f, CH3COOH ( g ) f, O2( g ) = 2 ( ) + 2 ( ) Q f, CH 3 COOH ( g ) + 0 Q, ( ) = KJ / mol 0 f CH3COOH g 103

6 el signo negativo indica que el ácido acético es un compuesto exotérmico. 104

7 Sustancia Q 0 f, KJ/mol Sustancia Q 0 f, KJ/mol Sustancia Q 0 f, KJ/mol H 2 0(l) PCl 3 (g) Al 2 O 3 (s) H 2 O(g) PCl 5 (g) ZnO(s) HF(g) CO(g) HgO(s) HCl(g) CO 2 (g) CuO(s) HBr(g) CH 4 (g) Cu 2 O(s) HI(g) HCHO(g) Ag 2 O(s) SO 2 (g) CH 3 OH(l) AgCl(s) SO 3 (g) C 2 H 2 (g) Ag 2 S(s) H 2 S(g) C 2 H 4 (g) Fe 2 O 3 (s) H 2 SO 4 (1) C 2 H 6 (g) Fe 3 O 4 (s) NO(g) CH 3 COOH(l) FeS(s) NO 2 (g) C 2 H 5 OH(l) FeS 2 (s) N 2 O(g) C 6 H 6 (g) MgO(s) N 2 O 3 (g) SiO 2 (s) MgCO 3 (s) N 2 O 4 (g) 9.16 SiH 4 (g) CaO(s) N 2 O 5 (g) PbO(s) Ca(OH) 2 (s) NH 3 (g) PbO 2 (s ) CaC 2 (s) HNO 3 (l) PbS(s) CaCO 3 (s) NH 4 Cl(s) PbSO 4 (s) BaO(s) Na 2 O(s) Na 2 SO 4 (s) BaCO 3 (s) NaOH(s) NaNO 3 (s) NaF(s) NaCI(s) NaBr(s) NaI(s) KF(s) KCl(s) KClO 3 (s) KClO 4 (s) KBr(s) KI(s) Tabla l. Calores de formación en condiciones estándares 105

8 Compuesto Fórmula Q 0 c, KJ/mol Compuesto Fórmula Q 0 c, KJ/mol Carbono C(S) Metanol CH 4 O(g) Monóxido de carbono CO(g) Metanol CH 4 O(l) Metano CH 4 (g) Etanol C 2 H 6 O(g) Etino (acetileno) C 2 H 2 (g) Etanol C 2 H 6 O(l) Eteno(etileno) C 2 H 4 (g) n-propanol C 3 H 8 O(g) Etano C 2 H 6 (g) n-propanol C 3 H 8 O(l) Propeno C 3 H 6 (g) Isopropanol C 3 H 8 O(g) Propano C 3 H 8 (g) Isopropanol C 3 H8O(l) metilpropano C 4 H 10 (g) Glicerina C 3 H 8 O 3 (l) n-butano C 4 H 10 (g) Acido Fórmico CH 2 O 2 (g) Ciclopentano C 5 H 10 (l) Acido Fórmico CH 2 O 2 (l) n-pentano C 5 H 12 (g) Acido Acético C 2 H 4 O 2 (g) Benceno C 6 H 6 (g) Acido Acético C 2 H 4 O 2 (l) Benceno C 6 H 6 (l) Acido Láctico C 3 H 6 O 3 (C) Ciclohexano C 6 H 12 (l) Acido d-tartárico C 4 H 6 O 6 (c) n-hexano C 6 H 14 (l) Acido n-butírico C 4 H 8 O 2 (l) Metilbenceno(Tolueno) C 7 H 8 (g) Acido Cítrico C 6 H 8 O 7 (c) Metilbenceno(Tolueno) C 7 H 8 (l) Acido Benzoico C 7 H 6 O 2 (c) Cicloheptano C 7 H 14 (l) Acido Palmítico C 6 H 32 O 2 (c) n-heptano C7H16(l) Acido Esteárico C 18 H 36 O 2 (c) ,2-Dimetilbenceno C 8 H 10 (g) Acido Oleico C 18 H 34 O 20 (l) ,2-Dimetilbenceno C 5 H 10 (l) d-glucosa C 6 H 12 O 6 (c) ,3-Dimetilbenceno C 8 H 10 (g) Fructosa C 6 H 12 O 6 (c) ,3-Dimetilbenceno C 8 H 10 (l) Lactosa C 12 H 22 O 11 (c) ,4-Dimetilbenceno C 5 H 10 (g) Formaldehido CH 2 O(g) ,4-Dimetilbenceno C 8 H 10 (l) Acetaldehido C 2 H 4 O(g) Naftaleno C 10 H 5 (c) Acetona C 3 H 6 O(l) Tabla 2. Calores de combustión en condiciones estándares 106