Primera ley de la termodinámica

Transcripción

1 Primera ley de la termodinámica OBJ. DE CLASE: DETERMINAR MEDIANTE DISTINTOS PROCESOS DE CALCULO SI UNA REACCIÓN ES EXOTÉRMICA O ENDOTÉRMICA.

2 Primera ley de la termodinámica Este principio corresponde al de la Conservación de la energía, que establece que la cantidad de energía en el universo es constante y por lo tanto existen transformaciones de ellas, pero no creación ni destrucción de la energía. James Prescott Joule ( ) Julius Robert von Mayer ( ) Hermann Ludwing Ferdinand von Helmholtz ( ) En la década de 1840.

3 Cambios de energía En las reacciones químicas en las que existen cambios de energía apreciables, pueden ocurrir dos situaciones: Si al producirse la reacción química se libera energía, entonces la reacción es de tipo EXERGÓNICA. En este caso la diferencia de energía entre los productos y los reactantes es menor que cero. Reactantes E1 Productos + E E2 E = E2 E1 E < Q

4 En cambio si para que se verifique la reacción, esta tiene que absorber una gran cantidad de energía, esta es una reacción ENDERGÓNICA. En este caso la diferencia de energía es mayor que cero. Reactantes + E Productos E1 E2 E = E2 E1 E > Q

5 Si la energía que entra en juego en las reacciones químicas es la calórica, entonces las reacciones se denominan exotérmica cuando se desprende calor, y endotérmica cuando lo absorbe. Entalpía Aún cuando el calor no es una propiedad del sistema, sí es una medida del cambio en una propiedad fundamental del sistema en el momento que los procesos ocurren manteniendo la presión constante. Esa propiedad fundamental es la entalpía (H). La energía transferida en forma de calor por un sistema durante un proceso que ocurre a presión constante es igual al cambio en la entalpía del sistema. SI LA REACCIÓN QUÍMICA OCURRE A PRESIÓN CONSTANTE Y SE PRODUCE UN CAMBIO DE ENERGÍA CALÓRICA, ÉSTOS CAMBIOS SE CONOCEN CON EL NOMBRE DE CAMBIOS DE ENTALPÍA. H = Q/ mol

6 Entalpía ( H) La entalpía se puede definir como el calor implicado en un proceso físico o químico a presión constante. H = Hf Hi Si H > 0 significa que se le ha suministrado calor al sistema. ENDOTÉRMICA EXOTÉRMICA Sí H < 0 significa que el sistema desprende calor, disminuyendo su contenido calórico.

7 Entalpía El cambio en la entalpía, como es una propiedad de estado, depende tan sólo de las condiciones iniciales y finales, es decir, es la diferencia entre la cantidad inicial y la final, En una reacción, se puede escribir el cambio en la entalpía como

8 Entalpía de formación estándar La entalpía estándar de formación de un compuesto ( H f) es el cambio de entalpía de la reacción que forma 1 mol del compuesto a partir de sus elementos, con todas las sustancias en su estado estándar.

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12 Entalpía Analicemos los valores de H, para lo cual observa los datos de la tabla

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15 Ley de Hess Para los sistemas químicos, cualquier compuesto en determinadas condiciones prefijadas tienen siempre la misma energía, independiente del proceso seguido para su obtención. Esto queda indicado en la ley de Hess: El efecto térmico total que acompaña la transformación de un sistema en otro es independiente de los estados intermedios; solo son importantes el estado inicial y final de la transformación

16 Ejemplo: Calcular el calor de reacción correspondiente a la formación de dióxido de carbono a partir del carbono y oxígeno, utilizando los siguientes datos: (1) 2C(s) + O2 2CO(g) H= -221 kj (2) 2CO(g) + O2 2CO2(g) H= -566 kj Solución: El calor de reacción ( H) que se nos pide corresponde a: C(s) + O2(g) CO2(g) H= X

17 Para obtener la ecuación anterior, se suman las ecuaciones anteriores (1) y (2) (1) 2C(s) + O2 2CO(g) H= -221 kj (2) 2CO(g) + O2 2CO2(g) H= -566 kj 2C(s) + 2O2 2CO2 (g) H= -787 kj /2 C(g) + O2 CO2(g) H= -393,5 kj/mol

18 Ejemplo Considera la ecuación química en un sentido: SO2(g) + ½ O2(g) SO3(g) H = -99,1 kj R.E Al invertir la ecuación, se debe invertir el signo de la variación de entalpía, por lo que resulta una reacción endotérmica: SO3(g) SO2(g) + ½ O2(g) H = +99,1 kj Si la ecuación se multiplica por un factor n, la variación de entalpía se debe multiplicar por el mismo valor n, debido a que la entalpía es una propiedad extensiva del sistema y depende de la cantidad de materia que se considere: 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) H = 2(-99,1 kj) = -198,2 kj

19 Ejercicios A partir de la información que se proporciona a continuación: (1) 2 CaO(s) 2 Ca(s) + O2(g) H = +1270,18 kj/mol (2) C(grafito) + O2(g) CO2(g) H = -393,51 kj/mol (3) CaO(s) + CO2(g) CaCO3(s) H = -178,32 kj/mol Calcula la entalpía para la siguiente reacción: (4) 2Ca(s) + 2C(grafito) + 3 O2(g) 2CaCO3(s)

20 3) Considere las siguientes reacciones hipotéticas: De acuerdo con lo establecido en la Ley de Hess, la entalpía de la siguiente reacción tendrá valor. a) -100 kj/mol b) +100 kj/mol c) - 50 kj/mol d) + 50 kj/mol e) -150 kj/mol

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23 Entalpía de enlace La principal fuente de energía para el ser humano está en los combustibles derivados del petróleo, como el gas natural, la gasolina, el queroseno y el petróleo diésel. La combustión del metano presente en el gas natural con el oxigeno presente en el aire, corresponde a una reacción exotérmica. Esta genera productos con menor contenido energético el dióxido de carbono y el agua- como se expresa a continuación: CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2H2O(l) H = -890,4 Kj/mol + 2

24 Determinar si la reacción es exotérmica o endotérmica:

25 Cálculo de Hº a partir de las Energía de Enlace (disociación) - Aplicando la ley de Hess en cualquier caso se obtiene la siguiente fórmula: Hº = n i E e (enl. rotos) n i E e (enl. formados) en donde n i cada tipo. representa el número de enlaces rotos y formados de

26 Ejemplo: Sabiendo que las energía de los siguientes enlaces (kj/mol): C=C:611; C C:347; C H:413 y H H:436, calcular el valor de Hº de la reacción de hidrogenación del eteno. Reacción: CH 2 =CH 2 (g) + H 2 (g) CH 3 CH 3 (g) En el proceso se rompe un enlace C=C y otro H H y se forman 2 enlaces C H nuevos (el etano tiene 6 mientras que el eteno tenía sólo 4) y un enlace C C. Hº = E e (enl. rotos) E e (enl. formados) = Hº = 1E e (C=C) + 1 E e (H H) 1E e (C C) 2 E e (C H) H 0 = 1 mol 611 kj/mol + 1mol 436 kj/mol (1 mol 347 kj/mol + 2 mol 413 kj/mol) = ΔHº = 126 kj/mol

27 Ejercicio: Calcula el calor de combustión de propano a partir de los datos de energía de enlace de la tabla. C 3 H O 2 3 CO H 2 O Enlaces rotos: 8 C H, 2 C C y 5 O=O Enlaces formados: 6 C=O y 8 O H Hº = E e (e. rotos) E e (e. form.) Hº = 8 E e (C H) + 2 E e (C C) + 5 E e (O=O) [6 E e (C=O) + 8 E e (O H)] Hº = kj kj kj (6 745 kj kj) = 1657 kj H 0 comb(c 3 H 8 ) = 1657 kj/mol Enlace E e (kj/mol) H H 436 C C 347 C=C 620 C C 812 O=O 499 Cl C 243 C H 413 C O 315 C=O 745 O H 460 Cl H 432

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