FISICO QUÍMICA ORGÁNICA:

Transcripción

1 FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

2 Por Qué Termodinámica? Estudio del comportamiento de la energía. TODO fenómeno usa Energía. Dominio de Termodinámica = Uso Eficiente de la Energía Industria: Calentar, enfriar, transporte, organización Nutrición: Contenido energético, dieta, entrenamiento Química: Reacciones, transformaciones

3 Formas de Energía Energía Cinética Energía Calórica Energía Eléctrica Energía Eólica Energía Nuclear Energía Potencial Qué son todas estas energías?

4 Formas de Energía: Trabajo W = F x d F = fuerza, d = distancia d F El trabajo NO es un vector. Sus unidades son de energía.

5 Trabajo: Ejercicios Un hombre mueve un vehículo con una fuerza constante de 210 N durante 18 m para sacarlo del camino. W = F x d = 210 N x 18 m = J = 3,78 kj Un hombre levanta una caja de 2,5 kg desde una mesa de 0,65 m hasta un estante colocado a 1,85 m usando una aceleración de 2 m/s 2 Cuánto trabajo hizo? W = F d = m a d W = 2,5 kg 2 m s 2 1,20 m = 6,0 J

6 Formas de Energía: Calor, Q Un sistema puede transferir energía por medio de calor. El calor es una forma de energía que se transfiere de un objeto a otro cuando hay una diferencia de temperatura entre ambos cuerpos. Q 25 C 50 C

7 Formas de Energía: Potencial, U Energía latente. Puede existir energía «no utilizada» esperando a ser liberada. Todo tiene energía potencial dependiendo del sistema que se analiza.

8 Primera Ley de La Termodinámica U = Q + W El cambio en la energía interna (potencial), U, de un sistema solo cambia cuando hay transferencia de calor, Q, o cuando hay trabajo, W, sobre el sistema. «La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma» Calor, Q U i U f U = U f U i Trabajo, W

9 Calor, Q Calor, Q U i U f U i U f Trabajo, W U = Q W U = Q U i U f Trabajo, W U = W

10 Calor, Q U i U f U i U f Trabajo, W Trabajo, W U = +Q + W U = +W Calor, Q U i U f U = +Q

11 ENERGÍA ENERGÍA Diagramas de Energía AVANCE SISTEMA AVANCE SISTEMA

12 ENERGÍA Procesos Endotérmicos Sistema Absorbe Calor = Endotérmico AVANCE SISTEMA Si un proceso (sistema) requiere que se le incluya calor y/o trabajo para que se lleve acabo, ese es un proceso endotérmico.

13 ENERGÍA Procesos Exotérmicos Sistema Emite Calor = Exotérmico AVANCE SISTEMA Si un proceso (sistema) libera calor y/o hace trabajo entonces ese es un proceso exotérmico.

14 Usando La Energía Uso energía = genero cambios. Los cambios pueden darse en el sistema o en los alrededores que lo rodean. Por lo general, usar energía involucra cambios en la organización de las moléculas.

15 Segunda Ley de Termodinámica La entropía del universo tiende a incrementarse. δs δq T Entropía = medida de desorden de un sistema. Entre más desorden, mayor entropía. Hacer uso de la energía genera desorden SIEMPRE. Un sistema puede reducir su desorden, pero a costa de que en los alrededores, el desorden aumentó.

16 Entropía en Acción Hacer una botella, requiere usar energía para derretir la arena y moldearla en botellas. Cómo está el orden de las moléculas? De dónde viene el calor? Calor viene del combustible el cual genera gases, estos gases son MUY desordenados, aunque la botella ordena sus moléculas, el desorden de los gases compensa este orden

17 Tercera Ley de Termodinámica La entropía de un cristal perfecto a T = 0 K es exactamente igual a 0 Define el Cero Absoluto Ley Cero de Termodinámica Si dos sistemas termodinámicos están en equilibrio térmico con un tercero, entonces todos los sistemas están en equilibrio térmico Define el termómetro

18 Energía Utilizable, G G = E T S Si tenemos un sistema y queremos que trabaje, usamos la energía potencial que tiene y le restamos lo que se gasta en desorden. Si el proceso se lleva acabo a presión y temperatura constantes, la ecuación se arregla a: G = H T S H es otro nombre para calor, Q, y se le dice ENTALPÍA. (Si, lo sé: Físicos) Si G resulta ser negativo, el proceso es espontáneo. Si resulta ser positivo, el proceso es no espontáneo.

19 Qué tiene que ver esto con Química? Cuando se hace una reacción, se libera o se absorbe calor. Es decir, hay un H. Este H se relaciona directamente con la energía en los enlaces de las moléculas. Fuerza de enlaces: Rompen enlaces débiles y forman más fuertes, exotérmica Rompen enlaces fuertes y forma débiles, endotérmica H 3 C CH 3 + O O C O O + O H 2 ΔH = ,8 kj/mol

20 Como los fisicoquímicos no tienen vida Hay tablas enormes de cuánta energía libera o consume una reacción. Para ello se usa un calorímetro. En él, se hace la reacción y se mide cuánta energía libera (o consume). A cada energía medida para cada reacción se le llama ENTALPÍA DE REACCIÓN, H rxn.

21 Entalpía de reacción, H rxn H 3 C CH 3 + O O C Rxn de Combustión O O + O H 2 H comb = ,8 kj/mol h H 3 C H + Cl Cl H 3 C Cl + HCl Rxn de Halogenación H alog = -105 kj/mol 3 HC CH Rxn de Condensación H cond = +727 kj/mol

22 Podemos predecir cuánta energía liberará una reacción? Si un grupo de reactivos reaccionan para dar un grupo de productos, el calor de reacción liberado o absorbido es independiente de los pasos en que se lleva acabo la reacción Ley de Hess C H 3 OH + HBr + H 3 C Br H 2 O H rxn =? kj/mol H rxn = Σ H f(prod) Σ H f(react)

23 Entalpía de formación, H f 2 C (grafito) + 3 H 2(gas) + ½ O 2(gas) C 2 H 5 OH 3 C (grafito) + 4 H 2 H f = -277,7 kj/mol H 3 C CH 3 3 C (grafito) + 3 H 2 H f = -103,8 kj/mol H f = +20,4 kj/mol C H 3 H H

24 Ley de Hess: Cálculo de Entalpías de Rxn C H 3 OH + HBr H 3 C Br + H 2 O 2 C + 3 H 2 + 1/2 O H C 2 3 OH H r = +277,6-277,6 1/2 H 2 + 1/2 Br 2 HBr 2 C + 5/2 H 2 + 1/2 Br H C 2 3 Br H r = +36,3-36,3 H r = -285,8 H 2 + 1/2 O 2 H 2 O H r = -90,5

25 Ley de Hess C H 3 OH + HBr H 3 C Br + H 2 O H r = (277,6 + 36,3 285,8 90,5) kj/mol H r = -62,4 kj/mol Reacción exotérmica. Libera 62,4 kj/mol de energía

26 Práctica 3 Cl 2 + CH 4 2 EtOH Glucosa + 6 O 2 CHCl HCl H 3 C O CH 3 + H 2 O 6 CO H 2 O Compuesto H f Compuesto H f CH 4-74,6 kj/mol EtOH - 277,6 kj/mol HCl - 92,3 kj/mol - 279,5 kj/mol H 3 C O CH 3 CHCl 3-81,9 kj/mol Glucosa kj/mol H 2 O - 285,8 kj/mol CO 2-393,5 kj/mol

27 Cambios de Fase (Esto requiere energía) Entalpía de Vaporización H vap ( J mol ) Energía que se necesita para evaporar 1 mol de sustancia Entalpía de Fusión H fus ( J mol ) Energía que se necesita para fundir 1 mol de sustancia +Q +Q -Q -Q

28 Temperatura Capacidad Calórica, Cp H = n C p T Calor que se necesita para calentar un mol de sustancia y cambiarle su temperatura 1 C La capacidad calórica es específica para cada sustancia. Ebullición Aumento de T, Cp Fusión

29 Cuánta energía se requiere para calentar 250 ml de agua de 25 C a 50 C? H = n C p T n = 250 ml 1 g 1 mol 1 ml 18 g = 14 mol H = (14 mol)(75,4 J mol K)(50 C 25 C) H = 2, J = 26 kj

30 Datos Termodinámicos Sustancia Cp (J/mol K) H vap (kj/mol) H fus (kj/mol) Etanol 112,0 38,6 4,9 Etilén glicol 148,0 61,9 260 Agua 75,4 40,65 6,01 Amoníaco 35,6 23,35 5,65 Benceno 134,3 33,9 9,90 Dióxido de carbono 37,0 26,1 --- Hielo 36, Vapor de agua 34, HFC-134a (gas) 71,7 22,1 ---

31 Ejercicio Cuánta agua se puede evaporar con la combustión de 1 mol de propano? ΔH vap = 40,65 kj/mol Cuánto combustible se necesita para acelerar un vehículo hasta 60 km/h en aceleración constante de 3 m/s 2? Considerar eficiencia de 20% ΔH c = 47 kj/g d = 0,77 kg/l Cómo se compara contra el etanol? ΔH c = 26,8 MJ/kg

32 Ejercicio Cuánta calor puede retirar un refrigerador usando HFC-134a usando 3 mol del gas que empieza desde su punto de ebullición hasta temperatura ambiente (25 C)? Qué es más eficiente para quitar el calor corporal? Tomar un litro de agua fría (3 C)? Sudar 1 litro de agua?

33 Energías de Enlace Energía necesaria para romper un mol de moléculas entre sus átomos componentes

34 Cinética de Reacción A + B C + D Cuál es la velocidad de la reacción? v = da dt? v = k[a] v = db dt? v = k[b]

35 Cinética de Reacción A + B C + D Cinética de Orden 0: v = k Cinética de Primer Orden: v = k[a] ó v = k[b] Cinética de Segundo Orden: v = k[a] 2 v = k A [B] Cinética de Tercer Orden: v = k[a] 3 v = k[a] 2 [B] v = k[a][b] 2

36 Cinética de Reacción Algunas Ecuaciones: A = [A] o e kt A = [A] o kt

37 Cinética de Reacción Qué afecta la velocidad de una reacción? Concentración inicial v = k A k es una expresión de la fisicoquímica Impedimento estérico Temperatura Estado de la sustancia

38 Cinética de Reacción H 3 C CH 3 + O O C O O + O H 2 E a es la energía necesaria para iniciar la reacción E a E k E a T

39 Estado de Transición

40 Referencias Atkins, P. W. Química Física. 6ª Edición, Ediciones Omega, Barcelona, Petrucci, R.; Harwood, W.; Herring, G. Química General, 8ª Edición, Pearson Educación, Madrid, McMurry, J. Química Orgánica, 7ª Edición, Cengage Learning, México, Organic Chemistry Portal. Consultado, 7 de mayo, 2015.

41 Luis Eduardo Hernández Parés