Departamento de Física y Química TEMA 4 - FICHA 2

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1 Departamento de Física y Química BC TEMA 4 - FICHA. En el proceso metalúrgico de obtención de hierro en el alto horno se produce la reacción de Fe O 3 (s) con CO(g) para formar Fe 3 O 4 (s) y CO (g) a) Calcule la entalpía estándar de la reacción. Indique si es un proceso endotérmico o exotérmico. b) Calcule la cantidad de energía involucrada en la formación de 5 kg de Fe 3 O 4 (s) y los moles de CO (g) que se forman. DATOS: H f [Fe O 3 (s)]= - 84, /mol; H f [Fe 3 O 4 (s)]= - 8 /mol; H f [CO(g)]= -,5 /mol H f [CO (g)]= - 393,5/mol. Masas atómicas: Fe= 55,85 u; O= 6 u.. Las entalpías estándar de formación del CO (g) y del H O(l) son - 393,5 mol - y - 85,8 mol - respectivamente. La entalpía estándar de combustión del ácido acético C H 4 O (l) es -875,4 mol -. Calcule la entalpía estándar de formación del ácido acético. 3. A partir de los siguientes datos de energías de rupturas de enlaces (Ee): Molécula Enlaces Ee ( mol - ) H H-H H 3 -H 389 Estime la entalpía estándar de formación de la molécula de amoniaco. Todos los datos se refieren a condiciones estándar. 4. Calcular la variación de entalpía correspondiente al proceso de hidrogenación del etileno para formar etano a partir de las entalpías de enlace estándar tabuladas en la tabla adjunta: CH = CH + H CH CH ; H? 3 3 R Enlaces ( mol - ) C-H 45 C-C 347 C=C 6 H-H Para una determinada reacción química Indique, justificando la respuesta, si: H = 35, 4 y S = 85,5 J K a) La reacción da lugar a un aumento o disminución del desorden del sistema. b) La reacción será espontánea a 98 K y condiciones estándar. 6. Las entalpías estándar de formación del H 3 (g) y del H O(l) son - 46, y - 85,8 mol -, respectivamente. La variación de la entalpía estándar para la reacción: 5 3 H 3(g) + O (g) O(g) + HO(l) es H = 9,3 4 A partir de los datos anteriores, calcule: a) La variación de entalpía estándar para la reacción: (g) + O (g) O(g) b) Justifique si la reacción anterior será o no espontánea. 7. Para la reacción: F 4(g) F (g) H = 85, Indique y justifique si existen condiciones de temperatura en las que la reacción anterior será espontánea. 8. Para la reacción: HO(g) + O (g) HO (g) H = 5,5 Indique y justifique si existen condiciones de temperatura en las que la reacción anterior será espontánea. Tema 4 Ficha

2 Ejemplo (Oviedo. -3) En el proceso metalúrgico de obtención de hierro en el alto horno se produce la reacción de Fe O 3 (s) con CO(g) para formar Fe 3 O 4 (s) y CO (g) a) Calcule la entalpía estándar de la reacción. Indique si es un proceso endotérmico o exotérmico. b) Calcule la cantidad de energía involucrada en la formación de 5 kg de Fe 3 O 4 (s) y los moles de CO (g) que se forman. DATOS: H f [Fe O 3 (s)]= - 84, /mol; H f [Fe 3 O 4 (s)]= - 8 /mol; H f [CO(g)]= -,5 /mol Solución : H f [CO (g)]= - 393,5/mol;. Masas atómicas: Fe= 55,85 u; O= 6 u. Ecuación ajustada: 3 Fe O (s) + CO(g) Fe O (s) + CO (g) H? Si tenemos en cuenta que la entalpía estándar de los compuestos es igual a su calor de formación, podemos poner: HR = HPr oductos HReactivos = Hf (CO ) H f (Fe3O 4) 3 Hf (FeO 3) H + + f (CO) H R = [( 393,5) + ( 8) ] [ 3 ( 84,) + (,5) ] = 46,4 Solución : También lo podemos resolver aplicando la ley de Hess:. Escribimos las ecuaciones correspondientes a los datos termoquímicos facilitados: Ecuación (ajustada) de la que se pretende saber la variación de entalpía estándar: 3 Fe O (s) + CO(g) Fe O (s) + CO (g) H? R Ecuaciones (ajustadas) de las cuales tenemos la variación de entalpía (por comodidad las variaciones de entalpía se numeran del al 4). Formación del trióxido de dihierro. Formación del tetraóxido de trihierro. Formación del monóxido de carbono. Formación del dióxido de carbono. 3 Fe(s) + O (g) FeO 3(s) ; H = 84, / mol 3 Fe(s) + O (g) Fe3O 4(s) ; H = 8 / mol C(s) + O (g) CO(g) ; H3 =,5 / mol C(s) + O (g) CO (g) ; H = 393,5 / mol 4. Escribimos las ecuaciones facilitadas de forma tal que su suma dé la ecuación buscada: 9 3 FeO 3(s) 6 Fe(s) + O (g); 3 H CO(g) C(s) + O (g); H3 6 Fe(s) + 4 O (g) Fe3O 4(s); H C(s) + O (g) CO (g); H Damos vuelta a la ecuación (cambiamos de signo la variación de entalpía) y multiplicamos por 3, ya que necesitamos 3 moles de Fe O 3 en el primer miembro (ver ecuación problema) R 4 Escribimos invertida la reacción (la variación de entalpía cambia de signo), ya que necesitamos mol de CO en el primer miembro. Como necesitamos moles de Fe 3 O 4 en el segundo miembro, multiplicamos por la ecuación(el cambio térmico experimentado también quedará multiplicado por ). ecesitamos CO en el segundo miembro. La reacción la escribimos tal y como está.

3 3. Sumamos las ecuaciones químicas (miembro a miembro, como si fueran ecuaciones matemáticas) y comprobamos que obtenemos la reacción buscada: 3 FeO 3(s) 6 Fe(s) 9 O (g) + ; 3 H CO(g) C(s) O (g) + ; H 3 6 Fe(s) + 4 O (g) Fe O (s) ; H C(s) + O (g) CO (g) ; H Fe O (s) + CO(g) Fe O (s) + CO (g) Podemos por tanto escribir (ley de Hess): H = 3 H H + H + H Sustituyendo valores y operando obtenemos el valor pedido: H = 3( 84,) (,5) + ( 8) + ( 393,5) R R 3 4 [ ] HR = 46, 4 Observar que como unidades se usan y no /mol. La explicación es la siguiente: Las entalpías de formación tienen como unidad /mol, ya que por definición las ecuaciones se escriben ajustadas para la formación de mol de compuesto. Sin embargo ahora estamos calculando el cambio térmico para una reacción que no es de formación, en la que se forman moles de Fe 3 O 4 y mol de CO. Calculamos, por tanto, la variación de entalpía para las cantidades (moles) especificadas obteniendo una cantidad determinada de energía que expresaremos en. Como la variación de entalpía es negativa, la reacción será exotérmica. Cuando se realiza la reacción indicada con las cantidades (moles) dadas por la ecuación ajustada [3 Fe O 3 (s); CO(g); Fe 3 O 4 (s); CO (g)], se desprenden 46,4. b) Para realizar el cálculo indicado en el apartado (b) hacemos uso de lo comentado más arriba y planteamos el cálculo: 3 Fe O (s) + CO(g) Fe O (s) + CO (g) ; H = 46, R Dato 5 kg Fe3O4 mol Fe3O4 46, 4,355 kg Fe3O4 mol Fe3O4 = 5 97 La masa de mol de Fe 3 O 4 son 3,55 g (,355 kg) En la ecuación ajustada leemos que cuando se forman moles de Fe 3 O 4 se desprenden 46, 4 Moles de CO formados (cálculo estequiométrico): 5 kg Fe3O4 Dato La masa de mol de Fe 3 O 4 son 3,55 g (,355 kg) mol Fe3O4,355 kg Fe3O4 mol CO mol Fe O 3 4 = 8 moles CO Factor leído en la ecuación ajustada

4 Ejemplo (Oviedo. -3) Las entalpías estándar de formación del CO (g) y del H O(l) son - 393,5 mol - y - 85,8 mol - respectivamente. La entalpía estándar de combustión del ácido acético C H 4 O (l) es -875,4 mol -. Calcule la entalpía estándar de formación del ácido acético. Solución : La ecuación para la combustión del ácido acético es: CH4O (l) + O (g) CO (g) + HO(l) ; HComb = 875,4 / mol Si tenemos en cuenta que la entalpía estándar de los compuestos es igual a su calor de formación y que la entalpía estándar de los elementos es cero, podemos poner: H = H H = H + H H + H H = H + H H Comb Pr oductos Reactivos f (CO ) f (HO) f (Acético) f (O) Comb f (CO ) f (HO) f (Acético) f (Acético) f (CO ) f (HO) Comb f (Acético) = H = H + H H H = ( 393,5) + ( 85,8) ( 875,4) 483, Solución : También lo podemos resolver aplicando la ley de Hess:. Escribimos las ecuaciones correspondientes a los datos termoquímicos facilitados: Ecuación (ajustada) de la que se pretende saber la variación de entalpía estándar: C(s) + O (g) + H (g) C H O (l); H? 4 f Ecuaciones (ajustadas) de las cuales tenemos la variación de entalpía (por comodidad las variaciones de entalpía se numeran del al 3). Formación del dióxido de carbono. Formación del agua (líquida). Combustión del ácido acético. C(s) + O (g) CO (g) ; H = 393,5 / mol H (g) + O (g) HO(l) ; H = 85,8 / mol CH4O (l) + O (g) CO (g) + HO(l) ; H3 = 875,4 / mol. Escribimos las ecuaciones facilitadas de forma tal que su suma dé la ecuación buscada: C(s) + O (g) CO (g) ; H + ; H + HO(l) CHO(l) 4 + H (g) O (g) H O(l) CO (g) O(g) ; H C(s) + H (g) + O (g) C H O (l) 4 Podemos por tanto escribir (ley de Hess): Hf = H + H H3 Sustituyendo valores y operando obtenemos el valor pedido: H = ( 393,5) + ( 85,8) ( 875,4) f [ ] Hf = 483, Como la reacción está escrita para la formación de mol de ácido acético, podremos poner como unidades /mol. Luego podemos dar la solución como: Hf = 483, / mol Reacción exotérmica. Se desprenden 483, por mol de C H 4 O (l) formado. 3

5 Ejemplo 3 (Oviedo. -) A partir de los siguientes datos de energías de rupturas de enlaces (ED): Molécula Enlaces ED ( mol - ) H H-H H 3 -H 389 Estime la entalpía estándar de formación de la molécula de amoniaco. Todos los datos se refieren a condiciones estándar. Solución : La ecuación para la formación de amoniaco es: (g) + 3 H (g) H 3(g) ; H f? Para obtener el amoniaco deberíamos: Romper / mol de enlaces Romper 3/ de mol de enlaces H-H Formar mol de H 3 (para lo cual hay que formar tres enlaces -H por molécula). Teniendo en cuenta que la ruptura de enlaces es un proceso endotérmico y la formación exotérmico podemos poner: 3 3 Hf = H + HH H ( 3 H H) (946) (436) 3 (389) 4 = + = Como la reacción es de formación podemos dar como resultado: Hf (H 3 ) = 4 mol Solución : También lo podemos resolver aplicando la ley de Hess:. Escribimos las ecuaciones correspondientes a los datos termoquímicos facilitados: Ecuación (ajustada) de la que se pretende saber la variación de entalpía estándar: 3 (g) + H (g) H 3(g) ; H f? Ecuaciones (ajustadas) de las cuales tenemos la variación de entalpía (por comodidad las variaciones de entalpía se numeran del al 3). Ruptura de un enlace H-H. Ruptura triple enlace nitrógeno-nitrógeno Ruptura de tres enlaces -H H (g) H(g) ; H = 436 / mol (g) (g) ; H = 946 / mol H (g) 3 H(g) + (g) ; H = 3 (389) / mol = 67 / mol 3 3. Escribimos las ecuaciones facilitadas de forma tal que su suma dé la ecuación buscada: 3 3 H (g) 3 H(g) ; H (g) (g) ; H 3 H(g) + (g) H (g) ; H H (g) + (g) H 3(g)

6 Podemos por tanto escribir (ley de Hess): 3 Hf = H + H H3 Sustituyendo valores y operando obtenemos el valor pedido: 3 H f = (436) + (946) (67) / mol Hf = 4 / mol Reacción exotérmica. Se desprenden 4 por mol de H 3 (g) formado. El dato tabulado para la entalpía de formación estándar del H 3 (g) es de - 46, mol - lo que confirma que el procedimiento seguido es solo aproximado. Ejemplo 4 Calcular la variación de entalpía correspondiente al proceso de hidrogenación del etileno para formar etano a partir de las entalpías de enlace estándar tabuladas en la tabla adjunta: Enlaces ( mol - ) C-H 45 C-C 347 C=C 6 H-H 436. Escribimos las ecuaciones correspondientes a los datos termoquímicos facilitados: Ecuación de la que se pretende saber la variación de entalpía estándar: CH = CH (g) + H (g) CH3 CH 3(g) ; H R? Para que la reacción tenga lugar han de verificarse los siguientes procesos: Ruptura de un doble enlace C=C. Ruptura de un enlace H-H (disociación molécula H ) Formación de un enlace C-C Formación de dos enlaces C-H Por tanto: CH = CH + H CH CH ; H? 3 3 R H = H + H H H R R C= C H H C C C H [ ] H = (6) + (436) (347) (45) / mol Hf = 3 / mol Reacción exotérmica. Se desprenden 3 por mol de CH 3 - CH 3 (g) formado. El dato tabulado para la entalpía de hidrogenación estándar del etileno(g) es de - 37 mol - lo que confirma que el procedimiento seguido es solo aproximado.

7 Ejemplo 5 (Oviedo. -3) :. Indique, justifican- Para una determinada reacción química do la respuesta, si: a) La variación de entalpía estándar para la reacción: (g) + O (g) O(g) b) Justifique si la reacción anterior será o no espontánea. Solución : H = 35, 4 y S = 85,5 J K c) La reacción da lugar a un aumento o disminución del desorden del sistema. d) La reacción será espontánea a 98 K y condiciones estándar.. El valor negativo de S indica que en la reacción hay una disminución de entropía al pasar de los reactivos a los productos. Según la interpretación de Boltzmann, la entropía es una medida del desorden de un sistema. Por tanto, en este caso, el sistema disminuye su desorden. Esto es, los productos puede considerarse que están más ordenados que los reactivos.. Para determinar si la reacción es espontánea a 98 K calculamos el valor de la energía de Gibbs (tener en cuenta las unidades de la variación de entropía) G = H T S = 35,4 98 K (,855 ) = 9,9 K Como la energía de Gibbs es negativa la reacción será espontánea a esa temperatura. Ejemplo 6 (Oviedo. -3) Las entalpías estándar de formación del H 3 (g) y del H O(l) son - 46, y - 85,8 mol -, respectivamente. La variación de la entalpía estándar para la reacción: 5 3 H 3(g) + O (g) O(g) + HO(l) es H = 9,3 4 A partir de los datos anteriores, calcule: os damos cuenta que la entalpía pedida se corresponde con el doble de la entalpía de formación del O (que desconocemos). La entalpía de formación del monóxido de nitrógeno podemos obtenerla con los datos termoquímicos que nos dan en el enunciado: 5 3 H 3(g) + O (g) O(g) + HO(l) es HR = 9,3 4 3 HR = HPr oductos HReactivos = Hf (O) + Hf (HO) 5 Hf (H 3) 3 Hf (O) = HR Hf (HO) + 5 Hf (H 3) 3 3 Hf (O) = HR Hf (HO) + 5 Hf (H 3) = 9,3 ( 85,8) + ( 46,) = 9,3 Luego la entalpía pedida será: 8,6

8 Solución : Calculamos la variación de entalpía para la reacción dada aplicando la ley de Hess: Ecuación (ajustada) de la que se pretende saber la variación de entalpía estándar: (g) + O (g) O(g) H? R Ecuaciones (ajustadas) de las cuales tenemos la variación de entalpía (por comodidad las variaciones de entalpía se numeran del al 3). 3 (g) + H (g) H 3(g) H = 46, mol H (g) + O (g) HO(l) H = 85,8 mol 5 3 H 3(g) + O (g) O(g) + HO(l) H3 = 9,3 4 Escribimos las ecuaciones de forma tal que su suma dé la ecuación buscada: (g) + 3 H (g) H 3(g) H 3 3 HO(l) 3 H (g) + O (g) 3 H H 3(g) + O (g) O(g) + 3 HO(l) H3 4 Sumamos las ecuaciones químicas (miembro a miembro, como si fueran ecuaciones matemáticas) y comprobamos que obtenemos la reacción buscada: (g) 3 H (g) H (g) H HO(l) 3 H (g) + O (g) 3 H H 3(g) + O (g) O(g) 3 H O(l) + 4 R 3 (g) + O (g) O(g) H? R Reacción endotérmica. Para determinar si la reacción es espontánea a 98 K deberíamos de determinar el signo de la energía de Gibbs: G = H T S o tenemos el valor de la variación de entropía pero podemos hacer una evaluación de la misma. Existe el mismo número de moles gaseosos en los reactivos y en los productos, podríamos considerar (si no tenemos más datos) que S =. Por tanto G >. Reacción no espontánea a 98 K y atm. H 3 [ ] H = H 3 H + H = ( 46,) 3 ( 85,8) + ( 9,3) = 8,6

9 Ejemplo 7 (Oviedo. -3) Para la reacción: Indique y justifique si existen condiciones de temperatura en las que la reacción anterior será espontánea. F 4(g) F (g) H = 85, Para determinar si la reacción es espontánea a 98 K determinamos el signo de G = H T S o tenemos el valor de la variación de entropía pero podemos hacer una evaluación de la misma. Existen dos moles de gas en los productos y solo uno en los reactivos. El número de moles de gas, por tanto, aumenta al pasar de los reactivos a los productos. En consecuencia el desorden aumenta al pasar de los reactivos a los productos. Luego: S >. Como tanto la variación de entalpía como la de entropía son positivas, la variación de energía de Gibbs tenderá a ser negativa al elevar la temperatura. G Ejemplo 8 (Oviedo. -) Para la reacción: HO(g) + O (g) HO (g) H = 5,5 Indique y justifique si existen condiciones de temperatura en las que la reacción anterior será espontánea. Para determinar si la reacción es espontánea a 98 K determinamos el signo de G = H T S o tenemos el valor de la variación de entropía pero podemos hacer una evaluación de la misma. Existe un mol de gas en los productos y,5 moles de gas en los reactivos. El número de moles de gas, por tanto, disminuye al pasar de los reactivos a los productos. En consecuencia el desorden disminuye al pasar de los reactivos a los productos. Luego: S <. Como la variación de entalpía es positiva y la de entropía negativa, la variación de energía de Gibbs será positiva a cualquier temperatura. La reacción será no espontánea a cualquier temperatura. G