TERMODINÁMICA QUÍMICA

Transcripción

1 TERMODINÁMICA QUÍMICA CONCEPTOS BÁSICOS: Estado estándar de una sustancia es su forma pura más estable a la presión de 1 atmosfera y 25º C de temperatura. Importantes: O 2 (g), C (grafito), H 2 (g), Br 2 (l), Fe(s), S(rómbico), P(blanco), Hg (l). Reacciones endotérmicas: aquellas reacciones que necesitan suficiente cantidad de calor para obtener los productos. Reacciones exotérmicas: aquellas que desprenden calor a la vez que forman los productos. Sistema termodinámico: Parte del universo que separamos arbitrariamente del resto mediante limites definidos, reales o ficticios, para hacerla objeto de alguna investigación. Variables o propiedades termodinámicas: Magnitudes utilizadas para describirlo sin ambigüedad. Variables extensivas: su valor depende de la cantidad de materia que contiene el sistema (masa o volumen) Variables intensivas: no dependen de la cantidad de materia del sistema (temperatura, densidad o presión) Funciones de estado: Variables termodinámicas cuyo valor solo depende del estado actual del sistema y no del procedimiento o camino por el que el sistema llegó a dicho estado. Son funciones de estado: Presión volumen, temperatura, entalpía, entropía, entalpía libre de Gibbs. No son funciones de estado el trabajo o calor. Equilibrio termodinámico de un sistema: se alcanza cuando éste no muestra tendencia alguna a realizar cambios en sus propiedades. Procesos termodinámicos: Es una transformación en la que un sistema intercambia energía con su entorno, pasando desde un estado inicial de equilibrio a otro estado final de equilibrio. Procesos reversibles: se produce a través de etapas tan cortas que, en cualquier momento, las propiedades del sistema no varían apreciablemente respecto de la etapa anterior ni de la siguiente. El proceso se puede invertir en cualquier momento mediante cambios infinitesimales en los valores de las variables. El sistema se encuentra en constante equilibrio. Procesos irreversibles: El sistema cambia de manera tan rápida que no tiene oportunidad de restablecer el equilibrio. El proceso no se puede invertir.

2 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA: La variación de energía interna, U, de un sistema es igual a la suma del calor, Q, intercambiado entre el sistema y su entorno, y el trabajo, W, realizado por el sistema o sobre este. Criterio de signos: U = Q + W El flujo de calor y el de trabajo desde el entorno hacia el sistema se consideran positivos (si el sistema recibe Q o W): Q> 0 ; W > 0 El flujo de calor y el de trabajo desde el sistema hacia el entorno se consideran negativos (si el sistema da Q o W): Q< 0 ; W< 0 El sistema gana energía interna si el calor absorbido es mayor que el trabajo realizado o si el calor cedido es menor que el trabajo que se realiza sobre él. TRABAJO: W = - P V = - n R T Trabajo de expansión: Tiene signo negativo ya que lo realiza el sistema. V > 0 Trabajo de compresión: Tiene signo positivo. Es el entorno el que lo realiza contra el sistema. V < 0 CALOR: Q = m c e T (c e calor específico) ENERGÍA INTERNA, U : El calor de reacción a volumen constante es igual a la variación de la energía interna. Reacciones exotérmicas: U < 0 ; Reacciones endotérmicas: U > 0 ENTALPIA, H: El calor de reacción a presión constante es igual a la variación de la entalpía. Reacciones exotérmicas: H < 0 ; Reacciones endotérmicas: H > 0 RELACIÓN ENTRE U y H U = H n R T Se aplica a procesos de gases ideales a temperatura constante donde hay variación de moles.

3 ENTALPÍA ESTÁNDAR DE REACCIÓN H : es la variación de entalpía en una reacción en que los reactivos en estado estándar se transforman en productos en estado estándar. La entalpia de reacción la podemos calcular a través de las entalpias de formación, o bien, de las entalpias de enlace de los compuestos. ENTALPÍA ESTÁNDAR DE FORMACIÓN: H f Es la variación de entalpía correspondiente a la formación de un mol de sustancia en su estado estándar a partir de sus elementos en dicho estado, a los que se le asigna la entalpia cero. Se mide en Kj mol - 1 H reacci ón = n H f productos m H f reactivos Tienen entalpias de formación nulas todas aquellas sustancias constituidas por elementos puros en su estado estándar: O 2 (g), H 2 (g), C(s, grafito), etc.. LEY DE HESS: Si una reacción puede producirse en varias etapas, reales o teóricas, su variación de entalpia es igual a la suma de las entalpias de reacción de estas reacciones intermedias. ENTALPIA DE ENLACE: La ruptura de enlaces supone un consumo de energía mientras que la formación de enlaces comporta un desprendimiento de la misma, por lo tanto, la variación de entalpia estándar en una reacción química es igual a la DIFERENCIA ENTRE LA SUMA DE LAS ENTALPIAS DE LOS ENLACES QUE SE ROMPEN EN LOS REACCTIVOS Y LA SUMA DE LAS ENTALPIAS DE LOS ENLACES QUE SE FORMAN EN LOSPRODUCTOS. H reacci ón = m H enlaces rotos (reactivos ) n H enlaces formados (productos ) ENTALPÍA ESTÁNDAR DE COMBUSTIÓN: La entalpía estándar de combustión o calor de combustión de una sustancia es la variación de entalpía que se produce cuando se quema un mol de la sustancia en las condiciones estándar. Ej: 1 C(grafito) + O 2 (g) CO 2 (g) 1 CH 3 OH (l) O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) (El agua es liquido, OJO!!!!) ENTROPÍA, S La entropía, S, es una función de estado que mide el grado de desorden molecular de los sistemas.

4 La entropía aumenta cuando el sistema se desordena y disminuye cuando aumenta el orden molecular. (En una reacción, si un sólido da lugar a un líquido o gas entonces aumenta el desorden y, por lo tanto, aumenta la entropía ; mientras que si un liquido o gas dan lugar a un sólido aumenta el orden y por lo tanto disminuye la entropía de la reacción). Si un sistema evoluciona reversiblemente desde un estado inicial a final intercambiando calor con su entorno a T cte entonces S = Q T En los procesos irreversibles entonces S > Q T Q irreversible < Q reversible Unidades : J K -1 ENTROPIA ESTÁNDAR DE REACCIÓN: S reacci ón = n S productos m S reactivos SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA: La entropía del universo aumenta en un proceso espontáneo y se mantiene constante en un proceso que se encuentra en equilibrio. TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA: La entropía de una sustancia cristalina pura, con ordenamiento perfecto, es nula en el cero absoluto. ENTALPIA LIBRE DE GIBBS, G Variable extensiva y función de estado. Unidades de energía, Julios o kilojulios. G = H T S ENTALPÍA LIBRE ESTÁNDAR DE REACCIÓN: G reacci ón = n G f productos m G f reactivos ESPONTANIEDAD DE PROCESOS QUÍMICOS: Procesos espontáneos: G < 0 Sistemas en equilibrio: G = 0 Procesos no espontáneos: G > 0

5 exotérmico H < 0 ; S > 0 ; T cualquiera ; G < 0 produce desorden H > 0 ; S < 0 0 endotérmico ; T cualquiera ; G > 0 produce orden H < 0 ; S < 0 exotérmico baja H > T S G < 0 ; T produce orden T alta H < T S G > 0 endotérmico baja H > T S G > 0 H > 0 ; S > 0 ; T produce desorden T alta H < T S G < 0 OJO CON LAS UNIDADES AL REALIZAR LOS PROBLEMAS!!!