TEMA IV: TERMOQUIMICA

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1 TEMA IV: TERMOQUIMICA TEORIA Y CUESTIONES:.- Discuta ls siuientes enunciads, raznand la respuesta: a) En una reacción extérmica, la entalpía de ls reactivs es siempre menr que la de ls prducts. Fals. En una reacción extérmica curre que < 0, per cm H R = Prducts Reactivs, Entnces para que < 0, la entalpía de ls reactivs ha de ser mayr que la de ls prducts. b) Para que una reacción química sea espntánea, es suiciente cn que sea extérmica. Fals. Es necesari que sea extérmica y que la temperatura sea baja. A Temperaturas altas, una reacción puede ser extérmica y n ser espntánea..- A una determinada temperatura y presión la reacción: C (S) + O () CO () G = -0Kcal ml - Explicar y justiicar si las siuientes prpsicines sn ciertas alsas. a) Se rmará CO de rma espntánea. Verdader, para que una reacción sea espntánea la variación de la enería libre G ha de ser neativa. b) El prces se encuentra en equilibri. Fals, una reacción está en equilibri si G = 0. c) La reacción será endtérmica. Fals, puede ser extérmica también. d) La reacción transcurrirá cn una variación de S psitiva. Fals, G=-T S. Entnces puede currir que S neativa, per T muy pequeña y neativa. 3.- Para la reacción química A () + B () AB () cn =-8 kj y S=-80 J K -. Calcule en qué interval de temperatura se puede trabajar para que la reacción sea espntánea. Qué siniican ls sins neativs de S y?. Para que la reacción sea espntánea, tenems que cnseuir G<0, Si iualams a cer la ecuación: G= -T S, tenems 0= -T S, de dnde =T S. Despejams T y btenems: 8000J T = = 450K S 80J K = La unción G cambia de sin en T=450K, en T=0; G=-8000J, pr tant la reacción será espntánea siempre que T<450K. 4.- Razna en cual de estas situacines puede ser espntáne un prces: a) <0 y S<0 Siempre que T sea muy pequeña, será espntáne. b) >0 y S<0 Nunca, prque en este cas G siempre es psitiv. 5.- Explique y justiique si las siuientes prpsicines sn ciertas alsas: a) En un prces reversible la variación de enería de Gibbs es neativa. Fals. Un prces reversible, n puede ser espntáne, pr tant n puede currir que G<0. b) Un prces dnde la variación de entalpía es psitiva y la variación de entrpía es neativa, nunca será espntáne. Verdader, G siempre será psitiv. c) Cuand un as se disuelve en un líquid la variación de entrpía es menr que cer. PROBLEMAS DE QUIMICA Raúl G.M.

2 Verdader, si el as se disuelve en un líquid, est implica disminución del desrden del sistema, y pr tant disminución de la entrpía, así que S será neativ. d) El calr que interviene en un prces a vlumen cnstante ns da variación de entalpía. Fals, ns da la variación de la enería interna. El que ns da la variación de entalpía es el calr que interviene en un prces a presión cnstante. PROBLEMAS:.- Calcule el calr de rmación del acetilen, cncids ls calres de rmación del H O (l) y del CO (), así cm el calr de cmbustión del acetilen (etin). La reacción de Cmbustión del Acetilen es: C H () + 5/ O () CO () + H O (l) Cmbustión = -300 KJ ml - La reacción de rmación del Aua es: H () + ½ O () H O (l) = -85,8 KJ ml - La reacción de rmación del Dióxid de carbn es: C () + O () CO () = -393,3 kj ml - La reacción de Frmación del Acetilen (etin) es: C (s) + H () C H () =??? Pues Para calcular la entalpía de rmación del Acetilen, cmbinams las tras reaccines mediante la ley de Hess: Multiplicams pr la reacción de rmación del CO C (s) + O () CO () = -786,6 kj Dejams iual la reacción de rmación del Aua H () + ½ O () H O (l) = -85,8 KJ La Cmbustión del acetilen, la invertims, y al invertirla cambia el sin de la entalpía: CO () + H O (l) C H () + 5/ O () Cmbustión = +300 KJ Si sumams las tres ecuacines btenems: C (s) + H () C H () = 7,94 kj ml - Pr tant la entalpía de rmación del Acetilen es: = 7,94 kj ml - PROBLEMAS DE QUIMICA Raúl G.M.

3 Calcular la variación de entalpía y de enería interna, en cndicines nrmales, para la reacción: 4 NH 3 () + 5 O () 4 NO () + 6 H O (l) Cncidas las entalpías de rmación del Amniac (NH 3 () ) = -46,5 kj ml -, del mnóxid de nitróen (NO () ) = 90,9 kj ml - y del Aua (H O (l) ) = -85,58 kj ml -. La reacción de rmación del Amniac es: / N () + 3/ H () NH 3 () = -46,5 kj ml - La reacción de rmación del Mnóxid de nitróen es: ½ N + ½ O NO () = 90,9 kj ml - La reacción de rmación del Aua es: H () + ½ O () H O (l) = -85,58 KJ ml - Para cnseuir la reacción 4 NH 3 () + 5 O () 4 NO () + 6 H O (l) Eectuams alunas peracines en las reaccines anterires: Invertims y multiplicams pr 4 la reacción de rmación del Amniac: 4 NH 3 () N () + 6 H () = 84,60 kj Multiplicams pr 4 la reacción de rmación del NO N + O 4 NO () = 36,6 kj Multiplicams pr 6 la reacción de rmación del Aua. 6 H () + 3 O () 6 H O (l) = -73,48 KJ Y ahra sumams tdas las ecuacines: 4 NH 3 () + 5 O () 4 NO () + 6 H O (l) R= -67,7 KJ Para Calcular la variación de enería interna U, utilizams la relación: = U + n R T, dnde n es la variación del numer de mles asess. Si despejams U = n R T, btenems: U = -67,7 kj ml - (4-9) 8,3 J K - ml - 73K = -67,7kJ +,34 kj = -56,37 KJ PROBLEMAS DE QUIMICA Raúl G.M. 3

4 3.- Las entalpías estándar de rmación (en kj ml - ) del C 3 H 8 (), CO () y H O (l) sn respectivamente: -03,75; -393,7 y -85,9. a) Escribir las reaccines químicas crrespndientes a ls valres de entalpías dads. La reacción de Frmación del Prpan es: 3 C (s) + 4 H () C 3 H 8 () = -03,75 kj:3ml - La reacción de rmación del Aua es: H () + ½ O () H O (l) = -85,9 KJ ml - La reacción de rmación del Dióxid de carbn es: C () + O () CO () = -393,3 kj ml - b) Escribir la reacción de cmbustión del C 3 H 8 y calcular el calr transerid en la cmbustión ttal de 450 r del mism. Justiicar se absrbe se desprende calr en el prces. La reacción de cmbustión de cualquier hidrcarbur cuys únics cmpnentes sean C y H, da cm resultad CO y H O. Pr tant: C 3 H 8 () + 5 O () 3 CO () + 4 H O (l) Vams a calcular la entalpía de esta reacción, utilizand las anterires: Invertims la reacción de rmación del Prpan: C 3 H 8 () 3 C (s) + 4 H () = 03,75 kj Multiplicams pr 3 la reacción de rmación del Dióxid de carbn. 3 C () + 3 O () 3 CO () = -79,39 kj Multiplicams pr 4 la reacción de rmación del Aua: 4 H () + O () 4 H O (l) = -43,60 KJ Si sumams estas tres reaccines, mediante la ley de Hess; btenems: C 3 H 8 () + 5 O () 3 CO () + 4 H O (l) R = - 9,4 kj Pr tant al quemar un ml de prpan, se desprenden 9,4 kj. Vams ahra a calcular cuants mles de prpan sn 35 r. n m 35 = = P 44 ml C H = 0, m Si al quemar un ml de prpan se desprenden 9,4 kj, al quemar 0,8 ml se desprenden: ml PROBLEMAS DE QUIMICA Raúl G.M. 4

5 ml 0, 8ml = x = 775, 40kJ 9,4kJ X Pr tant, al quemar 35 rams de prpan se desprenden 775kJ de enería. Se desprende prque el valr de la entalpía de reacción es neativ, pr tant el calr sale del sistema, se desprende. 4.- A 5 C el calr desprendid en la rmación de ml de aua en estad de vapr es de 57,8 Kcal, mientras que si el aua rmada está en estad líquid, el calr desprendid en la rmación de ml es de 68,3 Kcal. Calcular el calr latente de vaprización entalpía de vaprización del aua líquida a 5 C en cal ml -, justiicand el resultad btenid. Calr latente es el calr necesari para que un ml de sustancia cambie de estad. Calr latente de usión es el calr necesari para que un ml de sustancia cambie de estad sólid a líquid, mientras que calr latente de vaprización es el calr necesari para que un ml de sustancia cambie de estad líquid a ases. La reacción de rmación del Aua en estad ases es: H () + ½ O () H O () = - 57,8 kcal ml - La reacción de rmación del Aua en estad líquid es: H () + ½ O () H O (l) = - 68,3 kcal ml - Si invertims la seunda y la sumams cn la primera, btenems: H O (l) H O () = 0,5 kcal ml - Pr tant, a 5 C necesitams 050 cal para que un ml de aua líquida pase a as. 5.- A 5 C las entalpías de rmación y las entrpías abslutas de las tres sustancias siuientes sn: Sustancia (kj ml - ) S (J K - ml - ) NH 4 NO (s) 74,0 40,5 N () ,5 H O () -4,8 88,7 a) Calcular y S para el prces: NH 4 NO (s) N () + H O () La reacción de rmación del nitrit amónic es: N () + H () + O () NH 4 NO () = 74 kj ml - La reacción de rmación del aua es H () + ½ O () H O (l) = - 4,8 kj ml - PROBLEMAS DE QUIMICA Raúl G.M. 5

6 Si invertims la primera NH 4 NO () N () + H () + O () = -74 kj ml - la seunda la multiplicams pr : H () + O () H O (l) = - 483,6 kj ml - Y las sumams: NH 4 NO (s) N () + H O () = -557,6 kj ml - Para calcular la variación de entrpía: S = S (Prducts) S (Reactivs) S - = 9,5 + 88,7 40,5 = 48,4 J K - ml b) Pdems aseurar que el nitrit amnic se descmpndrá espntáneamente a 5 C y a presión cnstante?. Justiicar la respuesta. Para que una reacción sea espntánea, tiene que currir que la variación de la enería de Gibbs, G, sea neativa. Pr tant, l primer que vams a hacer es calcular G. G = T S G = -557,6 kj ml - 98 K 0,48kJ K - ml - = -557,6 kj ml - 7,5 kj ml - = -685, kj ml - Cm G < 0, entnces pdems decir que el nitrit amónic se descmpndrá espntáneamente. 6.- Para la reacción: C H 5 OH (l) + O () CH 3 COOH (l) + H O (l), dispnems de ls siuientes dats: Sustancia S (J K - ml - ) (kj ml - ) C H 5 OH (l) 60,7-77,6 CH 3 COOH (l) 59,8-487,0 H O (l) ,8 O () 05,0 --- a) Indique, haciend ls cálculs pertinentes, si la reacción es extérmica en endtérmica, y si se prduce un aument una disminución de entrpía. Para Ver si la reacción es extérmica endtérmica vams a calcular la Variación de Entalpía: R = ( H O ) + ( CH3COOH ) ( CH5OH ) ( O) = 495,kJ ml Cm < 0 la reacción es extérmica. Calculams también la variación de entrpía: S = S ( H O ) + S ( CH3COOH ) S ( CH5OH ) S ( O ) = 35,9J K ml PROBLEMAS DE QUIMICA Raúl G.M. 6

7 Pr tant se prduce una disminución de entrpía, csa nrmal puest que disminuye el nº de mles de as. b) Calcule la variación de la enería libre de Gibbs a 98 K e indique si la reacción es espntánea, y si la temperatura puede inluir en la espntaneidad. Sabems que G = T S, pr tant a 98 K, la variación de la enería de Gibbs será: G = T S = 49, kj ml + 98K 35,9 0 3 kj K ml = 454,7kJ ml Pr tant la reacción será espntánea prque G < Para la reacción de rmación de un ml de aua se sabe que = -4,8 kj; y que S = -44,4 kj K -. Calcular raznadamente: a) La enería libre de Gibbs de la rmación del aua en cndicines estándar. G = T S = 4,8kJ ml + 98K 44,4kJ K ml = 989,4kJ ml b) Ls valres de la temperatura para ls cuales la descmpsición del aua es espntánea, supniend que y S n varíen cn la temperatura. Para calcular el punt dnde G cambia de sin, iualams a cer y despejams T: 4,8kJ 0 = T S T = = 5, 45K S 44,4kJ K =, estudiams el sin de G en T=0, y vems que G=<0, pr tant la reacción será espntánea en el interval [0, 5 45K[ 8.- Calcular la entalpía de rmación del ácid prpanóic, sabiend que su entalpía de cmbustión tiene un valr de -899,95 kj ml -, y que las entalpías de rmación estándar de CO y H O sn, respectivamente, -39,79 y -85,58 kj ml -. La reacción de rmación del ácid prpanóic es: ( s ) ( ) ( ) = 3C + 3H + O CH3 CH COOH??? La reacción de cmbustión una vez ajustada es: CH 7 3 CH COOH + O() 3CO() + 3H O(l) c = 899,95kJ ml Las de rmación del aua y del dióxid de carbn sn: C H ( s ) O( ) CO( ) = 39,79kJ + ml + O ( ) ( ) HO(l) = 85,8kJ ml Cn estas tres reaccines, ten que cnseuir la reacción de rmación del prpanóic, para ell: Invertims la reacción de cmbustión, al invertirla, cambia su sin: PROBLEMAS DE QUIMICA Raúl G.M. 7

8 7 3CO() + 3H O(l) CH3 CH COOH + O() c = 899,95kJ ml Multiplicams pr 3 las ecuacines de rmación de Aua y CO, de rma que sus enerías también aparecen multiplicadas pr 3. 3 ) C( s ) + 3O ( ) 3CO( = 78, 37kJ 3 H + O 3H O H 857, 4kJ ( ) ( ) = 3 (l) Si sumams las tres ecuacines btenems: 3 C( s ) + 3H ( ) + O( ) CH3 CH COOH = 35, 6kJ Calcular la enería que se desprenderá al quemar 00 r de ácid prpanóic. Sabems la enería que se desprende al quemar un ml de ácid prpanóic, así que vams a calcular el nº de mles que hay en 00 rams de ácid. P Pues entnces: Acid m = 3 Pa + 6 P P ml C a + H a = 74 n = ml O P = 00,35 74 ml = m / ml 899,95kJ,35 ml = x = 6, 5kJ X m Al quemar 00 rams de ácid se desprenden 6kJ. Qué vlumen de CO medid en cndicines estándar se btendrá? CH 7 3 CH COOH + O() 3CO() + 3H O(l) c = 899,95kJ ml En la reacción de cmbustión vems que un ml de ácid prpanóic prduce 3 mles de CO, pr tant,35 mles (00 r.) prducirán 4,05 mles de CO. Y para calcular el vlumen de as, aplicams la ecuación de ls ases perects: n RT 4,05ml 0,08atm l K ml 98K P V = n RT V = = = 98, 97l P atm 9.- Determinar la entalpía de rmación del pentan, sabiend que la entalpía de cmbustión de dich cmpuest es de -3535,9 kj ml - y que las entalpías de rmación del CO y del aua sn -393,5 kj ml - y -85,8 kj ml - respectivamente. Este ejercici es muy parecid a un que ya hems hech anterirmente. L primer es escribir la reacción de rmación del pentan. PROBLEMAS DE QUIMICA Raúl G.M. 8

9 El pentan tiene pr órmula desarrllada: CH 3 CH CH CH CH3 = C5H per esta es su órmula empírica. ( s = 5 C ) + 6H( ) C5H( )??? La reacción de cmbustión ajustada es: C 5 H 8O() 5CO() + 6H O(l) c = 3535,9kJ + ml Las de rmación del aua y del dióxid de carbn sn: C H ( s ) O( ) CO( ) = 39,79kJ + ml + O ( ) ( ) HO(l) = 85,8kJ ml Invertims la de cmbustión y multiplicams pr 5 la del CO y pr 6 la del aua y btenems: 5 () c 9 CO() + 6H O(l) C5H + 8O = 3535, 5 ) C( s ) + 5O ( ) 5CO( = 963, 95kJ 6 (l) H + 3O 6H O H 74, 8J ( ) ( ) = kj Y si las sumams y btenems: 5 ) C( s ) + 6H( ) C5H( = 4, 85kJ 0.- Dads ls siuientes dats: Reacción Enería kj/ml Cs Cs =79,8 Cs ( s ) ( ) + ( ) Cs ( ) + e =373,7 F ( ) F( ) ( ) F ( ) =34,6 F =-45,5 Cs + =-7,3 ( ) + F ( ) FCs( s ) Calcule el calr de rmación del lurur de cesi cristal, a partir de cesi metal y lur as. Cm vims en el tema del enlace iónic, est es el cicl de Brh-Haber y se puede calcular cm la suma de tds ls prcess. Aplicams la Ley de Hess: = sublimaci n + E. inizacin + Disciación + A. Electrónica + Enería de Red = 549,7kJ ml PROBLEMAS DE QUIMICA Raúl G.M. 9

10 El mnóxid de nitróen, NO, se puede btener a partir de la xidación cn xíen de amniac. a) Escriba la reacción de preparación del NO 4 NH 3( l ) + 5O ( ) 4NO( ) + 6HO ( l ) b) Calcule la entalpía y la entrpía de la reacción en cndicines estándar. HR = 6 ( HO ) + 4 ( NO ) 5 ( O) 4 ( NH3) = 4, 4kJ S = 6S ( H O ) + 4S ( NO ) 5S ( O) 4S ( NH3) = 53,8J K c) Indique si la reacción es espntánea a la temperatura de 700K. Para ver si es espntánea a 700K, Calculams la enería libre de Gibbs: G=-T S G = 4,4kJ + 700K 53,8 0 kj K = 038, 44kJ 3 Cm G<0, la reacción es espntánea. d) Calcule a que temperatura n es espntánea. Para ver a que temperatura n es espntánea, estudiams el sin de G: 4,4kJ 0 = T S T = = = 649K, estudiams el sin de G en T=0, y 3 S 53,8 0 kj K vems que G= <0, pr tant la reacción será espntánea en el interval [0, 649K[ PROBLEMAS DE QUIMICA Raúl G.M. 0