Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 1 TERMOQUÍMICA

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1 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 1 TERMOQUÍMICA PROBLEMAS TERMOQUÍMICA 1. El aftaleo (C 10H 8) es u compuesto aromático sólido que se vede para combatir la polilla. La combustió completa de este compuesto para producir CO 2(g) y H 2O(l) a 25 C y 1 atm (101,3 kpa) desprede 5154 kj mol -1. a) Escribe las reaccioes de formació del aftaleo y la reacció de combustió. b) Calcula la etalpia estádar de formació del aftaleo e iterprete su sigo. Datos: H f (CO 2(g)) = -393,5 kj mol -1 ; H f (H 2O(l)) = -285,8 kj mol -1 (P.A.U. Ju. 14) Rta.: b) H f º(C 10 H 8 ) = 75,8 kj/mol C 10 H 8 Datos Cifras sigificativas: 4 C 10 H 8 (s) + 12 O 2 (g) 10 CO 2 (g) + 4 H 2 O(l) C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) Etalpía de formació del aftaleo H f º(C 10 H 8 ) a) Ecuació de combustió del aftaleo: C 10 H 8 (s) + 12 O 2 (g) 10 CO 2 (g) + 4 H 2 O(l) H c º = kj/mol H c º(C 10 H 8 ) = kj/mol H f º(CO 2 ) = -393,5 kj/mol H f º(H 2 O) = -285,8 kj/mol La ecuació de combustió del carboo sólido (grafito) coicide co la ecuació de formació del CO 2 (g). de formació: 10 C(s) + 4 H 2 (g) C 10 H 8 (s) H f º(C 10 H 8 ) C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) H f º(CO 2 ) = -393,5 kj/mol H f º(H 2 O) = -285,5 kj/mol b) Por la ley de Hess, H c º(C 10 H 8 ) = 10 H f º(CO 2 ) + 4 H f º(H 2 O) ( H f º(C 10 H 8 ) + 12 H f º(O 2 ) ) [kj] = (10 [mol CO 2 ] ( 393,5 [kj/mol CO 2 ] + 4 [mol H 2 O] (-285,8 [kj/mol H 2 O])) ( H f º(C 10 H 8 )) H f º(C 10 H 8 ) = 75,8 kj/mol C 10 H 8 El sigo positivo idica que la reacció de formació es edotérmica. 2. La etalpía de formació del tolueo gas (C 7H 8) es de 49,95 kj/mol y las etalpías de formació del CO 2(g) y del H 2O(l) so, respectivamete, 393,14 y 285,56 kj/mol. a) Calcule la etalpía de combustió del tolueo, gas. b) Cuátos kj se desprede e la combustió completa de 23 g de tolueo? (P.A.U. Set. 07) Rta.: a) DH c 0 = 3944,17 kj/mol b) Q = 985 kj

2 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 2 Datos Cifras sigificativas: 5 7 C(grafito) + 4 H 2 (g) C 7 H 8 (g) H f º(C 7 H 8 ) = +49,95 kj/mol H f º(CO 2 ) = 393,14 kj/mol Masa de tolueo m = 23 g C 7 H 8 Masa molar del tolueo H f º(H 2 O) = 285,56 kj/mol M(C 7 H 8 ) = 92,1 g/mol Etalpía de combustió del tolueo H c º(C 7 H 8 ) Cuátos kj se desprede e la combustió completa de 23 g de tolueo a) Ecuació de combustió del tolueo: C 7 H 8 (g) + 9 O 2 (g) 7 CO 2 (g) + 4 H 2 O(g) H c º de formació: 7 C(grafito) +4 H 2 (g) C 7 H 8 (g) H f º(C 7 H 8 ) = +49,95 kj/mol H f º(CO 2 ) = 393,14 kj/mol H f º(H 2 O) = 285,56 kj/mol Por la ley de Hess, H c º(C 7 H 8 ) = 7 H f º(CO 2 ) + 4 H f º(H 2 O) ( H f º(C 7 H 8 ) + 9 H f º(O 2 ) ) Q H c º(C 7 H 8 ) = (7 [mol CO 2 ] ( 393,14 [kj/mol CO 2 ] + 4 [mol H 2 O] ( 285,56 [kj/mol H 2 O])) (49,95 [kj]) H c º(C 7 H 8 ) = 3 944,17 kj/mol C 7 H 8 b) E la combustió de 23 g de tolueo se desprede Q=23 g C 7 H 8 1 mol C 7 H 8 92,1 g C 7 H ,17 kj 1 mol C 7 H 8 =985 kj 3. Para el proceso Fe 2O 3(s) + 2 Al(s) Al 2O 3(s) + 2 Fe(s), calcule: a) La etalpía de la reacció e codicioes estádar y el calor despredido al reaccioar 16,0 g de Fe 2O 3 co la catidad suficiete de AI. b) La masa de óxido de alumiio que se obtiee e el apartado aterior. Datos: H fº(al 2O 3) = kj mol -1 ; H fº(fe 2O 3) = -836 kj mol -1 (P.A.U. Set. 12) Rta.: a) Hº = 826 kj; Q = 82,8 kj; b) m = 10,2 g Al 2 O 3 Datos Cifras sigificativas: 4 2 Al(s) + 3/2 O 2 (g) Al 2 O 3 (s) H f º(Al 2 O 3 ) = kj/mol 2 Fe(s) + 3/2 O 2 (g) Fe 2 O 3 (s) H f º(Fe 2 O 3 ) = -836 kj/mol Masa de óxido de hierro(iii) m(fe 2 O 3 ) = 16,00 g Masa molar: Óxido de hierro(iii) M(Fe 2 O 3 ) = 159,7 g/mol Óxido de alumiio M(Al 2 O 3 ) = 102,0 g/mol

3 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 3 Datos Cifras sigificativas: 4 Etalpía de la reacció Calor despredido al reaccioar 16 g de óxido de hierro(iii) Masa de óxido de alumiio obteida m(al 2 O 3 ) a) Ecuació: Fe 2 O 3 (s) + 2 Al(s) Al 2 O 3 (s) + 2 Fe(s) Hº La etalpía de formació de los elemetos e estado ormal es ula, por defiició. Por la ley de Hess, b) Hº Hº = H f º(Al 2 O 3 ) + 2 H f º(Fe) ( H f º(Fe 2 O 3 ) + 2 H f º(Al) ) Hº = ( [kj]) (- 836 [kj]) Hº = 826 kj Q=16,00 g Fe 2 O 3 1 mol Fe 2 O 3 159,7 g Fe 2 O kj 1 mol Fe 2 O 3 =82,8 kj Q m(al 2 O 3 )=16,00 g Fe 2 O 3 1 mol Fe 2 O 3 159,7 gfe 2 O 3 1 mol Al 2 O 3 1 mol Fe 2 O 3 102,0 g Al 2 O 3 1 mol Al 2 O 3 =10,2 gal 2 O 3 4. La combustió del acetileo [C 2H 2(g)] produce dióxido de carboo y agua. a) Escriba la ecuació química correspodiete al proceso. b) Calcule el calor molar de combustió del acetileo y el calor producido al quemar 1,00 kg de acetileo. Datos: H fº(c 2H 2(g))= 223,75 kj/mol; H fº(co 2(g)) = 393,5 kj/mol; H fº(h 2O(g)) = 241,8 kj/mol (P.A.U. Ju. 06) Rta.: b) H c º(C 2 H 2 ) = 1253 kj/mol C 2 H 2 ; Q = 4, J/kg C 2 H 2 Datos Cifras sigificativas: 4 2 C(grafito) + H 2 (g) C 2 H 2 (g) H f º(C 2 H 2 ) = +223,8 kj/mol H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(g) H f º(CO 2 ) = 393,5 kj/mol H f º(H 2 O) = 241,8 kj/mol Masa de acetileo m = 1,000 kg C 2 H 2 Masa molar: C 2 H 2 Calor molar de combustió del acetileo H c º(C 2 H 2 ) Calor producido al quemar 1,00 kg de acetileo M(C 2 H 2 ) = 26,04 g/mol Q

4 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 4 a) Ecuació de combustió del acetileo: C 2 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + H 2 O(g) H c º b) de formació: 2 C(grafito) + H 2 (g) C 2 H 2 (g) H f º(C 2 H 2 ) = +223,8 kj/mol H f º(CO 2 ) = 393,5 kj/mol H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(g) H f º(H 2 O) = 241,8 kj/mol b) Por la ley de Hess, H c º(C 2 H 2 ) = 2 H f º(CO 2 ) + H f º(H 2 O) ( H f º(C 2 H 2 ) + 5/2 H f º(O 2 ) ) H c º(C 2 H 2 ) = (2 [mol CO 2 ] ( 393,5 [kj/mol CO 2 ] 241,8 [kj])) (223,8 [kj]) H c º(C 2 H 2 ) = 1 253,0 kj/mol C 2 H 2 Q=1,000 kg C 2 H g 1 kg 1 mol C 2 H 2 26,04 g C 2 H kj 1 mol C 2 H 2 =4, kj=4, J=48,12 MJ 5. a) A partir de los datos de etalpías de formació calcule la etalpía estádar de combustió del metao. b) Sabiedo que la combustió de 1,0 g de TNT libera kj calcule el volume de metao, medido a 25 ºC y 1 atm (101,3 kpa) de presió, que es ecesario quemar para producir la misma eergía que 1,0 g de TNT. Datos: H f (CH 4(g))= -75 kj mol -1 ; H f (CO 2(g))= -394 kj mol -1 ; H f (H 2O(g))= -242 kj mol -1 R = 0,082 atm L K -1 mol -1 = 8,31 J K -1 mol -1 (P.A.U. Ju. 12) Rta.: a) H c º(CH 4 ) = 803 kj/mol CH 4 ; b) V = 140 dm 3 CH 4 Datos Cifras sigificativas: 3 C(grafito) + 2 H 2 (g) CH 4 (g) H f º(CH 4 ) = -75,0 kj/mol H f º(CO 2 ) = 394 kj/mol H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(g) H f º(H 2 O) = 242 kj/mol Eergía despredida E = kj Gas metao: Temperatura T = 25 ºC = 298 K Presió p = 101,3 kpa = 1, Pa Costate de los gases ideales 1 R = 8,31 J K 1 mol Masa molar del metao M(CH 4 ) = 16,0 g/mol Calor molar de combustió del metao H c º(CH 4 ) Volume de CH 4 (g) e las codicioes dadas que desprede esa eergía V Ecuació de estado de los gases ideales p V = R T

5 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 5 a) Ecuació de combustió del metao: CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(g) H c º de formació: C(grafito) + 2 H 2 (g) CH 4 (g) H f º(CH 4 ) = -75,0 kj/mol H f º(CO 2 ) = 394 kj/mol H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(g) H f º(H 2 O) = 242 kj/mol Por la ley de Hess, H c º(CH 4 ) = H f º(CO 2 ) + 2 H f º(H 2 O) ( H f º(CH 4 ) + 2 H f º(O 2 ) ) H c º(CH 4 ) = ( 394 [kj] + 2 [mol H 2 O] ( 242 [kj/mol H 2 O])) ( 75,0 [kj] + 2 [mol O 2 ] (0 [kj/mol O 2 ])) H c º(CH 4 ) = 803 kj/mol CH 4 b) Catidad de metao que habría que quemar para producir kj Volume que ocupará a 25 ºC y 101,3 kpa. (CH 4 )=4600 kj 1 mol CH 4 =5,73 mol CH 803 kj 4 R T V (CH 4 )= = 5,73 mol CH 4 8,31 J K 1 mol K =0,140 m 3 =140 dm 3 CH p 1, Pa 6. Las etalpías estádar de combustió del C(s) y C 6H 6(l) so -393,5 kj/mol y kj/mol, respectivamete; y el de formació del H 2O(l) vale -285,5 kj/mol. Calcule: a) La etalpía estádar de formació del beceo(l) b) El calor, expresado e kj, ecesario para la obteció de 1,0 kg de beceo(l). (P.A.U. Ju. 09) Rta.: a) DH f º = 83,5 kj/mol b) Q = 1, kj Datos Cifras sigificativas: 4 C 6 H 6 (l) + 15/2 O 2 (g) 6 CO 2 (g) + 3 H 2 O(l) C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) H c º(C 6 H 6 ) = kj/mol H c º(C) = -393,5 kj/mol H f º(H 2 O) = -285,5 kj/mol Masa de beceo m = 1,000 kg = g C 6 H 6 Masa molar del beceo M(C 6 H 6 ) = 78,1 g/mol Etalpía de formació del beceo H f º(C 6 H 6 ) Calor ecesario para obteer 1,0 kg de beceo a) Ecuació de combustió del beceo: C 6 H 6 (l) + 15/2 O 2 (g) 6 CO 2 (g) + 3 H 2 O(l) H c º = kj/mol Q

6 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 6 La ecuació de combustió del carboo sólido (grafito) coicide co la ecuació de formació del CO 2 (g). de formació: 6 C(s) +3 H 2 (g) C 6 H 6 (l) H f º(C 6 H 6 ) C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) H f º(CO 2 ) = -393,5 kj/mol H f º(H 2 O) = -285,5 kj/mol Por la ley de Hess, H c º(C 6 H 6 ) = 6 H f º(CO 2 ) + 3 H f º(H 2 O) ( H f º(C 6 H 6 ) + 15/2 H f º(O 2 ) ) [kj] = (6 [mol CO 2 ] ( 393,5 [kj/mol CO 2 ] + 3 [mol H 2 O] (-285,5 [kj/mol H 2 O])) ( H f º(C 6 H 6 )) H f º(C 6 H 6 ) = +83,5 kj/mol C 6 H 6 b) Para obteer g de C 6 H 6 se ecesita Q=1000 g C 6 H 6 1 mol C 6 H 6 78,1 g C 6 H 6 83,5 kj 1 mol C 6 H 6 =1, kj=1,07 MJ 7. Dada la siguiete reacció: C(grafito) + 2 S(s) CS 2(l) a) Calcule la etalpía estádar de la reacció a partir de los siguietes datos: C(grafito) + O 2(g) CO 2(g) Hº = -393,5 kj mol -1 S(s) + O 2(g) SO 2(g) Hº = -296,1 kj mol -1 CS 2(l) + 3 O 2(g) CO 2(g) + 2 SO 2(g) Hº = kj mol -1 b) Calcule la eergía ecesaria, e forma de calor, para la trasformació de 5 g de C(grafito) e CS 2(l), e codicioes estádar. (P.A.U. Set. 11) Rta.: a) H f º(CS 2 ) = 86 kj/mol CS 2 ; b) Q = 36 kj Datos Cifras sigificativas: 4 S(s) + O 2 (g) SO 2 (g) CS 2 (l) + 3 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 SO 2 (g) Masa de grafito Masa molar del carboo H f º(CO 2 ) = 393,5 kj/mol H f º(SO 2 ) = 296,1 kj/mol H = 1072 kj/mol m = 5,00 g C M(C) = 12,0 g/mol Etalpía estádar de reacció (de formació del CS 2 ) H f º(CS 2 ) Calor ecesario para covertir 5 g de grafito e CS 2 a) De formació H f º(CO 2 ) = -393,5 kj mol -1 S(s) + O 2 (g) SO 2 (g) H f º(SO 2 ) = -296,1 kj mol -1 C(grafito) + 2 S(s) CS 2 (l) H f º(CS 2 ) De combustió CS 2 (l) + 3 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 SO 2 (g) H c º(CS 2 ) = kj mol -1 Por la ley de Hess, Q

7 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 7 H c º(CS 2 ) = H f º(CO 2 ) + 2 H f º(SO 2 ) ( H f º(CS 2 ) + 3 H f º(O 2 ) ) [kj] = (1 [mol CO 2 ] ( 393,5 [kj/mol CO 2 ]) 2 [mol SO 2 ] (-296,1 [kj/mol SO 2 ])) ( H f º (CS 2 ) + 3 0) H f º (CS 2 ) = 86 kj/mol CS 2 Q=5,00 g C 1 mol C 12,0 g C 86 kj =36 kj 1 mol C 8. E la fermetació alcohólica de la glucosa se obtiee etaol y dióxido de carboo. La ecuació química correspodiete es: C 6H 12O 6(s) 2 CO 2(g) + 2 CH 3-CH 2OH(l) a) Calcule la Hº de esta reacció. b) Cuátos decímetros cúbicos de dióxido de carboo, medidos a 25 ºC y 0,98 atm, se podría obteer e la fermetació de 1 kg de glucosa? Datos: Etalpías estádar de combustió: C 6H 12O 6(s) = kj/mol; CH 3-CH 2OH(l) = kj/mol; R = 0,082 atm dm 3 K -1 mol -1 (P.A.U. Set. 09) Rta.: a) H = -71 kj/mol b) V = 277 dm 3 Datos Cifras sigificativas: 4 C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O(l) CH 3 -CH 2 OH(l) + 3 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O(l) H c º(C 6 H 12 O 6 ) = kj/mol H c º(CH 3 -CH 2 OH) = kj/mol Masa de glucosa m = 1,000 kg = g C 6 H 12 O 6 Temperatura de la reacció t = 25 ºC = 298 K Presió exterior p = 0,9800 atm Costate de los gases ideales -1 R = 0,08200 atm dm3 K -1 mol Masa molar: C 6 H 12 O 6 Etalpía de fermetació de la glucosa Volume de CO 2 que se podría obteer e la fermetació Ecuació de estado de los gases ideales M(C 6 H 12 O 6 ) = 180,2 g/mol H V p V = R T a) Como la etalpía es ua fució de estado, es idepediete del camio. Lay ecuació de fermetació de la glucosa se puede obteer por combiació lieal de las ecuacioes de combustió C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O(l) H c1 º = kj/mol CH 3 -CH 2 OH(l) + 3 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O(l) H c2 º = kj/mol Dejado la primera ecuació como está y multiplicado la seguda por -2 y sumado queda: C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) = 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O(l) H c1 º = kj/mol -2 CH 3 -CH 2 OH(l) - 6 O 2 (g) = -4 CO 2 (g) -6 H 2 O(l) -2 H c2 º = kj/mol C 6 H 12 O 6 (s) = 2 CO 2 (g) + 2 CH 3 -CH 2 OH(l) H = -71 kj/mol b) De la reacció de fermetació ajustada se puede calcular la catidad de CO 2 producido (CO 2 )=1000 g C 6 H 12 O 6 1 mol C 6 H 12 O 6 180,2 g C 6 H 12 O 6 2 mol CO 2 1 mol C 6 H 12 O 6 =11,10 mol CO 2

8 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 8 Supoiedo comportamieto ideal para el CO 2 : R T V (CO 2 )= = 11,10 mol CO 2 0,08200 atm dm3 K 1 mol K =276,8 dm 3 CO p 0,9800 atm 2 9. El calor que se desprede e el proceso de obteció de u mol de beceo líquido a partir de etio gas mediate la reacció: 3 C 2H 2(g) C 6H 6(l) es de -631 kj. Calcule: a) La etalpía estádar de combustió del C 6H 6(l) sabiedo que la etalpía estádar de combustió del C 2H 2(g) es kj mol -1. b) El volume de etio, medido a 25 C y 15 atm (1519,5 kpa), ecesario para obteer 0,25 dm 3 de beceo. Datos: R = 0,082 atm dm 3 K -1 mol -1 = 8,31 J K -1 mol -1 ; desidad beceo 950 g/dm 3 (P.A.U. Ju. 13) Rta.: a) H c º = kj/mol; b) V = 14,88 dm 3 C 2 H 2 Datos Cifras sigificativas: 4 3 C 2 H 2 (g) C 6 H 6 (l) H 1 º = -631,0 kj/mol C 2 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + H 2 O(g) H c º(C 2 H 2 ) = kj/mol Volume de beceo líquido V(C 6 H 6 ) = 0,2500 dm 3 Desidad del beceo líquido ρ(c 6 H 6 ) = 950,0 g/dm 3 Codicioes gas etio: Temperatura T = 25,00 ºC = 298,2 K Presió p = 15,00 atm = 1520 kpa Costate de los gases ideales 1 R = 8,31 J K 1 mol Masa molar: C 6 H 6 Etalpía de combustió del beceo H c º Volume de etio ecesario para obteer 0,25 L de beceo V(C 2 H 2 ) Ecuació de estado de los gases ideales a) Ecuació de combustió del beceo: C 6 H 6 (l) + 15/2 O 2 (g) 6 CO 2 (g) + 3 H 2 O(g) H c º M(C 6 H 6 ) = 78,11 g/mol p V = R T Como la etalpía es ua fució de estado, es idepediete del camio. Lay ecuació de combustió del beceo se puede obteer por combiació lieal de las ecuacioes: C 2 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + H 2 O(g) H c1 º = kj/mol 3 C 2 H 2 (g) C 6 H 6 (l) H 1 º = -631,0 kj/mol Multiplicado la primera ecuació por 3 y multiplicado la seguda por -1 y sumado queda: 3 C 2 H 2 (g) + 15/2 O 2 (g) = 6 CO 2 (g) + 3 H 2 O(g) 3 H c1 º = kj/mol -3 C 2 H 2 (g) = -C 6 H 6 (l) - H 1 º = 631,0 kj/mol C 6 H 6 (l) + 15/2 O 2 (g) = 6 CO 2 (g) + 3 H 2 O(g) H c º = kj/mol b) (C 6 H 6 )=0,2500 dm 3 C 6 H 6 950,0 g C 6 H 6 1 dm 3 C 6 H 6 1 mol C 6 H 6 78,11 g C 6 H 6 =3,040 mol C 6 H 6

9 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 9 (C 2 H 2 )=3,040 mol C 6 H 6 3 mol C 2 H 2 1 mol C 6 H 6 =9,121 mol C 2 H 2 Volume que ocupará a 25 ºC y 1520 kpa, supoiedo comportamieto ideal para el C 2 H 2 R T V (C 2 H 2 )= = 9,121 mol C H 2 8,31 J K 1 2 mol 1 298,2 K =0,0149 m 3 =14,9 dm 3 C p 1, H 2 Pa 10. a) Calcule el calor de formació del acetileo (C 2H 2(g)) a partir de los calores de formació del H 2O(l) y del CO 2(g) y del calor de combustió del C 2H 2(g) b) Qué volume de dióxido de carboo medido a 30 ºC y presió atmosférica (1 atm) se geerará e la combustió de 200 g de acetileo? Datos: H fº(h 2O(l)) = 285,8 kj/mol; H fº(co 2(g)) = 393,3 kj/mol; H fº(c 2H 2(g)) = 1300 kj/mol R = 0,082 atm dm 3 /(K mol) (P.A.U. Ju. 07) Rta.: a) H f º(C 2 H 2 ) = 228 kj/mol C 2 H 2 ; b) V = 382 dm 3 CO 2 Datos Cifras sigificativas: 4 C 2 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + H 2 O(l) H c º(C 2 H 2 ) = kj/mol H f º(CO 2 ) = 393,3 kj/mol H f º(H 2 O(l)) = 285,8 kj/mol Masa de acetileo m = 200,0 g C 2 H 2 Presió a la que se mide el volume de CO 2 Temperatura a la que se mide el volume de CO 2 Masa molar: C 2 H 2 p = 1,000 atm T = 30 ºC = 303 K M(C 2 H 2 ) = 26,0 g/mol Calor molar de formació del acetileo H c º(C 2 H 2 ) Volume de CO 2 a 30 ºC y 1 atm geerado al quemar 200 g de acetileo a) Ecuació de combustió del acetileo: de formació: C 2 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + H 2 O(g) H c º = kj/mol 2 C(grafito) + H 2 (g) C 2 H 2 (g) H f º(C 2 H 2 ) V H f º(CO 2 ) = 393,31 kj/mol H f º(H 2 O) = 285,8 kj/mol Por la ley de Hess, H c º(C 2 H 2 ) = 2 H f º(CO 2 ) + H f º(H 2 O) ( H f º(C 2 H 2 ) + 5/2 H f º(O 2 ) ) kj = (2 [mol CO 2 ] ( 393,3 [kj/mol CO 2 ] 285,8 [kj])) ( H f º(C 2 H 2 )) H f º(C 2 H 2 ) = 228 kj/mol C 2 H 2

10 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 10 b) De la estequiometría de la reacció: (CO 2 )=200 g C 2 H 2 1 mol C 2 H 2 26,0 g C 2 H 2 2 mol CO 2 1 mol C 2 H 2 =15,4 mol CO 2 Supoiedo comportamieto ideal para el CO 2 : R T V = p p V = R T = 15,4 mol CO 2 0,082 atm dm3 K 1 mol K =382 dm 3 CO 1,00 atm Cosidere que la gasolia está compuesta pricipalmete por octao (C 8H 18) y que e el bioetaol el compuesto pricipal es el etaol (CH 3CH 2OH). Co los siguietes datos: ΔH f (CO 2(g)) = -393,5 kj/mol; ΔH f (H 2O(l)) = -285,8 kj/mol; ΔH c (C 8H 18(l)) = -5445,3 kj/mol; ΔH c (CH 3CH 2OH(l)) = -1369,0 kj/mol; desidad a 298 K del etaol ρ e = 0,79 g/cm 3 y del octao ρ o = 0,70 g/cm 3. a) Escriba la ecuació de la reacció de combustió del etaol y calcule la etalpía estádar de formació del etaol a 25 C. b) Cuátos litros de bioetaol se ecesita para producir la misma eergía que produce 1 L de gasolia? (P.A.U. Set. 14) Rta.: a) H f º(C 2 H 6 O) = -275,4 kj/mol; b) V = 1,43 dm 3 CH 3 CH 2 OH Datos Cifras sigificativas: 3 C 8 H 18 (l) + 25/2 O 2 (g) 8 CO 2 (g) + 9 H 2 O(g) CH 3 CH 2 OH(l) + 3 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O(l) H f º(CO 2 ) = 393,5 kj/mol H f º(H 2 O) = 285,8 kj/mol H c º(C 8 H 18 ) = 5445,3 kj/mol H c º(C 2 H 6 O) = 1369,0 kj/mol Desidad del etaol C 8 H 18 ρ e = 0,790 g/cm 3 Desidad del octao C 8 H 18 ρ o = 0,700 g/cm 3 Volume de gasolia V G = 1,00 dm 3 Temperatura T = 25 ºC = 298 K Masa molar: Octao M(C 8 H 18 ) = 114 g/mol Etaol M(C 2 H 6 O) = 46,1 g/mol Etalpía de formació del etaol H f º(C 2 H 6 O) Volume de bioetaol que libera la misma eergía que 1 L de gasolia a) La ecuació de combustió del etaol es Por la ley de Hess, CH 3 CH 2 OH(l) + 3 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O(l) H c º(C 2 H 6 O) = 2 H f º(CO 2 ) + 3 H f º(H 2 O) ( H f º(C 8 H 18 ) + H f º(O 2 ) ) V

11 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA ,0 kj/mol C 2 H 6 O = (2 [mol CO 2 ] ( 393,5 [kj/mol CO 2 ] + 3 [mol H 2 O] ( 285,8 [kj/mol H 2 O])) (1 [mol C 2 H 6 O] H f º(C 2 H 6 O) + 3 [mol O 2 ] 0) b) U (1,00) litro de gasolia so (C 8 H 18 )=1,00 dm 3 gasolia 103 cm 3 y al quemarse produce ua eergía de H f º(C 2 H 6 O(l)) = -275,4 kj/mol Q=6,13 mol C 8 H 18 0,700 g gasolia 1 dm 3 1 cm 3 gasolia La catidad de bioetaol que produciría esa eergía sería que ocuparía u volume de 5445,3 kj 1 mol C 8 H 18 =3, kj 1 mol C 8 H g gasolia =6,13 mol C 8 H 18 (C 2 H 5 OH)=3, kj 1mol C H OH 2 5 =24,4 mol C 1369,0 kj 2 H 5 OH V (C 2 H 5 OH)=24,4 mol C 2 H 5 OH 46,1 g C 2 H 5 OH 1 mol C 2 H 5 OH 1 cm 3 C 2 H 5 OH 0,790 g C 2 H 5 OH =1, cm 3 =1,43 dm 3 C 2 H 5 OH 12. La etalpía de combustió del propao(gas) es 526,3 Kcal. Las H 0 de formació del dióxido de carboo(gas) y del agua(líquida) so respectivamete 94,03 y 68,30 kcal/mol. Calcular: a) La etalpía de formació del propao. b) Los kilogramos de carbó que habría que quemar (co u redimieto del 80 %), para producir la misma catidad de eergía que la obteida e la combustió de 1 kg de propao. Dato: La etalpía de combustió del carbó es de 5 kcal/g (P.A.U. Ju. 04) Rta.: a) H f º(C 3 H 8 ) = 29,0 kcal/mol C 3 H 8 ; b) 3 kg carbó Datos Cifras sigificativas: 4 C 3 H 8 (g) + 5 O 2 (g) 3 CO 2 (g) + 4 H 2 O(l) Etalpía de combustió del carbó Redimieto de la combustió del carbó r = 80,00 % Masa de propao que se quema Masa molar del propao H c º(C 3 H 8 ) = 526,3 kcal/mol H f º(CO 2 ) = 94,03 kcal/mol H f º(H 2 O) = 68,30 kcal/mol Q = 5,000 kcal/g carbó m p = 1,000 kg Etalpía de formació del propao H f º(C 3 H 8 ) Masa de carbó que produzca la misma eergía que 1 kg C 3 H 8 a) Por la ley de Hess: M(C 3 H 8 ) = 44,10 g/mol m(carbó) H c º(C 3 H 8 ) = 3 H f º(CO 2 ) + 4 H f º(H 2 O) (5 H f º(O 2 ) + H f º(C 3 H 8 )) 1 [mol C 3 H 8 ] ( 526,3 [kcal/mol C 3 H 8 ]) = = 3 [mol CO 2 ] (-94,03 [kcal/mol CO 2 ]) + 4 [mol H 2 O] (-68,30 [kcal/mol H 2 O]) 5 [mol O 2 ] 0 H f º(C 3 H 8 )

12 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 12 b) La eergía producida por 1 kg de propao es: H f º(C 3 H 8 ) = 28,99 kcal/mol C 3 H 8 Q 1 =1000 g C 3 H 8 1 mol C 3 H 8 44,10 g C 3 H 8 526,3 kcal 1 mol C 3 H 8 =1, kcal La eergía producida por 1 kg de carbó es: Q 2 =1000 g carbó 5,000 kcal 1 g carbó =5, kcal Si el redimieto es del 80 %, la eergía producida realmete es: Q 3 = 80,00 % 5, kcal/kg carbó = 4, kcal/kg carbó Por lo que la masa de carbó ecesaria es: m(carbó)=1,000 kg propao 1, kcal 1,000 kg propao 1,000 kg carbó =2,984 kg carbó 4, kcal Aálisis: Si se tuviera e cueta las cifras sigificativas de los datos para este apartado, (5 kcal/g), el resultado sólo tedría ua cifra sigificativa y sería: 3 kg de carbó. Tambié se podría haber usado el valor de H f º (CO 2 ) ya que equivale a la etalpía de combustió del grafito. E ese caso el resultado hubiese sido: m(carbó) =1,91 kg grafito. La diferecia etre ambos resultados se debe a que el carbó (que o especifica si es hulla, atracita, etc.) cotiee u porcetaje cosiderable de impurezas. 13. El ácido etaoico(líquido) [ácido acético] se forma al reaccioar carboo(sólido), hidrógeo molecular(gas) y oxígeo molecular(gas). Los calores de combustió del ácido etaoico(l); hidrógeo(g) y carboo(s) so respectivamete 870,7; 285,8 y 393,13 kj/mol. a) Escribir adecuadamete las ecuacioes químicas de los distitos procesos de combustió y la correspodiete a la formació del ácido etaoico. b) Calcular el calor de formació, a presió costate, de dicho ácido etaoico. c) Cuátas kilocalorías se desprede e la formació de 1 kg de ácido etaoico? Dato: 1 J = 0,24 cal (P.A.U. Set. 04) Rta.: b) H f º = 487,1 kj/mol; b) Q = 1, kcal. Datos Cifras sigificativas: 4 CH 3 COOH(l) + O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) Masa de ácido etaoico Masa molar del ácido etaoico Equivalecia de uidades H c º(C 2 H 4 O 2 ) = -870,7 kj/mol H c º(C) = 393,1 kj/mol H c º(H 2 ) = 285,8 kj/mol m = 1,000 kg CH 3 COOH M(C 2 H 4 O 2 ) = 60,05 g/mol 1 J = 0,2400 cal 1 kj = 0,2400 kcal Etalpía de formació del ácido etaoico H f º(C 2 H 4 O 2 ) Eergía liberada e la combustió Q

13 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 13 a) de combustió CH 3 COOH(l) + O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) H c º(C 2 H 4 O 2 ) = 870,7 kj/mol H c º(C) = 393,13 kj/mol H c º(H 2 ) = 285,8 kj/mol Ecuació de formació del ácido etaoico 2 C(grafito) + 2 H 2 (g) + O 2 (g) CH 3 COOH(l) H f º b) Por la ley de Hess, H c º(C 2 H 4 O 2 ) = 2 H c º(C) + 2 H c º(H 2 ) ( H f º(C 2 H 4 O 2 ) + H f º(O 2 ) ) 870,7 [kj] = (2 [mol C] ( 393,1 [kj/mol C] + 2 [mol H 2 ] ( 285,8 [kj/mol H 2 ])) (1 [mol C 2 H 4 O 2 ] H f º) c) Q=1,000 kg C 2 H 4 O g 1 kg H f º(C 2 H 4 O 2 ) = 487,1 kj/mol 1 mol C 2 H 4 O 2 487,1 kj 0,2400 kcal 60,05 g C 2 H 4 O 2 1 mol C 2 H 4 O 2 1 kj =1, kcal 14. Las etalpías de formació del butao(g), dióxido de carboo(g) y agua(l) a 1 atm (101,3 kpa) y 25 C so -125,35 kj mol -1, -393,51 kj mol -1 y -285,83 kj mol -1, respectivamete. Formular la reacció de combustió del butao y calcular: a) El calor que puede sumiistrar ua bomboa que cotiee 6 kg de butao. b) El volume de oxígeo, medido e codicioes ormales, que se cosumirá e la combustió del butao coteido e la bomboa. Dato: R = 0,082 atm L K -1 mol -1 = 8,31 J K -1 mol -1 (P.A.U. Set. 13) Rta.: a) Q = 2, J; b) V = 15 m 3 O 2 Datos Cifras sigificativas: 5 C(s) + H 2 (g) C 4 H 10 (g) H f º(C 4 H 10 ) = 125,35 kj H f º(CO 2 ) = 393,51 kj/mol H f º(H 2 O) = 285,53 kj/mol Masa de butao m(c 4 H 10 ) = 6, g Costate de los gases ideales 1 R = 0,082 atm dm3 K 1 mol Masa molar del butao Calor despredido e la combustió de 6 kg de butao Volume de oxígeo ecesario V(O 2 ) Ecuació de los gases ideales a) La ecuació de combustió es Por la ley de Hess, C 4 H 10 (g) + 13/2 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 5 H 2 O(l) M(C 4 H 10 ) = 58,124 g/mol Q p V = R T

14 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 14 H c º(C 4 H 10 ) = 4 H f º(CO 2 ) + 5 H f º(H 2 O) ( H f º(C 4 H 10 ) + 13/2 H f º(O 2 ) ) H c º(C 4 H 10 ) = (4 [mol CO 2 ] ( 393,51 [kj/mol CO 2 ] + 5 [mol H 2 O] ( 285,53 [kj/mol H 2 O])) (1 [mol C 4 H 10 ] ( 125,35 [kj/mol C 4 H 10 ]) + 13/2 [mol O 2 ] 0) = 2 877,84 kj La ecuació termoquímica queda: C 4 H 10 (g) + 13/2 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 5 H 2 O(l) H c º = 2, kj/mol C 4 H 10 La catidad de butao que hay e ua bomboa de 6 kg es: (C 4 H 10 )=6, g C 4 H 10 1 mol C 4 H 10 58,124 g C 4 H 10 =103,23 mol C 4 H 10 El calor despredido por el butao que hay e ua bomboa de 6 kg es: b) De la estequiometría de la reacció: Q = 103,23 [mol C 4 H 10 ] 2, [kj/mol C 4 H 10 ] = 2, kj Supoiedo comportamieto ideal para el O 2, V (O 2 )= (O 2 ) R T p (O 2 )=103,23 mol C 4 H 10 13/2 mol O 2 1 mol C 4 H 10 =670,98 mol O 2 = 670,98 mol O 2 0,082 atm dm3 K 1 mol K = dm 3 O 1,0 atm 2 Este resultado tiee sólo dos cifras sigificativas, porque so las del dato que meos tiee (la costate R) 15. La gasolia puede ser cosiderada como ua mezcla de octaos (C 8H 18). Sabiedo los calores de formació de: H 2O(g) = 242 kj/mol; CO 2(g) = 394 kj/mol y C 8H 18(l) = 250 kj/mol: a) Escriba la ecuació (ajustada) de combustió de la gasolia (los productos so CO 2(g) y H 2O(g)) y calcule el calor de reacció H (e kj) b) Calcule la eergía (e kj) liberada e la combustió de 5 dm 3 de gasolia (desidad = 800 kg/m 3 ) c) Qué volume de gas carbóico medido a 30 ºC y presió atmosférica se geerará e tal combustió? Datos: R = 0,082 atm dm 3 K 1 mol 1 (P.A.U. Ju. 01) Rta.: a) Hº = 5, kj/mol; b) Q = kj; c) V = 6, dm 3 Datos Cifras sigificativas: 3 8 C(s) + 9 H 2 (g) C 8 H 18 (l) H f º(C 8 H 18 ) = 250 kj H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(g) H f º(CO 2 ) = 394 kj/mol H f º(H 2 O) = 242 kj/mol Desidad de la gasolia (octao C 8 H 18 ) ρ = 800 kg/m 3 Volume de gasolia V G = 5,00 dm 3 = 5, m 3 Temperatura del gas T = 30 ºC = 303 K Presió del gas p = 1,00 atm Costate de los gases ideales 1 R = 0,082 atm dm3 K 1 mol Masa molar del octao M(C 8 H 18 ) = 114 g/mol Etalpía de combustió del octao H c º(C 8 H 18 ) Eergía liberada e la combustió Volume de gas despredido Q V

15 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 15 Ecuació de los gases ideales p V = R T a) La ecuació de combustió es Por la ley de Hess, C 8 H 18 (l) + 25/2 O 2 (g) 8 CO 2 (g) + 9 H 2 O(g) H c º(C 8 H 18 ) = 8 H f º(CO 2 ) + 9 H f º(H 2 O) ( H f º(C 8 H 18 ) + 25/2 H f º(O 2 ) ) H c º(C 8 H 18 ) = (8 [mol CO 2 ] ( 394 [kj/mol CO 2 ] + 9 [mol H 2 O] ( 242 [kj/mol H 2 O])) (1 [mol C 8 H 18 ] ( 250 [kj/mol C 8 H 18 ]) + 25/2 [mol O 2 ] 0) = kj La ecuació termoquímica queda: b) C 8 H 18 (l) + 25/2 O 2 (g) 8 CO 2 (g) + 9 H 2 O(g) H c º = 5, kj/mol C 8 H 18 (C 8 H 18 )=5,00 dm 3 gasolia 1 m kg gasolia 10 3 dm 3 1 m 3 gasolia 10 3 g 1 kg 1 mol C 8 H g gasolia =35,1 mol C 8 H 18 c) De la estequiometría de la reacció: Q = 35,1 [mol C 8 H 18 ] 5, [kj/mol C 8 H 18 ] = kj Supoiedo comportamieto ideal para el gas CO 2, V = (CO 2 ) R T p (CO 2 )=35,1 mol C 8 H 18 8 mol CO 2 1 mol C 8 H 18 =281 mol C 8 H 18 = 281 mol CO2 0,082 atm dm3 K 1 mol K =6, dm 3 CO 1,00 atm Si supoemos que la gasolia es ua mezcla de octaos de fórmula geeral C 8H 18: a) Calcule el volume de aire medido a 25 ºC y 1 atm (101,3 kpa) que se ecesita para quemar 100 dm 3 de gasolia. b) Calcule el calor despredido cuado se quema 100 dm 3 de gasolia. Datos: R = 0,082 atm dm 3 K-1 mol -1-1 = 8,31 J K-1 mol H fº(co 2(g)) = -393,5 kj mol -1 ; H fº(h 2O(l)) = -285,8 kj mol -1 ; H fº(c 8H 18(l)) = 249,8 kj mol -1 ; oxígeo e el aire = 21 % e volume; desidad del octao = 800 g dm -3 (P.A.U. Ju. 10) Rta.: a) V = 1, m 3 aire b) Q = 4, J Datos Cifras sigificativas: 4 Volume de gasolia V = 100 dm 3 = 0,100 m 3 Desidad de la gasolia d = 800 g/dm 3 = 800 kg/m 3 Aire(gas): Temperatura T = 25 ºC = 298 K Presió Coteido de oxígeo e el aire (% V) p = 101,3 kpa = 1, Pa r = 21,0 % e volume Etalpías estádar de formació: Cifras sigificativas: 4 H f º(CO 2 (g)) = -393,5 kj/mol

16 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 16 Datos Cifras sigificativas: 4 H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(g) H f º(H 2 O(l)) = -285,8 kj/mol C(grafito) + H 2 (g) C 8 H 18 (l) H f º(C 8 H 18 (l)) = 249,8 kj/mol Costate de los gases ideales -1 R = 8,31 mol-1 K Masa molar del octao: Volume de aire ecesario Calor despredido De estado de los gases ideales La ecuació de combustió es La catidad de gasolia que hay e 100 dm 3 es: (C 8 H 18 )=100 dm 3 gasolia C 8 H 18 (l) + 25/2 O 2 (g) 8 CO 2 (g) + 9 H 2 O(g) 1 m kg gasolia 10 3 dm 3 1 m 3 gasolia La catidad de oxígeo ecesaria para la combustió es: Que, supoiedo comportamieto ideal, ocupará: V = (O 2 ) R T p 10 3 g 1 kg M(C 8 H 18 ) =114,2 g/mol V Q p V = R T (O 2 )=700 mol C 8 H 18 25/2 mol O 2 1 molc 8 H 18 =8, mol O 2 1 mol C 8 H ,2 g gasolia =700 mol C 8 H 18 = 8, mol O 2 8,31 J K 1 mol K =214 m 3 O 1, Pa Como el aire cotiee u 21 % e volume de oxígeo, el volume de aire que cotedrá ese volume será: Por la ley de Hess, V =214 m 3 O m 3 aire 21,0 m 3 O 2 =1, m 3 aire H c º(C 8 H 18 ) = 8 H f º(CO 2 ) + 9 H f º(H 2 O) ( H f º(C 8 H 18 ) + 25/2 H f º(O 2 ) ) H c º(C 8 H 18 ) = (8 [mol CO 2 ] ( 393,5 [kj/mol CO 2 ] + 9 [mol H 2 O] ( 285,8 [kj/mol H 2 O])) (1 [mol C 8 H 18 ] 249,8 [kj/mol C 8 H 18 ] + 25/2 [mol O 2 ] 0) = kj La ecuació termoquímica queda: C 8 H 18 (l) + 25/2 O 2 (g) 8 CO 2 (g) + 9 H 2 O(l) H c º = 5, kj/mol C 8 H 18 Q = 700 [mol C 8 H 18 ] 5, [kj/mol C 8 H 18 ] = 4, kj = 4, J = 4,18 GJ 17. Las etalpías de formació a 25 ºC del metaol (líquido), dióxido de carboo(gas) y agua(líquida) so, respectivamete, 239,1; 393,5 e 285,8 kj/mol. a) Escribe la ecuació de combustió del metaol. b) Calcula Hº del proceso de combustió.

17 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 17 c) Calcula Uº del mismo proceso a 25 ºC. Datos: R = 8,31 J K 1 mol 1 (P.A.U. Ju. 96) Rta.: b) H c º = -726,0 kj/mol; c) U c º = -724,8 kj/mol Datos Cifras sigificativas: 4 C(grafito) + ½ O 2 (g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH(g) H f º(CH 3 OH) = 239,1 kj/mol H f º(CO 2 ) = 393,5 kj/mol H f º(H 2 O) = 285,8 kj/mol Costate de los gases ideales 1 R = 8,310 J K 1 mol Temperatura Etalpía de combustió del metaol Variació de eergía itera de combustió del metaol Relació etre calor a presió costate y calor a volume costate a) La ecuació de combustió es b) Por la ley de Hess, CH 3 OH(l) + 3/2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) T = 25 ºC = 298,2 K H c º(CH 3 OH) U c º(CH 3 OH) Hº = Uº + (g) R T H c º(CH 3 OH) = H f º(CO 2 ) + 2 H f º ( H 2 O) ( H f º(CH 3 OH) + 3/2 H f º(O 2 ) ) H c º(CH 3 OH) = (1 [mol CO 2 ] ( 393,5 [kj/mol CO 2 ]) + 2 [mol H 2 O] ( 285,8 [kj/mol H 2 O])) (1 [mol CH 3 OH] ( 239,1 [kj/mol CH 3 OH]) + 3/2 [mol O 2 ] 0) = 7 26,0 kj/mol La ecuació termoquímica queda: CH 3 OH(l) + 3/2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) H c º = 726,0 kj/mol c) La variació de eergía itera de la reacció a 25 ºC Uº = Hº (g) R T = 726,0 [kj/mol] (1 3/2) [kj/mol] 8, [kj K 1 mol 1 ] 298,2 [K] U c º(CH 3 OH) = 724,8 kj/mol ESPONTANEIDAD 1. Coociedo los siguietes datos: Etalpía de combustió del etao(g): Hº = kj/mol de hidrocarburo; etalpía de combustió del eteo(g): Hº = 1 410,9 kj/mol de hidrocarburo; etalpía de formació del agua(l): Hº = 285,8 kj/mol y etalpía de formació del dióxido de carboo(g): Hº = 393,5 kj/mol. a) Calcula la etalpía de formació del etao(g) y del eteo(g). b) Calcula la variació de etalpía e codicioes estádar, e el proceso: C 2H 4(g) + H 2(g) C 2H 6(g) c) Si la variació de etropía e este proceso es Sº = 110,6 J/K, el proceso será espotáeo e codicioes estádar? Razoa la respuesta. (P.A.U. Set. 98) Rta.: a) H f º(C 2 H 6 ) = 85,4 kj/mol; H f º(C 2 H 4 ) = 52,3 kj/mol; b) H r º = 137,7 kj/mol; c) Sí

18 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 18 Datos Cifras sigificativas: 5 C 2 H 6 (g) + 7/2 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O(l) H c º(C 2 H 6 ) = kj/mol C 2 H 4 (g) + 3 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) H c º(C 2 H 4 ) = 1 410,9 kj/mol H f º(CO 2 ) = 393,5 kj/mol H f º(H 2 O) = 285,8 kj/mol Variació de etropía del proceso de hidrogeació Sº = 110,6 J/K Temperatura T = 25 ºC = 298,2 K Etalpía de formació del etao (C 2 H 6 ) H f º(C 2 H 6 ) Etalpía de formació del eteo (C 2 H 4 ) H f º(C 2 H 4 ) Variació de etalpía de C 2 H 4 (g) + H 2 (g) C 2 H 6 (g) H r º Espotaeidad de la hidrogeació G Eergía libre de Gibbs Gº = Hº T S a) La combustió del etao es: C 2 H 6 (g) + 7/2 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O(l) Por la ley de Hess, H c º(C 2 H 6 ) = 2 H f º(CO 2 ) + 3 H f º(H 2 O) ( H f º(C 2 H 6 ) + 7/2 H f º(O 2 ) ) 1 [mol C 2 H 6 ] ( [kj/mol C 2 H 6 ]) = = 2 [mol CO 2 ] ( 393,5 [kj/mol CO 2 ]) + 3 [mol H 2 O] ( 285,8 [kj/mol H 2 O]) ( H f º(C 2 H 6 ) + 7/2 [mol O 2 ] 0) H f º(C 2 H 6 ) = 85,4 kj/mol etao La combustió del eteo es: C 2 H 4 (g) + 3 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) H C º = 2 H f º(CO 2 ) + 2 H f º(H 2 O) ( H f º(C 2 H 4 ) + 3 H f º(O 2 ) ) 1 [mol C 2 H 4 ] ( 1 410,9 [kj/mol C 2 H 4 ]) = = 2 [mol CO 2 ] ( 393,5 [kj/mol CO 2 ]) + 2 [mol H 2 O] ( 285,8 [kj/mol H 2 O]) ( H f º(C 2 H 4 ) + 3 [mol O 2 ] 0) H f º(C 2 H 4 ) = 52,3 kj/mol eteo b) Para el proceso: C 2 H 4 (g) + H 2 (g) C 2 H 6 (g) H r º = H f º(C 2 H 6 ) ( H f º(C 2 H 4 ) + H f º(H 2 ) ) Tomado como base de cálculo 1 mol de eteo H r º = 85,4 [kj] (52,3 [kj] + 0) = 137,7 kj/mol eteo

19 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 19 c) La espotaeidad de u proceso viee dada por el sigo de la eergía libre de Gibbs G. Si G < 0, el proceso es espotáeo. E codicioes estádar (t = 25 ºC, p = 1 atm.) Gº = Hº T Sº = 137,7 [kj] 298 [K] ( 110,6 [J/K]) 10 3 [kj/j] = 104,7 kj Como Gº < 0, el proceso es espotáeo e codicioes estádar. 2. E la reacció: 4 Ag(s) + O 2(g) 2 Ag 2O(s), la variació de etalpía y la variació de etropía a 25 ºC y 1 atm vale 61,1 kj y 132,1 J/K respectivamete. Supoiedo que estos valores so idepedietes de la temperatura, determiar, previo cálculo: a) El setido e que es espotáea la reacció e esas codicioes. b) El setido e que es espotáea la reacció a 500 ºC. c) La temperatura a la que se alcaza el equilibrio químico. (P.A.U. Set. 03) Rta.: a) ; b) ; c) T e = 190 ºC Datos Cifras sigificativas: 3 Variació de etalpía estádar de la reacció Hº = 61,1 kj = 61, J Variació de etropía estádar de la reacció Sº = 132,1 J K 1 Temperatura estádar Temperatura del apartado b T = 25 ºC = 298 K T' = 500 ºC = 773 K Setido e que es espotáea la reacció e esas codicioes H f º(C 2 H 6 ) Setido e que es espotáea la reacció a 500 ºC H f º(C 2 H 4 ) Temperatura de equilibrio H r º Eergía libre de Gibbs Gº = Hº T S a) Para la reacció: 4 Ag(s) + O 2 (g) 2 Ag 2 O(s) Gº = Hº T Sº = 61,1 [kj] 298 [K] ( 132,1 [J/K]) 10 3 [kj/j] = 104,7 kj = 21,7 kj La reacció es espotáea e el setido escrito porque Gº < 0. b) Calculado la variació de eergía libre de Gibbs a 500 ºC = 773 K Gº = Hº T Sº = 61,1 [kj] 773 [K] ( 132,1 [J/K]) 10 3 [kj/j] = 104,7 kj = 41,0 kj La reacció o es espotáea el setido escrito porque Gº > 0. La reacció es espotáea e setido opuesto. c) Cuado se alcaza el equilibrio Gº = 0. Para la temperatura de equilibrio 2 Ag 2 O(s) 4 Ag(s) + O 2 (g) Hº T e Sº = 0 T e = Hº / Sº = 61, [J] / 132,1 [J K 1 ] = 463 K = 190 ºC

20 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 20 CUESTIONES TERMOQUÍMICA. 1. Para ua reacció química etre gases, qué relació existe etre el calor de reacció a volume costate y la variació de etalpía e la reacció? puede ser iguales? Razóelo. (P.A.U. Ju. 02) El calor de reacció a volume costate Q V es igual a la variació de eergía itera de la reacció U, ya que, segú el primer pricipio, U = Q + W dode W es el trabajo, pero si el volume o varía ( V = 0), o hay trabajo: La etalpía es ua fució de estado defiida por: W = p ext V = 0 H = U + p V La variació de etalpía, e ua reacció química, será: H = H productos H reactivos = (U + p V) fial (U + p V) iicial. = U + (p V) Para u gas (supoiedo comportamieto ideal): Para ua reacció etre gases a temperatura costate, La relació pedida es: p V = R T (p V) = R T H = U + RT Puede ser iguales si o hay variació e el úmero de moles de gas, como e 2 IH(g) I 2 (g) + H 2 (g) e la que hay la misma catidad de gas e los productos que e los reactivos. ESPONTANEIDAD. 1. De acuerdo co la ecuació que relacioa la variació de eergía libre co la variació de etalpía y la variació de etropía, razoar: a) Cuado u proceso químico es espotáeo. b) Cuado u proceso químico es o espotáeo. c) Cuado está e equilibrio. (P.A.U. Ju. 03) La espotaeidad de u proceso viee dada por el sigo de la etalpía libre (eergía libre de Gibbs) G. El proceso es espotáeo si G = H T S < 0 siedo H la variació de etalpía del proceso, S su variació de etropía y T la temperatura. Será espotáea: (a.1) para u proceso exotérmico H < 0; Para que G = H T S < 0, Si S < 0, G = H T S = ( ) T ( ). Para que G < 0, H > T S

21 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 21 Será espotáeo para temperaturas T < H / S (temperaturas bajas). Si S > 0, G = H T S = ( ) T (+). G < 0. Será espotáeo a cualquier temperatura (a.2) para u proceso exotérmico H > 0; Para que G = H T S < 0, Si S < 0, G = H T S = (+) T ( ).>0 Nuca será espotáeo. Si S > 0, G = H T S = (+) T (+). Para que G < 0, H < T S Será espotáeo para temperaturas T > H / S.(temperaturas altas). (b) Será o espotáea e los casos opuestos a los del apartado aterior. (c) Se ecotrará e equilibrio cuado G = 0 => H = T S. Para que G = H T S = 0, T = H / S. Para u proceso exotérmico H < 0, sólo es posible si S < 0 Para u proceso edotérmico H > 0, sólo es posible si S > 0 Resumiedo: H S Espotáea No espotáea Equilibrio < 0 (exotérmica) > 0 Siempre Nuca Nuca < 0 (exotérmica) < 0 T < H / S T > H / S T = H / S > 0 (edotérmica) > 0 T > H / S T < H / S T = H / S > 0 (edotérmica > 0 Nuca Siempre Nuca 2. Razoe bajo qué codicioes podría ser espotáeos los procesos cuyas variacioes correspodietes a sus térmios etálpicos y etrópicos so los siguietes: a) H>0; S>0 b) H<0; S<0 c) H<0; S>0 d) H>0; S<0 (P.A.U. Set. 00) Rta.: a) T altas; b) T bajas; c) Siempre; d) Nuca Ver ejercicio de Ju Podría decirse que ua reacció cuya variació de etalpía es egativa es espotáea? Justifíquelo. (P.A.U. Ju. 02) Rta.: a T bajas Ver ejercicio de Ju Explique brevemete por qué muchas reaccioes edotérmicas trascurre espotáeamete a altas temperaturas. (P.A.U. Ju. 07) El criterio de espotaeidad de ua reacció química viee dado por el sigo de la etalpía libre o eergía libre de Gibbs G: G = H T S dode H es la variació de etalpía del proceso y S la variació de etropía. U proceso es espotáeo si G < 0. Si la reacció es edotérmica, H > 0

22 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 22 por lo que si la temperatura es muy baja, el segudo térmio apeas ifluye y G > 0 que idica que el proceso o será espotáeo. Pero si la variació de etropía del proceso es positiva, y la temperatura lo suficietemete alta para que sería y el proceso sería espotáeo. T S > H G < 0 LABORATORIO 1. Explica detalladamete cómo calcularías e el laboratorio el calor de disolució de NaOH(s) e agua. Calcúlalo (a p y T del laboratorio) supoiedo ua masa de NaOH de 5 g que se disuelve e 900 cm 3 e u calorímetro cuyo equivalete e agua es de 13 g. El aumeto de la temperatura del agua fue de 1 ºC. DATOS: C e(h 2O) = 4,18 J/(g ºC); desidad(h 2O) = 1,0 g cm 3 (P.A.U. Set. 97) Rta.: a) H d º = 30 kj / mol NaOH E ua probeta de cm 3, se mide 900 cm 3 de agua y se vierte e u calorímetro. Se espera uos miutos y se mide la temperatura co u termómetro. E ua balaza graataria, se pesa u vidrio de reloj, y, co u varilla, se echa letejas de NaOH hasta que su masa aumete 5 g. Rápidamete (para evitar la hidratació y carboatació del NaOH) se echa el hidróxido de sodio e el calorímetro y se agita co ua varilla, comprobado la temperatura. Se aota el valor máximo y se resta del valor iicial de la del agua. Al ser el calorímetro u sistema aislado, el proceso es adiabático, y Q (cedido e la disolució) + Q D (gaado por la disolució) + Q C (gaado por el calorímetro) = 0 El calor Q D gaado por la disolució es aproximadamete igual al gaado por el agua: Q D = m(agua) c e (agua) t = 900 g 4,18 J/(g ºC) 1 ºC = 3, J El calor Q C gaado por el calorímetro se calcula de forma aáloga, usado el equivalete e agua del calorímetro. Q C = m(equivalete e agua) c e (agua) t = 13 g 4,18 J/(g ºC) 1 ºC = 54 J que es despreciable frete al del agua. Δ H d o = 3,8 103 J 5 g NaOH Q (cedido e la disolució) = 3, J 1 kj 10 3 J 40 g NaOH = 30 kj/ mol NaOH 1 mol NaOH Aálisis: Los valores so bastate diferetes e ejercicios aálogos, por lo que hay que supoer que los datos de alguo de ellos so erróeos. 2. Para calcular e el laboratorio la etalpía de disolució del NaOH(s) se disuelve 2,0 g de NaOH e 500 ml de agua e u calorímetro que tiee u equivalete e agua de 15 g, produciédose u aumeto de temperatura de 1,0 C. a) Explique detalladamete el material y procedimieto empleados. b) Cuál es la etalpía de disolució del NaOH? Datos: Calor específico(agua) Calor específico(disolució) = 4,18 J/(g ºC) y desidad del agua = 1 g ml -1 (P.A.U. Ju. 13)

23 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 23 Rta.: a) H d º = 43 kj / mol NaOH E ua probeta de 500 cm 3, se mide 500 cm 3 de agua y se vierte e u calorímetro. Se espera uos miutos y se mide la temperatura co u termómetro. E ua balaza graataria, se pesa u vidrio de reloj, y, co u varilla, se echa letejas de NaOH hasta que su masa aumete 2,0 g. Rápidamete (para evitar la hidratació y carboatació del NaOH) se echa el hidróxido de sodio e el calorímetro y se agita co ua varilla, comprobado la temperatura. Se aota el valor máximo y se resta del valor iicial de la del agua. Al ser el calorímetro u sistema aislado, el proceso es adiabático, y Q (cedido e la disolució) + Q D (gaado por la disolució) + Q C (gaado por el calorímetro) = 0 La masa de agua es: m(agua) = 500 cm 3 1,00 g/cm 3 = 500 g agua El calor Q D gaado por la disolució es aproximadamete igual al gaado por el agua: Q D = m(agua) c e (agua) t = 500 g 4,18 J/(g ºC) 1 ºC = 2, J El calor Q C gaado por el calorímetro se calcula de forma aáloga, usado el equivalete e agua del calorímetro. Q C = m(equivalete e agua) c e (agua) t = 15 g 4,18 J/(g ºC) 1 ºC = 63 J Q (cedido e la disolució) = -(2, J + 63 J) = -2, J Δ H d o = 2, J 2,0 g NaOH 1 kj 10 3 J 40 g NaOH = 43 kj / mol NaOH 1 mol NaOH 3. Describa el procedimieto que seguiría para determiar, de forma aproximada, el calor de disolució del hidróxido de sodio e agua, idicado el material que utilizaría. Si al disolver 1,2 g de NaOH (s) e 250 g de agua el icremeto de temperatura de la disolució es 1,24 ºC, calcule el calor molar de disolució del hidróxido de sodio. DATO: C e(disolució) = 4,18 J/(g ºC) (P.A.U. Set. 96) Rta.: H d º(NaOH) = 43 kj / mol NaOH Véase la cuestió de Set Explique detalladamete cómo se puede calcular e el laboratorio el calor de disolució de NaOH (s) e agua. Haga u cálculo del calor de disolució (a p y T del laboratorio) supoiedo ua masa de NaOH de 2 g que se disuelve e 450 cm 3 e u calorímetro cuyo equivalete e agua es de 15 g. El aumeto de la temperatura del agua fue de 1,5 ºC. DATOS: c e(h 2O) = 4,18 J/(g ºC); desidad(h 2O) = 1,0 g cm 3 (P.A.U. Ju. 98) Rta.: H d º(NaOH) = 58 kj/mol NaOH Véase la cuestió de Set Describa el procedimieto para calcular e el laboratorio el calor de disolució de NaOH (s) e agua. Haga el cálculo del calor de disolució (a p y T del laboratorio) supoiedo ua masa de hidróxido de sodio de 1,8 g que se disuelve e 400 cm 3, e u calorímetro e el que el equivalete e agua es de 12 g. El icremeto de la temperatura del agua fue 1,2 ºC. DATOS: c e(disolució) = c e(agua) = 4,18 J/(g ºC). Desidad del agua = 1 g/cm 3. (P.A.U. Ju. 99) Rta.: H d º(NaOH) = 46 kj/mol Véase la cuestió de Set. 97

24 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA Describe el procedimieto para calcular e el laboratorio el calor de disolució del NaOH(s) e agua. Eumera el material y la forma de realizar los cálculos. (P.A.U. Ju. 01 y Set. 00 ) Véase la cuestió de Set Explique detalladamete como se puede determiar e el laboratorio el calor de disolució de KOH(s) e agua. Efectúe el cálculo (a la presió y temperatura de laboratorio) supoiedo ua masa de hidróxido de potasio de 4,5 g que se disuelve e 450 cm 3 e u calorímetro que tiee u equivalete e agua de 15 g. El icremeto de la temperatura es de 2,5 ºC. Datos: Calor específico del agua: 4,18 J/(g ºC) y desidad del agua: 1 g/cm 3. (P.A.U. Set. 05) Rta.: 61 kj/mol. Procedimieto: E ua probeta de 500 cm 3, se mide 450 cm 3 de agua y se vierte e u calorímetro. Se espera uos miutos y se mide la temperatura co u termómetro. E ua balaza graataria, se pesa u vidrio de reloj, y, co u varilla, se echa el KOH hasta que su masa aumete 4,5 g. Rápidamete (para evitar la hidratació y carboatació del KOH) se echa el hidróxido de potasio e el calorímetro y se agita co ua varilla, comprobado la temperatura. Se aota el valor máximo y se resta del valor iicial de la del agua. Cálculos: masa de agua = 450 dm 3 1,00 g/cm 3 = 450 g agua Al ser el calorímetro u sistema aislado, el proceso es adiabático, y Q (cedido e la disolució) + Q D (gaado por la disolució) + Q C (gaado por el calorímetro) = 0 El calor Q D gaado por la disolució es aproximadamete igual al gaado por el agua. Q D = m(agua) c e (agua) t = (450) g 4,18 J/(g ºC) 2,5 ºC = 4, J El calor Q C gaado por el calorímetro se calcula de forma aáloga, usado el equivalete e agua del calorímetro. Q C = m(equivalete e agua) c e (agua) t = (15) g 4,18 J/(g ºC) 2,5 ºC = 1, J Q (cedido e la disolució) = (4, , ) J = 4, J Δ H d o = 4,9 103 J 4,5 g KOH 1 kj 10 3 J 56 g KOH = 61 kj /mol KOH 1 mol KOH 8. a) Idique el procedimieto que se debe seguir y el material utilizado para determiar la etalpía de disolució del NaCl, si al disolver 0,2 moles de dicha substacia e 500 cm 3 de agua se produce u icremeto de temperatura de 2 ºC. b) Cuál será el valor de la etalpía de disolució del compuesto expresado e J/mol? Datos: Calor específico(agua) Calor específico(disolució) = 4,18 J/(g ºC); desidad(agua) = 1 g/cm 3 (P.A.U. Ju. 11) Rta.: b) Hº d = J/mol Material: Calorímetro de cm 3 : recipiete aislado (cómo uo termo) Probeta de 500 cm 3. Tubo cilídrico graduado e cm 3 co base de apoyo. Termómetro. Balaza.

25 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA 25 Vidrio de reloj Agitador. Varilla de vidrio. Procedimieto: E ua probeta de 500 cm 3, se mide 500 cm 3 de agua y se vierte e u calorímetro. Se mide la temperatura co u termómetro. 58,5 g NaCl E ua balaza se pesa: 0,2 mol NaCl =12 g NaCl sobre u vidrio de reloj. 1 mol NaCl Se echa el cloruro de sodio e el calorímetro y se agita co ua varilla, comprobado la temperatura. Se aota el valor máximo. Se vacía el calorímetro y se lava. Cálculos: Al ser el calorímetro u sistema aislate (adiabático), o itercambia calor co el etoro. Calor gaado por la disolució y el calorímetro + calor despredido e el proceso de disolució = 0 Supoiedo que el calor absorbido por el soluto y el calorímetro so despreciables frete al calor gaado por el agua Q D = - m(agua) c e (agua) t = 500 g 4,18 J/(g ºC) 2 ºC = J Δ H o d = J = J / mol 0,2 mol Aálisis: Si al echar 12 g de sal e agua la temperatura subiera 2 ºC habría que sospechar que la substacia o era NaCl o había que tirar el termómetro, porque la disolució de sal e agua o desprede calor. 9. Se quiere determiar la H del proceso de disolució de u compuesto ióico AB. Idique el procedimieto a seguir y el material a utilizar. Si al disolver 0,2 moles de dicha sustacia e 500 cm 3 de agua se produce u icremeto de temperatura de 2 ºC. Cuál será el valor de H, e J/mol, para dicho proceso de disolució? Datos: C e(disolució) = C e(agua) = 4,18 J/(g ºC) desidad del agua = 1 g/cm 3 y masa de disolució = masa del agua. (P.A.U. Ju. 02 y Set. 07) Rta.: H d º = J/mol E ua probeta de 500 cm 3, se mide 500 cm 3 de agua y se vierte e u calorímetro. Se espera uos miutos y se mide la temperatura co u termómetro. E ua balaza graataria, se tara u vidrio de reloj, y, co u varilla, se echa la masa del compuesto ióico AB que correspode a los 0,2 moles. Se echa el sólido ióico e el calorímetro y se agita co ua varilla, comprobado la temperatura. Se aota el valor máximo y se resta del valor iicial de la del agua. Al ser el calorímetro u sistema aislado, el proceso es adiabático, y Q (cedido e la disolució) + Q D (gaado por la disolució) + Q C (gaado por el calorímetro) = 0 El calor Q D gaado por la disolució es aproximadamete igual al gaado por el agua: Q D = m(agua) c e (agua) t = 500 g 4,18 J/(g ºC) 2 ºC = 4, J El calor Q C gaado por el calorímetro se supoe despreciable Q (cedido e la disolució) = 4, J Δ H o d = 4,2 103 J = J / mol AB 0,2 mol

26 Química P.A.U. TERMOQUÍMICA Idique, co u ejemplo, cómo determiaría e el laboratorio el calor de eutralizació de u ácido fuerte co ua base fuerte, haciedo referecia al pricipio, material, procedimieto y cálculos. (P.A.U. Ju. 05) Pricipio: Coservació de la eergía Al ser el calorímetro u sistema aislado, el proceso es adiabático, y Q (cedido e la eutralizació) + Q D (gaado por la disolució) + Q C (gaado por el calorímetro) = 0 Material: Calorímetro de 250 cm 3 Probeta de 100 cm 3 Termómetro Agitador Reactivos: HCl 1,0 mol/dm 3 NaOH 1,0 mol/dm 3 Procedimieto: E ua probeta de 100 cm 3, se mide 100 cm 3 de disolució de HCl de cocetració 1,0 mol/dm 3 y se vierte e u calorímetro. Se mide la temperatura co u termómetro. t 1 =16,8 ºC. Se lava la probeta y se mide 100 cm 3 de disolució de NaOH de cocetració 1,0 mol/dm 3. Se mide su temperatura que debería ser la misma que la de la disolució de HCl ya que está ambas a la temperatura del laboratorio. Se echa la disolució de hidróxido de sodio e el calorímetro y se agita co ua varilla, comprobado la temperatura. Se aota el valor máximo. t 2 = 23,3 ºC Se vacía el calorímetro y se lava. Cálculos: Haciedo las aproximacioes: 1 Los calores específicos de todas las disolucioes es el mismo que el del agua. c = 4,18 J g 1 (ºC) Las desidades de las disolucioes so iguales a la del agua. d = 1,0 g/cm 3 El calor Q C gaado por el calorímetro es despreciable. Q C = 0 La masa de cada disolució se calcula: El calor Q D gaado por la disolució es: m(disolució) = V(disolució) ρ = 200 cm 3 1,0 g/cm 3 = 200 g Q D = m(disolució) c e (disolució) t = (200) g 4,18 J g 1 (ºC) 1 (23,3 16,8) ºC = 5, J Q (cedido e la eutralizació) + Q D (gaado por la disolució) + Q C (gaado por el calorímetro) = 0 E la reacció: que se puede escribir e forma ióica: reaccioa: co Q (cedido e la eutralizació) = 5, J HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + H 2 O(l) H + (aq) + OH (aq) H 2 O(l) (HCl) = 0,100 dm 3 1,0 mol HCl / dm 3 = 0,10 mol HCl (NaOH) = 0,100 dm 3 1,0 mol HCl / dm 3 = 0,10 mol NaOH