6. Termoquímica. Transformaciones químicas. mica. Andrés s Cedillo, AT

Transcripción

1 Transformaciones químicas Andrés s Cedillo, AT-250 cedillo@xanum.uam.mx 6. Termoquímica mica 6.1. Definiciones 6.2. Calorimetría 6.3. Entalpía 6.4. Cálculos termoquímicos micos 6.5. Entalpía a de formación ª ley de la termodinámica mica Cap. 5

2 6.1. Definiciones La termoquímica mica es el estudio de la transferencia de energía asociada con una reacción n química Energía a (E): capacidad de realizar un trabajo Sistema: : parte del universo que se estudia Alrededor o medio ambiente: resto del universo Se deben definir los límites l o fronteras del sistema e identificar sus características sticas Definiciones 2 El estado de un sistema se describe por el conjunto de propiedades que son independientes. bar. Ejemplo: 50.0 g de agua líquida l a 50 o C y 1.00 bar Una propiedad de estado es aquella sólo s depende del estado actual del sistema. Ejemplos: m, V, C, E, Si X es una propiedad de estado, el cambio en esta propiedad no depende de cómo c ocurre el proceso: X = X final X inicial. Ejemplo: el calor si depende, => no es propiedad de estado.

3 6.1. Definiciones 3 Formas de transferencia de energía Trabajo (w): transferencia de energía venciendo una resistencia o fuerza de oposición. Calor (q): forma de transferencia de energía de un cuerpo caliente a uno frío Dirección n y signo del calor ( (q es un cambio en la energía) q > 0, hacia el sistema, proceso endotérmico O (s) O (l) q < 0, sale del sistema, proceso exotérmico CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2 O (g) 6.1. Definiciones 4 El calor tiene unidades de energía, en el SI son joules (J). Históricamente, se usa la caloría, que es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g agua en un grado. En general, determinar q es complicado, pero a P constante, q = C T, en donde C es la capacidad calorífica. Como C es una propiedad extensiva, normalmente se reporta el calor específico, c = C / m.

4 6.1. Definiciones 5 Ejercicio. A partir de la definición de una caloría, calcule el calor específico del agua. Ejercicio. Calcule el calor cuando mol de agua se enfría de 100 o C a 10 o C. c / J K -1 g -1 c / J K -1 g -1 CO 2 (g) Cu (s) O (g) 1.87 Fe (s) O (l) 4.18 NaCl (s) etanol Calorimetría Un calorímetro es un instrumento que se usa para medir el calor de un proceso. Se usan paredes aislantes, para evitar las pérdidas de energía. Así q sistema = - q calorímetro, en donde q calorímetro = C calorímetro T calorímetro.

5 6.2. Calorimetría 2 Ejemplos de calorímetros 6.2. Calorimetría 3 Se le llama calibración de un calorímetro a la determinación de su capacidad calorífica. Normalmente se usa un proceso conocido, como una reacción química o un cambio de estado del agua. Ejercicio. Dentro de un calorímetro se realiza una reacción química que desprende 93.3 kj y la temperatura cambia de 20.0 a 30.0 o C. Calcule la capacidad calorífica del calorímetro. Ejercicio. La reacción entre hidrógeno y cloro gaseosos para formar cloruro de hidrógeno se realiza en un calorímetro con C cal = 9.33 kj K -1. Cuando 1.00 g de hidrógeno reaccionan con la cantidad necesaria de cloro, la temperatura se eleva de a o C. Calcule el calor de la reacción.

6 6.3. Entalpía Muchas reacciones químicas ocurren a presión n constante. La entalpía (H)) es una propiedad de estado y el cambio en entalpía a a presión n constante coincide con el calor. H P = q P. A presión n constante, calor de reacción y entalpía a de reacción son sinónimos. nimos. El signo del cambio en la entalpía a tiene el mismo significado que con el calor Cálculos C termoquímicos micos Recuerde que el calor es una propiedad extensiva. Ejemplo. Al disolver 1.00 g de NH 4 NO 3 (s) en 1.00 L de agua, se absorben 351 J en forma de calor. Si se disuelve un mol de nitrato de amonio (80.05 g) ) se absorben H = 351 J/g x g = 28.1 kj. Se le llama ecuación n termoquímica mica a la combinación de la ecuación n balanceada y el calor de reacción n para el número n de moles indicado en el balanceo. NH 4 NO 3 (s) NH 4+ (ac)) + NO 3- (ac) H r = 28.1 kj Ejercicio. Escriba la ecuación termoquímica para la reacción de un mol de hidrógeno con un mol de cloro para formar cloruro de hidrógeno. Indique si la reacción es exotérmica o endotérmica.

7 6.4. Cálculos C termoquímicos micos 2 Consideraciones importantes 1. El calor es proporcional a la cantidad de materia. Ejemplo. Calcule H cuando reacciona 1.00 g de cloro en la reacción (g) + Cl 2 (g) 2HCl (g). Cuando reacciona 1 mol de cloro, se producen H r. Cuando reaccionan 2 mol de cloro, se producen 2 H r. H H r 1 = = 185 kj mol n 1 mol Cl 2 1 ( 185 kj mol ) 2. kj H = ncl 61 2 = Ejercicio. Para la reacción anterior, calcule la entalpía de reacción cuando a) se forma 1.00 mol de HCl, b) se forman 2.50 L de HCl, a 50.0 o C y 725 torr Cálculos C termoquímicos micos 3 2. El calor de fusión corresponde al paso del estado sólido al líquido, mientras que el calor de vaporización es del líquido al vapor. 3. Al invertir una reacción, H cambia de signo. Ejemplo. 2 (g) + O 2 (g) 2 O (g), H r (1) = kj. O (g) (g) + ½O 2 (g), H r (2) = - ½ H r (1) = kj. 4. La entalpía de reacción es la misma si la reacción ocurre en un paso o en una sucesión de reacciones (Ley de Hess). Recuerde que la entalpía es una propiedad de estado.

8 6.4. Cálculos C termoquímicos micos 4 Ejercicio. Dadas las ecuaciones termoquímicas siguientes, C (s) + O 2 (g) CO 2 (g), H (1) r = kj, 2CO (g) + O 2 (g) 2CO 2 (g), H (2) r = kj, C (s) + ½O 2 (g) CO (g), H (3) r = kj, verifique la ley de Hess para la formación de un mol de CO 2 a partir de sus elementos Entalpía a de formación En una reacción n de formación se produce un mol de un compuesto a partir de sus elementos, en estado estable,, a la temperatura y presión n de interés. (Tablas a K y 1 bar.) Ejemplo. La reacción de formación del cloruro de plata es Ag (s) + ½Cl 2 (g) AgCl (s).

9 6.5. Entalpía a de formación 2 La entalpía de formación de un compuesto H fo es el cambio en entalpía de la reacción de formación de dicho compuesto. Ejemplo. A 298 K y 1.00 bar, Ag (s) + ½Cl 2 (g) AgCl (s), H fo (AgCl(s)) = kj mol -1. Observaciones La entalpía de formación de un elemento en su estado estable es cero. Dado que los cationes no se pueden aislar de su aniones, la entalpía de formación de los iones es disolución es relativa. Se usa como referencia el ion hidrógeno, H fo (H + (ac)) = 0.00 kj mol Entalpía a de formación 3 H r reactivos productos -Σ H f Σ H f elementos H r = Σ H f (productos)-σ H f (reactivos)

10 6.5. Entalpía a de formación 4 Ejemplo. Calcule la entalpía de reacción de 2 Al (s) + Fe 2 O 3 (s) 2 Fe (s) + Al 2 O 3 (s). H r = 2 mol H fo (Fe(s)) + 1 mol H fo (Al 2 O 3 (s)) - 2 mol H fo (Al(s)) - 1 mol H fo (Fe 2 O 3 (s)) = 1 mol ( kj mol -1 ) - 1 mol ( kj mol -1 ) = kj. X H fo (X) / kj mol -1 Al 2 O 3 (s) Fe 2 O 3 (s) Al 3+ (ac) Cu 2+ (ac) 64.8 C 3 H 8 (g) CO 2 (g) O (l) Ejercicio. La combustión de un mol de benceno líquido, C 6 H 6, produce kj. Obtenga la entalpía de formación del benceno. Ejercicio. Calcule la entalpía de reacción de los casos siguientes. Use la tabla de entalpías de formación. a) 2 Al (s) + 3 Cu 2+ (ac) 2 Al 3+ (ac) + 3 Cu (s). b) C 3 H 8 (g) + 5 O 2 (g) 3 CO 2 (g) + 4 O (l). c) C 6 H 6 (g) + 15/2 O 2 (g) 6 CO 2 (g) + 3 O (g). La entalpía de vaporización molar del benceno y el agua es 33.6 y 44.0 kj mol ª 1 ley de la termodinámica mica De la conservación de la energía, E sistema = - E alrededor. Tomando en cuenta las diferentes formas de transferencia de energía, E = q + w. Si w > 0, el trabajo se realiza sobre el sistema. Si w < 0, el trabajo lo hace el sistema. Ejercicio. Calcule el cambio en la energía de un gas que recibe 20 J de calor y realiza 12 J de trabajo expandiéndose.

11 6.6. 1ª 1 ley de la termodinámica mica 2 Una reacción de combustión se puede realizar de varias formas. q w Abierta E 0 Motor de combustión interna 0.8 E 0.2 E Celda de combustible 0.1 E 0.9 E La entalpía es una propiedad relacionada con la energía, H = E + PV. Así, H = E + (PV). Para un gas ideal, PV = nrt, por tanto, en una reacción, (PV) = RT n g. Ejercicio. Calcule el cambio en energía y en entalpía para la combustión de un mol de acetileno, C 2 (g), a 298 K. Cap. 7