Guía para el docente

Transcripción

1 Guía para el docente Descripción curricular: - Nivel:. Medio - Subsector: Ciencias químicas - Unidad temática: - Palabras clave: entalpía, entropía, energía libre de Gibbs, espontaneidad de la reacción, reacciones exotérmicas, reacciones endotérmicas, energía. - Contenidos curriculares: - Factores energéticos asociados a la reactividad y al equilibrio químico: espontaneidad, energía libre y entropía; reacciones exotérmicas y endotérmicas. Estequiometría. - Contenidos relacionados: - 1. Medio: El aire. Teoría cinético molecular Los procesos químicos - 2. Medio: Modelo atómico de la materia Disoluciones químicas -. Medio: Cinética química - 4. Medio: Procesos químicos industriales - Aprendizajes esperados: - Identiican reacciones y procesos exotérmicos y endotérmicos que ocurren en la vida cotidiana; - distinguen entre procesos espontáneos y no espontáneos; - conocen ejemplos de reacciones químicas espontáneas que ocurren en el entorno; - reconocen en su signiicado y aplicación a casos muy simples los conceptos de entalpía, entropía y energía libre; - relacionan a las reacciones químicas con intercambios de energía. Aprendizajes esperados de esta actividad: - Comprenden el signiicado de la entalpía, entropía y energía libre de Gibbs. 1

2 - Hacen cálculos de entalpía, entropía y energía libre de Gibbs. - Determinan la espontaneidad de una reacción química. - Determinan si una reacción química es exotérmica o endotérmica. - Comienzan a identiicar la entalpía, entropía y energía libre de Gibbs como variables que gobiernan todos los procesos. Recursos digitales asociados de - Ficha 17: Termodinámica: entalpía, entropía, energía libre. - Diapositivas digitales (ppt): Química NM Actividad propuesta para este tema: En esta actividad los estudiantes calculan valores del cambio de entalpía, entropía y energía libre de una reacción química, y con ellos identiican si el proceso es endotérmico o exotérmico, espontáneo o no. Finalmente, relexionan sobre las leyes de la termodinámica aplicadas en procesos cotidianos. Actividad: 1. Mapa de contenidos tratados 2

3 2. Desarrollo de la actividad: Paso 1 Esta actividad se debe realizar después de revisar contenidos de termodinámica. Los estudiantes deben conocer las variables termodinámicas como entalpía, entropía y energía libre; por otra parte, deben haber revisado las leyes de la termodinámica. Comiencen la actividad repasando tales conceptos. Aquellos valores de entalpía que determinan si una reacción libera o requiere de energía térmica, y aquellos valores de entropía y energía libre que determinan la espontaneidad de la reacción. Es importante que los estudiantes dierencien entre la espontaneidad de una reacción y su velocidad (cuánto demora en obtener productos): hay reacciones que son espontáneas, pero demoran años o miles de años en ocurrir realmente. Para la reacción que ocurre a 25 C: Y utilizando los siguientes datos: - CO 2 = -9,5 kj/mol - CO = -110,5 kj/mol - H 2 O= -241,8 kj/mol CO + H O CO + H ( g ) 2 ( g ) 2( g ) 2( g ) a) Determina si la reacción es exotérmica o endotérmica. Para determinar si la reacción es exotérmica o endotérmica se debe conocer la dierencia de entalpía de ésta. Para esto se deben utilizar los datos dados: CO + H O CO + H ( g ) 2 ( g ) 2 ( g ) 2 ( g ) = [(1 mol) ( H 2 ) + (1 mol) ( CO2 )] [1 mol ( CO) + (1 mol) ( H 2O)] = [(1 mol)(0) + (1 mol)( 9.5KJ / mol)] [(1 mol)( 110.5KJ / mol) + (1 mol)( 241.8KJ / mol)] = 41.2KJ < 0, la reacción es exotérmica.

4 b) Determina si la reacción es espontánea o no, considerando que la S de la reacción es -42 J/K y la expresión: =-T S. Como observas en este ejercicio, la entropía es menor que cero, lo que indicaría que la reacción no es espontánea. Sin embargo, debes ijarte en el valor de energía libre de la reacción para saber qué es lo que ocurre realmente debido a que la espontaneidad de la de ésta y por tanto la energía libre dependen también de la temperatura. Para este caso, observa el valor de energía libre a 25 C. Para conocer si la reacción es espontánea se debe conocer el valor de, para lo que se utiliza la expresión =-T S. = -T S = 41.2x10 = 2.87x10 4 J (298K)( 42J / K) J < 0, la reacción es espontánea a 25 C, a pesar de que la entropía es negativa. c) Suponiendo que la entalpía y la entropía son independientes de la temperatura, calcula el valor de la energía libre a 800 C. Observa ahora el valor de la energía libre. Es espontánea esta reacción a 800 C? Para realizar este cálculo se necesita la misma expresión que la utilizada anteriormente. = -T S = 41.2x10 J (109K)( 42J / K) = 4706J > 0, la reacción no es espontánea a 800 C, sólo lo es a bajas temperaturas. Luego de revisar los ejercicios, puede aclararles a sus estudiantes que para que una reacción sea deinitivamente espontánea en el sentido que indica la reacción, S debe ser mayor que cero, y menor que cero. Sin embargo, hay reacciones en las que S es menor que cero y dichas reacciones son espontáneas solamente a bajas temperaturas. 4

5 Paso 2 La siguiente parte de la actividad ayudará a los estudiantes a comprender mejor las leyes de la termodinámica y los conceptos aquí revisados. En la guía se proponen dos ejemplos en los que se ilustra que aquellos procesos que tienden al desorden gastan menor cantidad de energía y por tanto son espontáneos, versus aquellos procesos. Sugerimos leerlos y luego generar una discusión en torno a procesos de la vida diaria que son espontáneos y otros que no lo son. Por ejemplo: - Todas las cosas que nos rodean tienden a estar en equilibrio térmico, esto es a la misma temperatura que el medio ambiente. Cambiar esta temperatura requerirá energía. - Situaciones como poner un hielo a 20 C son espontáneas (tendrán G > 0) y son endotérmicas (requieren energía, tendrán > 0). - Oxidación de algunos metales en zonas costeras. - Disolver una pastilla eervescente. Paso Puede cerrar esta actividad aclarando dudas acerca de la entalpía, la entropía y la energía libre. Así mismo, puede mostrar la presentación digital reerida a este tema disponible en educarchile.cl (Química NM, ). 5