Termodinámica química

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1 DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA PROFESOR: LUIS RUIZ MARTÍN QUÍMICA 2º DE BACHILLERATO Actividades tema 4 Termodinámica química Conceptos básicos. Primer principio de la termodinámica 1.- Qué es la termodinámica? Y la termoquímica? 2.- Qué es un sistema termodinámico? Define sistema abierto, cerrado y aislado. 3.-Define el concepto energía de dos maneras. 4.- Qué es la energía interna de un sistema (U)? De qué dos maneras se puede modificar? 5.- Qué es calor? Y el trabajo? Cómo se puede transferir calor a un sistema? Y trabajo? 6.-Define propiedades o variables termodinámicas. Clasifica las siguientes como propiedades extensivas o intensivas: U (energía interna), T (temperatura), P (presión), V (volumen), n (nº moles), m (masa), d (densidad) y N (número de partículas). 7.- Son variables o funciones de estado T, P, V, U? Y Q y W? 8.-Cuándo se puede decir que hay equilibrio termodinámico? 9.- Qué dice el primer principio de la termodinámica? Y el segundo? 10.- Qué es un proceso termodinámico? Y un proceso termodinámico reversible? E irreversible? Ejemplo 1 Calcula la variación de energía interna de un sistema que ha absorbido una cantidad de calor de 4000 J y realiza un trabajo de 5000 J sobre su entorno. De acuerdo con el convenio de signos: Q = 4000 J y W = 5000 J Aplicamos el 1º principio de la TD para determinar la variación de energía interna El sistema ha disminuido su energía interna en 1000 J U = Q + W = ( 5000) = 1000 J Ejemplo 2 Un gas que ocupa un volumen de 2 1 L se expande a temperatura constante hasta ocupar un volumen de V = 3 5 L. Calcula el trabajo realizado por el gas cuando se expande contra una presión externa de 1 2 atm. Datos: V O = 2 1 L V = 3 5 L P = 1 2 atm Hay que operar en el SI de unidades: 1 L = 10 3 m 3 1 atm = Pa Como: W = p V = 1 2 atm ( ) L = Pa m 3 = J El trabajo de expansión es de 170,24 J 11.-A presión atmosférica, cierto sistema aumenta su volumen en 50 cm 3. Calcula el trabajo de expansión del sistema si la presión se mantiene constante. [Sol: 5,065 J] 12.-Un gas contenido en un cilindro se comprime mediante un trabajo de 460 J. Si durante el proceso hay una cesión de calor de 120 J, calcula la variación de energía interna que tiene lugar en el proceso. [Sol: 340 J] 1

2 Entalpía ENTALPÍAS ESTÁNDAR DE FORMACIÓN ENTALPÍAS ESTÁNDAR DE COMBUSTIÓN Sustancia Sustancia Enlace ENTALPÍAS MEDIAS DE ENLACE H 2 O (g) Monóxido de H H H 2 O (l) carbono, CO (g) O=O CO (g) Cl Cl Etanol; C 2 H 5 OH (l) 1368 CO 2 (g) H Cl C 2 H 4 (g) O H 460 Metano, CH 4 (g) 890 C 2 H 6 (g) 84 7 C C 347 SO 2 (g) C=C 620 Carbono, C (grafito) 394 SO 3 (g) NH 3 (g) 46 3 C O 351 Acetileno, C 2 H 2 (g) 1300 NO (g) C=O 745 NO 2 (g) Sacarosa C H N 2 O 4 (g) C 12 H 22 O 11 ()s Br Br CaO (s) F F Propano C 3 H 8 (g) 2220 CaCO 3 (s) Br F 197 Ejemplo 3 Calcula cuántos gramos de propano deben quemarse para producir 700 kj según la reacción: C 3 H 8 (g) + 5O 2 3CO 2 (g) + 4H 2 O(l) H o = 2220 kj mol 1 La combustión de 1 mol de propano produce 2220 kj mol 1 ; para producir 700 kj harán falta mol de propano (regla de tres) Como m(propano) = n Mr = = gramos Los gramos de propano necesarios son 13,86 J 13.-Formula la ecuación de combustión del butano C 4 H 10, y calcula cuántos gramos de esta sustancia hay que quemar para producir 350 kj, sabiendo que su entalpía estándar de combustión es H o = 2877 kj mol 1. [Sol: 7,07 g] 15.-Considerando la gasolina como octano puro, C 8 H 18, calcula el calor producido cuando se quema totalmente 1 L de gasolina en condiciones estándar. (Densidad de la gasolina: 800 kg m 3 ; calor de combustión del octano: 5471 kj mol 1 ) [Sol: 3, kj] 14.-Calcula cuánto calor se producirá en condiciones estándar cuando reaccionen totalmente 25 kg de CaO en la reacción denominada apagado de la cal viva: CaO(s) + H 2 O(l) Ca(OH) 2 (s) H o = 65,21 kj [Sol: 2, kj] 16.-Formula la reacción de combustión del metano y calcula cuántos kilogramos de este gas deben quemarse en condiciones estándar para producir 2, kj de calor si se sabe que sólo se aprovecha el 75% del calor obtenido de la combustión. [Sol: 64,89 kg] Ejemplo 4 La reacción de síntesis del acetileno, C 2 H 2, es: 2C(grafito) + H 2 (g) C 2 H 2 (g). Calcula su variación de entalpía a partir de las siguientes ecuaciones: a) C(grafito) + O 2 (g) CO 2 (g) H a = kj b) H 2 (g) + 1/2O 2 (g) H 2 O(l) H b = kj c) 2C 2 H 2 (g) + 5O 2 (g) 4CO 2 (g)+2h 2 O(l) H c = kj 2

3 Teniendo en cuenta que en la reacción buscada aparecen entre los reactivos 2C y un solo H, se multiplica la ecuación a) por 2 y se deja la ecuación b) como está. Por otra parte, como se obtiene producto un C 2H 2, se da la vuelta a la ecuación c) y se divide entre 2. 2C(grafito) + 2O 2(g) 2CO 2(g) H 2(g) + 1/2O 2(g) H 2O(l) 2CO 2(g) + H 2O(l) C 2H 2(g) + 5/2 O 2(g) 2C(grafito) + H 2(g) C 2H 2(g) La variación de entalpía de la reacción es de kj 2 H a = 2 ( kj) H b = kj ½ H c = 1/2 ( kj) h H = kj 17.-Calcula la entalpía estándar de la reacción de síntesis del disulfuro de carbono, CS 2 (l) a partir de sus elementos: C(grafito) y azufre, S(s), a partir de estos datos: C(grafito) + O 2 (g) CO 2 (g) S(s) + O 2 (g) SO 2 (g) H 0 = 393,5 kj H 0 = 296,1 kj CS 2 (l) + 3O 2 (g) CO 2 (g) + 2SO 2 (g) H 0 = 1072 kj [Sol: 86,3 kj] 18.-La reacción de descomposición del carbonato de calcio es CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g). Calcula la entalpía estándar de esta reacción a partir de los datos de las entalpías de formación. [Sol: +177,8 kj] 19.-Formula la reacción de síntesis de un mol de metanol, CH 3 OH(l) y calcula la entalpía de la reacción a partir de las siguientes ecuaciones termoquímicas. CH 3 OH(l) + 3/2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) C(grafito) + O 2 (g) CO 2 (g) H 0 = 726,4 kj H 0 = 393,5 kj H 2 (g) + 1/2O 2 (g) H 2 O(l) H 0 = 285,8 kj [Sol: 238,7 kj] 20.-Utilizando los valores de las entalpías de enlace que aparecen en la tabla de esta hoja, determina con carácter aproximado la entalpía estándar de cada una de las reacciones siguientes: a) Br 2 (g) + 3F 2 (g) 2BrF 3 (g) b) Hidrogenación de eteno con formación de etano: CH 2 =CH 2 (g) + H 2 (g) CH 3 CH 3 c) Combustión del etanol: C 2 H 5 OH (g) + 3O 2 (g) 2CO 2 (g) + 3H 2 O(g) [Sol: a) kj; b) kj; c) kj] Entalpía. Repaso 21-(Sel) El benceno (C 6 H 6 ) se puede obtener a partir del acetileno (C 2 H 2 ) según la reacción siguiente: 3C 2 H 2 (g) C 6 H 6 (l). Las entalpías de combustión a 25 ºC y 1 atm, para el acetileno y el benceno son, respectivamente, 1300 kj mol 1 y 3267 kj mol 1. a) Calcule H 0 de la reacción de formación del benceno a partir del acetileno y deduzca si es un proceso endotérmico o exotérmico. b) Determine la energía (expresada en kj) que se libera en la combustión de 1 gramo de benceno. Datos: Masas atómicas: C = 12,0; H = 1,0 [Sol: a) 633 kj mol 1, b) 41,9 kj] 22.-(Sel) La entalpía de combustión del butano es H C = 2642 kj mol 1, si todo el proceso tiene lugar en fase gaseosa: a) Calcule la energía media del enlace O H. b) Determine el número de bombonas de butano (6 kg de butano/bombona) que hacen falta para calentar una piscina de 50 m 3 de 14 a 27 ºC. Datos: R = 0,082 atm L mol 1 K 1 ; Masas atómicas: C = 12; O = 16; H = 1; C e (calor específico del agua) = 4,18 kj K 1 Kg 1 ; ρ (densidad del agua) = 1 kg L 1. Energías medias de enlace: E(C C) = 346 kj mol 1 ; E(C=O) = 730 kj mol 1 ; E(O=O) = 487 kj mol 1 ; E(C H) = 413 kj mol 1. [Sol: a) 513,6 kj mol 1, b) 10 bombonas] 3

4 23.-(Sel) La entalpía para la reacción de obtención de benceno líquido a partir de etino gaseoso, 3C 2 H 2 C 6 H 6, es 631 kj mol 1. En todo el proceso la temperatura es 25 ºC y la presión 15 atm. Calcule: a) Volumen de etino necesario para obtener 0,25 L de benceno líquido. b) Cantidad de calor que se desprende en dicho proceso. c) Densidad del etino en dichas condiciones. Datos: R = 0,082 atm L mol 1 K 1 ; d(benceno) = 0,874 g cm 3 ; Masas atómicas: H = 1,C = 12 [Sol: a) 13,7 L, b) 1766,8 kj, c) 15,96 Kg/m 3 = 0,016 g/cm 3 ] 24.-(Sel) En el proceso de descomposición térmica del carbonato de calcio, se forma óxido de calcio y dióxido de carbono. Sabiendo que el horno en el que ocurre el proceso tiene un rendimiento del 65%, conteste a los siguientes apartados: a) Formule la reacción y calcule la variación de entalpía. b) Calcule el consumo de combustible (carbón mineral), en toneladas, que se requiere para obtener 500 kg de óxido de cálcico. Datos: H 0 f carbonato de calcio = 1206,9 kj mol 1 ; H 0 f óxido de calcio = 393,1 kj mol 1 ; H 0 f dióxido de carbono = 635,1 kj mol 1 ; 1 kg de carbón mineral desprende 8330 kj Masas atómicas: Ca = 40; O = 16. [Sol: a) 178,7 kj mol 1, b) 0,295 t] 25.-(Sel) Considere la combustión de carbón, hidrógeno y metanol (CH 3 OH). a) Ajuste las reacciones de combustión de cada sustancia. b) Indique cuales de los reactivos o productos tienen entalpía de formación nula. c) Escriba las expresiones para calcular las entalpías de combustión a partir de las entalpías de formación que considere necesarias. d) Indique como calcular la entalpía de formación del metanol a partir únicamente de las entalpías de combustión. 26.-(Sel) Sabiendo que la combustión de 1 g de TNT libera 4600 kj y considerando los valores de las entalpías de formación que se proporcionan, calcule: a) La entalpía de combustión estándar del CH 4. b) El volumen de CH 4, medido a 25 ºC y 1 atm de presión, que es necesario quemar para producir la misma energía que 1 g de TNT. Datos: H 0 f (CH 4 ) = 75 kj mol 1 ; H 0 f (CO 2 ) = 394 kj mol 1 ; H 0 f (H 2 O(g)) = 242 kj mol 1. [a) 803 kj mol 1, b) 139,3 L] Entropía y energía libre 27.-Contesta las siguientes cuestiones: a) Es posible la separación espontánea de una mezcla gaseosa uniforme? b) Es posible que una barra metálica se caliente espontáneamente en un extremo y se enfríe en el otro? c) Es posible que el gas encerrado en una vasija se concentre espontáneamente en un extremo de la misma dejando una presión menor en otro lado? d) Es posible que, espontáneamente, tinta disuelta homogéneamente en agua se agrupe y se concentre en una gota? ENTROPÍAS MOLARES ESTÁNDAR Sustancia S o (J mol 1 K 1 ) Sustancia S o (J mol 1 K 1 ) Sustancia S o (J mol 1 K 1 ) H 2 O (g) S (s) 31 9 CaO (s) 39 8 H 2 O (l) 69 9 Cu (s) 33 3 CaCO 3 (s) 92 9 H 2 O (s) 43 2 HCl (g) 187 MgCO 3 (s) H 2 (g) 131 CO 2 (g) MgO (s) N 2 (g) 192 SO 2 (g) CuO (s) 43 5 Cl 2 (g) 223 CH 4 (g) NaCl (s) 72 1 O 2 (g) 205 NH 3 (g) 193 C 2 H 5 OH (l)

5 28.-Calcula la variación de energía libre estándar para las siguientes reacciones a partir de las energías libres de formación de reactivos y productos. Razona si son o no espontáneas. ENERGÍAS LIBRES ESTÁNDAR DE FORMACIÓN Sustancia H 2 O (l) H 2 O (g) CO 2 (g) CH 4 (g) 50 8 MgO (s) NO (g) C 2 H 2 (g) SO 2 (g) SO 3 (g) a) 2MgO(s) 2Mg(s) + O 2 (g) b) N 2 (g) + O 2 (g) 2NO(g) c) 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) [Sol: 1139 kj, 173 kj, 140 kj] 29.-En la reacción C 8 H 16 (g) + H 2 (g) C 8 H 18 (g), se sabe que S o = 130 J K 1 y que H 0 = 125,5 kj. Calcula la variación de energía libre estándar para dicha reacción e indica si es espontánea. [Sol: 86,8 kj] 30.-Calcula la energía libre estándar de la reacción de combustión del metano: CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l), a partir de los siguientes datos: a) C(s) 2H 2 (g) CH 4 (g) G 0 = 50,8 kj b) C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) G 0 = 394,4 kj c) H 2 (g) + 1/2O 2 (g) H 2 O(l) G 0 = 237,2 kj [Sol: 818 kj] 31.-Para la reacción estándar: SiO 2 (s) + 2C(s) + Cl 2 (g) SiCl 4 (g) + 2CO(g), se sabe que H 0 = +32,9 kj y G 0 = 226,5 J K 1. Calcula a partir de qué temperatura la reacción es espontánea. [Sol: 145 k] 32.-(Sel) Utilizando los valores que aparecen en la tabla, todos obtenidos a la temperatura de 25 ºC, y considerando la reacción CO (g) + Cl 2 (g) COCl 2 (g) Compuesto S 0 (J mol 1 K 1 ) H 0 (kj mol 1 ) CO(g) Cl 2 (g) COCl 2 (g) 197,7 222,8 288,8 a) Calcule S 0 de la reacción. b) Calcule H 0 de la reacción. c) Calcule G 0 de la reacción. d) Razone si la reacción es o no espontánea [Sol: a) 0,13 kj mol 1 K 1 ; b) 112,4 kj mol 1 ; c) 73,66 kj mol 1 ] 110,4 0,0 222,8 33.-(Sel) La reacción de descomposición del tetraóxido de dinitrógeno, N 2 O 4 2NO 2, ocurre espontáneamente a temperaturas altas. Los datos termodinámicos, a 298 ºK, se incluyen en la tabla adjunta. Determine para dicha reacción: a) H 0 e S 0 a 298 ºK. b) La variación de energía interna a 298 ºK. c) Si la reacción es espontánea a 298 ºK en condiciones estándar. d) La temperatura a partir de la cual el proceso es espontáneo (considere que H 0 e S 0 son independientes de la temperatura). 1 Datos: R = 8,31 J K 1 mol [Sol: a) 57,2 kj mol 1 ; 0,176 kj mol 1 K 1 ; b) ,62 J mol 1 = 54,7 kj mol 1 ; c) 4,8 kj mol 1 (no lo es); d) T>325K] [Sol: a) 44 kj mol 1 ; 118 JK 1 mol 1 ; 8,84 kj mol 1 ; b) 372,9 K] Compuesto H 0 f (kj mol 1 ) S 0 (JK 1 mol 1 ) N 2 O 4 9,2 304 NO 2 33, (Sel) La tabla adjunta suministra datos termodinámicos, a 298 K y 1 atm, para el agua en estado líquido y gaseoso. a) Calcule H 0, S 0 y G 0 para el proceso de vaporización del agua. b) Determine la temperatura a la que la fase líquida y gaseosa se encuentran en estado de equilibrio. (considere que H 0 y S 0 no cambian con la temperatura) Datos: Compuesto H 0 f (kj mol 1 ) S 0 (JK 1 mol 1 ) H 2 O (l) H 2 O (g)

6 35.-(Sel) Razone si son correctas o incorrectas las siguientes afirmaciones: a) En una reacción química no puede ser nunca G = 0. b) G es independiente de la temperatura. c) La reacción no es espontánea si G > 0. d) La reacción es muy rápida si G < (Sel) Para la reacción de combustión del etanol, C 2 H 5 OH, que es un líquido a 25 ºC, conteste a las siguientes preguntas con la ayuda de los datos de la tabla que se adjunta: a) Escriba la reacción y calcula su G a 25 ºC. b) Calcule la variación de energía interna a 25 ºC. c) Explique si la reacción sería o no espontánea a 727 ºC (supóngase que H 0 f y S 0 son independientes de la temperatura). C 2 H 5 OH(l) O 2 (g) CO 2 (g) H 2 O(l) H 0 f (kj mol 1 ) 277,3 0,0 393,5 285,8 S 0 (J K 1 mol 1 ) 160,5 205,5 213,6 69,9 Dato: R = 8,31 J mol 1 K 1. [Sol: a) 1325,4 kj mol 1 ; b) 1364,6 kj mol 1 ] 37.-(Sel) En una reacción de combustión de etano (C 2 H 6 ) en fase gaseosa se consume todo el etano (equilibrio totalmente desplazado hacia los productos): a) Escriba y ajuste la reacción de combustión. b) Escriba la expresión para el cálculo de entalpía de reacción ( H 0 r) a partir de las entalpías de formación ( H 0 f). c) Escriba la expresión para el cálculo de la entropía de reacción ( S 0 r) a partir de las entropías (S 0 ). d) Justifique el signo de las magnitudes H 0 r y G 0 r. Fórmulas básicas: U = Q + W Q = Ce m T W = P V Qv = U Qp = H U = H n R T Qv = Qp n R T H r 0 = n H 0 f, prod m H 0 f, reac S 0 r = n S 0 f, prod m S 0 f, reac G r 0 = n G 0 f, prod m G 0 f, reac G = H T S C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O(g) n = 7 6 = 1 mol C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O(l) n = 3 6 = 3 mol sólo se consideran las sustancias gaseosas 6