Termoquímica 2/15/2011. Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. / Provisto por Dr. Hernández-Castillo 1. Capítulo 6

Transcripción

1 Energía es la capacidad para hacer trabajo Energía radiante viene del sol y es la uente de energía primaria de la Tierra Energía termal es la asociada al movimiento al azar de los átomos y moléculas Energía química es la almacenada en los enlaces químicos de las sustancias Termoquímica Capítulo 6 Energía nuclear es la almacenada en la colección de protones y neutrones en un átomo Energía potencial es la disponible por virtud de la posición de un objeto Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required or reproduction or display. 6.1 Cambios de energía en las reacciones químicas Calor es la transerencia de energía termal entre dos cuerpos que poseen dierentes temperaturas. Temperatura es una medida de energía termal. Termoquímica es el estudio de los cambios de calor en las reacciones químicas. El sistema es la parte especíica del universo que es de nuestro interés en el estudio. Temperatura = Energía termal 90 0 C 40 0 C abierto cerrado aislado Mayor energía termal 6.2 Intercambio: masa & energía energía nada 6.2 Provisto por Dr. Hernández-Castillo 1

2 Proceso exotérmico es un proceso que produce calor transiere energía termal desde el sistema hacia los alrededores. 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O (l) + energía H 2 O (g) H 2 O (l) + energía Proceso Endotérmico es un proceso que consume calor tiene que ser suplido por los alrededores. energía + 2HgO (s) 2Hg (l) + O 2 (g) energía + H 2 O (s) H 2 O (l) Exotérmico Endotérmico Termodinámica es el estudio cientíico de la interconversión del calor y otras ormas de energía. Funciones de estado son propiedades que son determinadas por el estado del sistema, independientemente de cómo se llegó a esa condición. energía, presión, volumen, temperatura Primera ley de termodinámica la energía puede ser interconvertida de una orma a otra, pero no se puede crear ni destruir. E sistema + E alrededores = 0 o E sistema = - E alrededores E = E inal - E inicial P = P inal - P inicial V = V inal - V inicial C 3 H 8 + 5O 2 3CO 2 + 4H 2 O Reacción química exotérmica! Energía potencial del patinador 1 y del patinador 2 es la misma aunque tomaron dierentes rutas. T = T inal - T inicial 6.3 Energía química perdida en combustión = Energía ganada por alrededores sistema alrededores 6.3 Provisto por Dr. Hernández-Castillo 2

3 Otra orma de la primera ley para E sistema E = q + w E es el cambio en energía interna del sistema q es el intercambio de calor entre el sistema y los alrededores w es el trabajo realizado en (o por) el sistema w = -P V cuando un gas se expande contra una P constante Una muestra del gas nitrógeno se expande de un volumen de 1.6L a 5.4L a temperatura constante. Cuánto es el trabajo hecho en Julios si el gas se expande a) contra un vacío y b) contra una presión constante de 3.7 atm? w = -P V (a) V = 5.4 L 1.6 L = 3.8 L P = 0 atm W = -0 atm x 3.8 L = 0 L atm = 0 julios (b) V = 5.4 L 1.6 L = 3.8 L P = 3.7 atm 6.3 w = -3.7 atm x 3.8 L = L atm w = L atm x J 1L atm = J 6.3 Entalpía y la primera Ley de Termodinámica E = q + w A presión constante: q = H y w = -P V E = H - P V H = E + P V Entalpía (H) es usada para cuantiicar el lujo de calor hacia o desde un sistema en un proceso a presión constante. H = H (productos) H (reactivos) H = calor absorbido o liberado durante una reacción a P constante H productos < H reactivos H < 0 H productos > H reactivos H > 0 Provisto por Dr. Hernández-Castillo 3

4 Ecuaciones termoquímicas Ecuaciones termoquímicas Es H negativo o positivo? El sistema absorbe calor Endotérmico H > 0 Es H negativo or positivo? El sistema produce calor Exotérmico H < kj son absorbidos por cada mol de hielo que se derrite a 0 0 C yd 1 atm. H 2 O (s) H 2 O (l) H = 6.01 kj kj son liberados por cada mol de metano que se quema a 25 0 C y 1 atm. CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O (l) H = kj Ecuaciones termoquímicas Los coeicientes estequiométricos siempre se reieren a los moles de una sustancia H 2 O (s) H 2 O (l) H = 6.01 kj Si usted usa la reacción contraria, el signo de H cambia H 2 O (l) H 2 O (s) H = kj Si usted multiplica ambos lados de la ecuación por un actor n, entonces H tiene que cambiar por ese mismo actor n. 2H 2 O (s) 2H 2 O (l) H = 2 x 6.01 = 12.0 kj Ecuaciones termoquímicas El estado ísico de los reactivos y los productos tiene que ser especiicado en las ecuaciones. H 2 O (s) H 2 O (l) H = 6.01 kj H 2 O (l) H 2 O (g) H = 44.0 kj Cuánto calor se produce cuando 266 g de ósoro blanco (P 4 ) se quema en aire? P 4 (s) + 5O 2 (g) P 4 O 10 (s) H = kj 1 mol P g P 4 x g P kj x = 6470 kj 1 mol P 4 Provisto por Dr. Hernández-Castillo 4

5 El calor especíico (s) de una sustancia es la cantidad de calor (q) necesaria para aumentar la temperatura a un gramo de la sustancia por un grado Celsius. La capacidad calórica (C) de una sustancia es la cantidad de calor (q) necesaria para aumentar la temperatura de una cantidad dada (m) de la sustancia por un grado Celsius. C = m x s Cuánto calor es liberado cuando una barra de hierro de 869g se enría desde 94 0 C a 5 0 C? s de Fe = J/g 0 C t = t inal t inicial = 5 0 C 94 0 C = C q = ms t = 869 g x J/g 0 C x 89 0 C = -34,000 J Calor (q) absorbido o liberado: q = m x s x t q = C x t t = t inal - t inicial Calorimetría de Volumen constante Calorimetría a Presión Constante q sist = q agua + q bomba + q rxn q sist = 0 q rxn = - (q agua + q bomba ) q agua = m x s x t q bomba = C bomba x t Reacción a V constante H = q rxn q sist = q agua + q cal + q rxn q sist = 0 q rxn = - (q agua + q cal ) q agua = m x s x t q cal = C cal x t Reacción a P constante H = q rxn El calor ni entra ni sale! H ~ q rxn El calor ni entra ni sale! Provisto por Dr. Hernández-Castillo 5

6 Dado que no hay manera de medir el valor absoluto de la entalpía de una sustancia, debemos medir el cambio en entalpía para cada reacción de interés? Establecemos una escala arbitraria con las entalpías estándar de ormación ( H 0 ) como punto de reerencia para todas las expresiones de entalpía. La entalpía estándar de ormación ( H 0 ) es el cambio en calor que resulta cuando un mol de un compuesto es ormado de sus elementos a una presión de 1 atm. La entalpía estándar de ormación de cualquier elemento en su orma mas estable es cero. H 0 (O 2 ) = 0 H 0 (O 3 ) = 142 kj/mol H 0 (C, graito) = 0 H 0 (C, diamante) = 1.90 kj/mol La entalpía estándar de reacción ( H 0 rxn) es la entalpía de la reacción llevada a cabo a 1 atm de presión. aa + bb cc + dd H 0 rxn H 0 rxn = [ c H 0 (C) + d H 0 (D)] - [ a H 0 (A) + b H 0 (B)] = Σ n H 0 (productos) - Σm H 0 (reactivos) Ley de Hess s: Cuando los reactivos son convertidos en productos, el cambio en entalpía es el mismo independiente de que la reacción tomara varios pasos o sólo uno. (La entalpía es una unción de estado. No importa como usted obtiene el estado, sólo como comienzas y como terminas.) Provisto por Dr. Hernández-Castillo 6

7 C (graito) + 1/2O 2 (g) CO (g) + 1/2O 2 (g) C (graito) + O 2 (g) CO (g) CO 2 (g) CO 2 (g) Calcule la entalpía estándar de ormación de CS 2 (l) dado que : C(graito) + O 2 (g) CO 2 (g) H 0 = kj rxn S(rómbico) + O 2 (g) SO 2 (g) H 0 = kj rxn CS 2 (l) + 3O 2 (g) CO 2 (g) + 2SO 2 (g) H 0 = kj rxn 1. Escriba la rxn de ormación de CS 2 C(graito) + 2S(rómbico) CS 2 (l) 2. Sume las reacciones de manera que le resulte la deseada: + C(graito) + O 2 (g) CO 2 (g) H 0 rxn= kj 2S(rómbico) + 2O 2 (g) 2SO 2 (g) H 0 rxn = x2 kj CO 2 (g) + 2SO 2 (g) CS 2 (l) + 3O 2 (g) H 0 = kj rxn C(graito) + 2S(rómbico) CS 2 (l) H 0 rxn= (2x-296.1) = 86.3 kj El benceno (C 6 H 6 ) se quema en aire para producir dióxido de carbono y agua líquida. Cuánto calor es liberado por mol de benceno quemado? La entalpía estándar de ormación de benceno es kj/mol. La entalpía de solución ( H soln ) es el calor generado o absorbido cuando una cantidad de soluto se disuelve en una cantidad de disolvente. H soln = H soln - H componentes 2C 6 H 6 (l) + 15O 2 (g) 12CO 2 (g) + 6H 2 O (l) H 0 rxn = Σn H 0 (productos) - Σm H 0 (reactivos) H 0 rxn = [ 12 H 0 (CO 6 H 0 2 ) + (H 2 O) ] - [ 2 H 0 (C 6 H 6 )] Cuál(es) sustancia(s) se puede(n) usar para derretir el hielo? H 0 rxn = [ 12 x + 6 x ] [ 2 x ] = kj kj 2 mol = kj/mol C 6 H 6 Cuál(es) sustancia(d) se puede(n) usar para un empaque río (un cold pack )? 6.7 Provisto por Dr. Hernández-Castillo 7

8 El proceso de disolución de NaCl H soln = Paso 1 + Paso 2 = = 4 kj/mol 6.7 Provisto por Dr. Hernández-Castillo 8