Capítulo 6: Termoquímica

Transcripción

1 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 1/21 Capítulo 6: Termoquímica Dr. Alberto Santana Universidad de Puerto Rico Recinto Universitario de Mayagüez Departamento de Química

2 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 2/21 Introducción Las rxns. químicas envuelven la TRANSFERENCIA de calor. Ej: En una rxn de combustión se libera calor (energía en forma de calor). Esta energía se puede usar para hacer trabajo como mover un pistón... el resto es historia. Termodinámica: estudio del calor y el trabajo.

3 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 3/21 Tipos de energía Energía cinética: se relaciona al movimiento. E = 1 2 mv2 1. Energía térmica: toda la materia la posee 2. Energía mecánica 3. Energía eléctrica Energía potencial: se debe a la posición de un objeto. Se le llama energía almacenada. E = mgh 1. Energía potencial química: atracción entre e y núcleos 2. Energía gravitacional 3. Energía electrostática: atracción entre iones positivos y negativos

4 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 4/21 Conceptos importantes Calor y temperatura: no son la misma cosa. A mayor energía térmica, mayor será el movimiento atómico o molecular. Sistema y sus alrededores Direccionalidad del flujo de calor (equilibrio térmico) Proceso exotérmico Proceso endotérmico Unidad de energía: el joule (J). Anteriormente se usaba la caloría, 1 cal = J (exacto).

5 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 5/21 Ejercicio 6.1 Un electrón (masa = kg) viaja a una velocidad de m/s. Cuál es la energía cinética del electrón en J y en cal? E = 1 2 mv2

6 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 6/21 Solución Ejercicio 6.1 Un electrón (masa = kg) viaja a una velocidad de m/s. Cuál es la energía cinética del electrón en J y cal? E = 1 2 mv2 = 1 2 ( kg)( m/s) 2 = J = cal

7 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 7/21 Primera Ley de la Termodinámica Ley de conservación de la energía. La energía total del universo es constante.

8 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 8/21 Calor de reacción Tipo de rxn Efecto signo de q endotérmica envase se enfría + exotérmica envase se calienta -

9 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 9/21 Entalpía y cambios en la entalpía Usualmente las rxns ocurren bajo condiciones controladas. Lo más común es tener P constante, hablamos de q p. Se define el cambio en entalpía, H: función de estado que se usa para determinar el calor transferido durante una rxn. La entalpía es una propiedad extensiva (depende la cantidad de sustancia). Puedo definir H = H prod H react = q p.

10 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 10/21 Ejercicio 6.2 El amoniaco se quema en presencia de un catalizador de Pt: 4NH 3 (g) + 5O 2 (g) Pt 4NO(g) + 6H 2 O(l) La rxn produce 1170 kj de calor. Decida si la rxn es exotérmica o endotérmica. Cuál es el valor de q?

11 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 11/21 Ecuaciones termoquímicas y estequiometría 4NH 3 (g) + 5O 2 (g) Pt 4NO(g) + 6H 2 O(l), H = 1170 kj 4NO(g) + 6H 2 O(l) Pt 4NH 3 (g) + 5O 2 (g), H = 1170 kj 2NO(g) + 3H 2 O(l) Pt 2NH 3 (g) O 2(g), H = 585 kj Ejercicio 6.5: Cuánto calor se genera de la reacción de 10.0 g de hidrazina? 2N 2 H 2 (l) + N 2 O 4 (l) 3N 2 (g) + 4H 2 O(g), H = 1049 kj

12 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 12/21 Calor específico y transferencia de calor La cantidad de calor que se transfiere (q) durante un proceso se define como: q = s m T (1) ( ) donde s es el calor específico, m es la masa de la J g C muestra (g) y T es el cambio en temperatura ( C) el cual se calcula como T f T i. q = s m (T f T i ) (2)

13 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 13/21 Algunos valores de s Compuesto Nombre s (J/g C) NH 3 (l) amoniaco 4.70 H 2 O(l) agua C 2 H 5 OH(l) etanol 2.44 H 2 O(s) agua 2.06 Cu cobre Fe hierro 0.449

14 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 14/21 Problema Ejercicio 16: El calor específico del cobre es J/g C. Qué cantidad de calor se necesita para calentar 168 g de cobre desde hasta 25.6 C?

15 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 15/21 Ley de Hess Puedo usar ecuaciones termoquímicas conocidas para determinar el H de otras que no conozca. C(s) O 2(g) CO(g) H 1 = 110.5kJ CO(g) O 2(g) CO 2 (g) H 2 = 283.0kJ C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) H 3 = H 1 + H 2 donde H 3 = 393.5kJ

16 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 16/21 Problema de Ley de Hess Ejercicio 6.8: Manganeso metálico se puede preparar de la rxn de dióxido de manganeso con aluminio. 4Al(s) + 3MnO 2 (s) 2Al 2 O 3 (s) + 3Mn(s) Usando las siguientes ecuaciones termoquímicas, determine el valor de H para la rxn anterior. 2Al(s) O 2(g) Al 2 O 3 (s) H 1 = 1676kJ Mn(s) + O 2 (g) MnO 2 (s) H 2 = 520kJ

17 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 17/21 Soluciónal ejercicio 6.8 Meta: 4Al(s) + 3MnO 2 (s) 2Al 2 O 3 (s) + 3Mn(s) Dado: 2Al(s) O 2(g) Al 2 O 3 (s) H 1 = 1676kJ (1) Mn(s) + O 2 (g) MnO 2 (s) H 2 = 520kJ (2) Multiplico (1) por 2; invierto (2) y la multiplico por 3. 4Al(s) + 3O 2 (g) 2Al 2 O 3 (s) 3MnO 2 (s) 3Mn(s) + 3O 2 (g) 4Al(s) + 3MnO 2 (s) 2Al 2 O 3 (s) + 3Mn(s) H 1 = 2 ( 1676)kJ H 2 = 3 (520)kJ H 3 = 1792kJ

18 Entalpía de formación estándar Estado estándar: se refiere a las condiciones termomdinámicas escogidas para comparar data termodinámica. (1 atm de presión y usualmente 25 C de temperatura). La entalpía es estas condiciones se llama, H. Estado (o forma) de referencia: la forma más estable (estado físico y alótropo) de un elemento bajo condiciones estándares. Podemos hablar de entalpía de formación estándar, Hf (o calor de formación estándar): cambio en entalpía para la formación de un mol de sustancia en su estado estándar a partir de los elemento en sus estados de referencia. Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 18/21

19 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 19/21 H rxn Convertir grafito en diamante: C(grafito) C(diamante), Hrxn =? Defino Hrxn = H f (prod) H f (react). Hrxn = kj/mol 0 = kj/mol

20 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 20/21 Ejercicio 6.9 Calcule el calor de vaporización, H vap de agua. H 2 O(l) H 2 O(g), H vap

21 Dr. Alberto Santana, Química 3041, Cap. 6: Termoquímica p. 21/21 Ejercicio adicional Calcule Hrxn para C 6 H 6 (l) O 2(g) 6CO 2 (g) + 3H 2 O(l) Hf [C 6H 6 (l)] = kj/mol. Respuesta: [ Hrxn = 6 mol ( = 3267 kj kj ) mol ( + 3 mol kj )] mol kj