Capítulo 6 Termoquímica. En este capítulo se estudian los conceptos de la termoquímica. Al terminar este capítulo, el estudiante podrá:

Transcripción

1 Capítul 6 Termquímica En este capítul se estudian ls cncepts de la termquímica. Al terminar este capítul, el estudiante pdrá: 1. Definir y explicar ls términs siguientes:. Energía. Energía radiante. Energía térmica. Energía química. Energía ptencial. Termquímica. Sistema abiert. Sistema cerrad. Sistema aislad. Endtérmic. Extérmic. Entalpía ( H). Calrimetia. Capacidad calrífica. Calr específic 2. Clasificar ls prcess cmunes cm endtérmics extérmics. 3. Usar ecuacines de termquímica y estequimetría para determinar la cantidad de calr perdid ganad en una reacción química. 4. Realizar cálculs que invlucran calr específic, masa y cambi de temperatura. 5. Dibujar ls cmpnentes principales de una bmba calrimétrica a vlumen cnstante. 6. Determinar el calr de las reaccines dads ls dats experimentales reunids en un experiment de calrimetría. 7. Calcular la entalpía estándar de reaccines dada la entalpía estándar de frmacines para ls prducts y reactivs. 8. Aplicar la ley de Hess a un prces de multipas para determinar la entalpía estándar de reacción. 9. Describir calr de slución, energía reticular, calr de hidratación, calr de dilución, sistema, alrededres, y energía interir. 10. Clasificar prpiedades de materiales cm funcines de estad funcines de n estad. 11. Reiterar la Primera Ley de la Termdinámica. 12. Recrdar ls signs cnvencinales para trabaj y calr usads en el libr de text.

2 13. Aplicar las relacines de calr y trabaj para ls prblemas de fase gasesa. 14. Definir H en términs de E, P, y V. 15. Calcular el cambi en la energía interir ( E) dadas las ecuacines de termquímica. 6.1 La naturaleza de la energía y ls tips de energía La energía, es decir, la capacidad para efectuar un trabaj, tma muchas frmas. Éstas incluyen la energía cinética, ptencial, radiante, térmica, y química. Ls estudiantes algunas veces cnfunden energía y temperatura. Si pnems una lla de agua en la estufa de la ccina y se vuelve una marca alta, bservams que la temperatura del agua aumenta (usand un termómetr) cnfrme se calienta el agua. Este prces cntinúa hasta que alcanzams el punt de ebullición del agua. Una vez que esta temperatura es alcanzada, el agua ya n aumenta en la temperatura, per tdavía agregams energía al sistema prque la marca en la estufa tdavía lee alt. L que muestra es que la temperatura del agua y la energía bmbeadas en él sn prprcinales hasta que el punt de ebullición se alcanza. A ese punt, la energía se usa para cambiar el estad físic del agua líquida a vapr sin cambiar la temperatura de ambs. Si utilizams el cncept de la cnservación de energía, sabems que la energía prprcinada pr la estufa al punt de ebullición del agua debe usarse para rmper las fuerzas de atracción que sstienen las mléculas del agua juntas en la fase líquida. 6.2 Cambis de energía en las reaccines químicas El calr se define cm la transferencia de energía térmica entre ds cuerps que están a diferentes temperaturas. Es un prces y n es energía. Es incrrect referirse a calentar la energía. La termquímica es el estudi de ls cambis de calr en las reaccines químicas. En la termquímica, tenems el sistema y ls alrededres que cnstituyen el univers. También ns referims a sistemas abiert, cerrad, aislad. Un sistema abiert permite la transferencia de energía y masa; un sistema cerrad permite la transferencia sól de energía; y un sistema aislad n permite la transferencia de energía masa. Ls prcess extérmics emiten energía. El prefij ex se refiere a extern, así extérmic significa energía que se da fuera de. L puest de extérmic es endtérmic que significa que la energía es absrbida. Se puede cnsiderar

3 que en una reacción extérmica la energía es un de ls prducts de la reacción, así cm un reactiv en las reaccines endtérmicas. Ls estudiantes a veces piensan que puest que se agrega energía al sistema en una reacción endtérmica, la temperatura del sistema debe subir. Su lógica es que si se agrega energía al sistema, entnces la temperatura debe elevarse. De hech, la energía está alejada de ls alrededres; así un efect de enfriamient curre y está incrprad en ls prducts cm energía almacenada en ls enlaces químics. Ls estudiantes parecen cmprender mejr las reaccines extérmicas puest que, si la energía se libera, entnces la temperatura de ls alrededres debe elevarse. 6.3 Entalpía La mayría de las reaccines que se realizan está abierta a la atmósfera, pr l que nrmalmente hay interés en ls prcess de presión cnstante. La energía que se transfiere en un prces de presión cnstante se llama entalpía y se simbliza pr H. La entalpía es una prpiedad extensiva y también es una función que establece l que mide H, el cambi en la entalpía es independiente de la trayectria tmada yend del estad un al estad ds. H es igual a H para ls prducts, mens H para ls reactivs. Si H es negativ, la reacción es extérmica (la energía se libera) y si H es psitiv, la reacción es endtérmica (la energía se absrbe). Un métd para ayudar a que ls estudiantes cmprendan est, es cnsiderar ls siguientes cnjunts de reaccines. Asuma que la reacción siguiente curre: A + B C Asuma más allá que ls reactivs A y B cntienen un ttal de 100 unidades de energía y el prduct C cntiene 80 unidades de energía. Pr cnsiguiente, prque la ley de cnservación de energía debe sstenerse, 20 unidades de energía deben liberarse. Si la energía se libera, entnces la reacción debe ser extérmica. Para esta reacción H = H prducts - H reactivs = = -20 El punt imprtante es que H<0 es negativ. Pr cnsiguiente, H para las reaccines extérmicas debe ser negativa. La cnversión es verdadera para reaccines

4 endtérmicas. Pr ejempl, asuma que la siguiente reacción curre: F + E G Asuma que la reacción es endtérmica y que la suma de la energía en F y E es 70 unidades y la energía de G es 120 unidades. Así deben prprcinarse 50 unidades de energía para que prceda esta reacción. La reacción es endtérmica. H = H prducts - H reactivs = = +50 Aquí H es > 0 que siempre es verdad para las reaccines endtérmicas. Se pdría pensar en la reacción extérmica cm A + B C + energía dnde la energía es un prduct para la reacción extérmica y energía + F + E G dnde la energía es un reactiv para la reacción endtérmica. La fusión de hiel es H 2 O(s) H 2 O (l) El calr que se requiere para hacer est es 6.01 kj para un ml y se le cnce cm calr de fusión del agua. Pr cnsiguiente, H = kj. El prces invers H 2 O (l) H 2 O(s) debe tener H = kj. Pr cnsiguiente, la fusión del hiel es endtérmica prque el calr está alejad de ls ambientes mientras la cngelación del agua caliente se libera a ls alrededres y es extérmica. El prces de cnvertir el agua líquida a vapr H 2 O (l) H 2 O(g) tiene H = kj para un ml y se cnce cm el calr de vaprización. El prces invers H 2 O(g) H 2 O (l) es extérmic. Es pr esta razón que las quemaduras de vapr

5 sn a menud severas. La cnversión del vapr a agua líquida libera una gran cantidad de energía a ls alrededres que prducen una quemadura a la piel expuesta. 6.4 Calrimetría El calr específic y la capacidad calrífica sn cncepts a menud cnfuss. El calr específic se define cm la cantidad de calr requerid para elevar la temperatura de un gram de material a un grad Celsius. Tiene unidades de jules pr el gram grads Celsius. La capacidad calrífica es la cantidad de energía requerida para elevar una cantidad dada de material un grad Celsius. Tiene las unidades de jules pr grad Celsius. Mirand las unidades simplemente, es fácil ver que calr tiemp masa específica es igual a capacidad calrífica. El autr incluye ambas, bmba calrimétrica a vlumen cnstante y calrímetr a presión cnstante. La mayría de ls estudiantes n experimentará cn la bmba calrimétrica puest que requiere equip bastante sfisticad En el ejempl 6.4, el autr muestra que el calr de neutralización para HCl cn NaOH es kj/ml. Ésta es una buena prtunidad para repasar el cncept de ecuacines iónicas netas puest que de hech kj/ml es el H para la reacción de H + (ac) + OH-(ac) H 2 O (l) Pr cnsiguiente, cualquier reacción de neutralización que prduce esta ecuación iónica neta siempre tendrá el mism H. Este cncept puede resultar n tan bvi a ls estudiantes. L invers de esta reacción se bserva en la tabla 6.2 y tiene un H igual a kj/ml. 6.5 Entalpía estándar de frmación y reacción La frma más estable de xígen a 25 C es el xígen mlecular, O 2, y n el zn, O 3. Ls estudiantes quizás l aceptarán prque han íd hablar sbre la capa de zn y cóm ls clrflurcarbns la están destruyend. Les será más difícil aceptar que el grafit es más estable que el diamante prque están cnscientes de que aquel se quemará, per ls diamantes "duran para siempre". El prfesr necesita explicar que pr estabilidad se debe entender estabilidad termdinámica y n reactividad química. Quizás la analgía siguiente puede ayudar a explicar la diferencia entre estabilidad termdinámica y reactividad química. Respect a la energía ptencial, una caja de diez

6 libras ubicada encima de un precipici que pasa pr l alt de un cañón n es tan estable cm una caja similar ubicada una pulgada sbre el suel del cañón. Si la caja en la cima del precipici se ubica cn firmeza en la tierra mientras la caja en el fnd del cañón está equilibrada en la cabeza de un alfiler, ciertamente la caja al fnd del cañón es la más reactiva de las ds cajas. La caja cn la energía más baja es la más reactiva. La analgía cnsiste en que la caja ubicada en la cima del precipici crrespnde al diamante (energía más alta, mens reactiv) mientras la caja en el alfiler crrespnde al grafit (más baja energía, más reactiv). El cambi en la entalpía para una reacción, H, se puede determinar experimentalmente usand calrimetría indirectamente la ley de Hess. En el ejempl 6.5, se demuestra el métd tradicinal, en el que se usa la ley de Hess, para determinar H para C2H 2. Para alguns f estudiantes est se vuelve cnfus intimidante pr tdas las fórmulas químicas. Puede ser más cómd si cada un de ls químics asigna una sla letra variable y entnces, después de escribir varias ecuacines, resuelva para la ecuación deseada. Pr ejempl, usand las ecuacines etiquetadas a, b, y c en el ejempl 6.5, permítans definir l siguiente: C(grafit) = A O 2 (g) = B CO 2 (g) = C H 2 (g) = D H 2 O (l) = E C 2 H 2 (g) = F La reacción a en el ejempl 6.5 se vuelve aa) A + B = C H rxn = kj La reacción b, bb) D + 1/2B = E = kj H rxn

7 La reacción c, cc) 2F + 5B = 4C + 2E H rxn = kj La reacción deseada para la frmación de C 2 H 2 de sus elements es dd) 2A + D = F H rxn =? La tarea es, entnces, cambiar en frma algebraica las ecuacines aa, bb y cc a la ecuación prducida dd. El primer pas es advertir que la ecuación dd tiene F en el lad derech así cc de la ecuación debe multiplicarse pr -1/2 para prducir -1/2(2F + 5B = 4C + 2E) -1/2( H rxn ) -F 5/2B = -2C E ee) 2C + E = F + 5/2B (-1/2)( kJ) La ecuación dd tiene 2A en la izquierda, así la ecuación aa se duplica. ff) 2A + 2B = 2C (2) H rxn (2) ( kj) La ecuación dd tiene D en la izquierda así la ecuación bb se usará sin cambis. La ecuación dd se btiene si se agregan ee, ff, y bb 2C + E = F + 5/2B 2A + 2B = 2C H rxn H rxn = kj = kj D + 1/2B = E H rxn = kj 2A + D = F H rxn = C(grafit) + H 2 (g) C 2 H 2 (g) H rxn = kj Este métd cnsume más tiemp, per una vez que el estudiante adquiere cnfianza reslviend ls prblemas de la ley de Hess cn este métd, puede sentirse más segur usand

8 el métd más tradicinal mstrad en el ejempl Calr de dislución y dilución Ls estudiantes recncen el prces de calr extérmic de dislución prque muchs de ells han experimentad cn dislucines que generan calr al mezclarse. Pr ejempl, pueden haber experimentad el calr generad cuand se mezcla ácid sulfúric y agua. Las reaccines endtérmicas sn mens cmunes per muchas sales de amni sn endtérmicas cuand se mezclan en frma mixta cn el agua. Las bandas frías que usan ls atletas sn ejempls de reaccines endtérmicas que curren al mezclarse. 6.7 Intrducción a la termdinámica La energía, el vlumen, la presión y la temperatura sn funcines de estad, prpiedades determinadas pr el estad del sistema, independientemente de cóm esa cndición se haya alcanzad. Pr tr lad, calr y trabaj n sn funcines de estad prque dependen del camin tmad para alcanzar el estad final. La primera ley de la termdinámica establece que la energía se puede cnvertir de una frma a tra frma, per n se puede crear ni destruir. Nstrs l cncems cm la ley de la cnservación de la energía. Est puede expresarse cm E = q + w Es imprtante entender la cnvención de signs para calr y trabaj. La cnvención para q es psitiv para un prces endtérmic y negativ para un prces extérmic. El cnveni de signs para el trabaj establece que w es psitiv para trabaj hech pr ls alrededres sbre el sistema, y negativ para el trabaj hech pr el sistema sbre ls alrededres. La cnvención de signs para q es igual que para H para las reaccines extérmicas y endtérmicas. Si pensams en el trabaj que se ejecuta en el sistema cm un reactiv, entnces el sign en w será psitiv cm q es psitiv para las reaccines extérmicas. Para sistemas dnde se realiza el trabaj, éste se puede cnsiderar cm un prduct y así es similar a las reaccines extérmicas y el sign sería negativ. Si recrdams que R = L atm/ml K = J/ml K, entnces, tenems 1 L atm = J. Ls términs L atm n pueden ser fácilmente recncids cm unidades para la

9 energía, per en realidad sí l sn. Se define el cambi de entalpía cm y también H = E + (PV) E = q + w se cnsigue H = q + w + (PV) Si se sustituye w = -P V y se mantiene la presión cnstante se cnsigue H = q P Puest que la mayría de las reaccines cmunes existentes se realiza a presión cnstante, el calr bservad, perdid ganad, es una medida directa de H rxn