Las transformaciones químicas y los balances energéticos Las reacciones químicas: energía

Transcripción

1 Termquímica 1/6 Cm bien sabems, el cncimient de las transfrmacines que puede sufrir la materia es una las ds grandes precupacines de la Química (la tra es el estudi de su estructura). Tdas las sustancias sn susceptibles de reaccinar químicamente. Un cambi químic implica un prces en el que se prducen mdificacines en la cmpsición de alguna sustancia, cnvirtiéndse en tra u tras sustancias diferentes: en cualquier reacción química se frma algún prduct nuev, cn prpiedades diferentes a las de las sustancias de partida. Per de una reacción química n sól ns interesan ls balances entre cantidades y tips de sustancias que intervienen en la reacción, sin también la energía asciada a la transfrmación (energía de reacción). La rerdenación de ls átms que tiene lugar en el transcurs de una reacción química implica la ruptura de uns enlaces químics y la frmación de trs nuevs. Est cnduce a unas variacines de energía entre las sustancias en su frma final cn respect a las sustancias iniciales: ls enlaces sn interaccines entre ls átms ines que frmas las sustancias riginadas pr distints tips de fuerzas que ls mantienen unids, dand esta cmbinación y dispsición espacial cncreta de ls átms un nivel energétic cncret para ese sistema, que se verá alterad cuand éste se transfrme (ls átms se rerdenen y recmbinen). Es decir, en el transcurs de una determinada reacción pdrá haber un desprendimient de energía necesitarems administrar energía al sistema que reaccina, según la energía de las sustancias iniciales sea mayr menr que la de las finales. En una reacción química n sól ns interesan las cantidades de sustancias que reaccinan y que se prducen, sin también la energía asciada a la transfrmación: la energía de la reacción. Una dispsición espacial cncreta de un cnjunt de átms implica una determinada energía Cada fragment de materia, cada sistema, que analicems está frmad pr una más sustancias, cada una de ellas caracterizadas pr una clcación cncreta de una serie de átms en el espaci. Estas diferentes dispsicines de ls átms, en interacción uns cn trs, tendrán asciadas una cierta cantidad de energía. En definitiva, un ml de un sustancia tiene una determinada cantidad de energía, de la misma frma que tiene una determinada cantidad de masa. A esta energía inherente a nuestr sistema y que depende de su cnstitución (tip, cantidad y estad físic de la materia) es a l que denminams Energía interna, E, del sistema. Energía interna: Energía ttal inherente a un sistema que depende de su cnstitución: tip y cantidad de materia y estad físic. Será el resultad de sumar la energía ptencial más la energía cinética asciadas cn una determinada dispsición espacial de ls átms que frman la muestra. Cuand en el transcurs de una reacción química una sustancia reaccina para transfrmarse en tra, la nueva agrupación de átms tendrá una energía interna diferente a la inicial. Es decir, cuand tiene lugar una reacción química existirá una liberación de energía (si la energía interna de ls prducts en menr que la de ls reactivs) necesitarems suministrar energía al sistema (si la energía de ls reactivs es menr que la de ls prducts). Variacines en la energía durante una transfrmación química: la Entalpía de una reacción La energía de ls sistemas puede presentarse de distintas frmas: energía térmica, energía mecánica, energía eléctrica,... inclus la masa sabems que la pdems cnsiderar cm una manifestación de la energía (en las reaccines nucleares se prduce energía que prcede de una disminución de la masa). Hy en día está bien establecid que la energía así entendida en el Univers siempre se cnserva, l que es l mism, si una frma de energía disminuye, esta se invierte en aumentar tra: est es l que ns dice el Primer Principi de la Termdinámica. Durante una transfrmación química encntrams que las transferencias de energía se realizan fundamentalmente en frma de calr, est es, la diferencia entre la energía térmica que cntienen ls reactivs y ls prducts. Esta energía térmica es la energía debida al mvimient cntinu en el que se encuentran las partículas que cnstituyen el sistema químic. Pr tra parte, aplicand el Primer Principi de la Termdinámica a ls sistemas químics, el calr que absrbe un sistema se invierte en realizar un trabaj que cnsistirá principalmente en variar el vlumen del sistema (expansión cmpresión) cntra una presión externa: ΔE= q w

2 Termquímica 2/6 Desde un punt de vista práctic ns encntrams que en el estudi de ls balances energétics de las reaccines químicas se trabaja midiend diferencias de calr, ya que ls flujs de calr durante una transfrmación química ls pdems relacinar directamente cn las variacines en la energía interna del sistema estudiad. En realidad, cn l que trabajams es cn una función que definims cm el calr de una reacción, cuand el prces tiene lugar a una presión cnstante (ya que así es cm se realizan la mayría de las reaccines químicas: en recipientes abierts, smetids pr tant a la presión atmsférica). A esta función la llamams Entalpía (H) de la reacción. Cn este planteamient, pdems escribir el Primer Principi de la Termdinámica cm: ΔE = ΔH - pδv dnde l que estams diciend es que, durante una transfrmación química que tiene lugar a presión atmsférica (1 atm), la variación en la Energía interna de un sistema es el resultad del balance entre el calr que entra al sistema ( H) y l que este invierte en realizar un trabaj (ΔV, l que es l mism, expandirse cntraerse). Teniend además en cuenta que cuand las sustancias que intervienen en el prces estudiad están en fase sólida líquida la variación en vlumen es muy pequeña, y que pr tant el trabaj realizad pr el sistema será nul (el términ pv es prácticamente despreciable), la variación en la entalpía del prces será prácticamente igual a la variación en la energía interna del sistema. Si entre de las sustancias que participan en la reacción hay gases, habrá que cnsiderar la diferencia entre el númer de mles ttales entre reactivs y prducts de sustancias gasesas, ya que estará directamente relacinad cn la variación en el vlumen (siend esta tra manifestación de transferencia de energía en el prces estudiad). Calr: Frma de transferencia de energía, en cncret de la energía térmica l que es l mism la energía cinética de mvimient de las partículas cnstituyentes de la materia. Trabaj: Frma de transferencia de energía. En ls sistemas químics cnsiderams que la energía que se invierte en realizar un trabaj va principalmente encaminada a variar el vlumen (expansión cmpresión) del sistema cntra una presión externa. Entalpía, H: Calr absrbid prducid en un prces que se realiza a presión cnstante. Es reflej de la energía interna del sistema y se define pr la ecuación: H = E + pv dnde E es la Energía interna y el términ pv refleja el trabaj realizad. En resumen, la Termquímica se cupa de estudiar las variacines en la entalpía en las reaccines químicas cm una manifestación de la variación entre la energía interna de ls prducts y de ls reactivs. Clasificación de las reaccines según la variación en energía La variación en la entalpía entre el estad final (prducts) y el estad inicial (reactivs) de una transfrmación química se manifiestan cm cambis en la temperatura cuand tiene lugar la reacción: si la energía del sistema aumenta cn la reacción (energía de prducts mayr que la de reactivs), el sistema absrberá calr, que detectems cm un descens de la temperatura. Si durante la reacción el sistema está liberand calr, claramente la temperatura aumentará. Cuand en una reacción se libera calr (sube la temperatura del sistema) hablams de reacción extérmica. Las reaccines químicas en las que se absrbe calr (baja la temperatura del sistema) se denminan reaccines endtérmicas. A nivel atómic/mlecular las variacines entre la energía de ls prducts y ls reactivs puede ser interpretada cm el balance entre la energía que hay que administrar al sistema para rmper uns determinads enlaces y la que éste invierte en crear uns enlaces nuevs. Reaccines extérmicas Reaccines en las que se libera calr. En glbal pdems decir que la energía de ls prducts es menr que la de ls reactivs. Reaccines endtérmicas Las reaccines en las que se absrbe calr. La energía de ls prducts es mayr que la de ls reactivs.

3 Termquímica 3/6 La entalpía calr de reacción vist cm un prduct reactiv más El calr l pdems cnsiderar cm un reactiv cm un prduct más de la reacción. De esta frma, en una reacción extérmica pdems cnsiderar que el calr será un prduct más, mientras que en una reacción endtérmica, necesitarems suministrar al sistema calr, al igual que cualquiera tr de ls reactivs que intervienen. Igual que veíams que las reaccines químicas las representábams mediante las ecuacines químicas, cuand en estas ecuacines químicas incluims infrmación sbre la entalpía de la reacción hablams de ecuacines termquímicas. En una ecuación termquímica debems incluir, además, siempre infrmación sbre si las sustancias que intervienen están en estad sólid (s), líquid (l), gas (g) dislución (aq = dislución acusa), ya que la variación de la entalpía de la reacción depende del estad físic de ls prducts y reactivs. En cuant a la ntación utilizada, el calr se especifica de ds frmas:. bien l incluims cm un términ más de la ecuación: a la derecha en una reacción extérmica, cm un prduct más, a la izquierda, en una reacción endtérmica, junt a ls reactivs. Ejempl: H 2 (g) + ½ O 2 (g) > H 2 O (g) + 57,798 kcal (R. extérmica). bien se incluye al lad de la ecuación química cnvencinal, expresad cm variación de entalpía, H. En este cas, la variación de entalpía se define cm la diferencia de entalpía de tds ls prducts mens la entalpía de tds ls reactivs, pr supuest para un prces realizad a presión cnstante, y cn una temperatura y estad físic de las sustancias determinad. Pr cnveni sabrems, pr tant, que en las reaccines endtérmicas H >0 y al cntrari, en las extérmicas H <0. Ejempl: H 2 (g) + ½ O 2 (g) > H 2 O (g) H = - 57,798 kcal (R. extérmica) Las unidades de calr usadas más frecuentemente en relación cn las reaccines químicas sn las kilcalrías. Calr de reacción Se utiliza cm sinónim de variación de entalpía en una reacción química. Ecuación termquímica Representación de una reacción química en la que se incluye infrmación sbre la variación de entalpía que tiene lugar. Debe detallar igualmente el estad físic de las sustancias que intervienen, ya que el calr de reacción depende de ells. Variación de entalpía de una reacción, H la diferencia entre la entalpía de tds ls prducts y de tds ls reactivs, para un prces realizad a presión cnstante, y cn una temperatura y estad físic de las sustancias determinad. H= H prdducts. - H reactivs Calría cantidad de calr necesaria para elevar la temperatura de 1 gram de agua desde 14,5º a 15,5ºC. Cmbinación de ecuacines químicas y de sus entalpías de reacción La entalpía es una función de estad, est implica que la variación de entalpía entre ds estads, un estad inicial (reactivs) y un estad final (prducts) es independiente del camin recrrid para llegar de un estad a tr, y de cuales sean las etapas intermedias. Pr ejempl, imaginems las siguientes reaccines: A B C D [1] A X Z D [2] A y D sn respectivamente ls estads iniciales y finales. La diferencia de entalpía entre A y D será la misma si han tenid lugar la secuencia de reaccines [1] la secuencia de reaccines [2].

4 Termquímica 4/6 Si querems cncer la variación de entalpía entre de A a D, será suficiente cn cncer las H de ls pass intermedis (A B, B C y C D; bien, A X, X Z y Z D); ya que la H del prces A D será el resultad de la suma de las H parciales. Est es una cnsecuencia directa de l que ya hems mencinad: la variación de entalpía de la reacción dependerá únicamente de ls calres relativs de A y D (ls estads inicial y final) y n de la frma el camin pr el que se haya llegad de A a D. Ests pass intermedis n tienen prque ser pass cnsecutivs reales de una secuencia de reaccines. Simplemente, si pdems expresar una ecuación química cm cmbinación de tras ecuacines químicas (pr supuest, tdas ellas realizadas baj las mismas cndicines de presión y temperatura), la variación de entalpía del prces será igualmente la cmbinación de las variacines de entalpías de ls prcess representads pr las ecuacines químicas que hems cmbinads. La imprtancia de esta prpiedad radica, principalmente, en que en más de una casión pdrems deducir las variacines de entalpía en prcess difíciles de estudiar directamente, a partir de ls dats de tras reaccines que, experimentalmente, sean más fáciles de estudiar. Ejempl real de cmbinación de ecuacines químicas y de entalpías de reacción Cncems que: [A] H 2 (g) + ½ O 2 > H 2 O (g) Si también sabems que: [B] H 2 O (l) H 2 O (g) H A = - 57,798 kcal H B = 10,519 kcal Pdríams saber cual es la variación de entalpía para la frmación de un ml de H 2 O en estad líquid a partir de H 2 (g) y O 2 (g)? [C] H 2 (g) + ½ O 2 (g) > H 2 O (l) H C =? Es fácil bservar que pdems llegar a [C] cm cmbinación de [A] y la inversa de [B]. Lueg H C será el resultad de sumar la entalpía de [A] a la entalpía de [B] cambiada de sign (prces invers): H C = H A - H B = -68,317 kcal Otrs cncepts relacinads que cnviene recrdar/cnsultar Enlace químic: Unión entre diferentes átms debid a las fuerzas generadas pr el intercambi cmpartición de electrnes externs de ls átms que se unen. Ver ficha: Mléculas y tras psibilidades. Ecuacines químicas y estequimetría de una reacción. Ver ficha: Estequimetría.

5 Termquímica 5/6 Ejempl º Si ls valres de las entalpías estándar de frmación, a 25 ºC, del dióxid de carbn, del agua y del butan sn ls que se especifican a cntinuación Pdríams saber cuál será la entalpía estándar de la reacción de la cmbustión cmpleta del butan, en presencia de xígen, expresada en kiljulis/ml? (1 cal = 4,184 J) Reacción ΔH /kcal f C (grafit) + O 2 (g) CO 2-94,03 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (l) -136,63 4 C(grafit) + 5 H 2 (g) C 4 H 10 (g) -29,81 Slución: Querems cncer la entalpía de la siguiente reacción: 2 C 4 H 10 (g)+ 13 O 2 (g) 8 CO 2 (g)+ 10 H 2 O (g) La entalpía estándar de frmación ( ΔH ) se define cm el cambi de calr que se prduce cuand se f frma un ml de una sustancia a partir de sus elements en su frma más estable, baj una presión de 1 atm. Así, pr definición, la entalpía estándar de frmación de cualquier element en su frma más estable será cer. De esta frma, cmbinand la infrmación de la que dispnems pdems ver que: Reacción: Prducts Reactivs ΔH /kcal 8 C (grafit) + 8 O 2 (g) 8 CO 2 (g) -752,24 10 H 2 (g) +5 O 2 (g) 10 H 2 O (g) -683,17 2 C 4 H 10 (g) 8 C(grafit) + 10 H 2 (g) 59,62 2 C 4 H 10 (g)+ 13 O 2 (g) 8 CO 2 (g)+ 10 H 2 O (l) 1375,79 Lueg, la entalpía de cmbustión de 1 ml de C 4 H 10 (g) será 1270,62 /2 = 688 kcal/ml Pr tant, expresándl en kiljulis: 688 kcal/ml * 4,184 = 2878 kj/ml Finalmente, pdríams escribir la ecuación termquímica de la cmbustión cmpleta del butan, a 25 ºC, cm: 2 C 4 H 10 (g)+ 13 O 2 (g) 8 CO 2 (g)+ 10 H 2 O (l) kj bien 2 C 4 H 10 (g)+ 13 O 2 (g) 8 CO 2 (g)+ 10 H 2 O (l) ΔH = kj/ml

6 Termquímica 6/6 Ejercici de autevaluación Sabiend que la entalpía de cmbustión del butan es kj/ml y que la energía desprendida cuand se queman 10 ml de ctan es de 337 kj, y cuand se quema 1 gram de metan es de 55 kj cuál de ls tres tiene mayr entalpía de cmbustión? Si quemams ls misms grams de metan, butan y ctan, de dónde se btendrá más calr? Cnsiderams la densidad del ctan igual a 0,7 g/ml. Cnsiderams las masas atómicas: C=12 y H=1. Slución: a) Mayr entalpía de cmbustión: el ctan ( ΔH C c 8 H 18 = kj/ml; ΔH CH c 4 = kj/ml); b) se btiene más calr pr gram de cmpuest en el metan (55,6 kj/g). En el butan serán 49,6 kj/g y en el ctan 48 kj/g.