TERMOQUÍMICA 1. Energía química. 2. Energía de las reacciones químicas. 3. Entalpía de reacción. 4. Ley de Hess. Química 1º bachillerato Termoquímica 1
1. ENERGÍA QUÍMICA La energía química almacenada en los compuestos químicos (energía interna U-) puede transformarse en cualquier otra forma de energía (térmica, lumínica, eléctrica, ). La rotura y formación de enlaces realizados en una reacción química conlleva un intercambio energético. La termodinámica se encarga del estudio de la energía de una reacción química. La energía de enlace es la energía necesaria para romper un enlace. Normalmente al formar un enlace se libera energía. Química 1º bachillerato Termoquímica 2
Energía Energía 1. ENERGÍA QUÍMICA En el transcurso de una reacción donde se rompen y forman enlaces se necesita una energía para romper los enlaces de los reactivos y se desprende energía al formar los nuevos enlaces de los productos. Reactivos Enlaces rotos E 2 E 1 Productos Energía neta absorbida Transcurso de la reacción E 1 Enlaces rotos E 2 Energía neta desprendida Reactivos Transcurso de la reacción C O H Productos 3 O 2 (g) 2 O 3 (g) CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O Química 1º bachillerato Termoquímica 3
2. ENERGÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS El calor de reacción es la energía que se intercambia con el entorno en forma de calor durante una reacción química. Según la energía de las reacciones químicas se pueden clasificar en: Reacción exotérmica. Reacción endotérmica. Química 1º bachillerato Termoquímica 4
2. ENERGÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS Reacción exotérmica: Reacciones químicas que se producen desprendiendo algún tipo de energía. La energía de los productos es menor que la energía de los reactivos, por lo que los productos son más estables que los reactivos. La energía aportada para romper los enlaces es menor que la energía liberada al formarse nuevos enlaces. Se libera energía ya que los enlaces nuevos que se forman son más fuertes que los enlaces que se rompen. La pila voltaica es un ejemplo de reacción exotérmica donde a partir de una reacción química se produce una corriente eléctrica (desprendimiento de energía). Química 1º bachillerato Termoquímica 5
2. ENERGÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS Reacción endotérmica: Reacciones químicas que se producen absorbiendo algún tipo de energía. La energía de los productos es mayor que la energía de los reactivos, por lo que los reactivos son más estables que los productos. La energía aportada para romper los enlaces es mayor que la energía liberada al formarse nuevos enlaces. Se absorbe energía ya que los enlaces nuevos que se forman son más débiles que los enlaces que se rompen. La electrolisis es un ejemplo de reacción endotérmica donde a partir de una corriente eléctrica (aportación de energía) se produce una reacción química. Química 1º bachillerato Termoquímica 6
Energía, U Energía, U 2. ENERGÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS CH 4 + 2 O 2 2 O 3 u 0 u 0 CO 4 + 2 H 2 O Transcurso de la reacción 3 O 2 Transcurso de la reacción Reacción exotérmica Caliente Reacción endotérmica Frío Química 1º bachillerato Termoquímica 7
EJERCICIO-EJEMPLO Clasifica las siguientes reacciones en función de su energía y represéntalas: Fe 2 O 3 (s) + 3C (grafito) 2Fe (s) + 3CO (g) Q R = 492,6 KJ 2H 2 S (g) + Fe (s) FeS 2(s) + 2H 2(g) Q Ro = -137 KJ ½ H 2(g) + ½ Br 2(g) HBr (g) Q f0 = -36,38 KJ H 2(g) + 1 / 2 O 2(g) H 2 O (g) Q f0 = -241.814 KJ H 2(g) + 1 / 2 O 2(g) H 2 O (l) Q f0 = -285,830 KJ Química 1º bachillerato Termoquímica 8
3. ENTALPÍA DE REACCIÓN La entalpía de una reacción (H) es una magnitud termodinámica que indica la variación de energía en una reacción química, indica el calor (energía) absorbido o cedido durante el proceso. La variación de entalpía de una reacción (ΔHr) indica la diferencia de energía entre los reactivos y los productos. H H H reaccion productos reactivos Las entalpías de reacción se representan en los diagramas entálpicos. Las entalpías estándar son aquellas que se miden cuando los reactivos y productos están en su estado estándar (1 atm y 25ºC). Química 1º bachillerato Termoquímica 9
3. ENTALPÍA DE REACCIÓN Se suelen usar las entalpias de formación (a partir de sus respectivos elementos) de los reactivos y los productos. =-724 Al comparar ambos se determina la entalpía de la reacción. H Hf Hf 0 0 reaccion productos reactivos Química 1º bachillerato Termoquímica 10
3. ENTALPÍA DE REACCIÓN Así en función de la entalpía tenemos: Reacciones exotérmicas: La variación de entalpía es negativa (ΔHr < O). Los productos son menos energéticos que los reactivos (H productos < H reactivos ). Reacciones endotérmicas: La variación de entalpía es positiva (ΔHr > O). Los productos son más energéticos que los reactivos (H productos > H reactivos ). Química 1º bachillerato Termoquímica 11
3. ENTALPÍA DE REACCIÓN Química 1º bachillerato Termoquímica 12
3. ENTALPÍA DE REACCIÓN Una ecuación termoquímica es una ecuación química en la que se ha incluido la variación de energía (entalpía) que tiene lugar. Para una reacción química: se cumple: H r o aa + bb cc + dd = c H fo C + d H fo D (a H fo A + b H fo B) Química 1º bachillerato Termoquímica 13
3. ENTALPÍA DE REACCIÓN Primera regla: El valor H para una reacción que se realiza a una temperatura y una presión establecidas es siempre el mismo e independiente de que la reacción ocurra en uno o en varios pasos (Ley de Hess) Ecuación dada = ecuación (1) + ecuación (2) +... H= H(1) + H(2) +... Segunda regla: El valor de H es directamente proporcional a la cantidad de reactivo o producto H 2 (g) + Cl 2 (g) 2 HCl (g) H = -185 kj 1/2 H 2 (g) + 1/2 Cl 2 (g) HCl (g) H = -92,5 kj Tercera regla: Los valores de H para dos reacciones inversas son iguales en magnitud pero de signo opuesto H 2 O (l) H 2 (g) +1/2 O 2 (g) H = +285,8 kj H 2 (g) +1/2 O 2 (g) H 2 O (l) H = -285,8 kj Química 1º bachillerato Termoquímica 14
EJERCICIO-EJEMPLO Calcula el calor de formación del ácido metanoico (HCOOH), a partir de los siguientes calores de reacción: C (s) + ½ O 2(g) CO (g) ; ΔH= 110,4 kj H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (l) ; ΔH= 285,5 kj CO (g) + ½ O 2(g) CO 2(g) ; ΔH= 283,0 kj HCOOH (l) + ½O 2(g) H 2 O (l) + CO 2(g) ; ΔH= 259,6 kj Química 1º bachillerato Termoquímica 15
EJERCICIO-EJEMPLO Tomando como base las ecuaciones termoquímicas a 25ºC que se indican a continuación, calcular la entalpía de formación del ácido nitroso en disolución acuosa: a) NH 4 NO 2(s) N 2(g) + 2 H 2 O (l) ; ΔH = -300,12 KJ b) H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (l) ; ΔH = -284,24 KJ c) N 2(g) + 3 H 2(g) + HNO 3(aq) 2 NH 3(aq) ; ΔH = -170,54 KJ d) NH 3(aq) + HNO 2(aq) NH 4 NO 2(aq) ; ΔH = -38,04 KJ e) NH 4 NO 2(s) + HNO 3(aq) NH 4 NO 2(aq) ; ΔH = +19,85 KJ Química 1º bachillerato Termoquímica 16
RELACIÓN DE EJERCICIOS ENTALPÍA Química 1º bachillerato Termoquímica 17
4. LEY DE HESS Según la ley de Hess la variación entálpica de una reacción química es independiente de las etapas en las que transcurre mientras no se produzcan diferencias en las condiciones de presión y temperatura establecidas, solo depende de los estados inicial y final independientemente de los intermedios. Esta ley es una expresión del principio general de conservación de la energía. Química 1º bachillerato Termoquímica 18
4. LEY DE HESS Permite conocer la variación de entalpía de una reacción a partir de la suma algebraica de las entalpías de reacciones conocidas o a partir de las variaciones de entalpía de las reacciones de formación de los reactivos y de los productos: n H ( n H ) reaccion i i i 1 H ( n H ) ( n H ) reaccion producto formacióndelproducto reactivo formacióndelreactivo Química 1º bachillerato Termoquímica 19
4. LEY DE HESS Criterio de signos: Química 1º bachillerato Termoquímica 20
EJERCICIO-EJEMPLO Calcule el calor desprendido cuando se apaga, añadiendo suficiente cantidad de agua (CaO (s) + H 2 O (l) Ca(OH) 2 ) una tonelada de cal viva. Datos: ΔH f H 2 O (l) = -285,5 kj / mol. ΔH f CaO (s) = -634,9 kj / mol. ΔH f Ca(OH) 2 = -985,6 kj / mol. Masas atómicas Ca = 40; O = 16. Química 1º bachillerato Termoquímica 21
EJERCICIO-EJEMPLO En la combustión de 5 g de metano, CH 4, llevada a cabo a presión constante y a 25 ºC, se desprenden 275 kj. En estas condiciones, determine: a) La entalpía de formación y de combustión del metano. b) El volumen de metano necesario para producir 1 m 3 de CO 2 medidos a 25ºC y 1 atm. Datos: Entalpías de formación: Hº f [CO 2(g )]= 393 kj / mol Hº f [H 2 O (l) ]= 285 8 kj / mol. Masas atómicas: C = 12; H = 1. Química 1º bachillerato Termoquímica 22
EJERCICIO-EJEMPLO Calcula la entalpía de hidrogenación del etileno para formar etano, según la reacción: CH 2 =CH 2 + H 2 CH 3 CH 3 a partir de los datos de la tabla adjunta. Energías medias de enlace (kj/mol) Enlace Energía Enlace Energía H H 436 C=C 610 C H 415 C=N 615 C C 347 C N 285 C O 352 O=O 494 Química 1º bachillerato Termoquímica 23
EJERCICIO-EJEMPLO Calcula el calor de formación a presión constante del CH 3 COOH (l) (ácido acético) si conoces que los calores de combustión del C (s), H 2(g) y CH 3 COOH (l) son respectivamente 393,13, 285,9 y 870,7 kj / mol. Química 1º bachillerato Termoquímica 24
RELACIÓN DE EJERCICIOS LEY DE HESS Química 1º bachillerato Termoquímica 25