2q 03 termoqu­mica

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  • 1. 1TERMOQUMICA Unidad 3

2. 2Contenidos (1)1.- Sistemas, estados y funciones de estado.2.- Primer principio de la Termodinmica.3.- Energa interna y entalpa. Reacciones avolumen y a presin constante.3.1. Relacin entre ambas.4.- Entalpa estndar de reaccin.4.1. Ecuaciones termoqumicas.5.- Entalpa estndar de formacin.6.- Clculo de las entalpas de reaccin.7.- Ley de Hess. 3. 3Contenidos (2)8.- Energa o entalpa de enlace de enlace .8.1. Clculo de la energa de reaccin a partir deentalpas de enlace aplicando la ley de Hess.8.- Espontaneidad de las reacciones qumicas.9.- Entropa.9.1. Segundo principio de la Termodinmica.9.2. Tercer principio de la Termodinmica.10.- Energa libre de Gibbs.11.-Espontaneidad de las reacciones qumicas.Influencia de la temperatura 4. 4SistemasParte pequea del universo que se asla parasometer a estudio.El resto se denomina ENTORNO.Pueden ser: Abiertos (intercambia materia y energa). Cerrados (no intercambia materia y s energa). Aislados (no intercambia ni materia ni energa).En reacciones qumicas...SISTEMAS = Sustancias qumicas 5. 5Definicin de Termoqumica.Es la parte de la Qumica que se encarga delestudio del intercambio energtico de unsistema qumico con el exterior.Hay sistemas qumicos que evolucionan dereactivos a productos desprendiendoenerga. Son las reacciones exotrmicas.Otros sistemas qumicos evolucionan dereactivos a productos precisando energa.Son las reacciones endotrmicas. 6. 6 Variables de estadoMagnitudes que pueden variar a lo largo deun proceso (por ejemplo, en el transcurso deuna reaccin qumica) .Ejemplos: Presin. Temperatura. Volumen. Concentracin. 7. 7 Funciones de estadoTienen un valor nico para cada estado delsistema.Su variacin solo depende del estado inicialy final y no del camino desarrollado .S son: Presin, temperatura, energainterna, entalpa.NO son: calor, trabajo 8. 8 Primer principio de laTermodinmicaENERGA INTERNA (U)es la energa total CALOR CALORdel sistema. Q>0Q0 U=Q-WQ y W > 0 si se realizan a favor del sistema.U es funcin de estado. 9. 9Calor a volumen constante (Qv)Es el intercambio de energa en un recipientecerrado que no cambia de volumen.Si V= constante, es decir, V = 0W=0Qv = U 10. 10Calor a presin constante (Qp)La mayora de los procesos qumicosocurren a presin constante, normalmente laatmosfrica.Si p = cte W = p V U = Qp p VU2 U1 = Qp p (V2 V1)Qp + U1 + p V1 = U2 + p V2 11. 11Calor a presin constante (Qp)Entalpia (H)Reac. endotrmicaH 1= U 1 + p V 1;ProductosH 2= U 2 + p V 2 Reactivos H > 0Qp + H 1 = H 2Reac. exotrmicaEntalpia (H) Reactivos Q p = H2 H 1 = HH < 0ProductosH es una funcin de estado. 12. 12Relacin Qv con Qp (gases). H= U+p V Aplicando la ecuacin de los gases:pV=nRTy si p y T son constantes la ecuacin secumplir para los estados inicial y final: pV=nRT H= U+ nRT 13. 13 Relacin Qv con Qp (slidos y lquidos)En reacciones de slidos y lquidos apenasse produce variacin de volumen y ... Q v Qpes decir: U H 14. 14 Ejercicio A: En termoqumica el valor de R suele tomarseen unidades del sistema internacional. Ya sabes que R =0,082 atmlmol-1K-1. Determina el valor de R en el S.Icon sus unidades.p=dgh1 atm = 13546 kgxm-3 x 9,8 mxs-2x 0,76 m =10900 kgxm-1xs-2 atm l100900 kg m 1 s 2 103 m3R = 0, 082 = 0, 082 = 8, 3 J mol -1 K -1 mol Kmol K 15. 15Ejemplo: Determinar la variacin de energa interna para el proceso de combustin de 1 mol de propano a 25C y 1 atm, si la variacin de entalpa, en estas condiciones, vale 2219,8 kJ. C3H8 (g) + 5 O2 (g) 3 CO2 (g) + 4 H2O (l) H = 2219,8 kJ nreactivos = 1+5 = 6 ; nproductos = 3 n = 3 Despejando en U = H n R T = 2219 kJ + 3 mol (8,3 J/mol.K) 298 K = 2214 kJ U = 2212 kJ 16. 16Entalpa estndar de la reaccinEs el incremento entlpico de una reaccin enla cual, tanto reactivos como productos estnen condiciones estndar (p = 1 atm; T = 298 K= 25 C; conc. = 1 M).Se expresa como H0 y como se mide en J o kJdepende de cmo se ajuste la reaccin .As, H0 de la reaccin 2 H2 + O2 2 H2O esel doble del de H2 + O2 H2O. H0 = H0productos H0reactivos 17. 17 Ecuaciones termoqumicasExpresan tanto los reactivos como los productosindicando entre parntesis su estado fsico, y acontinuacin la variacin energtica expresadacomo H (habitualmente como H0).Ejemplos:CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l); H0 = 890 kJH2(g) + O2(g) H2O(g); H0 = 2414 kJ 18. 18 Ecuaciones termoqumicasCUIDADO!: H depende del nmero demoles que se forman o producen. Por tanto, sise ajusta poniendo coeficientes dobles, habrque multiplicar H0 por 2:2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(g) ; H0 = 2 (2414 kJ)Con frecuencia, suelen usarse coeficientesfraccionarios para ajustar las ecuaciones:H2(g) + O2(g) H2O(g) ;H0 = 2414 kJ 19. Entalpa estndar de formacin19(calor de formacin).Es el incremento entlpico (H) que se produceen la reaccin de formacin de un mol de undeterminado compuesto a partir de los elementosen estado fsico normal (en condiciones estndar).Se expresa como Hf0. Se trata de un calormolar, es decir, el cociente entre H0 y elnmero de moles formados de producto.Por tanto, se mide en kJ/mol.Ejemplos:C(s) + O2(g) CO2(g) Hf 0 = 39313 kJ/mol 0 20. MU20Clculo de H0MU IM YIM YPO PO RTRT(calor de reaccin)ANANTE TEAplicando la ley de Hess podemos concluirque : H0 = npHf0(productos) nrHf0(reactivos)Recuerda que Hf0 de todos los elementosen estado original es 0. 21. 21Ejemplo: Conocidas las entalpas estndar de formacindel butano (C4H10), agua lquida y CO2, cuyos valores son respectivamente 1247, 2858 y 3935 kJ/mol, calcular la entalpa estndar de combustin del butano.La reaccin de combustin del butano es:C4H10(g) +13/2O2(g) 4 CO2(g) + 5H2O(l) H0comb= ? H0 = npHf0(product.) nrHf0(reactivos) =4 mol( 3935 kJ/mol) + 5 mol( 2858 kJ/mol)1 mol( 1247 kJ/mol) = 28783 kJLuego la entalpa estndar de combustin ser: H0combustin = 28783 kJ/mol 22. MU22 MUIM Y IM Y POLey de Hess PORT RTAN AN TETE H en una reaccin qumica es constantecon independencia de que la reaccin seproduzca en una o ms etapas.Recuerda que H es funcin de estado.Por tanto, si una ecuacin qumica se puedeexpresar como combinacin lineal de otras,podremos igualmente calcular H de lareaccin global combinando los H de cadauna de las reacciones. 23. Ejemplo: Dadas las reacciones 23(1) H2(g) + O2(g) H2O(g) H10 = 2418 kJ (2) H2(g) + O2(g) H2O(l) H20 = 2858 kJ calcular la entalpa de vaporizacin del agua en condiciones estndar. La reaccin de vaporizacin es... (3) H2O(l) H2O(g) H03 = ? (3) puede expresarse como (1) (2), luego H03 = H01 H02 = 2418 kJ (2858 kJ) = 44 kJH0vaporizacin = 44 kJ /mol 24. 24Esquema de la ley de HessH2(g) + O2(g)H H10 = 2418 kJ H20 = 2858 kJ H2O(g)H30 = 44 kJ H2O(l) 25. Ejercicio B: Conocidas las entalpas estndar de formacin25 del butano (C4H10), agua lquida y CO2, cuyos valores son respectivamente 1247, 2858 y 3935 kJ/mol, calcular la entalpa estndar de combustin del butano.Si utilizamos la ley de Hess, la reaccin:(4) C4H10(g) +13/2O2(g) 4 CO2(g) + 5H2O(l) H0comb=?Puede obtenerse a partir de:(1) H2(g) + O2(g) H2O(l)H10 = 2858 kJ(2) C(s) + O2(g) CO2(g) H20 = 3935 kJ(3) 4 C(s) + 5 H2(g) C4H10(g)H30 = 1247 kJ(4) = 4 (2) + 5 (1) (3)4 C(s) + 4 O2(g) +5 H2(g) + 5/2 O2(g) + C4H10(g) 4 CO2(g) + 5H2O(l) + 4 C(s) + 5 H2(g) H04 = 4 mol(3935 kJ/mol) + 5 mol(2858 kJ/mol) 1 26. Ejercicio C: Determinar Hf0 del eteno (C2H4) a 26 partir de los calores de reaccin de las siguientes reacciones qumicas: (1) H2(g) + O2(g) H2O(l)H10 = 2858 kJ (2) C(s) + O2(g) CO2(g) H20 = 39313 kJ (3) C2H4(g) + 3O2(g) 2CO2(g) + 2 H2O(l) H30 = 1422 kJLa reaccin de formacin del eteno C2H4(g) apartir de sus constituyentes en estado normal es:(4) 2 C(s) + 2 H2(g) C2H4(g)(4) se puede expresar como 2(2) + 2(1) (3) 27. 27Ejercicio C: Determinar H del eteno (C2H4) a partir f 0 de los calores de reaccin de las siguientesreacciones qumicas:(1) H2(g) + O2(g) H2O(l) H10 = 2858 kJ(2) C(s) + O2(g) CO2(g)H20 = 39313 kJ(3) C2H4(g) + 3O2(g) 2CO2(g) + 2 H2O(l) H30 = 1422 kJ(4) 2 C(s) + 2 H2(g) C2H4(g)(4) = 2(2) + 2(1) (3)luego H40 = 2H20 + 2H10 H30 == 2 (39313 kJ) + 2 ( 2858 kJ) ( 1422 kJ) == 6414 kJes decir Hf0 (eteno) = 6414 kJ/molSe trata, pues, de una reaccin endotrmica. 28. Ejercicio D: Las entalpas de combustin de la glucosa 28 (C6H12O6) y del etanol (C2H5OH) son 2815 kJ/mol y 1372 kJ/mol, respectivamente. Con estos datos determina la energa intercambiada en la fermenta cin de un mol de glucosa, reaccin en la que se produce etanol y CO2. Es exotrmica la reaccin? Las reacciones de combustin son, respectivamente: (1) C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O ; H1 = 2815 kJ (2) C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O ; H2 = 1372 kJ La reaccin de fermentacin de la glucosa es: (3) C6H12O6 2 C2H5OH +2 CO2 H3 = ? (3) puede expresarse como (1) 2 (2), luego H3 = H1 2H2 = 2815 kJ 2 ( 1372 kJ) = 71 kJ y la reaccin es exotrmica. 29. 29 Energa de enlace.Es la energa necesaria para romper unenlace de un mol de sustancia en estadogaseosoEn el caso de molculas diatmicas es igual quela energa de disociacin:AB(g) A(g) + B(g) Hdis = Eenlace= EeEjemplo: H2(g) 2 H(g)H = 436 kJEs positiva (es necesario aportar energa alsistema)Es difcil de medir. 30. Ejemplo: Calcular la energa del enlace HCl30 en el cloruro de hidrgeno conociendo Hf0(HCl) cuyovalor es 92,3 kJ/mol y las entalpas de disociacin delH2 y del Cl2 que son 436,0 kJ/mol y 243,4 kJ/mol,respectivamente. La reaccin de disociacin del HCl ser: (4) HCl(g) H(g) + Cl(g) H04= ? (1) H2(g) + Cl2(g) HCl(g) H01 = 92,3 kJ (2) H2(g) 2H(g)H02 = 436,0 kJ (3) Cl2(g) 2Cl(g)H03 = 243,4 kJ (4) = (1) + (2) + (3) H04 = ( 92,3 kJ ) + (436,0 kJ) + (243,4 kJ) = = 432,0 kJ Ee(HCl) = 432,0 kJ/mol 31. 31 Clculo de H0 a partir de lasEnerga de enlace IMMPUUYY I M MPO OR (disociacin).RTTAAN NT T EE Aplicando la ley de Hess en cualquier caso se obtiene la siguiente frmula: H0 = ni Ee(enl. rotos) nj Ee(enl. formados)en donde ni representa el nmero de enlaces rotos yformados de cada tipo. 32. 32Ejemplo: Sabiendo que las