Nombre: Curso: Liceo:

I.S.B.N.: 978-956-12-1970-0. 2 edicin: octubre de 2009. Nmero de ejemplares: 162.100. 2008 por Empresa Editora Zig-Zag, S.A. Inscripcin N 176.071. Santiago de Chile. Derechos exclusivos de edicin reservados por Empresa Editora Zig-Zag, S.A. Editado por Empresa Editora Zig-Zag, S.A. Los Conquistadores 1700. Piso 10. Providencia. Telfono 8107400. Fax 8107455. E-mail: zigzag@zigzag.cl Santiago de Chile. El presente libro no puede ser reproducido ni en todo ni en parte, ni archivado ni transmitido por ningn medio mecnico, ni electrnico, de grabacin, CD-Rom, fotocopia, microfilmacin u otra forma de reproduccin, sin la autorizacin escrita de su editor. Impreso por RR Donnelley. Antonio Escobar Williams 590. Cerrillos. Santiago de Chile.

QUMICA III MEDIO Un proyecto del Departamento Editorial de Empresa Editora Zig-Zag S.A.Gerencia General

Ramn Olaciregui Mirta Jara

Direccin Editorial Edicin

Cristin Galaz Esquivel Daniella Gutirrez Gonzlez Jos Navarrete Palominos Guillermo Salgado Morn Elisa Castillo

Edicin tcnica

Asesora pedaggica

Correccin de estilo Director de Arte Diseo

Juan Manuel Neira Daniel Brown Erika Federici Pamela Buben Franco Giordano Alfonso Daz Francisco Martinez Claudio Silva Milela Tomicic Jaime Castro Leyton Fernando Vergara Fotografas Fuentes escritas Ilustraciones

Equipo de Diseo

Ilustraciones

Archivo Editorial

QUMICATexTo para el esTudianTeMnica Rojas Rosales Jorge Valenzuela PedevilaProfesor de Biologa y Qumica. Universidad de Chile. Doctor en Qumica (PhD). The University of Texas, USA.

III

Profesora de Qumica y Ciencias Naturales. Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educacin.

Martn Contreras SlotoschDoctor en Ciencias Naturales. Dr. Rer. Nat. Universidad de Karlsruhe, Alemania. Profesor de Estado en Qumica. Universidad de Chile.

Gianni Cordano CarraraQumico Farmacutico. Universidad de Chile.

ndiceReactividad y equilibrio qumicoCaptulo 11. Sistemas termodinmicos Sistema, entorno y procesos Propiedades de estado Fuentes de energa Transformacin de la energa 2. Energa, trabajo y calor Trabajo Calor Capacidad calorfica Unidades de energa Energa interna (U) 3. Primera ley de la termodinmica Transferencia de energa Entalpa (H) Propiedades de trayectoria 4. Termoqumica Procesos endo y exotrmicos Calorimetra Entalpa de formacin estndar Estequiometra en reacciones termoqumicas Energa de enlace

Unidad

11416 16 17 18 20 20 21 22 23 24 25 25 26 26 27 27 28 30 30 3218

Captulo 3 Equilibrio qumico

50

1. Condiciones del equilibrio 52 Hasta qu punto reaccionan las sustancias 52 Naturaleza y caractersticas de un equilibrio qumico 52 Equilibrio dinmico 53 2. La constante de equilibrio Qu informa la constante de equilibrio? Equilibrios homogneos y heterogneos Constante de equilibrio K 3. Principio de Le Chtelier Efecto de la concentracin Efecto de la presin o el volumen Efecto de la temperatura Un equilibrio de gran importancia industrial: el proceso Haber 54 54 55 56 57 58 58 58 59 61

Conservacin de la energa

Sntesis de Captulo Evaluacin de Captulo Camino al Bicentenario Proyecto de Unidad Sntesis de Unidad Evaluacin de Unidad

4. Aspectos termodinmicos del equilibrio

62 63 64 65 66 67

Sntesis de Captulo Evaluacin de Captulo

34 35

Reacciones de cido-base y redoxCaptulo 11. Comportamiento cido-base Electrolitos y no electrolitos cidos y bases segn Brnsted y Lowry Autoionizacin del agua pH y pOH

Unidad

Captulo 2 La espontaneidad y la direccinde los procesos qumicos1. La entropa y los procesos espontneos Espontaneidad y reversibilidad Reactividad: por qu ocurren los procesos? Probabilidad y desorden Entropa y desorden Entropa en un proceso irreversible o espontneo Entropa en un proceso reversible: equilibrio 2. Segunda y tercera ley de la termodinmica Entropa Equilibrio en la vaporizacin y fusin Variacin de la entropa en una reaccin qumica Prediccin del cambio de entropa Energa libre de Gibbs Prediccin de la espontaneidad de un proceso

27274 74 75 76 78 82 82 82 87 90 91

3638 38 39 39 40 41 42 43 43 44 44 45 45 47

Reacciones de cido-base

2. Equilibrio inico de cidos y bases Fuerzas de los cidos y las bases Constantes de acidez y basicidad Soluciones reguladoras de pH 3. Titulaciones cido-base Indicadores de cido-base

Sntesis del Captulo Evaluacin del Captulo

92 93

Sntesis de Captulo Evaluacin de Captulo

48 49

4

Captulo 2 Reacciones redox1. Oxidacin y reduccin Estados o nmeros de oxidacin 2. Mtodo de ion-electrn 3. Celdas electroqumicas Celdas galvnicas Pilas y bateras comunes de uso comercial Celdas electrolticas

9496 97 100 102 102 108 110 112

Reactividad en qumica orgnicaCaptulo 1

Unidad

4160162 162 165 166

Aspectos estructurales de los compuestos orgnicos

Sntesis de Captulo Evaluacin de Captulo Camino al Bicentenario Proyecto de Unidad Sntesis de Unidad Evaluacin de Unidad

4. Corrosin

114 115 116 117 118 119

1. Representacin de estructuras tridimensionales Estructuras de hidrocarburos Representaciones de otros compuestos orgnicos Hidrocarburos cclicos. El ciclohexano

2. Enlaces en compuestos orgnicos 167 Naturaleza del enlace qumico en compuestos orgnicos 167

Cintica qumicaCaptulo 1

Unidad

3124126 128 129 130 131

Sntesis del Captulo Evaluacin del Captulo

172 173

Captulo 2 Reactividad en

compuestos orgnicos

174176 178 178 184 186 187 187 188 188

Velocidad de reaccin

1. Velocidad de reaccin De qu depende la velocidad de reaccin? 2. Efecto de la concentracin La ley de velocidad Orden de una reaccin

1. Grupos funcionales 2. Reacciones de sustitucin Sustitucin nucleoflica bimolecular (SN2) Sustitucin nucleoflica unimolecular (SN1) Reacciones de sustitucin electroflica aromtica 3. Reacciones de eliminacin, adicin y redox Reaccin de eliminacin Reaccin de adicin Reacciones redox

Sntesis del Captulo Evaluacin del Captulo

136 137

Captulo 2 Temperatura, catlisisy mecanismos1. Modelo de Colisiones 2. Efectos de la temperatura. Ecuacin de Arrhenius 3. Accin de los catalizadores Catlisis importantes

138140 142 144 145 148

Sntesis del Captulo Evaluacin del Captulo Camino al Bicentenario Proyecto de Unidad Sntesis de Unidad Evaluacin de Unidad Solucionario Bibiliografa

190 191 192 193 194 195 198 200

Etapas elementales Sntesis del Captulo Evaluacin del Captulo Camino al Bicentenario Proyecto cientfico Sntesis de Unidad Evaluacin de Unidad

4. Mecanismos de reaccin

148 150 151 152 153 154 155

5

Esquema grfico del textoInicio de Unidad: Dos pginas destinadas a entregarte una visin general de los contenidos a travs de una breve presentacin, acompaada de un organizador grfico en el cual se relacionan los contenidos de los diferentes Captulos que se tratan en la Unidad.

Reactividad y equilibrio qumicoAl nalizar esta Unidad sers capaz de:Relacionar reacciones qumicas con intercambios

UNIDADSistemas termodinmicos Captulo 1: Conservacin de la energa Energa, calor y trabajo Primera ley Termoqumica y calorimetra Energa de enlaces

113

Temas a estudiar en esta Unidad:

En sus primeras etapas de desarrollo, el hombre primitivo descubri el poder del fuego como medio de subsistencia. Desde esos primeros descubrimientos hasta el presente, la humanidad contina tras la bsqueda de nuevas fuentes de energa que le permitan mantener y mejorar el estndar de vida de la sociedad actual. Gran parte de la energa que consumimos proviene de reacciones qumicas de combustibles fsiles como el petrleo y el gas natural. Poco a poco nos estamos acercando al agotamiento de estos recursos. La termodinmica es la ciencia que estudia las transformaciones de la energa, fundamentalmente, las leyes que regulan su conversin trmica en mecnica, elctrica u otras formas. La termodinmica tiene innumerables aplicaciones en la qumica, la fsica, la biologa y en la ingeniera.

Identi car procesos endo y exotrmicos Asociar los cambios qumicos con la ruptura y formacin de enlaces

Distinguir procesos espontneos y no espontneos. Reconocer conceptos de entalpa, entropa y energa libre Conocer reacciones espontneas que ocurren en el entorno Captulo 2: Espontaneidad de procesos qumicos

Entropa, desorden y procesos irreversibles Segunda y tercera ley Energa libre Constante de equilibrio

Reconocer e identi car estados de equilibrio en reacciones qumicas

Captulo 3: Equilibrio qumico

Perturbacin del estado de equilibrio Principio de Le Chtelier Termodinmica del equilibrio

14

Qumica III Unidad 1

Inicio de Captulo: Esta pgina tiene como objetivo presentarte los temas que se tratarn en el Captulo junto con una actividad de exploracin de conocimientos previos. Actividad exploratoria: Es una invitacin a revisar, reflexionar y recordar, a travs de distintas situaciones o experiencias, los conocimientos que se relacionan con los temas que se tratarn ms adelante, con lo cual podrs contrastar tus ideas y predicciones con los contenidos tratados.

3 Equilibrio qumicoEquilibrio Dinmico Constante de Equilibrio Principio de Le Chatelier Termodinmica de Equilibrio Estado de Equilibrio Muchasdelasreaccionesqueseproducen en la naturaleza son irreversibles. Una reaccin irreversible es aquella en que los reactantes se transforman en productos sin que stos reaccionen entre s para restituir a los reactantes. Estas reacciones se desarrollan hasta que por lo menos uno de los reactantes se consume totalmente. Sin embargo, hay una gran cantidad de reacciones en que los productos, en la medida que se van formando, reaccionan entre s regenerando los reactantes originales. Este es un proceso dinmico y reversible que conduce a un estado de equilibrio qumico. En este captulo estudiars este tipo de reacciones.

Puede completarse una reaccin cuando se consume totalmente, a lo menos, uno de los reactantes? En qu extensin puede proceder una reaccin qumica? Podra ocurrir que en la reaccin no se produjera o no hubiere algo visible o detectable? En qu proporciones podran coexistir los reactantes y los productos? Actividad exploratoria: Un smil de equilibrioProcedimiento Designa una probeta con la letra A y la otra, con la letra B. Coloca 50 mL de agua coloreada en la probeta A. La probeta B se deja inicialmente vaca. a) Introduce la pipeta de 25 mL en la probeta A hasta que el vstago tope el fondo de la probeta. Espera que los niveles se igualen. Tapa con un dedo la boca superior de la pipeta y transere el lquido de la pipeta a la probeta B. Despus de la transferencia anota los volmenes que quedan en las probetas A y B. b) Introduce la pipeta de 10 mL en la probeta B. Espera que los niveles se igualen. Tapa con un dedo la boca superior de la pipeta y transere el lquido de la pipeta a la probeta A. Anota los volmenes de ambas probetas.Pipeta de 25 mL

Preguntas c) Repite los procedimientos a) y b) hasta que no se observen cambios en los volmenes remanentes. d) Numera correlativamente cada medicin (medicin 1, medicin 2, etc.). e) Con los datos obtenidos se confecciona un grco: volumen remanente en cada probeta versus el nmero de cada transferencia. Identica, qu representan los 50 mL de agua iniciales en la probeta A? Observa, se ha transferido todo el lquido de la probeta A a la B? Inere, qu pasara si las pipetas fueran iguales? Qu observas en el grco a medida que se van transriendo los lquidos?

1 pipeta graduada de 25 mL y otra pipeta graduada de 10 mL. 1 colorante vegetal. Agua.

2 probetas graduadas de 100 mL cada una.

Calcula el cociente. Volumen de agua en B Volumen de agua en A Qu relacin de volmenes se obtiene? Se mantiene esta relacin o cambia? Se puede hablar de una constante? Cmo se puede reconocer si se ha alcanzado un estado de equilibrio? Establece qu relacin existe entre una reaccin qumica con la experiencia realizada. Cmo se puede comparar este modelo con el desarrollo de una reaccin?

Perturbacin del Equilibrio

Pipeta de 10 mL

a

b

c

H abilidades y destrezas Aplicar Calcular Comprobar Resolver Vericar Comprender Analizar

A52

B

A

B

A

B

Qumica III Unidad 1

Captulo 3 Equilibrio qumico

51

Desarrollo de contenidos: El texto va presentando, de manera articulada, los contenidos, apoyados por imgenes, esquemas y diferentes secciones que te permitirn, entre otras cosas, relacionar lo aprendido con tu vida cotidiana. Personajes de la ciencia (Biografas): En esta seccin podrs conocer y relacionar los contenidos tratados, individualizando a los principales cientficos gestores del conocimiento y podrs darle un contexto histrico a lo aprendido, reconociendo el carcter dinmico de la ciencia. Vocabulario: En estos tips de vocabulario se explican los trminos complejos que te ayudarn a lograr una comprensin adecuada de los distintos contenidos.

1C oncepto clave Capacidad calorca Calor especco Capacidad calorca molar

Capacidad calorficaEn la experiencia anterior te has dado cuenta que diferentes materiales requieren distintas cantidades de energa para producir la misma elevacin de temperatura. Este fenmeno est determinado por la capacidad calor ca del material. La capacidad calor ca de una sustancia se re ere a la cantidad de ujo de calor necesario para elevar la temperatura en un grado 1 C 1 K. Mientras mayor sea la masa de la sustancia, se requiere ms calor para producir el calentamiento. Normalmente la capacidad calor ca se expresa por mol o por gramo de sustancia. Cuando se expresa por gramo de sustancia se le denomina calor espec co (c) y si se expresa por mol, capacidad calor ca molar (C ). En forma prctica se determina experimentalmente como sigue: c= q m T

4. Termoqumica Procesos endo y exotrmicosIdenti ca, cul de las siguientes situaciones podras cali car como fenmenos termoqumicos? Por qu? Encendido de una vela, chispazo en un cortocircuito y erupcin volcnica.

Actividad Calor de reaccinProcedimiento: 1. Corta un trozo pequeo de la virutilla y mjala con agua. Estrjala y colcala en el fondo del tubo de ensayo. Inserta el termmetro y lee la temperatura a medida que pasa el tiempo. Repite la experiencia utilizando vinagre en vez de agua. Deja los trozos de virutilla sobre un papel y constata su apariencia despus de unas horas. 2. Coloca unos 5 mL de agua destilada en el tubo de ensayo y mide su temperatura. Luego, adiciona una pastilla de hidrxido de sodio. 3. Repite la experiencia anterior adicionando unos cristales de cloruro de amonio. Clasica las experiencias en funcin del efecto trmico.

ara tener P en cuentaT /K = t/C +273,15

Donde: q es la cantidad de calor transferido. m es la masa de la sustancia. T es el cambio de la temperatura, igual a T final Tinicial La expresin anterior permite estimar el ujo de calor para una determinada sustancia si se conoce el calor espec co, es decir: q=mc T Por ejemplo, si un alambre de cobre de 10 g subi su temperatura de 20 C a 45 C, el calor transferido al metal es:William Thomson, primer barn de Kelvin, (1824 -1907). Fsico y matemtico irlands, quien hizo importantes trabajos respecto a la termodinmica y el establecimiento del cero absoluto.

1 vaso de precipitado. 2 tubos de ensayo. Virutilla na de hierro (limpia ollas). Termmetro. Agua, vinagre. Hidrxido de sodio y cloruro de amonio.

Inere, qu reacciones o qu procesos se produjeron en estos casos?

H abilidades y destrezas Identicar Clasicar Inferir

q = (10 g) (0,385 J/g 0C) (45 0C 20 0C) = 96 J

SustanciaAgua Cobre Aluminio Hierro Madera Hormign

Calor especco (J/g 0C)4,18 0,385 0,902 0,451 1,76 0,88

Valores de calor espec co, expresados en J/g oC, de algunas sustancias.

La termoqumica es un rea de la termodinmica que estudia los cambios trmicos relacionados con procesos qumicos y cambios en el estado de agregacin. La manera tradicional de representar un proceso termoqumico es mediante una ecuacin termoqumica balanceada, que indica el estado de agregacin de las sustancias participantes y su correspondiente variacin de entalpa. As, por ejemplo, la evaporacin del agua se puede expresar de la siguiente manera: H 2O (l) H 2 O (g) H o = 44,0 kJ

V ocabularioEstado de agregacin: En termodinmica y qumica, se denomina fase a cada una de las partes macroscpicas de composicin qumica y propiedades fsicas homogneas que forman el sistema. Es interesante distinguir entre fase y estado de agregacin de la materia, por ejemplo, el grato y el diamante son dos formas alotrpicas del carbono, son por lo tanto fases distintas, pero ambas pertenecen al mismo estado de agregacin (slido).

H 2O (g) H = +44,0 kJ H 2O (I)

Proceso endotrmico

@

En la redLa ecuacin incluye la variacin de entalpa de 1 mol de agua a 25 C a la presin de 1 atm. Qu signi ca que H sea igual a +44,0 kJ?

En las pginas web siguientes encuentras algo ms sobre el calor especco y el calor: http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/sicaInteractiva/Calor/calor/Calor.htm http://www.sc.ehu.es/sbweb/sica/estadistica/otros/calorimetro/calorimetro.htm

24

Qumica III Unidad 1

Captulo 1 Conservacin de la energa

29

6

1. La entropa y los procesos espontneosActividad exploratoria: Vaporizacin del aguaAnaliza que pasa con el agua sobre y bajo 100 C, como tambin justo en 100 C, manteniendo la presin sobre el sistema en 1 atm. Para la discusin, utiliza trminos como: reversible, irreversible, espontneo, no-espontneo, equilibrio, entre otros. Predice, qu sucedera si la presin atmosfrica o externa fuera menor o mayor que 1 atm?

1Ley de HessEn muchas reacciones qumicas es difcil el estudio termoqumico de manera experimental. La ley de Hess permite evaluar el cambio de entalpa de este tipo de reacciones mediante la suma de ecuaciones conocidas, con sus respectivos cambios de entalpa. El siguiente ejemplo de la combustin del gas metano ilustra la aplicacin de esta ley. CH4(g) C(graf, s) + 2H2(g) 2H2O(l) CO2(g) H1= + 74,8 kJGermain Henri Hess (1802 - 1850). Qumico y mdico ruso nacido en Suiza. Investigando los trabajos realizados por Lavoisier y Laplace descubri, en 1840, la ley que lleva su nombre, donde estableci que el cambio de calor que acompaa a una reaccin qumica dependa nicamente de los estados inicial y nal del sistema y era independiente de todos los estados intermedios del mismo.

2 H2(g) + 2O2(g)

2 H2 = 2(-285,3 kJ) H3 = 393,5 kJ

H abilidades y destrezas Analizar Discutir Predecir

+

C(graf, s) + O2(g)

Habilidades y destrezas: Todas las actividades de exploracin y de indagacin ms relevantes hacen referencia a las habilidades y destrezas cognitivas involucradas en la actividad y que podrs practicar las veces que quieras durante su desarrollo. Conceptos clave: Estos tips destacan los trminos o conceptos centrales presentados en los contenidos, y te ayudarn a reconocer las ideas primordiales en el tema tratado. Para tener en cuenta: Estos tips destacan informacin anexa relacionada con el tema que se est desarrollando. El objetivo de esta informacin es enriquecer el acervo de conocimientos no formales acerca del tema tratado.

Espontaneidad y reversibilidadConsidera en la siguiente descripcin que la presin atmosfrica se mantiene en 1 atm. Cuando en un vaso tienes agua y la colocas en un medio donde la temperatura es menor que 0 C, el agua se convierte en hielo. Si colocas el vaso con hielo en un lugar donde la temperatura es mayor que 0 C, en poco tiempo el hielo se funde y se convierte en agua. Los dos cambios anteriores se producen en la medida que la temperatura externa se modi que. Una forma de describir la direccin de un proceso determinado es sealar si el proceso es espontneo o no. La congelacin del agua es espontnea a temperaturas inferiores a 0 C y, por cierto, es no-espontnea a una temperatura mayor que 0 C. La fusin del hielo es espontnea a una temperatura mayor que 0 C y no espontnea a una temperatura bajo 0 C. Cul de estos procesos es endotrmico y cul exotrmico? En los casos descritos, los cambios dependen fuertemente de la temperatura en que se encuentra el sistema. Esta aparente reversibilidad no sera posible a cualquier temperatura. Si los cambios anteriores ocurren sobre y bajo 0 C, qu sucede espec camente cuando la presin es de 1 atm y la temperatura est ja en 0 C? A esta temperatura las dos fases se nter convierten con la misma rapidez, es decir, Rapidez de congelacin = Rapidez de fusin En otras palabras, no hay preferencia o espontaneidad en ninguna direccin en particular. En esta situacin el sistema est en equilibrio y se trata de un proceso reversible.

CH4(g) + 2O2(g) H1 + 2 H2 +

CO2(g) + 2H2O(l) H3 = Hcomb = 889,3 kJ

HComb = 889,3 kJ

C oncepto clave Espontneo No espontneo Equilibrio Reversible

Mediante la adicin de las tres ecuaciones y de sus correspondientes H se obtiene nalmente la variacin de entalpa de la combustin del metano. En las ecuaciones arriba expuestas: Cul ecuacin de formacin fue invertida? Por qu es necesario multiplicar por 2 la ecuacin de formacin del agua? Reconoce las especies que se cancelan, analiza las razones. Concluye, la reaccin es endo o exotrmica?

ara tener P en cuenta Cuando se suman ecuaciones mediante la aplicacin de la ley de Hess y se utilizan entalpas de formacin en unidades kJ/mol, el resultado de la entalpa de la reaccin omite la unidad mol, puesto que al sumar ecuaciones y ponderar por la cantidad de moles de cada una de ellas la unidad mol se cancela. Tipos de combustin Si el Carbono en la reaccin de combustin se convierte totalmente en CO 2, se trata de una combustin completa. Cuando hay insuficiencia de oxgeno se forma una mezcla de CO y CO 2, lo que corresponde a una combustin incompleta.

Espontneo a T < 0 oC Espontneo a T > 0 oC Agua Hielo

La ley de Hess permite estimar el cambio de entalpa de innumerables reacciones, incluso de aquellas que no se producen o que son muy difciles de controlar. Ejercicio: CO(g) Determina la entalpa para la reaccin C(graf, s) + O 2(g) A partir de la combustin de Carbono hasta CO 2 y de la reaccin: CO(g) + O 2(g) CO 2(g) H = 283,0 kJ

V ocabularioProceso espontneo: Es un proceso que ocurre de manera natural en una determinada direccin. Puede ocurrir lenta o rpidamente.

@ En la RedEn la siguiente pgina puedes encontrar algo ms sobre entropa: http://www1.uprh.edu/inieves/macrotema/termodinamica.ht

40

Qumica III Unidad 1

Captulo 1 Conservacin de la energa

33

Sntesis del CaptuloEspontaneidad y direccin de los procesos qumicosse relaciona con la

2Reactividad:puede ser un

Evaluacin del CaptuloResponde en tu cuaderno las siguientes preguntas:1. En torno a una mesa cuadra hay cuatro sillas. Primero se sienta una persona, luego, dos, tres y cuatro personas. De cuntas maneras se pueden sentar las personas en cada caso? 2. Predice el signo del cambio de la entropa en los siguientes procesos: NaNO3(ac) a) NaNO3(s) b) CH4(g) + O2(g) c) H2O(l)(50 C) d) FeCl2(s) + H2(g) CO2(g) + 2H2O(l) H2O(l)(20 C) Fe (s) + 2HCl(g)agua

Proceso natural y real que ocurre slo en una direccin dada.equivale a un

Proceso irreversible:

puede ser un

Capacidad de un tomo, o conjunto de tomos (molculas, iones o radicales), para combinarse qumicamente con otros.

Proceso reversible:Proceso que puede ir y regresar de un estado a otro siguiendo el mismo camino.

Proceso espontneo:Proceso que ocurre sin intervencin externa.se relaciona con la

conduce a

conduce a

5. El punto de ebullicin del metanol es 65 C a 1 atm de presin. Supone que tienes 20 mL de metanol en un sistema cerrado. Qu proceso es endo o exotrmico si la temperatura est bajo o sobre la temperatura de ebullicin? En qu rango de temperaturas la vaporizacin o condensacin es espontnea o no espontnea? 6. Considera la siguiente reaccin utilizada en la fabricacin del cemento. CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) Consulta la tabla de la pgina 35 y determina: a) Si la reaccin es endo o exotrmica. b) La espontaneidad a 25 C. c) La temperatura a la cual se produce el cambio de espontnea a no espontnea. 7. Consulta la tabla 2 (pgina 35) y determina: H, S y G para las siguientes reacciones qumicas a 25 C. CO2 (g) + 2H2O (g) Na (s) + Cl2 (g) CO (g) + O2 (g) CH4 (g) + 2O2 (g) NaCl (s) CO2 (g)

Sntesis de Captulo: Te presentamos los conceptos o ideas centrales de cada Captulo y sus interrelaciones a travs de un organizador grfico. Evaluacin de Captulo: Como una manera de verificar aprendizajes en el Captulo, te proponemos una serie de preguntas graduadas en orden de complejidad, las cuales te servirn para medir tus niveles de logro alcanzados.

Por lo general, los procesos que ocurren van hacia un estado ms desordenado, que es coincidente con el paso de lo menos a lo ms probable.

Probabilidad y desorden:

En un proceso espontneo la entropa del universo aumenta y en procesos de equilibrio se mantiene constante.requiere de la dene la

Segunda Ley de la termodinmica:

que se relaciona con la

La entropa de una sustancia cristalina perfecta es cero, en el cero absoluto de temperatura.

Tercera ley de la termodinmica:

Flujo de calor por unidad de temperatura. S=q/T La entropa crece si el desorden aumenta.y surge la

Entropa:

3. Cules de los siguientes procesos son espontneos? a) Disolucin de azcar en el agua. b) El vapor de agua se deposita en los vidrios de la ventana. c) Una gota de tinta se disuelve en el agua. d) Difusin de un perfume. 4. Cmo expresaras termodinmicamente la siguiente situacin hipottica? Los gases que salen por el tubo de escape de un automvil de pronto retornan al interior del tubo

Entropa en procesos irreversibles:S del universo aumenta.

Energa libre de Gibbs:que se aplica a

Funcin termodinmica G = H TS Es la energa disponible para hacer un trabajo til.que permite

y se aplica a

Entropa en procesos de equilibrio:Para un sistema en equilibrio H = T S.

Cul o cules reacciones son posibles?

Si en un sistema ocurre un cambio, la entropa del universo ( S) aumenta y la variacin de energa libre ( G) disminuye.

Predecir un cambio:

50

Qumica III Unidad 1

Captulo 2 La espontaneidad y la direccin de los procesos qumicos

51

Chile

200 aos

BicentenarioCASETA PARA LOS HIMALAYAS

Proyecto cientcoFuentes de energaChile es un pas que necesita diversicar sus fuentes de energa en los prximos aos a n de transformarse en el Siglo XXI en un pas desarrollado. El presente proyecto consiste en realizar una investigacin sistemtica sobre la realidad energtica del pas, con el propsito de dar a conocer a la comunidad del curso o el colegio lo que se est haciendo por este tema, y las medidas en el corto, mediano y largo plazo que deberan tomarse para superar la decitaria situacin energtica actual. Como una forma de integrar, revisar y aplicar los conceptos estudiados en esta Unidad, te invitamos a formar varios grupos de trabajo para desarrollar este proyecto, en el que tendrs la oportunidad de planicar, recolectar informacin, ordenarla, discutirla y presentarla a la comunidad del curso. Algunas preguntas referentes al tema que debieran ser respondidas en el desarrollo del proyecto son: Cul es el origen de la energa en la Tierra? Cul es la actual situacin de dependencia energtica de Chile? Cules son las materias primas actuales y futuras para generar energa? Cules son los costos de generar energa con diferentes alternativas? Cul es la produccin actual de energa y cunto se requiere en 30 aos ms? Qu formas de generacin de energa son alcanzables en la actualidad, en el mediano plazo o en el futuro? Cules son los sistemas de generacin de energa contaminantes y cules los ms limpios? Existen leyes en Chile relacionadas con la generacin de energa? Qu tipo de instituciones se necesitan para mejorar el abastecimiento energtico? Una vez recolectada la informacin puede ser divulgada mediante: papelgrafos, fotografas, aches e incluso, si dispones de la tecnologa adecuada, puedes realizar una presentacin digital o hasta un video. Cada pregunta que te hemos planteado abre un sin n de posibilidades para abordar diversos tpicos dentro de su contexto. En general, describe las ventajas, desventajas, amenazas y fortalezas de cada una de las interrogantes enfocndose en nuestra realidad como pas. Por ello resultara muy enriquecedor para la discusin, que en conjunto, el curso y su profesor(a), distribuyeran las preguntas en los distintos grupos de estudiantes, para abordar es su globalidad este tema.

1

Hillary, esposa del explorador Sir Edmund Hillary, prueba el peso de uno de los paneles de la choza que ha sido especialmente diseada para su marido, que realizar una expedicin al Himalaya. Hillary (izquierda) contempla el refugio. Es en Maidenhead, Inglaterra. El refugio, que aqu se muestra, est hecho con cerca de 100 paneles curvos prefabricados de madera terciada, entrecruzados para formar una estructura de siete metros de largo por 3 metros de dimetro. Destinada a servir de base a la expedicin, tiene capacidad para 8 personas y hasta un laboratorio perfectamente equipado. La expedicin, conocida como la Expedicin de 1960 de Fisiologa y Montaismo, atacar algunos de los picachos no conquistados del mundo, en los Himalaya y el refugio ser instalado y desmantelado a diferentes alturas, la ltima a 6 mil metros de altura, en noviembre de este ao.

Lady

Camino al Bicentenario: En esta seccin revisamos algn aspecto de los temas tratados en la Unidad, los cuales alguna vez fueron informados en antiguas publicaciones chilenas. De esta manera nos acercamos a la memoria de nuestro pas, recuperamos nuestra historia y la de generaciones anteriores. Proyecto cientfico: Al final de cada Unidad te invitamos a desarrollar un proyecto en equipo, el cual te ayudar a lograr un objetivo determinado e inmerso en alguno de los temas tratados en la Unidad.

Hoy t desafo ser:El 29 de mayo de 1953, el alpinista y explorador neozelands, Sir Edmund Hillary, alcanz la cumbre del Everest, la cumbre ms alta del mundo de 8848, metros. Lo acompa en esta hazaa, el sherpa Tenzing Norgay. Sir Edmond continu en los aos siguientes realizando exploraciones y conquist 10 picos de los Himalaya entre 1956 y 1965. En su edicin N 2885 del ao 1960, una revista, en su seccin Hechos y Personajes public la siguiente nota de actualidad. En ella se comenta acerca de un nuevo vehculo con el cual se espera batir el record mundial de velocidad en tierra. Con la informacin del artculo te invitamos a desarrollar y resolver la siguientes interrogantes Qu condiciones termodinmicas deben cumplir los materiales utilizados en la construccin de una caseta para expediciones de alta montaa? Cules son los materiales e implementos que se utilizan actualmente en el montaismo? De qu manera se puede aislar una casa contra las bajas y altas temperaturas?

En qu consiste un proyecto?Un proyecto es una serie de actividades para lograr un objetivo. Tienes que tener claridad sobre qu quieres hacer y para qu lo quieres hacer. Un proyecto requiere como mnimo estas tres etapas: Planicacin: etapa de un proyecto en la que se organiza lo que se va a realizar, las actividades y tareas necesarias a realizar para cumplir con el objetivo propuesto. Ejecucin: etapa de accin en la que se desarrolla el proyecto. Evaluacin: etapa nal de un proyecto en la que se analizan los resultados obtenidos y el cumplimiento de los objetivos propuestos.

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Sntesis de UnidadEspontaneidad y direccin de los procesos qumicosI) Combustin del carbono. II) Fusin del hielo.Conservacin de la energa Sistema y entorno. Procesos reversibles e irreversibles. Enfoque termodinmico del equilibrio. Equilibrios homogneo y heterogneo. Primera Ley. Energa Interna. Calor. Trabajo. Entalpa. Constante de equilibrio: Kc y Kp. Equilibrio qumico Enfoque cintico del equilibrio.

Evaluacin de UnidadPreguntas de seleccin mltiple1. Cules de los siguientes procesos son exotrmicos? 4. Una reaccin endotrmica se caracteriza porque: a) No es espontnea. b) Se observa un enfriamiento del sistema. c) Se observa un calentamiento del sistema. d) Ocurre generalmente a bajas temperaturas. e) Ocurre a cualquier temperatura. 5. Cul(es) de los siguientes procesos son espontneos?

1

III) Condensacin del vapor de agua. IV) Metabolismo de la glucosa.a) Solo I. b) Solo II. c) Solo III. d) Solo I, III y IV. e) Todos. 2. Considera las siguientes reacciones con sus respecti-

Sntesis de Unidad: Se presentan los conceptos o ideas centrales de cada Captulo que conforma la Unidad y se integran por medio de un organizador . Evaluacin de Unidad: Como una manera de verificar aprendizajes, te proponemos una serie de preguntas que medirn tus niveles de logro, graduadas en orden de complejidad.

Termoqumica.

Leyes termodinmicas.

Calorimetra. Procesos endotrmicos H > 0. Procesos exotrmicos H < 0.

Propiedades.

Ley de equilibrio qumico.

vos cambios de entalpa. S (s) + O2 (g) SO2 (g)

H = 296,8 kJ

2SO2 (g)+ O2 (g) 2SO3 (g) H = 198,4 kJ Cul es la variacin de la entalpa para la reaccin S (s) + 3/2 O2 (g) SO3 (g)?a) (296,8 kJ) (198,4 kJ)

I) Expansin del aire caliente. II) Fusin del hielo a 5 C. III) La oxidacin del hierro. Es (son) correcta(s): a) Solo I. b) Solo II. c) Solo III. d) Solo I y II. e) Solo I y III. procesos que se indican?

Segunda Ley.

6. Cul es el signo de la variacin de entropa en los a) Evaporacin del alcohol. b) Disolucin de CO2 en agua. c) Condensacin de la humedad en una ventana.

Tercera Ley.

Principio de Le Chatelier.

b) (296,8 kJ) + (198,4 kJ) c) (296,8 kJ) + (198,4 kJ) d) (296,8 kJ) + (198,4 kJ) e) (296,8 kJ) + (198,4 kJ) 3. Qu intercambian un sistema abierto y uno cerrado

Entropa.

con su entornno?

Energa libre.

Concentracin.

Presin.

Temperatura.

Evaporacin del alcohol a) Energa b) Masa d) Solo masa e) Solo energa

Sistema cerrado Nada Nada Solo energa Solo masa

a) b) c) d) e)

Condensacin Evaporacin Disolucin de de la humedad del alcohol CO2 en agua en una ventana + + + + + + +

Procesos espontneos G < 0.

Procesos no espontneos G > 0.

c) Energa y masa Solo energa

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Algunas habilidades que desarrollars en este textoEl desarrollo de habilidades en las ciencias tiene su punto de partida en la percepcin. Hacer observaciones te permite realizar deducciones acerca de las posibles causas de un determinado fenmeno observado. Estas causas se pueden ordenar para luego organizarlas y as poder determinar diferencias, similitudes o realizar comparaciones. Por ello es importante que puedas desarrollar las siguientes habilidades.

RECONOCIMIENTO:Implica recordar informacin aprendida con anterioridad, partiendo desde el recuerdo de datos especficos hasta conceptos de mayor complejidad. Lo que se requiere es recuperar la informacin de manera explcita y tal como se aprendi. Algunos de sus indicadores son: Reconocer la conceptualizacin bsica utilizada en el estudio de la ciencia. Identificar las caractersticas de fenmenos naturales. Recordar caractersticas esenciales de algunos fenmenos qumicos o hechos histricos. Identificar los elementos y tendencias presentes en el contexto de la qumica.

COMPRENSIN:Implica percibir el sentido de hechos e ideas, organizando, comparando, haciendo descripciones y exponiendo las ideas principales de distintos tipos de informacin. Junto con entender la informacin y captar su significado, tambin implica trasladar el conocimiento a contextos nuevos, a travs de la inferencia de causas o la interpretacin de hechos, entre otros. Algunos de sus indicadores son: Explicar las caractersticas del comportamiento de los fenmenos qumicos. Distinguir los componentes bsicos de la qumica y su aplicacin en diferentes contextos. Explicar las caractersticas del funcionamiento de los fenmenos qumicos. Determinar la visin de los fenmenos y procesos en la actualidad y en el pasado. Explicar las relaciones existentes entre los fenmenos qumicos y el medio.

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APLICACIN:Plantea resolver o solucionar problemas, haciendo uso del conocimiento adquirido como, por ejemplo, conceptos, tcnicas y reglas de maneras diferentes, es decir, supone aplicar la informacin aprendida a situaciones complejas. Algunos de sus indicadores son: Utilizar la informacin de tablas, cuadros, grficos, imgenes, entre otros, para la resolucin de problemas. Aplicar leyes y teoras para luego contrastar y elaborar informes. Organizar informacin compleja de manera coherente. Completar esquemas utilizando informacin relevante. Elaborar modelos.

ANLISIS, SNTESIS Y EVALUACIN:Estos trminos se aplican a habilidades cognitivas de nivel superior e implican examinar y fragmentar la informacin, realizar inferencias y encontrar evidencias que apoyen generalizaciones. Adems, suponen reunir informacin y relacionarla de diferente manera, combinando elementos para, finalmente, exponer y sustentar opiniones y juicios sobre distintos tipos de informacin. Algunos de sus indicadores son: Determinar los elementos comunes y dismiles de los elementos en estudio, o bien, entre variables. Utilizar las estructuras para poder ordenar y clasificar. Analizar la relacin entre diversos fenmenos. Examinar tablas que sustenten ciertas certezas.

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Normas de seguridadEl trabajo experimental en ciencias es muy motivador; sin embargo, debes tomar una serie de precauciones para cuidar tu seguridad y la de tus compaeros. planificar y anticipar es una norma general, estudia bien cada paso del trabajo que vas a realizar, para saber lo que debes hacer, en qu momento y las precauciones que debes tomar en cada caso.

1. Actitud SIEMPRE debes seguir las instrucciones de tu profesor o profesora. SIEMPRE debes proteger tu ropa, lo ideal es usar un delantal blanco. NO DEBES correr ni jugar cuando realizas una actividad experimental, especialmente, al interior del laboratorio. NO DEBES comer mientras realizas actividades experimentales. SIEMPRE debes lavar bien tus manos antes y despus de realizar la actividad. SIEMPRE debes conocer las vas de evacuacin.

2. Materiales Los materiales que se van a utilizar deben estar limpios. Lavar los recipientes con agua de la llave. Emplear detergente si es necesario. Dejar secar el material para, posteriormente, poder reutilizarlo en forma rpida. La mesa de trabajo debe limpiarse con una esponja hmeda y secarse con un pao apropiado.

3. Cuidado NO DEBES tocar productos qumicos si no lo autoriza el profesor(a). NO DEBES aproximar productos inflamables a mecheros. SI UTILIZAS mecheros de gas, no olvides cerrar las llaves de paso.En caso de accidentes, se debe avisar inmediatamente al profesor(a). Si sigues todas estas normas de seguridad, podrs realizar de manera exitosa tus trabajos experimentales sin riesgos para la seguridad del grupo.

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Proteccin del medio ambienteEl trabajo en el laboratorio, junto con tomar en cuenta las medidas de seguridad, debe implicar el respeto y cuidado del medio ambiente, ya que, por lo general, se trabaja con sustancias txicas que se deben eliminar. Por otro lado, es necesario anticiparse y advertir situaciones que pudieran afectarlo y daar; dentro de estas se destacan:

Residuos y vertidos txicos Si los residuos son lquidos, estos deben diluirse previamente con agua y luego ser eliminados por el desage. Si los residuos son slidos, deben ponerse en bolsas plsticas bien selladas para que no se puedan abrir y, si es necesario, ponerles una indicacin de su contenido. Si en tu laboratorio existen sustancias no rotuladas y desconoces su procedencia, puedes comunicarte con tu municipalidad y pedir que sean ellos los que retiren estos elementos txicos de tu colegio.

Proteccin de los recursos naturales como la flora y la fauna Si vas a trabajar con animales vivos, debes recordar que por disposicin del MINEDUC estos animales no pueden ser objeto de maltratos ni sometidos a experimentos que los pongan en peligro. Solo se puede trabajar con animales que se constituyan como: fuente de alimentacin: peces, moluscos, etc. Si sales a terreno, no debes capturar ningn animal ni planta en peligro de extincin. Para ello, te puedes informar en CONAF (www.conaf.cl). Ensale a tus compaeros y compaeras a mantener limpio el lugar que estn visitando, dejando la basura en los receptculos adecuados, o bien, llevndosela para eliminarla en los lugares correspondientes. Si quieren hacer una fogata, no deben prender fuego en los sitios con mucha vegetacin. Si es necesario, deben limpiar de ramas y pasto una zona de unos 3 metros de dimetro y en el centro hacer una fogata. Cuando la apaguen, deben cerciorarse de que queda bien extinguida y cubrirla con tierra.

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Reactividad y equilibrio qumicoEn sus primeras etapas de desarrollo, el hombre primitivo descubri el poder del fuego como medio de subsistencia. Desde esos primeros descubrimientos hasta el presente, la humanidad contina tras la bsqueda de nuevas fuentes de energa que le permitan mantener y mejorar el estndar de vida de la sociedad actual. Gran parte de la energa que consumimos proviene de reacciones qumicas de combustibles fsiles, como el petrleo y el gas natural. Pero debido a su uso nos estamos acercando a niveles crticos de contaminacin. La termodinmica es la ciencia que estudia las transformaciones de la energa, fundamentalmente, las leyes que regulan su conversin trmica en mecnica, elctrica u otras formas. La termodinmica tiene innumerables aplicaciones en la qumica, la fsica, la biologa y en la ingeniera.

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UNIDADAl finalizar esta Unidad sers capaz de:Relacionar reacciones qumicas con intercambios de energa. Identificar procesos endo y exotrmicos. Asociar los cambios qumicos con la ruptura y formacin de enlaces. Captulo 1: Conservacin de la energa Sistemas termodinmicos Energa, calor y trabajo Primera ley Termoqumica y calorimetra Energa de enlaces

Temas a estudiar en esta Unidad:

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Distinguir procesos espontneos y no espontneos. Reconocer conceptos de entalpa, entropa y energa libre. Conocer reacciones espontneas que ocurren en el entorno. Captulo 2: Espontaneidad de procesos qumicos

Entropa, desorden y procesos irreversibles Segunda y tercera ley Energa libre Constante de equilibrio

Reconocer e identificar estados de equilibrio en reacciones qumicas.

Captulo 3: Equilibrio qumico

Perturbacin del estado de equilibrio Principio de Le Chtelier Termodinmica del equilibrio

1 Conservacin de la energaCalor Primera ley de la termodinmica Entalpa Trabajo Energa interna Termoqumica Energa de enlaceDesde los tiempos ms remotos, el hombre ha dependido de suministros energticos. Como seres vivos, necesitamos el consumo permanente de alimentos que nos proporcionan nutrientes y energa. Por otra parte, para el desarrollo de las actividades humanas se requiere obtener energa de diversas fuentes de tipo fsico y tambin quemar combustibles fsiles, tanto para el consumo domiciliario como el industrial y el transporte. Muchos de los recursos energticos provienen de estos procesos qumicos, que en la medida que se mantengan bajo control seremos capaces de frenar el calentamiento global del planeta. En el presente Captulo se abordan fundamentalmente la conservacin de la energa y las propiedades relacionadas con la primera ley de la termodinmica.14

Qumica III Unidad 1

Puede ser obvio, pero, por qu te vistes con ropa delgada en verano y con ropa gruesa en invierno? Cmo deben ser la textura, el material y las caractersticas de la ropa de verano e invierno? Qu propiedades fsicas te dicen que debes cambiar el tipo de vestimenta segn el clima? Escribe tus respuestas en tu cuaderno y comprtelas con tus compaeros. Para entender y responder estas y otras interrogantes, te invitamos a desarrollar la siguiente experiencia.

5 vasos de precipitado de 250 mL. Trozos de gnero de fibra sinttica y lana. Papel de aluminio. 1 trozo de plumavit (poliestireno). Termmetro. 1 cortacartn (tip-top). Agua fra y caliente. Hielo. Se sugiere trabajar en grupos de 4 personas.

Actividad exploratoria: Enfriamiento y calentamiento de aguaProcedimiento 1: 1. Rodea completamente un vaso con el gnero de lana. Procede de igual manera con un segundo vaso, envolvindolo esta vez con gnero delgado de fibra sinttica, y a un tercer vaso lo envuelves con el papel de aluminio. Con el cuchillo cartonero haz una cavidad en el trozo de plumavit y acomoda otro vaso, de manera que quede totalmente rodeado de este material. Un ltimo vaso lo dejas sin ninguna proteccin. Reflexiona: por qu se usaron diferentes tipos de aislamientos en los vasos? Qu variables estn involucradas en este experimento? 4. Utilizando las variables tiempo y temperatura que determinaste anteriormente, confecciona una tabla de tiempo versus temperatura, y grafica cmo cambia la temperatura en el tiempo. Puedes hacerlo en una hoja de Matemtica, en una planilla de clculo o en un software de graficacin. Compara: cmo se comporta el enfriamiento en cada vaso? Reflexiona: por qu el ltimo vaso no tiene ninguna proteccin? Qu importancia tiene este vaso para la interpretacin de los resultados? 2. Coloca entre 100 y 150 mL de agua caliente en cada vaso, a una temperatura aproximada de 70 a 80 C. Acomoda en cada vaso una tapa del mismo material que lo rodea y que solo deje pasar el termmetro. Predice: qu ocurrir con la temperatura del agua en los diferentes vasos? 3. Mide y registra en tu cuaderno la temperatura y toca la cubierta externa de cada vaso dos minutos, durante 20 minutos. Infiere: cul puede ser la ventaja o desventaja de tapar los vasos? Procedimiento 2: 1. Coloca en un vaso con agua 3 cubos de hielo. Despus de unos 20 minutos distribuye el agua en 5 vasos secos en las mismas condiciones que las utilizadas en el procedimiento 1, procurando que los volmenes de agua sean iguales. Repite la medicin de la temperatura cada 2 minutos y registra cada una de las mediciones de temperatura y tiempo. Grafica los resultados. 2. Observa detenidamente tus grficos y busca alguna relacin matemtica que sirva para diferenciar cada situacin.

H abilidades y destrezasReflexionar Predecir Inferir Comparar Interpretar Formular objetivos Concluir Para finalizar: Formula: cules son los objetivos y principales conclusiones de estas experiencias? Contesta: Es posible establecer cul es el lmite, frontera o pared de los objetos en estudio? Hasta dnde llegan el sistema y el entorno? Existe una clara diferenciacin entre ambos? Cmo se pueden denominar los sistemas sin proteccin, los rodeados de algn medio y los que estn cubiertos? Si relacionas esta experiencia con las preguntas iniciales, qu parte de los objetos en estudio son equivalentes a tu persona? Cuando hayas definido hasta dnde llega el objeto en estudio, denomnalo sistema y todo lo que lo rodea llmalo entorno o medio ambiente.

Captulo 1 Conservacin de la energa

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1. Sistemas termodinmicos Sistema, entorno y procesos

C onceptos claveSistema cerrado Sistema abierto Sistema aislado Entorno Universo

En la experiencia anterior te has dado cuenta de que el objeto de estudio es un sistema, el cual est rodeado de un entorno o medio ambiente. Como el entorno que rodea el sistema no tiene lmites, habitualmente se considera que ambos constituyen el universo, de modo que: Universo = Sistema + Entorno

Actividad de indagacin: Sistema, entorno y procesos termodinmicos

H abilidades y destrezasTabular Comparar Ordenar y clasificar Observar Reflexionar

a) Tabula y enumera en tu cuaderno cinco objetos de distintas dimensiones, que pudieran designarse como sistemas. b) Compara: cun pequeo o cun grande puede ser un sistema? c) En ellos, tiene alguna importancia especificar la temperatura o es irrelevante? Tienen paredes rgidas o mviles? d) Averigua, qu diferencia hay entre una pared rgida y una mvil? e) En tu cuaderno, clasifcalos den-

tro de alguna categora como las siguientes: Sistema abierto Sistema cerrado Sistema aislado f) Observa, qu caractersticas especficas puedes diferenciar entre estos sistemas? Qu separa el sistema de los alrededores? g) Reflexiona, un organismo vivo es un sistema abierto, cerrado o aislado?

Un ejemplo de sistema es la Va Lctea, que a su vez est rodeada de un entorno donde tambin existen otras galaxias.

Nuestro propio cuerpo es un sistema, que est siempre rodeado de un entorno. Hasta dnde llega ese entorno? Qu tipo de paredes tiene el cuerpo humano?

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Qumica III Unidad 1

Propiedades de estadoPara poder estudiar detenidamente un sistema, es fundamental seguirle la pista a algunas propiedades. En la experiencia introductoria se pesquisaron las variaciones de temperatura en un sistema, pero tambin se podran determinar la masa, el volumen y la presin. Es indudable que en algunos sistemas el conocimiento de una de estas propiedades sea irrelevante o muy importante. Si ests calentando agua en un vaso y lo llevas hasta ebullicin, qu propiedades cambian y cules no? Cualquiera sea el caso, puedes precisar el cambio de la siguiente manera: Cambio = Magnitud de la propiedad final Magnitud de la propiedad inicial Si la propiedad se designa por X, una forma resumida de expresar el cambio puede ser: X = X2 X1 o bien X = Xf Xi

1C onceptos claveCambio de estado Propiedad de estado Volumen Presin

ara tener P en cuentaLa ebullicin es el proceso fsico en el que un lquido se convierte en gas o vapor. El punto de ebullicin es la temperatura en que la presin de vapor de equilibrio del lquido se iguala con la presin externa. Si la presin externa es de 1 atm se habla de punto de ebullicin normal del lquido. Durante la ebullicin la temperatura permanece constante hasta que desaparece el ltimo vestigio de lquido.

donde f: final; i : inicial Considera que tienes un trozo de alambre de cobre que pesa 30 g y est a una temperatura de 40 C. Al dejarlo sobre una mesa se enfra poco a poco hasta alcanzar la temperatura ambiente de 18 C. Se produjo un cambio de estado que se registra como una modificacin de la temperatura. T = 18 0C 40 0C= 22 0C Qu propiedades permanecieron sin alterarse en el enfriamiento? Una de las caractersticas fundamentales de la variacin de la temperatura es que sta no depende del camino o trayectoria. Te has dado cuenta de que en el informe meteorolgico del clima diario importa solo la temperatura mnima y la mxima? No interesa si durante el da subi, baj y volvi a subir. Lo nico que importa son los valores extremos. Todas las propiedades que son independientes del camino realizado son propiedades de estado. Adems de la temperatura, tambin son propiedades de estado el volumen (V) y la presin (P) sobre el sistema. Si trazas imaginariamente una lnea recta entre tu casa y el colegio, la longitud de ella no cambia. Sin embargo, hay distintos caminos que puedes tomar para unir los dos puntos. Luego, la longitud de la lnea recta es una propiedad de estado, pero no el camino seguido.

Propiedades de estado

Captulo 1 Conservacin de la energa

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Fuentes de energa

C onceptos claveEnerga Energa cintica Energa potencial

T sabes que el Sol es nuestra principal fuente de energa y la usamos diariamente en mltiples actividades. Indica en qu situaciones se utiliza directamente la luz solar. Son suficientes estos casos que t mencionas para mantener la vida en la Tierra? Cules de los siguientes tipos de fuentes de energa tienen origen en el Sol? Petrleo, carbn, madera, gas natural, alimentos (vegetales y animales), hidroelectricidad, energa nuclear, energa elica, etc. Puedes mencionar otras? Cules fuentes de las que has mencionado tienen su origen especficamente en fenmenos de tipo qumico? En general, las diferentes fuentes de energa se utilizan para producir energa trmica, electricidad o luz.

Transformacin de la energaLa energa es un trmino muy popular y, a pesar de ello, darle una definicin precisa es algo muy complejo y difcil. Su obtencin y su buen uso son problemas que han preocupado a la humanidad en tiempos prehistricos, en el devenir del tiempo hasta ahora, y lo seguirn siendo en el futuro. Generalmente, se define energa como la capacidad para efectuar trabajo. Esta definicin es totalmente operativa y no refleja lo difcil que es conseguirla. Cualquiera sea su origen, la energa es transferida de una forma a otra, ya sea para acumularla o gastarla. La energa tambin se transfiere por calentamiento o enfriamiento, lo que comnmente llamamos ganancia o prdida de calor. Desde el punto de vista mecnico se formulan dos tipos clsicos de energa: la energa cintica y la energa potencial. La primera es propia de los cuerpos en movimiento, y la segunda de la posicin que ocupa el cuerpo respecto a algn campo de fuerza; por ejemplo, la energa potencial gravitatoria de

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Qumica III Unidad 1

1un objeto depende de su posicin en el campo gravitacional de la Tierra. Tenemos muchos ejemplos en los que hay prdida y ganancia de energa, donde es posible encontrar una relacin entre energa cintica y potencial. Si ests parado en un trampoln sobre una piscina, posees una energa potencial gravitacional. Por ejemplo, cuando te lanzas al agua, progresivamente se va transformando la energa potencial en energa cintica. Al momento de entrar de lleno en el agua, la velocidad se reduce notoriamente y la mayor parte de la energa cintica se convierte en energa mecnica del agua, que se manifiesta por el movimiento y las salpicaduras del agua en mltiples direcciones. Cuando emerges hacia la superficie el agua mantiene su movimiento y tambin registra un aumento de la temperatura casi imperceptible. Lo que est detrs de este ejemplo es un principio fundamental de la naturaleza, conocido como ley de la conservacin de la energa, que establece que:

La energa no se crea ni se destruye, solo se transforma, de manera que la energa permanece constante en el Universo.

Actividad de indagacin: Transformacin de la energaa) Analiza la secuencia de transformacin de energa en los siguientes casos: Un ciclista sube pedaleando hacia la cima de una colina y luego regresa rpidamente al punto de partida. Un montaista escala por la ladera de un roquero. b) Reflexiona, en estos ejemplos, hay implcita alguna forma de energa qumica? c) Propn dos ejemplos donde se destaquen transformaciones de energa y registra ordenadamente cada una de las etapas de su transformacin.

H abilidades y destrezasAnalizar Evaluar Registrar datos Sintetizar

Captulo 1 Conservacin de la energa

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2. Energa, trabajo y calorEn la vida cotidiana modificamos la energa mediante la ejecucin de un trabajo o por transferencia trmica o calor. Para que comiences a conocer estos y otros conceptos importantes, te invitamos a desarrollar la siguiente actividad:

Actividad de indagacin: Levantamiento de un objeto pesado

H abilidades y destrezasExperimentar Aplicar Analizar Inferir

Levantas un cajn pesado desde el suelo, subes unos cinco peldaos de una escalera, luego lo colocas en el piso y finalmente lo arrastras hasta un lugar determinado.

Reflexiona: Qu fuerzas estn implcitas en el proceso? Qu fuerzas se oponen a la accin? Contra quin se hace o se efecta un trabajo? Enumera los tipos de energa participantes.

Trabajo

C onceptos claveFuerza Trabajo Calor

En la mquina de vapor de una locomotora, el vapor que ingresa al cilindro de propulsin empuja un mbolo, el que mediante un determinado mecanismo hace girar las ruedas y pone en movimiento la locomotora. Detrs de este ejemplo est implcita una fuerza (f), necesaria para que exista empuje o traccin. Cada vez que se ejerce una fuerza sobre un objeto y este sufre un desplazamiento, se est realizando un trabajo (w) que modifica la energa del objeto. En trminos fsicos, el trabajo es: w=fd

P

ara tener en cuenta

En que d es el desplazamiento del objeto. Cuando un cilindro provisto de un mbolo mvil contiene un gas, es posible modificar su volumen mediante la aplicacin de una fuerza (f). Al desplazar el mbolo desde h 1 hasta h 2, el trabajo realizado es: w = f (h 2 h 1) Si el rea de la base del cilindro es A y la presin se define por P = f /A se puede expresar el trabajo por: w = P A (h 2 h 1) = P ( V 2 V 1) donde, V 2 = Ah 2 y V 1 = Ah 1

El trabajo en s no es una energa, sino la forma por la cual se modifica o se transfiere energa de un medio a otro. Sin embargo, la energa y el trabajo se miden con la misma unidad.

r h1 V1 h2

r

En una compresin del cilindro, el gas acumula energa, lo que se considera como un trabajo positivo para el sistema gaseoso. Como en la compresin V 2 < V 1, para que el trabajo sea positivo debe definirse como: w = P ( V 2 V 1)

V2

Cada vez que un sistema se expande, su trabajo es negativo. Por el contrario, si se comprime el trabajo es positivo para el sistema.

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Qumica III Unidad 1

CalorActividad exploratoria: Calentar diversos objetos con las manosProcedimiento 1: Coloca en la palma de una mano unos 2 mL de agua y cierra el puo. En la otra mano realiza lo mismo con la moneda o el trozo de madera. Procedimiento 2: Durante un par de minutos, calienta sobre un mechero con llama suave la misma cantidad (50 mL) de los siguientes lquidos: agua y leche, evitando que hiervan. Coloca el termmetro suspendido en el lquido sin tocar las paredes del vaso. Registra la temperatura alcanzada por cada lquido transcurrido dos minutos. Concluye: a) En cul de ellos subi menos la temperatura? b) En ambas experiencias, a qu atribuyes las diferencias? Agua. 1 trozo pequeo de ma dera. 1 moneda de $100. Leche. Mechero. 1 vaso. 1 termmetro. 1 trpode. 1 rejilla.

1

50 ML.

50 ML.

Observa: Con cul de ellos cuesta ms elevar la temperatura?

H abilidades y destrezasObservar Estimar Comparar Concluir

Te has preguntado alguna vez, de qu manera una locomotora o un barco a vapor se ponen en movimiento? Disctelo con tus compaeros y propn tus posibles explicaciones. Una caldera, que quema carbn, calienta agua hasta ebullicin en un recinto de alta presin. En otras palabras, hay transferencia trmica desde la caldera hacia el agua que se transforma en vapor, proceso que normalmente se denomina energa trmica, flujo de calor o simplemente calor (q). Se habla de flujo de calor para describir la transferencia de energa desde un objeto caliente a uno ms fro. En el caso de la mquina de vapor, el calor no es una energa que se acumula en el vapor, simplemente corresponde al proceso de transferencia de energa trmica entre dos cuerpos. Es costumbre utilizar en procesos trmicos calor absorbido cuando un cuerpo gana energa trmica y calor liberado cuando el cuerpo pierde energa trmica. La forma regular de transferencia trmica o calor se produce cuando un cuerpo fro se pone en contacto con un cuerpo caliente. El nico sensor cuantitativo que disponemos para establecer cul objeto est ms caliente o cul ms fro es el termmetro. Hasta cundo fluye calor entre los dos cuerpos, si permanecen en contacto indefinido? Qu entiendes por equilibrio trmico?

El calor en s no es una energa, sino el proceso por el cual se modifica o se transfiere energa de un medio a otro. La energa siempre se transfiere de un cuerpo caliente hacia uno ms fro.

Captulo 1 Conservacin de la energa

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C onceptos claveCapacidad calorfica Calor especfico Capacidad calorfica molar

Capacidad calorficaEn la experiencia anterior te has dado cuenta de que diferentes materiales requieren distintas cantidades de energa para producir la misma elevacin de temperatura. Este fenmeno est determinado por la capacidad calorfica del material. La capacidad calorfica de una sustancia se refiere a la cantidad de flujo de calor necesario para elevar la temperatura en un grado 1 C. Mientras mayor sea la masa de la sustancia, se requiere ms calor para producir el calentamiento. Normalmente la capacidad calorfica se expresa por mol o por gramo de sustancia. Cuando se expresa por gramo de sustancia se le denomina calor especfico (c) y si se expresa por mol, capacidad calorfica molar (C ). En forma prctica el calor especfico (c) se determina experimentalmente como sigue: q c= m T Donde: q es la cantidad de calor transferido. m es la masa de la sustancia. T es el cambio de la temperatura, igual a T final Tinicial La expresin anterior permite estimar el flujo de calor para una determinada sustancia, si se conoce el calor especfico, es decir: q = m c T Por ejemplo, si en un alambre de cobre de 10 g se eleva su temperatura de 20 C a 45 C, el calor transferido al metal es: q = (10 g) (0,385 J/g 0C) (45 0C 20 0C) = 96 J

ara tener P en cuentaT (K) = t(C) +273,15

William Thomson, primer barn Kelvin (1824-1907). Fsico y matemtico irlands, quien hizo importantes trabajos con respecto a la termodinmica y el establecimiento del cero absoluto.

SustanciaAgua Cobre Aluminio Hierro Madera Hormign

Calor especfico (J/g 0C)4,18 0,385 0,902 0,451 1,76 0,88

Valores de calor especfico, expresados en J/g oC, de algunas sustancias.

@

En la red

En las pginas web siguientes encuentras algo ms sobre el calor especfico y el calor: http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/calor/Calor.htm http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/calorimetro/calorimetro.htm

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Qumica III Unidad 1

Unidades de energaLa unidad ms conocida es la calora, que se abrevia cal. Corresponde a la cantidad de energa necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 C. Esta es una cantidad muy pequea de energa, por lo que es comn utilizar la kilocalora (kcal). Tradicionalmente se ha usado esta unidad para expresar el aporte energtico de los alimentos. 1kcal = 1000 cal En este texto se usa la unidad de energa Joule (J) del Sistema Internacional (SI). 1 J = 1kg m 2/ s 2 En reacciones qumicas es comn el kiloJoule (kJ) La equivalencia con las caloras es: 1 cal = 4,184 J o bien 1 kcal = 4,184 kJAnders Celsius (1701-1744). Fsico-astrnomo sueco, propuso en 1742 la graduacin centgrada del termmetro de mercurio, tomando como referencia el punto de congelacin (0 C) y el de ebullicin (100 C) del agua al nivel del mar.

1

La unidad Joule es preferida en las ciencias, porque se puede derivar directamente de unidades que se emplean para expresar la energa cintica y potencial. Aun cuando la energa, el trabajo y el calor son conceptos diferentes, se pueden expresar en las mismas unidades.

James Prescott Joule (18181889) fue un cientfico britnico que investig la equivalencia entre el calor y el trabajo.

ara tener P en cuentaUn ejemplo: Una pelota de tenis de 58 g al ser golpeada con una raqueta alcanza una velocidad de 150 km/h (= 42 m/s). La energa cintica de la pelota es: E c = m v 2/2 = (0,058 kg)(42 m/s) 2/2 = 51 J Cuando el tenista lanza la pelota al aire y alcanza una altura de 3 m respecto del suelo, la energa potencial de la pelota es: E p = m g h = (0,058 kg)(9,8 m/s 2) (3 m) = 1,7 JEnerga cintica Eslaenergaquesepresentaen el movimiento de un objeto. Energa potencial gravitatoria Es la energa potencial debida a que un objeto se encuentra en una posicin elevada. Donde la cantidad de energa potencial gravitatoria que posee un objeto elevado es igual al trabajo realizado contra la gravedad para levantarlo. Recuerda que el campo gravitacional es constante solo en las cercanas de la Tierra. Las unidades mtricas de la energa cintica (Ec) y energa potencial gravitacional (Epg) son: Ec = mv = kgm = N m = Joule 2 s2 2 Epg=mgh=kg m2 m=Nm=Joule s2 2

Captulo 1 Conservacin de la energa

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C onceptos claveEnerga interna Temperatura Masa

Energa interna (U)Cada vez que se calienta un objeto, la energa recibida se acumula en el material del que est compuesto. Cualquiera sea el sistema en estudio, se trata de un medio formado por tomos, iones o molculas. A la suma de las energas individuales (cinticas y potenciales) de todas las partculas, sean estas molculas, tomos o iones, se le denomina energa interna. A la energa interna contribuyen diversas formas de energa, que se pueden resumir en energa de traslacin, rotacin, vibracin, electrnica, interacciones moleculares y energa nuclear. Cuando se calienta agua, por el efecto de aumento de la temperatura, las molculas se trasladan de un punto a otro, rotan y vibran con mayor intensidad. Por otro lado, con el aumento de la temperatura disminuyen las interacciones moleculares. T sabes que mientras mayor sea la masa de lo que se est calentado, se debe suministrar ms energa. Por lo tanto, la energa interna depende de la temperatura y de la masa del material.

Traslacin Esquemas que representan los diferentes tipos de energa en la materia y que contribuyen a la energa interna.

Rotacine

Vibracin

Interaccin molecular

Transicin electrnica

ara tener P en cuentaLa contribucin a la energa interna de las diferentes formas de movimientos e interacciones depende de la temperatura. Lo ms corriente es que contribuyan la traslacin, la rotacin, la vibracin y las interacciones moleculares. Si las temperaturas son relativamente altas, no hay contribucin de las energas de los electrones y mucho menos la energa nuclear, las que se encuentran en sus estados fundamentales. En principio contribuyen solo las energas que son excitables a una determinada temperatura. Como la variacin de la energa se expresa por U = Ufinal Uinicial, en la diferencia se cancelan las energas que no se han alterado.

La energa interna es una funcin de estado. Ante cualquier modificacin, la magnitud del cambio depende del valor inicial y final, el que se expresa como: U = U final U inicial

AnalogaCuesta mucho pensar que el calor o el trabajo no son energas en s mismas. Imagina que tienes una empresa computacional que elabora softwares para diferentes propsitos. Esta empresa tiene funcionarios, infraestructura, equipamiento, dinero y un edificio. La suma de todo esto es el capital de la empresa, que puede ser equivalente a la energa. De qu manera se puede cambiar el capital de la empresa? Mediante la compra de equipos e insumos y la venta de lo que produce. La compra y venta no son el capital de la empresa, pero con ellos se puede modificar el capital. La compra y venta son equivalentes al trabajo y al calor. El capital de la empresa se puede expresar en pesos, as como la compra y la venta. Anlogamente, la energa, el trabajo y el calor se expresan en las mismas unidades. A qu clase de sistema termodinmico equivale el ejemplo de la empresa?

24

Qumica III Unidad 1

3. Primera ley de la termodinmicaEn las pginas previas te has dado cuenta de que la energa de un sistema se puede cambiar mediante transferencia trmica (q) o trabajo (w). En forma general, la relacin entre energa interna, calor y trabajo se resume en la expresin: U = q + w Esta relacin se conoce como la primera ley de la termodinmica, la que indica que los distintos tipos de energa se pueden convertir de uno en otro, pero jams se puede crear ni destruir la energa. Esta ley corresponde a otra forma del principio de conservacin de la energa. La ecuacin anterior revela que la energa interna de un sistema puede cambiar en una magnitud U si hay una transferencia de calor (q) o si se realiza un trabajo (w) sobre l desde el exterior (entorno).

1C onceptos claveEndotrmico Exotrmico

Transferencia de energaLa variacin de energa interna puede aumentar o disminuir, segn sea el tipo de transferencia que se realice. As como en el ejemplo de la tarjeta del pase escolar, en un proceso termodinmico es fundamental tener un convenio de signos para la energa, el calor y el trabajo. La magnitud de q indica la cantidad de flujo trmico y el signo de q indica la direccin en que se transfiri. A la magnitud del trabajo w tambin se le puede asignar signo para expresar si el sistema gana o pierde energa en una determinada operacin. Desde luego, si no hay transferencia de calor y si no se realiza un trabajo, la energa interna no se modifica. Cada vez que un sistema absorbe energa (aumento de U), significa que desde el exterior (entorno) se transfiri energa en la forma de flujo trmico (+q) o se hizo un trabajo (+ w) sobre el sistema. Especficamente a los procesos de flujo trmico en que el sistema absorbe +q = ingreso de flujo trmico q = salida de flujo trmico

Un ejemplo: Considera que en tu pase escolar en un momento dado tienes un saldo de $ 200. Despus de realizar 2 viajes has gastado $ 260. Cul es el saldo en la tarjeta? Saldo(2) = Saldo(1) Gasto = $200 $260 = $60 A fin de poder seguir usando la tarjeta haces un depsito de $1.000. Tu nuevo saldo es: Saldo(3) = Saldo(2) + Depsito = $60 + $ 1000 = $ 940 Qu es equivalente a la energa interna, al calor o al trabajo?

(Proceso endotrmico) Entorno Sistema

(Proceso exotrmico)

+ w = se realiza trabajo

sobre el sistema

w = el sistema hace

trabajo sobre el entorno

Relaciones de transferencia de energa como calor y trabajo entre un sistema y su entorno.

Captulo 1 Conservacin de la energa

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ara tener P en cuenta Presin y trabajo La presin (P) ejercida por una masa (m) en un cilindro o jeringa se puede determinar de la siguiente forma: P = m g/A Donde g es la aceleracin gravitacional 9,8 m/s2 y A es la seccin o rea de corte de la jeringa. Si la masa se expresa en kg y el rea en m2, la unidad de presin es Pascal (Pa), en que: 1 Pa = 1kg = 1 kg m - 1 s - 2 ms25

Entalpa (H)La mayor parte de los procesos donde hay transferencias de calor ocurre en sistemas abiertos en contacto con la atmsfera, la cual mantiene su presin constante. As sucede en las plantas, en los animales y en el laboratorio. El flujo de calor a presin constante, q p , se le denomina cambio o variacin de entalpa y se designa por H. De este modo, en un sistema a presin constante, la primera ley se puede expresar como: U = H + w (a presin constante) U = H PV A partir de lo anterior la variacin de entalpa se escribe como: H = U + PV Dado que la mayor parte de las reacciones qumicas se efectan a presin constante, es normal llamar a la entalpa como calor del proceso.

1atm=1,01310 Pa Si el trabajo se expresa en unidades atmL,sepuedeusarlaconversin a Joule: 1atmL=101,3J Elcambiodeentalpaocalordeuna reaccin qumica corresponde a la energa trmica transferida entre un sistema y su entorno a presin constante. LaentalpasedefineporH=U+PV Esta propiedad abarca la energa interna, ms el aporte del volumen a una determinada presin.

Propiedades de trayectoriaLas variaciones de energa interna (U) o de entalpa (H) dependen del estado inicial y final del proceso, es decir, son funciones de estado. El calor y el trabajo, como estn ligados a procesos, dependen de la trayectoria o del camino realizado para ir de un estado al otro. Podra ocurrir que, con diferentes transferencias de calor o diferentes magnitudes de trabajo efectuado, el sistema gane o pierda la misma cantidad de energa interna. El trabajo y el calor no son propiedades de estado; son propiedades de trayectoria.

V ocabularioTrayectoria: es la secuencia de etapas realizadas entre el estado inicial y final de un proceso.

Actividad experimental: Efectuar trabajo y transferencia de calorProcedimiento: 1 jeringa plstica de 20 mL. 1 par de libros de tapas duras de masas diferentes. Balanza granataria. Recipiente u olla de 1 L.

15ML.

a) Determinacin del trabajo. Mide el dimetro interno de la jeringa y estima el rea de corte (A). Coloca el mbolo de la jeringa, de tal manera que el volumen sea de unos 15 mL, y quema con un fsforo el extremo donde normalmente se coloca la aguja. Apoya la jeringa sobre la mesa y coloca sobre su mbolo el libro, de modo que se observe una disminucin del volumen. Mide y anota el cambio de volumen.

En una balanza determina la masa (m) del libro y calcula la presin (en atm) que ejerce el libro sobre el aire atrapado en la jeringa. Determina el trabajo hecho sobre el gas de la jeringa en unidad Joule. Repite la misma operacin con otra masa diferente hasta determinar el trabajo efectuado sobre el gas. b) Efecto del calor. Coloca agua caliente en el recipiente a una temperatura entre 60 y 70 C. Hunde la jeringa en el agua de manera que se caliente. Qu detectas? Interpreta lo observado en trminos de la primera ley.

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Qumica III Unidad 1

4. Termoqumica Procesos endo y exotrmicosIdentifica, cul de las siguientes situaciones podras calificar como fenmenos termoqumicos? Por qu?

1

Encendido de una vela.

Relmpago.

Erupcin volcnica.

Actividad experimental: Calor de reaccinProcedimiento: a) Corta un trozo pequeo de la virutilla y mjala con agua. Estrjala y colcala en el fondo del tubo de ensayo. Inserta el termmetro y lee la temperatura a medida que pasa el tiempo. b) Repite la experiencia utilizando vinagre en vez de agua. c) Deja los trozos de virutilla sobre un papel y constata su apariencia despus de unas horas. d) Coloca unos 5 mL de agua destilada en el tubo de ensayo y mide su temperatura. Luego, adiciona una pastilla de hidrxido de sodio. e) Repite la experiencia anterior adicionando unos cristales de cloruro de amonio. Clasifica las experiencias en funcin del efecto trmico. Infiere, qu reacciones o qu procesos se produjeron en estos casos?

1 vaso de precipitado. 2 tubos de ensayo. Virutilla fina de hierro (limpia ollas). Termmetro. Agua, vinagre. Hidrxido de sodio y clo ruro de amonio.

H abilidades y destrezasIdentificar Clasificar Inferir

La termoqumica es un rea de la termodinmica que estudia los cambios trmicos relacionados con procesos qumicos y cambios en el estado de agregacin. La manera tradicional de representar un proceso termoqumico es mediante una ecuacin termoqumica balanceada, que indica el estado de agregacin de las sustancias participantes y su correspondiente variacin de entalpa. As, por ejemplo, la evaporacin del agua se puede expresar de la siguiente manera: H 2O (l) H 2 O (g) H o = 44,0 kJ

Captulo 1 Conservacin de la energa

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ara tener P en cuentaEstado de agregacin En termodinmica y qumica, se denomina fase a cada una de las partes macroscpicas de composicin qumica y propiedades fsicas homogneas que forman el sistema. Es interesante distinguir entre fase y estado de agregacin de la materia, por ejemplo, el grafito y el diamante son dos formas alotrpicas del carbono; son, por lo tanto, fases distintas, pero ambas pertenecen al mismo estado de agregacin (slido).

H 2O (g) H = +44,0 kJ H 2O (I)

Proceso endotrmico

La ecuacin incluye la variacin de entalpa de 1 mol de agua a 25 C a la presin de 1 atm. Qu significa que H sea igual a +44,0 kJ? Qu tipos de interacciones moleculares existen en el agua lquida que expliquen la variacin de entalpa? Cuando una transformacin se realiza a otra temperatura, H vara poco. Por ejemplo, el mismo proceso requiere 40 kJ a 100 C (temperatura de ebullicin del agua). La variacin de entalpa depende de la cantidad de agua disponible. Si tuviramos 5 mol de agua se necesitara 5 44 kJ de energa trmica. El proceso contrario a la evaporacin es la condensacin del agua. A 25 C, la ecuacin debe escribirse como: H 2O (g) H 2 O (I) H o = 44,0 kJ

En este caso se trata de un proceso exotrmico, es decir, el agua libera energa trmica.

V ocabularioFases de las sustancias: la fase fsica se indica en un parntesis junto a cada frmula, siendo (g) para gas, (I) para lquido, (s) para slido y (ac) cuando la especie qumica est disuelta en agua. Proceso adiabtico: es un cambio que ocurre en el interior de un sistema, sin intercambiar calor con el medio externo (q = 0). Si el sistema est rodeado de una pared adiabtica, esta impide el flujo de calor, tanto hacia fuera como hacia adentro. Pared adiabtica: pared aislante de un sistema, que impide el flujo trmico.

H 2O (g) H = 44,0 kJ H 2O (I)

Proceso exotrmico

CalorimetraTanto en las reacciones qumicas como en los cambios de fases, se observan transferencias de calor. Por ejemplo, en la combustin de carbn o madera claramente se detecta liberacin de energa que se manifiesta mediante la elevacin de la temperatura. Experimentalmente se puede medir la cantidad de calor absorbida o liberada mediante el uso de un calormetro, dispositivo cerrado que normalmente funciona de manera adiabtica. Una aproximacin a un calormetro es un termo o un vaso rodeado de material aislante.

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Qumica III Unidad 1

1Actividad experimental: Confeccin de un calormetro y medicin de su capacidad calorficaProcedimiento 1: a) Con el tip-top corta la parte central del bloque de plumavit de manera que el vaso quede ajustado. b) Luego, corta un trozo de plumavit que sirva de tapa. Rodalo con cinta adhesiva para evitar el desmembramiento del material. c) Abre dos orificios separados entre s, uno para el termmetro y el otro para la varilla de agitacin. Procedimiento 2: a) Coloca el calormetro sobre la balanza y anota su masa. b) Adiciona aproximadamente 120 g de agua caliente, entre 60 y 80 C, y anota la masa. Luego, mide la temperatura despus que se estabilice. c) En un vaso coloca un mximo de 100 g de agua fra y mide su temperatura. Luego, adiciona el agua al calormetro y determina la masa del conjunto. d) Espera que la mezcla alcance el equilibrio trmico y mide la temperatura final. e) Registra los datos en tu cuaderno en una tabla como la que aparece en esta pgina. f) Por diferencias estima las masas de agua caliente (m1) y del agua fra (m2).Termmetro Varilla de agitacin Tapa del calormetro

Vaso de precipitado Bloque de plumavit

Considera que la capacidad calorfica del agua es 4,18 (J/g C) y, adems, que el sistema est aislado trmicamente (adiabtico). La capacidad calorfica del calormetro ccal se puede determinar de:

1 vaso de precipitado. 1 cubo de plumavit de 15 cm de arista. 1 cortacartn (tip-top). Cinta adhesiva. Termmetro. Varilla de agitacin (ala mbre con proteccin plstica). Calormetro. Balanza granataria. Agua fra y caliente.

c cal ( T f T 1 ) + 4,18 m 1 ( T f T 1 ) + 4,18 m 2 ( T f T 2 ) = 0 Es conveniente repetir la experiencia unas tres veces y luego tomar el valor promedio para ccal. g) Reflexiona, por qu es necesario repetir la experiencia ms de una vez? Por qu la ecuacin anterior es igual a cero? h) Identifica y analiza cada uno de los trminos de la ecuacin. La capacidad calorfica del calormetro es la cantidad de energa trmica que requiere todo el dispositivo, descontando el agua a los compuestos qumicos agregados.

H abilidades y destrezasReflexionar Analizar Calcular Identificar

Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4

Masa calormetro Masa calormetro + agua caliente Masa calormetro + agua caliente y agua fra Masa calormetro + agua caliente + agua fra

Temperatura del sistema Temperatura (T1) Temperatura (T2) Temperatura (Tf)

Captulo 1 Conservacin de la energa

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Entalpa de formacin estndar

C oncepto claveEstado estndar

V ocabularioEstado estndar: es un medio de referencia en procesos trmicoqumicos. El estado estndar es el estado fsico ms estable de una sustancia bajo la presin de 1 atm a una determinada temperatura. De manera ms rigurosa la presin debiera expresarse en bar, cuya equivalencia con atm es 1 bar = 0,987 atm. Altropos: diferentes formas de un elemento que existen en el mismo estado fsico, bajo las mismas condiciones de presin y temperatura. Qu otras formas alotrpicas pueden presentar el carbono, fsforo y oxgeno?

La variacin de entalpa de formacin de una sustancia es el calor de reaccin correspondiente a la formacin de 1 mol de la sustancia a partir de sus elementos, en sus estados estndar. As, en el estado estndar, definido a 25 C y 1 atm, el oxgeno O 2(g), es gaseoso, el aluminio Al(s), es slido, y el metanol CH 3OH(l), es lquido. Cuando una sustancia se presenta en la naturaleza en ms de una forma alotrpica, se escoge la forma ms estable. Para el carbono es el grafito, C(graf, s), para el fsforo es el llamado fsforo blanco, P 4(bl, s), y para el oxgeno es O 2(g). Algunas reacciones de formacin son: C(graf, s) + O 2(g) H 2(g) + O 2(g) C(graf, s) + 2H 2(g) Na(s) + Cl 2(g) CO 2(g) H 2O(l) CH 4(g) NaCl(s) H f = 393,5 kJ/mol H f = 285,3 kJ/mol H f = 74,8 kJ/mol H f = 422,2 kJ/mol

Observa que cada sustancia se forma a partir de sus elementos en su estado estndar. En la tabla de la pgina 33 se presentan entalpas de formacin para algunas sustancias. Convencionalmente, para todos los elementos que se encuentren en su estado estndar se asigna: H f = 0

Estequiometra en reacciones termoqumicasAntoine-Laurent de Lavoisier (1743 -1794). Qumico francs. Se le considera el creador de la qumica moderna por sus detallados estudios sobre la oxidacin de los cuerpos, el fenmeno de la respiracin animal y su relacin con los procesos de oxidacin y anlisis del aire. Utiliz la balanza para determinar las relaciones cuantitativas en las reacciones qumicas, lo que le llev a establecer su famosa Ley de conservacin de la masa y la constancia de la energa en reacciones termoqumicas.

Ley de Lavoisier y LaplaceCuando un proceso ocurre en una determinada direccin y bajo ciertas condiciones, es posible que se produzca el proceso contrario. La variacin de entalpa para este ltimo caso es la misma, pero de signo contrario. Si, A B B A H > 0, luego H < 0

Esta ley es otra forma del principio de conservacin de la energa, ya que al invertir un determinado proceso no debe haber un cambio en la cantidad de energa. Si se suman los dos procesos se obtiene H = 0

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Qumica III Unidad 1

Ley de HessEn muchas reacciones qumicas es difcil el estudio termoqumico de manera experimental. La ley de Hess permite evaluar el cambio de entalpa de este tipo de reacciones mediante la suma de ecuaciones conocidas, con sus respectivos cambios de entalpa. El siguiente ejemplo de la combustin del gas metano ilustra la aplicacin de esta ley. CH4(g) C(graf, s) + 2H2(g) 2H2O(l) CO2(g) H1= + 74,8 kJGermain Henri Hess (18021850). Qumico y mdico ruso nacido en Suiza. Investigando los trabajos realizados por Lavoisier y Laplace descubri, en 1840, la ley que lleva su nombre, donde estableci que el cambio de calor que acompaa a una reaccin qumica dependa nicamente de los estados inicial y final del sistema, y era independiente de todos los estados intermedios del mismo.

1

2 H2(g) + 2O2(g)

2H2 = 2(-285,3 kJ) H3 = 393,5 kJ

+

C(graf, s) + O2(g)

CH4(g) + 2O2(g)

CO2(g) + 2H2O(l)

HComb = 889,3 kJ

H1 + 2 H2 + H3 = Hcomb = 889,3 kJ Mediante la adicin de las tres ecuaciones y de sus correspondientes H se obtiene finalmente la variacin de entalpa de la combustin del metano. En las ecuaciones arriba expuestas: Cul ecuacin de formacin fue invertida? Por qu es necesario multiplicar por 2 la ecuacin de formacin del agua? Reconoce las especies que se cancelan, analiza las razones. Concluye, la reaccin es endo o exotrmica? La ley de Hess permite estimar el cambio de entalpa de innumerables reacciones, incluso de aquellas que no se producen o que son muy difciles de controlar. ejercicio: CO(g) Determina la entalpa para la reaccin C(graf, s) + O 2(g) A partir de la combustin de carbono hasta CO 2 y de la reaccin: CO(g) + O 2(g) CO 2(g) H = 283,0 kJ

ara tener P en cuenta Cuando se suman ecuaciones mediante la aplicacin de la ley deHessyseutilizanentalpasde formacin en unidades kJ/mol, el resultado de la entalpa de la reaccin omite la unidad mol, puesto que al sumar ecuaciones y ponderar por la cantidad de moles de cada una de ellas la unidad mol se cancela. Tiposdecombustin Si el carbono en la reaccin de combustin se convierte totalmente en CO2, se trata de una combustin completa. Cuando hay insuficiencia de oxgeno se forma una mezcla de CO y CO2, lo que corresponde a una combustin incompleta. Elsuperceroen Hf indica que el sistema qumico se encuentra en su estado estndar. El subndice f indica que se refiere a la entalpa de formacin.

@

En la red

En la siguiente pgina web encontrars algo ms de reacciones endo y exotrmicas: http://www.creces.cl/new/index.asp?tc=1&nc=5&tit=&art=1176&pr=

Captulo 1 Conservacin de la energa

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Energa de enlacePor qu en una reaccin qumica se produce absorcin o liberacin de energa? Sabes cul es el origen del calor en reacciones qumicas? Ya sabes que una reaccin qumica consiste en la transformacin de reactantes en productos. Durante la reaccin se rompen y se forman nuevos enlaces. La energa que mantiene un enlace entre dos tomos gaseosos se denomina energa de enlace (E E) y siempre es positiva. Para romper el enlace de la molcula A B es necesario aplicar la energa EE. A B + EEPierre-Simon Laplace (17491827). Matemtico francs que invent y desarroll la Transformada de Laplace y la Ecuacin de Laplace. Trabajando con Lavoisier, estudi el calor especfico y la combustin de diversas sustancias.

A+B

Cuando se forma el enlace entre los mismos tomos se libera la energa EE. A+B A B + EE

Si se conocen las energas de enlace para diferentes pares de tomos, es posible estimar el cambio de entalpa para una determinada reaccin. El siguiente esquema representa a la reaccin: H 2(g) + O 2(g) H 2O(g) 2H(g) + O(g) + E H-H H 2(g) + O 2(g) H reac 2E OH H 2O(g)

+ E O = O

Primero se produce la ruptura de los enlaces en los reactantes formando tomos gaseosos, seguido de la formacin de nuevos enlaces en el producto. HReaccin = Energas de ruptura de enlaces Energas de formacin de enlaces = (E H-H +1/2 E O=O ) 2 E O-H Con datos de la tabla 1 de la pgina 33 se determina que: = 436 kJ + 498 kJ 2 463 kJ = 241 kJ Este es un valor muy cercano al valor experimental 241,82 kJ. Si alguna de las especies es slida, debera considerarse la energa de sublimacin. Por ejemplo, para el carbono (grafito) la transformacin de slido a gas es 717 kJ/mol.

32

Qumica III Unidad 1

ejercicio: Determinacin de entalpas de formacin a partir de energas de enlace. Para resolver las siguientes situaciones utiliza las tablas que se adjuntan. 1. Determina la entalpa de formacin de CH 4(g), HF(g) y NH 3(g) a partir de sus elementos, haciendo uso de las energas de enlace. 2. Compara con los valores experimentales. 3. Sin realizar clculos numricos compara la complejidad molecular de los reactantes y de los productos en una reaccin completa de un hidrocarburo, como el propano o de un alimento que contiene glucosa. 4. Identifica, son reacciones endo o exotrmicas? 5. Discute y concluye, de dnde obtienen energa los seres vivientes? Tabla 1. Energas de enlace (kJ/mol). Enlaces mltiples Enlaces simples H Cl F O N C H C N O F Cl431 330 201 205 255 243 569 439 272 184 159 463 351 201 138 389 293 159 414 347 436

1

O = O (en O2) C = O (en CO2) C = O (en R2CO) C O C=C C C

498 N = N 418

N 946 745 C = N 615 1075 C N 891611 838

803 N

Tabla 2. Propiedades termodinmicas estndar a 25 oC. G y S se analizarn en los captulos siguientes. Sustancia Al(s) Ca(s) CaCO3(s) CaO(s) C(grafito) C(diamante) C(g) CO(g) CO2(g) CH4(g) C2H6(g) C3H8(g) So Ho Go (kJ/mol) (kJ/mol) (J/kmol)0 0 -635,1 0 1,896 715 -110,5 -393,5 -74,87 -84,67 -105 0 0 -603,5 0 2,866 669,6 -137,2 -394,4 -50,81 -32,89 -24,5 28,3 41,6 92,9 38,2 5,69 2,44 158 197,5 213,7 186,1 229,5 269,9

Ho C4H10(g) C6H6(l) CH3OH(g) CH3OH(l) C2H5OH(g) C2H5OH(l) CH3COOH(l) Cl2(g) Cu(s) F2(g) Fe(s) Fe2O3(s) H2(g)-126 49,0

Go16,7 124,5

So310,0 172,8

Ho H2O(g) H2O(l) HI(g) I2(g) N2(g) NO2(g) N2O4(g) NH3(g) Na(s) NaCl(s) O2(g) SO2(g) SO3(g)

Go

So69,9 206,3 260,6 191,5 239,9 304,3 193,0 51,4 72,1 205,0

-241,8 -228,6 188,7 -285,8 -237,2 25,9 62,2 0 33,2 9,66 -45,9 0 0 1,3 19,4 0 51,0 97,7 -16,0 0,0 0

-201,2 -161,9 238,0 -238,6 -166,2 127,0 -235,1 -168,6 282,6 -277,6 -174,8 161,0 -487 0 0 0 0 0 -392 0 0 0 0 0 160,0 223,0 33,1 202,7 27,3 87,4 130,6

-1206,9 -1128,8

-411,1 -384,0

-825,5 -743,6

-296,8 -300,2 248,1 -396,0 -371,0 256,7

Captulo 1 Conservacin de la energa

33

Sntesis del CaptuloLa energa no se crea ni se destruye, solo se transforma. La energa en el universo es constante.relacin

1Conservacin de la energaEntorno: todo lo externoque rodea el sistema. tipos de energa

Sistema: objeto del estudio termodinmico. Energa potencial:energa de un cuerpo gracias a su posicin.

energa de movimiento de un cuerpo. constituyen la

Energa cintica:

energa entre dos cuerpos debido a una diferencia de temperatura entre ellos.

Calor (q): flujo de

Trabajo (w): transferencia de energa cuando un sistema se mueve por son la accin de una fuerz