La energa de las reacciones qumicas

Muchas de las reacciones con los que estamos familiarizados producen energa. La

quema de metano en un mechero Bunsen en el laboratorio, la quema de gasolina en

nuestros coches o la quema el combustible utilizado para propulsar el transbordador

espacial en rbita son todos ejemplos de reacciones productoras de energa, o

reacciones exotrmicas. Una lesin en el campo de deportes puede necesitar hielo.

Aqu es donde qumica instantnea de una bolsa de hielo puede ser til. Este es un

ejemplo de una reaccin endotrmica que absorbe energa de los alrededores.

Las reacciones exotrmicas y endotrmicas

Cualquier objeto en movimiento posee energa cintica. A medida que las partculas

que componen materia estn en constante movimiento, ellas tambin llevan una

cantidad mensurable de energa cintica. Cuando se produce una reaccin qumica,

los enlaces en los reactivos se rompen y se forman nuevos enlaces en los productos.

Cada enlace entre los tomos o iones tiene una cantidad de energa almacenada

dentro de los enlaces. Esta energa se conoce como energa potencial qumica. Por lo

tanto, la energa total de un compuesto particular es la suma de su energa potencial

qumica y su energa cintica. Esta cantidad de energa se llama la entalpa (smbolo

H) o contenido de calor. Es muy dificultoso medir directamente el contenido de

calor, o entalpa de los reactivos individuales o productos qumicos y por lo general

se miden el cambio en la entalpa (H) que se produce cuando ocurre una reaccin.

Siempre que se produce una reaccin qumica, hay un cambio en la energa del

sistema, debido a que la energa total de los reactivos no es igual a la energa total

de los productos. Esta diferencia en la energa es por lo general, absorbida o liberada

al medio ambiente circundante en forma de calor. Por lo tanto, midiendo el cambio

en la temperatura de los alrededores causado por un sistema de reaccin

proporciona una medida indirecta de la energa cambio de la reaccin.

Las condiciones estndar

La temperatura, la presin de los reactivos y los productos gaseosos, las

concentraciones de soluciones y los estados fsicos (s, l, g) de los reactivos, todas

tienen influencia del valor de un cambio de entalpa. Como resultado, los cambios de

entalpa estn establecidas en los condiciones estndar con el smbolo H .

En condiciones estndar, los gases estn a una presin constante de 1 atm (101,3

kPa), las concentraciones de las disoluciones son 1 mol dm-3 y la sustancia debe estar

en su estado normal; es decir, el estado en que normalmente estar a la temperatura

dada. Si la temperatura es ditinta de 298 K (25 C), la temperatura debe indicarse.

La entalpa estndar cambio tendra entonces el smbolo H T; donde T es la

temperatura indicada. El smbolo H se utiliza, cuando la temperatura es de 298 K

(25 C).

Las reacciones exotrmicas y endotrmicas

El cambio de entalpa estndar de reaccin, H , puede ser definida como la

diferencia entre la entalpa de los productos y la entalpa de la reactivos en

condiciones estndar.

H = H P - H R

Si la entalpa de los productos es menor que la de los reactivos, una reaccin ceder

energa, principalmente en forma de calor, a sus alrededores. Decimos que la

reaccin es exotrmica. Una reaccin exotrmica hace que la temperatura de los

alrededores aumente. Todas las reacciones de combustin son exotrmicas, y

liberan energa trmica como un producto de la conversin de los reactivos en los

productos. Las reacciones de neutralizacin son tambin ejemplos de reacciones

exotrmicas. La reaccin entre el cido clorhdrico y el hidrxido de sodio es un

ejemplo de una reaccin de neutralizacin:

HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (ac) + H2O (l)

Si la entalpa de los productos es mayor que la de los reactivos, la reaccin

absorber energa en forma de calor de su entorno. Decimos que la reaccin es

endotrmica. Una reaccin endotrmica hace que la temperatura de los alrededores

disminuya.

Para una reaccin exotrmica, la entalpa de los reactivos es mayor que la de los

productos, por lo tanto, el cambio de entalpa H ser negativo: HP 0.

Cuando una reaccin qumica se escribe con el valor del cambio asociado en entalpa,

acompaada del estado de agregacin se denomina una ecuacin termoqumica. Las

ecuaciones termoqumicas para la combustin de metano (gas natural) y para la

disolucin de nitrato de amonio en una bolsa de hielo qumico se muestran a

continuacin:

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) H = -890 kJ mol-1

NH4NO3 (s) + H2O NH4+ (Aq) + NO3- (Aq) H = 25 kJ mol-1

Diagramas de niveles de entalpa (Diagramas entlpicos)

Un diagrama de nivel de entalpa (perfil de energa) es una herramienta til para

visualizar lo que ocurre con la entalpa de una reaccin a medida que esta avanza. La

entalpa total de las especies reaccionantes se etiqueta como HR y la de los

productos HP. En la conversin de los reactivos a los productos, las partculas

reaccionantes deben chocar con energa suficiente y la orientacin correcta para

romper los enlaces entre ellos y as permitir la formacin de nuevos productos. Si

las partculas no colisionan con fuerza suficiente, simplemente rebotan sin cambios.

Cuando una colisin tiene lugar, parte de la energa cintica de las partculas se

convierte en energa vibracional. Cuando la energa vibratoria es suficiente para

superar las energas de enlaces que mantienen las partculas unidas entre s, una

reaccin qumica puede ser iniciada. Esta cantidad de energa se conoce como la

energa de activacin (Ea) para la reaccin y se muestra como una "joroba 'en el

diagrama.

En los diagramas de niveles de entalpa la distancia entre la entalpa de los reactivos

(HR) y la parte superior de la joroba energa de activacin muestra la cantidad de

energa que se debe proporcionar para iniciar una reaccin de sustancia qumica. Esta

cantidad de energa (de la entalpa de los reactivos a la parte superior de la "joroba")

se llama la energa de activacin, Ea. Una reaccin slo puede proceder una vez que

se superan los enlaces dentro de los reactivos, por lo que la energa de activacin

debe tener siempre un valor positivo. Una vez que los enlaces de los reactivos estn

rotos, las partculas pueden reorganizan para generar el productos de la reaccin.

Este proceso de formacin de enlaces siempre libera energa y por lo que el perfil

de la energa cae de la parte superior de la joroba energa de activacin al nivel de

energa de los productos (HP).

Las estabilidades relativas de los reactivos y productos se pueden deducir del

diagrama de nivel de entalpa.

Cuanto mayor es la entalpa ms baja es la estabilidad de la sustancia.

En una reaccin exotrmica, los productos tienen una entalpa ms baja que los

reactivos, y as son ms estables. En una reaccin endotrmica, los productos tienen

una entalpa ms alta que los reactivos, por lo que son menos estables.

Una medida de la energa de activacin alta indica que los enlaces dentro de los

reactivos sean fuertes y, como consecuencia, ser necesario para romperlos una

cantidad considerable de energa. Cuando una reaccin tiene gran energa de

activacin la colisin entre los reactivos debe ser muy enrgica si la reaccin se lleva

a cabo. Por ejemplo, la reaccin de gas de nitrgeno con oxgeno para producir

monxido de nitrgeno se produce muy lentamente, de hecho, a temperatura

ambiente: N2 (g) + O2 (g) 2NO (g) H = 180,6 kJ mol-1

Si la temperatura se aumenta por encima de 1000 C, como ocurre en los hornos

incineradores y en las cmaras de combustin de motores de automviles, la reaccin

transcurre a una velocidad medible y se forma el gas como residuo txico.

Este aumento de la tasa se produce porque, al aumentar la temperatura, la energa

de las molculas y de sus colisiones aumenta, tambin hay ms colisiones en un tiempo

dado tiene la energa que es mayor que o igual a la energa de activacin, la cual dar

lugar a que se formen productos.

Algunas de las reacciones qumicas se producen fcilmente, con slo una pequea

cantidad de energa requerida para iniciarlas. Por ejemplo, el elemento fsforo

existe en aproximadamente 10 formas alotrpicas diferentes, como el blanco, rojo

y negro. El fsforo blanco, es el ms reactivo de los altropo, mientras que la forma

fsforo rojo es menos reactivo.

El fsforo blanco reacciona espontneamente con aire para producir xido de

fsforo (V): P4 (s) + 5O2 (g) P4O10 (s) H = -3008 kJ mol-1

La energa de activacin para romper los enlaces de los reactivos es muy pequea.

Esta reaccin altamente exotrmica hace del fsforo blanco un compuesto peligroso,

y debe ser almacenado bajo el agua para asegurarse de que no entre en contacto con

el aire.

Otras reacciones exotrmicas y endotrmicas

La definicin de una reaccin endotrmica puede ser que es una que absorbe energa

y una reaccin exotrmica es aquella que libera energa, podemos considerar

reacciones qumicas distintas de las que se producen en el laboratorio como

exotrmica o endotrmica.

Considere la ionizacin de un elemento. La energa es acogida por los tomos del

elemento y pierden un electrn, formando un ion positivo.

Por ejemplo: Na (g) Na + (g) + e- H > 0

Esta reaccin puede ser descrita con precisin como endotrmica.

Del mismo modo, una reaccin que muestra un cambio de estado puede ser

endotrmica o exotrmica. La fusin, evaporacin y sublimacin son cambios de

estado endotrmicos. Ellos requieren energa trmica que se aade a fin de que se

produzca.

La vaporizacin y condensacin son los cambios de estado donde se cede calor.

Liberan la energa trmica a medida que ocurren. Se enumeran algunos ejemplos:

La ruptura del enlace es un proceso endotrmico y la formacin de enlace es

exotrmica.

Cuando dos tomos se unen para formar una molcula, se libera energa.

Del mismo modo cuando se rompe un enlace, se gana energa. Por ejemplo:

Cl2 (g) Cl (g) + Cl (g) H >0

Cl (g) + Cl (g) Cl2 (g) H

Clculo de cambio de entalpa

El agua absorbe una gran cantidad de energa para un aumento relativamente

pequeo de la temperatura. La capacidad de una masa dada de agua para absorber el

calor, conocido como la capacidad calorfica especfica, es mayor que para casi

cualquier otra sustancia comn, debido a los enlaces de hidrgeno entre las molculas

de agua. Su capacidad para almacenar grandes cantidades de calor hace que el agua

sea un excelente refrigerante (tambin es una aplicacin comn del amonaco). El

agua posee propiedades fsicas y qumicas que lo diferencian de la mayora de otras

sustancias.

La capacidad calorfica especfica (c) de una sustancia se define como la cantidad de

energa trmica requerida para elevar la temperatura de 1,00 g de la sustancia de

1,00 C o 1,00 K.

Muchos clculos de cambio de calor o de cambio de entalpa de la reaccin implican

soluciones acuosas o agua que se calienta por una reaccin qumica. La capacidad

calorfica especfica del agua (y de las soluciones acuosas) es 4,18 J C-1 g-1.

Q= m c T

donde Q = energa trmica en J

m = masa de la sustancia en g

c = c capacidad calorfica especfica de la sustancia en J C-1 g-1 o JK-1 g-1

T = cambio en la temperatura en C o K

Las cantidades representadas en esta ecuacin deben estar relacionados con otras.

La variacin de calor, Q, relaciona la energa absorbida o liberada por una sustancia

que reacciona a una cantidad medida de agua u otra sustancia cuya temperatura est

cambiando. El valor para la capacidad calorfica especfica que se utiliza en la

ecuacin debe ser para el agua u otra sustancia que se calientan, y la masa usada

tambin debe corresponder a la sustancia que est siendo calentado.

Por ejemplo, si el cambio de calor, Q, se est midiendo para una solucin de 100 cm3

en la que se est produciendo una reaccin de neutralizacin, el valor de c ser 4,18

J C-1 g-1, ya que una solucin acuosa puede ser considera que tienen la misma

capacidad calorfica especfica, c, que el agua. La masa utilizada en el clculo ser

la masa de la solucin. Como la densidad del agua (y, soluciones acuosas ms diluidas)

es 1 g cm-3, la masa de una solucin de 100 cm3 ser 100 g. El incremento de la

temperatura ser el cambio en la temperatura de la solucin.

Ejemplo 1

Un vaso que contiene 100 cm3 de agua se calienta con un mechero Bunsen. Despus

10 minutos, la temperatura del agua aument de 15,0 C a 80,0 C. Determinar el

cambio de calor del agua en el vaso de precipitados.

Solucin

Tenga en cuenta que la densidad del agua es de 1,0 g cm-3, por lo tanto el mismo valor

numrico se puede utilizar para la masa de agua (en g) como se da para el volumen

de agua (en cm3).

Q = m c T = 100 4,18 (80,0-15,0) = 25 916 J = 25,9 kJ

Ejemplo 2

El mismo quemador Bunsen se utiliza para calentar un 500 g bloque de cobre durante

10 minutos. Suponiendo que se transfiere la misma cantidad de energa desde el

quemador Bunsen al cobre, al igual que en el ejemplo 1, determinar la temperatura

que alcanza el bloque de cobre, si inicialmente est 15,0 C.

Solucin

De la tabla 6.2.1, la capacidad calorfica especfica, c, de cobre = 0,386 J C-1 g-1

Q = m c DT

25 916 = 500 0,386 T

T =25916/500 0.386 = 134 C

La temperatura que alcanza el bloque de cobre es (134 + 15) = 149 C.

Mtodos experimentales para medir los cambios de calor de las reacciones

Calorimetra simple

La energa calorfica liberada por la combustin de un combustible puede medirse

utilizando un conjunto simple de aparatos, segn la figura

El calor liberado por la reaccin de combustin se transfiere a la masa de agua.

La temperatura inicial del agua y la temperatura alcanzada son medidas, as como

el volumen de agua en el recipiente. El cambio en la masa del combustible se puede

determinar mediante la medicin de la masa inicial del combustible y restando la

masa final. De esta manera el cambio de energa en forma de calor puede estar

relacionado con la cantidad de combustible que se consume, y esto va a producir un

cambio de entalpa para la reaccin de combustin.

Las reacciones en solucin pueden llevarse a cabo en un calormetro sencillo, que

puede ser tan simple como una taza de poliestireno (styrofoam) con una tapa. El

aislamiento proporcionado por el poliestireno evita la prdida de calor, o la adicin

de energa a partir de los alrededores. La reaccin puede llevarse a cabo en el

calormetro con el volumen de agua conocido con precisin. Las temperaturas inicial

y final son medidas y registradas, as como las cantidades de reactivos utilizados.

Los mtodos descritos aqu tienen limitaciones. En el caso de la reaccin de

combustin, una gran cantidad de calor producido en la reaccin se pierde en los

alrededores debido a la simplicidad del aparato. Adems, este mtodo no hace

ninguna concesin por absorcin de energa trmica por el recipiente.

Del mismo modo el mtodo utilizando el calormetro sencillo no hace ninguna

provisin para el calor absorbido por el contenedor de poliestireno, de modo que el

cambio de energa ser inexacta.

Calor de combustin

Es comn para medir el calor de combustin de un combustible. Esta es la cantidad

de calor producido por la combustin de un mol de combustible. El calor de

combustin de un combustible no es necesariamente el mismo que su entalpa de

combustin cuando una ecuacin qumica balanceada est escrita. Por ejemplo, el

calor de combustin del octano es 5464 kJ mol-1, pero la entalpa de la reaccin, se

muestra a continuacin, es el doble de esta valor porque la ecuacin equilibrada

implica 2 mol de octano.

2C8H18 (g) + 25O2 (g) 16CO2 (g) + 18H2O (l) H = -10 928 kJ mol-1

Muchos combustibles utilizados son mezclas complejas de sustancias: gasolina,

diesel, carbn y madera, por ejemplo. Por lo tanto, calores de combustin se pueden

proporcionar en unidades de kJ g-1, o MJ dm-3 en lugar de la unidad de kJ mol-1.

Calores de combustin de algunos hidrocarburos

Ejemplo

Un estudiante llen un pequeo quemador de alcohol con metanol y se mide su masa.

El quemador luego fue colocado debajo de una lata como se muestra en la fi gura y

se encendi la mecha del quemador Despus que la temperatura del agua ha

aumentado en aproximadamente 20 C se apag la llama y se midi la masa final de

el quemador y metanol. Los resultados de los estudiantes se muestran en la tabla

Las incertidumbres sern considerados y calculados en este ejemplo.

Determinar el cambio de energa en forma de calor durante este experimento y por

lo tanto determinar el calor de combustin de metanol.

Solucin:

Solucin

T = 47-23 = 24 2 C

Tenga en cuenta que este valor para la temperatura limita la respuesta a 2 cifras

significativas.

Nota: La temperatura aument, por lo tanto, la reaccin es exotrmica, por lo que

H

Q = m c T = 200 4,18 24 = 20 064 J = 20 kJ

Clculo del porcentaje de error en este resultado:

Masa de agua = (2/ 200) (100/1) = 1%

La capacidad calorfica especfica, c, es una constante, por lo tanto, no tiene ningn

error.

Temperatura = (2/24) (100/1) = 8%

El error total porcentaje = 1 + 8 = 9%

Error absoluto en resultados = (9/100) 20 kJ = 2 kJ

La variacin de energa de calor durante este experimento fue de 20 2 kJ.

m (metanol) = 238,860 - 236,610 = 2,250 0,002 g

Error porcentual en masa =(0,002/2,250) (100/1) = 0,9%

n (metanol) = m / M = 2,25 / 32,05 = 0,0702 0,9% mol

Calor de combustin = Q/n = 20064/0,0702 = 285 812 J = 2,9 102 kJ mol-1

Error porcentual en el calor de la combustin = 9 + 0,9 = 10%

Error absoluto en el calor de la combustin = 0,3 102 kJ mol-1

El calor de combustin del metanol que ha determinado experimentalmente aqu es

-2.9 102 0,3 102 kJ mol-1.

Este valor es significativamente menor que el valor de la tabla de -715 kJ mol-1.

Una de las causas ms probables de error es la prdida de calor de la llama del

metanol a los alrededores. Otras hiptesis formuladas en este clculo incluyen el

supuesto de que la energa trmica desde el quemador no slo se est calentando el

agua en el recipiente, el recipiente en s estar absorbiendo algo de calor, al igual

que el termmetro y cualquier equipo tales como la abrazadera que se utiliza para

sujetar el recipiente.

Clculo de cambios de entalpa utilizando ecuaciones termoqumicas

Una ecuacin termoqumica tiene el valor H pertinente para esa ecuacin en

particular exactamente como est escrita. Por ejemplo, la ecuacin termoqumica

para la combustin de metano (gas natural)

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) H = -890 kJ mol-1

literalmente significa que cuando 1 mol de metano reacciona con 2 mol de oxgeno

para producir 1 mol de gas dixido de carbono y 2 mol de agua lquida, se libera 890

kJ de energa. Si se doblara la ecuacin, el valor H tambin se hara doble. Si la

ecuacin se invierte, el valor H cambiara de signo. Estos cambios se muestran en

las ecuaciones siguientes.

2CH4 (g) + 4O2 (g) 2CO2 (g) + 4H2O (l) H = -1780 kJ mol-1

CO2 (g) + 2H2O (l) CH4 (g) + 2O2 (g) H = 890 kJ mol-1

Ecuaciones termoqumicas se pueden utilizar para realizar una serie de clculos

estequiomtricos con calores de reaccin. Preguntas como qu cantidad de

combustible se requiere para generar una cantidad dada de energa calorfica, la

cantidad de nitrato amonio debe aadirse a una bolsa de hielo instantneo a asegurar

su eficacia, y la cantidad de energa proporcionada por los alimentos en particular

puede ser respondida con los datos proporcionados por las ecuaciones

termoqumicas.

Ejemplo resuelto 4

Calcular la cantidad de energa liberada cuando 500 cm3 de gas metano en STP

reaccionan con el exceso de aire de acuerdo con la ecuacin:

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) H = -890 kJ mol-1

Solucin

n (CH4) = V/Vm = 0,500/22,4 = 0,0223 mol

De la ecuacin, 1 mol de CH4 libera 890 kJ de energa.

As 0,0223 mol de CH4 liberan x kJ.

(890/1) = (x/0.0223)

x = 890 0,0223 = 19,9 kJ

La energa liberada por la reaccin de combustin es 19,9 kJ.

Ejemplo 5

Qu masa de propanol debe ser quemado en exceso de aire para producir 1,00 104

kJ de energa, de acuerdo con la siguiente ecuacin?

2C3H7OH (l) + 9O2 (g) 6CO2 (g) + 8H2O (l) H = -4034 kJ mol-1

Solucin

A partir de la ecuacin, 2 moles de propanol liberan 4.034 kJ de energa, por lo que

x moles de propanol produce 10 000 kJ.

(2/4034) = (X/10000)

x =( 2 10000)/4034 = 4.96 mol

m (C3H7OH) = n M (C3H7OH) = 4,96 60,11 = 298 g

Ejemplo 6

El Etino (acetileno) se utiliza como combustible en los sopletes de oxiacetileno

utilizados por soldadores. Dado que la combustin completa de 8,55 g de etino

produce 429 kJ de energa, calcular el valor de H de la ecuacin:

2C2H2 (g) + 5O2 (g) 4CO2 (g) + 2H2O (l)

solucin

n (C2H4) = m/M = 8,55/28,06 = 0,305 mol

La ecuacin muestra 2 moles de etino.

0,305 moles de C2H4 libera 429 kJ

2 moles de comunicados de C2H4 x kJ

Por relacin,

x/2 = 429/0,305

x = 2 429/0,305 = 2813 = 2,81 103 kJ

H = -2,81 103 kJ mol-1.

Ejercicios:

1.- 350 g de etanol se calienta utilizando 22,3 kJ de energa. Calcular el incremento

de la temperatura de la etanol, dado que su capacidad calorfica especfica, c, es

2.46 J C-1 g-1.

2.- Calcule la cantidad de energa calorfica liberada cuando 1.000 kg de hierro se

enfra desde 550 C a 24,0 C, dado que la capacidad de c calor especfico del

hierro es 0,448 J C-1 g-1.

3.- Calcule la masa de gas butano que se necesitara para calentar 724 cm3 de agua

de una temperatura inicial de 7,44 C a 50,7 C. La ecuacin termoqumica para la

combustin de butano es:

2C4H10 (g) + 13O2 (g) 8CO2 (g) + 10H2O (l) H = -5748 kJ mol-1

4.- Un estudiante disuelve 12,2 g de nitrato de amonio en 85,0 cm3 de agua a una

temperatura inicial de 28,3 C. Calcular la temperatura que ha alcanzar el agua para

que la sustancia haya disuelto por completo, dada que la termoqumica ecuacin para

la reaccin de disolucin es:

NH4NO3 (s) NH4+ (aq) + NO3 - (aq)H = 25 kJ mol-1

5.- Calcular la cantidad de energa liberada cuando 100 g de gas propano reacciona

con un exceso de aire de acuerdo con la ecuacin:

C3H8 (g) + 5O2 (g) 3CO2 (g) + 4H2O (g) H = -2217 kJ mol-1

6.- Calcule la cantidad de energa liberada cuando 1,00 dm3 (806 g) de butanol

reaccionan con el exceso de aire de acuerdo con la ecuacin:

2C4H9OH (g) + 12O2 (g) 8CO2 (g) + 10H2O (g) H = -5354 kJ mol-1

7.- Calcular la masa de pentano que tendra que someterse a combustin completa

para producir 500 kJ de energa, dado que la ecuacin para su de combustin es:

C5H12 (g) + 8O2 (g) 5CO2 (g) + 6H2O (l) H = -3509 kJ mol-1

8.- El diborano (B2H6) es un hidruro de boro altamente reactivo que se ha utilizado

como un combustible para cohetes. Calcule su entalpa de combustin, dado que 1,00

kg de diborano produce 73,7 MJ de acuerdo con la ecuacin:

B2H6 (g) + 3O2 (g) B2O3 (s) + 3H2O (g)

9.- El metanol fuertemente modificado se utiliza a veces como un aditivo de

combustible en las carreras de coches , ya que tiene una calificacin muy alta de

octanaje. La ecuacin termoqumica para la combustin del metanol es:

2CH3OH (l) + 3O2 (g) 2CO2 (g) + 4H2O (l) H = -1450 kJ mol-1

a) Calcular el calor de combustin del metanol en: i) kJ por mol ii) kJ por gramo

iii) MJ por dm3. Dato: d (CH3OH) = 0,787 g cm-3.

b) Calcular el volumen de CO2 que se produce por la combustin de 15,0 dm3 de

metanol a 35 C y 0,98 atm de presin.

6.3 LEY DE HESS

Un principio fundamental en la ciencia es la ley de la conservacin de la energa, que

establece que la energa ni se crea ni se destruye, sino simplemente cambi en el

estado. En 1840, el qumico alemn Germain Henri Hess (1804-1850) utiliz este

punto de partida para proponer lo que se conoce como la ley de Hess. Esta ley puede

ser definida como "el calor desprendido o absorbido en un proceso qumico es el

mismo, si el proceso tiene lugar en uno o en varios pasos '.

La ley de Hess se puede utilizar para determinar la entalpa de una reaccin mediante

la suma algebraica de ecuaciones termoqumicas conocidas que podran ser utilizadas

como una va de reaccin a la reaccin deseada.

As pues, si la entalpa de reaccin para A + B C + D no se puede medir, pero las

entalpas de otras dos reacciones A + B X y X C + D se pueden medir, a

continuacin, las entalpas de estas dos reacciones se pueden sumar algebraicamente

y hallar la entalpa de la reaccin A + B C + D. original.

Las reacciones se pueden poner en un ciclo de entalpa.

En la fi gura se puede observar que la entalpa de reaccin para A + B C + D,

H1 es igual a la suma de H2 y H3.

Ejemplo 1

Calcular la entalpa de reaccin para la formacin de NO2 (g) de acuerdo con la

ecuacin: N2 (g) + 2O2 (g) 2NO2 (g) H= ?, teniendo en cuenta las siguientes

ecuaciones termoqumicas.

N2 (g) + O2 (g) 2NO (g) H = 180 kJ mol-1

2NO2 (g) 2NO (g) + O2 (g) H = 112 kJ mol-1

Solucin

La formacin de dixido de nitrgeno se produce en dos pasos: nitrgeno y oxgeno

gases reaccionan para formar monxido de nitrgeno, que luego se oxida a dixido

de nitrgeno. La ecuacin termoqumica requerida puede derivarse mediante la

adicin de la primera ecuacin en la parte posterior de la segunda, eliminando la

producto intermedio, el monxido de nitrgeno.

N2 (g) + O2 (g) 2NO (g) H = 180 kJ mol-1

2NO (g) + O2 (g) 2NO2 (g) H = -112 kJ mol-1

(Tenga en cuenta que el signo de H es ahora negativa debido a que la ecuacin se

ha invertido.)

Las ecuaciones ahora se pueden sumar, junto con sus respectivos valores de H.

El NO (g) es en ambos lados de la ecuacin y as puede ser cancelado y la ecuacin

simplificada para dar:

N2 (g) + O2 (g) + 2NO (g) + O2 (g) 2NO (g) + 2NO2 (g) H = (180-112) kJ mol-1

N2 (g) + 2O2 (g) 2NO2 (g) H = 68 kJ mol-1

Ejemplo 2

Calcular la entalpa de reaccin para la formacin de tricloruro de fsforo a partir

de fsforo blanco y cloro de acuerdo con la ecuacin:

P4 (s) + 6Cl2 (g) 4PCl3 (g) H= ? teniendo en cuenta los siguientes datos

termoqumicos.

PCl3 (g) + Cl2 (g) PCl5 (g) H = -137 kJ mol-1

P4 (s) + 10Cl2 (g) 4PCl5 (g) H = 716 kJ mol-1

Solucin

Para eliminar pentacloruro de fsforo (PCl5) desde el sistema de ecuacin, se debe

invertir la primera ecuacin y se multiplica por cuatro:

4 [PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g)] H = 4 (137 kJ mol-1)

P4 (s) + 10Cl2 (g) 4PCl5 (g) H = 716 kJ mol-1

Las dos ecuaciones ahora se pueden sumar y simplificar.

P4 (s) + 10Cl2 (g) + 4PCl5 (g) 4PCl5 (g) + 4PCl3 (g) + 4Cl2 (g)

H = 716 + 4 x (137) kJ mol-1

P4 (s) + 6Cl2 (g) 4PCl3 (g) H = 1264 kJ mol-1

Ejemplo 3

Calcular la entalpa estndar de reaccin para la oxidacin del xido de nitrgeno

(II) para formar xido de nitrgeno (IV) : NO (g) + O (g) NO2 (g) , partiendo de

las siguientes datos termoqumicos:

(1) 2O3 (g) 3O2 (g) H = -427 kJ mol-1

(2) O2 (g) 2O (g) H = 495 kJ mol-1

(3) NO (g) + O3 (g) NO2 (g) + O2 (g) H = -199 kJ mol-1

Solucin

La combinacin de las ecuaciones 2 (reducida a la mitad y se invierte) y 3

proporcionan la correcta reactivos (NO y O) para esta reaccin.

- () (2) O (g) O2 (g) H - = -247,5 kJ mol-1

(3) NO (g) + O3 (g) NO2 (g) + O2 (g) H - = -199 kJ mol-1

Cuando se suman estas dos ecuaciones el ozono, O3 (g), tambin est presente.

O (g) + NO (g) + O3 (g) 3/2 O (g) + NO2 (g) H = -446,5 kJ mol-1

El ozono se elimina mediante la adicin de la ecuacin 1 (reducido a la mitad y se

invierte)

- (1) 3/2 O2 (g) O3 H = 213.5 kJ mol-1

Sumar las dos ltimas ecuaciones y simplificar para dar la ecuacin de oxidacin

requerida del NO.

O (g) + NO (g) + O3 (g) + 3/2 O2 (g) 3/2 O 2(g) + NO2 (g) + O3 (g)

H = (-446,5 + 213,5) kJ mol-1

O (g) + NO (g) NO2 H = -233 kJ mol-1

EJERCICIOS

1 Calcular H - para la reaccin: 3FeO (s) + O2 (g) Fe3O4 (s)

A partir de los siguientes datos.

Fe (s) + O2 (g) FeO (s) H - = -272 kJ mol-1

3Fe (s) + 2O2 (g) Fe3O4 (s) H - = -1118 kJ mol-1

2 Calcular H para la reaccin: S (s) + O2 (g) SO2 (g)

A partir de los siguientes datos.

S (s) +3/2 O2 (g) SO3 (g) H = -395,2 kJ mol-1

2SO2 (g) + O2 (g) 2SO3 (g) H - = -198,2 kJ mol-1

3 Calcular H - para la reaccin: 2NO2 (g) N2O4 (g) a partir de los siguientes

datos.

N2 (g) + 2O2 (g) 2NO2 (g) H - = + 67,7 kJ mol-1

N2 (g) + 2O2 (g) N2O4 (g) H - = + 9,7 kJ mol-1

4 Calcular H para la reaccin: 2N2 (g) + 5O2 (g) 2N2O5 (g)a partir de los

siguientes datos.

H2 (g) +1/2 O2 (g) H2O (l) H = -285,8 kJ mol-1

N2O5 (g) + H2O (l) 2HNO3 (l) H - = -76,6 kJ mol-1

1/2 N 2 (g) + 3/2 O2 (g) + 1/2 H2 (g) HNO3 (l) H- = -174,1 kJ mol-1

5 Calcular H para la reaccin: 2C (s) + H2 (g) C2H2 (g) a partir de los siguientes

datos.

C2H2 (g) + 5/2 O2 (g) 2CO2 (g) + H2O (l) H = -1300 kJ mol-1

C (s) + O2 (g) CO2 (g) H = -394 kJ mol-1

H2 (g) + O2 (g) H2O (l) H = -286 kJ mol-1

6 A partir de las siguiente ecuaciones,

C (s) + O2 (g) CO2 (g) H - = -390 kJ mol-1

Mn (s) + O2 (g) MnO2 (s) H - = -520 kJ mol-1

Calcular H (en kJ mol-1) para la siguiente reaccin:

MnO2 (s) + C (s) Mn (s) + CO2 (g)

7 A partir de las siguiente ecuaciones,

O2 (g) + H2 (g) 2OH (g) H - = 77.9 kJ mol-1

O2 (g) 2O (g) H - = 495 kJ mol-1

H2 (g) 2H (g) H - = 435,9 kJ mol-1

Calcular H para la reaccin: O (g) + H (g) OH (g)

6.4 Entalpas de enlace

La entalpa de enlace es la cantidad de energa requerida para romper un mol de

enlaces. Por ejemplo, cuando los enlaces C-H en el metano se rompen en tomos de

carbono y tomos de hidrgeno de acuerdo con

CH4 (g) C (g) + 4H (g) H = 1662 kJ mol-1

Como hay 4 enlaces CH en el metano, esto le da un valor de entalpa de enlace

415.5 kJ mol-1.

La entalpa de un enlace no es exactamente la misma en todos los compuestos que

contienen ese enlace, por lo que se le da un valor medio. Para el enlace C-H este

valor es 412 kJ mol-1.

La entalpa de enlace promedio es la cantidad de energa necesaria para romper un

mol de enlaces en el estado gaseoso promedio en toda una gama de compuestos que

contiene ese vnculo.

En el transcurso de una reaccin qumica la energa que se requiere para romper los

enlaces de reactivos y energa se libera por la formacin de los enlaces de los

productos.

Ruptura del enlace es endotrmica, la formacin de enlaces es exotrmica.

Si se libera ms energa en la formacin de enlaces en los productos de los que era

requerida para romper los enlaces de los reactivos, a continuacin, la reaccin es

exotrmica.

Si se requiere ms energa para romper los enlaces de los reactivos que se libera en

la formacin de enlaces en los productos, entonces la reaccin es endotrmica.

La entalpa de la reaccin se puede calcular utilizando entalpas de enlace. Dado que

estos son las entalpas de enlace promedio, el clculo da slo un resultado

aproximado.

La entalpa de reaccin = (enlaces rotos) - (enlaces formados)

Ejemplo resuelto 1

Utilice entalpas de enlace promedio (tabla 6.4.1) Para hallar el calor de combustin

de metano.

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (g)

Solucin:

H = [4 H C-H + 2 H O = O] - [2 H C = O + 4 H H -O]

= [4 412 496 + 2] - [2 743 + 4 463] = 2640 3338 = -698 KJ mol-1

Este valor terico de calor de combustin del metano es de slo el 78% en

comparacin al valor de dado en las tablas, de -890 kJ mol-1.

Ejercicos

1 Explicar, haciendo referencia a entalpas de enlace, cmo una reaccin poda ser

endotrmica.

2 Por qu es la entalpa de enlace promedio de C = C mayor que C-C?

3 Usa los valores promedio entalpas de enlaces para calcular el calor de reaccin,

H, para la siguiente reaccin:

H2 (g) + Cl2 (g) 2 HCl (g)

4 Usar los valores promedio entalpas de enlace para calcular el calor de combustin

del metanol.

2 CH3OH (l) + 3 O2 (g) 2 CO2 (g) + 4 H2O (l)

5 a) Emplear los valores promedio entalpas de enlace para calcular el calor de

combustin de etano.

b) Tambin usando entalpas de enlace promedio, calcular el calor de la combustin

de eteno.

c) Explique por qu el calor de combustin del eteno es menos exotrmica que la de

etano.

6 Sin realizar los clculos o a las tablas de datos de combustin, refieran aquellos

compuestos que se esperara tener un mayor calor (ms negativo) de la combustin,

etino, C2H2, o eteno, C2H4. Explique su respuesta.

7 a) Uso entalpas de enlace promedio para hallar el calor de combustin de cido

actico, CH3COOH

.

b) Tambin usando entalpas promedio de enlace, encuentre el calor de combustin

de etanal, CH3CHO.

c) Con referencia a la unin de estos dos compuestos, explicar la diferencia en sus

calores de combustin

Trminos y definiciones

La energa de activacin: La energa necesaria para romper el enlace de los

reactivos y, por tanto, permiten progresar de una reaccin. Smbolo: Ea

Entalpa promedio de enlace: La cantidad de energa requerida para romper un mol

de enlace promediado en una gama de compuestos que contienen ese enlace.

Reaccin de combustin: una reaccin exotrmica en la que un combustible se oxida

por el oxgeno.

Reaccin endotrmica: Una reaccin que absorbe la energa trmica de los

alrededores, donde:

H productos> H reactantes (es decir, H> 0).

Diagrama de niveles de entalpa: Un diagrama que muestra las estabilidades

relativas de reactivos y productos, as como la energa de activacin, Ea, y el cambio

de entalpa de la reaccin.

Entalpa: El contenido de energa o calor la energa de un sustancia. Smbolo: H;

unidad: kJ mol-1

Reaccin exotrmica: Una reaccin que libera la energa a los alrededores, donde

H productos < H reactantes (es decir, H

conceptos

Las reacciones qumicas implican un cambio en la energa total, o entalpa, de los

reactivos a medida que cambian en productos:

H = Hproductos - Hreactantes

Si la energa es absorbida de los alrededores cuando una reaccin avanza, se

describe la reaccin como endotrmica y H es positivo. Si la energa se libera en

el entorno, la reaccin es exotrmica y H es negativo.

Los cambios de entalpa se ilustran usando el diagrama entalpa nivel.

La energa de activacin (Ea) de una reaccin es la cantidad de energa requerida

para iniciar la reaccin.

Esta energa se utiliza para romper los enlaces en las molculas de reactivo.

La capacidad c calorfica especfica de una sustancia es una medida de la cantidad

de energa trmica requerida para elevar la temperatura de 1 g de la sustancia 1 C:

q = m c T

Las ecuaciones termoqumicas se pueden utilizar para determinar la energa

trmica producida o absorbida por una reaccin qumica.

La ley de Hess se puede usar para hallar el cambio de entalpa de una reaccin,

dado dos o tres otras reacciones que proporcionan los mismos reactivos y productos.

La entalpa de enlace promedio es la cantidad de energa requerida para romper un

mol de enlaces promedio a travs de una serie de compuestos que contienen ese

enlace.

Si la energa liberada por la deformacin de enlaces es mayor que la utilizada por

rotura de enlaces la reaccin es exotrmica y si la energa liberada por formacin

de enlaces es menor que la utilizada para la rotura de enlaces la reaccin es

endotrmica

Ejercicios

1 Los fogones a gas (principalmente metano) necesitan una chispa de encendido

piezoelctrico antes de que el elemento se puede utilizar para cocinar.

a Cul es el papel de la chispa en este qumico reaccin?

b Qu enlaces qumicos se rompen cuando este se inicia la reaccin?

c Qu enlaces son generados cuando se forma el producto?

d Es esta reaccin endotrmica o exotrmica?

Explique su razonamiento.

2 Cules de las siguientes reacciones son exotrmica y cules son endotrmicas.

A I2 (s) + Cl2 (g) 2ICl (g) H = 35 kJ mol-1

b N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) H = -92,3 kJ mol-1

c BCl3 (l) + 6H2 (g) B2H6 (g) + 6HCl (g) H = 315 kJ mol-1

d Ag + (aq) + 2NH3 (ac) Ag (NH3) 2 + (ac) H = -111 kJ mol-1

e N2 (g) 2 N (g) H = 946 kJ mol-1

3 Calcular la entalpa de reaccin para la ecuacin: C (s) de grafito C (s) de

diamante a partir de los siguientes datos:

C (s) de grafito + O2 (g) CO2 (g) H = -393 kJ mol-1

C (s) de diamantes + O2 (g) CO2 (g) H = -395 kJ mol-1

4 El oxgeno gas puede reaccionar con el metal de hierro en una variedad de maneras,

como se muestra por las siguientes ecuaciones:

Fe (s) + 1/ 2 O2 (g) FeO (s) H = -272 kJ mol-1

2Fe (s) + 3/2 O 2 (g) Fe2O3 (s) H = -824 kJ mol-1

3Fe (s) + 2O2 (g) Fe3O4 (s) H = -1118 kJ mol-1

Utilice estos datos para determinar la entalpa de la reaccin de los siguientes

procesos.

a 2Fe (s) + O2 (g) 2FeO (s)

b 2Fe2O3 (s) 4Fe (s) + 3O2 (g)

c 3FeO (s) + 1/2 O2 (g) Fe3O4 (s)

5 Considere la reaccin representada por la ecuacin: 2P + Q 3R La entalpa total

de los reactivos es de 100 kJ, la entalpa total de los productos es -150 kJ y la

energa de activacin para la reaccin directa es de 80 kJ.

A Dibujar el diagrama del perfil energa para esta reaccin. Etiquetar el diagrama

claramente para mostrar H y Ea.

b Es la reaccin directa endotrmica o exotrmica?

c Calcula la cantidad de energa liberada cuando se forman la productos de la

reaccin.

d Calcular la energa de activacin de la reaccin inversa: 3R 2P + Q

6 Dibuje un diagrama del perfil energa le para una reaccin en el que la entalpa

total de los reactivos es 25 kJ, la entalpa total de los productos es -80 kJ y la

energa de activacin para la reaccin directa es 135 kJ. Etiquetar el diagrama

claramente para mostrar H y Ea.

7 Calcular la cantidad de energa calorfica absorbida a partir de los alrededores

cuando 25.0 g de sulfato sodio decahidrato cristaliza a partir de agua, dado la

ecuacin:

Na2SO4.10H2O (s) Na2SO4 (ac) + 10 H2O (l) H = 79.0 kJ mol-1

8 Cunta energa se requiere para convertir 1,00 dm3 (1,000 g) de agua hirviendo

en vapor? H2O (l) H2O (g) H = 44.0 kJ mol-1

9 Usando los datos de capacidad calorfica especfica, c, delc cuaderno de datos

calcular la cantidad de energa:

a requerida para elevar la temperatura de 20,0 cm3 de agua de 11,0 C a 85,0 C

b emitida cuando 45,0 cm3 de etanol [d = 0,785 g cm-3] se enfran de 37,0 C a 40

C

c absorbida por 1.000 kg de hierro, cuando se calientan desde 25.0 C a 1000,0

C.

d cuando 1200 cm3 de agua se calientan con 200 kJ de energa. Si la temperatura

inicial del agua es 13,3 C, determinar su temperatura final despus del

calentamiento.

11 Calcular la energa liberada cuando 10,0 g de carbono reacciona con exceso de

oxgeno segn la ecuacin: C (s) + O2 (g) CO2 (g) H = -393,4 kJ mol-1

12 Calcular la cantidad de energa absorbida cuando 250 g de Fe3O4 reaccionan con

el exceso de monxido de carbono de acuerdo con la ecuacin termoqumica:

Fe3O4 (s) + CO (g) 3FeO (s) + CO2 (g) H = 38.0 kJ mol-1

13 Cuando una corriente elctrica pasa a travs del agua, el agua se descompone a

sus elementos constituyentes de acuerdo a la ecuacin:

2H2O (l) 2H2 (g) + O2 (g) H = 572 kJ mol-1

Calcular la cantidad de energa requerida para producir 500 cm3 de gas oxgeno en

STP.

14 El sulfato de cobre anhidro, CuSO4, es hidroscpico, sustancia que absorbe el

agua de los alrededores de acuerdo con la ecuacin: CuSO4 (s) + 5H2O (l)

CuSO4.5H2O (s). Cuando 5.73 g CuSO4 reacciona con el agua, libera 4.81 kJ de

energa trmica. Calcular la H para reaccin anterior.

15 El calor de combustin del hexano es 4.158 kJ mol-1. Calcula H para la reaccin:

2C6H14 (l) + 19O2 (g) 12CO2 (g) + 14H2O (l)

16 Utilizar los datos de entalpa de enlace promedio de hallar H de la reaccin:

2C6H14 (l) + 19O2 (g) 12CO2 (g) + 14H2O (l)

Compare su respuesta con la respuesta para la pregunta 15 y explicar por qu no

puede haber una diferencia.

17 Calcular el calor de combustin de butanol, dado la siguiente:

2C4H9OH (l) + 12O2 (g) 8CO2 (g) + 10H2O (l) H = -5354 kJ mol-1

18 Qu masa de gas propano sera necesaria para hervir 2,00 dm3 de agua si la

temperatura inicial de la agua fue de 16.6 C? La ecuacin termoqumica para la

combustin de propano es:

C3H8 (g) + 5O2 (g) 3CO2 (g) + 4H2O (l) H = -2217 kJ mol-1

19 Usar las entalpas promedio de enlace para hallar el valor de H (en kJ mol-1)

para la reaccin a continuacin. C2H4 (g) + H2 (g) C2H6 (g)

20 Dos campistas usan en un camping una estufa de metanol como combustible. El

ltimo da les ha sobrado 50,0 g de metanol.

a Cuntos mol de metanol han dejado de quemar los campistas?

b Si el calor de combustin del metanol es -715 KJ mol-1, qu cantidad de energa

ser capaz de producir esa cantidad de metanol?

c Si la temperatura del agua que estn utilizando es inicialmente de 15 C, en teora,

qu volumen de agua podrn hervir los campistas con su metanol restante?

d Los campistas realmente sern capaces de hervir la cantidad de agua que han

declarado en su respuesta a la Parte C de esta pregunta? Explica tu respuesta.