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Termoquímica: Flujo de energía y cambio químico
Universidad de La FronteraFac. Ing. Cs. y Adm.Dpto. Cs. Químicas
Prof. Josefina Canales
McGraw-Hill, Universidades / Stephen Frisch, fotógrafo
Un sistema químico y sus alrededores
Algunas cantidades interesantes de energía
que cae sobre la tierraEnergía solar diaria
terremoto fuerteEnergía de un
de salida de la presa HooverEnergía eléctrica diaria
se quemande carbón que1000 toneladas
1 tonelada de TNT que explota
energía eléctrica1 kilowatt hora de
de glucosacombustión de un molCalor liberado de la
1 caloría (4.184 J)
átomo 235 UEnergía de la fisión de un
división de una célula bacterialCalor absorbido durante la
una molécula de aire a 300 KEnergía cinética promedio de
Primera ley de la termodinámica
( Ley de la conservación de la energía )
“La energía total del universo es constante”
Universo = ESistema + EAlrededores = 0
Cambio en la entalpía = H
La entalpía se define como la energía interna del sistemamas el producto de su presión y su volumen.
H = E + PVPara un cambio en la entalpía:
H = E + PVPara reacciones exotérmicas y endotérmicas:
H = H final - H inicial = H productos - H reactivos
Exotérmica : H final H inicial H 0
Endotérmica : H final H inicial H 0
CH4 + 2O2
H2O(s)
H2O(l)
CO2 + 2H2OEn
talp
ía, H
En
talp
ía, H
Hinicial
Hinicial Hfinal
Hfinal
Calor que entra
Calor que sale
H = -285.8 KjExotérmico
H = +40 KjEndotérmico
Diagramos de entalpía para procesos endotérmicos y exotérmicos
Gases
Líquidos
Sólidos
Condensación - H0
vap
Evaporación H0
vap
Congelamiento - H0
fus
Fusión H0
fus
Sublimación Deposición
DeposiciónSublimación
- H0sub
H0sub
Dibujo de diagramas de entalpía ydeterminación del signo de H - I
Problema: En cada uno de los siguientes casos, determine el signo de H y si la reacción es exotérmica o endotérmica, y dibuje un diagrama de entalpía para cada reacción. a) CH4 (g) + 2 O2 (g) CO2 (g) + 2 H2O(g) + 802 kJ
b) Ba(OH)2 2H2O(s)+ 2 NH4SCN(s) + 62 kJ Ba(SCN)2 (ac) + 2 NH3 (g) + 4 H2O(L)
Plan: Inspeccionamos cada ecuación para ver si el calor es un producto (exotérmico) o un reactivo (endotérmico) en la reacción. Para reacciones exotérmicas, los reactivos están sobre los productos en el diagrama de entalpía, el inverso aplica para reacciones endotérmicas. La flecha H siempre apunta de los reactivos a los productos.
.
Solución: a) El calor está en el lado de los productos, por lo tanto, la reacción es exotérmica y H es negativo.
b) El calor está en el lado de los reactivos, por lo tanto, la reacción es endotérmica y H es positivo.
CH4 (g) + 2O2 (g)
CO2 (g) + 2H2O(g)
H
Reactivos
Productos
H = - 802 kJexotérmica
H
Ba(OH)2 2H2O(s) + 2NH4SCN(s)
.Ba(SCN)2 (ac) + 2NH3 (g) + 4 H2O(L)
H = +62 kJendotérmica
Reactivos
Productos
Dibujo de diagramas de entalpía yDeterminación del signo de H - II
Entalpías especiales en reacciones
Cuando un mol de una sustancia se combina con oxígeno en una reacción de combustión, el calor de la reacción es calor de combustión( Hcomb):
C3H8 (g) + 5 O2 (g) 3 CO2 (g) + 4 H2O(g) H = Hcomb
Cuando un mol de una sustancia se produce a partir de sus elementos, el calor de la reacción es el calor de formación( Hf ) :
Ca(s) + Cl2 (g) CaCl2 (s)H = Hf
Cuando un mol de una sustancia se funde, el cambio de entalpía es el calor de fusión ( Hfus) :
H2O(s) H2O(L)
Cuando un mol de una sustancia se evapora, el cambio de entalpía es el calor de evaporación( Hvap) :
H2O(L) H2O(g)
H = Hfus
H = Hvap
Calores de combustión (Hcomb) de algunos compuestos de carbono
Nombre (Fórmula)
Fórmula estructural
Suma de enlaces C-C y C-H
Suma de enlaces C-O y O-H
Hcomb (kJ/mol)
Hcomb (kJ/g)
Compuestos de dos carbonos
Etano (C2H6) 7 0 -1560 -51.88
Etanol (C2H5OH) 6 2 -1367 -29.67
Compuestos de un carbón
Metano (CH4) 4 0 -890 -55.5
Metanol (CH3OH) 3 2 -727 -22.7
Calores de combustión de algunas grasas y carbohidratos
Sustancia H comb(kJ/mol)
Grasas
Aceite vegetal 37.0 Margarina 30.1 Mantequilla 30.0
Carbohidratos
Azúcar de mesa (sacarosa) 16.6 Arroz integral 14.9 Jarabe de maple 10.4
Resumen de la relación entre cantidad (mol) de sustancia y el calor (kJ) transferido durante una reacción
Hreac(kJ/mol)CANTIDAD (mol) del compuesto A
CANTIDAD (mol) del compuesto B
CALOR (kJ) ganado
o perdido
Relación molar de la ecuación balanceada
Ley de Hess de suma del calor
El cambio de entalpía de un proceso completo es la suma de los cambios de entalpía de sus pasos individuales
Ejemplo: Problema: Calcule la energía involucrada en la oxidación del azufre elemental al trióxido de azufre de las siguientes reacciones:
1) S (s) + O2 (g) SO2 (g) H1 = -296.8 kJ
2) 2 SO2 (g) + O2 (g) 2 SO3 (g) H2 = -198.4 kJ
3) S (s) + 3/2 O2 (g) SO3 (g) H3 = ?
S (s) + O2 (g) SO2 (g) H1 = -296.8 kJ
+ 1/2 x [ SO2 (g) +1/2 O2 (g) SO3 (g)] 1/2 H2 = -99.2 kJ
Para obtener la ecuación #3 debemos agregar la primera ecuación cuatro veces a la reacción #2, y sumarlas:
S (s) + 3/2 O2 (g) + SO2 (g) SO2 (g) + SO3 (g)
H3 = -296.8 +(-99.2) = -396.0 kJ
S (s) + 3/2 O2 (g) SO3 (g)
Hf (SO3) = -396.0 kJ/mol
Ley de Hess de suma del calor - I
Aplicación de la ley de Hess: Formación de WC - I
Problema: Cual es la entalpía de reacción, H, para la formación de carburo de tungsteno, WC, de los elementos? Dadas las ecuaciones: 1) 2 W(s) + 3 O2 (g) 2 WO3 (s) H = -1680.6 kJ 2) C(grafito) + O2 (g) CO2 (g) H = -393.5 kJ 3) 2 WC(s) + 5 O2 (g) 2 WO3 (s) + 2 CO2 (g) H = - 2391.6 kJ
Plan: Necesitamos reordenar las tres ecuaciones para poder sumarlas,Y obtener la reacción para la formación del carburo de tungsteno a partir de los elementos.Solución:La ecuación para la producción de carburo de tungsteno de los elementos:
W(s) + C(grafito) WC(s) H = ?
Para obtener la formación, tendremos que cambiar la ecuación #3, que cambiará su H de negativo a positivo
Debemos agregar 1/2 de la ecuación #1 a la ecuación #2, después agregar 1/2 de la ecuación #3 inversa para obtener la ecuación completa deseada:
1/2 ecuación #1 W(s) + 3/2 O2 (g) WO3 (s) H = - 840.3 kJ ecuación #2 C(grafito) + O2 (g) CO2 (g) H = - 393.5 kJ1/2 ecuación #3 WO3 (s) + CO2 (g) WC(s) + 5/2 O2 (g)
inversa H = 1195.8 kJ
H = - 38.0 kJW(s) + C(grafito) WC(s)
Aplicación de la ley de Hess: Formación de WC - II
El proceso general para determinar H0reac a
partir de los valores de H0f
Elementos
Reactivos
Productos
En
talp
ía,
H
Des
com
pos
ici
ón
Form
ación
H0reac
H0reac = m H0
f(productos) + n H0f(reactivos)
La combustión del metano ocurre con un decremento en la entalpía porque el calor deja el sistema . Por tanto H final < H inicial y el proceso es Exotérmico.
La fusión del hielo ocurre con un incremento en la entalpia porque el calor entra el sistema. Como H final > H inicial el proceso es endotermico
-45.990.3
Calores de reacción de entalpías de formación estándares
Calcule Horxn a partir de los valores Hf
o
4NH3 (g) + 5 O2 (g)-----> 4 NO (g) + 6H2O (g)
Vemos los valores Hfo de la Tabla
Calculo Horxn :
4 Hfo [NO (g) + 6 Hf
o [H2O (g) ) - ( 4 Hfo NH3 (g) ) + 5 Hf
o O2 (g)
4 mol (90.3) kJ/mol) + 6 mol (-241.8 kJ/mol)-(4mol (-45.9 kJ/mol) + 5 mol (0 kJ/mol))361 kJ - 1451 kJ + 184 kJ - 0 kJ = -906 kJ
Problema: El metanol (CH3OH) se usa como combustible en motores de alto rendimiento para autos de carreras. Usando los datos de las entalpías de formación, compare la entalpía de combustión estándar por gramo de metanol con la de la gasolina (considere que la gasolina es octano líquido, C8H18).Plan: Escriba las ecuaciones para la combustión de ambos combustibles, encuentre las entalpías de formación de los compuestos, y encuentre el calor de combustión de cada combustible, y obtenga el calor por gramo.Solución:a) Metanol :
2 CH3OH(L) + 3 O2 (g) 2 CO2 (g) + 4 H2O (L)
Hocombustión = 2 x Ho
f[ CO2 (g)] + 4 x Hof[ H2O(L)] - 3 x Ho
f[ O2 (g)] - 2 x Ho
f[ CH3OH(L)]
Calores de reacción de entalpías de formación estándares
Hocombustión = 2 x ( - 394 kJ) + 4 x ( - 286 kJ)
- 3 x ( 0 kJ) - 2 x ( - 239kJ)Ho
combustión = - 1454 kJ dos moles de metanol pesan 2 x 32.0 g/mol
a) Metanol - cont.
b) Octano : 2 C8H18 (L) + 25 O2 (g) 16 CO2 (g) + 18 H2O(L)
Hocombustión = 16 x Ho
f[ CO2 (g)] + 18 x Hof[ H2O(L)]
- 2 x Hof[ C8H18 (L)] - 25 x Ho
f[O2 (g)]
Hocombustión = 16 x ( -394 kJ) + 18 x ( -286 kJ) - 2 x ( -296 kJ) - 1 x (0)
Hocombustión = - 1.09 x 104 kJ
por tanto energía por gramo = -1454 kJ = -22.7 kJ/g64.0 g/mol
Dos moles de octano pesan 2 x 114.2 g/mol = 228.4 g
Entonces energía por g = -10900 kJ = -47.8 kJ/g228.4g
Calores de reacción de entalpías de formación estándares
FIN