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7. Termoquímica

Lección 7. Termoquímica.

» Principios de la transferencia de calor:· Propiedades de estados

· Dirección y signo del flujo de calor

· Magnitud del flujo de calor

» Medidas del flujo de calor; Calorimetría:· Calorímetro sencillo

· Bomba calorimétrica

» Entalpía

» Ecuaciones termoquímicas:· Reglas de la termoquímica

» Entalpías de formación:· Significado de Ho

f

· Calculo de H

» Entalpías de enlace

» Primer principio de la termodinámica

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7. Termoquímica

Principios de la transferencia de calor

SISTEMASISTEMA: es aquella parte del universo en la que estamos interesados.

ALREDEDORES:ALREDEDORES: el resto del universo

Universo= Sistema + Alrededores

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7. Termoquímica

Principios de la transferencia de calor

Tipos de sistemas:

Abierto

Cerrado

Aislado

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7. Termoquímica

Principios de la transferencia de calor

PROPIEDADES DE ESTADOPROPIEDADES DE ESTADO

El estado de un sistema se describe proporcionando su composición, temperatura y presión.

Funciones de estado:

Son aquellas magnitudes que solo dependen del estado

inicial y final del sistema, no de la forma en que el sistema alcanza

ese estado.

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7. Termoquímica

Principios de la transferencia de calor

Conservación de la EnergíaConservación de la Energía

En las interacciones entre un sistema y sus alrededores, la energía

total permanece constante.

La energía ni se crea ni se destruye.Dirección y signo del flujo de calor

La energía se transfiere entre el sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura

q es + cuando el sistema absorbe calor de los alrededores

q es - cuando el sistema cede calor de los alrededores

Sistema q 0q 0

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7. Termoquímica

Principios de la transferencia de calor

Procesos Endotérmicos y Exotérmicos

Endotérmico (q 0) :

El sistema absorbe calor de los alrededores.

(El reactor en una reacción endotérmica se enfría)

Exotérmico (q < 0) :

El sistema cede calor de los alrededores.

(El reactor en una reacción exotérmica se calienta)

H2O (s) H2O (l) q 0

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) q < 0

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7. Termoquímica

Principios de la transferencia de calor

Caloría (cal)

La cantidad de calor requerido para cambiar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado.

Julio (J)

Unidad de calor en el SI .

1 cal = 4.184 J

Magnitud del Flujo de CalorMagnitud del Flujo de CalorUnidades de energía

La relación entre la magnitud del flujo de calor, q, y el cambio de

temperatura, t, viene dada por la expresión:

q = Ct

C = Capacidad Calorífica Cantidad de calor necesaria para elevar del sistema en 1 ºC.

(Unidades J/ºC)

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7. Termoquímica

Principios de la transferencia de calor

q = mcT

c = Calor Específico Cantidad de calor necesaria para elevar en 1 ºC un gramo de una sustancia. (Unidades J/gºC)

Es una propiedad intensiva que puede utilizarse para identificar una

sustancia.

Para una sustancia pura de masa m, podemos escribir:

Sustancia

c (J/gºC)

Agua (l) 4,18

Cu(s) 0.382

Cl2(g) 0.478

Benceno 1,72

NaCl 0.866

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7. Termoquímica

Medida del flujo de calor; Calorimetría

La medida del flujo de calor en una reacción se lleva a cabo en

un dispositivo llamado calorímetro.

Paredes aisladas

Vaso interior con agua

Vaso exterior que contiene la reacción

El único flujo de calor se produce

entre el sistema en reacción y el

calorímetro.

El flujo de calor para la reacción

que está ocurriendo en el sistema

es igual en magnitud pero de signo

opuesto al del calorímetro.

qreacción = - qcalorímetro

Un calorímetro sencillo se utiliza para reacciones

en disolución y se cumple:

qreacción = -m x 4.18 (J/gºC) x t

Tapón aislante

Termómetro

Vidrio agitador

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7. Termoquímica

Medida del flujo de calor; Calorimetría

Bomba calorimétrica

Agitador

Terminales eléctricos para la ignición de la muestra

Termómetro

Recipiente externo aislado

Agua

Bomba de acero

Recipiente para la muestra

qreacción = - qcalorímetro

qreacción = - Ccalorímetro x t

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7. Termoquímica

Entalpía

Entalpía, H:

Para reacciones que tienen lugar a presión constante, el flujo de

calor del sistema reacionante es igual a la diferencia de entalpía. Sólo es

posible medir incrementos de entalpía.

H = Hproductos - Hreactivos = qP

Sistema Sistema

calor calor

Alrededores Alrededores

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7. Termoquímica

Entalpía

Diagramas de EntalpíaDiagramas de Entalpía

Reacción Endotérmica

Reacción Exotérmica

Hproductos Hreactivos Hproductos Hreactivos

Reactivos Reactivos

Productos Productos

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7. Termoquímica

Ecuaciones termoquímicas

En las ec. termoquímicas deben aparecer las especies

químicas que intervienen en la reacción, el estado y el valor de

H.

NH4NO3 (s) NH4+ (aq) + NO3

- (aq)

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

H = +28,1 kJ

H = -185 kJ

Reglas de la termoquímica:

1- La magnitud de H es directamente proporcional a la cantidad

de reactivo o producto:

2- El valor de H en una reacción es igual y de signo contrario al

valor de H para la reacción inversa:

CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) H = -802 kJ

2CH4(g) + 4O2(g) 2CO2(g) + 4H2O(g) H = -1604 kJ

CO2(g) + 2H2O(g) CH4(g) + 2O2(g) H = +802 kJ

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7. Termoquímica

Ecuaciones termoquímicas

3- El valor de H de una reacción es el mismo si ésta ocurre en

una etapa o en una serie de etapas Ley de Hess

ecuación= ecuación 1 + ecuación 2 + .......

H= H1 + H2 + .....

CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) H = -802 kJ

2H2O(g) 2H2O(l) H = -88 kJ

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

Combustión del metano:

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

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7. Termoquímica

H1 = H2 + H3

Ecuaciones termoquímicas

Diagrama de entalpia para la combustión del metano por otras etapas:

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7. Termoquímica

Ecuaciones termoquímicas

½N2(g) + O2(g) → NO2(g) H = +33.18 kJ

½N2(g) + ½O2(g) → NO(g) H = +90.25 kJ

NO(g) + ½O2(g) → NO2(g) H = -57.07 kJ

Reacción de formación del dióxido de nitrógeno

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7. Termoquímica

Entalpías de formación

Significado de Hof

La entalpía de formación molar estándar de un compuesto

es igual a la variación de entalpía cuando se forma un mol de

compuesto a presión constante de 1 atm y una temperatura de

25ºC, a partir de los elementos en sus estados estables a esa

presión y Tª.

»La Hof de un elemento en su estado estable es cero:

Hof Br2(l)= 0

Hof H2(g)= 0

Hof C(grafito)= 0

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7. Termoquímica

Entalpías de formación

»La Hof de un compuesto a partir de sus elementos es

normalmente una reacción exotérmica:

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7. Termoquímica

Entalpías de formación

Entalpías de formación positivas

Entalpías de formación negativas

Entalpías de formación de los elementos

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7. Termoquímica

Hof de los iones en disolución acuosa:

Entalpías de formación

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7. Termoquímica

reactants products rxnf fH m H n H

Cálculo de Ho

Para una ecuación termoquímica dada, la variación de

entalpía estándar, Ho, es igual a la suma de las entalpías de

formación estándar de los productos menos la suma de las entalpías

de formación estándar de los reactivos.

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7. Termoquímica

Cálculo de Ho

Hreacción = + Hf°Na2CO3

+ Hf

°CO2

+ Hf°H2O-2Hf

°NaHCO3

2NaHCO3 (s) H2O (l) + CO2 (g) + Na2CO3 (s)

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7. Termoquímica

Entalpías de enlace

La entalpía de enlace se define como H cuando se rompe un mol de enlaces en estado gaseoso.

H2 (g)

+

2H (g) H = + 436 kJ

Cl2 (g) 2Cl (g)

+

H = + 243 kJ

El enlace de H2 es más fuerte que el de Cl2

Entalpía de enlace de un enlace múltiple es mayor que la de un enlace simple entre los mismos átomos:

C-C = 347 kJ/molC=C = 612 kJ/molCC = 820 kJ/mol

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7. Termoquímica

Entalpías de enlace

En general,

los enlaces en los reactivos son más fuertes que los

presentes en los productos.

2HF (g) H2 (g) + F2 (g) H = - 2Hf0HF =

+542,2 kJ

Los enlaces del HF (565 kJ/mol) son más fuertes que la media de

los enlaces del H2 y del F2.: (436kJ/mol + 153 kJ/mol)/2 = 295 kJ/mol

4 moles de enlace O-H

2 moles de enlace H-H

1 mol de enlace O-O

+

hay mayor número de enlaces en los reactivos que en los

productos.

2H20 (g) 2H2 (g) + O2 (g) H = - 2Hf0H2O =

+483,6 kJ

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7. Termoquímica

Primer principio de la termodinámica

La termoquímica es una parte de la termodinámica.

La termodinámica distingue entre dos tipos de energía :

• el calor (q)

• el trabajo (w)

El término trabajo incluye todas las formas de energía

excepto el calor.

El primer principio de la termodinámica establece que:

“En cualquier proceso, la variación total de energía de un

sistema, AE, es igual a la suma del calor y del trabajo,

transferidos entre el sistema y los alrededores.“

La energía no se crea ni se destruye. La energía del (sistema + los alrededores) es

constante.

EE = = qq + + ww

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7. Termoquímica

Primer principio de la termodinámica

Energía gastada

por la pila

Pila cargada

Pila descargada

calor

calor

Trabajo

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7. Termoquímica

Primer principio de la termodinámica

Criterios de signos:

Exterior

Exterior

ExteriorExterior

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7. Termoquímica

Primer principio de la termodinámica

H vs E

erer Principio: Principio: EE = = qq + + ww

En reacciones a volumen constante, w = 0 E = qv

En reacciones a presión constante H = qp

H = E + PV

En general, para una reacción la diferencia entre H Y E es muy pequeña, y se cumple:

H = E + (PV) = E + (PV)productos- (PV)reactivos

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7. Termoquímica

Gasto de energía y balance

energéticoAlimentosAlimentos

Valor combustible = energía obtenida cuando se “quema” un gramo

de sustancia.

1 Caloría nutricional, 1 Cal= 1000 cal= 1kcal

La energía en nuestro cuerpo procede de:

las grasas, los hidratos de carbono y las proteínas.

En el intestino los carbohidratos son convertidos a glucosa:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O, H = -2816 kJ

Las grasas se degradan:

2C57H110O6 + 163O2 114CO2 + 110H2O, H = -75.520 kJ

Las grasas contienen más energía, son insolubles en agua y

constituyen un buen almacén de energía.

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7. Termoquímica

Valor combustible

Carbohidratos Grasas Proteínas kJ/g kcal/g

Composición aprox. (% masa)

CarbohidratosGrasasProteínas

ManzanaCervezaPanQuesoHuevosDulce (Fudge)GuisantesHamburguesasLeche (entera)Cacahuetes

Composición y energía de algunos alimentos

Gasto de energía y balance

energético

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7. Termoquímica

Combustibles

Composición elemental aproximada

Valor combustible

Madera de pinoCarbón de AntracitaCarbón mineralCarbón vegetalCrudo (Petróleo)GasolinaGas naturalHydrógeno

Tipos de combustibles y su poder energético

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7. Termoquímica