termoquímica

Calor asociado a un proceso químico o físico

Termoquímica

Programa de Licenciatura en Biología y Química

Programa de Licenciatura en Biología y Química

ALEXÁNDER GUTIÉRREZ M.

ROBERTO GUTIÉRREZ P.

ALEXÁNDER GUTIÉRREZ M.

ROBERTO GUTIÉRREZ P.

Compilado por:

Es la parte de la química que estudia el flujo de calor asociado a una reacción química o cambio físico.

En otras palabras, trata esencialmente de la conversión de energía química en energía térmica y viceversa.

Su objetivo es la determinación de las cantidades de energía calórica cedida o captada en los distintos procesos y el desarrollo de métodos de cálculo sin recurrir a la experimentación.

TERMOQUÍMICA

Procesos exotérmicos y endotérmicos

Desde el punto de vista del flujo de calor, se pueden distinguir dos tipos de reacciones o procesos.

Procesos exotérmicos: en las que un sistema desprende calor al ambiente (aumenta la temperatura del ambiente)aumenta la temperatura del ambiente).

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

2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (l) + energía

H2O (g) H2O (l) + energía

Procesos endotérmicos: en las que el sistema absorbe calor del ambiente.

H2O (s) + Energía H2O (ℓ)

El proceso absorbe calor del ambiente y la temperatura del ambiente disminuye.

energía + 2HgO (s) 2Hg (l) + O2 (g)

Reacción Exotérmica• Se libera energía

glucosa: molécula con mucha energía

+ 6 O2

6 6

productos baja energía

SALE ENERGÍA

C6H12O6(s) + 6 O2(g) = 6CO2(g) + H2O(l) + ∆H

Reacción Endotérmica• Requieren Energía

glucosa: un producto con mucha energía

ENERGÍAreactivos bajos en energía

+ 6O2

66

6CO2(g) + H2O(l) + ∆H = C6H12O6(s) + 6 O2(g)

Entalpía (H)

El calor absorbido o liberado por un sistema durante un proceso a El calor absorbido o liberado por un sistema durante un proceso a presión constante se denomina entalpía y se representa por el presión constante se denomina entalpía y se representa por el símbolo Hsímbolo H.

∆H = H (productos) – H (reactivos)

La mayoría de los cambios físicos y químicos ocurren en condiciones de presión constante.

Lo que se mide realmente es el cambio de entalpía (ΔH)

La entalpía de reacción puede ser positiva o negativa, según el proceso.

En los procesos endotérmicos, ΔH es (+) (ΔH > 0)En los procesos exotérmicos, ΔH es (-) (ΔH < 0)

H - H ΔH Reactivos Productos=

negativo signo tiene H H Reactivos Productos <

H - H ΔH Reactivos Productos=

positivo signo tiene H H Reactivos Productos >

Procesos exotérmicos:

< 0 es decir:

Procesos endotérmicos:

> 0 es decir:

Ecuaciones termoquímicas

Son aquellas que muestran además de las relaciones de masa, los cambios de entalpía que ocurren en los procesos físicos o químicos.

H2O (s) H2O (l) ∆H = 6,01 kJ

Cada fusión de 1 mol de hielo a 00C y 101 325 Pa absorbe 6,01 kJ.

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) ∆H = -890,4 kJ

La combustión de 1 mol de metano a 25°C y 101 325 Pa provoca una disminución en la entalpía del sistema de 890.4 kJ.

H2O (s) H2O (l) ∆H = 6.01 kJ

• Los coeficientes estequiométricos siempre se refieren al número de moles de una sustancia

• Si invierte una reacción, el signo de ∆H cambia

H2O (l) H2O (s) ∆H = -6.01 kJ

• Si multiplica ambos lados de la ecuación por un factor n, entonces ∆H debe cambiar por el mismo factor n.

2H2O (s) 2H2O (l) ∆H = 2 x 6.01 = 12.0 kJ


H2O (s) H2O (l) ∆H = 6.01 kJ

• Los estados físicos de todos los reactivos y productos se deben especificar en las ecuaciones termoquímicas.

H2O (l) H2O (g) ∆H = 44.0 kJ


• (c) o (s) se utilizan para representar el estado sólido, (l) para líquido, (g) para gas, (c = 1) o (1 M) para una solución 1 molar y (ac) para soluciones acuosas muy diluidas.

• Se utiliza un subíndice r para identificar un calor de reacción en general y también se utilizan otros subíndices (f para formación, c para combustión, mez para mezcla, etc.)


• El superíndice ° indica que la reacción se efectúo en condiciones de presión normal de referencia, 1 atm. Se utiliza un subíndice enseguida de H (H°) para dar la temperatura absoluta. Si no se da ninguna temperatura, se debe considerar que T = 298,15 K

Entalpía estándar de formación (∆H0)

Es la variación de entalpía que se produce cuando se forma un mol de un compuesto a partir de sus elementos en su estado más estable a una presión de una atm y 25°C.

f

El “ O ” representa el estado normal, el subíndice “ f ” significa formación.

f

Para especificar ∆H0 de formación, es necesario escribir la ecuación química exacta y especificar los estados de todos los reactivos y productos.

La entalpía estándar de formación de cualquier elemento en su forma más estable es cero.

∆H0 (O2) = 0f

∆H0 (O3) = 142 kJ/molf

∆H0 (C, grafito) = 0f

∆H0 (C, diamante) = 1.90 kJ/mol

fAg (s) + ½ Cl2 (g) AgCl (s)

½ N2 (g) + O2 (g) NO2 (g)

Ejemplo: De las siguientes ecuaciones a 298 K, calcular el calor de formación del cloruro de plata y dióxido de nitrógeno respectivamente

∆H0= ?

∆H0= ?

f

f

La entalpía estándar de reacción (∆H0 ) es la entalpía de una reacción química llevada a cabo a 25ºC y 1 atm.

reacción

aA + bB cC + dD

∆H0reaccion d∆H0 (D)fc∆H0 (C)f= [ + ] - b∆H0 (B)fa∆H0 (A)f[ + ]

∆H0 n∆H0 (productos )f= Σ m∆H0 (reactivos)fΣ-

Se puede calcular a partir de los ΔHof de compuestos

n y m coeficientes estequiométricos de reactivos y productos.

reaccion

El benceno (C6H6) se quema en el aire para producir dióxido de carbono y líquido de agua. ¿Cuánto calor se libera por mol de combustión de benceno? La entalpía estándar de formación del benceno es 49.04 kJ/mol.

2C6H6 (l) + 15O2 (g) 12CO2 (g) + 6H2O (l)

Ejemplo:A partir de los valores de tabla, halle el ΔH° de la siguiente reacción:

C3H8 (g) + 5O2 (g) + 3CO2 (g) + 4H2O (ℓ)

ΔHof de tabla CO2 (g) = -393,5kj/mol

H2O (ℓ) = -285,8 kj/molC3H8 (g) = -103,8 kj/mol

Ejercicio: ● Con base a las entalpías de formación, calcule la entalpía normal de la reacción:

4NH3 (g) +5O2 (g) 4NO (g) +6H2O (g)

ΔHof de tabla

NH3 (g) = -46,2 kj/molH2O (g) = -241,8 kj/molNO (g) = -90,4 kj/mol

Calor normal de combustión (ΔH°Calor normal de combustión (ΔH°CC))

El calor de combustión es la variación de entalpía, que acompaña a la combustión completa de 1 mol de compuesto orgánico para dar CO2 (g) y H2O (l).

También se lo define como:

El calor de combustión es la cantidad de energía liberada por cada mol de hidrocarburo quemado.

Metano CH4 (g) + 2 O2 (g) CO2 (g) + 2 H2O (l) ∆HºC= -890 kJ

Ejercicio: escribir la ecuación termoquímica de combustión de los siguientes compuestos: a) C6H6 (l)b) C8H18 (g)

Calor de neutralización (ΔH°N)

Es la variación de entalpía que se produce Es la variación de entalpía que se produce cuando cuando reaccionan cantidades equivalentesreaccionan cantidades equivalentes de soluciones diluidas de soluciones diluidas de un ácido fuerte y una base fuerte a presión de 1 atm y de un ácido fuerte y una base fuerte a presión de 1 atm y temperatura de 25°Ctemperatura de 25°C

La cantidad de calor liberado se debe a la formación de un mol de H2O a partir de sus iones acuosos.

Es una constante independientemente del ácido y de la base, siempre que sean fuertes y soluciones diluidas.

H+ (ac) + OH- (ac) H2O (ℓ) ΔH°N = -56,2 kJ/mol

H+ (ac) + NO3- (ac)+ K+(ac)+OH-(ac) K+ (ac)+NO3

- (ac)+H2O(ℓ)

HNO3 (ac) + KOH (ac) KNO3 (ac) + H2O (ℓ)

APLICACIÓN DE LA ESTEQUIOMETRIA A LOS CALORES DE REACCIÓN

Determinar cuanto calor se obtiene al quemar 2 moles de metano con exceso de oxígeno.


Determinar cuanto calor se obtiene al 100 g de metano con exceso de oxígeno.

¿Cuánto calor se libera cuando 266 g de fósforo blanco (P4) se queman en el aire?

P4 (s) + 5O2 (g) P4O10 (s) ∆H = -3013 kJ


Ley de Hess (ley de la suma del calor)

Esta ley establece que en una reacción química a volumen constante o a presión constante, el cambio de entalpía es el mismo, independientemente de que la reacción se efectúe en un paso, o en una serie de pasos (La entalpía es una función de estado. No le importa cómo llega allí, sólo dónde empieza y termina.)

EJEMPLO:

La reacción de combustión del C:

C (s) + O2 (g) CO2 (g) ΔH°=?

Se puede considerar como la suma de dos reacciones:

1) C (s) + ½ O2 (g) CO (g) ΔH°1 = -110,5 kJ2) CO (g) + ½ O2 (g) CO2 (g) ΔH°2 = -283,0 kJ

Ejemplo: Calcular ΔH° del CH4

C (grafito) + 2H2 (g) CH4 (g) ΔH° = ?

El cambio de entalpía para esta reacción no puede medirse directamente. Hay que aplicar la ley de Hess para calcular.

Datos:

a)C (grafito) + O2 (g) CO2 (g) ΔH° = -393,5 KJ

b) 2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (ℓ) ΔH° = -571,6 KJ

c) CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (ℓ) ΔH° = -890,4 KJ

Calcule la entalpía estándar de formación de CS2 (l) teniendo que: C(grafito) + O2 (g) CO2 (g) ∆H0 = -393.5 kJ

r

S(rómbico) + O2 (g) SO2 (g) ∆H0 = -296.1 kJr

CS2(l) + 3O2 (g) CO2 (g) + 2SO2 (g) ∆H0 = -1072 kJr

La ecuación de formación para CS2 es:

C(grafito) + 2S(rómbico) CS2 (l)

Variación de las Entalpías de Reacción con la Temperatura

Temperatura (K) ∆Ho r

(kJ/mol)

291 - 241,7

298 - 241,8

308 - 241,9

1000 - 248,7

2000 - 258,5

H2 (g) + ½ O2 (g) H2O (g)

Referencias

-Chang, Raimond. Química. 7ª ed. McGraw-Hill. México. 2003. - Gutiérrez, Alexander; Gutiérrez, Roberto, Fisicoquímica II para Licenciados en Química y Biología, Educación Abierta y a Distancia. Universidad Tecnológica del Chocó. Quibdó. 2000.-Petrucci, R. H.; Harwood, W. S. y Herring, F. G. Química General. 8ª ed. Prentice Hall. Madrid. 2003.-Ebbing , Darrell D. Química general. 5a ed. McGraw-Hill. México.1997.-Levine, Iran. Fisicoquímica. 6a ed. Volumen I y II. Madrid. Mcgraw-Hill. 1996.-Ayuso M., Luis. Termodinámica. Unisur. Santafe de Bogóta. 1995.-Atkins, P. W. Fisicoquímica. 3a ed. New York. Addison-Wesley. 1991. -Mark, Melvin. Termodinámica. Marimar. -Metz, Clyde R. Fisicoquímica. Segunda edición. Bogotá. McGraw Hil, 1991. ‑-Moore, Walter J. Fisicoquímica básica. México, Prentic -Hall,1986. - http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtml -http://www.monografias.com/trabajos17/calorimetria/calorimetria.shtml - http://www.textoscientificos.com/quimica/termodinamica.

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