41
FISICO QUÍMICA ORGÁNICA : Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés www.ellegadodenewton.wordpress.com

FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética

Luis Eduardo Hernández Parés

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 2: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

¿Por Qué Termodinámica?

• Estudio del comportamiento de la energía.

• TODO fenómeno usa Energía.

• Dominio de Termodinámica = Uso Eficiente de la Energía

• Industria: • Calentar, enfriar, transporte, organización

• Nutrición: • Contenido energético, dieta, entrenamiento

• Química: • Reacciones, transformaciones

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 3: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Formas de Energía

• Energía Cinética

• Energía Calórica

• Energía Eléctrica

• Energía Eólica

• Energía Nuclear

• Energía Potencial

• ¿Qué son todas estas energías?

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 4: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Formas de Energía: Trabajo

• 𝑊 = 𝐹 𝑥 𝑑 F = fuerza, d = distancia

d

F El trabajo NO es un vector. Sus unidades son de energía.

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 5: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Trabajo: Ejercicios

• Un hombre mueve un vehículo con una fuerza constante de 210 N durante 18 m para sacarlo del camino.

𝑊 = 𝐹 𝑥 𝑑 = 210 𝑁 𝑥 18 𝑚 = 3 780 𝐽 = 3,78 𝑘𝐽

• Un hombre levanta una caja de 2,5 kg desde una mesa de 0,65 m hasta un estante colocado a 1,85 m usando una aceleración de 2 m/s2 ¿Cuánto trabajo hizo?

𝑊 = 𝐹 × 𝑑 = 𝑚 × 𝑎 × 𝑑

𝑊 = 2,5 𝑘𝑔 2𝑚

𝑠21,20 𝑚 = 6,0 𝐽

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 6: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Formas de Energía: Calor, Q • Un sistema puede transferir energía por medio de

calor. El calor es una forma de energía que se transfiere de un objeto a otro cuando hay una diferencia de temperatura entre ambos cuerpos.

50 °C25 °C

Q

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 7: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Formas de Energía: Potencial, U

• Energía latente.

• Puede existir energía «no utilizada» esperando a ser liberada.

• Todo tiene energía potencial dependiendo del sistema que se analiza.

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 8: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Primera Ley de La Termodinámica ∆𝑈 = 𝑄 +𝑊

El cambio en la energía interna (potencial), ∆𝑈, de un sistema solo cambia cuando hay transferencia de calor, Q, o cuando hay trabajo, W, sobre el sistema.

«La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma»

UiUf

Calor, Q

Trabajo, W

∆𝑈 = 𝑈𝑓 − 𝑈𝑖

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 9: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

UiUf

Calor, Q

Trabajo, W

UiUf

Trabajo, W

UiUf

Calor, Q

∆𝑈 = − 𝑄 −𝑊 ∆𝑈 = − 𝑄

∆𝑈 = − 𝑊 www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 10: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Ui Uf

Calor, Q

Trabajo, W

Ui Uf

Trabajo, W

Ui Uf

Calor, Q

∆𝑈 = +𝑄 +𝑊 ∆𝑈 = +𝑊

∆𝑈 = +𝑄

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 11: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Diagramas de Energía E

NE

RG

ÍA

AVANCE SISTEMA

EN

ER

GÍA

AVANCE SISTEMA

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 12: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Procesos Endotérmicos • Sistema Absorbe Calor = Endotérmico

Si un proceso (sistema) requiere que se le incluya calor y/o trabajo para que se lleve acabo, ese es un proceso endotérmico.

EN

ER

GÍA

AVANCE SISTEMA

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 13: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Procesos Exotérmicos

• Sistema Emite Calor = Exotérmico

Si un proceso (sistema) libera calor y/o hace trabajo entonces ese es un proceso exotérmico.

EN

ER

GÍA

AVANCE SISTEMA

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 14: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Usando La Energía

• Uso energía = genero cambios.

• Los cambios pueden darse en el sistema o en los alrededores que lo rodean.

• Por lo general, usar energía involucra cambios en la organización de las moléculas.

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 15: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Segunda Ley de Termodinámica

La entropía del universo tiende a incrementarse.

𝛿𝑆 ≥ 𝛿𝑄

𝑇

• Entropía = medida de desorden de un sistema.

• Entre más desorden, mayor entropía.

• Hacer uso de la energía genera desorden SIEMPRE.

• Un sistema puede reducir su desorden, pero a costa de que en los alrededores, el desorden aumentó.

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 16: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Entropía en Acción • Hacer una botella,

requiere usar energía para derretir la arena y moldearla en botellas.

¿Cómo está el orden de las moléculas?

¿De dónde viene el calor?

Calor viene del combustible el cual genera gases, estos gases son MUY desordenados, aunque la botella ordena sus moléculas, el desorden de los gases compensa este orden

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 17: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Tercera Ley de Termodinámica La entropía de un cristal perfecto a T = 0 K es

exactamente igual a 0

• Define el Cero Absoluto

Ley Cero de Termodinámica

Si dos sistemas termodinámicos están en equilibrio térmico con un tercero, entonces todos los sistemas están en

equilibrio térmico

• Define el termómetro

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 18: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Energía Utilizable, ∆G

∆𝐺 = 𝐸 − 𝑇∆𝑆

Si tenemos un sistema y queremos que trabaje, usamos la energía potencial que tiene y le restamos lo que se gasta en desorden.

Si el proceso se lleva acabo a presión y temperatura constantes, la ecuación se arregla a:

∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆

∆H es otro nombre para calor, Q, y se le dice ENTALPÍA. (Si, lo sé: Físicos)

Si ∆G resulta ser negativo, el proceso es espontáneo. Si resulta ser positivo, el proceso es no espontáneo.

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 19: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

¿Qué tiene que ver esto con Química?

• Cuando se hace una reacción, se libera o se absorbe calor. Es decir, hay un ∆H. Este ∆H se relaciona directamente con la energía en los enlaces de las moléculas.

• Fuerza de enlaces: • Rompen enlaces débiles y forman más fuertes, exotérmica

• Rompen enlaces fuertes y forma débiles, endotérmica

CH3 CH3 + O O C

O

O

+ OH25 3 4

ΔH = -2 218,8 kJ/mol

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 20: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Como los fisicoquímicos no tienen vida

• Hay tablas enormes de cuánta energía libera o consume una reacción.

• Para ello se usa un calorímetro. En él, se hace la reacción y se mide cuánta energía libera (o consume).

• A cada energía medida para cada reacción se le llama ENTALPÍA DE REACCIÓN, ∆Hrxn.

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 21: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Entalpía de reacción, ∆𝑯𝒓𝒙𝒏°

CH3 CH3 + O O C

O

O

+ OH25 3 4

∆𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏° = -2 218,8 kJ/mol Rxn de Combustión

HCH3 Cl Clh

ClCH3 ClH+ +

Rxn de Halogenación ∆𝐻𝑕𝑎𝑙𝑜𝑔° = -105 kJ/mol

CH CH3

Rxn de Condensación ∆𝐻𝑐𝑜𝑛𝑑° = +727 kJ/mol

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 22: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

¿Podemos predecir cuánta energía liberará una reacción? • “Si un grupo de reactivos reaccionan para dar un

grupo de productos, el calor de reacción liberado o absorbido es independiente de los pasos en que se lleva acabo la reacción” – Ley de Hess

CH3 OH + BrH CH3 Br + OH2

∆𝐻𝑟𝑥𝑛° = ¿ ? kJ/mol

∆𝐻𝑟𝑥𝑛° = Σ∆𝐻𝑓(𝑝𝑟𝑜𝑑)

° − Σ∆𝐻𝑓(𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡)°

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 23: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

2 C(grafito) + 3 H2(gas) + ½ O2(gas) C2H5OH

∆𝐻𝑓° = -277,7 kJ/mol

∆𝐻𝑓° = -103,8 kJ/mol

∆𝐻𝑓° = +20,4 kJ/mol

Entalpía de formación, ∆𝑯𝒇°

CH3 CH33 C

(grafito) + 4 H

2

CH3H

H

3 C(grafito)

+ 3 H2

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 24: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Ley de Hess: Cálculo de Entalpías de Rxn

2 C + 3 H2 + 1/2 O2 CH3 OH

1/2 H2 + 1/2 Br2 HBr

2 C + 5/2 H2 + 1/2 Br2 CH3 Br

H2 + 1/2 O2 H2O

∆𝐻𝑟° = -277,6

∆𝐻𝑟° = -36,3

∆𝐻𝑟° = -285,8

∆𝐻𝑟° = -90,5

CH3 OH + BrH CH3 Br + OH2

∆𝐻𝑟° = +277,6

∆𝐻𝑟° = +36,3

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 25: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Ley de Hess

CH3 OH + BrH CH3 Br + OH2

∆𝐻𝑟° = -62,4 kJ/mol

∆𝐻𝑟° = (277,6 + 36,3 – 285,8 – 90,5) kJ/mol

Reacción exotérmica. Libera 62,4 kJ/mol de energía

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 26: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Práctica • 3 Cl2 + CH4 CHCl3 + 3 HCl

• 2 EtOH + H2O

• Glucosa + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

CH3 O CH3

Compuesto ∆Hf Compuesto ∆Hf

CH4 - 74,6 kJ/mol EtOH - 277,6 kJ/mol

HCl - 92,3 kJ/mol - 279,5 kJ/mol

CHCl3 - 81,9 kJ/mol Glucosa - 1 273 kJ/mol

H2O - 285,8 kJ/mol CO2 - 393,5 kJ/mol

CH3 O CH3

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 27: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Entalpía de Vaporización ∆𝑯𝒗𝒂𝒑(𝑱𝒎𝒐𝒍 )

• Energía que se necesita para evaporar 1 mol de sustancia

Entalpía de Fusión ∆𝑯𝒇𝒖𝒔(𝑱𝒎𝒐𝒍 )

• Energía que se necesita para fundir 1 mol de sustancia

+Q +Q

-Q -Q

Cambios de Fase (Esto requiere energía)

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 28: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Capacidad Calórica, Cp

∆𝐻 = 𝑛 × 𝐶𝑝 × ∆𝑇

• Calor que se necesita para calentar un mol de sustancia y cambiarle su temperatura 1 °C

• La capacidad calórica es específica para cada sustancia.

Tem

per

atu

ra

Ebullición

Fusión

Aumento de T, Cp

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 29: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

¿Cuánta energía se requiere para calentar 250 mL de agua de 25 °C a 50 °C?

∆𝐻 = 𝑛 × 𝐶𝑝 × ∆𝑇

𝑛 =250 𝑚𝐿 × 1 𝑔 × 1 𝑚𝑜𝑙

1 𝑚𝐿 × 18 𝑔= 14 𝑚𝑜𝑙

∆𝐻 = (14 𝑚𝑜𝑙)(75,4 𝐽 𝑚𝑜𝑙 𝐾 )(50 °𝐶 − 25 °𝐶)

∆𝑯 = 𝟐, 𝟔 × 𝟏𝟎𝟒 𝑱 = 𝟐𝟔 𝒌𝑱

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 30: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Datos Termodinámicos Sustancia Cp (J/mol K) ∆Hvap (kJ/mol) ∆Hfus (kJ/mol)

Etanol 112,0 38,6 4,9

Etilén glicol 148,0 61,9 260

Agua 75,4 40,65 6,01

Amoníaco 35,6 23,35 5,65

Benceno 134,3 33,9 9,90

Dióxido de carbono 37,0 26,1 ---

Hielo 36,9 --- ---

Vapor de agua 34,0 --- ---

HFC-134a (gas) 71,7 22,1 ---

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 31: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Ejercicio • ¿Cuánta agua se puede evaporar con la combustión

de 1 mol de propano? • ΔHvap= 40,65 kJ/mol

• ¿Cuánto combustible se necesita para acelerar un vehículo hasta 60 km/h en aceleración constante de 3 m/s2? Considerar eficiencia de 20% • ΔHc= 47 kJ/g

• d = 0,77 kg/L

• ¿Cómo se compara contra el etanol? ΔHc= 26,8 MJ/kg

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 32: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Ejercicio • ¿Cuánta calor puede retirar un refrigerador usando

HFC-134a usando 3 mol del gas que empieza desde su punto de ebullición hasta temperatura ambiente (25 °C)?

• ¿Qué es más eficiente para quitar el calor corporal? ¿Tomar un litro de agua fría (3 °C)? ¿Sudar 1 litro de agua?

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 33: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Energías de Enlace Energía necesaria para romper un mol de moléculas entre sus átomos componentes

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 34: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Cinética de Reacción

¿Cuál es la velocidad de la reacción?

¿v = 𝑑𝐴

𝑑𝑡? v = 𝑘[𝐴]

¿v = 𝑑𝐵

𝑑𝑡? v = 𝑘[𝐵]

A + B C + D

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 35: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Cinética de Reacción

• Cinética de Orden 0: 𝑣 = 𝑘

• Cinética de Primer Orden: 𝑣 = 𝑘[𝐴] ó 𝑣 = 𝑘[𝐵]

• Cinética de Segundo Orden: • 𝑣 = 𝑘[𝐴]2

• 𝑣 = 𝑘 𝐴 [𝐵]

• Cinética de Tercer Orden: • 𝑣 = 𝑘[𝐴]3

• 𝑣 = 𝑘[𝐴]2[𝐵]

• 𝑣 = 𝑘[𝐴][𝐵]2

A + B C + D

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 36: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Cinética de Reacción • Algunas Ecuaciones:

• 𝐴 = [𝐴]𝑜𝑒−𝑘𝑡

• 𝐴 = [𝐴]𝑜 − 𝑘𝑡

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 37: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Cinética de Reacción

• ¿Qué afecta la velocidad de una reacción?

• Concentración inicial

𝑣 = 𝑘 𝐴

• k es una expresión de la fisicoquímica

• Impedimento estérico

• Temperatura

• Estado de la sustancia

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 38: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Cinética de Reacción

• Ea es la energía necesaria para iniciar la reacción

• 𝐸𝑎 ∝ 𝐸𝑘

• 𝐸𝑎 ∝ 𝑇

CH3 CH3 + O O C

O

O

+ OH25 3 4

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 39: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Estado de Transición

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 40: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Referencias

• Atkins, P. W. Química Física. 6ª Edición, Ediciones Omega, Barcelona, 1999.

• Petrucci, R.; Harwood, W.; Herring, G. Química General, 8ª Edición, Pearson Educación, Madrid, 2003.

• McMurry, J. Química Orgánica, 7ª Edición, Cengage Learning, México, 2008.

• Organic Chemistry Portal. Consultado, 7 de mayo, 2015.

www.ellegadodenewton.wordpress.com

Page 41: FISICO QUÍMICA ORGÁNICA - … · FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética Luis Eduardo Hernández Parés

Luis Eduardo Hernández Parés

www.ellegadodenewton.wordpress.com

www.ellegadodenewton.wordpress.com