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