Parte 1: 1.La energía en las reacciones químicas. 2.Calor y entalpía de reacción. 3.Ley de Hess y sus aplicaciones. Parte 2: 1.Velocidad de una reacción.

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1 Parte 1: 1.La energía en las reacciones químicas. 2.Calor y entalpía de reacción. 3.Ley de Hess y sus aplicaciones. Parte 2: 1.Velocidad de una reacción química. 2.Factores que influyen en la velocidad de reacción. Parte 3: 1.Algunas reacciones químicas de interés. 2.Reacciones químicas y medio ambiente. 3.Desarrollo y sostenibilidad. TEMA 15: OTROS ASPECTOS ASOCIADOS A LAS REACCIONES QUÍMICAS

2 1. La energía en las reacciones químicas. Tipos de energía y energía química Definición : La energía es la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo o transmitir calor. Como ya hemos estudiado en años de secundaria, existen varios tipos de energía, que se pueden dividir en dos grupos, renovables y no renovables. Entre otras están la energía eléctrica, la energía radiante, la energía nuclear o atómica, y de las que estudiamos en ésta unidad, la energía química y la energía térmica.

3 Cambios energéticos en las reacciones químicas Sabemos que una reacción química consiste en la ruptura y formación de enlaces entre átomos, por lo cual es razonable pensar que el balance de energía no sea nulo, y por lo tanto, la energía sobrante o carente se convierte en otros tipos de energía. ‘’La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.’’ Hermann von Helmholtz y Julius Robert von Mayer y James Prescott Joule enunciaron la ley de la conservación de la energía, a principios del siglo XIX. Ésta ley se entiende con una sola frase: Pb + PbO 2 + 2 H 2 SO 4  2 PbSO 4 + 2 H 2 O + ENERGÍA ELÉCTRICA Ésta ecuación química representa la reacción producida en la batería de un automóvil.

4 Sistemas termodinámicos y reacciones endotérmicas y exotérmicas En química, un sistema es aquella porción del universo que contiene las sustancias que participan en la reacción. Éstos pueden ser aislados, cerrados o abiertos: · Sistemas aislados: Es aquel que no intercambia ni materia ni energía con su entorno. · Sistemas cerrados: Es el que puede intercambiar energía pero no materia con el exterior. · Sistemas abiertos: Intercambian materia y energía con el exterior. Una forma común del desprendimiento o absorción de energía en una reacción es en forma de calor. Dependiendo de cada caso, una reacción puede ser endotérmica (absorbe calor) o exotérmica (desprende calor).

5 2. Calor y entalpía de reacción. El calor de reacción es el calor intercambiado entre un sistema y su entorno cuando se da una reacción química en el seno del primero a temperatura constante. ΔH = Q p Las reacciones químicas que vamos a estudiar ocurren a temperatura constante y en un sistema abierto a la atmósfera. Por esto utilizamos la magnitud termodinámica (H = Entalpía) cuya variación coincide con el calor de reacción a presión constante. Características de la entalpía: · Es una magnitud extensiva, su valor depende de la masa reaccionante. ·Es una función de estado, su valor solo depende del estado final e inicial. ·Sólo podemos medir la variación que experimenta, es decir, ΔH r

6 PROCESO ENDOTÉRMICO (si ΔH r > 0)PROCESO EXOTÉRMICO (si ΔH r < 0) Diagramas entálpicos Un diagrama entálpico es una representación gráfica que representa de forma esquemática el cambio de entalpía en una reacción.

7 Estados estándar y entalpías estándar La variación de entalpía no tiene un determinado valor entre unas ecuaciones químicas u otras, por ello se le asigna un determinado estado, llamado estándar. Sus condiciones son: · La presión es de 1 bar (aproximadamente 1 atm). ·Cada especie química que interviene debe estar en el estado de agregación en el que sea más estable a presión estándar y a la temperatura elegida. · Para sustancias disueltas, el estado estándar se refiere a la concentración 1 M. · No existe temperatura estándar. Ecuaciones termoquímicas Una ecuación termoquímica es una ecuación química ajustada en la que se indican expresamente, y a la derecha de ella, las magnitudes termodinámicas correspondientes (entalpía). Si se invierte una ecuación termoquímica, el valor de la entalpía cambia de signo pero no de valor numérico.

8 3. Ley de Hess y sus aplicaciones. La ley de Hess establece que: “si una serie de reactivos reaccionan para dar una serie de productos, el calor de reacción liberado o absorbido es independiente de si la reacción se lleva a cabo en una, dos o más etapas”. Esto es que los cambios de entalpía son aditivos. Se puede decir que el calor de reacción sólo depende de los reactivos y los productos. Ejemplo práctico: C(s, grafito) + O 2 (g)  CO 2 (g)ΔH 2 = -393’5 kJ. CO 2 (g)  CO(g) + ½ O 2 (g)- ΔH 3 = 283’0 kJ. __________________________________________________________ C(s, grafito) + ½ O 2 (g)  CO(g)ΔH 1 = -110’5 kJ.

9 4. Velocidad de una reacción química. Existe una ciencia que estudia la velocidad de las reacciones químicas y los factores que influyen en ella, denominada cinética química. La velocidad de reacción de una ecuación química se puede definir como la variación de la concentración de un determinado reactivo o producto en la unidad de tiempo. Se expresa en mol / litros ·s

10 Teoría de las colisiones La base de la teoría de las colisiones, es que toda reacción química requiere la ruptura de los enlaces en las moléculas de las sustancias reaccionantes. Pero no todas las colisiones producen la formación de nuevas moléculas ya que sino las velocidades serían muy elevadas. Características para un choque eficaz entre moléculas: · Las moléculas deben tener suficiente energía cinética para romper los enlaces, ésta energía se llama energía de activación. ·El choque a de tener una orientación adecuada sino, aunque las moléculas tengan energía suficiente no se dará el choque.

11 Teoría del estado de transición Esta teoría estudia como cambia la energía en el sistema, para ello, postula la existencia de un estado intermedio en el camino de reactivos a productos. Éste estado se llama estado de transición y la especie intermedia, complejo activado. El complejo activado, en equilibrio con los reactivos es la especie más energética e inestable. Para llegar al complejo activado, tanto de los reactivos como de los productos, hace falta una energía denominada energía de activación. Le energía de activación es la diferencia entre la energía del peso activado y la energía del estado del que procede.

12 Primera gráfica proceso endotérmico. Segunda gráfica proceso exotérmico.

13 5. Factores que influyen en la velocidad de reacción. Naturaleza de los reactivos Las reacciones que no implican un reajuste en los enlaces suelen ser muy rápidas. Esto ocurre en casi todas las reacciones de iones. Sin embargo, las reacciones donde intervienen enlaces covalentes suelen ser muy lentas, y además, necesitan ser activadas. Concentración y estado físico de los reactivos En general, la velocidad de una reacción aumenta con la concentración de la especie reaccionante. También influye en la velocidad de la reacción el estado de agregación, las reacciones entre gases son las más rápidas, si en la reacción interviene un sólido, cuanto más pulverizado se encuentre, mayor será la velocidad de reacción.

14 Efecto de la temperatura La velocidad de las reacciones químicas aumenta notablemente con la temperatura. Esto es debido a que al elevar la temperatura aumenta de forma significativa el porcentaje molecular. Presencia de catalizadores e inhibidores Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química y no se consume en ella, proceso llamado catálisis. Características: · Se recuperan al final del proceso. · No alteran las variables termodinámicas del proceso. · Reducen la energía de activación de los procesos directos e inversos en la misma cuantía. · Son muy específicos. · Su actividad solo tiene lugar en un margen muy estrecho de algunas magnitudes físicas.

15 6. Algunas reacciones químicas de interés Reacción de combustión: Una combustión es un proceso químico en el que una sustancia (combustible) reacciona con el oxígeno (comburente), produciéndose además de los productos un rápido desprendimiento de energía en forma de luz y calor. La reacción completa de cualquier hidrocarburo de base C x H y,, así como la de numerosos compuestos oxigenados que originan siempre los mismos productos: CO 2 y agua. Un proceso de combustión de extraordinario interés por sus múltiples aplicaciones energéticas, y sin efectos contaminantes, es la reacción del hidrógeno con el oxígeno, cuyo único producto es el agua. 2 H 2 + O 2  2 H 2 O

16 Reacciones en los seres vivos: La glucosa es una fuente de energía muy importante en los seres vivos. Da lugar a las siguiente reacción: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2  6 CO 2 + 6 H 2 O Esta reacción es altamente exotérmica, libera la misma energía necesaria para crear la glucosa en la fotosíntesis. Necesita ser catalizada por enzimas y se lleva a cabo en diferentes etapas, para evitar lo siguiente: · Si la reacción se diese a cabo en una sola etapa la cantidad de energía liberada destruiría la célula donde se produce la reacción. · La gran energía de activación que requiere hace que sea muy lenta la reacción. Las enzimas rebajan la energía de activación y aceleran la velocidad del proceso. Reacciones en la industria: Entre las sustancias de mayor producción industrial tenemos, el ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ), el amoníaco (NH 3 ) y el propeno o propileno (C 3 H 7 ), como materias primas, y los plásticos o polímeros artificiales como productos finales.

17 7. Reacciones químicas y el medio ambiente. Efecto invernadero anómalo: El Dióxido de Carbono, el vapor de agua y otros gases, principalmente metano, son los causantes del llamado efecto invernadero. Sin ellos, nuestro planeta sería un planeta helado. Sin embargo, si aumentamos en exceso la proporción de estos gases en la atmósfera produciremos el efecto invernadero anómalo, causante del aumento de temperatura en nuestro planeta. El agujero en la capa de ozono: La mayor parte de la radiación ultravioleta la absorbe el oxígeno y el nitrógeno en las capas altas de la atmósfera, pero hay una parte que sólo es absorbida por el ozono. La emisión de gases CFC a la atmósfera, hace que el ozono se descomponga, generando el conocido agujero en la capa de ozono.

18 La lluvia ácida: La lluvia no contaminado ya es ligeramente ácida de por sí, ya que tiene valores de PH entre 5’5 y 6. Esto es debido a la pequeña cantidad de Dióxido de Carbono que contiene disuelta en ella. Debido a la reacción del NO 2 y del Anhídrido sulfuroso, que acaban dando lugar al Ácido Nítrico y al Ácido Sulfúrico, estos ácidos se mezclan con la lluvia y dan lugar al fenómeno conocido como la lluvia ácida, que causa graves daños en la naturaleza. El anhídrido sulfúrico es de origen volcánico, mientras que el NO 2 es de origen industrial, es decir, la lluvia ácida tiene una doble naturaleza natural y antropogénica.

19 8. Desarrollo y sostenibilidad. Desarrollo sostenible: El término desarrollo sostenible se nombró por primera vez en el documento conocido como informe Brundtland de 1987, y dice así, que desarrollo sostenible es aquél que satisface las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las generaciones futuras, para atender a sus propias necesidades. Repercusiones asociadas al uso de combustibles fósiles: Podemos destacar dos aspectos, socioeconómico y medioambiental: · Medioambientales. El uso de combustibles fósiles es la principal fuente de contaminación atmosférica, causantes del cambio climático. · Socioeconómica. La excesiva dependencia de los combustibles fósiles como fuente de energía, causarían que, el gasto de estos supusiera una paralización total de la forma de vida que conocemos actualmente.

20 Sostenibilidad energética: La búsqueda de nuevas fuentes de energía para el futuro es un tema muy importante de la actualidad: · Energías renovables. El uso de energías renovables (Hidráulica, solar, eólica, geotérmica) presentan múltiples ventajas, entre las que destacan, que no contaminan, que tienen gran aceptación social y que tienen gran posibilitan la diversidad de aprovisionamiento. Según la Unión Europea, las energías renovables tendrían que tener un mayor peso en la sociedad actual. Las desventajas que obtaculizan su implantación son variadas, entre las que destacan los altos costes, dificultades de almacenamiento. · Transporte sostenible. El transporte por carretera supone más del 40% del consumo de la energía primaria, de aquí a que se trabaje con el denominado transporte sostenible que consiste en el uso de combustibles menos contaminantes, o el uso de vehículos ecológicos (eléctricos, de propulsión híbrida, etc.).