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Www.profesorjano.org ; www.profesorjano.com 29/01/20141 T E R M O Q U Í M I C A Los intercambios energéticos en las reacciones químicas.

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1 ; 29/01/20141 T E R M O Q U Í M I C A Los intercambios energéticos en las reacciones químicas.

2 ; 29/01/20142 INDICE 1 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAPRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA ENTALPÍA:ENTALPÍA: –Concepto –Entalpía de reacción –Entalpía de formación –Entalpía (energía) de enlace. Reglas de la termoquímicaReglas de la termoquímica La ley de HessLa ley de Hess

3 ; 29/01/20143 INDICE 2 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICASEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA –LA ENTROPÍA ConceptoConcepto Cambios de entropía en las reacciones químicas.Cambios de entropía en las reacciones químicas. –ESPONTANEIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS. –ENERGÍA LIBRE DE GIBBS CUATRO TIPOS DE REACCIONESCUATRO TIPOS DE REACCIONES

4 ; 29/01/20144 CONCEPTOS PREVIOS

5 ; 29/01/20145 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La termodinámica se encarga del estudio de las trasferencias de energía entre los sistemas.La termodinámica se encarga del estudio de las trasferencias de energía entre los sistemas. CONCEPTOSCONCEPTOS –Sistema: porción de materia seleccionada. –Entorno: resto del universo. Tipos de intercambios de energía:Tipos de intercambios de energía: –Trabajo (W) –Calor (Q) –Convenio de signos.

6 ; 29/01/20146 CONVENIO DE SIGNOS POSITIVO: todo aquello que aumenta la energía del sistema.POSITIVO: todo aquello que aumenta la energía del sistema. NEGATIVO: todo aquello que la disminuyeNEGATIVO: todo aquello que la disminuye

7 ; 29/01/20147 ENUNCIADO DEL PRIMER PRINCIPIO La energía no se crea ni se destruye.La energía no se crea ni se destruye. Si el sistema gana energía el entorno la pierde.Si el sistema gana energía el entorno la pierde. Si el sistema pierde energía significa que el entorno la gana.Si el sistema pierde energía significa que el entorno la gana. A la energía que tiene un sistema se llama ENERGÍA INTERNA (U). Por lo tanto:A la energía que tiene un sistema se llama ENERGÍA INTERNA (U). Por lo tanto: El cambio de energía interna de un sistema U, es igual a la suma del calor y trabajo intercambiados con el entorno U = Q + W

8 ; 29/01/20148 CONCEPTO DE ENTALPÍA El calor a presión constante

9 ; 29/01/20149 EL TRABAJO DE EXPANSIÓN Supongamos un sistema:Supongamos un sistema: –A presión constante –Que intercambia energía mediante trabajo. –El volumen varía: V 1 : volumen inicialV 1 : volumen inicial V 2 : volumen final.V 2 : volumen final. El trabajo en estas condiciones es:El trabajo en estas condiciones es: W = - p. V

10 ; 29/01/ DISCUSIÓN SOBRE EL SIGNO Si hay un trabajo de EXPANSIÓN: (V 2 > V 1 )Si hay un trabajo de EXPANSIÓN: (V 2 > V 1 ) –Es el sistema el que lo realiza. –Por lo tanto tiene que ser negativo. (disminuye su energía) –Por eso (W = - p. V ) : V > 0 y W 0 y W < 0 Si hay una trabajo de CONTRACCIÓN: (V 2 < V 1 )Si hay una trabajo de CONTRACCIÓN: (V 2 < V 1 ) –Se realiza sobre el sistema. –Por lo tanto tiene que ser positivo (incrementa su energía) –Por eso (W = - p. V ) : V 0.

11 ; 29/01/ PROCESOS A VOLUMEN CONSTANTE En todo proceso de intercambio de energía intervienen: calor (Q) y trabajo (W)En todo proceso de intercambio de energía intervienen: calor (Q) y trabajo (W) Si el proceso es a volumen constante V = 0.Si el proceso es a volumen constante V = 0. Por lo tanto W = 0, y entonces....Por lo tanto W = 0, y entonces.... U = Q

12 ; 29/01/ PROCESOS A PRESIÓN CONSTANTE En todo proceso de intercambio de energía intervienen: calor (Q) y trabajo (W)En todo proceso de intercambio de energía intervienen: calor (Q) y trabajo (W) Así suceden la mayor parte de las transformaciones químicas. (generalmente a presión atmosférica)Así suceden la mayor parte de las transformaciones químicas. (generalmente a presión atmosférica) En este caso sí existe trabajo pues el volumen del sistema varía.En este caso sí existe trabajo pues el volumen del sistema varía. Al intercambio de calor en condiciones de presión constante se le denomina ENTALPÍA.Al intercambio de calor en condiciones de presión constante se le denomina ENTALPÍA. CONCEPTO DE FUNCIÓN DE ESTADO

13 ; 29/01/ MAGNITUD DE LA ENTALPÍA p.V, tiene unidades de energíap.V, tiene unidades de energía U, tiene unidades de energía, luego...U, tiene unidades de energía, luego... U + p.V también.U + p.V también. U + p. V es una energía que seU + p. V es una energía que se define como ENTALPÍA = H define como ENTALPÍA = H

14 ; 29/01/ RELACIÓN ENTRE LOS CALORES Q V = UQ V = U Q P = HQ P = H H = U + p.VH = U + p.V Q P = Q V + p. VQ P = Q V + p. V

15 ; 29/01/ ENTALPÍA DE REACCIÓN Como la mayor parte de las reacciones químicas se realizan a presión constante,Como la mayor parte de las reacciones químicas se realizan a presión constante, Y se cumple que: ENTALPÍA DE REACCIÓN = CALOR DE REACCIÓN

16 ; 29/01/ TIPOS DE REACCIONES Reacción ENDOTÉRMICA: Q = H r > 0Reacción ENDOTÉRMICA: Q = H r > 0 –H productos > H reactivos Reacción EXOTÉRMICA: Q = H r < 0Reacción EXOTÉRMICA: Q = H r < 0 –H productos < H reactivos

17 ; 29/01/ CONDICIONES ESTÁNDAR H o P = 1 atmósfera

18 ; 29/01/ ENTALPÍA DE FORMACIÓN Estándar y molar.Estándar y molar. Se representa como H f oSe representa como H f o Def.: es igual al calor desprendido o absorbido a presión constante en la formación deDef.: es igual al calor desprendido o absorbido a presión constante en la formación de –1 mol de una sustancia –A partir de sus elementos en su estado estable –A la presión de una atmósfera. –A temperatura constante, generalmente 25 o C

19 ; 29/01/ ENTALPÍA DE FORMACIÓN La entalpía de formación de los elementos en su estado fundamental es cero.La entalpía de formación de los elementos en su estado fundamental es cero. Una reacción de formación:Una reacción de formación: Su valor: H = -285 kJ/molSu valor: H = -285 kJ/mol H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l)

20 ; 29/01/ ¡¡¡MUY IMPORTANTE!!! Para una reacción química:Para una reacción química: En general:En general:

21 ; 29/01/ ENERGÍA DE ENLACE Def.: es la entalpía, H, de la reacción en la que se rompe un mol de enlaces en estado gaseoso.Def.: es la entalpía, H, de la reacción en la que se rompe un mol de enlaces en estado gaseoso. H 2 (g) 2 H (g) H = 436 kJ/mol (H – H)H 2 (g) 2 H (g) H = 436 kJ/mol (H – H)

22 ; 29/01/ ENERGÍA DE ENLACE En general:En general: Reacción endotérmica (ΔH > 0)Reacción endotérmica (ΔH > 0) Reacción exotérmica (ΔH < 0)Reacción exotérmica (ΔH < 0)

23 ; 29/01/ ENERGÍA DE ENLACE Los valores de energías de enlace, son valores promedio.Los valores de energías de enlace, son valores promedio. Por ejemplo, la energía de un enlace O – H, depende también de los átomos vecinos.Por ejemplo, la energía de un enlace O – H, depende también de los átomos vecinos.

24 ; 29/01/ REGLAS DE LA TERMOQUÍMICA Tres reglas para aplicaciones prácticas

25 ; 29/01/ ª: LEY DE HESS El valor de H para una reacción que se realiza a una temperatura y a una presión establecidas es siempre el mismo e independiente de que la reacción ocurra en uno o en varios pasos.El valor de H para una reacción que se realiza a una temperatura y a una presión establecidas es siempre el mismo e independiente de que la reacción ocurra en uno o en varios pasos. Aplicación: para calcular entalpías de reacciónAplicación: para calcular entalpías de reacción Si para una ecuación termoquímica dada x :Si para una ecuación termoquímica dada x : –Ec(x) = a. Ec (1) + b. Ec (2) + c. Ec (3) +... –Entonces: H x = a. H 1 + b. H 2 + c. H

26 ; 29/01/ EJEMPLO LEY DE HESS H 1 = H 2 + H 3 H 1 = H 2 + H 3

27 ; 29/01/ ª REGLA El valor de H es directamente proporcional a la cantidad de reactivo o de producto.El valor de H es directamente proporcional a la cantidad de reactivo o de producto. Ejemplo:Ejemplo: –Si H 2(g) + Cl 2(g) 2 HCl (g) H = -185 kJ –Entonces: 1/2 H 2(g) + 1/2 Cl 2(g) HCl (g) H = kJ

28 ; 29/01/ ª REGLA Los valores de H para dos reacciones inversas son iguales en magnitud, pero de signo opuesto.Los valores de H para dos reacciones inversas son iguales en magnitud, pero de signo opuesto. Ejemplo:Ejemplo: –Si: H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (l) H = -285 kJ/mol –Entonces: H 2 O (l) H 2(g) + ½ O 2(g) H = 285 kJ/mol

29 ; 29/01/ LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA ENTROPÍA Y ENERGÍA LIBRE

30 ; 29/01/ CONCEPTO DE ENTROPÍA En el universo todo tiende a un estado de mayor desorden.En el universo todo tiende a un estado de mayor desorden. Es más probable el desorden que el orden Es más probable el desorden que el orden La ENTROPÍA es la magnitud termodinámica (es una función de estado) que mide el grado de desorden de un sistema.La ENTROPÍA es la magnitud termodinámica (es una función de estado) que mide el grado de desorden de un sistema. A mayor valor de entropía, mayor desorden.A mayor valor de entropía, mayor desorden.

31 ; 29/01/ CAMBIOS DE ENTROPÍA Para determinar cualitativamente la variación de entropía en una reacción química hay que fijarse en:Para determinar cualitativamente la variación de entropía en una reacción química hay que fijarse en: –El estado de las sustancias, pues: –El número de moles gaseosos. 2 NaHCO 3(s) Na 2 CO 3(s) + CO 2(g) + H 2 O (g)

32 ; 29/01/ SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA En un, hay un incremento neto de entropía total de universo, que comprende tanto al sistema como al entorno.En un proceso espontáneo, hay un incremento neto de entropía total de universo, que comprende tanto al sistema como al entorno. Se refiere a la variación global de entropía.Se refiere a la variación global de entropía. Conclusión: puede haber reacciones químicas en las disminuya la entropía pero a costa de aumentar más la del entorno.Conclusión: puede haber reacciones químicas en las disminuya la entropía pero a costa de aumentar más la del entorno.

33 ; 29/01/ ESPONTANEIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA Depende una magnitud, función de estado, denominada ENERGÍA LIBRE.Depende una magnitud, función de estado, denominada ENERGÍA LIBRE. Cumple que: G = H – T. SCumple que: G = H – T. S Y se puede calcular por:Y se puede calcular por: EntoncesEntonces –Si G < 0 la reacción es espontánea. –Si G > 0, entonces la reacción no es espontánea. –Si G = 0, el sistema está en equilibrio. (siempre que sea a P y T constante)

34 ; 29/01/ ESPONTANEIDAD

35 ; 29/01/ C Á L C U L O S Para un proceso a presión y Tª constante:Para un proceso a presión y Tª constante: Analogamente a la entalpía:Analogamente a la entalpía:

36 ; 29/01/ DISCUSIÓN SOBRE LA ESPONTANEIDAD

37 ; 29/01/ FUNCIÓN DE ESTADO Son aquellas variables termodinámicas (V, U, H, S, G, p, T, etc) que tienen la importantísima cualidad de que su valor depende exclusivamente del estado del sistema y no de los pasos por los que éste evoluciona.Son aquellas variables termodinámicas (V, U, H, S, G, p, T, etc) que tienen la importantísima cualidad de que su valor depende exclusivamente del estado del sistema y no de los pasos por los que éste evoluciona.

38 ; 29/01/ ENERGÍA INTERNA La energía interna de un sistema U, es la suma de todas las energías de todas las partículas contenidas en dicho sistema:La energía interna de un sistema U, es la suma de todas las energías de todas las partículas contenidas en dicho sistema: V = Et + Er + Ev + Ee + En Et: energía de traslaciónEt: energía de traslación Er: energía de rotaciónEr: energía de rotación Ev: energía de vibraciónEv: energía de vibración Ee: energía electrónicaEe: energía electrónica En: energía nuclearEn: energía nuclear

39 ; 29/01/ CONCEPTOS PREVIOS 1 SISTEMA: cualquier porción del universo objeto de estudio: célula, océano, reactor, estrella, etc.SISTEMA: cualquier porción del universo objeto de estudio: célula, océano, reactor, estrella, etc. ENTORNO: resto de universo que está fuera del sistema y que puede interactuar con éste. (por ejemplo intercambiando materia y/o energía)ENTORNO: resto de universo que está fuera del sistema y que puede interactuar con éste. (por ejemplo intercambiando materia y/o energía) UNIVERSO: sistema + entornoUNIVERSO: sistema + entorno TIPOS DE SISTEMA (según intercambio entorno)TIPOS DE SISTEMA (según intercambio entorno) –ABIERTO: no intercambia materia y energía. (vaso de agua) –CERRADO: intercambia materia pero no energía –AISLADO: no intercambia ni materia ni energía.

40 ; 29/01/ CONCEPTOS PREVIOS 2 TIPOS DE SISTEMAS: (según la fase)TIPOS DE SISTEMAS: (según la fase) –HOMOGÉNEOS: una sola fase –HETEROGÉNEOS: más de una fase. ESTADO DE UN SISTEMA: composición, situación y energía en un momento dado. Para describirlo se especifican sus variables de estado.ESTADO DE UN SISTEMA: composición, situación y energía en un momento dado. Para describirlo se especifican sus variables de estado. VARIABLE DE ESTADO: aquellas magnitudes físico químicas que describen la situación de un sistema, como la masa, la presión, etc.VARIABLE DE ESTADO: aquellas magnitudes físico químicas que describen la situación de un sistema, como la masa, la presión, etc. –EXTENSIVAS: dependen de la cantidad de materia del sistema (masa, densidad, etc) –INTENSIVAS: no dependen (temperatura, presión, etc)


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