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7. Termoquímica Lección 7. Termoquímica. » Principios de la transferencia de calor: · Propiedades de estados · Dirección y signo del flujo de calor · Magnitud.

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1 7. Termoquímica Lección 7. Termoquímica. » Principios de la transferencia de calor: · Propiedades de estados · Dirección y signo del flujo de calor · Magnitud del flujo de calor » Medidas del flujo de calor; Calorimetría: · Calorímetro sencillo · Bomba calorimétrica » Entalpía » Ecuaciones termoquímicas: · Reglas de la termoquímica » Entalpías de formación: · Significado de H o f · Calculo de H » Entalpías de enlace » Primer principio de la termodinámica

2 7. Termoquímica Principios de la transferencia de calor SISTEMA SISTEMA: es aquella parte del universo en la que estamos interesados. ALREDEDORES: ALREDEDORES: el resto del universo Universo= Sistema + Alrededores

3 7. Termoquímica Principios de la transferencia de calor Tipos de sistemas: Abierto Cerrado Aislado

4 7. Termoquímica Principios de la transferencia de calor PROPIEDADES DE ESTADO El estado de un sistema se describe proporcionando su composición, temperatura y presión. Funciones de estado: Son aquellas magnitudes que solo dependen del estado inicial y final del sistema, no de la forma en que el sistema alcanza ese estado.

5 7. Termoquímica Principios de la transferencia de calor Conservación de la Energía En las interacciones entre un sistema y sus alrededores, la energía total permanece constante. La energía ni se crea ni se destruye. Dirección y signo del flujo de calor La energía se transfiere entre el sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura q es + cuando el sistema absorbe calor de los alrededores q es - cuando el sistema cede calor de los alrededores Sistema q 0

6 7. Termoquímica Principios de la transferencia de calor Procesos Endotérmicos y Exotérmicos Endotérmico (q 0) : El sistema absorbe calor de los alrededores. (El reactor en una reacción endotérmica se enfría) Exotérmico (q < 0) : El sistema cede calor de los alrededores. (El reactor en una reacción exotérmica se calienta) q 0 q < 0

7 7. Termoquímica Principios de la transferencia de calor Caloría (cal) La cantidad de calor requerido para cambiar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado. Julio (J) Unidad de calor en el SI. 1 cal = J Magnitud del Flujo de Calor Unidades de energía La relación entre la magnitud del flujo de calor, q, y el cambio de temperatura, t, viene dada por la expresión: q = C t C = Capacidad Calorífica Cantidad de calor necesaria para elevar del sistema en 1 ºC. (Unidades J/ºC)

8 7. Termoquímica Principios de la transferencia de calor q = mc T c = Calor Específico Cantidad de calor necesaria para elevar en 1 ºC un gramo de una sustancia. (Unidades J/gºC) Es una propiedad intensiva que puede utilizarse para identificar una sustancia. Para una sustancia pura de masa m, podemos escribir: Sustanciac (J/gºC) Agua (l)4,18 Cu(s)0.382 Cl 2 (g)0.478 Benceno1,72 NaCl0.866

9 7. Termoquímica Medida del flujo de calor; Calorimetría La medida del flujo de calor en una reacción se lleva a cabo en un dispositivo llamado calorímetro. Paredes aisladas Vaso interior con agua Vaso exterior que contiene la reacción El único flujo de calor se produce entre el sistema en reacción y el calorímetro. El flujo de calor para la reacción que está ocurriendo en el sistema es igual en magnitud pero de signo opuesto al del calorímetro. q reacción = - q calorímetro Un calorímetro sencillo se utiliza para reacciones en disolución y se cumple: q reacción = -m x 4.18 (J/gºC) x t Tapón aislante Termómetro Vidrio agitador

10 7. Termoquímica Medida del flujo de calor; Calorimetría Bomba calorimétrica Agitador Terminales eléctricos para la ignición de la muestra Termómetro Recipiente externo aislado Agua Bomba de acero Recipiente para la muestra q reacción = - q calorímetro q reacción = - C calorímetro x t

11 7. Termoquímica Entalpía Entalpía, H: Para reacciones que tienen lugar a presión constante, el flujo de calor del sistema reacionante es igual a la diferencia de entalpía. Sólo es posible medir incrementos de entalpía. H = H productos - H reactivos = q P Sistema calor Alrededores

12 7. Termoquímica Entalpía Diagramas de Entalpía Reacción Endotérmica Reacción Exotérmica H productos H reactivos Reactivos Productos

13 7. Termoquímica Ecuaciones termoquímicas En las ec. termoquímicas deben aparecer las especies químicas que intervienen en la reacción, el estado y el valor de H. NH 4 NO 3 (s) NH 4 + (aq) + NO 3 - (aq) H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl (g) H = +28,1 kJ H = -185 kJ Reglas de la termoquímica: 1- La magnitud de H es directamente proporcional a la cantidad de reactivo o producto: 2- El valor de H en una reacción es igual y de signo contrario al valor de H para la reacción inversa: CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) H = -802 kJ 2CH 4 (g) + 4O 2 (g) 2CO 2 (g) + 4H 2 O(g) H = kJ CO 2 (g) + 2H 2 O(g) CH 4 (g) + 2O 2 (g) H = +802 kJ

14 7. Termoquímica Ecuaciones termoquímicas 3- El valor de H de una reacción es el mismo si ésta ocurre en una etapa o en una serie de etapas Ley de Hess ecuación= ecuación 1 + ecuación H= H 1 + H CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) H = -802 kJ 2H 2 O(g) 2H 2 O(l) H = -88 kJ CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) H = -890 kJ Combustión del metano: CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) H = -890 kJ

15 7. Termoquímica H 1 = H 2 + H 3 Ecuaciones termoquímicas Diagrama de entalpia para la combustión del metano por otras etapas:

16 7. Termoquímica Ecuaciones termoquímicas ½N 2 (g) + O 2 (g) NO 2 (g) H = kJ ½N 2 (g) + ½O 2 (g) NO(g) H = kJ NO(g) + ½O 2 (g) NO 2 (g) H = kJ Reacción de formación del dióxido de nitrógeno

17 7. Termoquímica Entalpías de formación Significado de H o f La entalpía de formación molar estándar de un compuesto es igual a la variación de entalpía cuando se forma un mol de compuesto a presión constante de 1 atm y una temperatura de 25ºC, a partir de los elementos en sus estados estables a esa presión y Tª. »La H o f de un elemento en su estado estable es cero: H o f Br 2 (l)= 0 H o f H 2 (g)= 0 H o f C(grafito)= 0

18 7. Termoquímica Entalpías de formación »La H o f de un compuesto a partir de sus elementos es normalmente una reacción exotérmica:

19 7. Termoquímica Entalpías de formación Entalpías de formación positivas Entalpías de formación negativas Entalpías de formación de los elementos

20 7. Termoquímica H o f de los iones en disolución acuosa: Entalpías de formación

21 7. Termoquímica Cálculo de H o Para una ecuación termoquímica dada, la variación de entalpía estándar, H o, es igual a la suma de las entalpías de formación estándar de los productos menos la suma de las entalpías de formación estándar de los reactivos.

22 7. Termoquímica Cálculo de H o H reacción = + H f ° Na 2 CO 3 + H f ° CO 2 + H f ° H 2 O -2 H f ° NaHCO 3 2NaHCO 3 (s) H 2 O (l) + CO 2 (g) + Na 2 CO 3 (s)

23 7. Termoquímica Entalpías de enlace La entalpía de enlace se define como H cuando se rompe un mol de enlaces en estado gaseoso. H 2 (g)2H (g) H = kJ Cl 2 (g) 2Cl (g) H = kJ El enlace de H 2 es más fuerte que el de Cl 2 Entalpía de enlace de un enlace múltiple es mayor que la de un enlace simple entre los mismos átomos: C-C = 347 kJ/mol C=C = 612 kJ/mol C C = 820 kJ/mol

24 7. Termoquímica Entalpías de enlace En general, los enlaces en los reactivos son más fuertes que los presentes en los productos. 2HF (g) H 2 (g) + F 2 (g) H = - 2 H f 0 HF = +542,2 kJ Los enlaces del HF (565 kJ/mol) son más fuertes que la media de los enlaces del H 2 y del F 2. : (436kJ/mol kJ/mol)/2 = 295 kJ/mol 4 moles de enlace O-H 2 moles de enlace H-H 1 mol de enlace O-O + hay mayor número de enlaces en los reactivos que en los productos. 2H 2 0 (g) 2H 2 (g) + O 2 (g) H = - 2 H f 0 H 2 O = +483,6 kJ

25 7. Termoquímica Primer principio de la termodinámica La termoquímica es una parte de la termodinámica. La termodinámica distingue entre dos tipos de energía : el calor (q) el trabajo (w) El término trabajo incluye todas las formas de energía excepto el calor. El primer principio de la termodinámica establece que: En cualquier proceso, la variación total de energía de un sistema, AE, es igual a la suma del calor y del trabajo, transferidos entre el sistema y los alrededores. La energía no se crea ni se destruye. La energía del (sistema + los alrededores) es constante. E = q + w E = q + w

26 7. Termoquímica Primer principio de la termodinámica Energía gastada por la pila Pila cargada Pila descargada calor Trabajo

27 7. Termoquímica Primer principio de la termodinámica Criterios de signos: Exterior

28 7. Termoquímica Primer principio de la termodinámica H vs E er Principio: E = q + w er Principio: E = q + w En reacciones a volumen constante, w = 0 E = q v En reacciones a presión constante H = q p H = E + PV En general, para una reacción la diferencia entre H Y E es muy pequeña, y se cumple: H = E + (PV) = E + (PV) productos - (PV) reactivos

29 7. Termoquímica Gasto de energía y balance energético Alimentos Valor combustible = energía obtenida cuando se quema un gramo de sustancia. 1 Caloría nutricional, 1 Cal= 1000 cal= 1kcal La energía en nuestro cuerpo procede de: las grasas, los hidratos de carbono y las proteínas. En el intestino los carbohidratos son convertidos a glucosa: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O, H = kJ Las grasas se degradan: 2C 57 H 110 O O 2 114CO H 2 O, H = kJ Las grasas contienen más energía, son insolubles en agua y constituyen un buen almacén de energía.

30 7. Termoquímica Valor combustible Carbohidratos Grasas Proteínas kJ/g kcal/g Composición aprox. (% masa) Carbohidratos Grasas Proteínas Manzana Cerveza Pan Queso Huevos Dulce (Fudge) Guisantes Hamburguesas Leche (entera) Cacahuetes Composición y energía de algunos alimentos Gasto de energía y balance energético

31 7. Termoquímica Combustibles Composición elemental aproximada Valor combustible Madera de pino Carbón de Antracita Carbón mineral Carbón vegetal Crudo (Petróleo) Gasolina Gas natural Hydrógeno Tipos de combustibles y su poder energético

32 7. Termoquímica


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