Termoquímica Capítulo 6

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1 Termoquímica Capítulo 6
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2 Energía: Es la capacidad para efectuar un trabajo
Trabajo: El cambio directo de la energía que resulta de un proceso 6.1

3 Energía cinética Producida por el movimiento de un objeto
Energía radiante Energía térmica Asociada con el movimiento aleatorio de átomos y moléculas. Diferencia entre energía térmica y temperatura: La energía térmica depende de la masa y el volumen de la muestra. Energía cinética Producida por el movimiento de un objeto Energía potencial Es la energía disponible en función de la posición de un objeto. Energía química Es la energía guardada dentro de los enlaces de sustancias químicas. Posición y arreglo de los átomos 6.1

4 Todas las formas de energía se pueden convertir en otras
Ejercicio: Química-Cinética Fotosintesis: Radiante-Química Calor: Radiante-Térmica 6.2

5 Primera ley de la termodinámica
Ley de la conservación de la energía Las rxn cumplen con esta ley, ya que absorben o liberan energía en forma de calor 6.2

6 Cambios de energía en las reacciones químicas
Calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a temperaturas diferentes. Temperatura es una medida de energía térmica. Temperatura = Energía térmica 6.2

7 Cambios de energía en las reacciones químicas
Termodinámica: Es el estudio científico de la conversión del calor y otras formas de energía Es una rama de la termodinámica Es el estudio de los cambios de calor en las rxn químicas 6.2

8 SISTEMA ALREDEDORES Cambios de estado en los sistemas
El sistema Sustancias que están involucradas en los cambios físicos y químicos SISTEMA ALREDEDORES Vapor de agua Calor Calor abierto cerrado aislado Intercambio : masa y energía energía nada 6.2

9 2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (l) + energía
Proceso exotérmico es cualquier proceso que cede calor, es decir, transfiere energía térmica hacia los alrededores. 2H2 (g) + O2 (g) H2O (l) + energía H2O (g) H2O (l) + energía Proceso endotérmico, en el cual los alrededores deben suministrar calor al sistema. energía + H2O (s) H2O (l) energía + 2HgO (s) Hg (l) + O2 (g) 6.2

10 Cambios en un sistema Composición Energía Temperatura Presión Volumen Propiedades macroscópicas Funciones de estado Ej. Presion. Condiciones iniciales de un gas 2 atm, 300 K, 1L. Condiciones finales 1 atm, 300K, 2L.

11 Cambio de energía interna de un sistema
¿Como se puede comprobar la primera ley de la termodinámica? Cambio de energía interna de un sistema ΔE = Ef - Ei Cinético: Movimiento molecular y de los electrones Potencial: fuerzas de atracción ΔE = Eproductos - Ereactivos

12 ΔE = Eproductos - Ereactivos
Como es la energía de los reactivos en comparación con la energía de los productos ΔE = Ef - Ei ΔE = Eproductos - Ereactivos ΔE = - ΔE = + ΔE sistema + ΔE alrededores = 0 ΔE sistema = - ΔE alrededores Energía perdida por los alrededores

13 Cambios de energía en los sistemas
ΔE = q + w Trabajo realizado por el sistema Intercambio de calor entre el sistema y los alrededores q w + alrededores hacia sistema q w - sistema hacia alrededores W = Fxd

14 Expansión y compresión de un gas
ΔE = q + w W = -P ΔV = F/d2 d3 = Fxd Ejemplo 6.1 Trabajo no es función de estado, ya que el estado inicial y el final es el mismo y w es diferente para ambos casos

15 Volumen del sistema es constante
ΔE = q + w ΔE = q + -P ΔV ΔE = qv Presión del sistema es constante ΔE = q + -P ΔV ΔE = q + P ΔV qp = ΔE + P ΔV

16 La mayoría de las rxn P constante
ΔE = q + -P ΔV ΔE = q + P ΔV qp = ΔE + P ΔV H función termodinámica H = E + PV ΔH = ΔE + ΔPV ΔH = ΔE + PΔV cuando P es constante ΔH = qp

17 DH = H (productos) – H (reactivos)
Entalpía (H) se usa para medir el calor absorbido o liberado por un sistema durante un proceso a presión constante. DH = H (productos) – H (reactivos) Exotérmico: calor liberado por el sistema Endotérmico: calor absorbido por el sistema Energía Energía hacia los alrededores de los alrededores Hproductos< Hreactivos Hproductos > Hreactivos DH < 0 DH > 0 6.3

18 Ecuaciones termoquímicas
¿Es DH negativo o positivo? Calor absorbido por el sistema de los alrededores El sistema absorbe calor Entalpía Endotérmico DH > 0 Cada fusión de 1 mol de hielo a 00C y 1 atm absorbe 6.01 kJ. H2O (s) H2O (l) DH = 6.01 kJ 6.3

19 Ecuaciones termoquímicas
¿Es DH negativo o positivo? Calor liberado por el sistema hacia los alrededores El sistema emite calor Entalpía Exotérmico DH < 0 La combustión de 1 mol de metano a 25°C y 1 atm provoca una disminución en la entalpía del sistema de kJ. CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) DH = kJ 6.3

20 Ecuaciones termoquímicas
Los coeficientes estequiométricos siempre se refieren al número de moles de una sustancia H2O (s) H2O (l) DH = 6.01 kJ Si invierte una reacción, el signo de DH cambia H2O (l) H2O (s) DH = kJ Si multiplica ambos lados de la ecuación por un factor n, entonces DH debe cambiar por el mismo factor n. 2H2O (s) H2O (l) DH = 2 x 6.01 = 12.0 kJ 6.3

21 Ecuaciones termoquímicas
Los estados físicos de todos los reactivos y productos se deben especificar en las ecuaciones termoquímicas. H2O (s) H2O (l) DH = 6.01 kJ H2O (l) H2O (g) DH = 44.0 kJ ¿Cuánto calor se libera cuando 266 g de fósforo blanco (P4) se queman en el aire? P4 (s) + 5O2 (g) P4O10 (s) DH = kJ 1 mol P4 123.9 g P4 x 3013 kJ 1 mol P4 x 266 g P4 = 6470 kJ 6.3

22 Calor (q) absorbido o liberado:
El calor específico (s) de una sustancia es la cantidad de calor (q) requerida para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia. La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de calor (q) requerida para elevar un grado Celsius la temperatura de una determinada cantidad (m) de la sustancia. C = ms Calor (q) absorbido o liberado: q = msDt q = CDt Dt = tfinal - tinicial 6.4

23 Dt = tfinal – tinicial = 50C – 940C = -890C
¿Cuánto calor se emite cuándo una barra de hierro de 869 g se enfría de 94°C a 5°C? s de Fe = J/g • 0C Dt = tfinal – tinicial = 50C – 940C = -890C q = msDt = 869 g x J/g • 0C x –890C = -34,000 J 6.4

24 Calorimetría a volumen constante
Termómetro Agitador Alambre de ignición qsis = qagua + qbomba +qreacción Cubierta del calorímetro qsis = 0 Chaqueta aislante qreac = - (qagua + qbomba ) Agua qagua = msDt Entrada para el O2 qbomba = CbombaDt Bomba Recipiente para la muestra Reacción a V constante DH = qreacción DH ~ qreacción ¡Ningún calor entra o sale! 6.4

25 Constant-Pressure Calorimetry
Calorimetría a presión constante Constant-Pressure Calorimetry Termómetro Agitador Vasos de poliestireno qsys = qdisolucion + qcal + qrxn qsys = 0 qrxn = - (qdisolucion + qcal) Mezcla de reacción qdisolucion = msDt qcal = CcalDt Reacción a P constante DH = qrxn ¡Ningún calor entra o sale! 6.4

26 6.4

27 DH0 (C, diamante) = 1.90 kJ/mol
La entalpía estándar de formación (DH0) es el cambio de calor que resulta cuando un mol de un compuesto se forma de sus elementos a una presión de 1 atm. f La entalpía estándar de formación de cualquier elemento en su forma más estable es cero. DH0 (O2) = 0 f DH0 (C, grafito) = 0 f DH0 (O3) = 142 kJ/mol f DH0 (C, diamante) = 1.90 kJ/mol f

28 6.5

29 La entalpía estándar de reacción (DH0 ) es la entalpía de una reacción llevada a cabo a 1 atm.
aA + bB cC + dD DH0 rxn dDH0 (D) f cDH0 (C) = [ + ] - bDH0 (B) aDH0 (A) DH0 rxn nDH0 (productos ) f = S mDH0 (reactivos) - Para conocer la entalpia estandar de reacción se pueden utilizar dos métodos Directo Indirecto 6.5

30 Directo: Compuestos que se sintetizan con facilidad a partir de sus elementos
reacción aA + bB cC + dD DH0 rxn dDH0 (D) f cDH0 (C) = [ + ] - bDH0 (B) aDH0 (A) DH0 rxn nDH0 (productos ) f = S mDH0 (reactivos) - Indirecto: Compuestos que no se pueden sintetizar directamente a partir de sus elementos Ley de Hess: Cuando los reactivos se convierten en productos, el cambio en entalpía es el mismo independientemente si la reacción tiene lugar en un paso o en una serie de pasos . (La entalpía es una función de estado. No le importa cómo llega allí, sólo dónde empieza y termina.) 6.5

31 Calcule la entalpía estándar de formación de CS2 (l) teniendo que:
C(grafito) + O2 (g) CO2 (g) DH = kJ reacción S(rómbico) + O2 (g) SO2 (g) DH0 = kJ reacción CS2(l) + 3O2 (g) CO2 (g) + 2SO2 (g) DH0 = kJ rxn 1. Escriba la reacción de la entalpía de formación para CS2 C(grafito) + 2S(rómbico) CS2 (l) 2. Agregue las reacciones para que el resultado sea la reacción deseada. C(grafito) + O2 (g) CO2 (g) DH0 = kJ rxn 2S(rómbico) + 2O2 (g) SO2 (g) DH0 = x2 kJ reacción + CO2(g) + 2SO2 (g) CS2 (l) + 3O2 (g) DH0 = kJ reacción C(grafito) + 2S(rómbico) CS2 (l) DH0 = (2x-296.1) = 86.3 kJ 6.5 reacción

32 2C6H6 (l) + 15O2 (g) 12CO2 (g) + 6H2O (l)
El benceno (C6H6) se quema en el aire para producir dióxido de carbono y líquido de agua. ¿Cuánto calor se libera por mol de combustión de benceno? La entalpía estándar de formación del benceno es kJ/mol. 2C6H6 (l) + 15O2 (g) CO2 (g) + 6H2O (l) DH0 S nDH0 (productos) f - S mDH0 (reactivos) f = reacción = [ 12DH0 (CO2) f + 6DH0 (H2O) f ] - [ 2DH0 (C6H6) f ] DH0 reacción [ 12x– x–187.6 ] – [ 2x49.04 ] = kJ DH0 reacción = -5946 kJ 2 mol = kJ/mol C6H6 6.5

33 DHsolución = Hsolución - Hcomponentes
La entalpía de disolución (DHsolución) es el calor generado o absorbido cuando cierta cantidad de soluto se diluye en cierta cantidad de disolvente. DHsolución = Hsolución - Hcomponentes 6.6

34 1. Separación de los iones presentes en el cristal
Calor de disolución 1. Separación de los iones presentes en el cristal NaCl (s) Na+(g) + Cl-(g) U=788 kJ/mol; energía reticular o de red y es la energía necesaria para separar un mol del compuesto ionico en sus iones en estado gaseoso. 2. Hidratación H2O Na+(g) + Cl-(g) Na+(ac) + Cl-(ac) ΔH hidratación= -784 kJ/mol; que es el cambio de entalpía asociado al proceso de hidratación ΔH hidratación + U = ΔH reacción

35 El proceso de disolución para el NaCl
Iones Na+ y Cl- en estado gaseoso Paso 2 Calor de hidratación Paso 1 Energía reticular Calor de disolución Iones Na+ y Cl- en estado sólido DHsolución = Paso 1 + Paso 2 = 788 – 784 = 4 kJ/mol Iones Na+ y Cl- hidratados 6.6

36 Termodinámica DE = q + w DE es el cambio en la energía interna de un sistema q es el intercambio de calor entre el sistema y los alrededores w es el trabajo realizado sobre (o por) el sistema w = -PDV cuando un gas se expande contra una presión externa constante 6.7

37 Entalpía y la primera ley de la termodinámica
DE = q + w A presión constante, q = DH y w = -PDV DE = DH - PDV DH = DE + PDV Aire+vapor de agua+ gas H2 Aire+vapor de agua 6.7