TEMA 2 Termodinàmica Química

Tema 2 Termodinàmica Química 2.1Introducció Termodinàmica: és la branca de la física que s’encarrega d’estudiar des d’un punt de vista energètic les reaccions o transformacions químiques a nivell macroscòpic, però no explica si les reaccions són mes o menys ràpides (serà la cinètica). Sistema: és una certa quantitat de matèria que s’aïlla de la resta de l’Univers amb la finalitat d’estudiar-la. Procès: conjunt de canvis que tenen lloc a un sistema. Tipus de Sistemes: Obert: intercanvia matèria i Energia amb l’entorn pex. Evaporació d’aigua d’un got Tancat: intercanvia Energia pero NO matèria amb l’entorn Pex. Escalfar una olla a pressió Aïllat: NO intercanvia ni matèria ni energia amb l’entorn. Pex Termo ideal. Tema 2 Termodinàmica Química

Tema 2 Termodinàmica Química L’E que es bescanvia entre el Sistema i l’entorn es pot fer en diverses formes: Elèctrica, tèrmica, magnètica, química, cinètica, lumínica…etc L’E NO es crea ni es destrueix, només es transforma es pot transformar en formes “menys aprofitables”, pex una part de l’E elèctrica que arriba a una bombeta es transforma en calor. Condicions estàndard: són les condicions de treballar a un laboratori. P=1 atm=1,013.105 Pa T=25ºC= 298ºK (no es treballa en c.n. T=0ºC¡¡¡) Tema 2 Termodinàmica Química

2.2 Variables Termodinàmiques Per estudiar el procès termodinàmic d’una reacció química, necessitem unes variables que defineixin el sistema en un moment donat. Variables d’estat: són magnituds que permeten coneixer exactament la situació termodinàmica d’un sistema. Pex. Si coneixes P,V i T tens un gas definit. Dintre de les variables d’estat hi ha algunes magnituds en les quals el valor final de la magnitud un cop ha tingut lloc un determinat procès NO depen del camí recorregut, son les anomenades Funcions d’estat. Volum (V) unitats: l o m3 Pressió (P) unitats:atm o Pa Temperatura (T) unitats:ºK Energia Interna (U) unitats: J Entalpia (H) unitats: J Entropia (S) unitats: J/ºK Energia lliure de Gibbs (G) unitats: J Tema 2 Termodinàmica Química

Tema 2 Termodinàmica Química 2.3 Calor i treball: Q i W En tot procés químic, en un sistema no aïllat, es produeix un intercanvi d'energia amb el medi exterior. Aquesta energia es pot presentar de diferents maneres: mecànica, calorífica, elèctrica..., totes relacionades entre elles. En l'estudi de les relacions entre l'energia i les reaccions químiques, les dues formes d’energia que més ens interessen són la calorífica i la mecànica. Ambdues són formes d’energia “en transit”. Un sistema “no té” calor o treball, només el transfereix (rep o dóna) Calor ( Q ): es una forma d’energia que es manifesta si hi ha una diferència de temperatura entre el sistema i l'entorn. depèn de la variació de temperatura i de la massa Si hi ha canvi d’estat : Q= m.  Si NO hi ha canvi d’estat: Q=m.ce.T Tema 2 Termodinàmica Química

Tema 2 Termodinàmica Química Treball ( w ). És la força aplicada a un cos per realitzar un cert desplaçament. En termodinàmica aquest treball es dóna quan intervenen gasos a les reaccions és un treball de compressió o d'expansió, el definim com l'energia transmesa a un sistema en aplicar-hi una força exterior. W= -Fext. x W=-Pext.V Es farà a classe la demostració per passar de la fòrmula 1 a la 2 Tema 2 Termodinàmica Química

2.4 Primer principi de la Termodinàmica: Energia interna A qualsevol reacció química s’ha de complir: Llei de conservació de massa (Lavoisier) Llei de conservació de l’energia (l’ E no es crea ni es destrueix, nomès es transforma) L'energia d'un sistema, l'anomenada energia interna U: és la suma de totes les energies(cinètica, potencial, vibratòria, etc. ) que posseeixen les molècules que el conformen aquesta energia es transfereix d’un sistema a un altre en forma de calor i treball. L’energia interna nomès pot variar en forma de calor i/o treball PRIMER PRINCIPI DE LA TERMODINÀMICA U=Q+W No és possible mesurar el valor absolut de l'energia interna. Només se'n pot mesurar la seva variació U (joules ( J ) i quilojoules ( KJ )).  Conveni de signes  Tot terme energètic, que rep el sistema és positiu. Tot terme energètic que “dóna” el sistema és negatiu. Tema 2 Termodinàmica Química

Tema 2 Termodinàmica Química D'acord amb el conveni IUPAC, trobem que: Si l'entorn realitza un treball sobre el sistema, aquest serà positiu, ja que l'energia és transferida al sistema. Si el sistema realitza un treball sobre l'entorn, aquest serà negatiu, ja que l'energia és transferida pel sistema. Si el sistema absorbeix calor de l'entorn, aquesta energia es transmet al sistema i, per tant, tindrà signe positiu. Si els sistema desprèn calor, aquest tindrà signe negatiu, ja que l'energia és transferida pel sistema. Els processos que desprenen calor s'anomenen exotèrmics. Els processos que absorbeixen calor s'anomenen endotèrmics. Tema 2 Termodinàmica Química

2. 5 Relació entre l’energia interna i l’entalpia En tota reacció a volum constant el canvi d'energia interna només és causat per la calor transferida en el procés. U=Qv En tota reacció a pressió constant, la calor transferida en el procés coincideix amb la variació d'entalpia. H=U+P.V H=Qp **Demostració matemàtica es farà a classe Totes les reacciona gasoses on no hi ha variació de nombre de mols entre els productes i reactius, els valors de calor a pressió constant ( entalpia ) i a volum constant ( energia interna ) coincideixen H=U+nRT Si n=0 llavors l’equació anterior H=U Tema 2 Termodinàmica Química

Tema 2 Termodinàmica Química 2.6 Com calcular H? Enguany estudiarem 3 maneres de calcular la variació d’entalpia d’un sistema: 1) Entalpia de formació: Hf La variació d'entalpia d'una reacció depèn de l'estat físic dels reactius i productes, així com de les condicions de pressió i temperatura a les quals es realitza la reacció. Per això, i amb la finalitat de poder comparar les variacions múltiples de diferents reaccions, s'han definit unes condicions de referència que anomenem condicions estàndards. L'entalpia normal o estàndard dels elements en la seva forma habitual més estable es defineix com a zero. El canvi d'entalpia que es produeix en la reacció de formació d'un mol de compost partint dels elements que el constitueixen en el seu estat habitual i estable a les condicions estàndard de pressió i temperatura s'anomena entalpia de formació estàndard. Hreacció= ( Hºf productes)- ( Hºfreactius) Tema 2 Termodinàmica Química

Tema 2 Termodinàmica Química 2) Llei de Hess de les entalpies de reacció fou enunciada per aquest químic rus a mitjans del segle passat i la deduí abans que fos enunciat el primer principi de termodinàmica. Ens diu que si una reacció química es pot expressar com una suma algebraica ( suma o diferència ) d'altres reaccions químiques parcials, l'entalpia d'aquella reacció, com que és una funció d'estat, valdrà també la suma algebraica de les entalpies de les reaccions parcials. 3) Energies d’enllaç: aquest és el sistema menys precís, només ens donarà valors aproximats si tot els reactius i productes que intervenen a la reacció són gasos. Una reacció química consisteix en “una reorganització dels enllaços” es a dir hi ha enllaços químics que es trenquen i d’altres es formen. Existeixen taules d’energies d’enllaç en condicions estàndard. Trencar un enllaç  Hº enllaç >0 Formar un enllaç Hº enllaç >0 Hreacció ( Hºenllaços trencats)- ( Henllaços formats) Els valors només són aproximats, donat que l’energia d’enllaç pex. C-C no és exactament la mateixa al metà o a l’etanol, depen de totat la molècula Tema 2 Termodinàmica Química