Termoquímica

Energía: capacidad para realizar un trabajo o generar calor

El estudio de la energía y sus transformaciones se conoce como termodinámica. La termoquímica se encarga del estudio de las relaciones entre las reacciones químicas y los cambios de energía que implican calor.

La unidad del SI para la energía es el Joule. 1 J =1 kg·m2/s2 El Joule no es una cantidad grande de energía, por lo que se utilizan kilojoules (kJ) para energías asociadas con las reacciones químicas. Una caloría (cal) se definió originalmente como la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5 °C a 15.5 °C. Actualmente la caloría se define en términos del joule:

La energía se define como la capacidad para realizar un trabajo o para transferir calor. El trabajo es la energía utilizada para mover un objeto contra una fuerza. El calor es la energía empleada para incrementar la temperatura de un objeto. La energía cinética es la energía de movimiento de un objeto, la cual se incrementa cuando aumenta su velocidad. La energía potencial es la energía “almacenada” proveniente de las atracciones y repulsiones que un objeto experimenta en relación con otros objetos.

Cuando se estudia el cambio de energía que acompaña a una reacción química en el laboratorio, los reactivos y los productos constituyen el sistema. El recipiente y todo lo demás se considera el entorno. Los sistemas pueden ser: abiertos, cerrados o aislados. Un sistema abierto es aquel donde la materia y la energía pueden intercambiarse con el entorno. Los sistemas cerrados son aquellos que pueden intercambiar energía, pero no materia, con su entorno. Un sistema aislado es aquel en el que no hay intercambio de energía ni de materia con el entorno.

Sistema cerrado Sistema abierto

Primera ley de la termodinámica: La energía no se crea ni se destruye Primera ley de la termodinámica: La energía no se crea ni se destruye. Cualquier energía perdida por un sistema debe ganarla su entorno, y viceversa. La energía interna, E, de un sistema se define como la suma de todas las energías cinéticas y potenciales de los componentes del sistema. En la termodinámica, el interés principal reside en el cambio en E que acompaña a un cambio en el sistema. ΔE = E final – E inicial

ΔE = E final – E inicial ΔE = q + w Los cambios de energía interna se deben a ganancia o pérdida de calor o trabajo en el sistema

Cuando se lleva a cabo un proceso en el que el sistema absorbe calor, el proceso se denomina endotérmico. Durante un proceso endotérmico el calor fluye hacia adentro del sistema desde su entorno. Un proceso donde el sistema pierde calor se conoce como exotérmico. Durante un proceso exotérmico, el calor sale o fluye hacia afuera del sistema, es decir, hacia el entorno. -q +q

+w -w

¿Una pistola disparando es un sistema abierto o cerrado? ¿Cuáles son los signos de q y w? ¿De dónde proviene la energía?

La energía interna es una función de estado, esto es que depende de la situación actual, no de la trayectoria para llegar ahí

El calor y el trabajo NO son funciones de estado

Entalpía Una nueva función de estado H = E + PV Es útil para estudiar reacciones que ocurren a presión constante FIGURA 5.11 Un sistema que realiza trabajo sobre su entorno.

5.3 Entalpía Energía, entalpía y trabajo P-V ΔH = Δ E + P Δ V Δ H = (qp +W) –W Δ H = qp

5.3 Entalpías de reacción El cambio de entalpía que acompaña a una reacción se conoce como entalpía de reacción, o calor de reacción (ΔHrxn, donde “rxn” se utiliza para abreviar “reacción”). FIGURA 5.14 Reacción exotérmica de hidrógeno con oxígeno. Cuando se enciende una mezcla de H2(g) y O2(g) para formar H2O(g), la explosión resultante produce un flamazo. Puesto que el sistema libera calor al entorno, entonces la reacción es exotérmica, como se indica en el diagrama de entalpía.

5.3 Entalpías de reacción 1. La entalpía es una propiedad extensiva. 2. El cambio de entalpía en una reacción es igual en magnitud, pero de signo opuesto, al H de la reacción inversa. 3. El cambio de entalpía en una reacción depende de los estados de los reactivos, productos y cantidad. FIGURA 5.16 ΔH para una reacción inversa. Al invertir una reacción, se modifica el signo pero no la magnitud del cambio de la entalpía: ΔH2 = -ΔH1.

Exotérmica Endotérmica

Ley de Hess

Calcule el ΔH de reacción para 2 C(s) + H2(g) → C2H2(g) Se le da vuelta a la primera reacción y la segunda se multiplica por dos

Entalpías de formación Un proceso empleado para tabular datos termoquímicos es la formación de un compuesto a partir de sus elementos constitutivos. El cambio de entalpía asociado con este proceso se conoce como entalpía de formación (o calor de formación), Hf . La magnitud de cualquier cambio de entalpía depende de la temperatura, la presión y el estado de los reactivos y productos. La entalpía estándar de formación de un compuesto, , es el cambio de entalpía de una reacción que forma un mol del compuesto a partir de sus elementos, con todas las sustancias en sus estados estándar.

Entalpías de formación Condiciones estándar 25 ᵒC y 1 atm

Ejemplo utilizando entalpías de formación Los elementos como el O2 tienen energía de formación de cero

Reacciones ácidos base Acido + Base  Sal + Agua

Reacciones de desplazamiento Sencillo

Reacciones de desplazamiento Doble

Reacciones de oxidación-reducción

Reacciones de combustión