SESION 13 CINETICA QUIMICA Y VELOCIDAD DE REACCION

FISICOQUIMICA
01
Wilmer Diaz
Sesión 13
DISEÑO METODOLÓGICO PARA EL APRENDIZAJE
I. TITULO DE LA SESION
CINETICA QUIMICA Y VELOCIDAD DE REACCION
PARA PRACTICAR
I.
APRENDIZAJES ESPERADOS
COMPETENCIA
CAPACIDADES
Aplica los principios y leyes generales de
la
fisicoquímica,
mediante
un
pensamiento
analítico,
permitiendo
resolver y analizar el problema presentado
en situaciones reales donde se encuentra
las aplicaciones de la fisicoquímica dentro
de los procesos agroindustriales mediante
la descripción de los cambios de energía
del sistema, empleando los principios de
Física, Química y Matemáticas en la
resolución de problemas e interpretación
de gráficos. Distingue los parámetros
termodinámicos, así mismo como sus
aplicaciones, proyectando acciones de
responsabilidad social.
Pensamiento analítico: El estudio de
la fisicoquímica implica analizar
situaciones
complejas
y
descomponerlas en componentes más
simples para comprender mejor los
fenómenos y las relaciones entre las
variables involucradas.
Pensamiento crítico: Los conceptos
en física y química a menudo desafían
las intuiciones cotidianas. Los
estudiantes aprenden a cuestionar
suposiciones, evaluar evidencia y
llegar a conclusiones basadas en datos
y razonamiento sólido.
I
Aplicación
de
N
conceptos físicos y
químicos
enD
situaciones
delI
mundo real.
C
A
D
Resolución exitosaO
de
problemasR
complejos
E
utilizando
S
principios físicos o
químicos.
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II.
I.
Wilmer Diaz
SITUACIÓN SIGNIFICATIVA
PARA PRACTICAR
ACTIVIDAD N° 01
Leemos: CINETICA QUIMICA Y VELOCIDAD DE REACCION
La cinética química es la rama de la química que se ocupa del estudio de las velocidades de las
reacciones químicas, así como de los factores que influyen en dichas velocidades. En otras palabras,
se centra en comprender cómo y a qué velocidad ocurren las reacciones químicas en función de las
condiciones en las que se llevan a cabo.
La cinética química se basa en la idea de que las reacciones químicas no ocurren de manera
instantánea, sino que llevan un tiempo para completarse. Estudia cómo la concentración de los
reactivos, la temperatura, la presión, la superficie de contacto, la presencia de catalizadores y otros
factores afectan la velocidad de reacción.
Algunos conceptos y términos clave en cinética química incluyen:
1.
Velocidad de reacción: Es la rapidez con la que los reactivos se convierten en productos
durante una reacción química. Puede expresarse como la disminución de la concentración
de un reactivo o el aumento de la concentración de un producto en un intervalo de tiempo
determinado.
2.
Orden de reacción: Indica cómo la concentración de los reactivos afecta la velocidad de
reacción. Puede ser un orden entero, fraccionario o cero en función de cómo cambian las
concentraciones.
3.
Ley de velocidad: Es una ecuación que relaciona las concentraciones de los reactivos con
la velocidad de reacción. Puede ser determinada experimentalmente.
4.
Mecanismo de reacción: Es la serie de pasos elementales (reacciones más pequeñas) que
conducen a la formación de los productos. Estos pasos suman para dar la ecuación global
de la reacción.
5.
Energía de activación: Es la energía mínima que los reactivos deben tener para superar la
barrera de energía y transformarse en productos. Los catalizadores reducen la energía de
activación y aceleran las reacciones.
6.
Catalizador: Es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química al
proporcionar una ruta de reacción alternativa con una menor energía de activación.
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7.
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Constante de velocidad: Es una constante que relaciona la concentración de los reactivos
con la velocidad de reacción, según la ley de velocidad.
El estudio de la cinética química es fundamental para comprender y controlar las reacciones
químicas en diversas aplicaciones industriales, farmacológicas y medioambientales, así como en la
investigación científica en general.
VELOCIDAD DE REACCION
La velocidad de reacción de un lagarto, al igual que la de otros organismos, puede verse afectada
por múltiples factores, incluyendo la luz del sol y las interacciones químicas que ocurren en su
cuerpo. Aquí se describen algunas formas en que estos factores podrían influir en la velocidad de
reacción de un lagarto:
1.
Luz del sol y temperatura: Los lagartos son animales ectotérmicos, lo que significa que
dependen del ambiente externo para regular su temperatura corporal. La luz del sol es
una fuente importante de energía térmica para los lagartos. Una temperatura más alta
suele acelerar las reacciones químicas en los organismos, incluidas las enzimáticas que
ocurren en su cuerpo. Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones biológicas, y su
actividad depende en gran medida de la temperatura. Por lo tanto, la luz solar puede
aumentar la velocidad de reacción de procesos metabólicos en los lagartos al aumentar la
temperatura de su entorno y, por ende, la temperatura de su cuerpo.
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2.
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Interacciones químicas en el cuerpo: Las reacciones químicas en el cuerpo de un lagarto
incluyen procesos metabólicos como la digestión, la respiración, la síntesis de
biomoléculas y otros. Muchas de estas reacciones son catalizadas por enzimas. Las
interacciones químicas en el cuerpo del lagarto pueden verse influenciadas por varios
factores, como el pH, la concentración de sustratos y productos, y la presencia de
inhibidores o cofactores. Cambios en estas condiciones pueden afectar la velocidad de
reacción de estas reacciones bioquímicas.
3.
Actividad diaria: La exposición a la luz del sol también puede influir en la actividad diaria
de un lagarto. Algunas especies son más activas durante el día (diurnas), mientras que
otras son más activas durante la noche (nocturnas). La actividad de los lagartos puede
afectar la velocidad de ciertas reacciones metabólicas, ya que la actividad física puede
aumentar la demanda de energía y acelerar las reacciones que liberan esa energía.
4.
Fotoperiodo y ritmo circadiano: La duración del día y la noche, conocida como
fotoperiodo, también puede afectar los ritmos biológicos de los lagartos, incluidas las
tasas metabólicas y las velocidades de reacción. Muchos organismos, incluidos los
lagartos, tienen ritmos circadianos internos que regulan una serie de procesos biológicos,
y estos ritmos pueden estar influenciados por la luz del sol.
La velocidad de una reacción depende de la concentración de los reactivos y se determina de form
a experimental.
Se puede obtener una ecuación matemática que relacione la velocidad con la concentración de re
activos: esta es la ecuación de velocidad.
Cinética es el estudio de la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas. Los resultados
sólo pueden obtenerse por vía experimental y de ellos puede predecirse el camino por el que
transcurren dichas reacciones, esto es, el mecanismo. La velocidad de una reacción representa la
cantidad de uno de los reactivos que desaparece por unidad de tiempo, o bien la cantidad de uno
de los productos que aparece por unidad de tiempo.
Como cantidad suele utilizarse concentración. Como unidad de tiempo el segundo. Velocidad es la
variación de la concentración de una de las sustancias de la reacción con el tiempo. Su unidad es:
mol∙L-1∙s-1.
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Velocidad de reacción: Medida de la variación con el tiempo de las cantidades de reactivo a
producto.
¿Cómo vamos a expresar la velocidad de reacción?, Sería conveniente encontrar una forma que no
dependiese de qué reactivo o producto vamos siguiendo
A→B
Donde la primera parte es los reactantes y la segunda parte los productos Al inicio de la reacción
sólo tendremos moles de A. Representemos esto según el gráfico mostrado a continuación. Al inicio
(tiempo = 0 segundos), sólo vemos moles de A (esferas de color negro). Sin embargo, transcurrido
un intervalo de tiempo (en nuestro ejemplo, 10 minutos) hasta el tiempo t1, algunas moles de A se
han transformado ya en B. Asimismo, el número de moles de B es mayor al tiempo t2:
Nuestras expresiones de velocidad promedio para la
reacción las podemos expresar en función tanto a A
como a B:
𝑣=−
Por ejemplo, en el intervalo t0 – t1, la
velocidad promedio de desaparición de A
será:
Δ[A] = 7 mol/L – 10 mol/L = - 3 mol/L
Δt = 10 min – 0 min = 10 min
∆[𝐴]
∆𝑇
𝑣=
∆[𝐵]
∆𝑇
Las velocidades siempre deben ser positivas, por
tanto, observa el signo que se ha colocado delante
del a expresión de la velocidad que depende de la
concentración de A: la sustancia A es un reactivo, por
tanto, su concentración en el tiempo disminuye y el
?[A] es negativo. Para contrarrestar esto y tener
expresiones de velocidad positivas, se coloca un
signo delante de la velocidad promedio que depende
de un reactivo
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Si graficamos las concentraciones de las sustancias involucradas en la reacción versus el tiempo,
obtendríamos un gráfico como el mostrado a continuación:
Estos gráficos nos ayudan a entender cómo transcurre la reacción con el tiempo:
al inicio de la reacción, sólo tenemos al reactivo A y nada de B. Con el trascurrir
del tiempo, la concentración de A va disminuyendo, mientras que la de B va
creciendo. Estas variaciones ocurren hasta un cierto punto, donde la velocidad
disminuye notablemente hasta que casi no cambia más. Este instante viene dado
por el final de la reacción: el momento en que todo el reactivo se transformó en
producto. Como verás, la velocidad depende del instante en que analicemos la
reacción: está claro que la velocidad al inicio no es la misma que al final.
Al calcular la velocidad promedio de la reacción en intervalos de tiempo más
cortos, podemos obtener la velocidad en un determinado instante de la reacción,
lo cual proporciona la velocidad instantánea. La principal diferencia entre estas
dos velocidades es que la velocidad promedio se calcula para un intervalo de
tiempo, mientras que la velocidad instantánea se determina en un momento
dado. En forma gráfica, la velocidad instantánea está dada por la pendiente de la
recta tangente a la curva a un determinado tiempo. En forma matemática (y
obviando el signo), podemos expresarlas así:
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2.4. Ley de velocidad y orden de reacción
•
Unidad 2: Cinética química
LEY DE VELOCIDAD
Hemos visto que la velocidad de una reacción es proporcional a la concentración
de los reactivos. Sin embargo, no todos ellos influyen de la misma manera en la
velocidad. La expresión que nos permite calcular la velocidad a la que ocurre
reacción y relacionar la velocidad con las concentraciones de los reactivos se llama
Ley de Velocidad.
Para una reacción hipotética: A + 2 B → C
Sabemos que la velocidad la podemos expresar así:
Sin embargo, la ley de velocidad nos permite calcular la velocidad, conociendo las
concentraciones iniciales de los reactivos. Así, la expresión de la ley de velocidad
será:
v = k [A]m[B]n
Donde k (minúscula) es una constante de proporcionalidad denominada
constante de velocidad, y m y n son números enteros (mayores o iguales que
cero), que NO NECESARIAMENTE son los coeficientes estequiométricos. Es decir,
yo no puedo decir que m = 1 y n = 2, ya que estos valores hay que determinarlos
experimentalmente. Los números m y n se denominan ÓRDENES PARCIALES DE
LA REACCIÓN: “m” con respecto al reactivo A y “n” con respecto a B. La suma de
“m+n” nos da el ORDEN TOTAL DE LA REACCIÓN.
Volvamos a nuestra reacción A + 2 B → C
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Sabemos que la expresión de la velocidad es: v = k [A]m[B]n
Supongamos ahora, que hemos encontrado experimentalmente los valores de los
exponentes: m=1 y n=1. Entonces, podemos decir que la ley de velocidad para la
reacción planteada es:
v = k [A][B]
y, por tanto, afirmaremos que:
•
•
•
La reacción es de primer orden con respecto a la sustancia A.
La reacción es de primer orden con respecto a la sustancia B.
La reacción es de segundo orden.
DETERMINACIÓN DEL ORDEN DE LA REACCIÓN: MÉTODO DE LAS VELOCIDADES
INICIALES
Sabemos ya plantear la ley de velocidad para una reacción. Nuestro objetivo,
entonces, será ahora averiguar los valores de los órdenes parciales de reacción,
es decir, los valores de los exponentes “m” y “n”. Como se dijo anteriormente,
estos valores se determinan experimentalmente.
El método más simple para determinar los órdenes parciales de reacción consiste
en el método de las velocidades iniciales.
Analicemos la siguiente reacción, utilizada para eliminar el óxido nitroso (NO), un
contaminante gaseoso, usando hidrógeno (H2). Observa que los productos son
inocuos.
2 H2(g) + 2 NO(g) → N2(g) + 2 H2O(g)
La ley de velocidad de esta reacción está dada por: v = k [H2]m[NO]n
Recuerda que m y n no son necesariamente los coeficientes estequiométricos: no
se puede asumir que m=2 y n=2, hay que calcularlo.
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Para determinar los órdenes parciales, se mide la velocidad inicial de la reacción
(variación de concentración en función al tiempo) al variar las concentraciones
iniciales de los reactivos, a cierta temperatura. Así, se ha encontrado que:
Estos datos los podemos reemplazar en la ecuación de la ley de velocidad. Así,
usando los datos de cada experimento, tendríamos:
Experimento 1:
Experimento 2:
Experimento 3:
0,1 M/s = k [0,1 M]m[0,1 M]n
0,3 M/s = k [0,1 M]m[0,3 M]n
0,2 M/s = k [0,2 M]m[0,1 M]n
(ecuación 1)
(ecuación 2)
(ecuación 3)
Dividamos ahora la ecuación 1 entre la ecuación 2:
Eliminando unidades del numerador y denominador, observamos también que
aquellas expresiones con exponente “m” también se eliminan, por tanto, nos
queda:
o, lo que es igual: 0,33 = (0,33)n. Por tanto, n = 1
Dividamos ahora la ecuación 1 entre la ecuación 3:
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Al eliminar unidades en común y aquellas expresiones con exponente “n” (en este
caso), obtenemos:
0,5 = (0,5) m. Por tanto, m =1
De esta forma, hemos determinado los órdenes parciales de la reacción: la
reacción es de primer orden (m=1) con respecto al hidrógeno, y de primer orden
(n=1) con respecto al óxido nitroso. En consecuencia, el orden total de la reacción
es 2, o, dicho en otras palabras, la reacción es de segundo orden. Por tanto, la ley
de velocidad es:
v = k [H2][NO]
La ley nos dice entonces, que la velocidad depende directamente de las
concentraciones de ambos reactivos. Existen casos en los que la velocidad no
depende de la concentración de alguno de ellos (reacciones de orden cero), es
decir, la velocidad es independiente de la cantidad de reactivo que se tenga.
Conociendo los valores de los órdenes parciales, podemos calcular el valor de la
constante de velocidad, reemplazando los datos dados en cualquier ecuación.
Usemos la ecuación 1:
Resolviendo, obtenemos que la constante es: k = 10 M-1s-1
Ten en cuenta las unidades de la constante: dependen del orden de la reacción.
Asimismo, recuerda que “k” es una constante: debe tener el mismo valor en todos
los casos.
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https://openstax.org/books/qu%C3%ADmica-2ed/pages/12-1-tasas-de-reacciones-quimicas
http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/unidades-q2/unidad-2-cinetica-quimica.html
APLICACIONES DE LA ENERGIA DE GIBBS EN LA INGENIERA AGROINDUSTRIAL
La energía libre de Gibbs (ΔG) también se utiliza en la aplicación de procesos industriales
alimentarios. Aquí hay seis ejemplos de cómo se aplica la energía de Gibbs en este campo:
1.
Estabilidad de emulsiones: La energía de Gibbs se utiliza para evaluar la estabilidad de las
emulsiones, que son sistemas donde dos líquidos inmiscibles se dispersan uno en el otro,
como el aceite en agua. Al calcular el cambio en la energía libre de Gibbs, se puede
determinar si una emulsión es termodinámicamente estable y cómo se puede mejorar su
estabilidad a través de la selección de emulsionantes o condiciones de procesamiento
adecuadas.
2.
Cristalización y precipitación: La energía de Gibbs se aplica en la cristalización y
precipitación de sustancias en la industria alimentaria. Permite predecir la formación de
cristales o precipitados, así como la solubilidad y la temperatura de cristalización óptimas
para la producción de alimentos como azúcar, sal o chocolate. Además, ayuda a controlar
el tamaño y la morfología de los cristales para lograr las propiedades deseadas en los
productos finales.
3.
Estabilidad de productos alimentarios: La energía libre de Gibbs se utiliza para evaluar y
predecir la estabilidad de los productos alimentarios durante su vida útil. Ayuda a
determinar los procesos de degradación, reacciones químicas y cambios en la estructura
molecular que pueden afectar la calidad y la seguridad de los alimentos. Esto permite
optimizar las formulaciones y los procesos de producción para garantizar la estabilidad y
el tiempo de conservación adecuados.
4.
Evaluación de reacciones químicas en alimentos: La energía de Gibbs se aplica para
estudiar y optimizar reacciones químicas en alimentos, como la caramelización, la Maillard
y la oxidación de lípidos. Permite determinar las condiciones de reacción óptimas y
controlar la formación de compuestos indeseables que puedan afectar el sabor, el color y
la calidad nutricional de los alimentos.
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5.
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Procesos de fermentación: La energía libre de Gibbs es útil en la fermentación de
alimentos, como la producción de yogurt, queso, pan y bebidas alcohólicas. Permite
evaluar la viabilidad y la espontaneidad de los procesos fermentativos, controlar la
temperatura y la disponibilidad de sustratos para optimizar la producción de productos
fermentados con características deseadas.
6.
Diseño de procesos de extracción y separación: La energía de Gibbs se aplica en el diseño
y optimización de procesos de extracción y separación en la industria alimentaria. Permite
evaluar la eficiencia de extracción de componentes deseados, como aceites esenciales,
colorantes naturales o compuestos bioactivos, y optimizar las condiciones de operación
para maximizar la recuperación y la pureza de los productos extraídos.
Estos ejemplos ilustran cómo la energía libre de Gibbs se utiliza en la aplicación de procesos
industriales alimentarios para optimizar la estabilidad, la calidad y la eficiencia de producción de
alimentos.
EJERCICIOS DESARROLLADOS APLICADO A INGENIERIA FORESTAL Y AMBIENTAL
1. Calcula la energía libre de una reacción química que produce CO 2 a partir de la combustión de 1
tonelada de carbón. ¿Es espontánea la reacción?
La reacción de combustión del carbón se puede escribir de la siguiente manera: C + O2 →
CO2
La energía libre de Gibbs de esta reacción se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:
ΔG = ΔH - TΔS
Donde ΔH es el cambio en la entalpía, T es la temperatura en Kelvin y ΔS es el cambio en
la entropía.
Para calcular ΔH, podemos utilizar los datos de entalpía de formación del carbón y del CO 2,
que son -393,5 kJ/mol y -285,8 kJ/mol, respectivamente. Como se forma 1 mol de CO2 por
cada mol de C, podemos escribir:
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ΔH = (-285,8 kJ/mol) - (-393,5 kJ/mol) = 107,7 kJ/mol
Para calcular ΔS, podemos utilizar la fórmula: ΔS = ΣSproductos - ΣSreactivos
Donde ΣS es la suma de las entropías de los productos o reactivos.
Para esta reacción, tenemos: ΔS = S(CO2) - S(C) - S(O2)
Podemos encontrar los valores de entropía en tablas de termodinámica. Los valores a
298 K son:
S(CO2) = 213,6 J/mol·K,
S(C) = 5,7 J/mol·K y
S(O2) = 205,0 J/mol·K.
Sustituyendo, obtenemos:
ΔS = (213,6 J/mol·K) - (5,7 J/mol·K) - (205,0 J/mol·K) = 2,9 J/mol·K
Ahora podemos calcular ΔG a partir de la fórmula:
ΔG = ΔH - TΔS
Supongamos que la temperatura es de 298 K (25°C). Entonces:
ΔG = (107,7 kJ/mol) - (298 K)·(2,9 J/mol·K) / (1000 J/kJ) = 107,0 kJ/mol
Como ΔG es un valor negativo, la reacción es espontánea.
2. ¿Cuál es la energía de Gibbs de la fotosíntesis? ¿Es espontánea la reacción?
La fotosíntesis puede representarse por la siguiente reacción:
6CO2 + 6H2O + energía solar → C6H12O6 + 6O2
Para calcular la energía de Gibbs de esta reacción, podemos utilizar los mismos pasos que
en el ejercicio anterior.
Primero, calculamos ΔH utilizando los datos de entalpía de formación de los productos y
reactantes. Los valores a 298 K son los siguientes:
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ΔH = [ΣH° (productos)] - [ΣH° (reactantes)]
= [6(0 kJ/mol) + 6(-241.8 kJ/mol) + 1(1260 kJ/mol)] - [6(-393.5 kJ/mol) + 6(-285.8
kJ/mol)]
= 2803.6 kJ/mol
Donde ΣH° es la suma de las entalpías de formación de los productos o reactantes.
Después, calculamos ΔS utilizando la fórmula:
ΔS = [ΣS (productos)] - [ΣS (reactantes)]
= [6(213.6J/mol·K) + 6(69.9J/mol·K) + 1(213.0J/mol·K)] - [6(205.0J/mol·K) + 6(188.7
J/mol·K)]
= 222.6 J/mol·K
Finalmente, calculamos ΔG a partir de la fórmula:
ΔG = ΔH - TΔS
= (2803.6 kJ/mol) - (298 K)(222.6 J/mol·K)/(1000 J/kJ)
= 2373.1 kJ/mol
Como ΔG es un valor positivo, la reacción no es espontánea en las condiciones estándar.
Sin embargo, en la naturaleza, la energía solar actúa como fuente de energía para esta
reacción, lo que hace que la reacción sea espontánea.
3. Calcula la energía libre de una reacción química que produce metano a partir de la fermentación
de residuos orgánicos. ¿Es espontánea la reacción?
La reacción de fermentación del residuo orgánico se puede escribir de la siguiente manera:
C6H12O6 → 3CH4 + 3CO2
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Para calcular la energía de Gibbs de esta reacción, podemos utilizar los mismos pasos que
en el ejercicio anterior.
Primero, calculamos ΔH utilizando los datos de entalpía de formación de los productos y
reactantes. Los valores a 298 K son:
ΔH = [ΣH°(productos)] - [ΣH°(reactantes)]
= [3(-74.9 kJ/mol) + 3(-393.5 kJ/mol)] - [1(-1273.3 kJ/mol)]
= -802.6 kJ/mol
Donde ΣH° es la suma de las entalpías de formación de los productos o reactantes.
Después, calculamos ΔS utilizando la fórmula:
ΔS = [ΣS (productos)] - [ΣS (reactantes)]
= [3(186.3 J/mol·K) + 3(213.6 J/mol·K)] - [1(212.1 J/mol·K)]
= 875.7 J/mol·K
Finalmente, calculamos ΔG a partir de la fórmula:
ΔG = ΔH – TΔS
= (-802.6 Kj)/mol) - (298 K)(875.7 J/mol·K)/(1000 J/kJ)
= -121.5 kJ/mol
Como ΔG es un valor negativo, la reacción es espontánea.
4. ¿Cuál es la energía de Gibbs de la oxidación del hierro en presencia de agua y oxígeno? ¿Es
espontánea la reacción?
La oxidación del hierro en presencia de agua y oxígeno se puede escribir de la siguiente
manera:
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4 Fe + 3O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3
Para calcular la energía de Gibbs de esta reacción, podemos utilizar los mismos pasos que
en los ejercicios anteriores.
Primero, calculamos ΔH utilizando los datos de entalpía de formación de los productos y
reactantes. Los valores a 298 K son:
ΔH = [ΣH°(productos)] - [ΣH°(reactantes)]
= [4(-450.1 kJ/mol)] - [4(0 kJ/mol) + 3(0 kJ/mol) + 6(-285.8 kJ/mol)]
= -1648.4 kJ/mol
Donde ΣH° es la suma de las entalpías de formación de los productos o reactantes.
Después, calculamos ΔS utilizando la fórmula:
ΔS = [ΣS(productos)] - [ΣS(reactantes)]
= [4(0
𝐽
𝑚𝑜𝑙.°𝐾
) + 3(205.0
𝐽
𝑚𝑜𝑙.°𝐾
) + 6(69.9
𝐽
𝑚𝑜𝑙.°𝐾
)] - [4(0
𝐽
𝑚𝑜𝑙.°𝐾
) + 3(0
𝐽
𝑚𝑜𝑙.°𝐾
) + 6(188.7
𝐽
𝑚𝑜𝑙.°𝐾
)]
= -482.4 J/mol·K
Finalmente, calculamos ΔG a partir de la fórmula:
ΔG = ΔH - TΔS
= (-1648.4 kJ/mol) - (298 K)(-482.4 J/mol·K)/(1000 J/kJ)
= -1498.3 kJ/mol
Como ΔG es un valor negativo, la reacción es espontánea.
5. Calcula la energía libre de una reacción química que produce ácido sulfúrico a partir de la
oxidación de sulfuro de hidrógeno. ¿Es espontánea la reacción?
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La reacción de oxidación del sulfuro de hidrógeno se puede escribir de la siguiente
manera:
2H2S + 3O2 → 2H2O + 2SO2
Para calcular la energía de Gibbs (∆G) de una reacción química, necesitamos conocer los
valores de energía libre estándar de formación (∆Gf°) de los compuestos involucrados y
aplicar la fórmula adecuada. A continuación, se presentan los valores de ∆Gf° para los
compuestos involucrados en la reacción:
𝐾𝐽
∆Gf° (H2S) = -20.6 𝑚𝑜𝑙.°𝐾
𝐾𝐽
∆Gf° (O2) = 0 𝑚𝑜𝑙.°𝐾
𝐾𝐽
∆Gf° (H2O) = -237.2 𝑚𝑜𝑙.°𝐾
𝐾𝐽
∆Gf° (SO2) = -296.8 𝑚𝑜𝑙.°𝐾
La ecuación química balanceada para la reacción es:
2H2S + 3O2 → 2H2O + 2SO2
Utilizando la fórmula para calcular la energía de Gibbs (∆G), que es:
∆G = Σ(n∆Gf° productos) - Σ(n∆Gf° reactivos)
Donde n es el coeficiente estequiométrico de cada compuesto en la ecuación química
balanceada.
Aplicando la fórmula, tenemos:
∆G = [2(∆Gf° H2O) + 2(∆Gf° SO2)] - [2(∆Gf° H2S) + 3(∆Gf° O2)]
= [2(-237.2 kJ/mol) + 2(-296.8 kJ/mol)] - [2(-20.6 kJ/mol) + 3(0 kJ/mol)]
= [-474.4 kJ/mol - 593.6 kJ/mol] - [-41.2 kJ/mol]
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= -1067.6 kJ/mol + 41.2 kJ/mol
= -1026.4 kJ/mol
El valor calculado de la energía de Gibbs (∆G) para la reacción es -1026.4 kJ/mol.
Para determinar si una reacción es espontánea o no, se utiliza el valor de la energía de
Gibbs (∆G). Si ∆G es negativo, la reacción es espontánea en condiciones estándar. Si ∆G es
positivo, la reacción no es espontánea en condiciones estándar. Si ∆G es igual a cero, la
reacción está en equilibrio.
En el caso de la reacción 2H2S + 3O2 → 2H2O + 2SO2, hemos calculado previamente la
energía de Gibbs (∆G) y obtuvimos un valor de -1026.4 kJ/mol. Dado que ∆G es negativo
(-1026.4 kJ/mol), podemos concluir que la reacción es espontánea en condiciones
estándar. Esto significa que la reacción tiende a ocurrir de manera natural sin requerir una
aportación externa de energía. En resumen, la reacción 2H2S + 3O2 → 2H2O +
2SO2 es espontánea.
6. ¿Cuál es la energía de Gibbs de la digestión de los alimentos? ¿Es espontánea la reacción?
La digestión de los alimentos es un proceso complejo que involucra una serie de
reacciones químicas. Para calcular la energía de Gibbs (∆G) de la digestión de los
alimentos, necesitaríamos conocer las reacciones específicas involucradas y los valores de
energía libre estándar de formación (∆Gf°) de los compuestos presentes en los alimentos.
Dado que la digestión de los alimentos es un proceso complejo y variable, no es posible
proporcionar una respuesta específica sin información adicional sobre los alimentos y las
reacciones involucradas.
Sin embargo, en general, la digestión de los alimentos implica la descomposición de los
nutrientes en compuestos más simples, como carbohidratos, lípidos y proteínas, y la
liberación de energía en forma de ATP (adenosín trifosfato). Estas reacciones de
descomposición y liberación de energía suelen ser espontáneas, ya que implican la
liberación de energía almacenada en los enlaces químicos de los nutrientes.
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7. Calcula la energía libre de una reacción química que produce amoníaco a partir de la síntesis de
Haber-Bosch. ¿Es espontánea la reacción?
La síntesis de Haber-Bosch es un proceso industrial utilizado para producir amoníaco (NH3)
a partir de nitrógeno (N2) e hidrógeno (H2). La ecuación química balanceada para esta
reacción es:
N2 + 3H2 → 2NH3
Para calcular la energía libre de esta reacción y determinar si es espontánea, necesitamos
conocer los valores de energía libre estándar de formación (∆Gf°) de los compuestos
involucrados. Los valores de ∆Gf° para los compuestos involucrados son:
𝐾𝐽
∆Gf° (N2) = 0 𝑚𝑜𝑙.°𝐾
𝐾𝐽
∆Gf° (H2) = 0 𝑚𝑜𝑙.°𝐾
𝐾𝐽
∆Gf° (NH3) = -16.5 𝑚𝑜𝑙.°𝐾
Utilizando la fórmula ∆G = Σ[n∆Gf°(productos)] - Σ[n∆Gf°(reactivos)], donde n es el coeficiente
estequiométrico de cada compuesto, podemos calcular la energía libre de la reacción:
∆G = [2(∆Gf°NH3)] - [1(∆Gf°N2) + 3(∆Gf°H2)]
= [2(-16.5
𝐾𝐽
𝑚𝑜𝑙.°𝐾
)] - [0
𝐾𝐽
𝑚𝑜𝑙.°𝐾
+ 3(0
𝐾𝐽
𝑚𝑜𝑙.°𝐾
)]
= -33 kJ/mol - 0 kJ/mol
= -33 kJ/mol
El valor calculado de la energía libre (∆G) para la reacción de síntesis de Haber-Bosch es 33 kJ/mol. Como ∆G es negativo, la reacción es espontánea en condiciones estándar. Esto
significa que la formación de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno ocurrirá
naturalmente sin requerir una aportación externa de energía.
8. ¿Cuál es la energía de Gibbs de la evaporación del agua? ¿Es espontáneo el proceso?
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La evaporación del agua es un proceso en el cual el agua líquida se convierte en vapor de
agua debido al suministro de energía, generalmente en forma de calor. Para calcular la
energía de Gibbs (∆G) de la evaporación del agua, necesitamos conocer los valores de
energía libre estándar de formación (∆Gf°) del agua en sus estados inicial y final.
El valor de ∆Gf° del agua líquida (H2O) es -237.2 kJ/mol, mientras que el valor de ∆Gf° del
vapor de agua (H2O(g)) es -228.6 kJ/mol.
La ecuación química para la evaporación del agua es:
H2O(l) → H2O(g)
Aplicando la fórmula ∆G = ∆Gf° (productos) - ∆Gf° (reactivos), podemos calcular la energía
de Gibbs (∆G) de la evaporación del agua:
∆G = ∆Gf° (H2O(g)) - ∆Gf° (H2O(l))
= -228.6 kJ/mol - (-237.2 kJ/mol)
= -228.6 kJ/mol + 237.2 kJ/mol
= 8.6 kJ/mol
El valor calculado de la energía de Gibbs (∆G) para la evaporación del agua es 8.6 kJ/mol.
Como ∆G es positivo, la evaporación del agua no es espontánea en condiciones estándar.
Esto significa que la evaporación del agua requiere una aportación externa de energía,
como calor, para convertir el agua líquida en vapor de agua.
.
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III. DESARROLLAMOS
II. PARA PRACTICAR
ACTIVIDAD N° 03
Leemos:
ESTIMADOS ESTUDIANTES RESPONDER LAS PREGUNTAS
Estimado estudiante,
Llego el momento de poner en práctica todos tus conocimientos adquiridos en la
lectura curso de Educación Ambiental, recuerda que las preguntas y ejercicios
dejados ponen a prueba tus conocimientos y tu aprendizaje.
No olvides que tus respuestas son personales y si se encuentra dos trabajos iguales
en algunos términos como sustentación y explicación se considera que es copia de
otro compañero.
Escoge la respuesta que creas más correcta
1. ¿La energía de Gibbs se aplica para predecir la espontaneidad de una reacción química?
Explica
2. ¿Cómo se puede calcular la entalpía en procesos ambientales?
Explica
3. ¿Cómo afecta la entalpía a la calidad del aire?
Explica
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4. ¿Cómo se puede utilizar la entalpía para evaluar la eficiencia energética de un
sistema?
Respuesta: La entalpía puede utilizarse para evaluar la eficiencia
energética de un sistema mediante el cálculo de la cantidad de energía
térmica liberada o absorbida durante un proceso. Por ejemplo, en
sistemas de calefacción o refrigeración, la entalpía se utiliza para
determinar la cantidad de calor necesaria para mantener una
temperatura estable o para extraer calor del ambiente. La
comparación de las entradas y salidas de entalpía permite evaluar la
eficiencia del sistema y encontrar formas de mejorarlo.
Explica
5. ¿Cómo se puede reducir la entalpía asociada a los procesos ambientales
perjudiciales?
Explica
1.
Pregunta: ¿La energía de Gibbs se aplica para predecir la espontaneidad de una
reacción química?
Respuesta: Sí, la energía de Gibbs se utiliza para determinar la espontaneidad de una
reacción química. Si la energía de Gibbs es negativa (∆G < 0), la reacción es
espontánea. Si es positiva (∆G > 0), la reacción no es espontánea en las condiciones
dadas.
2.
Pregunta: ¿La energía de Gibbs se aplica para calcular el cambio de temperatura en
un sistema?
Respuesta: No, la energía de Gibbs no se utiliza para calcular directamente el cambio
de temperatura en un sistema. La energía de Gibbs está relacionada con el cambio de
energía libre y no está directamente relacionada con cambios de temperatura.
3.
Pregunta: ¿La energía de Gibbs se aplica para determinar el equilibrio de una
reacción química?
Respuesta: Sí, la energía de Gibbs se utiliza para determinar si una reacción química
está en equilibrio. En equilibrio, la energía de Gibbs (∆G) es igual a cero, lo que
implica que no hay cambio neto en la reacción.
4.
Pregunta: ¿La energía de Gibbs se aplica para medir el contenido energético total de
un sistema?
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Respuesta: No, la energía de Gibbs no se utiliza para medir el contenido energético
total de un sistema. Más bien, se refiere a la disponibilidad de energía para realizar
trabajo en un sistema a temperatura y presión constantes.
5.
Pregunta: ¿La energía de Gibbs se aplica para determinar la cantidad de calor
liberada o absorbida en una reacción química?
Respuesta: No, la energía de Gibbs no se utiliza para determinar directamente la
cantidad de calor liberada o absorbida en una reacción química. Sin embargo, está
relacionada con la energía total del sistema y puede utilizarse junto con la entalpía
para calcular cambios en la energía interna (∆U) y el calor intercambiado (∆H) en una
reacción.
6.
Pregunta: ¿La energía de Gibbs se aplica para analizar procesos irreversibles en
termodinámica?
Respuesta: Sí, la energía de Gibbs se utiliza para analizar y predecir la dirección de
procesos reversibles en termodinámica. Sin embargo, en procesos irreversibles, donde
no se puede mantener un equilibrio termodinámico, la energía de Gibbs no es
aplicable.
7.
Pregunta: ¿La energía de Gibbs se aplica para determinar la velocidad de una
reacción química?
Respuesta: No, la energía de Gibbs no se utiliza para determinar directamente la
velocidad de una reacción química. La energía de Gibbs se relaciona con la
espontaneidad y el equilibrio de la reacción, pero no con la velocidad a la que ocurre.
8.
Pregunta: ¿La energía de Gibbs se aplica para calcular la concentración de una
especie química en una solución?
Respuesta: No, la energía de Gibbs no se utiliza para calcular directamente la
concentración de una especie química en una solución. Sin embargo, se puede utilizar
en combinación con la actividad de la especie para obtener una medida más precisa
de la concentración efectiva en sistemas no ideales.
9.
Pregunta: ¿La energía de Gibbs se aplica para determinar la capacidad de realizar
trabajo en un sistema?
Respuesta: Sí, la energía de Gibbs se utiliza para determinar la disponibilidad de
energía para realizar trabajo en un sistema a temperatura y presión constantes. Un
valor negativo de la energía de Gibbs (∆G < 0) indica que el sistema tiene capacidad
para realizar trabajo.
10. Pregunta: ¿La energía de Gibbs se aplica para predecir el cambio de volumen en una
reacción química?
Respuesta: Sí, la energía de Gibbs se utiliza para predecir el cambio de volumen en
una reacción química a través del coeficiente estequiométrico de los productos y
reactivos. Si el cambio de volumen (∆V) es positivo, la energía de Gibbs (∆G) está
influenciada por este cambio. Sin embargo, la energía de Gibbs en sí misma no
proporciona una medida directa del cambio de volumen.
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IV.
Wilmer Diaz
NOS AUTOEVALUAMOS
ICAR
ACTIVIDAD N° 04
Leemos: Responder atentamente
Determine tu nivel de logro en participación
N°
INDICADORES
1
ESCUCHO CON ATENCION AL PROFESOR
2
PARTICIPO EN CLASES
3
TENGO PROBLEMAS PARA ENTENDER
3
REVISO MAS BIBLOGRAFIA ACERCA DEL TEMA
4
HE DESARROLLADO YO SOLO MIS TRABAJOS
5
8
NOS DIVIDIMOS LOS TRABAJOS CON LOS
COMPAÑEROS
PERMITO QUE MIS COMPAÑEROS SIN
TRABAJAR COPIE
A VECES TENGO PROBLEMAS DE
CONCENTRACIÓN
CORRIJO MIS ERRORES
9
CUMPLO CON MIS TAREAS ENCOMENDADAS
10
SOY RESPONSABLE DE MIS ACTOS
6
7
VALORACIÓN
Nunca = 0
A veces = 1
Siempre = 2
Completa la Ficha de Autoevaluación:
Criterios
Si
No
Muestro interés al realizar mis actividades académicas
Realizo mis actividades con responsabilidad
Me esfuerzo por superar mis errores
Utilizo mi portafolio para revisar mis logros y dificultades
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Actividad 7: Completa la Ficha de Metacognición:
¿La actividad realizada te ha
¿Qué
ha parecido significativa para
aprendido hoy?
comprender extensión del
Departamento de Amazonas?
¿Qué dificultades
has
tenido mientras realizabas
las
actividades
de
aprendizaje?
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