Termoquímica

Termoquímica
Prof. Jesús Hernández Trujillo
Facultad de Química, UNAM
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 1/13
Definición:
La termoquímica es la aplicación de la primera
ley de la termodinámica a procesos químicos
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 2/13
Definición:
La termoquímica es la aplicación de la primera
ley de la termodinámica a procesos químicos
Una reacción química general:
(1) a1 A1 + a2 A2 + . . . + am Am → b1 B1 + b2 B2 + . . . + bn Bn ∆r H
donde
• ∆r H
•
es una cantidad extensiva
depende de la manera en que está escrita la
ecuación estequimétrica
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 2/13
Por ejemplo:
(2)
(3)
2H2 + O2 → 2 H2 O
1
H2 + O2 → H2 O
2
∆r H = −136.64 kcal
∆r H = −68.32 kcal
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 3/13
Por ejemplo:
(2)
(3)
2H2 + O2 → 2 H2 O
1
H2 + O2 → H2 O
2
∆r H = −136.64 kcal
∆r H = −68.32 kcal
Como H es una función de estado, el valor de ∆r H
•
depende de los estados de reactivos y productos
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 3/13
Por ejemplo:
(2)
(3)
2H2 + O2 → 2 H2 O
1
H2 + O2 → H2 O
2
∆r H = −136.64 kcal
∆r H = −68.32 kcal
Como H es una función de estado, el valor de ∆r H
•
depende de los estados de reactivos y productos
•
se obtiene como:
(4) ∆r H = Hproductos − Hreactivos =
n
X
i=1
bi H̄Bi −
m
X
ai H̄Ai ,
i=1
donde H̄i es la entalpía molar de la substancia i
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 3/13
Al dar un valor para ∆r H es necesario especificar:
•
El estado de la materia en que se encuentran los
reactivos y productos; en el estado sólido, debe
indicarse la forma alotrópica (cristalina) del
compuesto.
•
Los valores de presión y temperatura.
•
Para una solución, las concentraciones.
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 4/13
Definiciones:
de un compuesto:
Forma en que una substancia es más
estable a 1 bar de presión a una temperatura T .
Estado estándar
Entalpía estándar de reacción, ∆r H o :
Cambio entálpico asociado a un mol
de uno de los reactivos cuando todos
los reactivos y productos se encuentran en sus estados estándar.
Por ejemplo, la ecuación (2) se refiere a la
reacción de 1 mol de O2 .
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 5/13
Entalpía molar estándar de formación, ∆f H o :
Cambio entálpico para la formación
de un mol de una substancia a partir
de sus elementos constituyentes en el
estado estándar.
•
•
Se trata de una cantidad intensiva
Es posible expresar a ∆r H o en términos de los
valores de ∆f H o para reactivos y productos
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 6/13
Ejemplo: Calcula ∆r H o para la reacción
CaC2 (s) + 2H2 O(ℓ) → Ca(OH)2 (s) + C2 H2 (g)
a partir de los siguientes datos a 298 K:
compuesto
CaC2 (s)
H2 O(ℓ)
∆f H o (kJ/mol)
-60.00
-285.83
Ca(OH)2 (s) C2 H2 (g)
-986.1
226.7
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 7/13
A presión constante, ∆r H = Qp .
De acuerdo con (4):
(5)
(6)
Hreactivos = H̄CaC2 (s) + 2H̄H2 O(ℓ)
Hproductos = H̄Ca(OH)2 (s) + H̄C2 H2 (g)
Por lo tanto:
(7)
∆r H o = H̄Ca(OH)2 (s) + H̄C2 H2 (g) − H̄CaC2 (s) − 2H̄H2 O(ℓ)
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 8/13
Considerar ahora las reacciones de formación:
Ca(s) + 2C(grafito)
−→
CaC2 (s)
o
∆f HCaC
2 (s)
H2 (g) + 21 O2 (g)
−→
H2 O(ℓ)
o
∆f HH
2 O(ℓ)
Ca(s) + O2 (g) + H2 (g)
−→
Ca(OH)2 (s)
o
∆f HCa(OH)
2C(grafito) + H2 (g)
−→
C2 H2 (g)
∆f HCo 2 H2 (g)
2 (s)
o
∆f HCaC
2 (s)
= H̄CaC2(s) − H̄Ca(s) − 2H̄C(graf ito)
o
∆f HH
2 O(ℓ)
= H̄H2 O(ℓ) − H̄H2 (g) − 12 H̄O2 (g)
o
∆f HCa(OH)
= H̄Ca(OH)2 (s) − H̄Ca(s) − H̄O2 (g) − H̄H2 (g)
∆f HCo 2 H2 (g)
= H̄C2 H2 (g) − 2H̄C(grafito) − H̄H2 (g)
2 (s)
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 9/13
Al despejar las entalpías molares, sustituir en
(7) y simplificar:
∆r H o
o
=
∆f HCa(OH)
+ H̄Ca(s) + H̄O2 (g) + H̄H2 (g)
2 (s)
+ ∆f HCo 2 H2 (g) + 2H̄C(grafito) + H̄H2 (g)
o
+ H̄Ca(s) + 2H̄C(grafito)
− ∆f HCaC
2 (s)
1
o
−2 ∆f HH2 O(ℓ) + H̄H2 (g) + H̄O2 (g)
2
/
×
\
/
ր
ր
ր
\
×
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 10/13
Por lo tanto, para la reacción
CaC2 (s) + 2H2 O(ℓ) → Ca(OH)2 (s) + C2 H2 (g) ,
se obtiene
o
∆r H o = ∆f HCa(OH)
2
o
o
o
+
∆
H
−
∆
H
−
2∆
H
f C2 H2 (g)
f CaC(s)
f H2 O(ℓ)
(s)
= −127.74 kJ/mol < 0
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 11/13
Por lo tanto, para la reacción
CaC2 (s) + 2H2 O(ℓ) → Ca(OH)2 (s) + C2 H2 (g) ,
se obtiene
o
∆r H o = ∆f HCa(OH)
2
o
o
o
+
∆
H
−
∆
H
−
2∆
H
f C2 H2 (g)
f CaC(s)
f H2 O(ℓ)
(s)
= −127.74 kJ/mol < 0
Dado que se cancelan los valores de las
entalpías de los elementos en su estado
estable, es posible calcular ∆r H o usando
los valores de ∆f H o solamente
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 11/13
Para la reacción general (1):
(8)
∆r H o =
n
X
i=1
o
bi ∆f H̄B
−
i
m
X
o
ai ∆f H̄A
i
i=1
Convención:
La entalpía de formación de cada elemento
en su estado estable de agregación a 1 bar
y 25o C es cero
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 12/13
Además:
•
A presión constante: Qp = ∆r H
•
A volumen constante: QV = ∆r U cuando sólo se
considera trabajo de expansión
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 13/13
Además:
•
A presión constante: Qp = ∆r H
•
A volumen constante: QV = ∆r U cuando sólo se
considera trabajo de expansión
En el ejemplo anterior:
• ∆r H o < 0
• p
y T son constantes
(la reacción es exotérmica)
Termoquímica/J. Hdez. T– p. 13/13