Termoquímica

Química 2º Bach.
Tema: Termoquímica
DEPARTAMENTO DE
FÍSICA E QUÍMICA
Problemas
16/12/05
Nombre:
[2 PUNTOS / APDO.]
1. Calcula la energía del enlace C=C en el eteno.
Entalpía normal de la reacción: eteno (g) con hidrógeno (g) para dar etano (g), ΔHr0 = -137 kJ/mol.
Energías de enlace: ΔH0 (C–C): 346 kJ/mol, ΔH0 (H–H): 391 kJ/mol y ΔH0 (C–H): 413 kJ/mol.
2. Se introducen 0,100 g de propano gas en un recipiente de 1,00 dm3, que contiene aire (21% en volumen
de oxígeno y el resto nitrógeno) a 25 0C y 96,0 kPa. Se produce la combustión del propano y se deja en­
friar hasta que la temperatura final sea igual a la inicial y el agua quede en estado líquido. Averigua cuál
es el reactivo limitante y calcula:
a) El calor que hubiese desprendido la reacción si hubiese ocurrido a presión constante.
b) La presión final en el interior del recipiente cerrado.
DATOS: R = 0,08204 atm·L·mol-1K-1 = 8,314 J·mol-1K-1;
1 atm = 760,0 mmHg = 101 325 Pa
Entalpías estándar de formación (kJ/mol): propano (g): -103,8; dióxido de carbono: -393,5; agua (l): -285,8
Teoría
[2 PUNTOS]
3. Explica qué son una compresión adiabática y una expansión isoterma, y predí los signos de W, ΔU y Q en
cada caso.
Laboratorio
[2 PUNTOS]
4. Se pesan 2,25 g de hidróxido de sodio del 96% y se echan en un calorímetro cuyo equivalente en agua es
de 43 g, que contiene 450 mL de agua a 14,6 0C. La temperatura final del agua es de 15,7 0C. Calcula el calor
de disolución del hidróxido de sodio en agua (a P y T del laboratorio). ¿Qué precauciones hay que seguir al
pesar el hidróxido de sodio? Nombra todo el material que usarías en la pesada.
Soluciones
1. Calcula la energía del enlace C=C en el eteno.
Entalpía normal de la reacción: eteno (g) con hidrógeno (g) para dar etano (g), ΔHr0 = -137 kJ/mol.
Energías de enlace: ΔH0 (C–C): 346 kJ/mol, ΔH0 (H–H): 391 kJ/mol y ΔH0 (C–H): 413 kJ/mol. ▲
Solución:
La reacción es:
CH2 = CH2 + H2 → CH3 – CH3
Desarrollando las fórmulas, queda:
H
H
C
H
C
H
+
H H
H H
H C C H
H H
La entalpía de la reacción será la energía de los enlaces que se rompen menos la energía de los que se forman.
ΔHr0 = (ΔH0 (C=C) + 4 ΔH0 (H–H) + ΔH0 (H–H) ) – (ΔH0 (C–C) + 6 ΔH0 (C–H) )
-137 = (ΔH0 (C=C) + 4 · 413 + 391) – (346 + 6 · 413)
ΔH0 (C=C) = 644 kJ/mol
2. Se introducen 0,100 g de propano gas en un recipiente de 1,00 dm3, que contiene aire (21% en volumen de
oxígeno y el resto nitrógeno) a 25 0C y 96,0 kPa. Se produce la combustión del propano y se deja enfriar
hasta que la temperatura final sea igual a la inicial y el agua quede en estado líquido. Averigua cuál es el reac­
tivo limitante y calcula:
a) El calor que hubiese desprendido la reacción si hubiese ocurrido a presión constante.
b) La presión final en el interior del recipiente cerrado. ▲
DATOS: R = 0,08204 atm·L·mol-1K-1 = 8,314 J·mol-1K-1;
1 atm = 760,0 mmHg = 101 325 Pa
Entalpías estándar de formación (kJ/mol): propano (g): -103,8; dióxido de carbono: -393,5; agua (l): -285,8
Solución:
La reacción de combustión ajustada es:
C3H8 (g) + 5 O2 (g) → 3 CO2 (g) + 4 H2O (l)
Las cantidades de reactivos iniciales son:
n0 (C3H8) = 0,100 g C3H8 · 1 mol / 44,1 = 2,27×10-3 mol C3H8
V0 (O2) = 1,00 dm3 aire · 21 dm3 O2 / 100 dm3 aire = 0,21 dm3 = 2,1×10-4 m3 O2
Suponiendo comportamiento ideal para todos los gases: P V = n R T
n0 (O2) = 96,0×103 [Pa] · 2,1×10-4 [m3] O2 / (8,314 [J·mol-1K-1] · (273 + 25) [K] ) = 8,14×10-3 mol O2
Se supone, en principio que el propano es el reactivo limitante. Necesitaría de oxígeno:
nn (O2) = 2,27×10-3 mol C3H8 · 5 mol O2 / mol C3H8 = 11,4 ×10-3 mol O2 que es más que lo que hay de O2.
Por tanto el reactivo limitante es el oxígeno y las cantidad de propano que reacciona es:
nn (C3H8) = 8,14×10-3 mol O2 · 1 mol C3H8 / 5 mol O2 = 1,63 ×10-3 mol C3H8
La entalpía de la combustión se puede calcular por la ley de Hess.
ΔH0 = ΔH0productos – ΔH reactivos = 3 ΔH0 (CO2) + 4 ΔH0 (H2O (l) ) – [ ΔH0 (C3H8) + 5 ΔH0 (O2) ] =
= 3 (-393,5) + 4 (-285,8)) – [ (-103,8) + 5 · 0] = -2 220 kJ/mol C3H8
La variación de entalpía equivale al calor a presión constante.
Como la cantidad de propano que reaccionó fue 1,63 ×10-3 mol C3H8 , el calor desprendido hubiese sido:
Q = 1,63 ×10-3 mol C3H8 · (-2 220 kJ/mol C3H8) = -3,61 kJ
Se hubiesen desprendido 3,61 kJ.
b) La reacción de combustión ajustada es:
C3H8 (g) + 5 O2 (g) → 3 CO2 (g) + 4 H2O (l)
Las cantidades de reactivos iniciales son:
n0 (C3H8) = 0,100 g C3H8 · 1 mol / 44,1 = 2,27×10-3 mol C3H8
V0 (O2) = 1,00 dm3 aire · 21 dm3 O2 / 100 dm3 aire = 0,21 dm3 = 2,1×10-4 m3 O2
Suponiendo comportamiento ideal para todos los gases: P V = n R T
n0 (O2) = 96,0×103 [Pa] · 2,1×10-4 [m3] O2 / (8,314 [J·mol-1K-1] · (273 + 25) [K] ) = 8,14×10-3 mol O2
Se supone, en principio que el propano es el reactivo limitante. Necesitaría de oxígeno:
nn (O2) = 2,27×10-3 mol C3H8 · 5 mol O2 / mol C3H8 = 11,4 ×10-3 mol O2 que es más que lo que hay de O2.
Por tanto el reactivo limitante es el oxígeno y las cantidades estequiométricas serán:
Cantidad (×10-3 mol) C3H8 5 O2 → 3 CO2 4 H2O
Inicial
2,27
8,14
0
0
Reacciona
1,63
8,14
4,88
6,51
Final
0,65
0
4,88
6,51
Al final habrá en fase gas 4,88×10-3 mol de CO2 , 6,5×10-4 mol de C3H8 (sobrante) y el nitrógeno que había
inicialmente, que era:
V0 (N2) = 1,00 dm3 aire – 0,21 dm3 O2 = 0,79 dm3 = 7,9×10-4 m3 N2
n0 (N2) = 96,0×103 [Pa] · 7,9×10-4 [m3] O2 / (8,314 [J·mol-1K-1] · (273 + 25) [K] ) = 3,06×10-2 mol N2
nT (g) = 4,88×10-3 mol CO2 + 6,5×10-4 mol C3H8 + 3,06×10-2 mol N2 = 0,0361 mol gas
La presión final vendrá dada por la ecuación de los gases ideales.
PT = nT R T / V = 0,0361 [mol] · 8,314 [J·mol-1K-1] · (273 + 25) [K] / 1,00 ×10-3 [m3] = 8,95×104 Pa
= 89,5 kPa = 0,88 atm.
3. Explica qué son una compresión adiabática y una expansión isoterma, y predí los signos de W, ΔU y Q en
cada caso. ▲
Solución:
Un proceso adiabático es aquél que se produce sin intercambio de calor.
Una compresión es un proceso en el que el volumen disminuye. ∆V < 0.
W = –pext ∆V > 0
Q = 0 por ser adiabático..
Por el primer principio de la termodinámica, ∆U = Q + W = W > 0, y la temperatura del sistema aumentará.
Un proceso isotermo es aquél en el que la temperatura no varía.
Una expansión es un proceso en el que el volumen aumenta. ∆V > 0.
W = –pext ∆V < 0.
∆U = 0 por ser isotermo. (La temperatura es una medida de la energía interna)
Por el primer principio de la termodinámica, ∆U = Q + W = 0, ⇒ Q = -W > 0, y gana calor.
4. Se pesan 2,25 g de hidróxido de sodio del 96% y se echan en un calorímetro cuyo equivalente en agua es
de 43 g, que contiene 450 mL de agua a 14,6 0C. La temperatura final del agua es de 15,7 0C. Calcula el calor
de disolución del hidróxido de sodio en agua (a P y T del laboratorio). ¿Qué precauciones hay que seguir al
pesar el hidróxido de sodio? Nombra todo el material que usarías en la pesada. ▲
Solución:
Al ser el calorímetro un sistema aislado, el proceso es adiabático, y
Q (cedido en la disolución) + QD (ganado por la disolución) + QC (ganado por el calorímetro) = 0
El calor QD ganado por la disolución es aproximadamente igual al ganado por el agua:
QD = m(agua) · ce (agua) Δt = 0,450 [kg] · 4 180 [J/kg·K] ·(15,7 – 14,6) K = 2,07×103 J
El calor QC ganado por el calorímetro se calcular a partir del equivalente en agua del calorímetro.
QC = m(equivalente en agua) · ce (agua) Δt = 0,043 [kg] · 4 180 [J/kg·K] ·(15,7 – 14,6) K = 1,9×102 J
Q (cedido en la disolución) = -2,27 ×103 J
La masa de NaOH puro que se ha disuelto es:
m=2,25 g hidróxido
96 g NaOH
= 2,16 g NaOH puro
100 g hidróxido
Como ocurre a presión constante, Q = QP = ΔH
−2,27×103 J 1 kJ 40,0 g NaOH
ΔHd0 =
= –42,0 kJ / mol NaOH
2,16 g NaOH 10 3 J 1 mol NaOH
Con las aproximaciones tomadas, deberíamos reducir el número de cifras significativas.
ΔHd0 = –42 kJ / mol NaOH
El hidróxido de sodio es cáustico: produce quemaduras si toca la piel. No debe tocarse.
Se tara un vidrio de reloj, y, con una espátula, se echan las lentejas de NaOH.
Se tapa el recipiente que contenía el hidróxido de sodio para evitar la hidratación y carbonatación.