Capítulo 6: Termoquímica

Capítulo 6: Termoquímica
Dr. Alberto Santana
Universidad de Puerto Rico
Recinto Universitario de Mayagüez
Departamento de Quı́mica
Dr. Alberto Santana, Quı́mica 3041, Cap. 6: Termoquı́mica – p. 1/21
Introducción
Las rxns. químicas envuelven la TRANSFERENCIA de calor.
Ej: En una rxn de combustión se libera calor (energía en forma de
calor). Esta energía se puede usar para hacer trabajo como mover un
pistón... el resto es historia.
Termodinámica: estudio del calor y el trabajo.
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Tipos de energía
Energía cinética: se relaciona al movimiento. E = 12 mv 2
1. Energía térmica: toda la materia la posee
2. Energía mecánica
3. Energía eléctrica
Energía potencial: se debe a la posición de un objeto. Se le llama
energía almacenada. E = mgh
1. Energía potencial química: atracción entre e− y núcleos
2. Energía gravitacional
3. Energía electrostática: atracción entre iones positivos y
negativos
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Conceptos importantes
Calor y temperatura: no son la misma cosa. A
mayor energía térmica, mayor será el movimiento
atómico o molecular.
Sistema y sus alrededores
Direccionalidad del flujo de calor (equilibrio
térmico)
Proceso exotérmico
Proceso endotérmico
Unidad de energía: el joule (J). Anteriormente se
usaba la caloría, 1 cal = 4.184 J (exacto).
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Ejercicio 6.1
Un electrón (masa = 9.11 × 10−31 kg) viaja a una
velocidad de 5.0 × 106 m/s. ¿Cuál es la energía cinética
del electrón en J y en cal?
E = 12 mv 2
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Solución Ejercicio 6.1
Un electrón (masa = 9.11 × 10−31 kg) viaja a una
velocidad de 5.0 × 106 m/s. ¿Cuál es la energía cinética
del electrón en J y cal?
1 2
E = mv
2
1
= (9.11 × 10−31 kg)(5.0 × 106 m/s)2
2
=1.1 × 10−17 J = 2.7 × 10−18 cal
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Primera Ley de la Termodinámica
Ley de conservación de la energía.
La energía total del universo es constante.
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Calor de reacción
Tipo de rxn Efecto
signo de q
endotérmica envase se enfría
+
exotérmica envase se calienta
-
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Entalpía y cambios en la entalpía
Usualmente las rxns ocurren bajo condiciones
controladas. Lo más común es tener P constante,
hablamos de qp.
Se define el cambio en entalpía, ∆H: función de
estado que se usa para determinar el calor transferido
durante una rxn. La entalpía es una propiedad
extensiva (depende la cantidad de sustancia).
Puedo definir ∆H = Hprod − Hreact = qp .
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Ejercicio 6.2
El amoniaco se quema en presencia de un catalizador de
Pt:
Pt
4NH3 (g) + 5O2 (g) → 4NO(g) + 6H2 O(ℓ)
La rxn produce 1170 kJ de calor. Decida si la rxn es
exotérmica o endotérmica. ¿Cuál es el valor de q?
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Ecuaciones termoquímicas y estequiometría
Pt
4NH3 (g) + 5O2 (g) → 4NO(g) + 6H2 O(ℓ), ∆H = −1170 kJ
Pt
4NO(g) + 6H2 O(ℓ) → 4NH3 (g) + 5O2 (g), ∆H = 1170 kJ
5
Pt
2NO(g) + 3H2 O(ℓ) → 2NH3 (g) + O2 (g), ∆H = 585 kJ
2
Ejercicio 6.5: ¿Cuánto calor se genera de la reacción de
10.0 g de hidrazina?
2N2 H2 (ℓ) + N2 O4 (ℓ) → 3N2 (g) + 4H2 O(g), ∆H = −1049 kJ
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Calor específico y transferencia de calor
La cantidad de calor que se transfiere (q) durante un
proceso se define como:
q = s · m · ∆T
(1)
donde s es el calor específico g·J◦ C , m es la masa de la
muestra (g) y ∆T es el cambio en temperatura (◦ C) el
cual se calcula como Tf − Ti .
q = s · m · (Tf − Ti )
(2)
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Algunos valores de s
Compuesto
NH3 (ℓ)
H2 O(ℓ)
C2 H5 OH(ℓ)
H2 O(s)
Cu
Fe
Nombre s (J/g ·◦ C)
amoniaco
4.70
agua
4.184
etanol
2.44
agua
2.06
cobre
0.385
hierro
0.449
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Problema
Ejercicio 16: El calor específico del cobre es 0.385
J/g ·◦ C. ¿Qué cantidad de calor se necesita para
calentar 168 g de cobre desde -12.2 hasta 25.6◦ C?
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Ley de Hess
Puedo usar ecuaciones termoquímicas conocidas para
determinar el ∆H de otras que no conozca.
C(s) + 12 O2 (g) → CO(g)
∆H1 = −110.5 kJ
CO(g) + 12 O2 (g) → CO2 (g) ∆H2 = −283.0 kJ
C(s) + O2 (g) → CO2 (g)
∆H3 = ∆H1 + ∆H2
donde ∆H3 = −393.5 kJ
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Problema de Ley de Hess
Ejercicio 6.8: Manganeso metálico se puede preparar de
la rxn de dióxido de manganeso con aluminio.
4Al(s) + 3MnO2 (s) → 2Al2 O3 (s) + 3Mn(s)
Usando las siguientes ecuaciones termoquímicas,
determine el valor de ∆H para la rxn anterior.
2Al(s) + 32 O2 (g) → Al2 O3 (s) ∆H1 = −1676 kJ
Mn(s) + O2 (g) → MnO2 (s) ∆H2 = −520 kJ
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Soluciónal ejercicio 6.8
Meta: 4Al(s) + 3MnO2 (s) → 2Al2 O3 (s) + 3Mn(s)
Dado:
2Al(s) + 32 O2 (g) → Al2 O3 (s) ∆H1 = −1676 kJ (1)
Mn(s) + O2 (g) → MnO2 (s) ∆H2 = −520 kJ (2)
Multiplico (1) por 2; invierto (2) y la multiplico por 3.
2
4Al(s) + 3O
(g)
→ 2Al2 O3 (s)
∆H1 = 2 × (−1676) kJ
2
3MnO2 (s) → 3Mn(s) + 3O
(g)
∆H2 = 3 × (520) kJ
4Al(s) + 3MnO2 (s) → 2Al2 O3 (s) + 3Mn(s) ∆H3 = −1792 kJ
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Entalpía de formación estándar
Estado estándar: se refiere a las condiciones
termomdinámicas escogidas para comparar data
termodinámica. (1 atm de presión y usualmente
25◦ C de temperatura).
La entalpía es estas condiciones se llama, ∆H ◦ .
Estado (o forma) de referencia: la forma más estable
(estado físico y alótropo) de un elemento bajo
condiciones estándares.
Podemos hablar de entalpía de formación estándar,
∆Hf◦ (o calor de formación estándar): cambio en
entalpía para la formación de un mol de sustancia en
su estado estándar a partir de los elemento en sus
estados de referencia.
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◦
∆Hrxn
Convertir grafito en diamante:
C(grafito) → C(diamante),
◦
∆Hrxn
=?
◦
Defino ∆Hrxn
= Hf◦ (prod) − Hf◦ (react).
◦
∆Hrxn
= 1.897 kJ/mol − 0 = 1.897 kJ/mol
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Ejercicio 6.9
◦
Calcule el calor de vaporización, ∆Hvap
de agua.
H2 O(ℓ) → H2 O(g),
◦
∆Hvap
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Ejercicio adicional
◦
Calcule ∆Hrxn
para
1
C6 H6 (ℓ) + 7 O2 (g) → 6CO2 (g) + 3H2 O(ℓ)
2
∆Hf◦ [C6 H6 (ℓ)] = 48.95 kJ/mol.
Respuesta:
kJ
kJ
◦
∆Hrxn = 6
− 48.95 kJ
mol −393.5 + 3
mol −285.8 mol
mol
= −3267 kJ
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