termoquímica.

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TERMOQUÍMICA.
SISTEMAS
Es una parte pequeña del universo que se aísla para someterla a estudio.
El resto se denomina ENTORNO.
Pueden ser:
• Abiertos (intercambia materia y energía con el entorno).
• Cerrados (no intercambia materia y sí energía).
• Aislados (no intercambia ni materia ni energía).
En las reacciones químicas:
SISTEMAS = Conjunto de Sustancias químicas (reactivos y productos)
DEFINICIÓN DE TERMOQUÍMICA.
Es la parte de la Química que se encarga del estudio del intercambio energético de
un sistema químico con el exterior.
Hay sistemas químicos que evolucionan de reactivos a productos desprendiendo
energía. Son las reacciones exotérmicas.
Otros sistemas químicos evolucionan de reactivos a productos precisando energía.
Son las reacciones endotérmicas.
VARIABLES DE ESTADO
Son magnitudes que pueden variar a lo largo de un proceso (por ejemplo, en el
transcurso de una reacción química)
Ejemplos:
•
•
•
•
Presión.
Temperatura.
Volumen.
Concentración.
FUNCIONES DE ESTADO
Son variables de estado que tienen un valor único para cada estado del sistema.
Su variación sólo depende del estado inicial y final y no del camino desarrollado.
Son funciones de estado: Presión, temperatura, energía interna, entalpía.
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NO lo son: calor, trabajo.
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
ENERGÍA INTERNA (U): Es la energía total del sistema, suma de energías cinéticas
de vibración, etc, de todas las moléculas.
• Es imposible medirla.
• En cambio, sí se puede medir su variación.
∆U = Q + W
Actualmente, se sigue el criterio de que toda energía aportada al sistema (desde el
entorno) se considera positiva, mientras que la extraída del sistema (al entorno) se considera negativa.
Así, Q y W > 0 si se realizan a favor del sistema.
U es función de estado.
CALOR A VOLUMEN CONSTANTE (QV)
Es el intercambio de energía en un recipiente cerrado que no cambia de volumen.
Si V = constante, es decir, ∆V = 0 ⇒ W = 0 ⇒
Qv = ∆U
CALOR A PRESIÓN CONSTANTE (QP)
La mayoría de los procesos químicos ocurren a presión constante, normalmente la
atmosférica.
En este caso, como p = cte, se cumple que W = – p · ∆V (el signo negativo se debe
al criterio de signos adoptado). Si ∆V > 0 el sistema realiza un trabajo hacia el entorno y
en consecuencia pierde energía.
∆U = Qp – p x ∆ V ⇒ U2 – U1 = Qp – p
x
(V2 – V1)
Qp + U1 + p x V 1 = U2 + p x V2
Llamaremos entalpía “H” a “U + p x V” de manera que:
H1 = U1 + p x V 1
H2 = U2 + p x V2
Con lo que queda:
Qp + H1 = H2 ⇒
QP = H2 − H1 = ∆H
H es una función de estado.
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Entalpia (H)
Entalpia (H)
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Reac. endotérmica
Productos
∆H > 0
Reac. exotérmica
Reactivos
∆H < 0
Productos
Reactivos
ENTALPÍA ESTÁNDAR DE LA REACCIÓN
Se llama entalpía de reacción al incremento entálpico de una reacción en la cual,
tanto reactivos como productos están en condiciones estándar
(p = 1 atm; T = 298 K = 25 ºC; concentración de sustancias disueltas = 1 M).
Se expresa como ∆H0 y como se mide en J o kJ depende de cómo se ajuste la reacción.
0
0
∆H0 = H productos
− Hreactivos
Ecuaciones termoquímicas
Expresan tanto los reactivos como los productos indicando entre paréntesis su estado físico, y a continuación la variación energética expresada como ∆H (habitualmente como ∆H0).
Ejemplos:
CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l);
H2(g) + ½ O 2(g) → H2O(g);
∆H0 = –890 kJ
∆H0 = –241,4 kJ
¡CUIDADO!: ∆H depende del número de moles que se forman o producen. Por tanto, si se ajusta poniendo coeficientes dobles, habrá que multiplicar ∆H0 por 2:
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g)
∆H0 = 2 x (–241,4 kJ)
Con frecuencia, suelen usarse coeficientes fraccionarios para ajustar las
ecuaciones:
H2(g) + ½ O 2(g) → H2O(g) ;
∆H0 = –241,4 kJ
ENTALPÍA ESTÁNDAR DE FORMACIÓN (CALOR DE FORMACIÓN).
Es el incremento entálpico (∆H) que se produce en la reacción de formación de un
mol de un determinado compuesto a partir de los elementos en el estado físico normal
(en condiciones estándar).
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Se expresa como ∆Hf0. Se trata de un “calor molar”, es decir, el cociente entre ∆H0 y
el número de moles formados de producto. Por tanto, se mide en kJ/mol.
Ejemplos:
C(s) + O2(g) → CO2(g)
H2(g) + ½ O 2(g) → H2O(l)
∆Hf0 = – 393,13 kJ/mol
∆Hf0 = – 285,8 kJ/mol
LEY DE HESS.
"∆
∆H” en una reacción química es constante con independencia de que la reacción se produzca en una o más etapas.
Recuerda que H es función de estado. Por tanto, si una ecuación química se puede
expresar como combinación lineal de otras, podremos igualmente calcular ∆H de la reacción global combinando los ∆H de cada una de las reacciones.
Ejemplo:
Dadas las reacciones:
(1) H2(g) + ½ O 2(g) → H2O(g) ∆H10 = –241,8 kJ
(2) H2(g) + ½ O 2(g) → H2O(l) ∆H20 = –285,8 kJ
calcular la entalpía de vaporización del agua en condiciones estándar.
La reacción de vaporización es:
(3) H2O(l) → H2O(g) ∆H03 = ?
H2(g) + ½ O 2(g)
H
(3) puede expresarse como (1)–(2),⇒
⇒
0
0
0
∆H3 = ∆H1 − ∆H 2 =
−241,8 kJ − ( −285,8 kJ ) = 44 kJ
∆H10 = – 241’8 kJ
∆H20 = – 285’8 kJ H2O(g)
0
−1
∆Hvaporización
(agua) = 44 kJ × mol
puesto que hay que dividir ∆H0 entre en
número de moles de agua vaporizados.
∆H30 = 44 kJ
H2O(l)
Esquema de la ley de Hess
Ejemplo:
Calcula la entalpía estándar de formación de la hidracina líquida, N2H4, a partir de las siguientes reacciones:
❶ 2 NH3 (g) + 3 N2O (g) → 4 N2 (g) + 3 H2O (l);
❷ N2O (g) + 3 H2 (g) → N2H4 (l) + H2O (l)
;
❸ H2 (g) + ½ O 2 (g) → H2O (l);
❹ 2 NH3 (g) + ½ O 2 (g) → N2H4 (l) + H2O (l);
∆H0 (kJ/mol): ❶ –1010; ❷ –317; ❸ –285; ❹ –143.
Reacción de formación: N2 (g) + 2 H2 (g) → N2H4 (l)
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El N2 (g) sólo se encuentra en la reacción ❶ y aparecen 4 moles por lo podríamos
empezar con – ¼❶, o bien, obtener 4 moles de N2H4 (l) para evitar poner denominadores,
que es lo que vamos a hacer: 4 N2 (g) + 8 H2 (g) → 4 N2H4 (l).
Así, sólo será necesario escribir –❶: 4 N2 (g) + 3 H2O (l) → 2 NH3 (g) + 3 N2O (g)
Como el H2 (g) aparece en las ecuaciones ❷ y ❸, y la N2H4 (l) aparece en las ecuaciones ❷ y ❹, es posible que se utilicen diferentes proporciones de una u otra, por lo que
procederemos a eliminar las sustancias que no aparecen en la ecuación final: H2O (l),
NH3 (g) y N2O (g). Como el H2O (l) aparece en las ecuaciones ❷, ❸ y ❹, la dejaremos para el final.
Para eliminar los 2 moles de NH3 (g) sumaremos la ecuación ❹:
– ❶ + ❹: 4 N2(g) + 3 H2O(l) + 2 NH3(g) + ½ O 2(g) →
2 NH3(g) + 3 N2O(g) + N2H4(l) + H2O(l);
Para eliminar los 3 moles de N2O(g) sumaremos tres veces la ecuación ❷:
– ❶ + ❹ + 3 ❷ : 4 N2(g) + 3 H2O(l) + ½ O 2(g) + 3 N2O(g) + 9 H2(g) →
3 N2O(g) + N2H4(l) + H2O(l) + 3 N2H4(l) + 3 H2O(l);
Con esto, eliminamos además 3 moles de H2O (l) y obtenemos ya los 4 moles de
N2H4(l). Bata ya restar la ecuación ❸ para eliminar el ½ mol O 2(g) y el H2O(l) restante,
ademas de ajustar el H2 (g).
– ❶ + ❹ + 3 ❷ – ❸ : 4 N2(g) + ½ O 2(g) + 9 H2(g) + H2O (l) →
4 N2H4(l) + H2O(l) + H2 (g) + ½ O 2 (g)
y eliminando 1 mol de H2 (g) quedaría la ecuación de formación buscada:
– ❶ + ❹ + 3 ❷ – ❸ : 4 N2 (g) + 8 H2 (g) → 4 N2H4 (l).
∆H0 = –(–1010 kJ) + 3 (–317 kJ) – (285 kJ) + (–143 kJ) = 201 kJ
Como se forma 1 mol de N2H4 (l) ⇒ ∆H0f = 50,25 kJ/mol
Ejercicio B:
Calcular la entalpía estándar de combustión del butano (entalpía molar) de la reacción
anterior, conocidas las entalpías estándar de formación del butano (C4H10), agua líquida y
CO2, cuyos valores son respectivamente -124,7, -285,8 y -393,5 kJ/mol.
Ejercicio C:
Determinar ∆Hf0 del eteno (C2H4) a partir de los calores de reacción de las siguientes reacciones químicas:
∆H10 = –285,8 kJ
(1) H2(g) + ½ O 2(g) → H2O(l)
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(2) C(s) + O2(g) → CO2(g)
(3) C2H4(g) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 2 H2O(l)
∆H20 = –393,13 kJ
∆H30 = –1422 kJ 
Ejercicio D:
Las entalpías de combustión de la glucosa (C6H12O6) y del etanol (C2H5OH) son –2815
kJ/mol y –1372 kJ/mol, respectivamente. Con estos datos determina la energía intercambiada en la fermentación de un mol de glucosa, reacción en la que se produce etanol y
CO2. ¿Es exotérmica la reacción? 
CÁLCULO DE ∆H0 (CALOR DE REACCIÓN) A PARTIR DE ∆H0f.
Aplicando la ley de Hess que veremos después podremos demostrar que:
∆H 0 = Σ np × ∆Hf0 (productos) − Σ nr × ∆Hf0 (reactivos)
Recuerda que ∆Hf0 de todos los elementos en estado original es 0.
Ejemplo:
Conocidas las entalpías estándar de formación del butano (C4H10), agua líquida y CO2,
cuyos valores son respectivamente -124,7, -285,8 y -393,5 kJ/mol, calcular la entalpía
estándar de combustión del butano (entalpía molar).
La reacción de combustión del butano es:
C4H10(g) +13/2O2(g) → 4 CO2(g) + 5H2O(l) ; ∆H
∆ 0= ?
∆H0 = Σ np∆Hf0(productos) – Σ nr∆Hf0(reactivos) =
4 mol(–393,5 kJ/mol) + 5 mol(–285,8 kJ/mol) –1 mol(–24,7 kJ/mol) = –2878,3 kJ
0
−1
Luego la entalpía estándar de combustión será: ∆Hcombustión = −2878,3 kJ × mol
puesto que hay que dividir ∆H0 entre en número de moles de butano quemados.
ENERGÍA DE ENLACE.
“Es la energía necesaria para romper un mol de un enlace de una sustancia en
estado gaseoso”.
En el caso de moléculas diatómicas con un solo enlace, se corresponde con la
energía necesaria para disociar 1 mol de dicha sustancia en los átomos que la constituyen.
Para moléculas poliatómicas, la energía de enlace se toma como el valor medio necesario para romper cada uno de los enlaces iguales. Así por ejemplo, se sabe que para
romper el primer enlace H–O del H2O se precisan 495 kJ/mol mientras que sólo se preci-
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san 425 kJ/mol para romper el segundo, por lo que se suele tomar el valor medio (460
kJ/mol) como energía del enlace H–O.
A—B(g) → A(g) + B(g) ; ∆H = Eenlace= Ee
Ejemplo:
H2(g) → 2 H(g) ; ∆H
∆ = 436 kJ
Enlace Ee (kJ/mol)
H–H
436
C–C
347
C=C
620
812
C≡
≡C
O=O
499
Ejemplo de cálculo de energías de enlace.
Cl–C
243
Calcular la energía del enlace H-Cl en el cloruro de hidrógeno coC–H
413
nociendo ∆Hf0(HCl) cuyo valor es –92,3 kJ/mol y las entalpías de
C–O
315
disociación (energías de enlace) del H2 y del Cl2 de la tabla adjunC=O
745
ta.
O–H
460
Cl–H
432
La reacción de disociación del HCl será:
Cl–Cl
243
•
•
•
•
Es positiva (es necesario a portar energía al sistema)
Es una entalpía molar que se mide en kJ/mol.
Es difícil de medir.
Se suele calcular aplicando la ley de Hess.
(4) HCl(g) → H(g) + Cl(g)
∆H0 = ?
(1) ½ H 2(g) + ½ Cl 2(g) → HCl(g) ∆Hf0(HCl) = –92,3 kJ
(2) H2(g) → 2H(g)
Ee(H2) = 436,0 kJ
(3) Cl2(g) → 2Cl(g)
Ee (Cl2) = 243,4 kJ
(4) = –(1) + ½ (2) + ½ (3)
∆H0 = – (–92,3 kJ ) + ½ x(436,0 kJ) + ½ x (243,4 kJ) = 432,0 kJ
E e (HCl) = 432,0 kJ × mol −1
puesto que en la reacción (4) se disocia un mol de enlaces H–Cl.
CÁLCULO DE ∆H0 A PARTIR DE LAS ENERGÍA DE ENLACE.
Aplicando la ley de Hess también puede obtenerse la energía de una reacción si sabemos qué enlaces se tienen que romper y cuáles se tienen que formar. Para ello utilizaremos la siguiente expresión:
∆H 0 = Σ ni × Ee (enl, rotos) − Σ ni × Ee (enl. formados)
en donde ni representa el número de enlaces rotos y formados de cada tipo.
Ejemplo:
Partiendo de los datos de la tabla, calcular el valor de ∆H0 de la reacción de hidrogenación
del eteno.
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La reacción es: CH2=CH2(g) + H2(g) → CH3–CH3(g)
Respuesta
En el proceso se rompe un enlace C=C y otro H–H y se forman 2 enlaces C–H nuevos (el etano tiene 6 mientras que el eteno tenía sólo 4) y un enlace C–C.
∆H0 = Σ Ee(enl. rotos) – Σ Ee(enl. formados) =
1xEe(C=C) + 1xEe(H–H) – 1xEe(C–C) – 2xEe(C–H)
1 mol · 611 kJ/mol + 1mol x 436 kJ/mol
– (1 mol x 347 kJ/mol – 2 mol x 413 kJ/mol) = –126 kJ
0
−1
∆Hhidrog
(eteno) = −126 kJ × mol
___________________________________________________________________
Durante la combustión de 1 mol de átomos de azufre en condiciones estándar se
desprenden 296,8 kJ y durante la combustión de 1 mol de sulfuro de hidrógeno 560
kJ. Con estos datos determina la variación de entalpía que se produce en el proceso:
2 H2S (g) + SO2 (g) → 2 H2O (l) + 3 S (s).
Respuesta
(1) S (s) + O2 (g) → SO2 (g) ; ∆H = –296,9 kJ
(2) H2S (g) + 3/2 O2 (g) → SO2 (g) + H2O (l) ;
∆H = –560 kJ
La reacción: 2 H2S (g) + SO2 (g) → 2 H2O (l) + 3 S (s)
puede considerarse como: 2·(2) – 3·(1)
por lo que:
∆H = 2·(–560 kJ) – 3·(–296,9 kJ) = –229,3 kJ
Calcula el calor de formación del ácido metanoico (HCOOH), a partir de los siguientes calores de reacción:
C (s) + ½ O 2 (g) → CO (g); ∆H = –110,4 kJ
H2 (g) + ½ O 2 (g) → H2O (l); ∆H = –285,5 kJ
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CO (g) + ½ O 2 (g) → CO2 (g); ∆H = –283,0 kJ
HCOOH(l) + ½O 2 (g) → H2O(l) + CO2(g); ∆H = –259,6 kJ
Respuesta
(1) C (s) + ½ O 2 (g) → CO (g) ; ∆H = –110,4 kJ
(2) H2 (g) + ½ O 2 (g) → H2O (l) ; ∆H = –285,5 kJ
(3) CO (g) + ½ O 2 (g) → CO2 (g); ∆H = –283,0 kJ
(4) HCOOH(l) + ½ O 2 (g) → H2O(l) + CO2(g); ∆H = –259,6 kJ
La reacción de formación: C(s) + H2(g) + O2(g) → HCOOH(l) puede considerarse
como: (1) + (2) + (3) – (4)
∆H = –110,4 kJ + (–285,5 kJ) + (–283,0 kJ) – (–259,6 kJ)
∆Hf = –419,3 kJ/mol
___________________________________________________________________
a) Define la magnitud denominada energía de enlace. b) ¿Cuál es la unidad internacional en que se mide la energía de enlace? c) ¿Cómo se puede calcular la entalpía de una reacción determinada si disponemos de una tabla de valores de energía
de enlace?
a) “Es la energía necesaria para romper un enlace de un mol de sustancia en estado
gaseoso”.
b) El J/mol, aunque al tratarse de una unidad demasiado pequeña suele utilizarse su
múltiplo el kJ/mol.
c) ∆H0 = Σ Ee(enl. rotos) – Σ Ee(enl. formados)
Determina la entalpía normal de formación del metano, con lo siguientes datos:
∆H0sublimación [C(g)] =716,7 kJ/mol; Eenlace [H–H] = 436,4 kJ/mol; Eenlace [C–H] =
415,3 kJ/mol.
Energías medias de enlace (kJ/mol)
Enlace
Energía
Enlace
Energía
H–H
436
C=C
610
C–H
415
C=N
615
C–C
347
C–N
285
C–O
352
O=O
494
Respuesta
(1) C (s) → C (g) ;
∆Hsubl = 716,7 kJ
(2) CH4 (g) → C (g) + 4 H (g); 4·Eenlace[C–H] = 1661,2 kJ
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(3) H2 (g) → 2 H (g);
Eenlace[H–H] = 436,4 kJ
La reacción de formación: C (s) + 2 H2 (g) → CH4 (g)
puede considerarse como: (1) – (2) + 2·(3)
∆Hf = 716,7 kJ – 1661,2 kJ + 2·(436,4 kJ)
∆Hf = –71,7 kJ/mol
________________________________________________________________________
Calcula la entalpía de hidrogenación del etileno para formar etano, según la reacción:
CH2=CH2 + H2 → CH3–CH3 a partir de los datos de la tabla adjunta
Respuesta
CH2=CH2 + H2 → CH3–CH3
∆H0 = Σ Ee(enl. rotos) – Σ Ee(enl. formados) =
1·Ee(C=C) + 1·Ee(H–H) – 1·Ee(C–C) – 2·Ee(C–H) =
610 kJ + 436 kJ – 347 kJ – 2·415 kJ = –131 kJ
Para la fabricación industrial de ácido nítrico, la reacción de partida es la oxidación
del amoniaco:
4 NH3 (g) + 5 O2 (g) → 6 H2O (g) + 4 NO (g).
Calcular ∆H0reacción. Datos: ∆H0f (kJ/mol): NH3: –46,2; H2O: –241,8; NO: +90,4
Respuesta
∆H = Σ np·∆
∆Hf(prod) – Σ nr·∆
∆Hf(react) = 6·(–241,8 kJ) + 4·90,4 kJ – 4·(–46,2 kJ)
∆H = –904,4 kJ
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