6. termoquímica, raymond chang
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Raymond Chang capitulo 6TRANSCRIPT
TermoquímicaCapítulo 6
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Energía es la capacidad para efectuar un trabajo
• Energía térmica es la energía asociada con el movimiento aleatorio de átomos y moléculas.
• Energía química es la energía guardada dentro de los enlaces de sustancias químicas.
• Energía nuclear es la energía guardada dentro de la colección de neutrones y protones en el átomo.
• Energía eléctrica es la energía asociada con el flujo de electrones.
• Energía potencial es la energía disponible en función de la posición de un objeto.
6.1
Calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a temperaturas diferentes.
Cambios de energía en las reacciones químicas
Temperatura es una medida de energía térmica.
Temperatura = Energía térmica
900C400C
mayor energía térmica 6.2
Termoquímica es el estudio de los cambios de calor en las reacciones químicas.
El sistema es la parte específica del universo que es de interés en el estudio.
abierto
masa y energíaIntercambio :
cerrado
energía
aislado
nada
SISTEMAALREDEDORES
6.2
Vapor de agua
Calor Calor
Proceso exotérmico es cualquier proceso que cede calor, es decir, transfiere energía térmica hacia los alrededores.
Proceso endotérmico, en el cual los alrededores deben suministrar calor al sistema.
2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (l) + energía
H2O (g) H2O (l) + energía
energía + 2HgO (s) 2Hg (l) + O2 (g)
6.2
energía + H2O (s) H2O (l)
Entalpía (H) se usa para medir el calor absorbido o liberado por un sistema durante un proceso a presión constante.
H = H (productos) – H (reactivos)
H = calor emitido o absorbido durante una reacción a presión constante
Hproductos< Hreactivos
H < 0Hproductos > Hreactivos
H > 0 6.3
Endotérmico:calor absorbido por el sistema
de los alrededores
Exotérmico:calor liberado por el sistema
hacia los alrededores En
erg
ía
En
erg
ía
Ecuaciones termoquímicas
H2O (s) H2O (l) H = 6.01 kJ
¿Es H negativo o positivo?
El sistema absorbe calor
Endotérmico
H > 0
Cada fusión de 1 mol de hielo a 00C y 1 atm absorbe 6.01 kJ.
6.3
En
talp
ía
Calor absorbido
por el sistemade los alrededores
Ecuaciones termoquímicas
CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) H = -890.4 kJ
¿Es H negativo o positivo?
El sistema emite calor
Exotérmico
H < 0
La combustión de 1 mol de metano a 25°C y 1 atm provoca una disminución en la entalpía del sistema de 890.4 kJ.
6.3
En
talp
ía
Calor liberado
por el sistemahacia los alrededores
H2O (s) H2O (l) H = 6.01 kJ
• Los coeficientes estequiométricos siempre se refieren al número de moles de una sustancia
Ecuaciones termoquímicas
• Si invierte una reacción, el signo de H cambia
H2O (l) H2O (s) H = -6.01 kJ
• Si multiplica ambos lados de la ecuación por un factor n, entonces H debe cambiar por el mismo factor n.
2H2O (s) 2H2O (l) H = 2 x 6.01 = 12.0 kJ
6.3
H2O (s) H2O (l) H = 6.01 kJ
• Los estados físicos de todos los reactivos y productos se deben especificar en las ecuaciones termoquímicas.
Ecuaciones termoquímicas
6.3
H2O (l) H2O (g) H = 44.0 kJ
¿Cuánto calor se libera cuando 266 g de fósforo blanco (P4) se queman en el aire?
P4 (s) + 5O2 (g) P4O10 (s) H = -3013 kJ
266 g P4
1 mol P4
123.9 g P4
x3013 kJ1 mol P4
x = 6470 kJ
El calor específico (s) de una sustancia es la cantidad de calor (q) requerida para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia.
La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de calor (q) requerida para elevar un grado Celsius la temperatura de una determinada cantidad (m) de la sustancia.
C = ms
Calor (q) absorbido o liberado:
q = mst
q = Ct
t = tfinal - tinicial
6.4
¿Cuánto calor se emite cuándo una barra de hierro de 869 g se enfría de 94°C a 5°C?
s de Fe = 0.444 J/g • 0C
t = tfinal – tinicial = 50C – 940C = -890C
q = mst = 869 g x 0.444 J/g • 0C x –890C = -34,000 J
6.4
Calorimetría a volumen constante
¡Ningún calor entra o sale!
qsis = qagua + qbomba +qreacción
qsis = 0
qreac = - (qagua + qbomba )
qagua = mst
qbomba = Cbombat
6.4
Reacción a V constante
H ~ qreacción
H = qreacción
Recipiente
para la muestra
Bomba
Entrada para el O2
Agua
Chaqueta aislante
Cubierta del calorímetro
AgitadorAlambre de ignición
Termómetro
Constant-Pressure Calorimetry
¡Ningún calor entra o sale!
qsys = qwater + qcal + qrxn
qsys = 0
qrxn = - (qwater + qcal)
qwater = mst
qcal = Ccalt
6.4
Reacción a P constanteH = qrxn
Calorimetría a presión constante
Termómetro
Mezcla de reacción
AgitadorVasos de poliestireno
6.4
¿Por qué no hay manera de medir el valor absoluto de la entalpía de una sustancia, debo medir el cambio de entalpía para cada reacción de interés?
Establezca una escala arbitraria con la entalpía estándar de formación (H0) como un punto de referencia para todas las expresiones de entalpía.
f
La entalpía estándar de formación (H0) es el cambio de calor que resulta cuando un mol de un compuesto se forma de sus elementos a una presión de 1 atm.
f
La entalpía estándar de formación de cualquier elemento en su forma más estable es cero.
H0 (O2) = 0f
H0 (O3) = 142 kJ/molf
H0 (C, grafito) = 0f
H0 (C, diamante) = 1.90 kJ/molf6.5
6.5
La entalpía estándar de reacción (H0 ) es la entalpía de una reacción llevada a cabo a 1 atm.
reacción
aA + bB cC + dD
H0rxn dH0 (D)fcH0 (C)f= [ + ] - bH0 (B)faH0 (A)f[ + ]
H0rxn nH0 (productos )f= mH0 (reactivos)f-
6.5
Ley de Hess: Cuando los reactivos se convierten en productos, el cambio en entalpía es el mismo independientemente si la reacción tiene lugar en un paso o en una serie de pasos .
(La entalpía es una función de estado. No le importa cómo llega allí, sólo dónde empieza y termina.)
Calcule la entalpía estándar de formación de CS2 (l) teniendo que: C(grafito) + O2 (g) CO2 (g) H0 = -393.5 kJ
reacción
S(rómbico) + O2 (g) SO2 (g) H0 = -296.1 kJreacción
CS2(l) + 3O2 (g) CO2 (g) + 2SO2 (g) H0 = -1072 kJrxn
1. Escriba la reacción de la entalpía de formación para CS2
C(grafito) + 2S(rómbico) CS2 (l)
2. Agregue las reacciones para que el resultado sea la reacción deseada.
rxnC(grafito) + O2 (g) CO2 (g) H0 = -393.5 kJ
2S(rómbico) + 2O2 (g) 2SO2 (g) H0 = -296.1x2 kJreacción
CO2(g) + 2SO2 (g) CS2 (l) + 3O2 (g) H0 = +1072 kJreacción
+
C(grafito) + 2S(rómbico) CS2 (l)
H0 = -393.5 + (2x-296.1) + 1072 = 86.3 kJreacción6.5
El benceno (C6H6) se quema en el aire para producir dióxido de carbono y líquido de agua. ¿Cuánto calor se libera por mol de combustión de benceno? La entalpía estándar de formación del benceno es 49.04 kJ/mol.
2C6H6 (l) + 15O2 (g) 12CO2 (g) + 6H2O (l)
H0reacción
nH0 (productos)f= mH0 (reactivos)f-
H0reacción
6H0 (H2O)f12H0 (CO2)f= [ + ] - 2H0 (C6H6)f[ ]
H0reacción= [ 12x–393.5 + 6x–187.6 ] – [ 2x49.04 ] = -5946 kJ
-5946 kJ2 mol
= - 2973 kJ/mol C6H6
6.5
La entalpía de disolución (Hsolución) es el calor generado o absorbido cuando cierta cantidad de soluto se diluye en cierta cantidad de disolvente.
Hsolución = Hsolución - Hcomponentes
6.6
¿Qué sustancia(s) podría usarse para la fundición del hielo?
¿Qué sustancia(s) podría usarse para un paquete frío?
El proceso de disolución para el NaCl
Hsolución = Paso 1 + Paso 2 = 788 – 784 = 4 kJ/mol 6.6
Iones Na+ y Cl- en estado gaseosoCalor de hidratación
Energía
retic
ular
Paso 1
Paso 2
Calor de disolución
Iones Na+ y Cl- en estado sólido
Iones Na+ y Cl- hidratados
Termodinámica
Las funciones de estado son propiedades determinadas por el estado del sistema, independientemente de cómo esa condición se haya alcanzado .
La energía potencial del excursionista 1 y excursionista 2 es la misma aunque ellos tomaron caminos diferentes.
energía, presión, volumen y temperatura
6.7
Termodinámica
6.7
E = q + w
E es el cambio en la energía interna de un sistema
q es el intercambio de calor entre el sistema y los alrededores
w es el trabajo realizado sobre (o por) el sistema
w = -PV cuando un gas se expande contra una presión externa constante
Entalpía y la primera ley de la termodinámica
6.7
E = q + w
A presión constante, q = H y w = -PV
E = H - PV
H = E + PV
Aire+vapor de agua
Aire+vapor de agua+gas H2