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TERMODINÁMICAQUÍMICA Es la parte de la Química que estudia los intercambios energéticos que acompañan a los procesos físicos y químicos. 1° principio La energía se convierte, se almacena, no se crea ni se destruye luciérnaga E química mamífero E química E térmica E lumínica E cinética Er = Ep calor Flujo de energía entre el sistema el entorno Se produce por el movimiento vibratorio de las moléculas y se transfiere de un cuerpo a otro. Se representa con la letra Q. Unidades 1 J = 0,24 cal 1 cal = 4,16 J 1 Kcal = 1000 cal CALOR ESPECIFICO Expresa la cantidad de calor que se de suministras a 1 g de materia para elevar en 1°C su temperatura Q__ ce = m. t [J.g-1K-1] Temperatura (°C) Calor específico (J.g-1 °C-1) P =1 atm 0 4,218 10 4,192 25 4,180 sistema P =1 atm t = 20 °C Calor específico (J.g-1 °C-1) plomo 0,128 acero 0,448 Petróleo 2,14 Alcohol etílico 2,43 El calor de reacción se mide en un calorímetro Q cedido = Q absorbido Investigar su funcionamiento TERMOQUÍMICA Rama de la termodinámica que estudia específicamente la absorción y liberación de calor que acompaña a una reacción química Reacciones químicas E Exotérmicas (Q < 0) y (T > 0) t E Endotérmicas (Q > 0) y (T < 0) t VARIABLES DE ESTADO Son magnitudes que pueden variar a lo largo de un proceso 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. Entalpía (del prefijo en y del griego "enthalpos“ calentar) • Magnitud de termodinámica simbolizada con la letra H H = Hf - Hi •Se expresa en joule, kcal, BTU (sistema anglo). • Representa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico o la cantidad de energía que tal sistema puede intercambiar con su entorno. • Propiedad extensiva • Depende de la temperatura. Entalpía estándar Es el 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 se expresa en J/mol. H0 = H0p - H0r entalpía estándar: de formación, de combustión, de neutralización. ENTALPÍA DE FORMACIÓN La entalpía normal de formación de la sustancia simple es cero H0 reacción= H0 fp - H0 fr Calculo CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l) H0f CH4(g) = – 74,9 kJ.mol-1 H0f CO2(g) = – 394 kJ .mol-1 H0f H2O (g) = – 241,8 kJ .mol-1 H0 reac = H0 f CO2(g) + 2H0 f H2O(l)- (H0 f CH4(g) + 2 H0f O2 (g)) Ecuaciones termoquímicas Se expresan tanto los reactivos como los productos indicando entre paréntesis su estado físico, y a continuación la variación energética expresada como H0. CH4(g) + 2 O2(g) H2(g) + ½ O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l) H2O(g); H0= - 890 kJ H0 = –241,4 kJ 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 . (–241,4 kJ) ENERGIA ENTALPIA PROCESO ENDOTÉRMICO REACTIVOS Calor absorbido por el sistema PRODUCTOS H > 0 y Q < 0 ENERGIA ENTALPIA PROCESO EXOTÉRMICO REACTIVOS Calor cedido por el sistema PRODUCTOS H < 0 y Q > 0 Ley de Lavoisier-Laplace (1780) El calor desarrollado en la formación de una sustancia a partir de las sustancias simples es igual al calor que la misma absorbe cuando se descompone. H0 R directa= - H0 R inversa H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (g) ∆H °f = -241,60 Kj.mol-1 H2O (g) → H2 (g) + ½ O2(g) ∆H ° = +241,60 kJ.mol-1 Ley de Hess (1840) 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. El calor liberado a presión o volumen constante en una reacción química dada es una constante independientemente del número de etapas en que se realiza el proceso químico (1) C (s) 1 2 O2 (g) CO (g) H = ? H = -393.5 kJ (2) C (s) O (g) CO (g) 2 2 (3) CO2 (g) CO (g) 1 2 O 2 (g) C H 3 H = +283 kJ H 1 CO CO2 H 2 H = -110.5 kJ Dadas las reacciones: H2(g) + ½ O2(g) ¾ H2O(g) H2(g) + ½ O2(g) ¾ H2O(l) H10 = –241,8 kJ H20 = –285,8 kJ calcular la entalpía de vaporización del agua en condiciones estándar. La reacción d vaporización es: H2O(l) H2O(g) H 3 H1 H 2 0 H 0 0 0 v a p o riz a c ió n H03 = ? 2 4 1, 8 kJ ( 2 8 5, 8 kJ ) 4 4 kJ (a g u a ) 4 4 k J m o l 1 Esquema de la ley de Hess H2(g) + ½ O2(g) H H20 = – 285,8 kJ H10 = – 241,8 kJ H2O(g) H30 = 44 kJ H2O(l) ENTALPÍA 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 1mol 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. A—B(g) A(g) + B(g) H2(g) 2 H(g) H = Eenlace= Ee H = 436 kJ • Es positiva (es necesario aportar energía al sistema) • Se mide en kJ/mol. Cálculo de energías de enlace Calcular la energía del enlace H-Cl en el cloruro de hidrógeno HCl(g) H(g) + Cl(g) Conociendo ½ H2(g) + ½ Cl2(g) HCl(g) H2(g) 2H(g) Cl2(g) 2Cl(g) H0 = ? Hf0(HCl) = –92,3 kJ Ee(H2) = 436,0 kJ Ee (Cl2) = 243,4 kJ Aplicando la ley de Hess H0 = – (–92,3 kJ) + ½ .(436,0 kJ) + ½ . (243,4 kJ) = 432,0 kJ E e (H C l) 4 3 2, 0 k J m o l 1 Enlace H–H C–C C=C CC O=O Cl–C C–H C–O C=O O–H Cl–H Cl–Cl Ee (kJ.mol-1) 436 347 620 812 499 243 413 315 745 460 432 243 ENTROPÍA (S) Es una medida del desorden del sistema que sí puede medirse y tabularse. Es función de estado ideada por Rudolf Clausius. Aumenta al ir quitando restricciones. Se expresa en J.mol –1.K–1 S S final S inicial fusión S sólido < S líquido evaporación S líquido < S gas T1 disolución S st + sv < S sc T2 calentamiento S T1< S T2 entorno sistema calor entorno energía Proceso exotérmico Aumenta la entropía sistema calor energía Proceso endotérmico Disminuye la entropía En una reacción química: S 0 n S (productos ) n r S (reactivos ) 0 p 0 Calculo de S0 para: 3 H2(g) + N2(g) 2 NH3(g) S 0 n S (productos ) n r S (reactivos ) 0 p 0 S0 = 2.192,3 J.K-1 – (3 mol.130,6 J.mol-1.K-1 + 191,5 J.K-1) - 198,7J. K-1 2° principio “En cualquier proceso espontáneo la entropía total del universo tiende a aumentar siempre”. S (u n ive rs o ) S ( s is te m a ) S (e n to rn o ) 0 A veces el sistema pierde entropía (se ordena) espontáneamente. El entorno se desordena. 3° principio “La entropía de cualquier sustancia a 0 K es igual a 0” (máximo orden). En procesos reversibles y a t cte se puede calcular S de un sistema como: Q S T y si el proceso químico se produce a P cte S (s is te m a ) H (s is te m a ) T ; S (e n to rn o ) H (e n to rn o ) T S0 (entropía molar estándar) se mide en J.mol–1.K–1. Sreacción se mide en J x K–1. E LIBRE DE GIBBS (G) E LIBRE O ENTALPÍA LIBRE Energía liberada en los procesos bioquímicos disponible para realizar trabajo de algún tipo G es una función de estado En procesos a T constante se define como: G = H – T x S Por tanto: G H T S En condiciones estándar: G0 = H0 – T . S0 Reactivos Productos G < 0 G > 0 Productos Reactivos T, P = ctes. T, P = ctes. Reacción espontánea Reacción no espontánea caso H S G 1 <0 >0 <0 espontanea 2 >0 <0 >0 No espontanea 3 <0 <0 ? espontanea a t bajas 4 >0 >0 ? espontanea a t altas H < 0 S > 0 S Espontánea a todas las temperaturas H < 0 S < 0 Espontánea a temperaturas bajas H > 0 S > 0 Espontánea a temperaturas altas H > 0 S < 0 H No Espontánea a cualquier temperatura PROCESOS EXERGÓNICOS ENDERGÓNICOS Si G° < 0 E productos < E reactivos R P Si G° > 0 E productos > E reactivos R P + - - + ENERGÍA LIBRE ENERGÍA LIBRE ESPONTANEO NO ESPONTANEO