Transcript 06 Termoquimica

Universidad de La Frontera
Fac. Ing. Cs. y Adm.
Dpto. Cs. Químicas
Termoquímica:
Flujo de energía y cambio
químico
Prof. Josefina Canales
Un sistema químico y sus alrededores
McGraw-Hill, Universidades / Stephen Frisch, fotógrafo
Algunas
cantidades
interesantes de
energía
Energía solar diaria
que cae sobre la tierra
Energía de un
terremoto fuerte
Energía eléctrica diaria
de salida de la presa Hoover
1000 toneladas
de carbón que
se queman
1 tonelada de TNT que explota
1 kilowatt hora de
energía eléctrica
Calor liberado de la
combustión de un mol
de glucosa
1 caloría (4.184 J)
Calor absorbido durante la
división de una célula bacterial
Energía de la fisión de un
átomo 235 U
Energía cinética promedio de
una molécula de aire a 300 K
Primera ley de la termodinámica
( Ley de la conservación de la energía )
“La energía total del universo es constante”
Universo =
ESistema +
EAlrededores = 0
Cambio en la entalpía =
H
La entalpía se define como la energía interna del sistema
mas el producto de su presión y su volumen.
H = E + PV
Para un cambio en la entalpía:
H =
E+
PV
Para reacciones exotérmicas y endotérmicas:
H = H final - H inicial = H productos - H reactivos
Exotérmica :
H final
H inicial
H
0
Endotérmica : H final
H inicial
H
0
Entalpía, H
CH4 + 2O2
Hinicial
H = -285.8 Kj
Exotérmico
Calor que
sale
CO2 + 2H2O
Hfinal
Entalpía, H
Diagramos de entalpía para procesos
endotérmicos y exotérmicos
H2O(l)
Hfinal
H = +40 Kj
Endotérmico
Calor que
entra
H2O(s)
Hinicial
Gases
Sublimación
H0sub
Condensación
- H0vap
Deposición
-
H0sub
Evaporación
H0vap
Líquidos
Congelamiento
- H0fus
Fusión
H0fus
Sublimación
Sólidos
Deposición
Dibujo de diagramas de entalpía y
determinación del signo de H - I
Problema: En cada uno de los siguientes casos, determine el signo de
H y si la reacción es exotérmica o endotérmica, y dibuje un diagrama
de entalpía para cada reacción.
a) CH4 (g) + 2 O2 (g)
CO2 (g) + 2 H2O(g) + 802 kJ
.
b) Ba(OH)2 2H2O(s)+ 2 NH4SCN(s) + 62 kJ
Ba(SCN)2 (ac) + 2 NH3 (g) + 4 H2O(L)
Plan: Inspeccionamos cada ecuación para ver si el calor es un producto
(exotérmico) o un reactivo (endotérmico) en la reacción. Para reacciones
exotérmicas, los reactivos están sobre los productos en el diagrama de
entalpía, el inverso aplica para reacciones endotérmicas. La flecha H
siempre apunta de los reactivos a los productos.
Dibujo de diagramas de entalpía y
Determinación del signo de H - II
Solución:
a) El calor está en el lado de los productos, por lo tanto, la reacción es
CH4 (g) + 2O2 (g)
exotérmica y H es negativo.
Reactivos
H
H = - 802 kJ
exotérmica
Productos
.
CO2 (g) + 2H2O(g)
b) El calor está en el lado de los reactivos, por lo tanto, la reacción es
endotérmica y
Ba(SCN)2 (ac) + 2NH3 (g) + 4 H2O(L) Productos
H es positivo.
H = +62 kJ
H
endotérmica
Reactivos
Ba(OH)2 2H2O(s) + 2NH4SCN(s)
Entalpías especiales en reacciones
Cuando un mol de una sustancia se combina con oxígeno en una
reacción de combustión, el calor de la reacción es calor de combustión(
Hcomb):
C3H8 (g) + 5 O2 (g)
3 CO2 (g) + 4 H2O(g)
H = Hcomb
Cuando un mol de una sustancia se produce a partir de sus elementos, el
calor de la reacción es el calor de formación( Hf ) :
Ca(s) + Cl2 (g)
H=
CaCl2 (s)
Hf
Cuando un mol de una sustancia se funde, el cambio de entalpía es el
calor de fusión ( Hfus) :
H2O(s)
H2O(L)
H=
Hfus
Cuando un mol de una sustancia se evapora, el cambio de entalpía es el
calor de evaporación( Hvap) :
H2O(L)
H2O(g)
H =
Hvap
Calores de combustión (Hcomb) de
algunos compuestos de carbono
Nombre
(Fórmula)
Fórmula
estructural
Suma de
Suma de
Hcomb
enlaces C-C enlaces C-O
(kJ/mol)
y C-H
y O-H
Hcomb
(kJ/g)
Compuestos de dos carbonos
7
0
-1560
-51.88
6
2
-1367
-29.67
Metano (CH4)
4
0
-890
-55.5
Metanol (CH3OH)
3
2
-727
-22.7
Etano (C2H6)
Etanol (C2H5OH)
Compuestos de un carbón
Calores de combustión de algunas
grasas y carbohidratos
Sustancia
H comb(kJ/mol)
Grasas
Aceite vegetal
Margarina
Mantequilla
37.0
30.1
30.0
Carbohidratos
Azúcar de mesa (sacarosa)
Arroz integral
Jarabe de maple
16.6
14.9
10.4
Resumen de la relación entre cantidad
(mol) de sustancia y el calor (kJ)
transferido durante una reacción
CANTIDAD
(mol) del
compuesto A
Relación
molar de la
ecuación
balanceada CANTIDAD
(mol) del
compuesto B
Hreac(kJ/mol)
CALOR
(kJ) ganado
o perdido
Ley de Hess de suma del calor
El cambio de entalpía de un proceso completo es la suma
de los cambios de entalpía de sus pasos individuales
Ejemplo:
Problema: Calcule la energía involucrada en la oxidación del azufre
elemental al trióxido de azufre de las siguientes reacciones:
1) S (s) + O2 (g)
SO2 (g)
H1 = -296.8 kJ
2) 2 SO2 (g) + O2 (g)
2 SO3 (g)
H2 = -198.4 kJ
3) S (s) + 3/2 O2 (g)
SO3 (g)
H3 = ?
Ley de Hess de suma del calor - I
Para obtener la ecuación #3 debemos agregar la primera ecuación
cuatro veces a la reacción #2, y sumarlas:
S (s) + O2 (g)
+ 1/2 x [ SO2 (g) +1/2 O2 (g)
S (s) + 3/2 O2 (g) + SO2 (g)
SO2 (g)
H1 = -296.8 kJ
SO3 (g)] 1/2
H2 = -99.2 kJ
SO2 (g) + SO3 (g)
H3 = -296.8
+(-99.2)
= -396.0 kJ
S (s) + 3/2 O2 (g)
SO3 (g)
Hf (SO3) = -396.0 kJ/mol
Aplicación de la ley de Hess: Formación de WC - I
Problema: Cual es la entalpía de reacción, H, para la formación de
carburo de tungsteno, WC, de los elementos? Dadas las ecuaciones:
1) 2 W(s) + 3 O2 (g)
2 WO3 (s)
H = -1680.6 kJ
2) C(grafito) + O2 (g)
CO2 (g)
H = -393.5 kJ
3) 2 WC(s) + 5 O2 (g)
2 WO3 (s) + 2 CO2 (g)
H = - 2391.6 kJ
Plan: Necesitamos reordenar las tres ecuaciones para poder sumarlas,
Y obtener la reacción para la formación del carburo de tungsteno a
partir de los elementos.
Solución:
La ecuación para la producción de carburo de tungsteno de los elementos:
W(s) + C(grafito)
WC(s)
H=?
Para obtener la formación, tendremos que cambiar la ecuación #3, que
cambiará su
H de negativo a positivo
Aplicación de la ley de Hess: Formación de WC - II
Debemos agregar 1/2 de la ecuación #1 a la ecuación #2, después
agregar 1/2 de la ecuación #3 inversa para obtener la ecuación
completa deseada:
1/2 ecuación #1
W(s) + 3/2 O2 (g)
ecuación #2
C(grafito) + O2 (g)
1/2 ecuación #3 WO3 (s) + CO2 (g)
inversa
W(s) + C(grafito)
WO3 (s)
H = - 840.3 kJ
CO2 (g)
H = - 393.5 kJ
WC(s) + 5/2 O2 (g)
H = 1195.8 kJ
WC(s)
H = - 38.0 kJ
El proceso general para determinar H0reac a
partir de los valores de H0f
Desco
mposi
ción
Reactivos
Formaci
ón
Entalpía,
H
Elementos
H0reac
Productos
H0reac = m H0f(productos) + n H0f(reactivos)
La combustión del metano ocurre con un decremento en la entalpía porque el calor deja
el sistema . Por tanto H final < H inicial y el proceso es Exotérmico.
La fusión del hielo ocurre con un incremento en la entalpia porque el calor entra el
sistema. Como H final > H inicial el proceso es endotermico
-45.9
90.3
Calores de reacción de entalpías de
formación estándares
Calcule
Horxn a partir de los valores Hfo
4NH3 (g) + 5 O2 (g)-----> 4 NO (g) + 6H2O (g)
Vemos los valores Hfo de la Tabla
Calculo
4
Horxn :
Hfo [NO (g) + 6
Hfo [H2O (g) ) - ( 4 Hfo NH3 (g) ) + 5 Hfo O2 (g)
4 mol (90.3) kJ/mol) + 6 mol (-241.8 kJ/mol)
-(4mol (-45.9 kJ/mol) + 5 mol (0 kJ/mol))
361 kJ - 1451 kJ + 184 kJ - 0 kJ = -906 kJ
Calores de reacción de entalpías de
formación estándares
Problema: El metanol (CH3OH) se usa como combustible en motores
de alto rendimiento para autos de carreras. Usando los datos de las
entalpías de formación, compare la entalpía de combustión estándar por
gramo de metanol con la de la gasolina (considere que la gasolina es
octano líquido, C8H18).
Plan: Escriba las ecuaciones para la combustión de ambos combustibles,
encuentre las entalpías de formación de los compuestos, y encuentre el
calor de combustión de cada combustible, y obtenga el calor por gramo.
Solución:
a) Metanol :
2 CH3OH(L) + 3 O2 (g)
2 CO2 (g) + 4 H2O (L)
Hocombustión = 2 x
Hof[ CO2 (g)] + 4 x
Hof[ H2O(L)] - 3 x Hof[ O2 (g)]
-2x
Hof[ CH3OH(L)]
Calores de reacción de entalpías de
formación estándares
a) Metanol - cont.
Hocombustión = 2 x ( - 394 kJ) + 4 x ( - 286 kJ)
- 3 x ( 0 kJ) - 2 x ( - 239kJ)
Hocombustión = - 1454 kJ dos moles de metanol pesan 2 x 32.0 g/mol
por tanto energía por gramo = -1454 kJ = -22.7 kJ/g
b) Octano :
64.0 g/mol
2 C8H18 (L) + 25 O2 (g)
16 CO2 (g) + 18 H2O(L)
Hocombustión = 16 x
Hof[ CO2 (g)] + 18 x Hof[ H2O(L)]
- 2 x Hof[ C8H18 (L)] - 25 x
Hof[O2 (g)]
Hocombustión = 16 x ( -394 kJ) + 18 x ( -286 kJ) - 2 x ( -296 kJ) - 1 x (0)
Dos moles de octano pesan
o
4
H combustión = - 1.09 x 10 kJ
2 x 114.2 g/mol = 228.4 g
Entonces energía por g = -10900 kJ = -47.8 kJ/g
228.4g
FIN