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INSTRUCCIONES: Debes hacer lectura de la primera parte de la guía y luego responder a las actividades que siguen. No dudes en consultar si surgen dudas. Visita el link anexo. LINK DE PROFUNDIZACIÓN: https://www.youtube.com/watch?v=eJXL0IrbtqE

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

En general, la energía puede convertirse de una forma en otra, y puede transferirse de un lugar a otro. Todas estas transacciones ocurren de acuerdo con una de las observaciones más importantes de la ciencia: la energía no se crea ni se destruye. Una sencilla afirmación conocida como la primera ley de la termodinámica resume esta sencilla verdad: “la energía se conserva”. Cualquier energía perdida por el sistema debe ganarla su entorno, y viceversa. Para aplicar cuantitativamente la primera ley de la termodinámica, primero debemos definir de manera más precisa la energía de un sistema.

Lo anterior se expresa en: Δ E = Q + W

Donde la variación de energía interna de un sistema, es igual a la suma del trabajo (W) más el calor (Q).

Ejemplo

Dos gases, A(g) y B(g) son confinados en un pistón con cilindro, como el de la figura 5.3. Las sustancias A y B reaccionan para formar un producto sólido: A(g) + B(g) → C(s). Cuando ocurre la reacción, el sistema libera 1150 J de calor hacia el entorno. El pistón se mueve hacia abajo conforme los gases reaccionan para formar un sólido. Cuando el volumen del gas disminuye bajo la presión constante de la atmósfera, el entorno realiza un trabajo de 480 J sobre el sistema. ¿Cuál es el cambio en la energía interna del sistema?

Guía Nº2 de Química IIIº medio B - D

NIVEL: 3° Medio ANEXO: CENTRAL

ASIGNATURA: Química DOCENTE: Constanza Méndez Cofré

FECHA DE ENVIO: 20 de agosto CORREO DOCENTE: constanza.mendez@sanignaciodetalca.cl

HORARIO DE CONSULTA: 10:00 a 12:00 hrs.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE: 1. Comprender la Primera ley de la Termodinámica, a través del cambio de energía interna de un sistema, en función del trabajo y calor. 2. Diferenciar entre reacciones endotérmicas y exotérmicas, a través del cambio de entalpía, como una magnitud que mide el flujo de calor a presión constante.

DepartamentodeCiencias/QuímicaProfesoraConstanzaMéndezC.

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1. ENTALPÍA

Una función termodinámica llamada ENTALPÍA (de la palabra griega enthalpein, que significa “calentar”) explica el flujo de calor en los procesos que ocurren a presión constante, cuando no se realiza otro tipo de trabajo más que el P-V. La entalpía, la cual denotamos con el símbolo H, es igual a la energía interna más el producto de la presión y el volumen del sistema:

H = E + PV

La mayor parte de los procesos donde hay transferencias de calor ocurre en sistemas abiertos en contacto con la atmosfera, la cual mantiene su presión constante. Así sucede en las plantas, en los

animales y en el laboratorio. El flujo de calor a presión constante, qp, se le denomina cambio o variación de entalpia y se designa por ΔH. De este modo, en un sistema a presión constante, la

primera ley se puede expresar como:

Dado que la mayor parte de las reacciones químicas se efectúan a presión constante, es normal llamar a la entalpía como calor del proceso. Las variaciones de energía interna (ΔE) o de entalpia (ΔH) dependen del estado inicial y final del proceso, es decir, son funciones de estado. El calor y el trabajo, como están ligados a procesos, dependen de la trayectoria o del camino realizado para ir de un estado al otro. Podría ocurrir que, con diferentes transferencias de calor o diferentes magnitudes de trabajo efectuado, el sistema gane o pierda la misma cantidad de energía interna. El trabajo y el calor no son propiedades de estado; son propiedades de trayectoria. La entalpía de reacción por lo tanto, para cualquier reacción se calcula:

DIAGRAMAS ENTÁLPICOS

Un ejemplo práctico de análisis:

Fe2O3(s) + 3H2(g) → 2Fe(s) + 3H2O(g) ∆𝐻= -8,46 Kcal/mol

Los subínidices (s) y (g) indican estado sólido y gaseoso respectivamente.

• La variación de entalpía es negativa y por lo tanto la reacción es exotérmica (se liberó energía calórica al entorno).

• Se liberaron al medio 8,46 kilocalorías.

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2. Entalpía de formación estándar La variación de entalpia de formación de una sustancia es el calor de reacción correspondiente a la formación de 1 mol de la sustancia a partir de sus elementos, en sus estados estándar. Así, en el estado estándar, definido a 25 oC y 1 atm, el oxígeno O2(g) , es gaseoso, el aluminio Al(s), es sólido, y el metanol CH3OH(l), es líquido. Cuando una sustancia se presenta en la naturaleza en más de una forma alotrópica, se escoge la forma más estable. Para el carbono es el grafito, C(graf, s), para el fosforo es el llamado fosforo blanco, P4(bl, s) , y para el oxígeno es O2(g). Algunas reacciones de formación son:

Observe que cada sustancia se forma a partir de sus elementos en su estado estándar. Convencionalmente, para todos los elementos que se encuentren en su estado estándar se asigna:

Ejemplo Calcular la entalpía estándar de formación del metanol en estado líquido, a partir de la ecuación termoquímica balanceada, los datos de entalpías estándar de formación de las demás sustancias y la entalpía de combustión del metanol.

La ecuación nos indica que es una reacción de combustión y que reacciona 1 mol de metanol líquido con 3/2 moles de oxigeno gaseoso para producir 1 mol de dióxido de carbono y 2 moles de agua en estado líquido. Esta reacción tiene una entalpía de combustión de – 173,67 kcal. El signo negativo nos indica que es energía liberada.

Veamos como relacionamos los conceptos de entalpía estándar de reacción con los conceptos de entalpía estándar de formación y entalpía estándar de combustión

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Previamente al trabajar con las ecuaciones termoquímicas es preciso considerar los siguientes aspectos estequiométricos: La entalpía es una propiedad extensiva. El valor de ∆H es directamente proporcional a la cantidad de reactivo gastada en el proceso. Por ejemplo, la combustión de 1 mol de carbono grafito (C) para producir 1 mol de dióxido de carbono (CO2), está representada por la siguiente ecuación termoquímica:

La variación de entalpía para una reacción tiene el mismo valor pero signo opuesto de ∆H para la reacción inversa. Por ejemplo en la reacción anterior de combustión del carbono grafito (C) produce dióxido de carbono (CO2) y se produce la liberación de –393,5 kJ de calor cuando se quema 1 mol de carbono en un sistema a presión constante. Si consideramos el proceso inverso tenemos

Este proceso se conoce como Ley de Lavoisier y Laplace y es otra forma de expresar el principio de conservación de la energía; ya que sumados los valores de la entalpia de la reacción directa con la entalpía de la reacción inversa el valor de∆H = 0

La variación de entalpía para una reacción depende del estado de agregación de los reactantes y de los productos. Por tanto, es preciso indicarlos. Además, se presume generalmente que tanto los reactantes como los productos están a la misma temperatura (25 °C), a no ser que se indique otra cosa.

3. ENERGÍA DE ENLACE

La entalpía de la reacción ᅀHrxn, se estima como la suma de las entalpías de enlace de los enlaces que se rompen, menos la suma de las entalpías de enlace de los enlaces que se forman:

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La entalpía de enlace siempre es una cantidad positiva; siempre se necesita energía para romper un enlace químico. Por el contrario, cuando se forma un enlace entre dos átomos gaseosos o fragmentos moleculares, siempre se libera energía. Mientras más grande sea la entalpía de enlace, más fuerte será el enlace.

Ejemplo: calcule la entalpía de formación del amoniaco:

N2 + 3H2 → 2NH3

Datos: Energías medias de enlace en kJ/mol: (N≡N) = 946; (H−H) = 436; (N−H) = 390.

ACTIVIDADES

I.- Resuelva los siguientes ejercicios.

1. Calcular el cambio de energía interna en:

a) Un proceso en el que el sistema absorbe 140 J de calor del entorno, y realiza un trabajo de 85 J sobre el entorno.

b) Un sistema libera 105 kJ de calor de su entorno mientras realiza 29 kJ de trabajo sobre su entorno

c) Un globo se calienta al agregar 850 J de calor, se expande y realiza 382 J d) Una reacción química libera 6,47 kJ de calor y no realiza trabajo alguno sobre su entorno.

2.- Indique el signo del cambio de entalpía, ∆H, en cada uno de los siguientes procesos, los cuales se llevan a cabo bajo condiciones de presión atmosférica, e indique si el proceso es endotérmico o exotérmico:

a) un cubo de hielo se derrite b) 1 g de butano (C4H10) se quema en suficiente oxígeno para lograr una combustión competa y

formar CO2 y H2O.

3.- Investigue:

a) ¿Bajo qué condición el cambio de entalpía de un proceso es igual a la cantidad de calor transferido hacia y desde el sistema?

b) Durante un proceso a presión constante, el sistema absorbe calor del entorno. ¿Aumenta o disminuye la entalpía del sistema durante el proceso?

II.- Problema. En alguna época, una manera común de formar pequeñas cantidades de gas oxígeno en el laboratorio era calentar KClO3:

2 KClO3(s) → 2 KCl(s) + 3 O2(g) ∆H = -89.4 kJ

Para esta reacción, calcule el ∆H de formación de

a) 0,632 mol de O2 b) 8,57 g de KCl c) La descomposición del KClO3, procede de manera espontánea al calentarse. ¿Cree que la

reacción inversa, la formación de KClO3 a partir de KCl y O2, sea factible bajo condiciones normales? Explique sus respuestas.

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III.- Selección múltiple. Elija una alternativa correcta y enciérrela en un círculo.

1.- La variación de entalpía (∆H) es:

I. Igual a la variación de energía interna a volumen constante

II. Una función de estado termodinámico III. Igual a cero para elementos puros en sus

formas más estables

Es(son) correcta(s)

A) Sólo I B) Sólo I y II C) Sólo I y III D) Sólo II y III E) I,II y III

2.- En un proceso exotérmico es correcto

decir que:

I. ∆H < 0

II. Aumenta la energía interna del

sistemaI

III. Hay flujo de calor desde el sistema

hacia el entorno

Es(son) correcta(s)

A) Sólo I B) Sólo I y II C) Sólo I y III D) Sólo II y III E) I,II y III

3. En un proceso endotérmico es correcto decir

que:

I.- ∆H > 0II.- La variación de entropía del sistema es positiva III.- Hay flujo de energía entre el sistema hacia el entorno

Es(son) correcta(s)

A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) Sólo I y II E) I,II y III

4. El siguiente sistema usted lo clasificaría como:

A) cerradoB) abiertoC) aislado D) global E) en equilibrio

5. ¿Cuál de los siguientes sistemas

correspondería a la clasificación “cerrado”?

A) Bombín de bicicleta B) Transantiago C) lata de bebida D) acuario E) termo

6. En la reacción:

A + B + Calor → C + D

Se puede afirmar que se trata de un proceso:

A)EspontáneoB) ExotérmicoC) ExergónicoD) Endotérmico E) No espontaneo

7.- El esquema representa el curso de cierta reacción. ¿Cuál de las líneas muestra la variación de energía durante la reacción?

A) A B) B C) C D) D E) E

8.- Es incorrecto afirmar que una reacción endotérmica:

A) Tiene una entalpía de reacción positiva

B) Calienta el recipiente donde se efectúa, ya que absorbe calor.

C) Es del tipo siguiente: A+B+ Calor → C+D

D) Es aquella en la que los productos tienen más energía que los reactivos.

E) Implica que su qp es menor a cero.