termoquímica y espontaneidad
TRANSCRIPT
-
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
1/13
Termoqumica y Espontaneidad
4.1 Conceptos BsicosTermoqumica:Estudia los cambios energticos ocurridos durante las reaccionesqumicas. El calor que se transfere durante una reaccin qumica
depende de la trayectoria seguida puesto que el calor no es una
uncin de estado.
as transormaciones suridas por la materia son casi siempre
acompa!adas por absorcin o liberacin de energa
Espontaneidad:a palabra espontneoes muy usada en nuestro idioma para
e"presaraquello que se reali#a de manera $oluntaria% es decir%
que no ue instado por la uer#a% por agentes e"teriores% o por una
orden% para concretarse. &irectamente se produce y surge de
modo natural.
Estos procesos espontneos son% adems% irre$ersibles% es decir%
no pueden re$ertir sin un aporte energtico e"terno. os productos
no se recombinan espontneamente para dar de nue$o los
reacti$os.
4.' Ecuaciones (ermoqumicasas ecuaciones termoqumicas son aquellas en la que se
representan los cambios materiales y energticos que ocurren en
las reacciones qumicas. En ellas se muestra el estado deagregacin de cada sustancia que inter$iene en la reaccin y el
balance energtico del proceso indicado generalmente como la
$ariacin de entalpa.)or e*emplo+,na orma de obtener o"geno en el laboratorio es descomponer
trmicamente el clorato de potasio KClO3 seg-n la reaccin+2KClO3(s) > 2KCl(s) + 3O2 (g) H =
89, 5 kJ /mol
&onde s/% para slido% g gases/ indican abre$iadamente el estadomaterial de los reacti$os y de los productos.os clculos de las ecuaciones qumicas se aplican de esta manera
no solo a las cantidades de molculas y los moles de las
sustancias que inter$ienen sino tambin a los calores o entalpas
de reaccin% teniendo en cuenta que estos $ienen dados en 0 por
mol 2ilo*ulios por mol/. En la ecuacin anterior% la $ariacin de
-
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
2/13
entalpa de la reaccin en 03mol est escrita a la dereca y se
refere a la ecuacin tal cual est escrita. Este calor se desprende
por mol de ecuacin% o por cada dos moles de clorato potsico o
por cada tres moles de o"igeno que se obtiene.Cuando una reaccin qumica ocurre puede liberar energa en
modo de calor al entorno o puede absorber calor del mismo. &eacuerdo con el criterio de signos utili#ados% si sistema cede
energa al entorno se dice entonces que la reaccin es
una reaccin exotrmica
H 0y por el contrario si el sistema de reaccin toma energacalorfca del e"terior la reaccin es una reaccin endotrmicay
entonces H 0
4.5 Calor de 6eaccinas reacciones qumicas pueden ser de dos tipos E"otrmicas y
Endotrmicas.(oda sustancia posee una cantidad de energa almacenada en sus
enlaces.
Exotrmica:Cuando la reaccin sucede con liberacin de calor del centro
acia auera/.
Cuando la energa contenida en los reacti$os es mayor que la
contenida en los productos% tenemos una reaccin e"otrmica
pues sucede liberacin de energa.
Endotrmica:Cuando la reaccin sucede con absorcin de calor desde uera
acia dentro/.
-
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
3/13
Cuando la energa contenida en los reacti$os es menor que la
contenida en los productos% tenemos una reaccin endotrmica
pues sucede absorcin de energa.
4.4 )rimer )rincipio de la (ermodinmica,n sistema termodinmico puede intercambiar energa con su
entorno en orma de traba*o y de calor% y acumula energa en
orma de energa interna. a relacin entre estas tres magnitudes
$iene dada por el principio de conser$acin de la energa.)ara establecer el principio de conser$acin de la energa
retomamos la ecuacin estudiada en la pgina dedicada al estudio
de sistemas de partculas que relaciona el traba*o de las uer#as
e"ternas Wext/ y la $ariacin de energa propia U/+
Wext= U7ombramos igual a la energa propia que a la energa
internaporque coinciden% ya que no estamos considerando latraslacin del centro de masas del sistema energa cintica
orbital/.)or otra parte% el traba*o de las uer#as e"ternas es el mismo que
el reali#ado por el gas pero cambiado de signo+ si el gas se
e"pande reali#a un traba*oW/ positi$o% en contra de las uer#ase"ternas% que reali#an un traba*o negati$o8 y a la in$ersa en el
caso de una compresin. 9dems% aora tenemos otra orma de
suministrar energa a un sistema que es en orma de calor /
Wext + = U W + = Uuego la e"presin fnal queda+
= W +
U
Este enunciado del principio de conser$acin de la energa
aplicado a sistemas termodinmicos se conoce como !"#me"
!"#$%#o 'e l e"mo'#$*m#%)ara aclarar estos conceptos consideremos el siguiente e*emplo+
un recipiente pro$isto de un pistn contiene un gas ideal que seencuentra en un cierto estado 9. Cuando desde el e"terior se le
suministra calor al gas ( 0)su temperatura aumenta y seg-n
la ey de oule% su energa interna tambin (U U-)El gas see"pande por lo que reali#a un traba*o positi$o. El primer principio
nos da la relacin que deben cumplir estas magnitudes+
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/energiaint.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/energiaint.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/dinamsist/energiasist2.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/dinamsist/energiasist2.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/trabajo.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/energiaint.html#Joulehttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/dinamsist/energiasist2.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/dinamsist/energiasist2.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/trabajo.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/energiaint.html#Joulehttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/energiaint.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/energiaint.html -
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
4/13
:i el recipiente tu$iera paredes f*as% el gas no podra reali#ar
traba*o% por lo que el calor suministrado se in$ertira ntegramente
en aumentar la energa interna. :i el recipiente estu$iera aislado
trmicamente del e"terior ; eyes de la (ermoqumica? ey de a$oisier y aplace. Enunciada en 1@A< por a$oisier
y aplace% establece que+ La cantidad de calor necesaria
para descomponer un compuesto qumico es precisamente
igual a la desprendida en la formacin del mismo a partir
de sus elementos.
= W +(U U-)
W Realizado por el
gas W 0 Absorbido por el
-
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
5/13
Esta ley se puede simboli#ar mediante+ H 0; ayor que cero
H 0 ; enor que cero.E*emplos+
) - (sol#'o l1.#'o)H#elo-g.
2) - (l1.#'o sol#'o)-g.H#elo
? ey de Dess. Dess en 1A4< enunci una ley undamental de
la termoqumica% seg-n la cual+ la cantidad total de calor
desprendida en una transformacin qumica dada, esto es,
partiendo de un estado inicial y llegando a otro nal
es siempre la misma, independientemente de que aquella
serialice en una o !arias fases.a e"periencia a
demostrado que el calor de ormacin de un compuesto a
partir de sus elementos no depende del mtodo empleado%lo mismo que sucede con la tonalidad.
Es decir% que la suma de los Hde cada etapa de la reaccin nos
dar un $alor igual al Hde la reaccin cuando se $erifca en unasola etapa. Esta ley a sido muy utili#ada para la resolucin de
problemas.
-
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
6/13
Por ejemplo:el carbono en orma
de grafto puede o"idarse asta di"ido 1/ o mon"ido '/ de
carbono% por otro lado% el mon"ido de carbono puede o"idarse
asta di"ido 5/. Como se $e a continuacin% la suma de las
entalpas de la reaccin en dos pasos '/ 5/ es igual a la
entalpa de la reaccin en un paso 1/+
() C(g"to) + O2(g) CO2 (g)
H= 393 kJmol 4(2) C(g"to) + O2 CO (g)
H = "### kJmol 4$%& C(g"to) + O2 CO2 (g)
H ' "()(kJmol 4
4.@ Calor de FormacinCalor o entalpa de ormacin+ :e defne como calor de ormacin
a la energa in$olucrada en la ormacin de un mol de compuesto
a partir de sus elementos en su estado estndar. :i este calor es
medido en condiciones standard de presin y temperatura 1 atm%
'=GC/% se conoce como *calor est+ndar de formacin*.
C(s) + O2(g) CO2(g) H06 =
49705 K%l/mol
H2(g) + O2(g) H2O (l) H06 = 4832
K%l/mol H2(g) + 3/2 O2(g) + 2(g) HO3(l) H06
= 4770 K%l/molg= gseoso l= l1.#'o s= sol#'o
4.A Calor de Combustina combustin es una reaccin qumica en la que un elemento
combustible/ se combina con otro comburente% generalmenteo"geno en orma de O2 gaseoso/% desprendiendo calor yproduciendo un "ido8 la combustin es una reaccin e"otrmica
que produce+
H calor al quemar
H lu# al arder.
os tipos ms recuentes de combustible son los materiales
-
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
7/13
orgnicos que contienen carbono e idrgeno. El producto de esas
reacciones puede incluir mon"ido de carbono CO/% di"ido de
carbono CO2/% agua H2O/ y ceni#as.El proceso de destruir materiales por combustin se conoce como
incineracin.)ara iniciar la combustin de cualquier combustible% es necesario
alcan#ar una temperatura mnima% llamada temperatura de
ignicin o de inIamacin.
E"isten $arios tipos de combustin% entre los cuales estn la
combustin incompleta y la completa+
H a combustin incompleta% una combustin se considera una
combustin incompleta cuando parte del combustible no reacciona
completamente porque el o"geno no es sufciente. :e reconoce
por una llama amarillenta.
H a combustin completa es cuando todo el carbono de la
materia orgnica quemada se transorma en CO2. :e puedereconocer por la llama a#ul producida por la incineracin del
material.
4.J Energa de EnlaceCuando se orma un enlace qumico estable se desprende una
cierta cantidad de energa% que ser la misma cantidad de energa
que se debe aportar posteriormente para romper el enlace
ormado. 9 esta energa se la denomina entalpa de enlacesi
tiene lugar a presin constante/ o% ms coloquialmente% energa
de enlace. 9s% podemos defnir la entalpa de enlace normal o
estndar como la !ariacin de entalpa o calor liberado" en
condiciones estndar de # atms$era y %&'(" que
acompa)a a la reaccin de $ormacin de un mol de enlaces
a partir de los tomos aislados en estado gaseoso. Como
cuando se orma un mol de enlaces se desprende energa% la
entalpa de enlace de este proceso ser negati$a+
:i en lugar de considerar la reaccin de ormacin de un mol de
enlaces consideramos la reaccin in$ersa% es decir% la disociacin
de un mol de Cl'% la entalpa de dica reaccin tendr la misma
magnitud pero signo contrario+
-
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
8/13
Cuanto mayor es el $alor absoluto de energa de enlace% mayor es
la ortale#a de dico enlace. )or e*emplo% para la reaccin de
ormacin de un mol de D' a partir de los tomos de D en estado
gaseoso+
4.1< Espontaneidad de las 6eacciones
:e denominan procesos qumicos espontneos los que tienen lugar deorma natural en unas condiciones determinadas. :obre esto puedenacerse algunas consideraciones+
9lgunos procesos espontneos requieren un estmulo inicial. Esel caso de la reaccin de ormacin del agua.
a espontaneidad no implica nada acerca de la $elocidad de losprocesos. )or e*emplo% la o"idacin del ierro es un proceso
espontneo e"traordinariamente lento. :i una reaccin es espontnea en determinadas condiciones% la
reaccin in$ersa no lo es en esas mismas condiciones. 9s% ladescomposicin del agua mediante electrlisis no esespontnea% sino que necesita suministro de energa elctrica yla reaccin se detiene cuando se interrumpe el paso de lacorriente elctrica.
a mayor parte de los procesos espontneos son e"otrmicos.:in embargo% e"isten e"cepciones% como la usin del ielo% quees un proceso endotrmico y espontneo.
E"isten reacciones no espontneas a ba*as temperaturas% pero
que s lo son a temperaturas ele$adas. Es el caso de ladescomposicin del carbonato de calcio.
4.1
-
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
9/13
elementos en sus estados estndares o"genogas% carbonoslido
en orma de grafto% etc./ tienen una entalpa estndar de
ormacin de cero% dado que su ormacin no supone ning-n
proceso.a $ariacin de entalpa estndar de ormacin se usa en
termoqumica para encontrar la $ariacin de entalpa estndar dereaccin. Esto se ace restndole la suma de las entalpas
estndar de ormacin de los reacti$os a la suma de las entalpas
estndar de ormacin de los productos% como se muestra en la
siguiente ecuacin.&nde+M signifca LestndarLr Lde reaccinL Lde ormacinLa entalpa estndar de ormacin es equi$alente a la suma de
$arios procesos por separado incluidos en el ciclo de BornNDaberde las reacciones de sntesis. )or e*emplo% para calcular la
entalpa de ormacin del cloruro de sodio% usamos la siguiente
reaccin+
(s) + () Cl2(g) < Cl(s)Este proceso se compone de mucos subNprocesos
independientes% cada uno con su propia entalpa. )or ello
tendremos en cuenta+ a entalpa estndar de sublimacindel sodio slido
a primera energa de ioni#acindel sodio gaseoso
a entalpa de disociacin del cloro gaseoso
a afnidad electrnicade los tomos de cloro
a energa reticulardel cloruro de sodioa suma de todos estos $alores nos dar el $alor de la entalpa
estndar de ormacin del cloruro de sodio.
4.1
-
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
10/13
En las reacciones endotrmicas se absorbe calor/ disminuye la
entropa del entorno.E*emplos de reacciones qumicas espontaneasM"idacin del ierro e"puesto a la intemperie+
2 e (s) + 3/2 O2+ 3 H2O (l) 2 e (OH)3(s)
H = 49 kJCombustin de una cerilla al rotarla+
!7?3 (s) + 8 O2(g) !7O0(s) + 3 ?O2(g)
H = 420 kJPnIamacin de una me#cla de o"igeno e idrogeno en presencia
de una cispa+
2 H2(g) + O2(g) 2 H2O (l)
H = 452 kJ
4.1
-
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
11/13
7adie pone en duda el aumento de la temperatura global% lo que
toda$a genera contro$ersia es la uente y ra#n de este aumento
de la temperatura. 9un as% la mayor parte de la comunidad
cientfca asegura que ay ms que un J
-
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
12/13
como el di"ido de carbono y el metano% debido a la acti$idad
umana.Este enmeno e$ita que la energa solar recibida constantemente
por la (ierra $uel$a inmediatamente al espacio% produciendo a
escala mundial un eecto similar al obser$ado en un in$ernadero.
ases de Efecto /n!ernadero $E/&Qases integrantes de la atmsera% de origen natural y
antropognico% que absorben y emiten radiacin en determinadas
longitudes de ondas del espectro de radiacin inrarro*a emitido
por la superfcie de la (ierra% la atmsera% y las nubes. Esta
propiedad causa el eecto in$ernadero. El $apor de agua D'M/%
di"ido de carbono CM'/% "ido nitroso 7'M/% metano CD4/% y
o#ono M5/ son los principales gases de eecto in$ernadero en la
atmsera terrestre. 9dems e"iste en la atmsera una serie de
gases de eecto in$ernadero totalmente producidos por el ombre%como los alocarbonos y otras sustancias que contienen cloro y
bromuro% de las que se ocupa el )rotocolo de ontreal. 9dems
del CM'% 7'M% y CD4% el )rotocolo de 2iyoto aborda otros gases de
eecto in$ernadero% como el e"aIuoruro de a#ure :F>/% los
idroIuorocarbonos DFC/% y los perIuorocarbonos )FC/.as molculas de los QEP tienen la capacidad de absorber y re
emitir las radiaciones de onda larga esta es la radiacin inrarro*a%
la cual% es eminentemente trmica/ que pro$ienen del sol y la que
reIe*a la superfcie de la (ierra acia el espacio% controlando elIu*o de energa natural a tra$s del sistema climtico. El clima
debe de alg-n modo a*ustarse a los incrementos en las
concentraciones de los QEP% que genera un aumento de la
radiacin inrarro*a que es absorbida por los QEP en la capa inerior
de la atmsera la troposera/% en orden a mantener el balance
energtico de la misma. Este a*uste generar un cambio climtico
que se maniestar en un aumento de la temperatura global
reerido como calentamiento global/ que generar un aumento en
el ni$el del mar% cambios en los regmenes de precipitacin y en la
recuencia e intensidad de los e$entos climticos e"tremos tales
como tormentas% uracanes% enmenos del 7i!o y la 7i!a/% y se
presentar una $ariedad de impactos sobre dierentes
componentes% tales como la agricultura% los recursos dricos% los
ecosistemas% la salud umana% entre otros.
-
7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad
13/13