Title: THERMOCHEMISTRY or Thermodynamics
1TERMODINÁMICA Y TERMOQUÍMICA
Basado en el trabajo del Prof. Víctor
Batista Universidad de Yale
2Termodinámica yTermoquímicaCalor, trabajo y
funciones de estado
3Química y Energía
- ENERGÍA es la capacidad de realizar trabajo o
transferir calor - CALOR es una forma de energía que fluye entre dos
cuerpos que tienen distinta temperatura. - Existen otras formas
- electromagnética
- eléctrica
- cinética
- potencial
4Química y Energía
- La combustión de unos pocos maníes aporta
suficiente energía como para llevar a ebullición
el agua del recipiente
- La energía del azúcar (la sacarosa reacciona
con el clorato de potasio, KClO3, un agente
oxidante fuerte)
5Química y Energía
- En estas reacciones se favorece la formación de
los productos. - Esto significa que transcurre en forma casi
completa desde los reactivos hacia los productos
6Química y Energía
- 2 H2(g) O2(g) ---gt 2 H2O(g) calor y luz
- Esta reacción puede utilizarse para generar
ENERGÍA ELÉCTRICA en una célula de combustible. - Oxidación
- 2 H2 ---gt 4 H 4 e-
- Reducción
- 4 e- O2 2 H2O ---gt 4 OH-
7Energía potencial y cinética
- Energía potencial
-
- Es la energía que posee un cuerpo en virtud de
su posición.
8La Energía potencial a escala atómica
- Las partículas positivas y negativas conocidas
como iones se atraen entre sí. - Los átomos forman enlaces
- Cuando estas partículas se acercan, la energía
potencial disminuye.
NaCl (compuesto por iones Na y Cl-)
9La Energía potencial a escala atómica
- Las partículas positivas y negativas conocidas
como iones se atraen entre sí. - Los átomos forman enlaces
- Cuando estas partículas se acercan, la energía
potencial disminuye.
10Energía potencial y cinética
Energía cinética Energía asociada al
movimiento de los cuerpos
11Energía potencial y cinética
Energía cinética Energía asociada al
movimiento de los cuerpos
12Energía interna (U)
- EP EC Energía interna (U)
- La energía interna de un sistema depende de
- el n de partículas
- el tipo de partículas
- la temperatura
13Energía interna (U)
- EP EC Energía interna (U)
14Energía interna (U)
- A mayor temperatura, mayor energía interna.
- Por ello, utilizamos los cambios en T (?T) para
monitorear los cambios en U (?U).
15Termodinámica
- Es la rama de la física que se ocupa de los
efectos de los intercambios de calor.
La energía térmica está asociada al movimiento
molecular
El calor se transfiere hasta que se alcanza el
equilibrio térmico.
16Direccionalidad de la transferencia del calor
- El calor se transfiere espontáneamente desde un
cuerpo más caliente (a mayor T) hacia otro más
frío (a menor T) - En un proceso exotérmico el calor se transfiere
desde el sistema hacia el entorno.
17Direccionalidad de la transferencia del calor
- El calor se transfiere espontáneamente desde un
cuerpo más caliente (a mayor T) hacia otro más
frío (a menor T) - En un proceso endotérmico el calor se transfiere
desde el entorno hacia el sistema.
18Química y energía
- Toda la termodinámica se basa en 4 principios.
El primero es conocido como - LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
- La energía debe conservarse en una reacción
química - Si la EP de los productos es menor que la de los
reactivos, la diferencia debe correspondera a la
EC
19Cambios de energía en los procesos químicos
La EP del sistema disminuye. La EC aumenta. Por
lo tanto, T debe aumentar.
20Unidades de energía
- 1 caloría calor requerido para elevar la T de
1.00 g de H2O en 1.0 oC. - 1000 cal 1 kilocaloría 1 kcal
- La caloría es una unidad usual que tiende a ser
sustituída por el JOULE, la unidad de energía del
SI - 1 cal 4.184 joules
21CAPACIDAD CALORÍFICA
- Es el calor requerido para elevar la T de un
cuerpo en 1 C.
22Calor específico
- Cuánta energía es transferida cuando se produce
un cambio de temperatura? - El calor (Q) perdido o ganado depende de
- a) La masa de la muestra (m)
- La variación de temperatura (?T)
- c) El calor específico del material de la
muestra (ce)
Q m x ce x ?T
23Calor específico
- Sustancia Ce (J/gK)
- H2O 4.184
- Ethilen glicol 2.39
- Al 0.897
- Vidrio 0.84
Agua
Aluminio
- ATENCIÓN
- El ce varía con el estado de agregación del
material - El vidrio no es en realidad una sustancia
24Calor específico
- Una masa de 25.0 g de Al se enfría de 310 oC a
37 oC. - Cuánta energía térmica fue transferida por el
Al al ambiente?
Q m x ce x ?T
25Calor específico
- Una masa de 25.0 g de Al se enfría de 310 oC a 37
oC. - Cuánta energía térmica fue transferida por del
Al al ambiente? -
Q m x ce x ?T
donde ?T Tfinal - Tinicial Q (0.897
J/gK)(25.0 g)(37 - 310)K Q - 6120 J
Note que el signo negativo de Q indica que el
calor fue transferido por el aluminio. El
proceso es exotérmico
26Calor intercambiado sin cambios en el estado de
agregación
Q m x ce x ?T
27Calor intercambiado con cambios en el estado de
agregación
- Involucran transferencia de energía a T
constante - Hielo 333 J/g (calor de fusión) -----gt agua
líquida - Q (calor de fusión)(masa)
28Calor intercambiado en cambios de estado de
agregación
Líquido ---gt Vapor
- La vaporización requiere energía (calor).
- Esa es la razón por la cual
- a) Sentimos frío al salir del agua
- Usamos agua para apagar el fuego
energía
29Curva de calentamiento del agua
vaporización
calentamiento
La T permanece constante durante los cambios de
estado
fusión
30Calor y cambios de estado
- Cuánto calor se necesita para llevar 500. g de
hielo a vapor a 100 oC?
Calor de fusión del agua 333 J/g Calor
específico del agua 4.2 J/gK Calor de
vaporización del agua 2260 J/g
31Calor y cambios de estado
- Cuánto calor se necesita para llevar 500 g de
hielo a vapor a 100 oC? - 1. Para fundir el hielo
- Q1 (500 g)(333 J/g) 1.67 x 105 J
- 2. Para llevar el agua líquida de 0 oC a 100 oC
- Q2 (500. g)(4.2 J/gK)(100 - 0)K 2.1 x
105 J - 3. Para evaporar el agua a 100 oC
- Q (500. g)(2260 J/g) 1.13 x 106 J
- Q total 1.51 x 106 J 1510 kJ
32Reactividad química
- Por qué ocurren las reacciones químicas? Cómo
ocurren? - La primera pregunta la responde la TERMODINÁMICA
la segunda, la CINÉTICA QUÍMICA. - Ya vimos que existen fuerzas capaces de favorecer
la formación de los productos - formación de un precipitado
- producción de gases
- producción de H2O en reacciones ácido-base
- transferencia de electrones en una batería
33Reactividad química
- Pero la energía transferida también nos permite
predecir el sentido de la reacción. - En general, las reacciones que transfieren
energía al entorno (exotérmicas) favorecen la
obtención de los productos
Por lo tanto, consideremos la transferencia de
calor en los procesos químicos.
34Calor intercambiado en procesos físicos
- CO2 (s, -78 oC) ---gt CO2 (g, -78 oC)
El calor es transferido del entorno al sistema en
un proceso endotérmico.
35Calor intercambiado en procesos físicos
- CO2 (s, -78 oC) ---gt CO2 (g, -78 oC)
- Ordenamiento regular de moléculas en el sólido
-----gt moléculas en fase gaseosa - Las moléculas de gas tienen promedialmente-
mayor energía cinética que las del sólido.
36Diagrama energético para la transferencia de
calor analizada
37Calor intercambiado en procesos físicos
CO2 (s, -78 oC) ---gt CO2 (g, -78 oC) Dos
fenómenos han ocurrido!
- Las moléculas de CO2 aumentaron su energía
cinética. - Pero además, fue realizado un TRABAJO cuando el
sistema se expandió empujando a la atmósfera .
38PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La energía se conserva!
39SISTEMA
?U Q W
40ENTALPÍA
- La mayoría de las reacciones químicas ocurren a P
constante. Por lo tanto
Calor intercambiado a P constante Qp Qp ?H
donde H entalpía
Y como ?U ?H W (y W suele ser pequeño) ?H
calor intercambiado a P constante ?E ?H
Hfinal - Hinicial
41ENTALPÍA
Si Hfinal gt Hinicial , entonces ?H es
positivo El proceso es ENDOTÉRMICO
Si Hfinal lt Hinicial , entonces ?H es
negativo El proceso es EXOTÉRMICO
42ENTALPÍA
- Considere la formación de agua
- H2(g) 1/2 O2(g) --gt H2O(g) 241.8 kJ
Reacción exotérmica el calor es un producto y
?H 241.8 kJ
43ENTALPÍA
- Obtener H2O líquida a partir de H2 y O2 implica
dos pasos exotérmicos.
H2 O2 gas
H2O líquida
H2O vapor
44ENTALPÍA
- Obtener H2O líquida a partir de H2 y O2 implica
dos pasos exotérmicos. - H2(g) 1/2 O2(g) ---gt H2O(g) 242 kJ
- H2O(g) ---gt H2O(liq) 44 kJ
- --------------------------------------------------
--------------------- - H2(g) 1/2 O2(g) ---gt H2O(liq) 286 kJ
- LEY DE HESS
- Si una reacción puede plantearse como la suma de
dos o más reacciones, su ?H neto es la suma de
los ?H de cada una tales reacciones
45Ley de Hess y diagramas de energía
La formación de H2O puede ocurrir en uno o
dos pasos. ?Htotal es el mismo, no importa en
cuantos pasos ocurra el proceso.
46Ley de Hess y diagramas de energía
La formación de CO2 puede ocurrir en uno o
dos pasos. ?Htotal es el mismo, no importa en
cuantos pasos ocurra el proceso.
47- Ésto es válido porque ?H es una FUNCIÓN DE ESTADO
- Éstas dependen únicamente del estado del sistema
y no de cómo el sistema llegó a tal estado - V, T, P, energía y tu cuenta bancaria, son
funciones de estado - A diferencia de V, T, y P, no podemos medir el
valor absoluto de H. Sólo podemos medir ?H.
48Variación de entalpía estándar
- Muchos valores de ?H son expresados como ?Ho
- Significa que ?H fue medido en
- condiciones estándar
- P 1 bar 105 Pa 1 atm /1.01325
Concentration 1 mol/L - T 25 oC
- Con todas las especies en su estado estándar
- Por ejemplo C (grafito), O2(g) , Br (l), etc.
49?Ho
Depende de cómo fue escrita la ecuación y de los
estados de los reactivos y productos
- H2(g) 1/2 O2(g) --gt H2O(g)
- ?H -242 kJ
- 2 H2(g) O2(g) --gt 2 H2O(g)
- ?H -484 kJ
- H2O(g) --gt H2(g) 1/2 O2(g)
- ?H 242 kJ
- H2(g) 1/2 O2(g) --gt H2O(l)
- ?H -286 kJ
50?Hfo(entalpía molar de formación estándar)
- Es el cambio de entalpía que acompaña la
formación de un mol de una sustancia en estado
estándar a partir de los elementos que la
constituyen en estado estándar
51?Hfo(entalpía molar de formación estándar)
- H2(g) 1/2 O2(g) --gt H2O(g)
- ?Hfo (H2O, g) -241.8 kJ/mol
- Por definición
- ?Hfo 0 , para un elemento en su estado estándar
52Uso de tablas de ?Hfo
- Supongamos que queremos conocer el ?Ho de la
reacción -
- H2O(g) C(grafito) --gt H2(g) CO(g)
53Uso de tablas de ?Hfo
- H2O(g) C(grafito) --gt H2(g) CO(g)
- En tablas encontramos
- H2(g) 1/2 O2(g) --gt H2O(g) ?Hf - 242
kJ/mol - C(s) 1/2 O2(g) --gt CO(g) ?Hf - 111
kJ/mol
54Uso de tablas de ?Hfo
- H2O(g) --gt H2(g) 1/2 O2(g) ?Ho 242 kJ
- C(s) 1/2 O2(g) --gt CO(g) ?Ho -111 kJ
- --------------------------------------------------
------------------------------
H2O(g) C(grafito) --gt H2(g) CO(g)
?Honeto 131 kJ
Obtener gas de agua a partir de agua y grafito,
en la relación indicada en la ecuación requiere
de 131 kJ de energía. La reacción es ENDOtérmica.
55Uso de tablas de ?Hfo
?H de reacción?
- En general, si conocemos todos los ?Hfo de
reactivos y productos
?Horeacc ? ?Hfo (productos) - ? ?Hfo
(reactivos)
Recuerde que siempre ? final inicial
56Uso de tablas de ?Hfo
- Calcular el calor de combustión del metanol o lo
que es lo mismo, el ?Horeacc para - CH3OH(g) 3/2 O2(g) --gt CO2(g) 2 H2O(g)
- ?Horeacc ? ?Hfo (prod) - ? ?Hfo (react)
57Uso de tablas de ?Hfo
CH3OH(g) 3/2 O2(g) --gt CO2(g) 2 H2O(g)
?Horeacc ? ?Hfo (prod) - ? ?Hfo (react)
- ?Horeacc ?Hfo (CO2) 2 ?Hfo (H2O)
- - 3/2 ?Hfo (O2) ?Hfo (CH3OH)
- (-393.5 kJ) 2 (-241.8 kJ)
- - 0 (-201.5 kJ)
- ?Horeacc -675.6 kJ por mol de metanol
58Midiendo el calor de reacción
CALORIMETRÍA
- A volumen constante La Bomba calorimétrica
- Se quema una muestra en forma completa.
- Se mide el calor intercambiado con el líquido
calorimétrico (agua). - Se deduce el ?U de la reacción.
59CALORIMETRÍA
Qreacción Qagua Qbomba 0
60Determinando el calor de reacción CALORIMETRÍA
- Determinemos el calor de combustión del octano
- C8H18 25/2 O2 --gt 8 CO2 9 H2O
- Se queman en la bomba 1.00 g de octano
- La temperatura sube de 25.00 C a 33.20 oC
- El calorímetro contiene 1200 g de agua
- La capacidad calorífica de la bomba es 837 J/K
61Determinando el calor de reacción CALORIMETRÍA
- Paso 1 Calcular el calor transferido al agua.
- Qagua (4.184 J/gK)(1200 g)(8.20 K) 41,170 J
- Paso 2 Calcular el calor transferido a la bomba.
- Qbomba (Cbomba)(?T)
- Qbomba (837 J/K)(8.20 K) 6860 J
- Paso 3 Determinar el calor de reacción
- 41,170 J 6860 J Qcomb 0
- Qcomb (para 1,0 g de octano) - 48.0 kJ/g
62TRADUCCIÓN Y ADECUACIÓN