Qumica 2009-10

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Tema 5: Termoqumica

F. G. Calvo-Flores Slide 1 of 50 Tema 5. Termoqumica

Contenidos

5-1 Terminologa5-2 Energa en los procesos qumicos5-3 Energa cintica y temperatura5-4 Calor de reaccin5-5 Primer principio de la termodinmica5-6 Calores de reaccin: U and H5 7 L d H5-7 Ley de Hess

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Contenidos

5-8 Entalpa estndar de formacin.5-8 Combustibles como fuentes de energa5-9 Entropa y Energa libre de Gibbs

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5.1- Terminologa

Sistema Ambiente o entorno

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Terminologa

Energa interna, UC id d d d i t b j Capacidad de producir trabajo.

Trabajo Fuerza por distancia.

Eerga cintica Energa asociada al moviento Energa asociada al moviento.

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 5 de 45 Tema 5. Termoqumica

Energa en los procesos qumicos

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5.2.- Energa cintica y trabajo

Energa cintica

ek = 12 mv

2 [ek ] = kg m2

s2 = J

Trabajo

w = Fd [w ] = kg ms2 = Jm

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 7 de 45 Tema 5. Termoqumica

Energa

Energa potencial Energa debida a la condicin posicin o g p

composicin Asociada a las fuerzas de atraccin y repulsin

entre objetos La energa puede cambiar de cntica a

potencialpotencial

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5.3- Energa y temperatura

Energa trmicaEnerga cintica asociada al movimiento Energa cintica asociada al movimiento aleatorio de las molculas

Proporcional a la tmeperatura Es un apropiedad intensiva.

Calor y trabajoq y w q y w.

Cambios de energa

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Calor de reaccin

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Calor

Energa transferida entres un sistema y el entorno como resultado de una difeencia deentorno como resultado de una difeencia de temperatura

El calor fluye de los objetos ms calientes a los ms fros. Se producen cambios en las temperaturas de los p p

objetos Puede haber cambios de fase

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 11 de 45 Tema 5. Termoqumica

Unidades de calor

Calora (cal)C tid d d l i bi Cantidad de calor necesaria para cambiar a temperatura de 1 gramo de agua 1 grado Celsius

Julio (Joule) (J) Unidad en el SI

1 cal = 4.184 J

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Capacidad calorfica

Calor necesario para cambiar la temperatura de un sistema 1 gradode un sistema 1 grado

Capacidad calorfica molar El sistema est formado por 1 mol de sustancia.

Calor especfico c. El sistema est formado por un gramo de sustancia

q = mcTEl sistema est formado por un gramo de sustancia

Capacidad calrica Masa x capacidad calorfica.

q = CT

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 13 de 45 Tema 5. Termoqumica

Conservacin de la energa

En interacciones entre un sistema y su entorno la energa total permanece constanteenerga total permanece constante

No se crea ni se destruye

qsistema + qentorno = 0

qsistema = -qentorno

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Determinacin del calor especfico

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 15 de 45 Tema 5. Termoqumica

Calor de reaccin y calorimetra

Energa qumicaC t ib l i t d l i t Contribuye a la energa interna del sistema

Calor de reaccin, qreac. Cantidad de calor intercambiada ente el sistema

y el entorno cuando una reaccin tiene lugar a temperatura constante

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Calor de reaccin

Reacciones exotrmicas. Producen calor, qreac < 0.

Reacciones endotrmicas. Consumen calor, qreac > 0.

Calormetro Calormetro Dispositivo para medir cambios

de calor.

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Bomba Calorimtrica

qrxn = -qcal

qcal = qbomb + qwater + qwires +

Define la capacidad calorfica de un calormetro:

heatqcal = mici T = C T

all i

heat

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Primer principio de la termodinmica

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Trabajo

Las reacciones qumicas pueden producir trabajo .

El gas formado empuja hacia l atmsfera the atmosphere.

Hay cambio de volmen

Trabajo Presin-volmen .

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Trabajo: Presin-volmen

w = F d

= (P A) h

= PV

w = -PextV

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 21 de 45 Tema 5. Termoqumica

Primer principio de la termodinmica

Energa interna, U. Energa total (cintica y potencial)

Translacional

Rotacional

Vibracional

A i i l l Atracciones intramoleculares

Energa qumica

ElectronesF. G. Calvo-Flores Slide 22 of 50 Tema 5. Termoqumica

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Primer principio de la termodinmica

la energa interna de un sistema cambia se realiza trabajo sobre el sistema se realiza trabajo sobre el sistema si intercambia calor con otro

Ley de conservacin de la energa d i i l d

U = q + w

La energa de un sistema aislado permanece constante

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Primer principio de la termodinmica

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 24 de 45 Tema 5. Termoqumica

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Funciones de estado

En termodinmica, una funcin de estado o variable de estado es una magnitud fsica

i i l d dmacroscpica que caracteriza el estado de un sistema en equilibrio energa interna (U) Presin (P) Temperatura (T)Temperatura (T) Volumen (P) Densidad ()

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 25 de 45 Tema 5. Termoqumica

Funciones de estado

U es una funcin de estado No es fcilmente medible

U tienen un nico valor entre dos estados. Es fcilmente medible.

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Calor de reaccin: U e H

Reactivos Productos

Ui Uf

U = Uf - Ui

U = qreac + w

En un sistema a volumen constante:

U = qreac + 0 = qreac = qv

Vivimos en un mundo a presin constante!

cmo se relacionan qp y qv?F. G. Calvo-Flores Diapositiva 27 de 45 Tema 5. Termoqumica

Calores de reaccin

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 28 de 45 Tema 5. Termoqumica

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Calores de reaccinqV = qP + w

Sabemos que w = - PV y que U = qP, por tanto:

U = qP - PV

qP = U + PV

Todas estas son funciones de estado, por lo que definen una nueva funcin (Entalpa)

H = U + PV

H = Hf Hi = U + PV

Si trabajamos a presin y temperatura constante

H = U + PV = qPF. G. Calvo-Flores Diapositiva 29 de 45 Tema 5. Termoqumica

Comparando calores de reaccin

qP = -566 kJ/mol

= H

PV = P(Vf Vi)

= RT(nf ni)

= -2.5 kJ

U = H - PV

= -563.5 kJ/mol

= qV

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Cambios de estado de la materia

H2O (l) H2O(g) H = 44.0 kJ at 298 K

Entalpa molar de vaporizacin:

2 ( ) 2 (g)

Entalpa molar de fusin:

H2O (s) H2O(l) H = 6.01 kJ at 273.15 K

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 31 de 45 Tema 5. Termoqumica

Estados estandard y entalpa estandard

Estados estandardEstados estandard The pure element or compound at a pressure of 1

bar and at the temperature of interest Entalpa estndar de reaccin, H

The enthalpy change of a reaction in which all d d i h i d dreactants and products are in their standard states.

.

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 32 de 45 Tema 5. Termoqumica

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Diagramas de entalpa

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 33 de 45 Tema 5. Termoqumica

Determinacin indirecta H:Ley de Hess

H es una propiedad extensivaL bi d E l di i l Los cambios de Entalpa son directamente proporcionales a la cantidad de sustancia del sistema.

N2(g) + O2(g) 2 NO(g) H = +180.50 kJ

N2(g) + O2(g) NO(g) H = +90.25 kJ

El signo de H cambia cuando revierte el procesoNO(g) N2(g) + O2(g) H = -90.25 kJ

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 34 de 45 Tema 5. Termoqumica

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Ley de Hess

Si un proceso transcurre por etapas la variacin total de la entalpa es la suma de las entalpas de los p pprocesos individuales

N2(g) + O2(g) NO(g) H = +90.25 kJ

NO(g) + O2(g) NO2(g) H = -57.07 kJ

N2(g) + O2(g) NO2(g) H = +33.18 kJ

(g) 2(g) 2(g)

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 35 de 45 Tema 5. Termoqumica

Esquema ley de Hess

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Entalpa de la reaccin de formacin de un

Hf

Entalpas estndar de formacin

Entalpa de la reaccin de formacin de un compuesto a partir de sus elementos en sus estados estndar

Por definicin la entalpa estndar de pformacin de un elemento puro es 0

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 37 de 45 Tema 5. Termoqumica

Entalpa estandard de formacin

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Entalpa estandar de formacin

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 39 de 45 Tema 5. Termoqumica

Entalpas estndar de reaccin

Htotal = -2HfNaHCO3+ HfNa2CO3

+ HfCO2 + HfH2O

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Entalpa de reaccin

Hreac = Hfproductos- Hfreactivos

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 41 de 45 Tema 5. Termoqumica

Table 7.3 Enthalpies of Formation of Ions in Aqueous Solutions

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 42 de 45 Tema 5. Termoqumica

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Combustibles como fuentes de energa

Combustibles fsiles Combustibles fsiles. Combustin es exotrmica. Fuentes no renovables. Impacto medioambiental.

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 43 de 45 Tema 5. Termoqumica

Entropa

Procesos espontneosU i i i Una vez que comienza, sigue su curso sin una influencia externa continua

Entropa (S) Mide el grado de desorden que poseen las

molculas que integran un sistema Procesos espontneos

favorecidos por un H negativo favorecidos por un S positivo

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Energa libre de Gibbs

G = H S- T

Variacin de

entropa

Entalpa de

reaccin

Temperatura

(Kelvin)

o G < 0 Proceso espontneo

o G = 0 Sistema en equilibrio

o G > 0 Proceso no espontneo

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