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Química 2009-10 1 Tema 5: Termoquímica F. G. Calvo-Flores Slide 1 of 50 Tema 5. Termoquímica Contenidos 5-1 Terminología 5-2 Energía en los procesos químicos 5-3 Energía cinética y temperatura 5-4 Calor de reacción 5-5 Primer principio de la termodinámica 5-6 Calores de reacción: ΔU and ΔH 5 7 L d H 5-7 Ley de Hess F. G. Calvo-Flores Diapositiva 2 de 45 Tema 5. Termoquímica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 2 de 45 Tema 5. Termoqumica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 3 de 45 Tema 5. Termoqumica

    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

    F. G. Calvo-Flores Slide 6 of 50 Tema 5. Termoqumica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 8 de 45 Tema 5. Termoqumica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 9 de 45 Tema 5. Termoqumica

    Calor de reaccin

    F. G. Calvo-Flores Slide 10 of 50 Tema 5. Termoqumica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 12 de 45 Tema 5. Termoqumica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 14 de 45 Tema 5. Termoqumica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 16 de 45 Tema 5. Termoqumica

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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.

    F. G. Calvo-Flores Slide 17 of 50 Tema 5. Termoqumica

    Bomba Calorimtrica

    qrxn = -qcal

    qcal = qbomb + qwater + qwires +

    Define la capacidad calorfica de un calormetro:

    heatqcal = mici T = C T

    all i

    heat

    F. G. Calvo-Flores Slide 18 of 50 Tema 5. Termoqumica

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    Primer principio de la termodinmica

    F. G. Calvo-Flores Slide 19 of 50 Tema 5. Termoqumica

    Trabajo

    Las reacciones qumicas pueden producir trabajo .

    El gas formado empuja hacia l atmsfera the atmosphere.

    Hay cambio de volmen

    Trabajo Presin-volmen .

    F. G. Calvo-Flores Slide 20 of 50 Tema 5. Termoqumica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 23 de 45 Tema 5. Termoqumica

    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.

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 26 de 45 Tema 5. Termoqumica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 30 de 45 Tema 5. Termoqumica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 36 de 45 Tema 5. Termoqumica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 38 de 45 Tema 5. Termoqumica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 40 de 45 Tema 5. Termoqumica

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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

    F. G. Calvo-Flores Diapositiva 44 de 45 Tema 5. Termoqumica

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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

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