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7. Termoquímica
Lección 7. Termoquímica.
» Principios de la transferencia de calor:· Propiedades de estados
· Dirección y signo del flujo de calor
· Magnitud del flujo de calor
» Medidas del flujo de calor; Calorimetría:· Calorímetro sencillo
· Bomba calorimétrica
» Entalpía
» Ecuaciones termoquímicas:· Reglas de la termoquímica
» Entalpías de formación:· Significado de Ho
f
· Calculo de H
» Entalpías de enlace
» Primer principio de la termodinámica
7. Termoquímica
Principios de la transferencia de calor
SISTEMASISTEMA: es aquella parte del universo en la que estamos interesados.
ALREDEDORES:ALREDEDORES: el resto del universo
Universo= Sistema + Alrededores
7. Termoquímica
Principios de la transferencia de calor
Tipos de sistemas:
Abierto
Cerrado
Aislado
7. Termoquímica
Principios de la transferencia de calor
PROPIEDADES DE ESTADOPROPIEDADES DE ESTADO
El estado de un sistema se describe proporcionando su composición, temperatura y presión.
Funciones de estado:
Son aquellas magnitudes que solo dependen del estado
inicial y final del sistema, no de la forma en que el sistema alcanza
ese estado.
7. Termoquímica
Principios de la transferencia de calor
Conservación de la EnergíaConservación de la Energía
En las interacciones entre un sistema y sus alrededores, la energía
total permanece constante.
La energía ni se crea ni se destruye.Dirección y signo del flujo de calor
La energía se transfiere entre el sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura
q es + cuando el sistema absorbe calor de los alrededores
q es - cuando el sistema cede calor de los alrededores
Sistema q 0q 0
7. Termoquímica
Principios de la transferencia de calor
Procesos Endotérmicos y Exotérmicos
Endotérmico (q 0) :
El sistema absorbe calor de los alrededores.
(El reactor en una reacción endotérmica se enfría)
Exotérmico (q < 0) :
El sistema cede calor de los alrededores.
(El reactor en una reacción exotérmica se calienta)
H2O (s) H2O (l) q 0
CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) q < 0
7. Termoquímica
Principios de la transferencia de calor
Caloría (cal)
La cantidad de calor requerido para cambiar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado.
Julio (J)
Unidad de calor en el SI .
1 cal = 4.184 J
Magnitud del Flujo de CalorMagnitud del Flujo de CalorUnidades de energía
La relación entre la magnitud del flujo de calor, q, y el cambio de
temperatura, t, viene dada por la expresión:
q = Ct
C = Capacidad Calorífica Cantidad de calor necesaria para elevar del sistema en 1 ºC.
(Unidades J/ºC)
7. Termoquímica
Principios de la transferencia de calor
q = mcT
c = Calor Específico Cantidad de calor necesaria para elevar en 1 ºC un gramo de una sustancia. (Unidades J/gºC)
Es una propiedad intensiva que puede utilizarse para identificar una
sustancia.
Para una sustancia pura de masa m, podemos escribir:
Sustancia
c (J/gºC)
Agua (l) 4,18
Cu(s) 0.382
Cl2(g) 0.478
Benceno 1,72
NaCl 0.866
7. Termoquímica
Medida del flujo de calor; Calorimetría
La medida del flujo de calor en una reacción se lleva a cabo en
un dispositivo llamado calorímetro.
Paredes aisladas
Vaso interior con agua
Vaso exterior que contiene la reacción
El único flujo de calor se produce
entre el sistema en reacción y el
calorímetro.
El flujo de calor para la reacción
que está ocurriendo en el sistema
es igual en magnitud pero de signo
opuesto al del calorímetro.
qreacción = - qcalorímetro
Un calorímetro sencillo se utiliza para reacciones
en disolución y se cumple:
qreacción = -m x 4.18 (J/gºC) x t
Tapón aislante
Termómetro
Vidrio agitador
7. Termoquímica
Medida del flujo de calor; Calorimetría
Bomba calorimétrica
Agitador
Terminales eléctricos para la ignición de la muestra
Termómetro
Recipiente externo aislado
Agua
Bomba de acero
Recipiente para la muestra
qreacción = - qcalorímetro
qreacción = - Ccalorímetro x t
7. Termoquímica
Entalpía
Entalpía, H:
Para reacciones que tienen lugar a presión constante, el flujo de
calor del sistema reacionante es igual a la diferencia de entalpía. Sólo es
posible medir incrementos de entalpía.
H = Hproductos - Hreactivos = qP
Sistema Sistema
calor calor
Alrededores Alrededores
7. Termoquímica
Entalpía
Diagramas de EntalpíaDiagramas de Entalpía
Reacción Endotérmica
Reacción Exotérmica
Hproductos Hreactivos Hproductos Hreactivos
Reactivos Reactivos
Productos Productos
7. Termoquímica
Ecuaciones termoquímicas
En las ec. termoquímicas deben aparecer las especies
químicas que intervienen en la reacción, el estado y el valor de
H.
NH4NO3 (s) NH4+ (aq) + NO3
- (aq)
H2 (g) + Cl2 (g) 2HCl (g)
H = +28,1 kJ
H = -185 kJ
Reglas de la termoquímica:
1- La magnitud de H es directamente proporcional a la cantidad
de reactivo o producto:
2- El valor de H en una reacción es igual y de signo contrario al
valor de H para la reacción inversa:
CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) H = -802 kJ
2CH4(g) + 4O2(g) 2CO2(g) + 4H2O(g) H = -1604 kJ
CO2(g) + 2H2O(g) CH4(g) + 2O2(g) H = +802 kJ
7. Termoquímica
Ecuaciones termoquímicas
3- El valor de H de una reacción es el mismo si ésta ocurre en
una etapa o en una serie de etapas Ley de Hess
ecuación= ecuación 1 + ecuación 2 + .......
H= H1 + H2 + .....
CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) H = -802 kJ
2H2O(g) 2H2O(l) H = -88 kJ
CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l) H = -890 kJ
Combustión del metano:
CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l) H = -890 kJ
7. Termoquímica
H1 = H2 + H3
Ecuaciones termoquímicas
Diagrama de entalpia para la combustión del metano por otras etapas:
7. Termoquímica
Ecuaciones termoquímicas
½N2(g) + O2(g) → NO2(g) H = +33.18 kJ
½N2(g) + ½O2(g) → NO(g) H = +90.25 kJ
NO(g) + ½O2(g) → NO2(g) H = -57.07 kJ
Reacción de formación del dióxido de nitrógeno
7. Termoquímica
Entalpías de formación
Significado de Hof
La entalpía de formación molar estándar de un compuesto
es igual a la variación de entalpía cuando se forma un mol de
compuesto a presión constante de 1 atm y una temperatura de
25ºC, a partir de los elementos en sus estados estables a esa
presión y Tª.
»La Hof de un elemento en su estado estable es cero:
Hof Br2(l)= 0
Hof H2(g)= 0
Hof C(grafito)= 0
7. Termoquímica
Entalpías de formación
»La Hof de un compuesto a partir de sus elementos es
normalmente una reacción exotérmica:
7. Termoquímica
Entalpías de formación
Entalpías de formación positivas
Entalpías de formación negativas
Entalpías de formación de los elementos
7. Termoquímica
Hof de los iones en disolución acuosa:
Entalpías de formación
7. Termoquímica
reactants products rxnf fH m H n H
Cálculo de Ho
Para una ecuación termoquímica dada, la variación de
entalpía estándar, Ho, es igual a la suma de las entalpías de
formación estándar de los productos menos la suma de las entalpías
de formación estándar de los reactivos.
7. Termoquímica
Cálculo de Ho
Hreacción = + Hf°Na2CO3
+ Hf
°CO2
+ Hf°H2O-2Hf
°NaHCO3
2NaHCO3 (s) H2O (l) + CO2 (g) + Na2CO3 (s)
7. Termoquímica
Entalpías de enlace
La entalpía de enlace se define como H cuando se rompe un mol de enlaces en estado gaseoso.
H2 (g)
+
2H (g) H = + 436 kJ
Cl2 (g) 2Cl (g)
+
H = + 243 kJ
El enlace de H2 es más fuerte que el de Cl2
Entalpía de enlace de un enlace múltiple es mayor que la de un enlace simple entre los mismos átomos:
C-C = 347 kJ/molC=C = 612 kJ/molCC = 820 kJ/mol
7. Termoquímica
Entalpías de enlace
En general,
los enlaces en los reactivos son más fuertes que los
presentes en los productos.
2HF (g) H2 (g) + F2 (g) H = - 2Hf0HF =
+542,2 kJ
Los enlaces del HF (565 kJ/mol) son más fuertes que la media de
los enlaces del H2 y del F2.: (436kJ/mol + 153 kJ/mol)/2 = 295 kJ/mol
4 moles de enlace O-H
2 moles de enlace H-H
1 mol de enlace O-O
+
hay mayor número de enlaces en los reactivos que en los
productos.
2H20 (g) 2H2 (g) + O2 (g) H = - 2Hf0H2O =
+483,6 kJ
7. Termoquímica
Primer principio de la termodinámica
La termoquímica es una parte de la termodinámica.
La termodinámica distingue entre dos tipos de energía :
• el calor (q)
• el trabajo (w)
El término trabajo incluye todas las formas de energía
excepto el calor.
El primer principio de la termodinámica establece que:
“En cualquier proceso, la variación total de energía de un
sistema, AE, es igual a la suma del calor y del trabajo,
transferidos entre el sistema y los alrededores.“
La energía no se crea ni se destruye. La energía del (sistema + los alrededores) es
constante.
EE = = qq + + ww
7. Termoquímica
Primer principio de la termodinámica
Energía gastada
por la pila
Pila cargada
Pila descargada
calor
calor
Trabajo
7. Termoquímica
Primer principio de la termodinámica
Criterios de signos:
Exterior
Exterior
ExteriorExterior
7. Termoquímica
Primer principio de la termodinámica
H vs E
erer Principio: Principio: EE = = qq + + ww
En reacciones a volumen constante, w = 0 E = qv
En reacciones a presión constante H = qp
H = E + PV
En general, para una reacción la diferencia entre H Y E es muy pequeña, y se cumple:
H = E + (PV) = E + (PV)productos- (PV)reactivos
7. Termoquímica
Gasto de energía y balance
energéticoAlimentosAlimentos
Valor combustible = energía obtenida cuando se “quema” un gramo
de sustancia.
1 Caloría nutricional, 1 Cal= 1000 cal= 1kcal
La energía en nuestro cuerpo procede de:
las grasas, los hidratos de carbono y las proteínas.
En el intestino los carbohidratos son convertidos a glucosa:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O, H = -2816 kJ
Las grasas se degradan:
2C57H110O6 + 163O2 114CO2 + 110H2O, H = -75.520 kJ
Las grasas contienen más energía, son insolubles en agua y
constituyen un buen almacén de energía.
7. Termoquímica
Valor combustible
Carbohidratos Grasas Proteínas kJ/g kcal/g
Composición aprox. (% masa)
CarbohidratosGrasasProteínas
ManzanaCervezaPanQuesoHuevosDulce (Fudge)GuisantesHamburguesasLeche (entera)Cacahuetes
Composición y energía de algunos alimentos
Gasto de energía y balance
energético
7. Termoquímica
Combustibles
Composición elemental aproximada
Valor combustible
Madera de pinoCarbón de AntracitaCarbón mineralCarbón vegetalCrudo (Petróleo)GasolinaGas naturalHydrógeno
Tipos de combustibles y su poder energético
7. Termoquímica