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Guía para el docente Reactividad y equilibrio químico
Energía en las reacciones químicas
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Guía para el docente
Descripción curricular:
- Nivel: 3.º Medio
- Subsector: Ciencias químicas
- Unidad temática: Reactividad y equilibrio químico
- Palabras clave: entalpía, entropía, energía libre de Gibbs, espontaneidad de la reacción,
reacciones exotérmicas, reacciones endotérmicas, energía.
- Contenidos curriculares: Reactividad y equilibrio químico
- Factores energéticos asociados a la reactividad y al equilibrio químico:
espontaneidad, energía libre y entropía; reacciones exotérmicas y
endotérmicas. Estequiometría.
- Contenidos relacionados:
- 1.º Medio:
El aire. Teoría cinético molecular
Los procesos químicos
- 2.º Medio:
Modelo atómico de la materia
Disoluciones químicas
- 3.º Medio:
Reactividad y equilibrio químico
Cinética química
- 4.º Medio:
Procesos químicos industriales
- Aprendizajes esperados:
- Identifican reacciones y procesos exotérmicos y endotérmicos que
ocurren en la vida cotidiana;
- distinguen entre procesos espontáneos y no espontáneos;
- conocen ejemplos de reacciones químicas espontáneas que ocurren en
el entorno;
- reconocen en su significado y aplicación a casos muy simples los conceptos
de entalpía, entropía y energía libre;
- relacionan a las reacciones químicas con intercambios de energía.
Aprendizajes esperados de esta actividad:
- Comprenden el significado de la entalpía, entropía y energía libre de Gibbs.
Guía para el docente Reactividad y equilibrio químico
Energía en las reacciones químicas
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- Hacen cálculos de entalpía, entropía y energía libre de Gibbs.
- Determinan la espontaneidad de una reacción química.
- Determinan si una reacción química es exotérmica o endotérmica.
- Comienzan a identificar la entalpía, entropía y energía libre de Gibbs como
variables que gobiernan todos los procesos.
Recursos digitales asociados de www.educarchile.cl:
- Ficha 17: Termodinámica: entalpía, entropía, energía libre.
- Diapositivas digitales (ppt): Química NM3 “Reactividad y equilibrio químico”
Actividad propuesta para este tema:
En esta actividad los estudiantes calculan valores del cambio de entalpía, entropía y energía libre
de una reacción química, y con ellos identifican si el proceso es endotérmico o exotérmico,
espontáneo o no. Finalmente, reflexionan sobre las leyes de la termodinámica aplicadas en
procesos cotidianos.
Actividad: Energía en las reacciones químicas
1. Mapa de contenidos tratados
Guía para el docente Reactividad y equilibrio químico
Energía en las reacciones químicas
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2. Desarrollo de la actividad: Energía en las reacciones químicas
Paso 1
Esta actividad se debe realizar después de revisar contenidos de
termodinámica. Los estudiantes deben conocer las variables termodinámicas
como entalpía, entropía y energía libre; por otra parte, deben haber revisado
las leyes de la termodinámica.
Comiencen la actividad repasando tales conceptos. Aquellos valores de entalpía
que determinan si una reacción libera o requiere de energía térmica, y aquellos
valores de entropía y energía libre que determinan la espontaneidad de la
reacción.
Es importante que los estudiantes diferencien entre la espontaneidad de una
reacción y su velocidad (cuánto demora en obtener productos): hay reacciones
que son espontáneas, pero demoran años o miles de años en ocurrir
realmente.
Para la reacción que ocurre a 25 ºC:
)(2)(2)(2)( gggg HCOOHCO +⎯→⎯+
Y utilizando los siguientes datos:
- ∆Hºf CO2 = -393,5 kJ/mol
- ∆Hºf CO = -110,5 kJ/mol
- ∆Hºf H2O= -241,8 kJ/mol
a) Determina si la reacción es exotérmica o endotérmica.
Para determinar si la reacción es exotérmica o endotérmica se debe conocer
la diferencia de entalpía de ésta. Para esto se deben utilizar los datos dados:
)(2)(2)(2)( gggg HCOOHCO +⎯→⎯+
KJHmolKJmolmolKJmolmolKJmolmolH
OHHmolCOHmolCOHmolHHmolH ffff
2.41º)]/8.241)(1()/5.110)(1[()]/5.393)(1()0)(1[(º
)](º)1()(º1[)](º)1()(º)1[(º 222
−=∆−+−−−+=∆
∆+∆−∆+∆=∆
∆Hº < 0, la reacción es exotérmica.
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Energía en las reacciones químicas
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b) Determina si la reacción es espontánea o no, considerando que la ∆Sº
de la reacción es -42 J/K y la expresión: ∆Gº=∆Hº-T∆Sº.
Como observas en este ejercicio, la entropía es menor que cero, lo que
indicaría que la reacción no es espontánea. Sin embargo, debes fijarte en el
valor de energía libre de la reacción para saber qué es lo que ocurre realmente
debido a que la espontaneidad de la de ésta y por tanto la energía libre
dependen también de la temperatura.
Para este caso, observa el valor de energía libre a 25 ºC.
Para conocer si la reacción es espontánea se debe conocer el valor de ∆Gº,
para lo que se utiliza la expresión ∆Gº=∆Hº-T∆Sº.
JxKJKJx
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1087.2Gº)/42)(298(102.41Gº
SºHº-TGº
−=∆
−−−=∆
∆∆=∆
∆Gº < 0, la reacción es espontánea a 25 ºC, a pesar de que la entropía es
negativa.
c) Suponiendo que la entalpía y la entropía son independientes de la
temperatura, calcula el valor de la energía libre a 800 ºC. Observa ahora
el valor de la energía libre. ¿Es espontánea esta reacción a 800 ºC?
Para realizar este cálculo se necesita la misma expresión que la utilizada
anteriormente.
JKJKJx
4706Gº)/42)(1093(102.41Gº
SºHº-TGº3
=∆−−−=∆
∆∆=∆
∆Gº > 0, la reacción no es espontánea a 800 ºC, sólo lo es a bajas
temperaturas.
Luego de revisar los ejercicios, puede aclararles a sus estudiantes que para
que una reacción sea definitivamente espontánea en el sentido que indica la
reacción, ∆Sº debe ser mayor que cero, y ∆Gº menor que cero. Sin embargo,
hay reacciones en las que ∆Sº es menor que cero y dichas reacciones son
espontáneas solamente a bajas temperaturas.
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Energía en las reacciones químicas
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Paso 2
La siguiente parte de la actividad ayudará a los estudiantes a comprender
mejor las leyes de la termodinámica y los conceptos aquí revisados.
En la guía se proponen dos ejemplos en los que se ilustra que aquellos
procesos que tienden al desorden gastan menor cantidad de energía y por
tanto son espontáneos, versus aquellos procesos.
Sugerimos leerlos y luego generar una discusión en torno a procesos de la vida
diaria que son espontáneos y otros que no lo son.
Por ejemplo:
- Todas las cosas que nos rodean tienden a estar en equilibrio térmico,
esto es a la misma temperatura que el medio ambiente. Cambiar esta
temperatura requerirá energía.
- Situaciones como poner un hielo a 20 ºC son espontáneas (tendrán ∆G
> 0) y son endotérmicas (requieren energía, tendrán ∆H > 0).
- Oxidación de algunos metales en zonas costeras.
- Disolver una pastilla efervescente.
Paso 3
Puede cerrar esta actividad aclarando dudas acerca de la entalpía, la entropía y
la energía libre.
Así mismo, puede mostrar la presentación digital referida a este tema
disponible en educarchile.cl (Química NM3, “Reactividad y equilibrio químico”).
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