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8/6/2019 Energia Libre y Termodinmica (Cap. 17)
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Energa Libre y
Termodinmica(Cap 17)
Dra. Ivelisse PadillaQumica 3132
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Conceptos de termodinmica a
repasar
Sistema
Alrededores
Exotrmico Endotrmico
Cambio de entalpa
Funcin de Estado
Condiciones estndar (1 atm y 1.0M)
Entalpa de formacin estndar ((H0f)
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Substance (H
kJ/mol
Substance (H
kJ/molAl(s) 0 Al2O3 -1669.8
Br2(l) 0 Br2(g) +30.71
C(diamond) +1.88 C(graphite) 0
CO(g) -110.5 CO2(g) -393.5
Ca(s) 0 CaO(s) -635.5
Cu(s) 0 CuO(s) -156.1Fe(s) 0 Fe2O3(s) -822.16
H2(g) 0 H2O2(l) -187.8
H2O(g) -241.82 H2O(l) -285.83
HF(g) -268.61 HCl(g) -92.30
HBr(g) -36.23 HI(g) +25.94I2(s) 0 I2(g) +62.25
N2(g) 0 NH3(g) -46.19
NO(g) +90.37 NO2(g) +33.84
Na(s) 0 O2(g) 0S(s) 0 SO2(g) -296.9
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Ley de Conservacin de la
Energa La energa se transforma, se mueve de lugar a
otro, pero la cantidad total de la misma no cambia.
La energa total del universo es constante.
A esta ley tambin se le conoce como la
1era Ley de Termodinmica
Termodinmica estudia la relacin entre
el calor y otras formas
de energa.
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La energa se transforma
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La energa se transfiere
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La energa se transfiere
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Primera Ley de Termodinmica
Dos formas en las cuales la energa sale de un
sistema a los alrededores (energy tax).
Convertida en calor, q Usada para hacer trabajo, w
(E=q+ w
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Procesos irreversibles
Los procesos espontneos son irreversibles
(proceden en una direccin).
Si el proceso es espontneo en una direccin,
ste debe ser no espontneo en direccin
opuesta.
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Espontaneidad de un proceso
La direccin de la
espontaneidad
puede serdeterminada al
comparar la
energa potencial
del sistema alinicio y al final.
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Espontaneidad de un Proceso
Factores que afectan si un proceso es espontneo:
Cambio en entalpa ((H) Es equivalente al (E del proceso
La entalpa es favorable para reacciones exotrmicas y no favorable parareacciones endotrmicas.
Ley de Hess (Hrxn = 7(n(Hprod) - 7(n(Hreact)
Cambio en entropa ((S) Es una medida del grado de desorden de un sistema
Sistemas desordenados requieren menos energa que los sistemas ordenados.
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2da Ley de Termodinmica
En un proceso espontneo laentropa del universo aumenta.
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Entropa
Se representa con la letra S.
Mide el grado de desorden de un sistema.
A mayor desorden, mayor es la entropa
Es una funcin de estado.
Depende del estado final e inicial del proceso
(S=Sfinal Sinicial
(Suniv=(Ssistema + (Salrededores
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Cambio en entropa ((S)
Para un proceso en el cual la condicin final
es ms desordenado que la condicin inicial,
(Ssistema es positivo.
Entropa favorable
Para un proceso en el cual la condicin final
es ms ordenado que la condicin inicial,
(Ssistema es negativo. Entropa no favorable
y (Ssistema !(Sreaccin =7(nSprod) 7(nSreact)
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Aumentos en Entropa
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Generalidades Importantes
La entropagases > entropa lquidos > entropa slidos.
La entropa molculas grandes > entropa molculas pequeas.
La entropa aumenta con la temperatura.
La entropa de un gas aumenta al aumentar su volumen.
La entropa aumenta con la masa molar.
Reacciones que van acompaadas por un aumento del # de molesde gases en el sistema van acompaadas de un aumento en laentropa.
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Practica #1
Qu sustancia tiene una mayor entropa en
condiciones estndar?
NO2(g) N2O4(g)
I2(g) I2(s)
H2O a 250
C H2O a 750
C
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Practica #2
Prediga si el cambio en entropa es mayor omenor de cero (aumenta o disminuye) en lossiguientes procesos: Congelar etanol
Evaporar bromo lquido
Disolver azcar en agua
Congelar nitrgeno gaseoso de 80 a 200C.
Sublimar el hielo seco
H2O(g) H2O(l) 2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
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(Salrededores y la temperatura
Cuando un sistema es exotrmico aade calor a losalrededores, aumentando as la entropa de losalrededores.
Cuando un sistema es endotrmico remueve calor de losalrededores, disminuyendo as la entropa de losalrededores.
El cambio en la cantidad de entropa de los alrededoresdepende de su temperatura inicial.
A mayor temperatura inicial, menor es la remocin oadicin de calor del sistema.
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Prctica #3
Considere la siguiente reaccin decombustin a 250C y cuyo (Hrx = -2044KJ.
C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(g)
a) Calcule el (Salrededores a 250C.
b) Determine el signo de(Ssistema.c) Determine el signo de(Suniverso. Es la
reaccin espontnea?
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Asignacin
Considere la siguiente reaccin de
combustin a 250C y cuyo (Hrx = +163.2KJ.
2 O2(g) + N2(g) p 2 NO2(g)
a) Calcule el (Salrededores a 250C.
b) Determine el signo de(Ssistema.
c) Determine el signo de(Suniverso. Es la
reaccin espontnea?
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Asignacin
Cuando se calienta el MgCO3 se descompone
de acuerdo a la siguiente reaccin
MgCO3 (s) MgO(s) + CO2(g)
Calcule el (H y (S.
Ser la reaccin espontnea a 298K.
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Tercera Ley de Termodinmica
En un cristal perfecto a 0 Kelvin no existe desorden, es decirque S= 0.
Cuando se gana entropa la sustancia
pasa de cero Kelvin a otras condiciones
definidas.
Todas las sustancias tienen valores positivos
de entropa por encima de cero Kelvin.
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Cambios de Entropa
Suniverso = Ssistema + Salrededores
(Suniverso = (Ssistema + (Salrededores
(S0universo =(S0sistema + (S0alrededores
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Entropa Estndar
Se representa con la letra S0.
Es la entropa que se gana al transformase desdeun cristal perfecto a cero Kelvin a las condiciones
estndar (1 atmsfera, concentracin 1M).
Posee las unidades J/K.mol. Ver tabla 17.2 yApndice IIB.
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Subs n S
J mo -K
Substan S
J mo -K A (s) 28.3 A 2O3(s) 51.00
2( ) 152.3 2(g) 245.3C(d amond) 2.43 C(g aph t ) 5.69
CO(g) 197.9 CO2(g) 213.6
Ca(s) 41.4 CaO(s) 39.75
Cu(s) 33.30 CuO(s) 42.59
F (s) 27.15 F 2O3(s) 89.96
H2(g) 130.58 H2O2( ) 109.6
H2O(g) 188.83 H2O( ) 69.91
HF(g) 173.51 HC (g) 186.69
H (g) 198.49 HI(g) 206.3I2(s) 116.73 I2(g) 260.57
N2(g) 191.50 NH3(g) 192.5
NO(g) 210.62 NO2(g) 240.45
Na(s) 51.45 O2(g) 205.0
S(s) 31.88 SO2(g) 248.5
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Prctica #4
Calcule el (S0rx para la siguiente reaccin. Utilice los
valores tabulados.
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Sustancia Sr, J/molK
NH3(g) 192.8O2(g) 205.2
NO(g) 210.8
H2O(g) 188.8
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Asignacin
Calcule el (S0rx para ls siguiente reaccin.
2H2S
(g) + 3O
2(g)
2H2O
(g) + 2SO
2(g)
Sustancia Sr, J/molK
H2S(g)O2(g) 205.2
SO2(g)
H2O(g) 188.8
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Asignacin
Determine (Srrx para la reaccin:
2 H2(g) + O2(g) p 2 H2O(g).
Substance Sr, J/molK
H2(g) 130.7
O2(g) 205.2
H2O(g) 188.8
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TablaPredecir si un proceso es espontneo
(H0sist < 0 (S0sist > 0 Proceso
espontneo
(H0sist > 0 (S0sist < 0 Proceso noEspontneo
(H0sist < 0 (S0sist < 0 Depende de la
magnitud de (H0 y
(S0 . Es favorable a
temperaturas bajas.(H0sist > 0 (S
0sist > 0 Depende de la
magnitud de (H0 y
(S0 . Es favorable a
temperaturas altas.
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Energa Libre de Gibbs Es la energa mxima disponible para realizar trabajo til.
Se representa con la letra G. G0 en condiciones estndar
Es una funcin de estado.
y (G0reaccin =7(nGfprod) 7(nGfreact)
Se utiliza como criterio para decir si una reaccin esespontnea o no lo es. En condiciones de temperatura ypresin constante:
(G0rx < 0, la reaccin o proceso es espontneo
(G0rx > 0, la reaccin o proceso no es espontneo
(G0rx = 0, la reaccin o proceso se encuentra enequilibrio
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Substance (Gf
kJ/mol
Substance (Gf
kJ/mol
Al(s) 0 Al2O3 -1576.5Br2(l) 0 Br2(g) +3.14
C(diamond) +2.84 C(graphite) 0
CO(g) -137.2 CO2(g) -394.4
Ca(s) 0 CaO(s) -604.17
Cu(s) 0 CuO(s) -128.3Fe(s) 0 Fe2O3(s) -740.98
H2(g) 0 H2O2(l) -120.4
H2O(g) -228.57 H2O(l) -237.13
HF(g) -270.70 HCl(g) -95.27
HBr(g) -53.22 HI(g) +1.30I2(s) 0 I2(g) +19.37
N2(g) 0 NH3(g) -16.66
NO(g) +86.71 NO2(g) +51.84
Na(s) 0 O2(g) 0
S(s) 0 SO2(g) -300.4
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Prctica #6
Utilizando los valores de (G0f, calcule los valores de (G0rx
para las siguientes reacciones:
CH4(g) + 8 O2(g) p CO
2(g) + 2 H
2O(g) + 4O
3(g).
La reaccin es espontnea?
Sustancia (Grf, kJ/mol
CH4(g) 50.5
O2(g) 0.0CO2(g) 394.4
H2O(g) 228.6
O3(g) 163.2
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Asignacin
Utilizando los valores de (G0f, calcule el
valor de (G0rx para la siguiente reaccin:
4NH3(g) + 7O2(g) 4NO2(g) + 6H2O(g)
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Energa Libre de Gibbs
Para un proceso qumico o fsico atemperatura y presin constantes
(Gsist
= (Hsist
- T(Ssist
En condiciones estndar
(G0rx = (H0rx - T(S
0rx
Esta ecuacin se utiliza para predecir laespontaneidad de una reaccin.
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(G, (H, y (S
(G0rx = (H0rx - T(S
0rx
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Prctica #7
Determine el cambio de energa libre estndar ((G0rx)
para la siguiente reaccin a 298 K:
2 H2O(g) + O2(g) p 2 H2O2(g).
Sustancia (Hr, kJ/mol Sr, J/mol
H2O2(g) 136.3 232.7
O2(g) 0 205.2
H2O(g) 241.8 188.8
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Prctica #8
Determine el (G0rx para la siguiente reaccin
a 250C:
SO2(g) +
O2(g)
SO3(g)
Utilice los siguientes mtodos y tablas
correspondientes:
a) (G0rx = (H0rx - T(S0rxb) (G0rx = 7(nGprod) 7(nGreact)
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Asignacin
Utilizando los valores de (H0fy S0, calcule
(G0rx para la siguiente reaccin. Utilice los
siguientes mtodos y tablascorrespondientes:
(G0rx = (H0
rx - T(S0
rx
(G0rx = 7(nGprod) 7(nGreact)
NH3(g) + HNO3(ac) NH4NO3(ac)
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(Gy sus relaciones
Si una reaccin puede ser expresada como
una serie de reacciones, la suma de los
valores de (Gde las reacciones individuales
es el (Gde la reaccin total.
Si una reaccin es inversa, el signo de su (G es el
opuesto.
Si la cantidad de las sustancias es multiplicada porun factor, el valor de (G se multiplica por el mismo
factor.
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Prctica #9
Determine el cambio de energa libre en la siguiente
reaccin a 298 K:
2 H2O(g) + O2(g) p 2 H2O2(g).
Sustancia (Gr, kJ/mol
H2(g) + O
2(g) p H
2O
2(g) 105.6
2 H2(g) + O2(g) p 2 H2O(g) 457.2
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(Gbajo condiciones no estndar
(G=(Gr slo cuando los reactivos y los productosestn en sus condiciones estndar. 1 atm 1 M
250C
Bajo condiciones no estndar (G=(Gr + RTln Q Q es el cociente de reaccin
En equilibrio, (G= 0 (Gr = RTln K