termoquímica y espontaneidad

7/25/2019 Termoqumica y Espontaneidad

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Termoqumica y Espontaneidad

4.1 Conceptos BsicosTermoqumica:Estudia los cambios energticos ocurridos durante las reaccionesqumicas. El calor que se transfere durante una reaccin qumica

depende de la trayectoria seguida puesto que el calor no es una

uncin de estado.

as transormaciones suridas por la materia son casi siempre

acompa!adas por absorcin o liberacin de energa

Espontaneidad:a palabra espontneoes muy usada en nuestro idioma para

e"presaraquello que se reali#a de manera $oluntaria% es decir%

que no ue instado por la uer#a% por agentes e"teriores% o por una

orden% para concretarse. &irectamente se produce y surge de

modo natural.

Estos procesos espontneos son% adems% irre$ersibles% es decir%

no pueden re$ertir sin un aporte energtico e"terno. os productos

no se recombinan espontneamente para dar de nue$o los

reacti$os.

4.' Ecuaciones (ermoqumicasas ecuaciones termoqumicas son aquellas en la que se

representan los cambios materiales y energticos que ocurren en

las reacciones qumicas. En ellas se muestra el estado deagregacin de cada sustancia que inter$iene en la reaccin y el

balance energtico del proceso indicado generalmente como la

$ariacin de entalpa.)or e*emplo+,na orma de obtener o"geno en el laboratorio es descomponer

trmicamente el clorato de potasio KClO3 seg-n la reaccin+2KClO3(s) > 2KCl(s) + 3O2 (g) H =

89, 5 kJ /mol

&onde s/% para slido% g gases/ indican abre$iadamente el estadomaterial de los reacti$os y de los productos.os clculos de las ecuaciones qumicas se aplican de esta manera

no solo a las cantidades de molculas y los moles de las

sustancias que inter$ienen sino tambin a los calores o entalpas

de reaccin% teniendo en cuenta que estos $ienen dados en 0 por

mol 2ilo*ulios por mol/. En la ecuacin anterior% la $ariacin de


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entalpa de la reaccin en 03mol est escrita a la dereca y se

refere a la ecuacin tal cual est escrita. Este calor se desprende

por mol de ecuacin% o por cada dos moles de clorato potsico o

por cada tres moles de o"igeno que se obtiene.Cuando una reaccin qumica ocurre puede liberar energa en

modo de calor al entorno o puede absorber calor del mismo. &eacuerdo con el criterio de signos utili#ados% si sistema cede

energa al entorno se dice entonces que la reaccin es

una reaccin exotrmica

H 0y por el contrario si el sistema de reaccin toma energacalorfca del e"terior la reaccin es una reaccin endotrmicay

entonces H 0

4.5 Calor de 6eaccinas reacciones qumicas pueden ser de dos tipos E"otrmicas y

Endotrmicas.(oda sustancia posee una cantidad de energa almacenada en sus

enlaces.

Exotrmica:Cuando la reaccin sucede con liberacin de calor del centro

acia auera/.

Cuando la energa contenida en los reacti$os es mayor que la

contenida en los productos% tenemos una reaccin e"otrmica

pues sucede liberacin de energa.

Endotrmica:Cuando la reaccin sucede con absorcin de calor desde uera

acia dentro/.


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Cuando la energa contenida en los reacti$os es menor que la

contenida en los productos% tenemos una reaccin endotrmica

pues sucede absorcin de energa.

4.4 )rimer )rincipio de la (ermodinmica,n sistema termodinmico puede intercambiar energa con su

entorno en orma de traba*o y de calor% y acumula energa en

orma de energa interna. a relacin entre estas tres magnitudes

$iene dada por el principio de conser$acin de la energa.)ara establecer el principio de conser$acin de la energa

retomamos la ecuacin estudiada en la pgina dedicada al estudio

de sistemas de partculas que relaciona el traba*o de las uer#as

e"ternas Wext/ y la $ariacin de energa propia U/+

Wext= U7ombramos igual a la energa propia que a la energa

internaporque coinciden% ya que no estamos considerando latraslacin del centro de masas del sistema energa cintica

orbital/.)or otra parte% el traba*o de las uer#as e"ternas es el mismo que

el reali#ado por el gas pero cambiado de signo+ si el gas se

e"pande reali#a un traba*oW/ positi$o% en contra de las uer#ase"ternas% que reali#an un traba*o negati$o8 y a la in$ersa en el

caso de una compresin. 9dems% aora tenemos otra orma de

suministrar energa a un sistema que es en orma de calor /

Wext + = U W + = Uuego la e"presin fnal queda+

= W +

U

Este enunciado del principio de conser$acin de la energa

aplicado a sistemas termodinmicos se conoce como !"#me"

!"#$%#o 'e l e"mo'#$*m#%)ara aclarar estos conceptos consideremos el siguiente e*emplo+

un recipiente pro$isto de un pistn contiene un gas ideal que seencuentra en un cierto estado 9. Cuando desde el e"terior se le

suministra calor al gas ( 0)su temperatura aumenta y seg-n

la ey de oule% su energa interna tambin (U U-)El gas see"pande por lo que reali#a un traba*o positi$o. El primer principio

nos da la relacin que deben cumplir estas magnitudes+
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/energiaint.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/energiaint.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/dinamsist/energiasist2.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/dinamsist/energiasist2.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/trabajo.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/energiaint.html#Joulehttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/dinamsist/energiasist2.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/dinamsist/energiasist2.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/trabajo.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/energiaint.html#Joulehttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/energiaint.htmlhttp://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/energiaint.html


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:i el recipiente tu$iera paredes f*as% el gas no podra reali#ar

traba*o% por lo que el calor suministrado se in$ertira ntegramente

en aumentar la energa interna. :i el recipiente estu$iera aislado

trmicamente del e"terior ; eyes de la (ermoqumica? ey de a$oisier y aplace. Enunciada en 1@A< por a$oisier

y aplace% establece que+ La cantidad de calor necesaria

para descomponer un compuesto qumico es precisamente

igual a la desprendida en la formacin del mismo a partir

de sus elementos.

= W +(U U-)

W Realizado por el

gas W 0 Absorbido por el


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Esta ley se puede simboli#ar mediante+ H 0; ayor que cero

H 0 ; enor que cero.E*emplos+

) - (sol#'o l1.#'o)H#elo-g.

2) - (l1.#'o sol#'o)-g.H#elo

? ey de Dess. Dess en 1A4< enunci una ley undamental de

la termoqumica% seg-n la cual+ la cantidad total de calor

desprendida en una transformacin qumica dada, esto es,

partiendo de un estado inicial y llegando a otro nal

es siempre la misma, independientemente de que aquella

serialice en una o !arias fases.a e"periencia a

demostrado que el calor de ormacin de un compuesto a

partir de sus elementos no depende del mtodo empleado%lo mismo que sucede con la tonalidad.

Es decir% que la suma de los Hde cada etapa de la reaccin nos

dar un $alor igual al Hde la reaccin cuando se $erifca en unasola etapa. Esta ley a sido muy utili#ada para la resolucin de

problemas.


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Por ejemplo:el carbono en orma

de grafto puede o"idarse asta di"ido 1/ o mon"ido '/ de

carbono% por otro lado% el mon"ido de carbono puede o"idarse

asta di"ido 5/. Como se $e a continuacin% la suma de las

entalpas de la reaccin en dos pasos '/ 5/ es igual a la

entalpa de la reaccin en un paso 1/+

() C(g"to) + O2(g) CO2 (g)

H= 393 kJmol 4(2) C(g"to) + O2 CO (g)

H = "### kJmol 4$%& C(g"to) + O2 CO2 (g)

H ' "()(kJmol 4

4.@ Calor de FormacinCalor o entalpa de ormacin+ :e defne como calor de ormacin

a la energa in$olucrada en la ormacin de un mol de compuesto

a partir de sus elementos en su estado estndar. :i este calor es

medido en condiciones standard de presin y temperatura 1 atm%

'=GC/% se conoce como *calor est+ndar de formacin*.

C(s) + O2(g) CO2(g) H06 =

49705 K%l/mol

H2(g) + O2(g) H2O (l) H06 = 4832

K%l/mol H2(g) + 3/2 O2(g) + 2(g) HO3(l) H06

= 4770 K%l/molg= gseoso l= l1.#'o s= sol#'o

4.A Calor de Combustina combustin es una reaccin qumica en la que un elemento

combustible/ se combina con otro comburente% generalmenteo"geno en orma de O2 gaseoso/% desprendiendo calor yproduciendo un "ido8 la combustin es una reaccin e"otrmica

que produce+

H calor al quemar

H lu# al arder.

os tipos ms recuentes de combustible son los materiales


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orgnicos que contienen carbono e idrgeno. El producto de esas

reacciones puede incluir mon"ido de carbono CO/% di"ido de

carbono CO2/% agua H2O/ y ceni#as.El proceso de destruir materiales por combustin se conoce como

incineracin.)ara iniciar la combustin de cualquier combustible% es necesario

alcan#ar una temperatura mnima% llamada temperatura de

ignicin o de inIamacin.

E"isten $arios tipos de combustin% entre los cuales estn la

combustin incompleta y la completa+

H a combustin incompleta% una combustin se considera una

combustin incompleta cuando parte del combustible no reacciona

completamente porque el o"geno no es sufciente. :e reconoce

por una llama amarillenta.

H a combustin completa es cuando todo el carbono de la

materia orgnica quemada se transorma en CO2. :e puedereconocer por la llama a#ul producida por la incineracin del

material.

4.J Energa de EnlaceCuando se orma un enlace qumico estable se desprende una

cierta cantidad de energa% que ser la misma cantidad de energa

que se debe aportar posteriormente para romper el enlace

ormado. 9 esta energa se la denomina entalpa de enlacesi

tiene lugar a presin constante/ o% ms coloquialmente% energa

de enlace. 9s% podemos defnir la entalpa de enlace normal o

estndar como la !ariacin de entalpa o calor liberado" en

condiciones estndar de # atms$era y %&'(" que

acompa)a a la reaccin de $ormacin de un mol de enlaces

a partir de los tomos aislados en estado gaseoso. Como

cuando se orma un mol de enlaces se desprende energa% la

entalpa de enlace de este proceso ser negati$a+

:i en lugar de considerar la reaccin de ormacin de un mol de

enlaces consideramos la reaccin in$ersa% es decir% la disociacin

de un mol de Cl'% la entalpa de dica reaccin tendr la misma

magnitud pero signo contrario+


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Cuanto mayor es el $alor absoluto de energa de enlace% mayor es

la ortale#a de dico enlace. )or e*emplo% para la reaccin de

ormacin de un mol de D' a partir de los tomos de D en estado

gaseoso+

4.1< Espontaneidad de las 6eacciones

:e denominan procesos qumicos espontneos los que tienen lugar deorma natural en unas condiciones determinadas. :obre esto puedenacerse algunas consideraciones+

9lgunos procesos espontneos requieren un estmulo inicial. Esel caso de la reaccin de ormacin del agua.

a espontaneidad no implica nada acerca de la $elocidad de losprocesos. )or e*emplo% la o"idacin del ierro es un proceso

espontneo e"traordinariamente lento. :i una reaccin es espontnea en determinadas condiciones% la

reaccin in$ersa no lo es en esas mismas condiciones. 9s% ladescomposicin del agua mediante electrlisis no esespontnea% sino que necesita suministro de energa elctrica yla reaccin se detiene cuando se interrumpe el paso de lacorriente elctrica.

a mayor parte de los procesos espontneos son e"otrmicos.:in embargo% e"isten e"cepciones% como la usin del ielo% quees un proceso endotrmico y espontneo.

E"isten reacciones no espontneas a ba*as temperaturas% pero

que s lo son a temperaturas ele$adas. Es el caso de ladescomposicin del carbonato de calcio.

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elementos en sus estados estndares o"genogas% carbonoslido

en orma de grafto% etc./ tienen una entalpa estndar de

ormacin de cero% dado que su ormacin no supone ning-n

proceso.a $ariacin de entalpa estndar de ormacin se usa en

termoqumica para encontrar la $ariacin de entalpa estndar dereaccin. Esto se ace restndole la suma de las entalpas

estndar de ormacin de los reacti$os a la suma de las entalpas

estndar de ormacin de los productos% como se muestra en la

siguiente ecuacin.&nde+M signifca LestndarLr Lde reaccinL Lde ormacinLa entalpa estndar de ormacin es equi$alente a la suma de

$arios procesos por separado incluidos en el ciclo de BornNDaberde las reacciones de sntesis. )or e*emplo% para calcular la

entalpa de ormacin del cloruro de sodio% usamos la siguiente

reaccin+

(s) + () Cl2(g) < Cl(s)Este proceso se compone de mucos subNprocesos

independientes% cada uno con su propia entalpa. )or ello

tendremos en cuenta+ a entalpa estndar de sublimacindel sodio slido

a primera energa de ioni#acindel sodio gaseoso

a entalpa de disociacin del cloro gaseoso

a afnidad electrnicade los tomos de cloro

a energa reticulardel cloruro de sodioa suma de todos estos $alores nos dar el $alor de la entalpa

estndar de ormacin del cloruro de sodio.

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En las reacciones endotrmicas se absorbe calor/ disminuye la

entropa del entorno.E*emplos de reacciones qumicas espontaneasM"idacin del ierro e"puesto a la intemperie+

2 e (s) + 3/2 O2+ 3 H2O (l) 2 e (OH)3(s)

H = 49 kJCombustin de una cerilla al rotarla+

!7?3 (s) + 8 O2(g) !7O0(s) + 3 ?O2(g)

H = 420 kJPnIamacin de una me#cla de o"igeno e idrogeno en presencia

de una cispa+

2 H2(g) + O2(g) 2 H2O (l)

H = 452 kJ

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7adie pone en duda el aumento de la temperatura global% lo que

toda$a genera contro$ersia es la uente y ra#n de este aumento

de la temperatura. 9un as% la mayor parte de la comunidad

cientfca asegura que ay ms que un J


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como el di"ido de carbono y el metano% debido a la acti$idad

umana.Este enmeno e$ita que la energa solar recibida constantemente

por la (ierra $uel$a inmediatamente al espacio% produciendo a

escala mundial un eecto similar al obser$ado en un in$ernadero.

ases de Efecto /n!ernadero $E/&Qases integrantes de la atmsera% de origen natural y

antropognico% que absorben y emiten radiacin en determinadas

longitudes de ondas del espectro de radiacin inrarro*a emitido

por la superfcie de la (ierra% la atmsera% y las nubes. Esta

propiedad causa el eecto in$ernadero. El $apor de agua D'M/%

di"ido de carbono CM'/% "ido nitroso 7'M/% metano CD4/% y

o#ono M5/ son los principales gases de eecto in$ernadero en la

atmsera terrestre. 9dems e"iste en la atmsera una serie de

gases de eecto in$ernadero totalmente producidos por el ombre%como los alocarbonos y otras sustancias que contienen cloro y

bromuro% de las que se ocupa el )rotocolo de ontreal. 9dems

del CM'% 7'M% y CD4% el )rotocolo de 2iyoto aborda otros gases de

eecto in$ernadero% como el e"aIuoruro de a#ure :F>/% los

idroIuorocarbonos DFC/% y los perIuorocarbonos )FC/.as molculas de los QEP tienen la capacidad de absorber y re

emitir las radiaciones de onda larga esta es la radiacin inrarro*a%

la cual% es eminentemente trmica/ que pro$ienen del sol y la que

reIe*a la superfcie de la (ierra acia el espacio% controlando elIu*o de energa natural a tra$s del sistema climtico. El clima

debe de alg-n modo a*ustarse a los incrementos en las

concentraciones de los QEP% que genera un aumento de la

radiacin inrarro*a que es absorbida por los QEP en la capa inerior

de la atmsera la troposera/% en orden a mantener el balance

energtico de la misma. Este a*uste generar un cambio climtico

que se maniestar en un aumento de la temperatura global

reerido como calentamiento global/ que generar un aumento en

el ni$el del mar% cambios en los regmenes de precipitacin y en la

recuencia e intensidad de los e$entos climticos e"tremos tales

como tormentas% uracanes% enmenos del 7i!o y la 7i!a/% y se

presentar una $ariedad de impactos sobre dierentes

componentes% tales como la agricultura% los recursos dricos% los

ecosistemas% la salud umana% entre otros.


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