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Termoquímica: Flujo de energía y cambio químico

Universidad de La Frontera Fac. Ing. Cs. y Adm. Dpto. Cs. Químicas. Termoquímica: Flujo de energía y cambio químico. Prof. Josefina Canales. Un sistema químico y sus alrededores. McGraw-Hill, Universidades / Stephen Frisch, fotógrafo. Energía solar diaria. que cae sobre la tierra.

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Termoquímica: Flujo de energía y cambio químico

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Presentation Transcript

  1. Universidad de La FronteraFac. Ing. Cs. y Adm.Dpto. Cs. Químicas Termoquímica: Flujo de energía y cambio químico Prof. Josefina Canales

  2. Un sistema químico y sus alrededores McGraw-Hill, Universidades / Stephen Frisch, fotógrafo

  3. Energía solar diaria que cae sobre la tierra Energía de un terremoto fuerte Energía eléctrica diaria de salida de la presa Hoover 1000 toneladas de carbón que se queman 1 tonelada de TNT que explota 1 kilowatt hora de energía eléctrica Calor liberado de la combustión de un mol de glucosa 1 caloría (4.184 J) Calor absorbido durante la división de una célula bacterial Energía de la fisión de un átomo 235 U Energía cinética promedio de una molécula de aire a 300 K Algunas cantidades interesantes de energía

  4. Primera ley de la termodinámica ( Ley de la conservación de la energía ) “La energía total del universo es constante” Universo = ESistema + EAlrededores = 0

  5. Cambio en la entalpía = H La entalpía se define como la energía interna del sistema mas el producto de su presión y su volumen. H = E + PV Para un cambio en la entalpía: H = E + PV Para reacciones exotérmicas y endotérmicas: H = H final - H inicial = H productos - H reactivos Exotérmica : H final H inicial H 0 Endotérmica : H final H inicial H 0

  6. Diagramos de entalpía para procesos endotérmicos y exotérmicos CH4 + 2O2 H2O(l) Hfinal Hinicial Entalpía, H Entalpía, H H = -285.8 Kj Exotérmico Calor que sale H = +40 Kj Endotérmico Calor que entra CO2 + 2H2O H2O(s) Hfinal Hinicial

  7. Gases Sublimación Deposición H0sub Condensación - H0vap - H0sub Evaporación H0vap Líquidos Congelamiento - H0fus Fusión H0fus Sublimación Deposición Sólidos

  8. Dibujo de diagramas de entalpía y determinación del signo de H - I Problema: En cada uno de los siguientes casos, determine el signo de H y si la reacción es exotérmica o endotérmica, y dibuje un diagrama de entalpía para cada reacción. a) CH4 (g) + 2 O2 (g) CO2 (g) + 2 H2O(g) + 802 kJ b) Ba(OH)2 2H2O(s)+ 2 NH4SCN(s) + 62 kJ Ba(SCN)2 (ac) + 2 NH3 (g) + 4 H2O(L) Plan: Inspeccionamos cada ecuación para ver si el calor es un producto (exotérmico) o un reactivo (endotérmico) en la reacción. Para reacciones exotérmicas, los reactivos están sobre los productos en el diagrama de entalpía, el inverso aplica para reacciones endotérmicas. La flecha H siempre apunta de los reactivos a los productos. .

  9. Dibujo de diagramas de entalpía y Determinación del signo de H - II Solución: a) El calor está en el lado de los productos, por lo tanto, la reacción es exotérmica y H es negativo. b) El calor está en el lado de los reactivos, por lo tanto, la reacción es endotérmica y H es positivo. CH4 (g) + 2O2 (g) Reactivos H H = - 802 kJ exotérmica Productos CO2 (g) + 2H2O(g) Ba(SCN)2 (ac) + 2NH3 (g) + 4 H2O(L) Productos H = +62 kJ endotérmica H . Reactivos Ba(OH)2 2H2O(s) + 2NH4SCN(s)

  10. Entalpías especiales en reacciones Cuando un mol de una sustancia se combina con oxígeno en una reacción de combustión, el calor de la reacción es calor de combustión( Hcomb): C3H8 (g) + 5 O2 (g) 3 CO2 (g) + 4 H2O(g) H = Hcomb Cuando un mol de una sustancia se produce a partir de sus elementos, el calor de la reacción es el calor de formación( Hf ) : H = Hf Ca(s) + Cl2 (g) CaCl2 (s) Cuando un mol de una sustancia se funde, el cambio de entalpía es el calor de fusión ( Hfus) : H2O(s) H2O(L) H = Hfus Cuando un mol de una sustancia se evapora, el cambio de entalpía es el calor de evaporación( Hvap) : H2O(L) H2O(g) H = Hvap

  11. Calores de combustión (Hcomb) de algunos compuestos de carbono Nombre (Fórmula) Fórmula estructural Hcomb (kJ/mol) Hcomb (kJ/g) Suma de enlaces C-C y C-H Suma de enlaces C-O y O-H Compuestos de dos carbonos 7 0 -1560 -51.88 Etano (C2H6) Etanol (C2H5OH) 6 2 -1367 -29.67 Compuestos de un carbón 4 Metano (CH4) 0 -890 -55.5 3 -727 -22.7 2 Metanol (CH3OH)

  12. Calores de combustión de algunas grasas y carbohidratos Sustancia Hcomb(kJ/mol) Grasas Aceite vegetal 37.0 Margarina 30.1 Mantequilla 30.0 Carbohidratos Azúcar de mesa (sacarosa) 16.6 Arroz integral 14.9 Jarabe de maple 10.4

  13. Resumen de la relación entre cantidad (mol) de sustancia y el calor (kJ) transferido durante una reacción Relación molar de la ecuación balanceada Hreac(kJ/mol) CANTIDAD (mol) del compuesto A CANTIDAD (mol) del compuesto B CALOR (kJ) ganado o perdido

  14. Ley de Hess de suma del calor El cambio de entalpía de un proceso completo es la suma de los cambios de entalpía de sus pasos individuales Ejemplo: Problema: Calcule la energía involucrada en la oxidación del azufre elemental al trióxido de azufre de las siguientes reacciones: 1) S (s) + O2 (g) SO2 (g) H1 = -296.8 kJ 2) 2 SO2 (g) + O2 (g) 2 SO3 (g) H2 = -198.4 kJ 3) S (s) + 3/2 O2 (g) SO3 (g) H3 = ?

  15. Ley de Hess de suma del calor - I Para obtener la ecuación #3 debemos agregar la primera ecuación cuatro veces a la reacción #2, y sumarlas: S (s) + O2 (g) SO2 (g) H1 = -296.8 kJ + 1/2 x [ SO2 (g) +1/2 O2 (g) SO3 (g)] 1/2 H2 = -99.2 kJ S (s) + 3/2 O2 (g) + SO2 (g) SO2 (g) + SO3 (g) H3 = -296.8 +(-99.2) = -396.0 kJ S (s) + 3/2 O2 (g) SO3 (g) Hf (SO3) = -396.0 kJ/mol

  16. Aplicación de la ley de Hess: Formación de WC - I Problema: Cual es la entalpía de reacción, H, para la formación de carburo de tungsteno, WC, de los elementos? Dadas las ecuaciones: 1) 2 W(s) + 3 O2 (g) 2 WO3 (s) H = -1680.6 kJ 2) C(grafito) + O2 (g) CO2 (g) H = -393.5 kJ 3) 2 WC(s) + 5 O2 (g) 2 WO3 (s) + 2 CO2 (g) H = - 2391.6 kJ Plan: Necesitamos reordenar las tres ecuaciones para poder sumarlas, Y obtener la reacción para la formación del carburo de tungsteno a partir de los elementos. Solución: La ecuación para la producción de carburo de tungsteno de los elementos: W(s) + C(grafito) WC(s) H = ? Para obtener la formación, tendremos que cambiar la ecuación #3, que cambiará su H de negativo a positivo

  17. Aplicación de la ley de Hess: Formación de WC - II Debemos agregar 1/2 de la ecuación #1 a la ecuación #2, después agregar 1/2 de la ecuación #3 inversa para obtener la ecuación completa deseada: 1/2 ecuación #1 W(s) + 3/2 O2 (g) WO3 (s) H = - 840.3 kJ ecuación #2 C(grafito) + O2 (g) CO2 (g) H = - 393.5 kJ 1/2 ecuación #3 WO3 (s) + CO2 (g) WC(s) + 5/2 O2 (g) inversa H = 1195.8 kJ W(s) + C(grafito) WC(s) H = - 38.0 kJ

  18. Elementos Descomposición Formación Entalpía, H Reactivos H0reac Productos H0reac = m H0f(productos) + n H0f(reactivos) El proceso general para determinar H0reac a partir de los valores de H0f La combustión del metano ocurre con un decremento en la entalpía porque el calor deja el sistema . Por tanto H final < H inicial y el proceso es Exotérmico. La fusión del hielo ocurre con un incremento en la entalpia porque el calor entra el sistema. Como H final > H inicial el proceso es endotermico

  19. -45.9 90.3

  20. Calores de reacción de entalpías de formación estándares Calcule Horxn a partir de los valores Hfo Calculo Horxn : 4 Hfo [NO (g) + 6 Hfo [H2O (g) ) - ( 4 Hfo NH3 (g) ) + 5 Hfo O2 (g) 4NH3 (g) + 5 O2 (g)-----> 4 NO (g) + 6H2O (g) Vemos los valores Hfo de la Tabla 4 mol (90.3) kJ/mol) + 6 mol (-241.8 kJ/mol)-(4mol (-45.9 kJ/mol) + 5 mol (0 kJ/mol))361 kJ - 1451 kJ + 184 kJ - 0 kJ = -906 kJ

  21. Calores de reacción de entalpías de formación estándares Problema: El metanol (CH3OH) se usa como combustible en motores de alto rendimiento para autos de carreras. Usando los datos de las entalpías de formación, compare la entalpía de combustión estándar por gramo de metanol con la de la gasolina (considere que la gasolina es octano líquido, C8H18). Plan: Escriba las ecuaciones para la combustión de ambos combustibles, encuentre las entalpías de formación de los compuestos, y encuentre el calor de combustión de cada combustible, y obtenga el calor por gramo. Solución: a) Metanol : 2 CH3OH(L) + 3 O2 (g) 2 CO2 (g) + 4 H2O (L) Hocombustión = 2 x Hof[ CO2 (g)] + 4 x Hof[ H2O(L)] - 3 x Hof[ O2 (g)] - 2 x Hof[ CH3OH(L)]

  22. Calores de reacción de entalpías de formación estándares a) Metanol - cont. Hocombustión = 2 x ( - 394 kJ) + 4 x ( - 286 kJ) - 3 x ( 0 kJ) - 2 x ( - 239kJ) Hocombustión = - 1454 kJ dos moles de metanol pesan 2 x 32.0 g/mol por tanto energía por gramo = -1454 kJ = -22.7 kJ/g b) Octano : 64.0 g/mol 2 C8H18 (L) + 25 O2 (g) 16 CO2 (g) + 18 H2O(L) Hocombustión = 16 x Hof[ CO2 (g)] + 18 x Hof[ H2O(L)] - 2 x Hof[ C8H18 (L)] - 25 x Hof[O2 (g)] Hocombustión = 16 x ( -394 kJ) + 18 x ( -286 kJ) - 2 x ( -296 kJ) - 1 x (0) Dos moles de octano pesan 2 x 114.2 g/mol = 228.4 g Hocombustión = - 1.09 x 104 kJ Entonces energía por g = -10900 kJ = -47.8 kJ/g 228.4g

  23. FIN

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