Tema 3

La energía de las
reacciones químicas
¿Qué nos interesa de una reacción química?
CONTENIDO
1.- Conceptos básicos. Sistemas, variables y procesos.
2.- Energía, calor y trabajo. 1er Principio de la Termodi...
CONTENIDO
1.- Conceptos básicos. Sistemas, variables y procesos.
2.- Energía, calor y trabajo. 1er Principio de la Termodi...
CONTENIDO
1.- Conceptos básicos. Sistemas, variables y procesos.
2.- Energía, calor y trabajo. 1er Principio de la Termodi...
1

CONCEPTOS BÁSICOS.
SISTEMAS, VARIABLES Y PROCESOS.

Sistema: Parte del universo que es objeto de estudio.
Entorno, alre...
Los sistemas se presentan de diferentes formas ⇒ ESTADOS
caracterizados por VARIABLES termodinámicas
(p.ej: T, P, V, m, ρ,...
Funciones de estado
1) Al asignar valores a unas cuantas, los valores de todas
las demás quedan automáticamente fijados.
2...
Cuando alguna de las variables de estado cambia con el tiempo
⇓
PROCESO termodinámico

Tipos de
procesos

• Isotermo
• Isó...
2

ENERGÍA, CALOR Y TRABAJO.
1er PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.

Energía: Capacidad que posee un sistema para
realizar un ...
TRABAJO

 
dW = F ⋅ dr

Unidad S.I.: Julio

Trabajo de expansión/compresión de los gases
dV

dW = − Pext dV
Pint

Pext

...
CALOR
Un sistema cede E en forma de Q si se tranfiere como resultado
de una diferencia de T entre el sistema y el entorno....
ENERGÍA INTERNA

Epot

Ecin

Energía interna
(Suma de energías a nivel molecular)

¿Cómo podemos aumentar U
de un sistema ...
1er Principio de la Termodinámica
∆U = Q + W
3

ENTALPÍA.
H = U + PV

Entalpía
(H)

• Función de estado
• Propiedad extensiva
• Unidades de energía

Proceso a P = cte
...
4

CALOR DE REACCIÓN. LEY DE HESS.
Reacciones
químicas

• Exotérmicas (Q < 0)
• Endotérmicas (Q > 0)

El calor de reacción...
Entalpía de reacción
Incremento de entalpía que tiene lugar durante la reacción
MÉTODOS PARA DETERMINARLA

Método 1

Medir...
1
C (s) + O 2 (g) → CO (g )
2

∆H = ?

C (s) + O 2 (g) → CO 2 (g )

∆H = -393.5 kJ

Método 3

Ley de Hess

El calor interc...
5

ENTALPÍA ESTÁNDAR DE FORMACIÓN.

Estado estándar de una sustancia: su forma pura a 1 bar.
Entalpía de reacción estándar...
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Termodinamica

  1. 1. Tema 3 La energía de las reacciones químicas
  2. 2. ¿Qué nos interesa de una reacción química?
  3. 3. CONTENIDO 1.- Conceptos básicos. Sistemas, variables y procesos. 2.- Energía, calor y trabajo. 1er Principio de la Termodinámica. 3.- Entalpía. 4.- Calor de reacción. Ley de Hess. 5.- Entalpías estándar de formación. 6.- Entalpías de enlace. 7.- Capacidad calorífica. 8.- Variación de la entalpía de reacción con la temperatura.
  4. 4. CONTENIDO 1.- Conceptos básicos. Sistemas, variables y procesos. 2.- Energía, calor y trabajo. 1er Principio de la Termodinámica. 3.- Entalpía. 4.- Calor de reacción. Ley de Hess. Fundamentos de 5.- Entalpías estándar de formación. Termodinámica 6.- Entalpías de enlace. 7.- Capacidad calorífica. 8.- Variación de la entalpía de reacción con la temperatura. Termodinámica: Rama de la Física que estudia el calor, el trabajo, la energía y los cambios que ellos producen en los estados de los sistemas.
  5. 5. CONTENIDO 1.- Conceptos básicos. Sistemas, variables y procesos. 2.- Energía, calor y trabajo. 1er Principio de la Termodinámica. 3.- Entalpía. Aplicación a 4.- Calor de reacción. Ley de Hess. reacc. químicas: 5.- Entalpías estándar de formación. 6.- Entalpías de enlace. Termoquímica 7.- Capacidad calorífica. 8.- Variación de la entalpía de reacción con la temperatura. Termoquímica: Rama de la Química que estudia el calor cedido o absorbido en las reacciones químicas.
  6. 6. 1 CONCEPTOS BÁSICOS. SISTEMAS, VARIABLES Y PROCESOS. Sistema: Parte del universo que es objeto de estudio. Entorno, alrededores, medio ambiente: Resto del universo Tipos de sistemas Abierto Puede intercambiar Cerrado Aislado Materia Energía Materia Materia Energía
  7. 7. Los sistemas se presentan de diferentes formas ⇒ ESTADOS caracterizados por VARIABLES termodinámicas (p.ej: T, P, V, m, ρ, composición química, ...) Tipos de variables Intensivas • No dependen de la cantidad de materia del sistema • Ej: T, P, ρ • No son aditivas Extensivas • Dependen de la cantidad de materia del sistema • Ej: m, V • Son aditivas
  8. 8. Funciones de estado 1) Al asignar valores a unas cuantas, los valores de todas las demás quedan automáticamente fijados. 2) Cuando cambia el estado de un sistema, los cambios de dichas funciones sólo dependen de los estados inicial y final del sistema, no de cómo se produjo el cambio. ∆X = Xfinal –Xinicial Ecuaciones de estado: Relacionan funciones de estado (ej: PV = nRT)
  9. 9. Cuando alguna de las variables de estado cambia con el tiempo ⇓ PROCESO termodinámico Tipos de procesos • Isotermo • Isóbaro • Isócoro • Adiabático • Cíclico (T = cte) (P = cte) (V = cte) (Q = 0) (estado final = estado inicial) •Reversible (sistema siempre infinitesimalmente próximo al equilibrio; un cambio infinitesimal en las condiciones puede invertir el proceso) • Irreversible (Un cambio infinitesimal en las condiciones no produce un cambio de sentido en la transformación).
  10. 10. 2 ENERGÍA, CALOR Y TRABAJO. 1er PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA. Energía: Capacidad que posee un sistema para realizar un trabajo o para suministrar calor. Criterio de signos W>0 W<0 SISTEMA Q>0 Q<0
  11. 11. TRABAJO   dW = F ⋅ dr Unidad S.I.: Julio Trabajo de expansión/compresión de los gases dV dW = − Pext dV Pint Pext V W = − ∫V12 Pext dV [Levine, pg 42]
  12. 12. CALOR Un sistema cede E en forma de Q si se tranfiere como resultado de una diferencia de T entre el sistema y el entorno. Unidad S.I.: Julio 1 cal = 4.184 J El calor no es función de estado No es una propiedad característica del sistema. No es algo que posea el sistema. Es una forma de intercambio de energía, una “energía en tránsito”
  13. 13. ENERGÍA INTERNA Epot Ecin Energía interna (Suma de energías a nivel molecular) ¿Cómo podemos aumentar U de un sistema cerrado? ∆U = Q + W ? • Función de estado • Magnitud extensiva 1) Calentándolo ⇒ calor 2) Realizando un trabajo 1er Principio de la Termodinámica
  14. 14. 1er Principio de la Termodinámica ∆U = Q + W
  15. 15. 3 ENTALPÍA. H = U + PV Entalpía (H) • Función de estado • Propiedad extensiva • Unidades de energía Proceso a P = cte V ∆U = U 2 − U1 = Q + W = Q p − ∫V12 P dV = Q p − P(V2 − V1 ); Q p = U 2 + PV2 − U1 − PV1 = H 2 − H1 = ∆H Relación entre ∆H y ∆U ∆H = ∆U + ∆(PV) Si P=cte ∆H = ∆U + P∆V solo sól/líq ∆H ≅ ∆U
  16. 16. 4 CALOR DE REACCIÓN. LEY DE HESS. Reacciones químicas • Exotérmicas (Q < 0) • Endotérmicas (Q > 0) El calor de reacción se mide con un calorímetro Qv = ∆U = Uprod - Ureac Qp = ∆H = Hprod - Hreac Sí ∆H = ∆U + ∆(nRT) ∆H = ∆U + RT∆n [Petrucci, pg 227] ∆H = ∆U + ∆(PV) ¿Intervienen gases? Si T=cte No ∆H ≅ ∆U
  17. 17. Entalpía de reacción Incremento de entalpía que tiene lugar durante la reacción MÉTODOS PARA DETERMINARLA Método 1 Medir Qp con un calorímetro 1 CO (g) + O 2 (g ) → CO 2 (g ) 2 ∆H = -283 kJ 2 CO (g) + O 2 (g ) → 2 CO 2 (g ) ∆H = -566 kJ 1 CO 2 (g ) → CO (g ) + O 2 (g) 2 ∆H = +283 kJ Método 2 Medir Qv con un calorímetro; ∆H = ∆U+RT∆n
  18. 18. 1 C (s) + O 2 (g) → CO (g ) 2 ∆H = ? C (s) + O 2 (g) → CO 2 (g ) ∆H = -393.5 kJ Método 3 Ley de Hess El calor intercambiado cuando una reacción química se lleva a cabo a T y P constantes es el mismo tanto si la reacción ocurre en una etapa o en varias. C (s) + O 2 (g) → CO 2 (g ) ∆H = -393.5 kJ 1 CO 2 (g) → CO (g) + O 2 (g) ∆H = +283 kJ 2 1 C (s) + O 2 (g ) → CO (g) 2 ∆H = -110.5 kJ Germain Henri Hess (1802-1850) ∆H: función de estado
  19. 19. 5 ENTALPÍA ESTÁNDAR DE FORMACIÓN. Estado estándar de una sustancia: su forma pura a 1 bar. Entalpía de reacción estándar (∆Hº): ∆H cuando los reactivos en sus estados estándar pasan a productos en sus estados estándar respectivos. Entalpía estándar de formación (∆Hfº) de una sustancia: Entalpía estándar de reacción para la formación de un mol de la sustancia a partir de sus elementos en su estado más estable. (Unid: J⋅mol-1) ∆Hfº (C2H5OH, l) a 25ºC = -277.69 kJ⋅mol-1 1 2 C (s, grafito) + 3 H 2 (g ) + O 2 (g) → C 2 H 5OH (l) 2 ∆Hfº (elemento en su estado más estable) = 0

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