TEMA 6 Termoquímica Y Equilibrio Quimico V2 - UNAM

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICOFACULTAD DE INGENIERÍADIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICASTEMA 6Termoquímica y Equilibrio QuímicoAna Laura Pérez MartínezAcademia de Química; 2016‐2Ana Laura Pérez Martínez1

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Antecedentes necesarios para abordarlos temas: Sistema internacional de unidades.Estados físicos de la materia.Unidades de concentración.Cálculos estequiométrico.– Rendimiento porcentual.– Reactivo limitante y reactivo en exceso.– Gases. Condiciones estándar.Ana Laura Pérez Martínez2

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16DefiniciónTermoquímicaLa termoquímica es unaárea de la termodinámicaque se ocupa del estudio delos cambios de energíaprovocados por cambiosfísicos o reaccionesquímicas.Ana Laura Pérez Martínez3

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Ley de la conservación de la energía“La energía puede transformarse de una forma aotra, pero la cantidad total de energíapermanece constante”Energía totalEnergía internaEnergía cinéticaE (1/2) mv2Energía potencialEnergía que posee un sistema en virtud de su posición o composición(distribución de sus átomos o moléculas)La energía tiene unidades de [J] (joule) según el SI.1[J] 1[km2/s2]Ana Laura Pérez Martínez4

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Calor (q)Energía que fluye desde un sistema o hacia elmismo, a causa de una diferencia detemperatura entre el sistema termodinámico ysus alrededores.Por convenciónSistema termodinámica:Porción del universo que seelige para su estudioAna Laura Pérez MartínezSí el sistema ganaenergía el calor espositivo ( q)Sí el sistema pierdeenergía o cede energía elcalor es negativo (‐q)5

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16El calor en las reacciones químicas2H2 (g) O2 (g)Las reacciones químicassiempre se acompañan decambios de energía.2H2O (l) energía-qEs la cantidad de calorque debe seradicionado o removidodurante una reacciónquímica.energía 2HgO (s)2Hg (l) O2 (g) qAna Laura Pérez Martínez6

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Entalpia (H)Variación que expresa unamedida de la cantidad deFinenergía absorbida ocedida por un sistematermodinámico, es decir,la cantidad de energía queInicioun sistema puedeFunción de estado: propiedad quees determinada por el estado delintercambiar con susistema sin importar la trayectoria.entorno. Es una propiedadextensiva de una sustanciay una función de estado. H H (final) – H (inicial)Ana Laura Pérez Martínez7

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Entalpia de reacción( Hreacción entalpia de reacción).Iniciofin Hreacción Hproductos – Hreactivos H 0 H positiva(Cambio endotérmico)Ana Laura Pérez Martínez H 0 H negativa(Cambio exotérmico)8

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Ecuaciones termoquímicasEs la ecuación química para una reacción a la cual se le da unainterpretación molar y la entalpia de reacción para estascantidades molares se escribe directamente después de lareacción.La entalpia de reacción se puede ver afectado por: Temperatura Presión Estados físicos de los reactivos y los productos sólido (s) gas (g) líquido (l) acuoso (ac).H2O (s)Ana Laura Pérez MartínezH2O (l) H 6.01 [kJ]9

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Ecuación termoquímicaLos estados físicos de todos los reactivos yproductos debe ser especificado para elcálculo de Hreacción.H2O (s)H2O (l) H 6.01 kJH2O (l)H2O (g) H 44.0 kJ¿Qué cantidad de calor esta involucrado en 266 [g] de fósforoblanco (P4) quemado en aire?P4 (s) 5O2 (g)266 [g] P4 xAna Laura Pérez MartínezP4O10 (s) H ‐3013 [kJ]1 [mol] P4x ‐3013 [kJ]123.9 [g] P41 [mol] P4 ‐6470 [kJ]10

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16DeterminaciónEntalpia de reacciónEntalpia de Reacción HreacciónMétodo DirectoEntalpia de formaciónestándarMétodo IndirectoLey de Hess H f (tablas)Ana Laura Pérez Martínez11

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Entalpia de reacciónMétodo directoEntalpia estándar de formación H fConsideraciones: Los valores de entalpias estándar de formación se encuentranreportados en tablas. Es importante tomar en cuenta el estado físico de la sustancia. La reacción química debe de estar balanceada. Los elementos en estado elemental tienen Hf 0El estado estándar de una sustancia es la formamás estable a 298.15K (25 C) y1 atmósfera (1 atm) de presión.Ana Laura Pérez Martínez12

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMAna Laura Pérez Martínezmay.‐1613

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16La combustión de benceno líquido (C6H6) produce dióxido de carbono gaseoso y agualíquida. ¿Qué cantidad de calor es desprendido por un mol de benceno?La entalpía de formación estándar del benceno es de 49.04 kJ/mol.C6H6 (l) O2 (g)2C6H6 (l) 15O2 (g)CO2 (g) H2O (l)12CO2 (g) 6H2O (l) H0 [ 12 H0 (CO2) 6 H0 (H2O)] ‐rff Hr0 ¿Qué cantidad de calores desprendido por molde benceno?Ana Laura Pérez Martínez[ 2 H0 (C6H6)]f[ 12(–393.5) 6(–187.6) ] – [ 2(49.04) ] ‐59461 [mol] C6H65946 [kJ]2 [mol] C6H6[kJ] 2973 [kJ]14

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Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16La combustión de benceno líquido (C6H6) produce dióxido de carbono gaseoso y agualíquida. ¿Qué cantidad de calor es desprendido por mol de benceno?La entalpía de formación estándar del benceno es de 49.04 kJ/mol.C6H6 (l) O2 (g)2C6H6 (l) 15O2 (g)CO2 (g) H2O (l)12CO2 (g) 6H2O (l) H0 [ 12 H0 (CO2) 6 H0 (H2O)] ‐rff Hr0 ¿Qué cantidad de calores desprendido por molde benceno?Ana Laura Pérez Martínez[ 2 H0 (C6H6)]f[ 12(–393.5) 6(–187.6) ] – [ 2(49.04) ] ‐59461 [mol] C6H65946 [kJ]2 [mol] C6H6[kJ] 2973 [kJ]16

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Ley de HessMétodo indirecto(Germain Henri Hess 1802‐1850)Si una serie de reactivos reaccionanpara dar una serie de productos, elcalor de reacción liberado oabsorbido es independiente de si lareacción se lleva a cabo en una, dos omás etapas, por lo tanto los cambiosde entalpía son aditivos:FinΔHtotal ΣΔHr.InicioAna Laura Pérez Martínez17

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Ley de HessMétodo indirectoEjemplo:El carbono en forma de grafito puede oxidarse hasta dióxidode carbono (CO2) en una sola etapa (1) o en dos etapaspasando por monóxido de carbono (CO) (2) y luego seguir laoxidación hasta dióxido de carbono (3).Una etapa Dos etapasAna Laura Pérez Martínez18

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Ley de HessMétodo indirectoCalcular la entalpía de formación de CS2 (l) a partir de:C(grafito) O2 (g)S(rómbico) O2 (g)CS2(l) 3O2 (g) H0r ‐393.5 [kJ]CO2 (g) Hr0 ‐296.1 [kJ]SO2 (g) H0r ‐1072 [kJ]CO2 (g) 2SO2 (g)1. Escribir la ecuación química a la que se quiere llegar del CS2 y balancearC(grafito) 2S(rómbico)CS2 (l)2. Realizar las operaciones algebraicas en las reacciones dadas de tal manera que se obtengala reacción deseadaC(grafito) O2 (g) Ana Laura Pérez Martínez2S(rómbico) 2O2 (g)CO2 (g)2SO2 (g)CO2(g) 2SO2 (g)CS2 (l) 3O2 (g)C(grafito) 2S(rómbico)CS2 (l) Hr0 ‐393.5 [kJ]x2 H0r ‐296.1 [kJ] H0r 1072 [kJ] H0f 86.3 kJ19

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Entalpia de disolouciónLa entalía de disolución ( Hd) esel calor generado o absorbidocuando cierta cantidad de solutoes disuelto en cierta cantidad dedisolvente. Hdisolución Hdisolución‐ HcomponentesAna Laura Pérez Martínez20

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Procesos de disolución del NaCl Hsoln Step 1 Step 2 788 – 784 4 kJ/molAna Laura Pérez Martínez21

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Práctica: Termoquímica. Entalpia de disolución.OBJETIVOSEL ALUMNO:1. Conocerá el concepto sobre el cual se basa el funcionamiento de las compresas instantáneas “frías” o“calientes”.2. Determinará si la entalpia de disolución ( Hd) en agua del cloruro de calcio (CaCl2), y del nitrato de amonio(NH4NO3) corresponden a procesos endotérmicos o exotérmicos.3. Cuantificará las variaciones de temperatura originadas por la disolución de diferentes cantidades de CaCl2 endeterminada masa de agua.4. Cuantificará las variaciones de temperatura originadas por la disolución de diferentes cantidades de NH4NO3en determinada masa de agua.Solutos: CaCl2 NH4NO3 g solutoadicionados01234567Ana Laura Pérez Martínez g solutoTotales013610152128T. Inicial oC T. Final oC T oC 22

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16ACTIVIDAD 5.1. Con base en sus observaciones, determine el signo de Hd para cada uno de lossolutos.2. Para cada uno de los solutos, realice una gráfica de T vs mtotal g , colocando enel eje de las abscisas la variable independiente y en el eje de las ordenadas lavariable dependiente.3. Para cada soluto, obtenga por el método de mínimos cuadrados el modelomatemático que describa el comportamiento del fenómeno observado.4. Con base en los resultados obtenidos, prediga la cantidad de CaCl2 que debeagregarse a los 100 g de agua destilada para obtener en la mezcla final unincremento de temperatura de 56.7 C .5. Prediga la temperatura final de una mezcla que se preparó con 100 g de aguadestilada, con una temperatura inicial igual a la de su experimento y 25 g deNH4NO3.Ana Laura Pérez Martínez23

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Con base en sus observaciones, determineel signo de Hd para cada uno de lossolutos.Solutos: CaCl2 NH4NO3 ‐H2OCompuestosiónicosEl agua gana calory eleva su T ( T) ‐Compuesto iónicoSolutoSistemaE Ana Laura Pérez Martínez ‐H2O ‐ E‐ HEl sistema pierdeenergíaEl agua pierde calor ydisminuye su T (‐ T) HEl sistema gana energía24

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐1650y 1,6352x 0,4559R² 0,999640Con base en los resultados obtenidos,prediga la cantidad de CaCl2 que debeagregarse a los 100 g de agua destiladapara obtener en la mezcla final unincremento de temperatura de 56.7 C . 301,6352 0,455956,7 ,,34,3959 [g], T [ C]20CaCl2NH4NO310Prediga la temperatura final de una mezclaque se preparó con 100 g de aguadestilada, con una temperatura inicial igual ala de su experimento y 25 g de NH4NO3.00102030 0,54061,0735 0,5406 251,0735‐10y ‐0,5406x ‐ 1,0735R² 0,9774‐20 0,5406 251,0735 10,4115 Gramos totales de solutoAna Laura Pérez Martínez25

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Aplicaciones Combustibles– Alimentos– FósilesGlucosaC6H12O6(s) 6O2(g) 6CO2(g) 6H2O(l) H ‐2803 [kJ]GrasaC45H86O6(s) 127/2O2(g) 45CO2(g) 43H2O(l) H ‐27820 [kJ]Un gramo de glucosa genera 15.6 [kJ] de calor cuando sequema y un gramo de grasa (trimiristato de glicerino)genera 38.5 [kJ] de calor cuando se quema.Ana Laura Pérez Martínez26

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Calculo de entalpia de reacción deetanol y gasolinaReacciones de combustiónEtanolCH3CH2OH(l) 3 O2(g) 2 CO2(g) 3 H2O (l)OctanoC8H18 (l) O2 8 CO2(g) 9 H2O (l)Un gramo de etanol genera 29,71 [kJ] y un gramo deoctano genera 47,98 [kJ]Por cada mol de CO2 que se produce se obtiene lasiguiente cantidad de energíaEtanol 686,35 [kJ]Gasolina 683,76 [kJ]Ana Laura Pérez Martínez27

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16Equilibrio químicoAna Laura Pérez Martínez28

Química General ‐DCB ‐ FI ‐ UNAMmay.‐16DefiniciónCONCEPTO DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO DE UNAREACCIÓN QUÍMICALa mayoría de las reacciones son reversibles, es decir, proceden dereactivos a productos y viceversa. El equilibrio químico se establececuando las velocidades de las reacciones directa e inversa se igualan ylas concentraciones de los reactivos y productos permanecenconstantes.KCAna Laura Pérez Martínez[C ]c [ D ] d [ A ] a [ B ]bDonde k es la constante de equilibrio.Ley de acción de masas:Para una reacción reversible en equilibrio y a unatemperatura constante, una relación determinada dereactivos y productos tiene un valor k.29