Guìa Entalpìa y Ley de Hess

LICEO BICENTENARIO ORIENTE RENGO DEPTO. DE CIENCIAS

PROFESOR: MANUEL ECHEVERRÍA CELIS

GUÌA DE QUÍMICA 3º MEDIO. TERMOQUÌMICA. OBJETIVO: Comprender y describir las transformaciones de la energía calórica, involucradas en diferentes reacciones químicas.

ENTALPIA. La gran mayoría de los cambios físicos y químicos ocurre a presión atmosférica, cuyo valor es relativamente constante (1 atmósfera). Pensemos en una olla con agua que hierve en la cocina de la casa; ello corresponde al sistema sistema que absorbe calor del entorno (la llama de la cocina) y realiza trabajo sobre el mismo. Cuando el agua alcanza la temperatura de ebullición, el vapor de agua que sale levanta levemente la tapa, provocando que ésta se mueva sobre ella. La primera ley de la termodinámica, es importante para comprender las relaciones en las que están involucrados el calor, el trabajo mecánico y otros aspectos de la energía y las formas en que es transferida. Como en el ejemplo de la olla y en la actividad, en casi todos los procesos, sobre todo en aquéllos en los que no intervienen gases, solo se efectúan cantidades diminutas de trabajo cuando el sistema se expande o contrae levemente contra la fuerza de la atmósfera (presión). Por lo tanto, la mayor parte de la energía que el sistema gana o pierde durante estos estos procesos procesos adopta adopta la forma forma de calor. La entalpía ( H ) (de la palabra griega enthalpien, enthalpien, que significa “calentar” ) se refiere al calor absorbido o liberado a presión constante, y al igual que la energía interna, es una función de estado; por ende:

Puesto que equivale a una cantidad de calor, el signo de indica la dirección de la transferencia transferencia de calor durante un proceso que ocurre ocurre a presión presión constante, como lo muestran muestran los siguientes diagramas:

Gracias a la calorimetría es posible conocer diferentes tipos de entalpías, las de vaporización (convertir líquidos en gases), las de combustión (reacción con Oxígeno), entre otras. Dentro de estos, un proceso de especial importancia es la formación de un compuesto a partir de los elementos elementos que lo constituyen, denominada denominada entalpía de formación calor de formación ) y se designa como o f , donde el subíndice f indica que la sustancia se formó a partir de sus elementos. Por otra parte, la magnitud de cualquier cambio de entalpía depende de las condiciones de temperatura, pres presión ión y estado (gas, líquido, o sólido) de los reactivos y productos. Por ello, a fin de poder comparar las entalpías de diferentes reacciones, es conveniente definir un conjunto de condiciones llamadas estado o condiciones estándar, que corresponden a la presión atmosférica con un valor equivalente a 1 atmósfera (1 atm) y a la temperatura de 298 0K, correspondiente a 25 0C . Así, la entalpía estándar de una reacción se define como el cambio de entalpía, cuando todos los reactivos y productos p roductos están en su estado estándar. La entalpía estándar de formación de un compuesto ( o f ) es el cambio de entalpía de la reacción que forma 1 mol del compuesto a partir de sus elementos, con todas las sustancias en su estado estándar.

1. Utilizando la tabla de entalpías entalpías estándar de formación, formación, calcula las diferencias de entalpía para las siguientes reacciones químicas:

a. b. c. d.

H2 (g) + I2 (g) CaCO3 (s) CaO (s) N2 (g) + 3H2 (g) C2H6 (g) + 7/2 O2 (g)

2 HI (g) + CO2 (g) 2NH3 (g) 2CO2 (g) + 3H2O (g)

2 ¿Cuáles de las reacciones son endotérmicas y cuáles exotérmicas? Justifica cada caso. 3 Si en la reacción de combustión del etano (ejercicio d) todos los coeficientes estequiométricos fueran enteros, ¿qué valor de se obtendrá? 4 Calcula la diferencia de entalpía cuando se forman 68 g de NH 3.

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5. Calcula la entalpía de reacción para las siguientes reacciones, en condiciones estándar. Indica si corresponden a reacciones exotérmicas o endotérmicas. a. 4 NH3 ( g ) + 5 O2 ( g ) b. 2CO ( g ) + O 2 ( g ) c. PCl5 ( g )

4 NO ( g ) + 6 H2O ( l ) 2 CO2 ( g ) PCl3 ( g ) + Cl2 ( g )

Al escribir una reacción termoquímica, junto con las fórmulas de cada sustancia debemos indicar su estado físico. No cuesta l a misma energía producir agua líquida que agua vapor. En esta última se incluye dentro del valor de entalpia, la energía usada para evaporar el agua. Un Ejemplo: Fe O

2 3

(s) +

3H

2 (g)

2 Fe + 3 H O (s)

2

(g)

ΔH = - 8,46 Kcal/mol

En esta ecuación los subíndices (s) y (g) indican estado sólido y gaseoso respectivamente. respectivamente. La variación de entalpia es negativa y por tanto la reacción es exotérmica (se liberó energía calórica al entorno). Una reacción química que presenta entalpia positiva es endotérmica. La misma reacción anterior pero a la inversa tiene el mismo valor numérico de entalpia pero con signo contrario . Si se duplica la cantidad de sustancia, la cantidad de calor también se duplica. d uplica. El cambio de entalpía que acompaña a una reacción también puede representarse en un diagrama de entalpía. Un diagrama entálpico es una representación esquemática de las variaciones de entalpía de un proceso. Por ejemplo, en estos diagramas, se pueden se pueden representar las reacciones exotérmicas y endotérmicas:

En el caso de la reacción de formación del agua a partir de Hidrógeno y Oxígeno según la siguiente ecuación ajustada:

Su diagrama de entalpía sería:

LEY DE HESS.

Germain Henri Hess ( Médico y químico suizo, pionero de la termoquímica. Desde el año 1830 se dedicó a estudiar el calor generado en el curso de las reacciones químicas, lo que finalmente le permitió en 1840, formular la Ley de Hess o ley de la sumación constante del calor ) estableció un método que permite conocer la variación de entalpía de algunas reacciones (cuya entalpía no es conocida) a partir de los datos de entalpía de otras ya tabuladas, principio conocido como Ley de Hess. Sabemos que la entalpía es una función de estado, que el cambio de entalpía (ΔH) asociado a cualquier proceso químico depende solo de la cantidad de materia que sufre el cambio, de la naturaleza del estado inicial de los reactantes y del estado final de los productos. Es decir, la entalpía entalpía de una reacción será la misma, misma, si si esta se se produce en un solo paso o en una secuencia secuencia de ellos. ellos. La Ley de Hess nos permitirá realizar cálculos algebraicos con los valores de calor de reacción (podemos sumar restar, amplificar) con el fin de obtener variaciones de entalpia de procesos que no pueden ser efectuados en el laboratorio.

¿Cómo se aplica la Ley de Hess? Supongamos las siguientes reacciones químicas hipotéticas: 1) X 2) X

Y Z

3)

Z.

ΔH = – 90 90 kJ/mol ΔH = – 115 115 kJ/mol

Calcular el cambio de entalpía para la reacción: Y

ΔH =?

Primero se debe invertir la ecuación 1 para que Y quede en los reactivos y X pueda simplificarse con la ecuación 2, quedando así el valor de ΔH = 90 kJ/mol (cambia el signo al invertir la ecuación), al sumar ambas reacciones para obtener la



EJEMPLO. EJEMPLO. Para determinar la entalpía de reacción de la combustión completa del carbono sólido se dispone de dos ecuaciones: C (s) + ½ O2 (g) CO2 (g)

CO (g ) CO (g)

+

½ O2 (g)

ΔH = - 26 kcal/mol ΔH = 68 kcal/mol

El ΔH que se solicita corresponde a la siguiente reacción global: C (s) + O2 (g)

CO2 (g)

Primero se deben de balancear las ecuaciones cuando sea necesario hacerlo, luego reacomodar las reacciones para que al sumar se anulen las especies excepto reactivos y productos que aparecen aparecen en la reacción reacción global, entonces: entonces: C(s) + ½ O2 (g) CO (g) ΔH CO(g) + ½ O2 (g) CO2 (g) ΔH -----------------------------------------------------------------------------------C (s) + O2 (g) CO2 (g) ΔH

26 kcal/mol 68 kcal/mol

= − = −

94 kcal/mol

= −



Guìa Entalpìa y Ley de Hess

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