TERMODINAMICA I
UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
ESPONTANEIDAD DE LAS REACCIONES QUIMICAS JOSE JAVIER LEVANO OCHOA
VI CICLO
Marzo Marz o 2010
Objetivo
Conoce Cono cerr la de defi fini nici ción ón de la lass re reac acci cion ones es es espo pon nta tane neas as y no espontaneas, su relación con la Entalpía y Entropía, y el método de su determinación.
Termodinámica I
Espontaneidad de las reacciones químicas
Se denominan procesos químicos espontáneos los que tienen lugar lugar de forma natural en unas condiciones determinadas. determinadas. Sobre esto esto pueden hacerse algunas consideraciones: consideraciones:
Alguno Algu noss pr proc oces esos os es espon pontá táne neos os re requ quie iere ren n un es estí tímu mulo lo in inic icia ial. l. Es el ca caso so de la reacción de formación del agua. La espontaneidad no implica nada acerca de la velocidad de los procesos. Por ejemplo, la oxidación del hierro es un proceso espontáneo extraordinariamente lento. Si una reacción es espontánea en determinadas condiciones, la reacción inversa no lo es en es esas as mi mism smas as co condi ndici cion ones es.. As Así, í, la de desc scomp ompos osic ició ión n de dell ag agua ua me medi dian ante te electrólisis no es espontánea, sino que necesita suministro de energía eléctrica y la reacción se detiene cuando se interrumpe el paso de la corriente eléctrica. eléctrica. La mayor parte de los procesos espontáneos son exotérmicos. Sin embargo, existen excepciones, ex cepciones, como la fusión del hielo, que es un proceso endotérmico endo térmico y espontáneo. Exist Exi sten en re reacc accion iones es no es espon pontá tánea neass a baj bajas as te tempe mpera ratur turas, as, per pero o que sí lo son a temperaturas tempera turas elevadas. Es el caso de la descomposición del carbonato de calcio.
Termodinámica I
Reacciones Espontaneas y No Espontaneas
Reacciones Redox Redox o No Espontaneas Es una reacción en la cual ocurren cambios en los números de oxidación de átomos de algunas de las sustancias involucradas. Reacciones Espontaneas Es un una a re reac acci ción ón qu que e oc ocur urre re na natu turral alme ment nte e cu cuan ando do se po pone nen n el con onttac actto lo loss reac re acci cion onan ante tes. s. En la ma mayo yorí ría a de lo loss cas asos os,, ma mass no si siem empr pre, e, las re reac acci cion ones es espontaneas son exotérmicas, exotérmicas, es decir, decir, liberan energía a los alrededores.
etí n Bol etí
Informat ivo i vo F ebr ero 2010
Entropía
La entropía es una función de estado (no puede conocerse su valor absoluto, sino sólo la diferencia entre entre los estados inicial y final). Se define como:
siendo Q el calor absorbido o cedido y T la temperatura. temperatura.
La entropía mide el grado de desorden de un sistema. Los sistemas desordenados tienen tie nen una en entr tropí opía a ele eleva vada, da, mie mient ntra rass que los sis siste temas mas or orden denado adoss tie tienen nen una entropía entr opía muy baja. baja. En las reacciones exotérmicas (se produce desprendimiento de calor) aumenta la entropía entr opía del entorno. entorno. En la lass re reac acci cione oness en endo doté térm rmic icas as (s (se e ab abso sorb rbe e ca calo lor) r) di dismi sminu nuye ye la en entr tropí opía a de dell entorno.
etí n Bol etí
Informat ivo i vo F ebr ero 2010
Entalpía
El término, Entalpía de Reacción, H, se utiliza para referirse a la cantidad de energía que cede o absorbe un sistema que reacciona a presión constante. constante. Por convención, convención, si la energía es liberada por el sistema, es decir si la reacción es ex exotérmica, otérmica, entonces el cambio entalpico, H será negativo. A su vez, si la energía es absorbida por el sistema, es decir si s i la reacción es endotérmica, entonces el cambio entalpico, H será positivo.
Termodinámica I
Energía Libre de Gibbs
La Segunda Ley de la Termodinámica, aplicada a las reacciones químicas, establece que las reacciones espontaneas incrementan la entropía del universo. Para poder determinar la espontaneidad de una reacción, es preciso hacer uso del concepto de Energía Libre de Gibbs, el cual matemáticamen matemáticamente, te, puede definirse como: como: G = H - TS
En donde S representa el cambio en el orden del sistema y T la temperatura absoluta. Cuando G es negat negativo, ivo, la reacción será espontanea; cuando G es positivo la re reac acci ción ón no oc ocur urri rirá rá,, sal salvo vo qu que e se ad adic icio ione ness en ener ergí gía a al sis siste tema ma de desd sde e lo loss alrededores. Esto precisamente es lo que ocurre con las reacciones inducidas, que es necesario inducirlas, inducirlas, aportándoles energía desde afuera afuera para que procedan.
Termodinámica I
Ejemplos
Ejemplos de reacciones químicas espontaneas Oxidación del hierro expuesto a la intemperie: 2 Fe (s) + 3/2 O2 + 3 H2O (l) p 2 Fe (OH)3 (s) ; (H
= -791 kJ
Combustión de una cerilla al frotarla: P4S3 (s) + 8 O2 (g) p P4O10 (s) + 3 SO2 (g) ; (H
= -620 kJ
Inflamación de una mezcla de oxigeno e hidrogeno en p resencia de una chispa: 2 H2 (g) + O2 (g) p 2 H2O (l) (H
= -572 kJ
Termodinámica I
Cálculos Ejemplo 1: Reacción Reacción Espontane Espontanea a
Ca2(g) + 2H2O(l) H:kcal/mol -15,0 -68.313 s:Cal/molºK 16,8 1 6 ,71 6 16
Ca(OH)2(s) + C2H2(g) -235,80 54,194 18,2 47,977
Calculando la entalpía de formación de la reacción: reacción: Hº reacc = Hº f (productos) - Hº f (reactivos) (reactivos) Hº reacc reacc = (-235,80 (-235,80 + 54,194) Kcal/mol Kcal/mol - (-15,0 - 68,313) Kcal/mol Hº reacc = - 29,98 Kcal/mol Calculando la entropía de formación de la reacción: reacción: Sº reacc = Sº f (productos) - Sº f (reactivos) Sº reacc = (18,2 (18,2 + 47,977) cal/molºK - (16,8 + 16,716) cal/molºK Sº reac reaccc = 32,66 32,661 1 cal/mol cal/molºK ºK ÷ 1000 Cal = 0,032 0,03266 66 Kc Kcal/mol al/molºK ºK
Termodinámica I
Ejemplos Hallando la energía libre de Gibbs: Gº = H - T S Gº Sºº Gº = - 29,98 Kc Kcal/mol al/mol - 298ºK (0.03 (0.03266) 266) Kcal/molºK Gº = - 39,71268 Kcal/mol Graficando: T = -9 -917 17,9 ,942 42;; 0 G = 0; -2 -29 9,9 ,98 8 Gºº = H - T S G Sºº Gº = H - (0) Sº Gº = H Gº = -29,98 T = (Gº (Gº + H)/ H)/ Sº T = H / Sº T = -29,98 / 0,03266 T = -917,9424 Termodinámica I
Ejemplos Ejemplo 2: Reacción Reacción No Espontanea Espontanea
H:kcal/mol s:Cal/molºK
2SO3(g) -94.45 61 ,24
SO2(g) + ½ O2(g) -70,90 0 59,40 49,003
Calculando la entalpía de formación de la reacción: reacción: Hº reacc = Hº f (productos) - Hº f (reactivos) (reactivos) Hº reacc = (-70,96 + 0) Kcal/mol - (-94,45) Kcal/mol Hº reacc reacc = 23,49 Kcal/mol Kcal/mol Calculando la entropía de formación de la reacción: reacción: Sº reacc = Sº f (productos) - Sº f (reactivos) Sº reacc = (59,40 (59,40 + (1/2× 49,003)) cal/molºK - (61,24) cal/molºK cal/molºK Sº reac reaccc = 22,66 22,665 5 cal/mol cal/molºK ºK ÷ 1000 Cal = 0,022 0,02266 66 Kcal Kcal/molº /molºK K
Termodinámica I
Ejemplos Hallando la energía libre de Gibbs: Gº = H - T S Gº Sºº Gº = 23,49 Kcal/mol - 298ºK (0.02266) Kcal/molºK Gº = 16,7358 Kcal/mol Graficando: T = 1036,628; 0 G = 0; 23,49 Gºº = H - T S G Sºº Gº = H - (0) Sº Gº = H Gº = 23,49 Kcal/mol T = (Gº (Gº + H)/ H)/ Sº T = H / Sº T = 23,49 / 0,02266 T = 1036,628 Termodinámica I
Conclusiones
En principio, el carác carácter ter exotérmico, exotérmico, favorece favorece la espontaneidad de una reacción, pero no la garantiza. Para poder predecir la espontaneidad de un proceso es preciso conocer no solamente la entalpia de la reacción, H, sino también la entropía del sistema, S. La Entropía de un sistema, es una medida del orden o aleatoriedad del sistema, es decir de la mayor o menor complejidad en que se ordenan los átomos en el espacio. Así por ejemplo, moléculas altamente altamente ordenadas ordenadas como las proteínas, proteínas, los lípidos y los carbohidratos tienen bajos valores de entropía. Esto hace que una ves que cesa la fuente de energía externa que sostiene dicho orden, estas tiendan espontáneamente espontáneamente hacia hac ia el des desor orden den,, es dec decir ir a la di disgr sgreg egaci ación ón en mol moléc écula ulass muc mucho ho mas sim simple pless (bióx (bi óxido ido de ca carbo rbono no y agu agua) a) cuy cuyo o or orden den co compa mpara rativ tivo o es rel relat ativa ivamen mente te men menor or.. Cuando mayor es el desorden o libertad de movimiento de los átomos o moléculas de un si sist stem ema, a, ma may yor se serrá su en entr trop opía ía y a la inv nve ers rsa. a. Si Sin n em emba barg rgo, o, com omo o el movimiento y la temperatura están directamente relacionados entre si y con el orden del sistema, en el cero absoluto de temperatura, la entropía de una sustancia debe ser también igual a cero.
Termodinámica I
GRACIAS
Termodinámica I
