Guia DE APRENDIZAJE QUIMICA 3° MEDIO ENTROPIA.docx

Colegio Domingo Eyzaguirre

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Departamento de Ciencias Profesora : Ana Marìa Millàn Inzunza

GUÍA DE ESTUDIO QUÍMICA TERCEROS MEDIOS

FUNDAMENTO DE LA TERMO MODI NAMI MI CA-TERMO MOQUI MI CA La espontaneidad y la dirección de los procesos químicos Indicadores de Ev nalizan izan y desc escribe riben n la segun gunda Ley de la Evalua aluaci ción ón:: Anal  Termodinámica  Termodinámica y la entropía. Discuten la capacidad que tienen los reactantes para transform transformarse arse en producto productos. s. Estiman Estiman la variación variación de Entropía Entropía de una reacció reacción n uímica. !redicen !redicen el cambio de Entropía en una reacción. Describen Describen la energía libre de "ibbs como la diferencia de entalpia menos el grado de desorden del sistema. !redicen la espontaneidad de un proceso uímico. #denti$can diversos procesos espontáneos en el entorno.

Puntaje : !#%

Nota:

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'()*&E *&E%+++ %+++++ ++++++++ ++++++ ++++ ++++ ++++ ++++++++ ++++++ ++++ ++++ ++++ ++++++++ ++++++ ++++ ++++ ++++ ++++++++ ++++++ ++++ ++++ ++++ ++++++++ ++++++ ++++ ++++  ++++++++++++++++++++++++++ 

,E-A% A%

La espontaneidad y la dirección de los procesos químicos De manera natural sabemos que muc/os procesos ocurren por sí solos0 sin la acción de agentes e1ter e1ternos nos.. A estos estos se les llama llama proces procesos os espont espontáne áneos. os. 2in embargo embargo00 /ay otros otros proces procesos os de inter3s0 que no ocurren normalmente o les cuesta ocurrir. La termodinámica provee de una /erramienta /erramienta fundamental0 fundamental0 la entropía0 entropía0 la que informa sobre la dirección0 dirección0 la espontaneida espontaneidad d o no espontaneidad de los procesos químicos.

Segunda ley de la termodinámica y la entropía -onsidera en la siguiente descripción que la presión atmosf3rica se mantiene en 4 atm. -uando en un vaso tienes agua y la colocas en un medio donde la temperatura es menor que 5 oC0 el agua se convierte en /ielo. 2i colocas el vaso con /ielo en un lugar donde la temperatura es mayor que 5 oC0 en poco tiempo el /ielo se funde y se convierte en agua. Los dos cambios anteriores se producen en la medida que la temperatura e1terna se modi$que. 6na forma de describir la dirección de un proceso determinado es se7alar si el proceso es espontaneo o no. La congelación del agua es espontánea a temperaturas inferiores a 5 oC y0 por cierto0 es no8espontánea a una temperatura mayor que 5 oC. La fusión fusión del /ielo es esponta espontanea nea a una tempera temperatur tura a mayor mayor que 5 oC y no espontanea a una temperatura ba9o 5 oC. .-uál de estos procesos es endot3rmico y cuál e1ot3rmico: En los los caso casos s descr descrito itos0 s0 los los camb cambio ios s depen depende den n fuer fuerte teme ment nte e de la temp temper erat atura ura en que se encuentra el sistema. Esta aparente reversibilidad no sería posible a cualquier temperatura. 2i los cambios anteriores ocurren sobre y ba9o 5 oC0 ;qu3 sucede especí$camente cuando la presión es de d e 4 atm y la temp temperat eratur ura a est esta $9a en 5 oC: A esta esta temp temper erat atur ura a las las dos dos fase fases s se interconvierten con la misma rapidez0 es decir%

En otras palabras0 no /ay preferencia o espontaneidad en ninguna dirección en particular. En esta situación el sistema está en equilibrio y se trata de un proceso reversible.

Reactividad: ¿por qu ocurren los procesos! -on -on lo e1pu e1pues esto to ante anterio riorm rment ente e te /as /as dado dado cuent cuenta a que los los proc proces esos os que ocur ocurre ren n en una determinada dirección son espontáneos o irreversibles. 2in embargo0 con esto no e1plicamos por 4

que suceden. El principio básico de una reacción química es la formación de una sustancia diferente a los reactantes. En forma gen3rica se /abla de reactividad para describir la capacidad que tienen los reactantes para transformarse en productos. 2e /a observado que en una gran cantidad de procesos e1ot3rmicos0 como la combustión del gas natural0 esta favorecida la formación de los productos. En principio alguien podría establecer que conoce conoces s lo que es la evap evapor orac ació ión n de un líquid líquido. o. La evap evapor orac ació ión n ocur ocurre re espo espontá ntánea neame ment nte e a una una deter determi mina nada da temperatura0 pero es endot3rmica0 o sea0 necesita energía para que ocurra. De modo que el conocimiento de la variación de entalpia de un proceso da cuenta de la energía t3rmica absorbida o liberada0 pero no es un buen índice para predecir la espontaneidad. Es necesario que e1ista otra función termodinámica que de cuenta de la espontaneidad de un proceso.

-onsidera que tienes un sistema como el de la $ gura. En el Estado 4 tienes  gas atrapado en el balón de la izquierda y vacío en el balón de la derec/a. Luego0 abres la llave de paso alcanzándose el Estado ?. a@ (bserva0 ;cuál estado te parece más desordenado: b@ !redice0 ;cuál de los dos estados es más probable: c@ #n$ere0 ;en cuál estado las mol3culas tienen mayor movilidad: d@ Eval>a0 ;qu3 posibilidad e1iste de que0 sin ninguna acción e1terna0 todas las mol3culas se concentren solo en un balón como en el Estado 4: e@ !iensa a/ora en tu dormitorio0 ;qu3 es más fácil0 ordenarlo o desordenarlo: f@ A la luz de la evidencia discute y concluye% En general0 ;qu3 es más natural el orden o el el desorden: ;El desorden coincide con lo más o menos probable: probable: 2upón que tienes un mazo de naipes ordenados por pinta y num3ricamente. Luego0 bara9as el naipe varias veces y observas como /a cambiado el orden inicial. 2i continuas bara9ando el naipe0 .cual será la probabilidad de recuperar el orden inicial: 'o se necesita pensar muc/o para concluir que es muy poco probable. -on un naipe de ? cartas son posibles 45 BC ordenaciones diferentes y cada una de ellas tiene la misma probabilidad probabilidad de producirse. producirse. El orden orden perfecto de las cartas cartas solo es una de las posibles ordenaciones. Entre todas las alternativas de distribución /ay más arreglos desordenados.

"ntropía y desorden En termodinámica termodinámica e1iste una propiedad propiedad de estado0 estado0 la entropía entropía  S@0 que da cuenta del desorden de un sistema. -uanto más desordenado o aleatorio es un sistema0 más crece la entropía. -uando se funde una sustancia y se transforma en líquido y luego este se transforma en gas0 se transita de lo más ordenado a lo más desordenado0 lo que permite concluir una estrec/a relación con la entropía.

2i disuelves az>car en agua puedes aseverar lo siguiente%

-uando se disuelve un gas en un líquido como el agua se puede interpretar como%

?

La entropía puede parecer como algo abstracto0 pero tiene muc/a importancia en diferentes ámbitos del conocimiento0 por e9emplo0 en la química.  Termodinámicamente0  Termodinámicamente0 un cambio de entropía se de$ne por% por%

Donde q es el calor transferido en un sistema a la temperatura T en grados elvin. Esta de$nición es muy simple0 pero tiene una enorme trascendencia en la ciencia.

"ntropía en un proceso irreversi#le o espontáneo -onsidera -onsidera dos cuerpos aislados a las temperaturas temperaturas T  A y T B0 donde T  A > T B. Luego0 se acercan0 entran entran en contac contacto to por unos unos pocos pocos segundo segundos s y poster posterior iormen mente te se separa separan0 n0 sin altera alterarr sus respectivas temperaturas ver $ gura a la derec/a@. Ambos cuerpos con$guran un universo0 en que uno es el sistema y el otro el entorno. Durante el contacto se produ9o un Fu9o de calor  q@ de  A a B0 que no altera signi$cativamente la temperatura de los dos cuerpos ni el volumen de ellos0 de modo que no /ay un traba9o efectivo. Desde el punto de vista de la primera ley0 el cuerpo  A0 más caliente0 caliente0 cedió energía al cuerpo B0 mas frio. Luego0

G

En otras palabras0 creció la entropía.

Esta es la característica fundamental de un proceso irreversible o espontáneo. ;-ómo cambia la entropía en la interconversión agua8/ielo: La interconversión espontanea del agua en /ielo o a la inversa0 ocurre si las temperaturas están sobr sobre e y ba9o ba9o 0 oC. En amba ambas s situa situaci cion ones es los los proc proces esos os son son irre irreve vers rsibl ibles es y la entr entrop opía ía tota totall aumenta. !ara que ambos cambios ocurran se requiere de un entorno que enfri3 o caliente el sistema. El sistema con su entorno constituyen un universo0 el que aumenta su entropía por efecto de los cambios espontáneos.

"ntropía en un proceso reversi#le: equili#rio -uando el agua0 ba9o la presion de 4 atm0 está 9usto en 5 oC el agua y el /ielo se interconvierten reversiblemente. El agua y el /ielo se encuentran en equilibrio.

-omo no /ay preferencia en ninguna de las dos direcciones0 la entropía del 6niverso no cambia0 es decir0

El e9emplo del agua y el /ielo es muy ilustrativo para comprender la segunda ley de la termodinámica0 lo que indica que%

“En un proceso espontáneo la entropía del universo aumenta y en  procesos de equilibrio se mantiene mantiene constante.” En procesos espontáneos espontáneos no /ay limitaciones limitaciones para HSsistem sistema a o HSentorno. 6no de ellos es positivo y el otro negativo0 y la suma de ambos siempre es positiva. En el equilibrio HSsistema y H Sentorno son iguales0 pero de signo contrario0 de manera que HSuniverso = 5. ;u3 ;u3 sucede sucede si  ΔSuniverso universo es negativo: 2i a trav3s del cálculo se establece que la variación del 6niverso es negativa0 signi$ca que se trata de un proceso no espontaneo0 o sea0 que no ocurre.

"ntropía  Te  Te /as dado cuenta de que e1iste una estrec/a relación entre la entropía y el desorden molecular. .ue puede suceder si se ba9a la temperatura en un sistema químico: La respuesta inmediata es que debe disminuir el desorden. 2i el sist sistem ema a quími químico co es un gas0 gas0 al reduc reducir ir signi$ signi$ca cativ tivam amen ente te la temp tempera eratur tura a el sist sistem ema a condensara y luego congelara0 reduciendo al mínimo sus movimientos y0 por lo tanto0 la entropía del sistema debe disminuir. La tercera ley toma en cuenta este aspecto y lleva el sistema molecular a la má1ima ordenación% un cristal perfecto. La entr entrop opía ía de un una a sust sustan anci cia a cris crista tali lina na perf perfec ecta ta es cero cero en el cero cero ab abso solu luto to de temperatura. Esta ley otorga a las sustancias valores absolutos de la entropía a una temperatura dada.

$ariación de entropía en una reacción química 2e estima de manera similar a la variación de entalpia0 es decir%

 ΔSreaccion I suma de las entropías de los productos@ Jsuma de las entropías de los reactantes@ !ara la combustión del propano C3H8%

K

(bserva que la variación de entropía es negativa y que cada entropía esta multiplicada por el respectivo coe$ciente de la ecuación balanceada. .-ual es el resultado0 si consideras el agua en forma gaseosa: .-omo e1plicas el cambio:

Predicción del cam#io de entropía 2i conoces el estado físico de cada sustancia participante en una reacción0 puedes predecir si se trata de un cambio positivo o negativo. a@ !or e9emplo0 e9emplo0 en la siguiente siguiente reacción% reacción%

6n sólido da origen a otro solido de ba9a entropía0 pero se produce un gas lo que /ace suponer un aumento de entropía. Efectivamente el cambio es%

Las variaciones de entropías son consecuentes con las tendencias generales%

"nergía li#re de %i##s De acuerdo con la segunda segunda ley0 para saber si un proceso químico químico es espontaneo espontaneo debes estimar la entropía del sistema y de su entorno. Esto implica una di$cultad0 porque cada vez que estudias un sistema estas preocupado de lo que ocurre en el sistema y no en lo que sucede en su entorno. -onsidera que tu sistema es una reacción química que ocurre a presión constante y libera libera la energí energía a HHsistema. Esta energía la recibe el entorno y0 por lo tanto0 seg>n la primera ley%

2i el sistema y su entorno están a la misma temperatura se cumple que%

Al sustituir esta ecuación en%

El miembro derec/o de la ecuación solo queda en función del sistema y la temperatura.

&eordenando &eordenando esta ecuación resulta% 

-uando ocurre un proceso espontáneo T HSuniverso > 5. Lo anterior implica a su vez que%

El t3rmino de la izquierda se de$ne como variación de energía libre de "ibbs0 ΔG%

-omo todo ocurre en el sistema se omite el subíndice%

El termin termino o T HS representa el desorden del sistema cuando ocurre el cambio. Es una energía que no es aprovec/able por el sistema y por ello se resta a H H. Luego0 HG es lo que queda de energía disponible para efectuar un traba9o. Lo más importante es que H G está relacionado relacionado con la espontaneidad espontaneidad de un proceso. proceso. ay tres tres alternativ alternativas as a presión presión y temperatura constantes%

El conocimiento de H G en una reacción química es una de las /erramientas termodinámicas termodinámicas mas importantes para establecer criterios de reactividad en procesos químicos.

Predicción de la espontaneidad de un proceso !ara un determinado proceso los signos de HH y HS pueden determinar si el proceso va a ocurrir o no. La siguiente tabla permite varias alternativas de análisis.  Tabla%  Tabla% !redicción !redicción de la espontaneidad de un proceso. proceso.

"&"R'I'I( R"S)"L*(: La siguiente reacción forma parte de la lluvia acida. 2SO2(! " O 2(! 2SO 3(! #nvestiga si es posible la reacción a ? oC ?C # @ y a C?M oC 4455 # @ y luego averigua0 ;a partir de que temperatura la reacción es no espontanea: &espuesta% B

N A partir de los valores de ΔHo$ y So de la tabla se s e determinan las variaciones de entalpia y entropía para la reacción.

N -onsidera la tabla anterior y predice a que temperatura la reacción es espontanea0 lo que se con$rma con el siguiente s iguiente calculo.

N A una temperatura T@ esta variación en %& (%i'o&ou'e! es %

N A ? oC el cambio de energía libre es J4K?0? %& en cambio a C?M oC el resultado es O C04C %&. N A ? oC la reacción es espontanea0 pero a C?M oC la reacción no es posible.

+'*I$I,+,"S 4.8 !redice el signo del cambio de la entropía en los siguientes procesos% a@ 'a'( Gs@  'a'(Gac@ b@ -Kg@ O ?( ?g@  -(?g@ O ??(l@ c@ ?(l@5 o-@ ?(l@?5 o-@ d@ ,e-l?s@ O ?g@  ,e s@ O ?-lg@ 

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

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?.8-uales de los siguientes procesos son espontáneos: a@ Disolución de az>car en el agua. b@ El vapor de agua se deposita en los vidrios de la ventana. c@ 6na gota de tinta se disuelve en el agua. d@ Difusión de un perfume. G.8 -onsidera la siguiente reacción utilizada en la fabricación del cemento. -a-( Gs@ -a(s@ O -( ?g@ -onsulta la tabla de entropía y determina% a@ 2i la reacción es endo o e1ot3rmica. 

K.8 !ara cada uno de los procesos siguientes predice si HS es positivo o negativo% #. ? 'as@ O *r?l@ P ? 'a*rs@ ##. ? -r(Gs@ P ? -r(?s@ O (?g@ .8 -on los siguientes datos0 calcula el H S5 de la siguiente reacción y predice si la reacción es e1ot3rmica e1ot3rmica y si es espontánea en ese sentido a ? Q-%

-(g@ H2 calRmol@ J?B0K?

O

?(g@ P JM0C

5  f

-(?g@ JM0C

B.8 E1plique0 ;cuál es la diferencia fundamental entre un proceso reversible y uno irreversible: M.8 ;En cuál de las siguientes reacciones se produce un aumento de entropía: #. ?( l@ ?( g@ ##. -(  @ O -l ? @  -(-l? @ ###. K,e  @ O G ( ? @  ?,e  ?,e?(Gs@ #S. !-l @  !-lG @ O -l ? @ S. -( @ O (? @  -(?@ 



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C.8 -onsiderando los siguientes valores de entropía estándar a ? U2ustancia%  ?(('@ ?@ O (?@ 2U VouleR .mol% B0 4G50M ?505 -alcula la variación de entropía estándar de la reacción%  ?@ O ( ?@ 

 ?(('@



M

E1plique el signi$cado del signo de la variación de entropía de esta reacción% .8 !redice el signo del cambio de entropía del sistema en cada una de las reacciones siguientes% a@ ?2( ?@ O (?g@  ?2(G@ b@ *a(@ ?s@  *a(s@ O ?(@ c@ -( @ O ? ?@  -G('@ d@ ,e-l ?s@ O ?@  ,e  ,es@ O ?-l @ 

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



45.8 ;-ómo cambia la entropía del sistema al ocurrir lo siguiente: a@ 6n sólido se funde. b@ 6n líquido se vaporiza. c@ 6n sólido se disuelve en agua. d@ 6n gas se licua. 44.8 a@ -on respecto a un proceso que se lleva acabo a temperatura constante0 e1presa el cambio de energía libre de "ibbs en t3rminos de los cambios de entalpía y entropía del sistema. b@ En cierto proceso que se lleva a cabo a T y ) constantes0 el valor de + G es positivo. ;u3 se concluye: c@ ;-uál es la relación entre el H G de un proceso y la velocidad a la que se lleva a cabo: 4?.8 En cierta reacción química0 H HQ I JG0K WV y H SQ I JC0 VR. a@ ;Es e1ot3rmica o endot3rmica la reacción: b@ ;!rovoca la reacción un aumento o una disminución del desorden del sistema: c@ -alcula la H GQ de la reacción a ?C . d@ ;Es espontánea la reacción a ?C : 4G.8 4G.8 A partir partir de los datos datos del Ap3ndice Ap3ndice A0 calcul calcula a H HQ0 HSQ y HGQ a ?C  de las reacciones siguientes. En cada caso0 muestra que H GQ I HHQ J T HSQ. a@ ?@ O ,?@  ?,@ b@ -s gra+ to@ O ?-l ?@  --lK@ c@ ?!-l G@ O (?@  ?!(-lG@ d@ ?-G(@ O ?@  -?B@ O ? ?(@ 







4K.8 A partir de los datos del Ap3ndice -0 calcula H GQ de las reacciones siguientes. #ndica en cada caso si la reacción es espontánea esp ontánea en las condiciones estándar. estándar. a@ ?2( ?@ O (?@  ?2(G@ b@ '(?@ O '?(@  G'(@ c@ B-l ?@ O ?,e?( Gs@  K,e  K,e?-lGs@ O G( ?@ d@ 2(?@ O ? ?@  2s@ O ? ?(@ 







4.8 En una reacción en particular0 H H I JG? WV y H SI JC VR. 2upón que H H y H S no varían con la temperatura. a@ ;A qu3 temperatura tendrá la reacción un HG I 5: b@ 2i se aume aument nta a T con respecto a la del inciso a@0 ;será espontánea o no espontánea la reacción:

C