L-QMC-
TERMODINAMICA DE LAS REACCIONES QUIMICAS I. INTRODUCCION Un proceso químico debe analizarse termodinámicamente en determinadas condiciones de P-T, para establecer un criterio si la reacción ocurre o no.
Dicho análisis es con la finalidad de corregir o mejorar el proceso esto a travez de calculo de .
II. OBJETIVOS
definidas
Estudiar una reacción química para determinar el cambio de energía libre de reacciones a Calcular las magnitudes de
III. FUNDAMENTO TEORICO Las formas de energía asociadas a una reacción. Sea:
( ) ( ) ( )
Una condición T-P para analizar una reacción puede ser la condición estándar
A partir de una información termodinámica
Considerar en que rango de temperaturas se estudia el proceso
Desde un un temperatura ambiente
y
de la reacción utilizando las ecuaciones termodinámicas
para establecer criterios de espontaneidad.
La reacción a estudiar:
hasta una
Cantidades de las sustancias a manejar
1
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( ) Calcular
, con relación a la cantidad molar elegida
Considerar la ecuación de
Siendo K una propiedad que controla una razón de cambio de reactivos en productos hasta establecerse en un equilibrio. Esta constante se expresa en términos de actividad química, la actividad química es una medida de fuerza o energía química propia. Determinar la constate de equilibrio de la re acción.
Las actividades químicas de las sustancias solidas, líquidos puros y estables es igual a 1.
Entonces:
Escribir
Establecer una ecuación termodinámica de
Igualando (1) y (2) se tiene:
2
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Determinar experimentalmente los parámetros A, B, C
Calculo de
IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
MATERIALES Y REACTIVOS Material Manguera de goma. Termómetro. Balanza. Cuba de vidrio Soporte universal Hornilla Kitasato Probeta
Reactivos Agua destilada
Fig. Nº1 Esquema del experimento Procedimiento
Realizar el montaje del equipo, como se muestra en la figura. Llenar la probeta invertida, según su capacidad. Colocar el CaC2 juntamente con el H2O en el kitasato. Tomar como datos, el volumen del gas, la altura diferencial del líquido en la probeta invertida. Colocar el termómetro en la cuba con agua, para registrar la temperatura, a la que se va a trabajar. Repetir el mismo procedimiento, a las temperaturas de 5, 33, 40 y 70 ºC
V. DATOS Y RESULTADOS
3
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DATOS No
16
127.5
13.0
0.25
2
30
132.0
12.1
0.25
3
55
125.0
11.5
0.25
4
60
150.0
10.0
0.25
1
[] [] [ ] * + Sustancia
-65.00
-60.00
70.00
-237.178
-285.830
96.950
-898.60
-986.10
83.40
209.20
226.70
200.80
RESULTADOS
16
289.15
-152.24
-99.11
0.18
30
303.15
-152.38
-94.73
0.19
55
328.15
-152.85
-86.91
0.20
60
333.15
-152.97
-85.34
0.20
VI. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
La reacción de Carburo de calcio con agua forma oxido de calcio y acetileno, pero debido al exceso de agua el oxido de calcio se convierte en hidróxido de calcio.
* + * + * +
Se determino los cambios de energía de Gibbs, entalpia y entropía en las condiciones estándar para las reacción: obteniendo , lo cual indica que la reacción
es fuertemente espontanea en la dirección
ya que
y
.
Para las condiciones ambientales, en Oruro, se termino la presión del gas acetileno, la concentración del hidróxido de Calcio y con ellos se determino la contante de equilibrio a las distintas temperaturas, y mediante las relaciones se determino el cambio de energía de gibss en
función de la temperatura.
4
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Usando las relaciones de Maxwell, se determina la relación de la entropía y usando la ecuación de
Gibbs-Helmolhtz, se determina el cambio de entalpia.
Evaluamos las energías termodinámicas , obtuvimos:
para las temperaturas de
16
289.15
-152.24
-99.11
0.18
30
303.15
-152.38
-94.73
0.19
55
328.15
-152.85
-86.91
0.20
60
333.15
-152.97
-85.34
0.20
En todos los casos según las condiciones de espontaneidad, química es espontanea en la dirección
, por lo que la reacción
VII. BIBLIOGRAFIA Ing. Mario Huanca Ibáñez Guía de laboratorio en prácticas de Fisicoquímica Edit. FNI. Oruro-Bolivia-2006 Gilbert W. Castellán Físico Química Edit. Addison Wesley Iberoamericana- México, 1994.
5
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VIII. APENDICE 8.1 CALCULOS Para la reacción:
La primera reacción forma oxido de calcio y luego el oxido de calcio re acciona con el agua formando hidróxido de calcio.
1er Paso. Elegir las condiciones de presión y temperatura de trabajo de cada una de las sustancias.
y la información de:
Las temperaturas son como se muestran e n la tabla siguiente y la presión exter ior en Oruro es .
No 1
16
127.5
13.0
0.25
2
30
132.0
12.1
0.25
3
55
125.0
11.5
0.25
4
60
150.0
10.0
0.25
2do Paso. Calculo de las propiedades termodinámicas para la condición estándar
∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑
[] [] [ ] Coeficientes estequiométricos de los productos
Coeficientes estequiométricos de los reactantes
Para los resultados, relacionar con los criter ios de espontaneidad
Sustancia
-65.00
-60.00
70.00
-237.178
-285.830
96.950
-898.60
-986.10
83.40
209.20
226.70
200.80
6
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∏∏|| Calculo de
,
y
en condiciones estándar para la reacc ión:
En resumen se tiene:
Según los criterios de espontaneidad, para las condiciones estándar: : El proceso es espontaneo en la dirección
: El proceso es espontaneo en la dirección
3er Paso. Escribir las dos formas de cambio de energía libre de Gibbs para estudiar la re acción en un
rango de temperaturas
4to Paso. Definir la constante de equilibrio de la reacción
Reemplazando
Calculo de la presión de
, para cada temperatura:
7
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1 2 3 4
16 30 55 60
127.5 132.0 125.0 150.0
13.0 12.1 11.5 10.0
0.25 0.25 0.25 0.25
13.634 31.824 118.04 149.38
9.587 8.923 8.481 7.375
463.1790 445.6527 359.8792 329.6454
0.6094 0.5864 0.4735 0.4337
0.00327 0.00311 0.00220 0.00238
Calculo de la concentración, considerando
+
PM [g/mol] Masa inicial [g] No de moles iníciales No moles finales Masa final [g]
64 0.25 g 0.004 mol 0 mol 0g
18 20 ml 1.111 mol 1.103 mol 19.854 g
74 0 0 0.004 mol 0.296 g
26 0 0 0.008 mol 0.104 g
* + *+ [] Concentración del
Calculo de
1 2 3 4
16 30 55 60
289.15 303.15 328.15 333.15
0.6094 0.5864 0.4735 0.4337
0.20 0.20 0.20 0.20
0.1219 0.1173 0.0947 0.0867
-2.197 -2.346 -2.793 -2.941
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] [ [ ] [[]] ( )
5to Paso. Plantear un sistema de ecuaciones para determinar los parámetros
del 3er Paso.
Para las temperaturas se tiene:
Resolviendo el sistema de ecuaciones, se tiene:
Finalmente
6to Paso. Calcular
de la reacción para las temperaturas estudiadas
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* +
Reemplazando en las relaciones anteriores se tiene:
Reemplazando en Excel, se tiene;
16
289.15
-152.24
-99.11
0.18
30
303.15
-152.38
-94.73
0.19
55
328.15
-152.85
-86.91
0.20
60
333.15
-152.97
-85.34
0.20
7mo Paso. Emitir para cada caso su criterio de espontaneidad.
En todos los casos, para las distintas temperaturas
, Los procesos son espontáneos en la dirección
, Los procesos son espontáneos en la dirección
8.2. CUESTIONARIO 1. Expóngase el significado de los términos: "espontáneo y equilibrio", usados en termodinámica. Expontaneo: son transformaciones irreversibles que son cambios reales y naturales nos referimos a
las transformaciones en dirección natural como cambios expontaneos y a la desigualdad como la
condición de espontaneidad. Equilibrio:
, cuando está en equilibrio, es decir que una reacción esta en equilibrio cuando su
entropía no cambia 2. Constrúyase una tabla de ∆H Y ∆S incluyendo las cuatro posibilidades asociadas a los dos posibles signos de ∆H y ∆S Explíquese el signo resultante de ∆G y el carácter espontáneo del proceso. ,
.
H 84.82
KJ mol
G 59.82
KJ mol
S 83.85
KJ mol
10
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0
A 300 K un mol de una sustancia es sometido a un aumento isotérmico de presión desde 100 [kP] hasta 1000 [kP]. Calcúlese G para cada sustancia desde el inciso i) hasta iv) y compárense los valores numéricos: (V es el volumen molar para cada sustancia)
Datos: T = 300°K
i)
n=1 mol
Gas ideal nRT
G(T )
G
G
G
nRT
ln(
P P O
5.74
dP
)
1mol * 8.314 5743 .11
Cobre V=7.1 cm3/mol
P
P O
G
P2=1000 KP
iii) P
G
ii)
P1=100 KP
J mol
* 300 K ln(
9.87 0.98
)
G (T ) V ( P P 0 )
G
0.0071
G
J
G
mol
0.063 6.4
L mol
* 8.882atm
Latm mol
J mol
KJ mol
Agua líquida, V
=
18
iv)Cloruro de sodio V= 27 cm3/mol
3
[cm /mol]
G G (T ) V ( P P O
G G (T ) V ( P P O ) G
0 0.0071
G
0.1599
G 16.2
G
L mol
* 8.882atm
La tm mol
0.027
G
0.2398
J
G
mol
L
G
24 .3
mo l
)
* 8.882atm
La tm mo l
J mo l
3. Usando la forma de la ecuación de Van der Waals, establézcase una expresión para ∆G si un mol de gas se comprime isotérmicamente desde 1.0 atm hasta una presión p mayor a una atmósfera. Según la formulade de Van der Waals: ba 2 an P 2 V
V nb nRT
V
nRT ´ P
RT P
P
G G(T )
VdP P O
ba P
G
P O
nRT
´ P
P
dP
P O
RT
dP
P
P b a P ln G nRT ln P 0 nRT P 0
11
L-QM 5. Empleando las ecuaciones diferenciales fundamentales y las definiciones de las funciones determínese la forma funcional de las propiedades termodinámicas: S,V,H y U; para: i) el gas ideal, dado que μ = μ° ( T ) + R T ln p;
G n
Gas ideal n=1mol
S S (T ) R ln P
G(T ) RT ln P G U PV TS U PV G S G
Como es gas es ideal
P V
T
S S S S
Como P y V son constantes
U PV RT ln P T
V
TdS PdV RT ln P
nRT RT P
L
T T S (T ) (T )
T TdS T
PdV T
dST PdV T
RT ln P T
R ln P
12
