Química Electivo
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TERMODINÁMICA II
El término “entalpía” (H) se utiliza en termodinámica para dar a conocer el contenido global de energía (calor) que posee un sistema. Por lo tanto, está referido a la variación que experimenta la energía dentro de una reacción química. En definitiva, se puede establecer una “variación de entalpía” (?H) cuando un sistema sufre una transformación química, es decir, cuando los reactantes se han convertido en productos. Luego, podemos definir este cambio entálpico de la siguiente manera:
En rigor, la entalpía se define como la energía interna que ocurre a una determinada temperatura y volumen, y se expresa:
Donde H es la entalpía, U es la energía interna del sistema, p es la presión y V es el volumen. En una reacción exotérmica, se verifica que la variación de entalpía es menor que cero, es decir, ?H = H productos – H reactantes < 0 Luego, el contenido de energía de los reactantes es mayor que el de los productos de reacción. Por lo tanto, ocurre una liberación de energía hacia el entorno, durante la transformación. Ejemplo: 2 H2 + O2 ? 2 H2O ?H = - 116,24 Kcal
En una reacción endotérmica, se verifica que la variación de entalpía es mayor que cero, es decir, ?H = H productos - H reactantes > 0 Así, el contenido de energía de los productos es mayor que el de los reactantes. Entonces, para que esta reacción ocurra, debe proporcionarse energía desde el entorno. Ejemplo: N2(g) + O2(g) ? 2 NO(g) ?H = + 43 Kcal
4. Identificación de Reacciones En general, se puede identificar una reacción de acuerdo al signo positivo o negativo que presente la entalpía de dicha reacción. Así, se tiene que para un valor positivo de entalpía, la reacción es del tipo exotérmica, es decir, que se libera calor durante la reacción. Por el contrario, un valor negativo de entalpía implica que la reacción necesita energía calórica para completarse, por lo tanto, se trata de una reacción endergónica. Veamos algunos ejemplos:
- Esta ley establece que “el calor absorbido o desprendido en un cambio químico, a presión constante o a volumen constante, es el mismo cuando el cambio se lleva a cabo en una sola etapa que cuando transcurre en varias etapas”. - Luego, la variación de entalpía (cantidad de calor) en una reacción química depende exclusivamente de los estados iniciales y finales de la reacción. Es decir, los caminos que puede tomar la reacción para su realización no tienen mayor relevancia.
En general, las ecuaciones termoquímicas pueden ser sumadas como si fuesen ecuaciones matemáticas y responden a principios matemáticos. De esta manera, si se parte de un mismo estado inicial se llega siempre a un mismo estado final, donde el ?H siempre será igual, ya sea que se efectúe de manera directa o en varias etapas. Veamos un ejemplo: Dadas las ecuaciones termodinámicas:
Calcule la variación de entalpía (?H) para la transformación de C(grafito) ? C(diamante) Solución:
Propiedades de las ecuaciones termodinámicas Para la reacción:
4 CO(g) + 2 O2(g) ? 4 CO2(g) ?H = -1131,2 Kj Inversión de ecuación 4 CO2(g) ? 4 CO(g) + 2 O2 (g) ?H = +1131,2 Kj Amplificación de ecuación (x3) 12 CO(g) + 6 O2(g) ? 12 CO2(g) ?H = - 3393,6 Kj Simplificación de ecuación (/2) 2 CO(g) + O2(g) ? 2 CO2(g) ?H = - 565,6 Kj La entropía se puede definir como el grado de desorden que posee una reacción química. Ahora bien, mientras mayor sea el desorden molecular, mayor será la probabilidad de choques entre moléculas, lo que, en definitiva, determinará la formación de productos. ?S = S productos - S reactantes Una reacción es espontánea cuando libera calor (?S +). Así, una reacción es espontánea cuando ha aumentado el grado de desorden en el sistema.
Dado que es muy difícil cuantificar la entropía, tanto del universo como de un sistema en particular, utilizar este parámetro como criterio de espontaneidad resulta muy complicado. Luego, en termodinámica, se ha optado por utilizar otra función de estado para cuantificar la espontaneidad. Esta función de estado se conoce como energía libre de Gibss y se expresa como ?G. Al considerar una reacción exotérmica (?H < 0) en un sistema cerrado, pero no aislado, que intercambia calor con el entorno, el calor que sale es absorbido por las moléculas del entorno, aumentando de esa manera su entropía. Ahora, si el entorno ya posee una temperatura alta, la contribución que hace el calor liberado sobre la entropía, será mínima. Las moléculas ya estaban muy desordenadas antes siquiera que les llegara el calor desde la reacción exotérmica. Luego, definiendo la energía libre como ?G = ?H - T ?S, se tiene que esta expresión es la real predictora de la espontaneidaden una reacción química. En resumen, tenemos: ?G < 0: El proceso es espontáneo en el sentido escrito, luego, la reacción ocurrirá. |
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