4
1.
Termoquímica Calcula el trab Calcula trabajo ajo reali realizado zado cuan cuando do se com comprim prime e un gas desd desde e 3 3 un volumen de 5,0 dm hasta un volumen de 1,0 dm , a una presión constante de 105 Pa. Interpreta el resultado obtenido. Apartirdelaexpresióndeltrabajoefectuadosobreelsistema, ysustituyendolosdatosdelenunciado,seobtieneunvalor de400J. W = -P ext ⋅ ΔV = -105N/m2⋅(1,0-5,0)⋅10-3m3 = 400J
Eltrabajorealizadosobreelsistemaesunamedidadelaenergía transmitida.Elsignopositivoindicaqueaumentalaenergíainterna delsistema.
2.
Si los procesos reversibles no existen realmente, ¿por qué se les concede tanta importancia? Si queremos calentar agua de 0 a 50 °C por vía reversible, ¿cómo se debería hacer? Porquesirvenparadeducirlasleyesuniversalesquerigen losprocesostermodinámicosyquecumplenaproximadamente todoslosfenómenosreales. Calentarelaguadeformaexactamentereversibleesirrealizable; ahorabien,pararealizarlodeformaprácticamentereversible sedisponedeuntermostatomuybienreguladoenelquesepueda iraumentandogradualmentelatemperatura.Seintroduce elaguadentrodeltermostatoa0°C,yentonces,pocoapoco, sevaincrementandolatemperaturadeformaqueconstantementesea uninfinitésimosuperioralatemperaturadelagua;asíhastallegar aalcanzarlos50°C.
3.
En un una a bom bomba ba cal calor orimé imétri trica ca se qu quema eman n tot totalm almen ente te 100 g de un combustible, originando un aumento en la temperatura de 1 litro de agua de 30 °C. Calcula el calor desprendido en la reacción de combustión. Datos: c e (H2O)
=
4180 J ⋅ kg-1 ⋅ K-1.
Lavariacióndecalorseobtienedelaexpresión: ΔQ = m ⋅ c e⋅ ΔT
dondesustituyendolamasa,elcalorespecíficoyelincremento delatemperatura,queda: ΔT = (T f - T i)=
30°C,queequivaleaunadiferenciade 30 °C,queequivaleaunadiferenciade30K 30K
Seobtienequeelcalordesprendidoes: ΔQ =
0,1kg⋅4180J/(kg⋅K)⋅30K= 12540J
1
4.
En cua cuanto nto a la en energ ergía ía int intern erna a de un sis sistem tema: a: (Se (Selec leccio ciona na la respuesta válida). a) Su variación en el transcurso de una transformación depende del camino seguido en la transformación. b) Es igual al calor máximo que puede dar el sistema. c) Corresponde Corresponde a la energía potencial potencial de las moléculas moléculas del sistema. d) Solo podemos conocer su variación en el transcurso de un proceso y nunca su valor absoluto. (Cataluña, 2007) a) Falso.Esunafuncióndeestado Falso.Esunafuncióndeestadoy,portanto,nodepende y,portanto,nodepende delcaminoseguido. b) Falso.Esigualalasumadeltraba Falso.Esigualalasumadeltrabajoydelcalor joydelcalor intercambiado. c) Falso.Comprendetodasla Falso.Comprendetodaslasenergíasdeloscompo senergíasdeloscomponentes nentes delsistema,nosololapotencial. d) Verdadero.Solosepue Verdadero.Solosepuededeterminarsusvariacio dedeterminarsusvariacionesapartir nesapartir deotrasmagnitudes,comoeltrabajoyelcalor.
5.
A presión constante tienen lugar las siguientes transformaciones: a) Hg (l )
→
b) 3 O2 ( g ) c) H2 ( g )
+
Hg ( g ) →
2 O3 ( g )
F2 ( g )
→
2 HF ( g )
¿En qué caso el sistema realiza trabajo sobre el entorno? ¿En cuál lo realiza el entorno sobre el sistema? ¿En cuál no se realiza trabajo? Lavariaciónenelnúmerodemolesgaseosos(∆n )entreproductos )entreproductos yreactivos,indicaque: a) Para Paralap laprimer rimerarea areacció cción: n: Δn = 1;tienelugarunaexpansión oaumentodelvolumenenelsistemay,portanto,elsistemarealiza trabajosobreelentorno.W < 0. b) Paralasegundare Paralasegundareacción: acción:Δn = -1;seproduceunadisminución devolumendelsistema,quesemanifiestaporunacompresión delmismo;enestecaso,elentornorealizatrabajosobreelsistema. W > 0. c) Enla Enlaterc tercera erareac reacción: ción: Δn = 0;nohayvariaciónenelnúmero demolesdegasnienelvolumendelsistema. Portanto,niseexpandenisecomprime,noserealizatrabajo. W = 0.
2
4.
En cua cuanto nto a la en energ ergía ía int intern erna a de un sis sistem tema: a: (Se (Selec leccio ciona na la respuesta válida). a) Su variación en el transcurso de una transformación depende del camino seguido en la transformación. b) Es igual al calor máximo que puede dar el sistema. c) Corresponde Corresponde a la energía potencial potencial de las moléculas moléculas del sistema. d) Solo podemos conocer su variación en el transcurso de un proceso y nunca su valor absoluto. (Cataluña, 2007) a) Falso.Esunafuncióndeestado Falso.Esunafuncióndeestadoy,portanto,nodepende y,portanto,nodepende delcaminoseguido. b) Falso.Esigualalasumadeltraba Falso.Esigualalasumadeltrabajoydelcalor joydelcalor intercambiado. c) Falso.Comprendetodasla Falso.Comprendetodaslasenergíasdeloscompo senergíasdeloscomponentes nentes delsistema,nosololapotencial. d) Verdadero.Solosepue Verdadero.Solosepuededeterminarsusvariacio dedeterminarsusvariacionesapartir nesapartir deotrasmagnitudes,comoeltrabajoyelcalor.
5.
A presión constante tienen lugar las siguientes transformaciones: a) Hg (l )
→
b) 3 O2 ( g ) c) H2 ( g )
+
Hg ( g ) →
2 O3 ( g )
F2 ( g )
→
2 HF ( g )
¿En qué caso el sistema realiza trabajo sobre el entorno? ¿En cuál lo realiza el entorno sobre el sistema? ¿En cuál no se realiza trabajo? Lavariaciónenelnúmerodemolesgaseosos(∆n )entreproductos )entreproductos yreactivos,indicaque: a) Para Paralap laprimer rimerarea areacció cción: n: Δn = 1;tienelugarunaexpansión oaumentodelvolumenenelsistemay,portanto,elsistemarealiza trabajosobreelentorno.W < 0. b) Paralasegundare Paralasegundareacción: acción:Δn = -1;seproduceunadisminución devolumendelsistema,quesemanifiestaporunacompresión delmismo;enestecaso,elentornorealizatrabajosobreelsistema. W > 0. c) Enla Enlaterc tercera erareac reacción: ción: Δn = 0;nohayvariaciónenelnúmero demolesdegasnienelvolumendelsistema. Portanto,niseexpandenisecomprime,noserealizatrabajo. W = 0.
2
4
6.
Termoquímica Respo Re spond nde e a las sig siguie uiente ntess cu cuest estion iones: es: W
a) Calentamos el gas de un cilindro metálico vertical dotado de un pistón de 3 kN de peso y el pistón se desplaza 20 cm. Considerando que el calor absorbido por el gas ha sido de 40 J, calcule la variación de energía interna del gas.
Q
b) ¿Qué significado físico tiene la energía interna de un sistema? c) ¿Qué significa que la energía interna es una función de estado? d) ¿Se puede determinar la energía interna de un sistema? Razone la respuesta. (Cataluña, 2007) a) Elprimerprincipiodelatermodinámicae Elprimerprincipiodelatermodinámicaestablecequelavariación stablecequelavariación deenergíainternadelsistemaeslasumadelcalorabsorbido yeltrabajorealizadoporelsistema. ΔU = Q + W
Primerosecalculaeltrabajodeexpansión: W = -F ext⋅∆ ∆x x = -3000N⋅0,2m= -600J Teniendoencuentaqueelcalorabsorbidoesde40J:Q = 40J. Teniendoencuentaqueelcalorabsorbidoesde40J:Q Sustituyendoambosvalores: ΔU = 40J - 600J= -560J
Comoresultado,laenergíainternadelsistemadisminuye en560J. b) Laenergíainternaincluye Laenergíainternaincluyetodaslasformasdeene todaslasformasdeenergía rgía quetieneunsistema,ysepuedeconsiderarcomolasuma delasenergíaspotencialycinéticadelasmoléculasqueforman elsistema. c) Lasfunc Lasfuncionesde ionesdeestado estadosolodep solodependendel endendelestadoi estadoinicial nicial yfinaldeunatransformación,siendoindependientedelcamino seguido. d) Nosepuedendeterminarlo Nosepuedendeterminarlosvaloresabsolutosdelae svaloresabsolutosdelaenergíainterna nergíainterna deunsistema.Perosíesposibledeterminarexperimentalmente lasvariacionesdeenergíainternacuandoelsistemaexperimenta unatransformación.
7.
Escribe una reac Escribe reacción ción quím química ica para la que el calo calorr de reac reacción ción a volum volumen en constante sea igual que el calor de reacción a presión constante. Suponiendouncomportamientoideal,elcalorapresiónconstante serelacionaconelcaloravolumenconstanteapartir delaecuación: Q p = Q v + Δn ⋅ R ⋅ T
3
Paraqueamboscalorestenganelmismovalordebecumplirse queelnúmerodemolesdeloscomponentesgaseososdelsistema nocambiealproducirselareacción;deestaformaΔn = 0 ysecumplequeQ p = Q v. Porejemplo:
8.
C(grafito )+O2(g ) →CO2(g )
Δn = 1mol-1mol= 0→ Q p = Q v
H2(g ) +Cl2(g ) → 2HCl(g )
Δn = 2mol-2mol= 0→ Q p = Q v
A la temperatura de 200 °C y presión atmosférica se quema un mol de propano desprendiéndose 1700 kJ de energía calorífica: a) Escribe ajustada la ecuación termoquímica de combustión. b) Calcula la variación de energía interna del proceso. a) Ecuaciónquímicaajustada: C3H8(g )+5O2(g )→3CO2(g )+4H2O(g ) b) Delaecuaciónajustadaseobtienelavariaciónenelnúmero demolesgaseosos: Δn = 3mol - 6mol= -3mol
Apartirdelaecuaciónquerelacionaenergíainternayentalpía: ΔH = ΔU + Δn ⋅ R ⋅ T → ΔU = ΔH - Δn ⋅ R ⋅ T
Ysustituyendolosvalores: R = 8,31J/(K⋅mol);T = 473K;Δn = -3mol seobtienequelaenergíainternadelsistemadisminuye en1688kJ. ΔU = ΔH - Δn ⋅ R ⋅ T = = -1700000J - (-3mol)⋅8,31J/(K⋅mol)⋅473K ΔU = -1688kJ
9.
¿Qué significado tienen los siguientes datos? Escribe las ecuaciones termoquímicas correspondientes a cada apartado. a) DH °f SO2 ( g ) = -296,8 kJ b) DH °f CO2 ( g ) = -393,5 kJ c) DH °f C2H2 ( g ) = +227,5 Sedefinelaentalpíadeformación(ΔH °f )comoelcalor queseabsorbeodesprendecuandoseformaunmoldecompuesto apartirdeloselementosqueloconstituyenensuestadonatural. a) Formacióndeldióxidodeazufre: S(s )+O2(g )→SO2(g ) Eldatoindicaqueenlaformacióndeunmoldedióxidodeazufre sedesprendeunaenergíacaloríficade296,8kJ.
4
4
Termoquímica b) Formacióndeldióxidodecarbono: C(grafito )+O2(g )→CO2(g ) Enlaformacióndeunmoldedióxidodecarbonosedesprende unaenergíacaloríficade393,5kJ. c) Formacióndelacetileno: 2C(grafito )+H2(g )→C2H2(g ) Enlaformacióndeunmoldeacetilenoseabsorbeunaenergía de227,5kJ.
10.
Sabiendo que la combustión de 1 kg de TNT libera 4600 kJ y teniendo en cuenta los datos que se adjuntan, calcule: a) La entalpía estándar de combustión del metano. b) El volumen de metano medido a 25 °C y 1 atm de presión que es necesario para producir la misma energía que 1 kg de TNT. Datos: DH °f (kJ/mol): CH4 ( g ) H2O ( g ) = -242.
= -75;
CO2 ( g )
= -394;
(C. Madrid, 2006) a) Reaccióndecombustióndelmetano: CH4(g )+2O2(g )→CO2(g )+2H2O(l ) ΔH ° r = Σ(n p⋅ ΔH ° f p)- Σ(n r⋅ ΔH ° f r) ΔH = (-394kJ/mol⋅1mol-2mol⋅242kJ/mol)-(-75kJ/mol⋅1mol) ΔH = -803kJ
b) Teniendoencuentaqueenlacombustiónde1moldemetano seliberan803kJ,paraqueseliberen4600kJseránnecesarios 4600/803=5,7moldemetano. Apartirdelaecuacióndelosgasesidealesseobtieneelvolumen quecorrespondealos5,7moldemetano: V
11.
n R T ⋅
=
5,7 0,082 298
⋅
P
⋅
⋅
=
=
1
139,3 L de CH4
Calcule la entalpía de formación del agua utilizando energías de enlace promedio y luego calcule la energía producida en los motores de un cohete por la combustión de los 150 m3 de hidrógeno de sus depósitos (200 atm y 10 °C), suponiendo un comportamiento ideal del gas. Datos: energías de enlace promedio en kJ/mol: O =O, 498; O-H, 463; H-H, 436. (C. F. Navarra, 2006)
5
Ecuacióndeformacióndelagua: 2H2(g )+O2(g )→2H2O(g ) Laenergíanecesariapararomperelenlaceentreátomosdehidrógeno (H–H)esde436kJ/mol,ycorrespondealaecuación: H2(g )→H(g ) +H(g );ΔH = 436kJ/mol Laenergíanecesariapararomperelenlaceentreátomosdeoxígeno (O=O)esde498kJ/mol,segúnlaecuación: O2(g )→O(g )+O(g );ΔH = 498kJ/mol Apartirdelaecuaciónajustadaseobservaqueserompendos enlacesH–HyunenlaceO=O,yseformancuatroenlacesO– H. ΔH f ° = Σ(energíadeenlacesrotos) - Σ(energíadeenlacesformados)
Sustituyendolosdatosdelasenergíasdeenlace: ΔH °f = (2⋅436kJ+1⋅498kJ)-(4⋅463kJ) ΔH °f = 1370kJ-1852kJ= -482kJ
Teniendoencuentalaestequiometríadelareacción,estevalor correspondealaentalpíadeformacióndedosmolesdeagua; portanto,paralaformacióndeunmoldeagua: ΔH °f = -241kJ/mol
Suponiendouncomportamientoidealdelhidrógeno,secalcula elnúmerodemolescontenidosen150m3a200atmytemperatura de10°C.Paraellopreviamenteseexpresanlos150m 3enlitros, ylatemperatura,enkelvin: 150 m3 ⋅
1000 L 1m
n =
P ⋅ V R ⋅ T →
3
=
= 1,5 ⋅ 105 L; T = 273 + 10 = 283 K
200 atm ⋅ 1,5 ⋅ 105 L 0,082 atm ⋅ L ⋅ K-1 ⋅ mol-1 ⋅ 283 K
→
n = 1,3 ⋅ 106 moles de hidrógeno
Apartirdelaenergíaliberadaporcadamoldeaguaformada (241kJ/mol)seobtienelacantidadtotaldeenergíadesprendida: Q = -241kJ/mol⋅1,3⋅106mol= -3,13⋅108kJ
12.
Explica si los procesos siguientes representan un aumento o una disminución de la entropía del sistema. a) Formación de trióxido de azufre a partir de sus elementos. b) Formación de cristales de sulfato de cobre (II). a) Enlaformacióndetrióxidodeazufreseproduceunaumento deentropíadebidoaladesorganizacióndelaestructuracristalina delazufreyaqueelnúmerodemoléculasenestadogaseoso disminuye,segúnlareacción: 2S(s )+3O2(g )→2SO3(g )
6
4
Termoquímica b) Enlafusióndelaguaseproduceunaumentodeldesorden delsistemaydelaentropía.Lasmoléculasenelestadosólido estánmásordenadasquecuandoseencuentranenestadolíquido. c) Enlacombustióndelhidrógenoseproduceunamayororganización delsistema;elnúmerodemoléculasenestadogaseosodisminuye, pasandode3moléculasgaseosasasolodosmoléculasgaseosas, porloquelaentropíadisminuye: 2H2(g )+O2(g )→2H2O(g ) d) Enlaformacióndelsulfatodecobreseformaunaestructura cristalinaordenadacondisminucióndelaentropíadelsistema.
13.
Comenta la veracidad de la frase: «Es imposible realizar una transformación que vaya acompañada de disminución de entropía». Falsa,yaqueentoncesseríaimposible,porejemplo,enfriar uncuerpo,ordenarunsistema,construirunacasa,etc. Loquesucedeesquedichatransformaciónnopuederealizarse jamásdeformaespontánea,sinoquehadeserprovocada,esdecir, producidaporunagenteexteriorque,alrealizarla,aumenta deentropíaenunaproporciónsuperioraladisminucióndedicha magnitudenlatransformaciónconsiderada.Endichatransformación laentropíadelsistemapuededisminuir,perolaentropía totaldeluniversocrece,comoexigeelsegundoprincipio delatermodinámica.
14.
Explica termodinámicamente la expresión: «El universo tiende hacia el caos». Segúnelsegundoprincipiodelatermodinámica,entoda transformaciónespontánealaentropíaaumenta(eldesorden delsistema).Enelcasodeluniversotodaslastransformaciones naturalessonespontáneas,yportanto,laentropía,esdecir, eldesorden,tiendehaciaunmáximo.
15.
Sabiendo que el proceso de explosión de la nitroglicerina sigue la siguiente ecuación (sin ajustar): C3H5N3O9 (l )
→
CO2 ( g ) + H2O ( g ) + N2 ( g ) + O2 ( g )
¿Tendrá alguna relación la potencia de la explosión con la variación de entropía de la reacción? Enlaexplosióndelanitroglicerinaseproduceungranaumento deentropíaalpasardeunmoldereactivoenestadolíquidoacuatro molesdeproductosgaseosos.Larápidaliberacióndeestosgases ydelcalororiginaunaondaexpansivadegranenergía, responsabledelapotenciadestructoradelexplosivo.
7
16.
Predice cómo será la variación de entropía para la reacción de formación del NH 3 y calcula luego su valor numérico a partir de los datos de la tabla. Enlasíntesisdeamoniacoseproduceunareorganización demoléculas;decuatromoléculasgaseosassepasa asolodosmoléculasenestadogaseoso,originándose unadisminucióndeentropíaaldisminuireldesorden molecular. N2(g )+3H2(g )→2NH3(g ) ΔS ° r = (n NH3⋅ S °NH3)-(n N2⋅ S °N2+ n H2 ⋅ S °H2) ΔS °r = (2mol⋅192,5J⋅K-1 ⋅mol-1)-
- (1mol⋅191,5J⋅K-1 ⋅mol-1 +3mol⋅130,7J⋅K-1 ⋅mol-1)
Paralaformacióndedosmolesdeamoniaco: ΔS °r = -198,6J⋅K-1
Yparalaformacióndeunmoldeamoniaco: ΔS °r = -99,3J⋅K-1 ⋅mol-1
17.
Utilizando los datos de la tabla de entropías molares de formación en condiciones estándar, calcula la variación de entropía para la reacción: CaCO3 (s )
→
CaO (s ) + CO2 ( g )
Tenemos: CaCO3(s )→CaO(s ) +CO2(g ) ΔS °r = (n CO2⋅ S ° CO2 + n CaO⋅ S ° CaO)-(n CaCO3⋅ S ° CaCO3) ΔS °r = (1mol⋅213,6J⋅K-1 ⋅mol-1 +1mol⋅39,7J⋅K-1 ⋅mol-1)-(1mol⋅92,7J⋅K-1 ⋅mol-1)→ →
18.
ΔS °r = 160,6J⋅K-1
Una reacción es espontánea a 800 °C, pero es no espontánea a 25 °C. Indica razonadamente qué signo ( + o -) tendrán DH y DS de dicha reacción. (Castilla-La Mancha, 2007) Cuandolatemperaturaesde800°C(1073K),lareacción esespontánea: ΔG = ΔH - T ⋅ ΔS< 0→ ΔH -1073K⋅ ΔS < 0
Aldisminuirlatemperaturahasta25°C(298K),lareacción noesespontánea: ΔG = ΔH - T ⋅ ΔS> 0→ ΔH -298K⋅ ΔS > 0
Ambasigualdadessolosecumplenparavalorespositivos delaentalpíaydelaentropía:ΔH > 0yΔS > 0.
8
4
Termoquímica Esdecir,cuandolareacciónesendotérmica( ΔH > 0) ylavariacióndeentropíaespositiva(ΔS > 0).Atemperaturas elevadas,como800°C,elproducto T ⋅ ΔS puedesermayor quelaentalpía(ΔH );enestascondiciones,lavariacióndeenergía libreesnegativa,yelproceso,espontáneo.Enlasmismascondiciones, peroabajastemperaturas,comoa25°C,elproducto T ⋅ ΔS podría sermenorquelaentalpía;deestaformalavariacióndeenergía libreespositivayelprocesonoesespontáneo.
19.
Para una reacción química A ( g ) + B ( g ) → AB ( g ). a) Calcule el intervalo de temperatura en el que la reacción es espontánea si: DH = -70 kJ y DS = -140 J ⋅ K-1. b) Calcule la temperatura a la que se alcanza el equilibrio si DH = 70 kJ y DS = -140 J ⋅ K-1. c) ¿Qué significan en los apartados anteriores los signos de DH y DS ? (R. Murcia, 2006) a) Paraqueunareacciónseaespontáneadebecumplirse quelaenergíalibredeGibbs(ΔG = ΔH - T ⋅ ΔS )sea menorquecero(ΔG < 0).Portanto,tambiéndebecumplirseque: ΔH - T ⋅ ΔS < 0 Alsustituirlosdatosconocidosdeentalpíayentropíaseobtiene latemperaturaalaqueelprocesoseproducedeformaespontánea: -7⋅104J - T ⋅(-140J/K)< 0→ T < 500K DedondesededucequeparavaloresdeT < 500Klaenergía libreesnegativaylareacciónseproducedeformaespontánea. Porencimadeesatemperaturalareacciónnoseríaespontánea. Alatemperaturade500Kelsistemaseencuentraenequilibrio. b) Unprocesoenqueseproduceunaabsorcióndeenergía (reacciónendotérmica:ΔH > 0)yunadisminuciónenlaentropía (disminuyeeldesorden:ΔS < 0)noseproducedeforma espontáneaaningunatemperatura(ΔG > 0)y,comoconclusión, nosellegaaalcanzarelequilibrio. c) Enelprimerapartado,elvalornegativodelavariacióndeentalpía significaquelaenergíasaledelsistema,sedesprendeenergía ylareacciónesdetipoexotérmico.Elvalornegativo delavariacióndeentropíasignificaqueseproduceunaumento enelordendelsistema.Demaneraqueelfactorentálpicofavorece laespontaneidad,peroelfactorentrópicoseopone. Enelsegundoapartado,elsignopositivodelavariacióndeentalpía quieredecirqueelprocesoseproduceconabsorcióndecalor delentornoyesdetipoendotérmico.Elvalornegativodelavariación deentropíasignificaquenoaumentaeldesorden.Enestecaso,tanto lavariacióndeentalpíacomoladeentropíaseoponen alaespontaneidaddelproceso.
9
20.
Las reacciones químicas siempre son espontáneas si: (Elige la correcta). a) Son endotérmicas y presentan una variación de entropía negativa. b) Son endotérmicas y presentan una variación de entropía positiva. c) Son exotérmicas y presentan una variación de entropía positiva. d) Son exotérmicas y presentan una variación de entropía negativa. (Cataluña, 2007) a) Falso.Endichascondicionesnoesespontáneaaninguna temperatura;soloseráespontánealareacciónquímicainversa. b) Falso.Lareacciónesespontáneasoloatemperaturasaltas enquesecumplaque: |T ⋅ ΔS| > |ΔH |;deestaformaΔG < 0 c) Verdadero.Lareacciónesespontáneaacualquiertemperatura. d) Falso.Lareacciónsoloesespontáneaatemperaturasbajas enquesecumplaque: |T ⋅ ΔS| < |ΔH |;demaneraqueΔG < 0
21.
Para la reacción: CH2=CH2 + H2
→
CH3-CH3
(DH ° = -137 kJ/mol, DS ° = -121 J/mol K), comente su espontaneidad a 25,0 °C, 859,2 °C y a 1000,0 °C. Sugiera qué temperatura sería más adecuada para la obtención de etano. (C. F. Navarra, 2007) Reaccióndehidrogenacióndeleteno: CH2=CH2+H2
CH3-CH3
→
Paraqueunareacciónseaespontáneadebecumplirsequelaenergía libre(ΔG °= ΔH ° - T ⋅ ΔS °)seamenorquecero.Sustituyendo losdatos,debecumplirseque:
-137,00J - T ⋅(-121J/K)< 0 DedichaexpresiónsededucequeparavaloresdeT < 1132,2K (859,2°C),laenergíalibreesnegativa,yelproceso,espontáneo. Porencimade859,2°Clareacciónnoseráespontánea. Comoconclusión:alatemperaturade25°Clareacción esespontánea;a859,2°Celsistemaseencuentraenequilibrio; ya1000°Clareacciónnoseproduceespontáneamente. Desdeelpuntodevistatermodinámico,paralaobtencióndeletano latemperaturaadecuadaseríalade25°C.
22.
Determinar a qué temperatura es espontánea la reacción: N2 ( g ) + O2 ( g )
→
2 NO ( g ) + 180,8 kJ
Datos: S ° (NO) = 0,21 kJ ⋅ mol-1 ⋅ K-1; S ° (O2) = 0,20 kJ ⋅ mol-1 ⋅ K-1; S ° (N2) = 0,19 kJ ⋅ mol-1 ⋅ K-1. (Extremadura, 2005)
10
4
Termoquímica Lareaccióntendrálugardeformaespontáneacuandolaenergíalibre deGibbsseamenorquecero:ΔG °< 0,loquesignifica queelprocesoseráespontáneocuandoΔH ° - T ⋅ ΔS °< 0. Despejandolatemperaturaseobtienenlosvaloresenquelareacción seproduciráespontáneamente: ΔH ° T > ΔS ° Comoelvalordelaentalpíaesconocido180,8kJ(proceso endotérmico),necesitamoscalcularpreviamentelavariación delaentropíadelareacción: N2(g )+O2(g )→2NO (g ) +180,8kJ ΔS °r = (n NO ⋅ S °NO)-(n N2⋅ S °N2+ n O2 ⋅ S °O2)→ →
ΔS °r = (2mol⋅210J⋅K-1 ⋅mol-1)-
- (1mol⋅190J⋅K-1 ⋅mol-1 +1mol⋅200J⋅K-1 ⋅mol-1)→ →
ΔS °r = 30J⋅K-1
Sustituyendolosvaloresdelaentalpíaydelaentropíadelareacción: T >
108800J
→
30J/K
T > 3627K
resultaqueatemperaturassuperioresa3627Kelprocesosucede deformaespontánea.
23.
Escribe las reacciones de combustión de los siguientes combustibles: hidrógeno, propano y metano. Indica razonadamente cuál de ellos desprende mayor cantidad de calor por gramo quemado y cuál es el que menos contamina. DH comb:
H2 ( g ) = -286 kJ/mol, C3H8 ( g ) = CH4 ( g ) = -890 kJ/mol
-2220
kJ/mol,
1) Combustióndelhidrógeno: 2H2(g )+O2(g )→2H2O(g ) 2) Combustióndelpropano: C3H8(g )+5O2(g )→3CO2(g )+4H2O(l ) 3) Combustióndelmetano: CH4(g )+2O2(g )→CO2(g )+2H2O(l ) Calordecombustiónliberadoporcadagramodecadacombustible quemado: • Q 1 = -286kJ/2g= -143kJ/g dehidrógeno. • Q 2 = -2220kJ/44g= -50,5kJ/gdepropano. • Q 3 = -890kJ/16g= -55,6kJ/gdemetano. Esdecir,elquemáscalorproporcionaporgramoeselhidrógeno, siendoalavezelquemenoscontamina,porquenoliberadióxido decarbonoalaatmósfera,gasresponsabledelefectoinvernadero.
11
24.
Las entalpías de combustión del propano y el butano, a 25 °C y 1 atm, son -2220 kJ/mol y -2658 kJ/mol, respectivamente. a) Calcula la diferencia de calor desprendido al quemar 10 gramos de cada uno de estos gases. b) Calcula la diferencia de calor desprendido al quemar 10 litros de cada uno de estos gases, medidos a 25 °C y 1 atm. (Aragón, 2008) a) Calordecombustiónalquemar10gdepropanoy10gdebutano: • ParaelC3H8: Q 1=
2220kJ 44g
⋅10g= 504,5kJ
• ParaelC4H10: Q 2 =
2658kJ 58g
⋅10g= 458,3kJ/g
• Portanto: ΔQ = Q 1 - Q 2 = 504,5kJ - 458,3kJ= 46,2kJ
Elpropanoliberamáscantidaddecalor,siendoladiferencia deenergíacaloríficade46,2kJ. b) Apartirdelaecuacióngeneraldelosgasesidealesseobtienen losmolesdegascontenidosenlos10litrosa25°Cy1atm: P ⋅V = n ⋅ R ⋅T →
n =
P ⋅ V R ⋅ T
=
→
1 atm ⋅ 10 L 0,082 atm ⋅ L ⋅ K
-1
-1
⋅ mol
⋅ 298 K
= 0,41 mol
Calordecombustiónpara0,41moldecombustible. • ParaelC3H8: Q 1 = 2220kJ/mol⋅0,41mol= 910,2kJ • ParaelC4H10: Q 2 = 2658kJ/mol⋅0,41mol= 1089,8kJ • Portanto: ΔQ = Q 2 - Q 1 = 1089,8kJ - 910,2kJ= 179,6kJ Elbutanoliberamáscantidaddecalor.Ladiferenciadecalorentre ambosesde179,6kJ.
25.
Indica razonadamente si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar materia con el entorno, pero sí energía. b) La densidad es una propiedad intensiva de un sistema. c) El trabajo es una función de estado. d) En determinadas condiciones, el calor es una función de estado.
12
4
Termoquímica a) Falso.Elsistemaaisladonointercambianimaterianienergía. b) Verdadero.Ladensidadnodependedelamasadelsistema. c) Falso.Eltrabajodependedelcaminoseguido enunatransformación. d) Verdadero.Porejemplo,elcalorapresiónconstante(entalpía dereacción).
26.
A partir de los siguientes datos termoquímicos: calor de formación del metano ( g ) partiendo del carbono (grafito), -17,89; calor de combustión del carbono (grafito), -94,05; calor de formación del agua (l ), -68,32, todos ellos expresados en kcal/mol y a 298 K. Calcule: a) El calor de combustión del metano. b) Cuántos gramos de metano harían falta para calentar 30 litros de agua de densidad 1 g/cm 3 desde la temperatura de 15 °C hasta 80 °C. Para ello considere que la caloría es el calor necesario para elevar un grado a un gramo de agua en el intervalo del problema. (Castilla y León, 2005) Reaccionesquímicasydatostermodinámicos: C (grafito )+2H2(g )→CH4(g );
ΔH °f = -17,89kcal
C (grafito )+O2(g )→CO2(g );
ΔH °c = -94,05kcal
H2(g )+1/2O2(g )→H2O(l );
ΔH °f = -68,32kcal
Lareaccióndecombustióndelmetano: CH4(g ) +2O2(g )→CO2(g )+2H2O(l ) sepuedeobtenerapartirdelainversadelaprimeraecuación, delasegundaecuaciónydelaterceraecuaciónmultiplicada pordos.Sumandoalgebraicamenteestasreacciones ysimplificandoseobtienelaecuaciónbuscadayelcalor queacompañaalproceso: CH4(g )→C(grafito )+2H2(g ) C (grafito )+O2(g )→CO2(g ) 2 H2(g )+O2(g )→2H2O(l ) CH4(g ) +2O2(g )→CO2(g )+2H2O(l ) Portanto: ΔH f = -ΔH 1+ ΔH 2 +2⋅ ΔH 3 = = 17,89kcal - 94,05kcal+2⋅(-68,32kcal)= -212,8kcal/mol
Apartirdelaequivalencia1cal= 4,18JseobtieneelresultadoenkJ: Q = -212,8kcal⋅
4,18kJ 1kcal
= -889,5kJ
Comounlitrodeaguaequivaleaunkilogramo, lamasacontenida en30Lesde30kg.
13
Conocidoelcalorespecíficodelaguasepuedecalcularlacantidad decalornecesariaparaelevarlatemperatura65°C: Q = m ⋅ c e ⋅ ΔT = 3⋅104g⋅4,18J/(g⋅K)⋅65K= 8151kJ Deestaformaseobtienenlosmolesylosgramosdemetanonecesarios: Q = n ⋅ ΔH °c → n = 9,2molCH4 ⋅
27.
8151 kJ 889,5kJ/mol 16gCH4
1molCH4
= 9,2molCH4
= 146,6gCH4
En termodinámica (selecciona la respuesta válida). a) El calor absorbido por el sistema siempre es negativo. b) El trabajo de expansión de un gas siempre es negativo. c) La variación de entalpía coincide con el calor intercambiado a volumen constante. d) La variación de energía interna coincide con el calor intercambiado a presión constante. (Cataluña, 2007) a) Falso.Elcalorabsorbidoseconsiderapositivo. b) Verdadero.W = -P ⋅ ΔV ;enunaexpansión,ΔV > 0.Portanto, eltrabajoesnegativo. c) Falso.Lavariacióndeentalpíacoincideconelcalorintercambiado apresiónconstante. d) Falso.Lavariacióndeenergíainternaesigualalcalor intercambiadoavolumenconstante.
28.
Razona la veracidad o falsedad de las afirmaciones: a) Para las transformaciones en que intervienen gases, siempre se cumple que DH > DU . b) En una transformación adiabática se cumple que DU = -W . c) En un proceso endotérmico se cumple que DH > 0. d) En un proceso en que el estado final es el mismo que el inicial se cumple que DH = 0. a) Falso.Lavariacióndelaentalpíapuedesermayor,menoroigual alavariacióndeenergíainterna,yaqueΔH = ΔU + P ⋅ ΔV . b) Falso.EnunprocesoadiabáticosecumplequeQ = 0y,portanto, ΔU = W . c) Verdadero.Enlosprocesosendotérmicoslavariacióndeentalpía esmayorquecero. d) Verdadero.Laentalpíaesunafuncióndeestadoysolodepende delestadofinaleinicial.Enunprocesocíclicoambosestados soniguales;portanto,ΔH = 0.
14
4
29.
Termoquímica Calcular la variación de energía interna para la reacción de combustión del benceno, C 6H6 (l ), si el proceso se realiza a la presión de 1 atm y 25 °C de temperatura. Datos: DH °f (kJ/mol): dióxido de carbono: DH °f benceno: 49.
-393; DH °f
agua (l ):
-286;
(Extremadura, 2006) Paraobtenerlavariacióndeenergíainternadebemoscalcularantes lavariacióndeentalpía: ΔH = ΔU + Δn ⋅ R ⋅ T → ΔU = ΔH - Δn ⋅ R ⋅ T
Ecuacióndecombustióndelbenceno: C6H6(l )+15/2O2(g )→6CO2(g )+3H2O(l ) Apartirdelasentalpíasdeformacióndeproductosyreactivos secalculalavariacióndeentalpíadelproceso: o ΔH °= (Σn.omoles ⋅ ΔH ° f productos) - (Σn. moles ⋅ ΔH ° f reactivos)
Sustituyendolasentalpíasdeformaciónenlaecuación,yrecordando quelaentalpíadeformaciónparaeloxígenoescero,seobtieneque: ΔH °= [6mol⋅ ΔH ° f CO2(g )+3mol⋅ ΔH ° f H2O(l )] - [1mol⋅ ΔH ° f C6H6(l )]→ ΔH °= -3265kJ
Lavariacióndelaenergíainternaseobtienesustituyendoelresultado obtenidoylosvalores: R = 8,31J/(K⋅mol);T = 298K;Δn = (6-7,5)mol= -1,5mol ΔU = ΔH - Δn ⋅ R ⋅ T = -3265000J -8,31J/(K⋅mol) ⋅298K⋅(-1,5mol)→ ΔU = -3261,3kJ
30.
a) Enunciar la ley de Hess. ¿Qué aplicación tiene esta ley? b) Decir que una reacción A es más exotérmica que otra B, ¿significa que las entalpías de formación de los productos finales son en el caso A más negativas que en el B? Razonar la respuesta. (Extremadura, 2006) a) LaleydeHessafirmaquelavariacióndecalordeunareacción químicadependeúnicamentedelosestadosinicialyfinal delsistema,siendoindependientedelosestadosintermedios porlosquehatranscurrido.Estaleypermitetratarlasecuaciones termoquímicascomoecuacionesalgebraicas,siendo unprocedimientoútilparacalcularloscaloresdereaccióncuando unareacciónnosepuederealizardirectamenteencondiciones experimentalessencillas. b) Nonecesariamente.Laentalpíadereacciónseobtieneapartir deladiferenciaentrelasentalpíasdeformacióndelosproductos ylasdelosreactivos,multiplicadasporelnúmerodemoles queindicalaestequiometríadelareacciónajustada,
15
yaquedependedelacantidaddemateria.Portanto,nosolo dependedelasentalpíasdeformacióndelosproductos, sinoquetambiéndebentenerseencuentalasentalpías deformacióndelosreactivosyelnúmerodemolesdecada sustanciaqueintervieneenlareacción.
31.
Tenemos dos datos de la entalpía estándar de formación del agua a una temperatura dada: A) = -285,5 kJ/mol. B) = -242,5 kJ/mol. Razonadamente, ¿qué valor asignaría a la entalpía de formación del agua en estado vapor y cuál a la entalpía del agua en estado líquido? (Cantabria, 2006) Enelprocesodeformacióndelamoléculadeaguaseproduce unaciertacantidaddeenergía.Unapartedeestaenergíapermanece enlasmoléculasdeagua,enformadeagitaciónmolecular.Enestado devapor,elgradodeagitacióndelasmoléculasesmáximo; enestadolíquido,tieneunvalorintermedio;yenestadosólido, unvalormínimo.Consecuentemente,laenergíaqueselibera porlareacciónenformadecalorserámenorcuandoseformaagua enestadodevaporquecuandoseformaagualíquida. H2(g )+ H2(g )+
32.
1
O2(g )→H2O(v );ΔH °f = -242,5kJ
2
1 2
O2(g )→H2O(l );ΔH °f = -285,5kJ
Deduce la entalpía de combustión del propano. 3C(grafito )+4H2(g )+5O2(g ) ΔH °f = -103,9kJ
)
C3H8(g )+5O2(g )
H (
ΔH °r = ΔH °f1 - ΔH °f2 =
a í p l a t n E
= -2373,7-(-103,9)=
ΔH °f = -2373,7kJ
= -2219,8kJ
3CO2(g )+4H2O(l )
Reaccionesquímicasrepresentadaseneldiagramadeentalpía: 3C(grafito )+4H2(g )+5O2(g ) →C3H8(g )+5O2(g ); ΔH 1 = -103,9kJ 3C(grafito )+4H2(g )+5O2(g )→3CO2(g )+4H2O(l ); ΔH 2 = -2373,7kJ
16
4
Termoquímica AplicandolaleydeHessseobtienelareaccióndecombustión delpropano.Paraellosecambiadesentidoalaprimerareacción ylasumamosalasegunda: C3H8(g )+5O2(g )→3C(grafito )+4H2(g )+5O2(g ) 3C(grafito )+4H2(g )+5O2(g ) →3CO2(g )+4H2O(l ) C3H8(g )+5O2(g )→3CO2(g )+4H2O(l ) ΔH r = ΔH 2 - (-ΔH 1)= -2373,7kJ - (-103,9kJ)= -2219,8kJ
33.
Escribe las ecuaciones termoquímicas representadas en la figura y deduce la variación de entalpía para la transformación: H 2O ( g ) → H2O (l ). CH4(g )+5O2(g )
) l o m / J k ( a í p l a t n E
ΔH 2 = -802kJ ΔH 1 = -890kJ
CO2(g )+2H2O (g ) CO2(g )+2H2O (l )
ΔH 3 = -88kJ
Reaccionesquímicasdeldiagramaentálpico: CH4(g )+5O2(g ) →CO2(g )+2H2O(l );
ΔH 1 = -890kJ
CH4(g )+5O2(g ) →CO2(g )+2H2O(g );
ΔH 2 = -802kJ
Lareaccióndecondensaciónseobtienesumandolaprimeraecuación alainversadelasegunda: CH4(g )+5O2(g ) →CO2(g )+2H2O(l );
ΔH 1 = -890kJ
CO2(g )+2H2O(g ) → CH4(g )+5O2(g );
-ΔH 2 = 802kJ
2 H2O (g )→2H2O(l );
ΔH r = -88kJ
Comoelvalordelaentalpiadelareacciónvareferidoadosmoles devapordeagua,dividiendodichovalorentredosseobtiene lavariacióndeentalpiadelareacción: H2O (g )→H2O(l ); ΔH r = -44kJ/mol
34.
La combustión del acetileno, C2H2 ( g ), produce dióxido de carbono y agua: a) Escribe la ecuación química correspondiente al proceso. b) Calcula el calor molar de combustión del acetileno y el calor producido al quemar 1,00 kg de acetileno. Datos: DH °f (kJ/mol): dióxido de carbono: -393,5; DH °f del agua ( g ): -241,8; DH °f del acetileno: 223,75. (Galicia, 2006)
17
Ecuaciónquímicadelacombustióndelacetileno: C2H2(g )+5/2O2(g )→2CO2(g )+H2O(l ) a) Elcalormolardecombustiónapresiónconstantesedenomina entalpíamolardecombustión,yseobtieneapartirdelasentalpías dereactivosyproductos: ΔH °= (Σn.omoles⋅ ΔH f °productos) - (Σn.omoles⋅ ΔH f °reactivos) ΔH °= [2mol⋅ ΔH °f CO2(g )+1mol⋅ ΔH °f H2O(l )] - [1mol⋅ ΔH °f C2H2(g )]
Sustituyendolasentalpíasdeformacióndelassustancias queintervienenseobtiene: ΔH °= -1252,6kJ/mol
Elsignonegativoindicaquelareacciónseproduce condesprendimientodeenergíaenformadecalor(exotérmica), aligualqueentodacombustión. b) Comolamasamoleculardelacetilenoesde26g/mol,elcalor quesedesprendealquemar1kgdeacetilenoseobtiene delassiguientesrelaciones: Q = -1252,6kJ/mol⋅
35.
1mol 26g
⋅
1000g 1kg
= -48177kJ/kg
Escribe ajustada la reacción de combustión del butano y dibuja el diagrama entálpico. Calcula el calor desprendido en la combustión de una bombona que contiene 3 kg de butano. Datos: DH °f (kJ/mol): CO2 ( g ) C4H10 ( g ) = -126,1.
=
393,5; H2O (l )
= -285,5;
Ecuacióndecombustióndelbutano: C4H10(g )+13/2O2(g )→4CO2(g )+5H2O(l )
C4H10 +13/2O2
a í p l a t n E
ΔH c°= -2875,4kJ/mol
4CO2 +5H2O
ΔH °c = (5mol⋅ ΔH °f H2O +4mol⋅ ΔH °f CO2)-(ΔH f °C4H10)= = (-285,5kJ/mol⋅5mol - 393,5kJ/mol⋅4mol) - (-126,1kJ/mol⋅1mol)→ ΔH °c = -2875,4kJ/mol
18
4
Termoquímica En3kgdebutanoseencuentran51,7moldebutano: 3000gC4H10 58g/mol
= 51,7molC4H10
Portanto,enlacombustióndedichosmolessedesprenderán: Q = 51,7molC4H10 ⋅(-2875,4kJ/mol)= -148727,6kJ
36.
Calcular el incremento de entalpía en condiciones estándar en la reacción de formación del metano (gas) a partir de los siguientes datos: DH °f dióxido de carbono = -393,5 kJ/mol, DH °f agua (l ) = -285,5 kJ/mol, DH ° comb metano = -840 kJ/mol.
Escriba todas las reacciones para las que se aportan datos. En todos los casos considérese el agua en estado líquido. (Cantabria, 2007) Ecuacióndecombustióndelmetano: CH4(g )+2O2(g )→CO2(g )+2H2O(l ); ΔH = -840kJ/mol Conocidalaentalpíadecombustióndelmetanosepuedecalcular suentalpíadeformaciónapartirdelaecuación: ΔH °= (Σn.omoles⋅ ΔH °f productos) - (Σn.omoles⋅ ΔH °f reactivos)
Sustituyendolosdatosdelasentalpíasdeformaciónconocidas ydespejandolaentalpíadeformacióndelmetano,setiene: -840kJ= [1mol⋅ ΔH °f CO2(g )+2mol⋅ ΔH °f H2O(l )] - [1mol⋅ ΔH °f CH4(g )]→ ΔH °f CH4(g )= -126,5kJ/mol
Ecuacióntermoquímicadeformacióndelmetano: C (s )+2H2(g )→CH4(g );
ΔH ° = -126,5kJ/mol
Ecuacióndeformacióndeldióxidodecarbono: C (s )+O2(g )→CO2(g );
ΔH °= -393,5kJ/mol
Ecuacióndeformacióndelagua: H2(g )+
37.
1 2
O2(g )→H2O(l ); ΔH ° = -285,5kJ/mol
Los calores de combustión del 1,3-butadieno, butano e hidrógeno son -2540,2; -2877,6 y -285,8 kJ/mol, respectivamente. Utilice estos datos para calcular el calor de hidrogenación del 1,3-butadieno. (La Rioja, 2005) Ecuacióndecombustióndelbutadieno: C4H6(g )+
11 2
O2(g ) →4CO2(g )+3H2O(l ); ΔH °1 = -2540,2kJ
19
Ecuacióndecombustióndelhidrógeno: 1 H2(g )+ O2(g ) →4CO2(g )+H2O(l ); ΔH °2 = -285,8kJ 2
Ecuacióndecombustióndelbutano: 13 C4H10(g )+ O2(g ) →4CO2(g )+5H2O(l ); ΔH °3 = -2877,6kJ 2
Elcalorapresiónconstanteoentalpíadelareacción dehidrogenacióndelbutadieno: C4H6(g )+2H2(g ) →C4H10(g ) sepuedecalcularapartirdelaleydeHess,sumandolaprimera ecuaciónalasegundamultiplicadapordosyalainversa delaterceraecuación. ΔH r = ΔH 1 +2⋅ ΔH 2 - ΔH 3 → → ΔH r = -2540,2kJ+2⋅(-285,8kJ)-(-2877,6kJ)= -234,2kJ
38.
Dada la reacción: CH4 ( g ) + Cl2 ( g )
→
CH3Cl ( g ) + HCl ( g )
Calcule la entalpía de reacción estándar utilizando: a) Las entalpías de enlace. b) Las entalpías de formación estándar (tablas). Datos: entalpías de enlace en kJ/mol: (C -H) = 414; (Cl-Cl) = 243; (C-Cl) = 339; (H-Cl) = 432. (Andalucía, 2007) a) Teniendoencuentaqueparalarupturadeenlaceshay quesuministrarenergía,mientrasquealformarsenuevosenlaces sedesprendeenergía,sededucequelaentalpíadelareacción sepuedecalcularapartirdelasenergíasdeenlace: ΔH °= Σ(Enlacesrotos)- Σ(Enlacesformados)
Apartirdelaecuaciónajustadaseobservanlassiguientesroturas deenlacesenlasmoléculasdelosreactivosyformacióndenuevos enlacesenlasmoléculasdelosproductos: • Enlacesqueserompendelosreactivos:1enlaceC-H yunenlaceCl-Cl. • Enlacesqueseformandelosproductos:1enlaceC-Cl yunenlaceH-Cl. Sustituyendoelvalordelaenergíacorrespondientealosenlaces indicados,resulta: ΔH °= [E (C-H)+ E (Cl-Cl)]-[E (C-Cl) + E (H-Cl)]→ →
ΔH °= (414kJ+243kJ)-(339kJ+432kJ)= -114kJ
Elsignonegativoindicaqueporcadamoldemetano quereaccionasedesprenden114kJdeenergía.
20
4
Termoquímica b) Paracalcularlaentalpíadelareacciónapartirdelasentalpías deformaciónpartimosdelaexpresión: ΔH °= Σ(n ⋅ ΔH °f productos)- Σ(n ⋅ ΔH °f reactivos)→ →
ΔH °= [ΔH ° f HCl(g )+ ΔH ° f CH3Cl(g )]- [ΔH °f CH4(g )+ ΔH °f Cl2(g )]
Elvalordelaentalpíadelareacciónseobtienesustituyendo lasentalpíasdeformaciónestándartomadasdelastablas yteniendoencuentaquelaentalpíadeloselementosquímicos ensuformamásestableyencondicionesestándarseconsidera cero,comoeselcasodelCl2(g ): ΔH °= [-92,3kJ+(-82kJ)]-[-74,9kJ+0]= -99,4kJ
Observaqueelresultadoobtenidoporambosmétodos noeselmismo.Estoesdebidoaqueelcálculoapartir delasenergíasdeenlaceesaproximado,yaquehayquetener encuentaquelosdatosqueseindicanenlastablassondevalores mediosdeenergíasdeenlace.
39.
Los valores de las entalpías estándar de combustión del C (s ) y del benceno (l ) son, respectivamente, -393,7 kJ/mol y -3267 kJ/mol, y el valor de la entalpía estándar de formación para el agua líquida es -285,9 kJ/mol. a) Calcula la entalpía de formación del benceno ( l ). b) ¿Cuántos kJ se desprenderán o absorberán en la combustión de 0,5 kg de benceno? (Islas Baleares, 2005) a) Ecuacióndecombustióndelbenceno: C6H6(l )+
15 2
O2(g )→6CO2(g )+3H2O(l )
Conocidalaentalpíaestándardecombustióndelbenceno, sepuedecalcularsuentalpíadeformaciónapartirdelaecuación: ΔH c° = (Σn.omoles⋅ ΔH f °productos) - (Σn.omoles⋅ ΔH f °reactivos)
Sustituyendoelvalordelaentalpíadecombustión ylasentalpíasdeformaciónenlaecuación,yteniendo encuentaquelaentalpíadeformaciónparaeloxígenoescero yquelaentalpíadeformacióndeldióxidodecarbonotiene elmismovalorquesuentalpíadecombustión,seobtieneelresultado delaentalpíadecombustiónparaelbenceno. -3267kJ= [6mol⋅ ΔH °f CO2(g )+3mol⋅ ΔH °f H2O(l )] - [1mol⋅ ΔH °f C6H6(l )]→ ΔH °f C6H6(l )= 47,1kJ
Elsignopositivoindicaquelaformacióndelbenceno esunprocesoendotérmico,quetienelugarconabsorción deenergíatérmica.
21
b) Elcalorquesedesprendeenlacombustióndeunmoldebenceno esde-3267kJ.Teniendoencuentaquelamasamolecular delbencenoesde78g/mol,seobtienequelaenergíadesprendida enlacombustiónde500gdebencenoesde20942kJ. Q = -3267kJ/mol⋅
40.
1molbenceno 78gbenceno
⋅500g= -20942kJ
Las entalpías de formación estándar del CO 2, H2O y C3H8 son, respectivamente, -393,5 kJ/mol; -285,8 kJ/mol y -103,852 kJ/mol. a) Escriba la reacción de combustión del propano. b) Calcule la entalpía estándar de combustión del propano. c) Determine la masa de gas necesaria para obtener 1000 kg de óxido de calcio por descomposición térmica del carbonato de calcio, si: CaCO3 (s )
→
CaO (s ) + CO2 ( g )
DH ° = 178,1 kJ
(R. Murcia, 2006) a) Ecuacióndecombustióndelpropano: C3H8(g )+5O2(g )→3CO2(g )+4H2O(l ) b) Laentalpíadecombustióndelpropanosecalculaapartir delosdatosdelasentalpíasdeformacióndelassustancias queintervienenenlareacciónencondicionesestándar,teniendo encuentaquelaentalpíadeformacióndelgasoxígenoescero: ΔH °= (Σn.omoles⋅ ΔH °f productos) - (Σn.°moles⋅ ΔH °f reactivos)→ ΔH °= [3mol⋅ ΔH °f CO2(g )+ + 4mol⋅ ΔH °f H2O(l )] - [1mol⋅ ΔH °f C3H8(g )]
Sustituyendolasentalpíasdeformaciónenlaecuaciónresulta: ΔH °= [3mol⋅(-393,5kJ/mol)+4mol⋅(-285,8kJ/mol] - [1mol⋅(-103,852kJ/mol)]→ ΔH °= -2111,9kJ
Elvalornegativodelaentalpíaindicaqueesunprocesoexotérmico quetienelugarcondesprendimientodeenergíaenformadecalor. c) Enladescomposiciónde1moldecarbonatodecalcioseabsorben 178,1kJ.Teniendoencuentaquesumasamolecularesde 100g/mol,seobtienequeporcadagramodecarbonatodecalcio senecesitauncalorde1,781kJ,demaneraqueenlade106g decarbonatosenecesitaaportarunaenergíade1,781⋅106kJ. Comoenlacombustióndeunmoldepropanosedesprenden 2111,9kJ,paraobtener1,781⋅106kJharánfalta843,3mol: 1,781⋅106kJ= n.omoles⋅2111,9kJ/mol→ o →n. molesdepropano= 843,3mol Molesqueexpresadosenmasaequivalena: 843,3molpropano⋅
44gpropano 1molpropano
= 37106g= 37,106kg
de propano
22
4
41.
Termoquímica El metanol se obtiene industrialmente a partir de monóxido de carbono e hidrógeno de acuerdo con la reacción: CO ( g ) + 2 H2 ( g )
→
CH3OH ( g )
Teniendo en cuenta las siguientes ecuaciones termoquímicas: CO ( g ) + 1/2 O2 ( g )
→
CO2 ( g );
DH 1 = -283,0 kJ
CH3OH ( g ) + 3/2 O2 ( g ) → CO2 ( g ) + 2 H2O (g );
DH 2 = -764,4 kJ
H2 ( g ) + 1/2 O2 ( g ) → H2O ( g );
DH 3 = -285,5 kJ
Calcular: a) El cambio de entalpía para la reacción de síntesis industrial de metanol, indicando si la reacción es exotérmica o endotérmica. b) Calcula la energía calorífica implicada en la síntesis de 1 kg de metanol, indicando si es calor absorbido o desprendido en la reacción. (P. Asturias, 2007) a) AplicandolaleydeHesspodemosobtenerlasíntesisdelmetanol porcombinaciónlinealdelasecuacionesqueaparecen enlosdatos.Paraellosemultiplicalaterceraecuaciónpordos, secambiadesentidolasegundaecuaciónysesumaelresultado asíobtenidoconlaprimeraecuación. 1.ªecuación: CO (g ) +
1 2
O2(g ) →CO2(g );
ΔH = -283,0kJ
Inversadela2.ªecuación: CO2(g )+2H2O(g )→CH3OH (g ) +
3 2
O2(g ); ΔH = 764,4kJ
3.ªecuaciónmultiplicadapordos: 2 H2(g ) +2O2(g ) →2H2O(g );
ΔH = -571kJ
Sumadelasecuaciones:CO(g )+2H2(g )→CH3OH(g ) Portanto: ΔH = -283,0kJ+764,4kJ- 571kJ= -89,6kJ
Elsignodelresultadoindicaqueesunprocesoexotérmico enelquesedesprendeenergíatérmica. b) Enlasíntesisdeunmoldemetanolsedesprenden89,6kJ. Comolamasamoleculardeletanolesde32g,setiene queporcadagramodeetanolseliberan2,8kJ. 89,6kJ/mol⋅
1molmetanol 32gmetanol
= 2,8kJ/g
Yenlaformaciónde1000gsedesprenderáunaenergíacalorífica de2800kJ: Q = -2,8kJ/g⋅1000g= -2800kJ
23
42.
El octano, C8H18 (l ), es un hidrocarburo líquido de densidad 0,79 kg ⋅ L-1 y el componente mayoritario de la gasolina. Teniendo en cuenta las entalpías de formación estándar que se dan al final del enunciado, calcule: a) La entalpía molar de combustión del octano (c.s.). b) Si 1 L de octano cuesta 0,87 euros, ¿cuál será el coste de combustible necesario para producir 10 6 J de energía en forma de calor? c) ¿Cuál será el volumen de octano que debe quemarse para fundir 1 kg de hielo si la entalpía de fusión del hielo es 6,01 kJ mol -1? Datos: DH °f (kJ ⋅ mol-1): C8H18 (l ) = -249,9; CO2 ( g ) = -395,5; H2O (l ) =-285,8. (C. Valenciana, 2007) a) Reaccióndecombustióndeloctano: C8H18(l )+
25 2
O2(g )→8CO2(g )+9H2O(l )
ΔH = (8mol⋅[-393,5kJ/mol)+9mol⋅(-285,8kJ/mol)]-[1mol⋅(-249,9kJ/mol)]→ ΔH = -5470,3kJ/mol
b) Molesdeoctanonecesariosparaoriginar106Jdeenergíacalorífica: n = 106J ⋅
1molC8H18 5470300J
= 0,183molC8H18
Masadeoctano: m = 0,183moloctano⋅
114gC8H18 1molC8H18
= 20,86gC8H18
Volumendeoctano: 1LC8H18
V = 20,86goctano⋅
790gC8H18
= 0,026LC8H18
Costeeneurosdeloctano: 0,026Loctano⋅
0,87€ 1LC8H18
= 0,02euros
c) Molesdeaguacontenidosen1kgdehielo: n = 1000gH2O⋅
1molH2O 18gH2O
= 55,6molH2O
Energíacaloríficanecesariaparafundir1kgdehielo: Q = n ⋅ Lf = 55,6molH2O⋅
6,01kJ 1molH2O
= 334,2kJ
Molesdeoctanoquesenecesitanparafundirtodoelhielo: n = 334,2kJ ⋅
1mol 5470,3kJ
= 0,061molC8H18
24
4
Termoquímica Masadeoctanonecesariaparafundirelhielo: m = 0,061molC8H18 ⋅
114gC8H18 1molC8H18
= 6,96gC8H18
Volumendeoctanonecesarioparafundir1kgdehielo: 1000mLC8H18
V = 6,96gC8H18 ⋅
790gC8H18
= 8,8mLC8H18 =
= 8,8⋅10-3LC8H18
43.
La entalpía de combustión del butano es de DH °c = -2642 kJ/mol. Si todo el proceso tiene lugar en fase gaseosa. a) Calcula la energía media del enlace O-H. b) Determina el número de bombonas de butano (6 kg butano/bombona) que hacen falta para calentar una piscina de 50 m 3 de 14 °C a 27 °C. (C. Madrid, 2003) a) Ecuacióndecombustióndelbutano: 13 C4H10(g )+ O2(g ) →4CO2(g )+5H2O(l ); 2
ΔH °c = -2642kJ/mol ΔH °c = Σ(energíadeenlacesrotos)- Σ(energíadeenlacesformados)→ →
+
-2642kJ= [3⋅ E (C-C)+10⋅ E (H-H)+
13 2
⋅ E (O = O)]-[8⋅ E (C = O)+10⋅ E (O-H)]
dedonde,sustituyendolosdatosydespejando,seobtiene laenergíamediadelenlaceoxígeno-hidrógeno: E (O-H)= 513kJ/mol b) Unapiscinade50m3deaguacontiene50000litrosdeagua. Suponiendoqueladensidaddedichaaguaseade1000kg/m3, lamasadeaguaquecontieneesde50000kg, oloqueeslomismo,5⋅107gdeagua. Acontinuaciónsecalculalacantidaddecalornecesariaparaelevar latemperatura13°C(27°C-14°C=13°C): Q = m ⋅ c e ⋅ ΔT = 5⋅107g⋅4,18J/(g⋅K)⋅13K= 2,72⋅106kJ Yelnúmerodemolesdebutanoquesenecesitanes: Q = n ⋅ ΔH °c
→
n =
2,72⋅106kJ
= 1028,4molC4H10
2642kJ/mol Porúltimo,secalculaelnúmerodebombonasquecontienen losmolesdebutanocalculados: 1028,4molC4H10 ⋅
5,8⋅10-2kgC4H10 1molC4H10
⋅
1bombona 6kg
= 10bombonas
25
=
44.
Justifique la veracidad o falsedad de las afirmaciones siguientes: a) Toda reacción exotérmica es espontánea. b) En toda reacción química espontánea la variación de entropía es positiva. c) En el cambio de estado H2O (l ) de entropía.
→
H2O ( g ) se produce un aumento
(Andalucía, 2006) a) Falso.Noessuficientequeunareacciónseaexotérmicapara queseaespontánea,yaqueademásintervienenlaentropía ylatemperaturaalaquetienelugarelproceso.Unareacción exotérmica( ΔH < 0)acompañadadeunadisminucióndelvalor delaentropía(ΔS < 0)yatemperaturasuficientementebaja puedesernoespontánea. b) Falso.Enunareacciónenquelaentropíaaumente(ΔS > 0) ysedesprendacalor(ΔH < 0)secumpleacualquiertemperatura quelareacciónesespontánea.Perosilareacciónabsorbe calor(ΔH > 0),aunqueseproduzcaunaumentodeentropía, atemperaturasbajaselproductoT ⋅ ΔS podríasermenor queΔH ;enestecaso,T ⋅ ΔS < ΔH ,ylareacciónsería noespontánea. c) Verdadero.Alaumentareldesordenmolecular;porejemplo, enelcambiodelestadolíquidoalestadogaseoso, seproduceunaumentoenlaentropía.
45.
Razona cuál de los datos que se indican de la entropía corresponde al bromo en estado líquido y cuál al bromo gaseoso: A) S ° = 152 J/(mol ⋅ K), B) S ° = 245 J/(mol ⋅ K). Lasfuerzasintermolecularesenelbromolíquidosonmásfuertes queenelbromogaseoso,ycomoconsecuencia,eldesordenyelvalor delaentropíaesmayorenelbromogaseoso. S ° Br2(l )= 152J/(mol⋅K);S ° Br2(g )= 245J/(mol⋅K)
46.
Dada la reacción: 2 Ag2O (s )
→
4 Ag (s ) + O2 ( g ).
a) Determine el valor de DH ° para la misma. b) Calcule el calor transferido cuando se produce la descomposición de 3,25 g de Ag2O en condiciones normales. Razone si se desprende o se absorbe calor durante este proceso. c) ¿Cuál es el signo que tiene DS ° en esta reacción? Dato: DH °f Ag2O (s ) = -30,6 kJ. (La Rioja, 2005)
26
4
Termoquímica a) Enlasreaccionesquímicassecumple: ΔH °= (Σn.omoles ⋅ ΔH ° f productos) - (Σn.omoles ⋅ ΔH ° f reactivos)
Comolaentalpíadeformacióndeloselementosquímicos encondicionesestándarescero,resultaque: ΔH °= - (Σn.omoles⋅ ΔH f °reactivos) = = -2mol ⋅(-30,6kJ/mol)=
61,2kJ
Elresultadoindicaqueenladescomposicióndedosmoles deóxidodeplataseabsorbe(procesoendotérmico) unaenergíade61,2kJ. b) UtilizandolamasamoleculardelAg2O(213,6g/mol)yeldato delaentalpíadereacciónseobtienelacantidaddecalornecesaria paradescomponer3,25gdelreactivo: Q = 30,6kJ/mol⋅
1molAg2O 231,6gAg2O
⋅3,25g=
0,43kJ
c) Durantelareacciónsedescomponeunsólidoendossustancias, unasólidaylaotragaseosa.Comoconsecuenciaseproducirá unaumentoeneldesordendelsistemaylaentropíaserá positiva,ΔS ° > 0.
47.
Conteste de un modo razonado a las siguientes preguntas: a) ¿Qué valores tienen que tener las magnitudes termodinámicas para que una reacción sea espontánea? b) ¿Podría lograrse mediante calentamiento que una reacción no espontánea a 25 °C fuese espontánea a temperatura más alta? (Castilla y León, 2005) a) Unareacciónseráespontáneacuandolavariacióndeenergía libredeGibbsseamenorquecero(ΔG = ΔH - T ⋅ ΔS < 0). Estosecumpleacualquiertemperaturacuandoenunareacción sedesprendecalor(ΔH < 0, reacciónexotérmica) yalavezseproduceunaumentodeentropía (ΔS > 0),yaquesiaunacantidadnegativaselerestaotra cantidadpositiva,elresultadosiempreesunvalornegativo ylareacciónesespontánea. b) Sísepodría.Silareacciónesendotérmica(ΔH > 0)yseproduce unaumentodeentropía(ΔS > 0),atemperaturasbajas elproductoT ⋅ ΔSesmenorqueΔH ,yladiferenciaentreambos términosespositiva,siendoelprocesonoespontáneo. Perosicalentamosatemperaturaselevadas,elproductoT ⋅ ΔS puedesuperaraltérminoΔH ,yladiferenciaH - T ⋅ ΔS podríasernegativa,siendoenestascondicioneselproceso espontáneo.
27
48.
Teniendo en cuenta la gráfica que representa los valores de DH y T ⋅ DS para la reacción A → B, razona si las siguientes afirmaciones son ciertas o falsas: a) A 500 K la reacción es espontánea. b) El compuesto A es más estable que el B a temperaturas inferiores a 400 K. c) A 400 K el sistema se encuentra en equilibrio. d) La transformación de A en B es exotérmica a 600 K. kJ
ΔH
80 60
T ⋅ ΔS
40 20 0
T (K) 100 200 300 400 500 600 700
(C. Madrid, 2002) a) Verdadero.A500K,ΔH < T ⋅ ΔS ,ysecumplequeΔG < 0, conloquelareacciónesespontánea. b) Verdadero.AT < 400K,ΔG > 0.Comoconsecuencia noesespontánealareacciónA→By,portanto,Aesmásestable queB. c) Verdadero.Alatemperaturade400Kelsistemaseencuentra enequilibrio,yaqueΔH = T ⋅ ΔS y,portanto,ΔG = 0. d) Falso.Solamenteesexotérmicaatemperaturassuperiores a650K.
49.
Indique, razonando la respuesta, en cada caso, si las siguientes afirmaciones son ciertas o falsas: a) La entalpía estándar de formación del Hg ( s ) es cero. b) Todas las reacciones químicas en las que DG < 0 son muy rápidas. c) La absorción de calor por parte de un sistema contribuye al aumento de su energía interna. (Castilla y León, 2006) a) Falso.Laentalpíanormaldeformacióndecualquierelemento ensuestadomásestableescero.Enelcasodelmercurio,laforma másestableeselestadolíquido,noelsólido. b) Falso.Noexisteunarelacióndirectaentrelaespontaneidad deunprocesoysuvelocidaddereacción.Puedenexistir reaccionesespontáneasqueseanmuyrápidasyotras queseanmuylentas.
28
4
Termoquímica c) Verdadero. Matemáticamente,elprimerprincipioseexpresa como: ΔU = Q + W. Siunsistemaabsorbecalordelentorno(procesoendotérmico: Q > 0)oserealizauntrabajosobreelsistema(W > 0),laenergía internadelsistemaaumenta.
50.
Razona si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) No basta que una reacción química sea exotérmica para que sea espontánea. b) La variación de entropía de una reacción espontánea puede ser negativa. c) Muchas reacciones endotérmicas transcurren espontáneamente a bajas temperaturas. (Aragón, 2005) a) Verdadero.SilareacciónesexotérmicaΔH esnegativa,peroΔG podríasermayorquecerosielfactor-T ⋅ ΔS sehacepositivo ymayor,envalorabsoluto,queΔH .Estopodrásuceder sidisminuyeeldesorden(ΔS negativo)ylastemperaturasson elevadas.Solosilavariacióndeentropíaespositivapodemos afirmarquelasreaccionesexotérmicassonespontáneasatodas lastemperaturas. b) Verdadero.Aunqueelfactor-T ⋅ ΔS sehacepositivo alsernegativoΔS ,silareacciónesexotérmicayelvalornegativo deΔH esmayorenvalorabsolutoque-T ⋅ ΔS ,lareacción, aunquetengaunavariacióndeentropíanegativa,seráespontánea. c)Falso.Enlasreaccionesendotérmicaslatendencia aserespontáneascrececonentropíaspositivaselevadas ytemperaturasaltas.Comoconsecuencia,soloaquellas reaccionesenquesecumplaquelavariacióndeentalpía seapequeñaylavariacióndeentropíagrandepodríanser espontáneasabajatemperatura.
51.
Razona si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) La entalpía no es una función de estado. b) Si un sistema realiza un trabajo, se produce un aumento de su energía interna. c) Si DH < 0 y DS > 0, la reacción es espontánea a cualquier temperatura. (Andalucía, 2007) a) Falso.Laentalpíaesunafuncióndeestadoporquesuvalor únicamentedependedelasituaciónoestadodelsistema ynodelcaminooprocesoseguidoparallegaraeseestado.
29
b) Falso.Elprimerprincipiodelatermodinámicaestablece queΔU = Q + W .Portanto,elcambiodeenergíainternadepende delcalorydeltrabajo.Enelsupuestodequeelproceso seaadiabático(ΔQ = 0)ynoexistaintercambiodeenergía enformadecalor,entonceslaafirmaciónesfalsa, yaquesielsistemarealizauntrabajo,entoncesW < 0 y,portanto,ΔU < 0;esdecir,habráunadisminución desuenergíainterna. c) Verdadero.Paraqueunareacciónseaespontáneasedebe cumplirqueΔG < 0;esdecir,ΔH - T ⋅ ΔS < 0.Portanto, siΔH esnegativoyΔS positivo,comoT essiemprepositiva, secumpliráqueΔH - T ⋅ ΔS esnegativoparacualquiervalor delatemperatura. 52.
Dadas las siguientes ecuaciones termoquímicas: 2 H2O2 (l )
→
2 H2O (l ) + O2 (g )
N2 (g ) + 3 H2 (g )
→
2 NH3 (g )
DH = -196 kJ DH = -92,4 kJ
a) Define el concepto de entropía y explica el signo que probablemente tendrá la variación de entropía en cada una de ellas. b) Explica si los procesos representados serán o no espontáneos a cualquier temperatura, a temperaturas altas o temperaturas bajas, o no serán nunca espontáneos. (País Vasco, 2006) a) Laentropíaesunafuncióndeestadoque,enlosprocesos reversiblesyqueserealizanatemperaturaconstante,seobtiene delcocienteentreelcalorintercambiadoporelsistema ylatemperaturaabsolutaalaqueserealizaelproceso. Laentropíaconstituyeunamedidadeldesordendeunsistema. Cuantomayorseaeldesordendeunsistema,mayor essuentropía. b) Enladescomposicióndelperóxidodehidrógeno, lavariacióndeentalpíaesmenorquecero(ΔH < 0)ylavariación deentropíaaumenta(ΔS > 0).Ambosfactores favorecenlaespontaneidaddelproceso,porloqueserá espontáneoacualquiertemperatura. Enlasíntesisdelamoniaco,elfactorentálpico(ΔH < 0) favorecelaespontaneidad,peroelfactorentrópicoladificulta (ΔS < 0),demaneraqueelprocesoseráespontáneosoloabajas temperaturasenquesecumplaqueelvalorabsolutodeltérmino T ⋅ ΔS seamenorqueelvalorabsolutodeΔH (T ⋅ ΔS < ΔH ), ydeestaformaΔG < 0.
30
4
53.
Termoquímica Explica razonadamente las siguientes cuestiones: a) Cómo variará con la temperatura la espontaneidad de una reacción en la que DH < 0 y DS < 0, siendo estas dos magnitudes constantes con la temperatura. b) La entalpía de formación del agua a 298 K es -286 kJ/mol. Sin embargo, cuando se mezclan a 298 K el hidrógeno y el oxígeno, no se observa reacción apreciable. c) La ley de Hess es una consecuencia directa de que la entalpía es una función de estado. (Aragón, 2003) a) EltérminoΔH esnegativo(reacciónexotérmica), peroalserΔS negativo,eltérmino-T ⋅ ΔS ,quetiene unsignonegativodelante,seconvierteenpositivo y,consecuentemente,habráunatemperaturadeterminada paralacuallaenergíalibreseránulayelsistemaestará enequilibrio. Paratemperaturasmayoresdeesevalordeequilibriolavariación deenergíalibreserápositiva;portanto,noespontánea. Ypordebajodeesatemperaturadeequilibriolaenergíalibre seránegativa,ylareacción,espontánea.Comoconclusión, atemperaturasbajaslareacciónesespontánea,yatemperaturas altasdisminuirálaespontaneidadhastaunvalorenquelareacción noesespontánea. b) Enlareacción2H2(g )+O2(g )→2H2O(l ),lavariación deentalpíaesnegativayseobtienen2molesdelíquido apartirde3molesgaseosos;esdecir,seproduce unadisminucióndedesorden,siendoΔS negativo. Comoconclusión:soloatemperaturasbajaslareacción seproduciráespontáneamente,alresultarlavariacióndeenergía librenegativa. c) Verdadero.SiunareacciónquímicapasadeunestadoA hastaotrodiferenteC,poruncaminodirecto(ruta1), obiensellegadesdeelestadoAalCporotrocamino pasandoporotro(uotros)estadointermedioB(ruta2), alserlavariacióndeentalpíaunafuncióndeestado, suvariacióndependeráexclusivamente delestadoinicialAydelestadofinalC,ynodelcamino directooindirectoquehayamosseguido.Portanto,sisumamos lavariacióndeentalpíaasociadaalpasodeAhastaB ylaasociadadelpasodeBhastaC,deberásumarlomismo quelaenergíaasociadaparapasardeAhastaCdirectamente, comoafirmalaleydeHess.
31
54.
En la fabricación del vino, la glucosa de la uva es transformada en etanol mediante la acción de levaduras, según la reacción: C6H12O6 (s ) → 2 C2H5OH (l ) + 2 CO2 ( g ) La energía libre estándar de esta reacción es -222,76 kJ/mol. Con los datos dados, calcula: a) DS estándar de la reacción; b) la entalpía estándar de formación del etanol líquido. Datos: DH °f en kJ ⋅ mol-1: C6H12O6 (s ) = -1274,4; CO2 ( g ) = -393,51; S ° en J ⋅ mol-1 ⋅ K-1: C6H12O6 (s ) = 212,1; C2H5OH (l ) = 160,7; CO2 ( g ) = 213,74. (Castilla-La Mancha, 2007) a) Fermentacióndelaglucosa: C6H12O6(s )→2C2H5OH(l )+2CO2(g ) ΔS °r = Σ(n p ⋅ S °p)- Σ(n r ⋅ S °r)→ →
ΔS °r = (2mol⋅160,7J⋅mol-1 ⋅K-1+
+2mol⋅213,74J⋅mol-1 ⋅K-1) - (1mol⋅212,1J⋅mol-1 ⋅K-1)→ →
ΔS °r = 536,8J⋅K-1
Seproduceunaumentodeldesordendelsistema, comoconsecuenciadequelaglucosaseencuentraenestado sólidoysetransformaenunasustancialíquidayotragaseosa. b) ApartirdelaexpresióndelaenergíalibredeGibbs: ΔG °r = ΔH °r - T ⋅ ΔS °r Sustituyendolosdatosconocidosydespejandoseobtiene laentalpíadelareacción: ΔH °r = ΔG °r + T ⋅ ΔS °r = -222,76kJ⋅mol-1 + +298K⋅0,5368kJ⋅K-1 = -62,79kJ Conesteresultado,yapartirdelosdatosdeentalpíasdeformación delaglucosaydeldióxidodecarbono,seobtienelaentalpía deformacióndeletanol. ΔH °r = Σ(n p ⋅ ΔH ° f p)- Σ(n r ⋅ ΔH ° f r)→ -62,79kJ= = [2mol⋅ ΔH °f C2H5OH(l )+2mol⋅(-393,5kJ⋅mol-1)]-[1mol⋅(-1274,4kJ⋅mol-1)] → ΔH f ° C2H5OH(l )= -275,1kJ/mol
55.
Para la reacción de hidrogenación del eteno determine: a) La entalpía de reacción a 298 K. b) El cambio de energía de Gibbs de reacción a 298 K. c) El cambio de entropía de reacción a 298 K. El intervalo de temperaturas para el que dicha reacción no es espontánea. Datos a 298 K
CH2=CH2
CH3-CH3
ΔH °f (kJ/mol)
52,3
-84,7
ΔG °f (kJ/mol)
68,1
-32,9
(C. Madrid, 2008)
32
4
Termoquímica a) Reaccióndehidrogenacióndeleteno: CH2=CH2+H2 →CH3-CH3
ΔH °r = Σ(n p ⋅ ΔH °f p)- Σ(n r ⋅ ΔH °f r)= = -84,7kJ - 52,3kJ= -137kJ b) Tenemos:
ΔG °r = Σ(n p⋅ ΔG °f p)- Σ(n r⋅ ΔG °f r)= = -32,9kJ - 68,1kJ= -101kJ c) Ahora:
ΔG °r = ΔH °r - T ⋅ ΔS r°→ ΔS °r = →
ΔG °r - ΔH °r
→
T
ΔS °r = -120,8J/K
d) Paraqueunareacciónseaespontáneadebecumplirse quelaenergíalibre(ΔG ° = ΔH ° - T ⋅ ΔS °)seamenorquecero. Sustituyendolosdatos,debecumplirseque:
-137000J - T ⋅(-120,8J/K)< 0 Dedichaexpresiónsededucequeparavalores deT < 1134,1K,laenergíalibreesnegativayelproceso esespontáneo.Alatemperaturade1134,1Kelproceso seencuentraenequilibrio;yporencimadelatemperatura de1134,1Klareacciónnoseproducedeformaespontánea.
56.
En relación con la energía libre estándar de reacción: a) Defina dicho concepto. b) Calcule el cambio de energía libre estándar para la reacción de combustión del metano. Datos: DG °f (kJ ⋅ mol-1): CH4 = -50,8; H2O = -237,2; CO2 = -394,4. (Castilla y León, 2007) a) LavariacióndelaenergíalibredeGibbsdeunsistema indicalaespontaneidaddeunareacciónquímica aunadeterminadatemperaturaenglobandodosaspectos: elcalortransferidoyelgradodedesordendelsistema. Matemáticamenteseexpresa:
ΔG = ΔH - T ⋅ ΔS Unareacciónseráespontáneacuandolavariacióndeenergía libredeGibbsseamenorquecero.Silavariación deenergíalibredeGibbsescero,lareacciónestará enestadodeequilibrio.Cuandolavariacióndeenergíalibrede Gibbsseamayorquecero,lareacciónnoseproducirádemanera espontánea.
33
b) Ecuacióndecombustióndelmetano: CH4(g )+2O2(g )→CO2(g )+2H2O(l ) Lavariacióndelaenergíalibreseobtieneapartirdelaexpresión:
ΔG r= Σ(n p⋅ ΔG °f productos)- Σ(n r⋅ ΔG °f reactivos) Sustituyendolosdatosdeenergíaslibresdeformaciónseobtiene:
ΔG r =[-394,4kJ/mol+2⋅(-237,2kJ/mol)]-(-50,8kJ/mol)= = -818kJ ΔG < 0→lareacciónseproducedeformaespontánea. 57.
La reacción principal del método de contacto en la fabricación de ácido sulfúrico es la oxidación catalítica del dióxido de azufre que se lleva a cabo a una temperatura de unos 400 °C. 2 SO2 ( g ) + O2 ( g )
→
2 SO3 ( g ); DH = -198,2 kJ
a) ¿Qué cantidad de energía se desprendería en la oxidación de 74,6 g de dióxido de azufre si la reacción se realiza a volumen constante? b) Predecir justificadamente el signo de la variación de entropía de dicha reacción. c) Justificar por qué la disminución de la temperatura favorece la espontaneidad de dicho proceso. (P. Asturias, 2006) a) Apartirdelarelación:ΔH = ΔU + P ⋅ ΔV sededucequecuando elprocesoserealizaavolumenconstante,ΔV = 0,secumple queelcalordereacciónapresiónconstanteesigualalcalor dereacciónavolumenconstante:ΔH = ΔU . Teniendoencuentaqueelvalordelavariacióndeentalpía indicadocorrespondealaoxidacióndedosmolesdedióxido deazufreyquelamasamoleculardelmismoesde64g/mol, lacantidaddeenergíadesprendidaenlaoxidaciónde74,6g deSO2seobtieneapartirdelassiguientesrelaciones:
-198,2kJ 2molSO2
⋅
1molSO2 64gSO2
⋅74,6gSO2 = 115,51kJ
b) Segúnlaestequiometríadelareacciónsepartedeuntotal detresmolesdegasyseformandosmolesdegas,disminuyendo elnúmerodemolesgaseososdurantelareacción, loquesignificaunaumentoenelordendelsistema yunadisminucióndelaentropía:ΔS < 0. c) Alserlareacciónexotérmica( ΔH < 0)yproducirseunadisminución deentropía(ΔS < 0),atemperaturasbajas,elvalorabsoluto deltérminoentrópico(T ⋅ ΔS )podríasermenorqueelvalor absolutodeltérminoentálpico.Enestascondiciones,ΔH > T ⋅ ΔS , elprocesoseríaespontáneo(ΔG = ΔH - T ⋅ ΔS < 0).
34
4
58.
Termoquímica Para la reacción de descomposición del peróxido de hidrógeno gas para dar agua gas y oxígeno a 298 K. a) Escribe la reacción ajustada. b) Calcula
DH y DS estándar
de la reacción.
c) Razona si se puede esperar que el peróxido de hidrógeno gaseoso sea estable a 298 K. Datos: DH °f H2O2 ( g ) = -135,82 kJ/mol; DH °f H2O ( g ) = -241,82 kJ/mol; S ° H2O2 ( g ) = 335,672 J/K ⋅ mol; S ° H2O ( g ) S ° O2 ( g ) = 205,14 J/K ⋅ mol.
=
188,83 J/K ⋅ mol;
(Castilla-La Mancha, 2007) a) Ecuaciónajustadadeladescomposicióndelagua oxigenada: 1 H2O2(l ) →H2O (l ) + O2(g ) 2
b) Lavariacióndelaentalpíadelareacciónseobtieneapartir delosdatosdelasentalpíasdeformaciónencondicionesestándar, teniendoencuentaquelaentalpíadeformacióndeloxígeno gasescero: ΔH °= (Σn.°moles⋅ ΔH °f productos) -
→
ΔH °=
[
- (Σn.°moles⋅ ΔH °f reactivos)→
1 2
]
mol⋅ ΔH °f (O2(g ))+1mol⋅ ΔH °f (H2O(l )) - [1mol⋅ ΔH °f (H2O2(l ))]
Sustituyendolasentalpíasdeformaciónenlaecuación seobtiene: ΔH °= -106kJ
Elvalornegativodelaentalpíaindicaqueesunprocesoexotérmico quetienelugarcondesprendimientodeenergíaenformadecalor apresiónconstante. Deformasemejantesecalculalavariacióndeentropíadelproceso, teniendoencuentaquelaentropíadeloxígenogasahora noescero. ΔS °= (Σn.omoles ⋅ S °productos) - (Σn.omoles⋅ S °reactivos) ΔS °=
[
1 2
]
mol⋅ S °O2(g )+1mol⋅ S °H2O(l ) - [1mol⋅ S °H2O2(l )]
Sustituyendolasentropíasenlaecuaciónseobtiene: ΔS °= -44,27J/K
35
c) CalculamoslavariaciónenlaenergíalibredeGibbs paracomprobarsielprocesoesespontáneo: ΔG °= ΔH °–T ⋅ ΔS °= -106000J-298K⋅(-44,27J/K)= = -92807,5J
Elvalornegativoindicaqueelperóxidodehidrógeno sedescomponeespontáneamenteenoxígenoyagua. Portanto,termodinámicamentenoesestable; sinembargo,nonosindicasilavelocidaddedescomposición esaltaobaja.
59.
Sabiendo que la temperatura de ebullición de un líquido es la temperatura a la que el líquido puro y el gas puro coexisten en equilibrio a 1 atm de presión, es decir, DG = 0 y considerando el siguiente proceso. Br2 (l ) a) Calcule
DH °
b) Calcule
DS °.
Br2 ( g )
a 25 °C.
c) Calcule DG ° a 25 °C e indique si el proceso es espontáneo a dicha temperatura. d) Determine la temperatura de ebullición del Br 2 (l ), suponiendo que DH ° y DS ° no varían con la temperatura. Datos:
DH °f
S ° Br2 ( g )
Br2 ( g )
=
=
30,91 kJ ⋅ mol-1;
DH °f
Br2 (l )
=
0;
245,4 J ⋅ K-1 ⋅ mol-1 ; S ° Br2 (l ) = 152,2 J ⋅ K-1 ⋅ mol-1.
(C. Madrid, 2006) a) Laentalpíaestándarparalareacciónseobtienedelasentalpías deproductosyreactivos: ΔH °= ΔH °f Br2(g )- ΔH °f Br2(l ) = 30,91kJ - 0kJ= 30,91kJ
b) Laentropíadelprocesosecalculaapartirdelosdatos delasentropíasdereactivosyproductos: ΔS °= S °Br2(g )- S °Br2(l )= 245,4J/K-152,2J/K= 93,2J/K
c) Sustituyendolosvaloresobtenidosseobtieneelsigno delavariacióndeenergíadeGibbs: ΔG °= ΔH °- T ⋅ ΔS °= = 30,91⋅103J -298K⋅93,2J/K= 3136,4J ΔG °> 0.AlserlaenergíalibredeGibbsmayorquecero,
elprocesonoesespontáneo. d) Durantelaebullición,ΔG °= 0. Portanto,secumpleque: T =
ΔH ° ΔS °
=
30910J 93,2J/K
= 331,7K= 58,7°C
36
4
60.
Termoquímica Para la siguiente reacción, calcule: CH3-CH2OH (l ) + O2 ( g )
→
CH3-COOH (l ) + H2O (l )
a) La variación de la entalpía de la reacción en c.s. b) La variación de la entropía en c.s. c) La variación de energía de Gibbs en c.s. d) La temperatura teórica para que la energía de Gibbs sea igual a cero. Datos: T (25 °C)
DH °f (kJ ⋅ mol-1)
S ° (J ⋅ K-1 ⋅ mol-1)
etanl (l )
-227,6
160,7
Ácid tanic (l )
-487,0
159,9
o2 ( g )
0
205,0
H2o (l )
-285,8
70,0
(C. Madrid, 2005) a) Lavariacióndeentalpíadeunareacciónseobtieneapartir deladiferenciaentrelasentalpíasdeformacióndelosproductos ylasdelosreactivos:
ΔH °r = -487kJ-285,8kJ+227,6kJ= -545,2kJ b) Lavariacióndeentropíasecalculaapartirdeladiferenciaentre laentropíadelosproductosyreactivos:
ΔS r° = (59,9J/K+70J/K)-(160,7J/K+205J/K)= -135,8J⋅K-1 c) ΔG ° = ΔH °- T ⋅ ΔS °→ → ΔG r° = -545200J-298K⋅(-135,8J)= -504732J= -504,7kJ d) ΔG ° = ΔH °- T ⋅ ΔS °= 0→ ΔH °= T ⋅ ΔS °→ 545200J ΔH ° = 4014,7K → T = → T = 135,8J⋅K-1 ΔS °
61.
Explica por qué se experimenta una sensación de frío al frotar etanol sobre la piel basándote en la ecuación termoquímica: C2H5OH (l )
→
C2H5OH ( g )
DH = 42,2 kJ
Alfrotaretanolsobrelapielseproduceunaevaporación delasmoléculasdeetanol,queinicialmenteseencuentran enestadolíquido.Comoseobservaeneldatodelaecuación termoquímica,esteesunprocesoendotérmicoenelqueseabsorbe calordelentorno,enestecasodenuestrapiel,responsable delasensacióntérmicadefríoqueseexperimentadurante elcambiodeestado.
37
62.
El etanol, CH3CH2OH (l ), está siendo considerado como un posible sustituto de los combustibles fósiles tales como el octano, C 8H18 (l ), componente mayoritario de la gasolina. Teniendo en cuenta que la combustión, tanto del etanol como del octano, da lugar a CO 2 ( g ) y H2O (l ), calcule: a) La entalpía correspondiente a la combustión de 1 mol de etanol y la correspondiente a la combustión de 1 mol de octano. b) La cantidad de energía en forma de calor que se desprenderá al quemarse 1 gramo de etanol y compárela con la que desprende la combustión de 1 gramo de octano. c) La cantidad de energía en forma de calor que se desprende en cada una de las reacciones de combustión (de etanol y de octano) por cada mol de CO 2 que se produce. Datos: DH °f (kJ ⋅ mol-1): CH3CH2OH (l ) = -277,7; C8H18 (l ) = -250,1; CO2 ( g ) = -393,5; H2O (l ) = -285,8. (C. Valenciana, 2008) a) Combustióndeletanol: CH3-CH2OH(g ) +3O2(g )→2CO2(g )+3H2O(l )
ΔH °r = Σ(n p⋅ ΔH °f p)- Σ(n r⋅ ΔH °f r)→ → ΔH 1 = [2mol⋅ (-393,5kJ/mol)- 3mol ⋅285,8kJ/mol]-[1mol⋅ (-277,7kJ/mol)]→ → ΔH 1 = -1366,7kJ Combustióndeloctano: C8H18(l )+
25 2
O2(g )→8CO2(g )+9H2O(l )
ΔH °r = Σ(n p⋅ ΔH °f p)- Σ(n r⋅ ΔH °f r)→ → ΔH 2 = [8mol⋅ (-393,5kJ/mol)- 9mol⋅285,8kJ/mol]-[1mol⋅ (-250,1kJ/mol)]→ ΔH 2 = -5470,1kJ b) Lamasamoleculardeletanoles46g/mol.Portanto, enlacombustiónde1gseliberaunaenergíaiguala29,7kJ: Q 1 = 1366,7kJ/mol⋅
1mol 46g
= 29,7kJ/g
Deformasemejante,eloctanotieneunamasamolecular de108g/mol,asíqueenlacombustiónde1gdeoctanoselibera unaenergíade50,6kJ/g. Q 2 = 5470,1kJ/mol⋅
108g mol
= 50,6kJ/g 38
