© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

© Prentice-Hall

Química GeneralPetrucci • Harwood • Herring

8ª Edición

Capítulo 7: Termoquímica

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Contenidos

7.1 Términos básicos en termoquímica.

7.2 Calor.

7.3 Calores de reacción y calorimetría.

7.4 Trabajo.

7.5 El primer principio de la termodinámica.

7.6 Calores de reacción: U y H.

7.7 Determinación indirecta de H: ley de Hess.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Contenido

7.8 Entalpías de formación estándar.

7.9 Los combustibles como fuentes de energía.

Atención a Grasas, carbohidratos y almacenamiento de energía.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

7.1 Términos básicos en termoquímica

• Sistema.• Alrededores.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Terminología

• Energía, U:– La capacidad de realizar un trabajo.

• Trabajo:– Fuerza que actúa a lo largo de una

distancia.

• Energía cinética:– La energía del movimiento.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Energía

• Energía cinética:

ek = 12 mv2 [ek ] =

kg m2

s2 = J

w = Fd [w ] = kg m

s2 = Jm

• Trabajo:

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Energía

• Energía potencial:– Energía debida a las condiciones, posición

o composición.– Energía asociada a las fuerzas de

atracción o repulsión entre objetos.

• La energía se puede transformar de energía potencial a energía cinética.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Energía y temperatura

• Energía termal:– La energía cinética asociada con el movimiento

molecular aleatorio.– En general, es proporcional a la temperatura.– Una propiedad intensiva.

• Calor y trabajo:– q y w.– Cambios de la energía.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Calor

Calor es la energía que se intercambiaentre un sistema y sus alrededores comoresultado de una diferencia detemperaturas. • El calor fluye desde el cuerpo más caliente

hasta el cuerpo más frío:– La temperatura puede experimentar una variación.– El estado de la materia puede cambiar (proceso

isotérmico).

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Unidades de calor

• Calorías (cal):– La cantidad de calor necesaria para variar

un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua por.

• Julio (J):– SI es la unidad de energía básica para el

calor.

1 cal = 4,184 J

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Capacidad calorífica

• La cantidad de calor necesaria para modificar un grado la temperatura de un sistema.

– Capacidad calorífica molar:• El sistema es un mol de sustancia.

– Capacidad calorífica específica, c.• El sistema es un gramo de sustancia.

– Capacidad calorífica:• Masa calor específico.

q = mcT

q = CT

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Conservación de la energía

• En las interacciones entre un sistema y sus alrededores, la energía total permanece constante, la energía ni se crea ni se destruye.

qsistema + qalrededores = 0

qsistema = -qalrededores

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Determinación del calor específico

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Ejemplo 7.2

Determinación del calor específico a partir de datos experimentales.

Utilice los datos presentados en la diapositiva anterior para calcular el calor específico del plomo.

qplomo = -qagua

qagua = mcT = (50,0 g)(4,184 J/g °C)(28,8 – 22,0)°C

qagua = 1,4x103 J

qplomo = -1,4x103 J = mcT = (150,0 g)(c)(28,8 – 100,0)°C

cplomo = 0,13 Jg-1°C-1

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

7.3 Calores de reacción y calorimetría

• Energía química: – Contribuye a la energía interna de un

sistema.

• Calor de reacción, qr:

– La cantidad de calor intercambiado entre un sistema y sus alrededores cuando tiene lugar una reacción química en el seno del sistema, a temperatura constante.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Calores de reacción

• Reacciones exotérmicas:

– Producen un aumento de

la temperatura, qr < 0.

• Reacciones endotérmicas:

– Consumen calor, qr > 0.

• Calorímetro:

– Un dispositivo para medir cantidades de

calor.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Bomba calorimétrica

qr = -qcalorim

qcalorim = qrecipiente + qagua + qcables +…

Defina la capacidad de calor del calorímetro:

qcalorim = miciT = CTtodos i

Calor

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Determinación de un calor de reacción a partir de datos deuna bomba calorimétrica.

La combustión de 1,010 g de sacarosa, en una bombacalorimétrica, hace que la temperatura se eleve de 24,92 a28,33°C. La capacidad calorífica del conjunto delcalorímetro es 4,90 kJ/°C. (a) ¿Cuál es el calor de combustión de la sacarosa,

expresado en kilojulios por mol de C12H22O11?(b) Verifique la frase publicitaria de los productores de

azúcar que una cucharadita de azúcar (aproximadamente 4,8 g) sólo contiene 19 calorías.

Ejemplo 7.3

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Ejemplo 7.3

Calcule qcalorim:

qcalorim = CT = (4,90 kJ/°C)(28,33-24,92)°C = (4,90)(3,41)kJ

= 16,7 kJ

Calcule qr:

qr = -qcalorim = -16,7 kJ

por 1,010 g

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Ejemplo 7.3

Calcule qr en las unidades requeridas:

qr = -qcalorim = -16,7 kJ1,010 g

= -16,5 kJ/g

343,3 g1,00 mol

= -16,5 kJ/g

= -5,65 103 kJ/mol

qr

(a)

Calcule qr para una cucharita:

4,8 g1 cuch

= (-16,5 kJ/g)(qr (b))( )= -19 kcal/cuch1,00 kcal4,184 J

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

El calorímetro de “vaso de poliestireno”

• Un sencillo calorímetro de plástico:– Bien cerrado y aislado.– Medir la variación de temperatura.

qr = -qcalorim

Véase el Ejemplo 7.4 para el cálculo deuna muestra.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

7.4 Trabajo

• Las reacciones químicas suelen ir acompañadas de efectos caloríficos, pero en algunas reacciones también interviene el trabajo.

• El gas oxígeno que se forma empuja contra la atmósfera.

• El volumen varía.

• Trabajo de presión-volumen.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Trabajo presión-volumen

w = F d

= (P A) h

= PV

w = -PextV

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Ejemplo 7.5

Suponga un gas ideal y calcule la variación de volumen:

Vi = nRT/P

= (0,100 mol)(0,08201 atm L mol-1 K-1)(298K)/(2,40 atm)

= 1,02 L

Vf = 1,88 L

Cálculo del trabajo presión-volumen.

Suponga que el gas de la Figura 7.8 es 0,100 mol de He a 298 K. ¿Qué trabajo, expresado en julios, se realiza cuando se expande a temperatura constante?

V = 1,88-1,02 L = 0,86 L

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Ejemplo 7.5

Calcule el trabajo realizado por el sistema:

w = -PV

= -(1,30 atm)(0,86 L)(

= -1,1 102 J

) 101 J1 L atm

¿De dónde viene el factor de conversión?

Compare dos versiones de la constante del gas y calcule.

8,3145 J/mol K ≡ 0,082057 L atm/mol K

1 ≡ 101,33 J/L atm

Pista: si utiliza la presión en kPa, obtendrá los julios directamente.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

7.5 El primer principio de la termodinámica

• Energía interna, U:– Energía total (cinética y potencial) del sistema.

•Energía cinética traslacional.

•Rotación molecular.

•Energía vibracional.

•Atracciones intermoleculares.

•Enlaces químicos.

•Electrones.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

El primer principio de la termodinámica

• Un sistema sólo tiene energía interna:– Un sistema no contiene calor o trabajo.– Estos sólo existen durante un cambio del

sistema.

• Ley de la conservación de energía:– La energía de un sistema aislado

permanece constante.

U = q + w

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

El primer principio de la termodinámica

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Funciones de estado

• Cualquier propiedad que tiene un único valor cuando el estado del sistema está definido se dice que es una función de estado.

• Una muestra de agua a 293,15 K y a la presión de una atmósfera está en un estado especificado.

• d = 0,99820 g/mL.• Esta densidad es una función única del estado.• No importa cómo se haya establecido el sistema.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Funciones de estado

• U es una función de estado:– No se puede medir con facilidad.

U tiene un valor único entre dos estados:– Se mide con

facilidad.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Funciones que dependen de la trayectoria

• Las variaciones en el calor y el trabajo no son funciones del estado:– Recuerde el Ejemplo 7.5, w = -1,1 102 J en la

expansión del gas en un paso.– Considere 2,40 atm a 1,80 atm y finalmente a 1,30

atm.

w = (-1,80 atm)(1,30-1,02)L – (1,30 atm)(1,88-1,36)L

= -0,61 L atm – 0,68 L atm = -1,3 L atm

= 1,3 102 J

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

7.6 Calores de reacción: U y H

Reactivos → Productos

Ui Uf

U = Uf - Ui

U = qr + w

En un sistema a un volumen constante:

U = qr + 0 = qr = qv

¡Pero vivimos en un mundo a presión constante!

¿Cómo se relaciona qp con qv?

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Calores de reacción

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Calores de reacciónqV = qP + w

Sabemos que w = - PV y U = qP, por tanto:

U = qP - PV

qP = U + PV

Todas son funciones de estado, por lo que hay que definir una nueva función.

Supongamos que H = U + PV

entonces H = Hf – Hi = U + PV

Si trabajamos a presión y temperatura constantes:

H = U + PV = qP

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Comparación de los calores de reacción

qP = -566 kJ/mol

= H

PV = P(Vf – Vi)

= RT(nf – ni)

= -2,5 kJ

U = H - PV

= -563,5 kJ/mol

= qV

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Cambio de estado de la materia

H2O (l) → H2O(g) H = 44,0 kJ a 298 K

Entalpía molar de vaporización:

Entalpía molar de fusión:

H2O (s) → H2O(l) H = 6,01 kJ a 273,15 K

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Ejemplo 7.8

Considere el proceso en dos etapas: elevación de la temperatura del agua líquida y vaporización completa del líquido. La variación de entalpía total es la suma de las variaciones de cada etapa.

Variaciones de entalpía que acompañan a los cambios de estado de la materia.Calcule H para el proceso en el que 50,0 g de agua pasan del estado líquido a 10,0°C a vapor a 25,0°C.

= (50,0 g)(4,184 J/g °C)(25,0-10,0)°C + 50,0 g

18,0 g/mol 44,0 kJ/mol

Establezca la ecuación y calcule:

qP = mcH2OT + nHvap

= 3,14 kJ + 122 kJ = 125 kJ

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Estados estándar y variaciones de entalpía estándar

• Defina un estado particular como un estado estándar.

• Entalpía estándar de la reacción, H°:– La variación de entalpía de una reacción en la que

los reactivos y productos están en sus estados estándar.

• Estado estándar:– El elemento o compuesto puro a la presión de 1 bar

y a la temperatura de interés.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Diagramas entálpicos

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

7.7 Determinación indirecta de H:ley de Hess

H es una propiedad extensiva:– La variación de entalpía es directamente proporcional a la

cantidad de sustancia en un sistema.

N2(g) + O2(g) → 2 NO(g) H = +180,50 kJ

½N2(g) + ½O2(g) → NO(g) H = +90,25 kJ

H cambia su signo cuando se invierte un proceso:

NO(g) → ½N2(g) + ½O2(g) H = -90,25 kJ

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Ley de Hess

• Ley de Hess de la suma del calor constante:– Si un proceso transcurre en varias etapas o pasos

(incluso sólo hipotéticamente), la variación de entalpía del proceso global (neto) es la suma de las variaciones de entalpía de las etapas individuales.

½N2(g) + O2(g) → NO2(g) H = +33,18 kJ

½N2(g) + ½O2(g) → NO(g) H = +90,25 kJ

NO(g) + ½O2(g) → NO2(g) H = -57,07 kJ

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Diagrama entálpico de la ley de Hess

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

• La entalpía de formación estándar de una sustancia es la variación de entalpía correspondiente a la formación de 1 mol de la sustancia en el estado estándar a partir de sus elementos en los estados estándar de sus formas de referencia.

• La entalpía de formación estándar de un elemento puro en su estado de referencia es 0.

Hf°

7.8 Entalpías de formación estándar

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Entalpías de formación estándar

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Entalpías de formación estándar

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Entalpías de reacción estándar

Hglobal = -2Hf°NaHCO3

+ Hf°Na2CO3

+ Hf

°CO2

+ Hf°H2O

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Entalpía de reacción

Hr = Hf°productos- Hf

°reactivos

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Table 7.3 Enthalpies of Formation of Ions in Aqueous Solutions

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

7.9 Los combustibles como fuentes de energía

• Combustibles fósiles:– La combustión es

exotérmica.– Fuentes de energía no

renovable.– Impacto medioambiental.

© Pearson Educación, S.A.Química General: Capítulo 7

Ejercicios recomendados del Capítulo 7

1, 2, 3, 11, 14, 16, 22, 24, 29, 37, 49, 52, 63, 67, 73, 81.

• Se recomienda realizar los siguientes ejercicios para una mayor comprensión de los contenidos explicados en el Capítulo 7 de Química General, 8ª Edición: