Energia Libre y Termodinámica (Cap. 17)

8/6/2019 Energia Libre y Termodinmica (Cap. 17)

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Energa Libre y

Termodinmica(Cap 17)

Dra. Ivelisse PadillaQumica 3132


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Conceptos de termodinmica a

repasar

Sistema

Alrededores

Exotrmico Endotrmico

Cambio de entalpa

Funcin de Estado

Condiciones estndar (1 atm y 1.0M)

Entalpa de formacin estndar ((H0f)


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Substance (H

kJ/mol

Substance (H

kJ/molAl(s) 0 Al2O3 -1669.8

Br2(l) 0 Br2(g) +30.71

C(diamond) +1.88 C(graphite) 0

CO(g) -110.5 CO2(g) -393.5

Ca(s) 0 CaO(s) -635.5

Cu(s) 0 CuO(s) -156.1Fe(s) 0 Fe2O3(s) -822.16

H2(g) 0 H2O2(l) -187.8

H2O(g) -241.82 H2O(l) -285.83

HF(g) -268.61 HCl(g) -92.30

HBr(g) -36.23 HI(g) +25.94I2(s) 0 I2(g) +62.25

N2(g) 0 NH3(g) -46.19

NO(g) +90.37 NO2(g) +33.84

Na(s) 0 O2(g) 0S(s) 0 SO2(g) -296.9


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Ley de Conservacin de la

Energa La energa se transforma, se mueve de lugar a

otro, pero la cantidad total de la misma no cambia.

La energa total del universo es constante.

A esta ley tambin se le conoce como la

1era Ley de Termodinmica

Termodinmica estudia la relacin entre

el calor y otras formas

de energa.


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La energa se transforma


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La energa se transfiere


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La energa se transfiere


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Primera Ley de Termodinmica

Dos formas en las cuales la energa sale de un

sistema a los alrededores (energy tax).

Convertida en calor, q Usada para hacer trabajo, w

(E=q+ w


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Procesos irreversibles

Los procesos espontneos son irreversibles

(proceden en una direccin).

Si el proceso es espontneo en una direccin,

ste debe ser no espontneo en direccin

opuesta.


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Espontaneidad de un proceso

La direccin de la

espontaneidad

puede serdeterminada al

comparar la

energa potencial

del sistema alinicio y al final.


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Espontaneidad de un Proceso

Factores que afectan si un proceso es espontneo:

Cambio en entalpa ((H) Es equivalente al (E del proceso

La entalpa es favorable para reacciones exotrmicas y no favorable parareacciones endotrmicas.

Ley de Hess (Hrxn = 7(n(Hprod) - 7(n(Hreact)

Cambio en entropa ((S) Es una medida del grado de desorden de un sistema

Sistemas desordenados requieren menos energa que los sistemas ordenados.


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2da Ley de Termodinmica

En un proceso espontneo laentropa del universo aumenta.


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Entropa

Se representa con la letra S.

Mide el grado de desorden de un sistema.

A mayor desorden, mayor es la entropa

Es una funcin de estado.

Depende del estado final e inicial del proceso

(S=Sfinal Sinicial

(Suniv=(Ssistema + (Salrededores


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Cambio en entropa ((S)

Para un proceso en el cual la condicin final

es ms desordenado que la condicin inicial,

(Ssistema es positivo.

Entropa favorable

Para un proceso en el cual la condicin final

es ms ordenado que la condicin inicial,

(Ssistema es negativo. Entropa no favorable

y (Ssistema !(Sreaccin =7(nSprod) 7(nSreact)


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Aumentos en Entropa


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Generalidades Importantes

La entropagases > entropa lquidos > entropa slidos.

La entropa molculas grandes > entropa molculas pequeas.

La entropa aumenta con la temperatura.

La entropa de un gas aumenta al aumentar su volumen.

La entropa aumenta con la masa molar.

Reacciones que van acompaadas por un aumento del # de molesde gases en el sistema van acompaadas de un aumento en laentropa.


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Practica #1

Qu sustancia tiene una mayor entropa en

condiciones estndar?

NO2(g) N2O4(g)

I2(g) I2(s)

H2O a 250

C H2O a 750

C


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Practica #2

Prediga si el cambio en entropa es mayor omenor de cero (aumenta o disminuye) en lossiguientes procesos: Congelar etanol

Evaporar bromo lquido

Disolver azcar en agua

Congelar nitrgeno gaseoso de 80 a 200C.

Sublimar el hielo seco

H2O(g) H2O(l) 2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)


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(Salrededores y la temperatura

Cuando un sistema es exotrmico aade calor a losalrededores, aumentando as la entropa de losalrededores.

Cuando un sistema es endotrmico remueve calor de losalrededores, disminuyendo as la entropa de losalrededores.

El cambio en la cantidad de entropa de los alrededoresdepende de su temperatura inicial.

A mayor temperatura inicial, menor es la remocin oadicin de calor del sistema.


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Prctica #3

Considere la siguiente reaccin decombustin a 250C y cuyo (Hrx = -2044KJ.

C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(g)

a) Calcule el (Salrededores a 250C.

b) Determine el signo de(Ssistema.c) Determine el signo de(Suniverso. Es la

reaccin espontnea?


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Asignacin

Considere la siguiente reaccin de

combustin a 250C y cuyo (Hrx = +163.2KJ.

2 O2(g) + N2(g) p 2 NO2(g)

a) Calcule el (Salrededores a 250C.

b) Determine el signo de(Ssistema.

c) Determine el signo de(Suniverso. Es la

reaccin espontnea?


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Asignacin

Cuando se calienta el MgCO3 se descompone

de acuerdo a la siguiente reaccin

MgCO3 (s) MgO(s) + CO2(g)

Calcule el (H y (S.

Ser la reaccin espontnea a 298K.


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Tercera Ley de Termodinmica

En un cristal perfecto a 0 Kelvin no existe desorden, es decirque S= 0.

Cuando se gana entropa la sustancia

pasa de cero Kelvin a otras condiciones

definidas.

Todas las sustancias tienen valores positivos

de entropa por encima de cero Kelvin.


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Cambios de Entropa

Suniverso = Ssistema + Salrededores

(Suniverso = (Ssistema + (Salrededores

(S0universo =(S0sistema + (S0alrededores


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Entropa Estndar

Se representa con la letra S0.

Es la entropa que se gana al transformase desdeun cristal perfecto a cero Kelvin a las condiciones

estndar (1 atmsfera, concentracin 1M).

Posee las unidades J/K.mol. Ver tabla 17.2 yApndice IIB.


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Subs n S

J mo -K

Substan S

J mo -K A (s) 28.3 A 2O3(s) 51.00

2( ) 152.3 2(g) 245.3C(d amond) 2.43 C(g aph t ) 5.69

CO(g) 197.9 CO2(g) 213.6

Ca(s) 41.4 CaO(s) 39.75

Cu(s) 33.30 CuO(s) 42.59

F (s) 27.15 F 2O3(s) 89.96

H2(g) 130.58 H2O2( ) 109.6

H2O(g) 188.83 H2O( ) 69.91

HF(g) 173.51 HC (g) 186.69

H (g) 198.49 HI(g) 206.3I2(s) 116.73 I2(g) 260.57

N2(g) 191.50 NH3(g) 192.5

NO(g) 210.62 NO2(g) 240.45

Na(s) 51.45 O2(g) 205.0

S(s) 31.88 SO2(g) 248.5


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Prctica #4

Calcule el (S0rx para la siguiente reaccin. Utilice los

valores tabulados.

4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)

Sustancia Sr, J/molK

NH3(g) 192.8O2(g) 205.2

NO(g) 210.8

H2O(g) 188.8


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Asignacin

Calcule el (S0rx para ls siguiente reaccin.

2H2S

(g) + 3O

2(g)

2H2O

(g) + 2SO

2(g)

Sustancia Sr, J/molK

H2S(g)O2(g) 205.2

SO2(g)

H2O(g) 188.8


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Asignacin

Determine (Srrx para la reaccin:

2 H2(g) + O2(g) p 2 H2O(g).

Substance Sr, J/molK

H2(g) 130.7

O2(g) 205.2

H2O(g) 188.8


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TablaPredecir si un proceso es espontneo

(H0sist < 0 (S0sist > 0 Proceso

espontneo

(H0sist > 0 (S0sist < 0 Proceso noEspontneo

(H0sist < 0 (S0sist < 0 Depende de la

magnitud de (H0 y

(S0 . Es favorable a

temperaturas bajas.(H0sist > 0 (S

0sist > 0 Depende de la

magnitud de (H0 y

(S0 . Es favorable a

temperaturas altas.


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Energa Libre de Gibbs Es la energa mxima disponible para realizar trabajo til.

Se representa con la letra G. G0 en condiciones estndar

Es una funcin de estado.

y (G0reaccin =7(nGfprod) 7(nGfreact)

Se utiliza como criterio para decir si una reaccin esespontnea o no lo es. En condiciones de temperatura ypresin constante:

(G0rx < 0, la reaccin o proceso es espontneo

(G0rx > 0, la reaccin o proceso no es espontneo

(G0rx = 0, la reaccin o proceso se encuentra enequilibrio


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Substance (Gf

kJ/mol

Substance (Gf

kJ/mol

Al(s) 0 Al2O3 -1576.5Br2(l) 0 Br2(g) +3.14

C(diamond) +2.84 C(graphite) 0

CO(g) -137.2 CO2(g) -394.4

Ca(s) 0 CaO(s) -604.17

Cu(s) 0 CuO(s) -128.3Fe(s) 0 Fe2O3(s) -740.98

H2(g) 0 H2O2(l) -120.4

H2O(g) -228.57 H2O(l) -237.13

HF(g) -270.70 HCl(g) -95.27

HBr(g) -53.22 HI(g) +1.30I2(s) 0 I2(g) +19.37

N2(g) 0 NH3(g) -16.66

NO(g) +86.71 NO2(g) +51.84

Na(s) 0 O2(g) 0

S(s) 0 SO2(g) -300.4


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Prctica #6

Utilizando los valores de (G0f, calcule los valores de (G0rx

para las siguientes reacciones:

CH4(g) + 8 O2(g) p CO

2(g) + 2 H

2O(g) + 4O

3(g).

La reaccin es espontnea?

Sustancia (Grf, kJ/mol

CH4(g) 50.5

O2(g) 0.0CO2(g) 394.4

H2O(g) 228.6

O3(g) 163.2


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Asignacin

Utilizando los valores de (G0f, calcule el

valor de (G0rx para la siguiente reaccin:

4NH3(g) + 7O2(g) 4NO2(g) + 6H2O(g)


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Energa Libre de Gibbs

Para un proceso qumico o fsico atemperatura y presin constantes

(Gsist

= (Hsist

- T(Ssist

En condiciones estndar

(G0rx = (H0rx - T(S

0rx

Esta ecuacin se utiliza para predecir laespontaneidad de una reaccin.


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(G, (H, y (S

(G0rx = (H0rx - T(S

0rx


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Prctica #7

Determine el cambio de energa libre estndar ((G0rx)

para la siguiente reaccin a 298 K:

2 H2O(g) + O2(g) p 2 H2O2(g).

Sustancia (Hr, kJ/mol Sr, J/mol

H2O2(g) 136.3 232.7

O2(g) 0 205.2

H2O(g) 241.8 188.8


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Prctica #8

Determine el (G0rx para la siguiente reaccin

a 250C:

SO2(g) +

O2(g)

SO3(g)

Utilice los siguientes mtodos y tablas

correspondientes:

a) (G0rx = (H0rx - T(S0rxb) (G0rx = 7(nGprod) 7(nGreact)


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Asignacin

Utilizando los valores de (H0fy S0, calcule

(G0rx para la siguiente reaccin. Utilice los

siguientes mtodos y tablascorrespondientes:

(G0rx = (H0

rx - T(S0

rx

(G0rx = 7(nGprod) 7(nGreact)

NH3(g) + HNO3(ac) NH4NO3(ac)


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(Gy sus relaciones

Si una reaccin puede ser expresada como

una serie de reacciones, la suma de los

valores de (Gde las reacciones individuales

es el (Gde la reaccin total.

Si una reaccin es inversa, el signo de su (G es el

opuesto.

Si la cantidad de las sustancias es multiplicada porun factor, el valor de (G se multiplica por el mismo

factor.


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Prctica #9

Determine el cambio de energa libre en la siguiente

reaccin a 298 K:

2 H2O(g) + O2(g) p 2 H2O2(g).

Sustancia (Gr, kJ/mol

H2(g) + O

2(g) p H

2O

2(g) 105.6

2 H2(g) + O2(g) p 2 H2O(g) 457.2


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(Gbajo condiciones no estndar

(G=(Gr slo cuando los reactivos y los productosestn en sus condiciones estndar. 1 atm 1 M

250C

Bajo condiciones no estndar (G=(Gr + RTln Q Q es el cociente de reaccin

En equilibrio, (G= 0 (Gr = RTln K

Energia Libre y Termodinámica (Cap. 17)

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