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FISICO QUÍMICA ORGÁNICA: Termodinámica y Cinética
Luis Eduardo Hernández Parés
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¿Por Qué Termodinámica?
• Estudio del comportamiento de la energía.
• TODO fenómeno usa Energía.
• Dominio de Termodinámica = Uso Eficiente de la Energía
• Industria: • Calentar, enfriar, transporte, organización
• Nutrición: • Contenido energético, dieta, entrenamiento
• Química: • Reacciones, transformaciones
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Formas de Energía
• Energía Cinética
• Energía Calórica
• Energía Eléctrica
• Energía Eólica
• Energía Nuclear
• Energía Potencial
• ¿Qué son todas estas energías?
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Formas de Energía: Trabajo
• 𝑊 = 𝐹 𝑥 𝑑 F = fuerza, d = distancia
d
F El trabajo NO es un vector. Sus unidades son de energía.
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Trabajo: Ejercicios
• Un hombre mueve un vehículo con una fuerza constante de 210 N durante 18 m para sacarlo del camino.
𝑊 = 𝐹 𝑥 𝑑 = 210 𝑁 𝑥 18 𝑚 = 3 780 𝐽 = 3,78 𝑘𝐽
• Un hombre levanta una caja de 2,5 kg desde una mesa de 0,65 m hasta un estante colocado a 1,85 m usando una aceleración de 2 m/s2 ¿Cuánto trabajo hizo?
𝑊 = 𝐹 × 𝑑 = 𝑚 × 𝑎 × 𝑑
𝑊 = 2,5 𝑘𝑔 2𝑚
𝑠21,20 𝑚 = 6,0 𝐽
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Formas de Energía: Calor, Q • Un sistema puede transferir energía por medio de
calor. El calor es una forma de energía que se transfiere de un objeto a otro cuando hay una diferencia de temperatura entre ambos cuerpos.
50 °C25 °C
Q
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Formas de Energía: Potencial, U
• Energía latente.
• Puede existir energía «no utilizada» esperando a ser liberada.
• Todo tiene energía potencial dependiendo del sistema que se analiza.
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Primera Ley de La Termodinámica ∆𝑈 = 𝑄 +𝑊
El cambio en la energía interna (potencial), ∆𝑈, de un sistema solo cambia cuando hay transferencia de calor, Q, o cuando hay trabajo, W, sobre el sistema.
«La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma»
UiUf
Calor, Q
Trabajo, W
∆𝑈 = 𝑈𝑓 − 𝑈𝑖
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UiUf
Calor, Q
Trabajo, W
UiUf
Trabajo, W
UiUf
Calor, Q
∆𝑈 = − 𝑄 −𝑊 ∆𝑈 = − 𝑄
∆𝑈 = − 𝑊 www.ellegadodenewton.wordpress.com
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Ui Uf
Calor, Q
Trabajo, W
Ui Uf
Trabajo, W
Ui Uf
Calor, Q
∆𝑈 = +𝑄 +𝑊 ∆𝑈 = +𝑊
∆𝑈 = +𝑄
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Diagramas de Energía E
NE
RG
ÍA
AVANCE SISTEMA
EN
ER
GÍA
AVANCE SISTEMA
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Procesos Endotérmicos • Sistema Absorbe Calor = Endotérmico
Si un proceso (sistema) requiere que se le incluya calor y/o trabajo para que se lleve acabo, ese es un proceso endotérmico.
EN
ER
GÍA
AVANCE SISTEMA
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Procesos Exotérmicos
• Sistema Emite Calor = Exotérmico
Si un proceso (sistema) libera calor y/o hace trabajo entonces ese es un proceso exotérmico.
EN
ER
GÍA
AVANCE SISTEMA
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Usando La Energía
• Uso energía = genero cambios.
• Los cambios pueden darse en el sistema o en los alrededores que lo rodean.
• Por lo general, usar energía involucra cambios en la organización de las moléculas.
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Segunda Ley de Termodinámica
La entropía del universo tiende a incrementarse.
𝛿𝑆 ≥ 𝛿𝑄
𝑇
• Entropía = medida de desorden de un sistema.
• Entre más desorden, mayor entropía.
• Hacer uso de la energía genera desorden SIEMPRE.
• Un sistema puede reducir su desorden, pero a costa de que en los alrededores, el desorden aumentó.
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Entropía en Acción • Hacer una botella,
requiere usar energía para derretir la arena y moldearla en botellas.
¿Cómo está el orden de las moléculas?
¿De dónde viene el calor?
Calor viene del combustible el cual genera gases, estos gases son MUY desordenados, aunque la botella ordena sus moléculas, el desorden de los gases compensa este orden
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Tercera Ley de Termodinámica La entropía de un cristal perfecto a T = 0 K es
exactamente igual a 0
• Define el Cero Absoluto
Ley Cero de Termodinámica
Si dos sistemas termodinámicos están en equilibrio térmico con un tercero, entonces todos los sistemas están en
equilibrio térmico
• Define el termómetro
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Energía Utilizable, ∆G
∆𝐺 = 𝐸 − 𝑇∆𝑆
Si tenemos un sistema y queremos que trabaje, usamos la energía potencial que tiene y le restamos lo que se gasta en desorden.
Si el proceso se lleva acabo a presión y temperatura constantes, la ecuación se arregla a:
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆
∆H es otro nombre para calor, Q, y se le dice ENTALPÍA. (Si, lo sé: Físicos)
Si ∆G resulta ser negativo, el proceso es espontáneo. Si resulta ser positivo, el proceso es no espontáneo.
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¿Qué tiene que ver esto con Química?
• Cuando se hace una reacción, se libera o se absorbe calor. Es decir, hay un ∆H. Este ∆H se relaciona directamente con la energía en los enlaces de las moléculas.
• Fuerza de enlaces: • Rompen enlaces débiles y forman más fuertes, exotérmica
• Rompen enlaces fuertes y forma débiles, endotérmica
CH3 CH3 + O O C
O
O
+ OH25 3 4
ΔH = -2 218,8 kJ/mol
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Como los fisicoquímicos no tienen vida
• Hay tablas enormes de cuánta energía libera o consume una reacción.
• Para ello se usa un calorímetro. En él, se hace la reacción y se mide cuánta energía libera (o consume).
• A cada energía medida para cada reacción se le llama ENTALPÍA DE REACCIÓN, ∆Hrxn.
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Entalpía de reacción, ∆𝑯𝒓𝒙𝒏°
CH3 CH3 + O O C
O
O
+ OH25 3 4
∆𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏° = -2 218,8 kJ/mol Rxn de Combustión
HCH3 Cl Clh
ClCH3 ClH+ +
Rxn de Halogenación ∆𝐻𝑎𝑙𝑜𝑔° = -105 kJ/mol
CH CH3
Rxn de Condensación ∆𝐻𝑐𝑜𝑛𝑑° = +727 kJ/mol
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¿Podemos predecir cuánta energía liberará una reacción? • “Si un grupo de reactivos reaccionan para dar un
grupo de productos, el calor de reacción liberado o absorbido es independiente de los pasos en que se lleva acabo la reacción” – Ley de Hess
CH3 OH + BrH CH3 Br + OH2
∆𝐻𝑟𝑥𝑛° = ¿ ? kJ/mol
∆𝐻𝑟𝑥𝑛° = Σ∆𝐻𝑓(𝑝𝑟𝑜𝑑)
° − Σ∆𝐻𝑓(𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡)°
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2 C(grafito) + 3 H2(gas) + ½ O2(gas) C2H5OH
∆𝐻𝑓° = -277,7 kJ/mol
∆𝐻𝑓° = -103,8 kJ/mol
∆𝐻𝑓° = +20,4 kJ/mol
Entalpía de formación, ∆𝑯𝒇°
CH3 CH33 C
(grafito) + 4 H
2
CH3H
H
3 C(grafito)
+ 3 H2
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Ley de Hess: Cálculo de Entalpías de Rxn
2 C + 3 H2 + 1/2 O2 CH3 OH
1/2 H2 + 1/2 Br2 HBr
2 C + 5/2 H2 + 1/2 Br2 CH3 Br
H2 + 1/2 O2 H2O
∆𝐻𝑟° = -277,6
∆𝐻𝑟° = -36,3
∆𝐻𝑟° = -285,8
∆𝐻𝑟° = -90,5
CH3 OH + BrH CH3 Br + OH2
∆𝐻𝑟° = +277,6
∆𝐻𝑟° = +36,3
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Ley de Hess
CH3 OH + BrH CH3 Br + OH2
∆𝐻𝑟° = -62,4 kJ/mol
∆𝐻𝑟° = (277,6 + 36,3 – 285,8 – 90,5) kJ/mol
Reacción exotérmica. Libera 62,4 kJ/mol de energía
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Práctica • 3 Cl2 + CH4 CHCl3 + 3 HCl
• 2 EtOH + H2O
• Glucosa + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O
CH3 O CH3
Compuesto ∆Hf Compuesto ∆Hf
CH4 - 74,6 kJ/mol EtOH - 277,6 kJ/mol
HCl - 92,3 kJ/mol - 279,5 kJ/mol
CHCl3 - 81,9 kJ/mol Glucosa - 1 273 kJ/mol
H2O - 285,8 kJ/mol CO2 - 393,5 kJ/mol
CH3 O CH3
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Entalpía de Vaporización ∆𝑯𝒗𝒂𝒑(𝑱𝒎𝒐𝒍 )
• Energía que se necesita para evaporar 1 mol de sustancia
Entalpía de Fusión ∆𝑯𝒇𝒖𝒔(𝑱𝒎𝒐𝒍 )
• Energía que se necesita para fundir 1 mol de sustancia
+Q +Q
-Q -Q
Cambios de Fase (Esto requiere energía)
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Capacidad Calórica, Cp
∆𝐻 = 𝑛 × 𝐶𝑝 × ∆𝑇
• Calor que se necesita para calentar un mol de sustancia y cambiarle su temperatura 1 °C
• La capacidad calórica es específica para cada sustancia.
Tem
per
atu
ra
Ebullición
Fusión
Aumento de T, Cp
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¿Cuánta energía se requiere para calentar 250 mL de agua de 25 °C a 50 °C?
∆𝐻 = 𝑛 × 𝐶𝑝 × ∆𝑇
𝑛 =250 𝑚𝐿 × 1 𝑔 × 1 𝑚𝑜𝑙
1 𝑚𝐿 × 18 𝑔= 14 𝑚𝑜𝑙
∆𝐻 = (14 𝑚𝑜𝑙)(75,4 𝐽 𝑚𝑜𝑙 𝐾 )(50 °𝐶 − 25 °𝐶)
∆𝑯 = 𝟐, 𝟔 × 𝟏𝟎𝟒 𝑱 = 𝟐𝟔 𝒌𝑱
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Datos Termodinámicos Sustancia Cp (J/mol K) ∆Hvap (kJ/mol) ∆Hfus (kJ/mol)
Etanol 112,0 38,6 4,9
Etilén glicol 148,0 61,9 260
Agua 75,4 40,65 6,01
Amoníaco 35,6 23,35 5,65
Benceno 134,3 33,9 9,90
Dióxido de carbono 37,0 26,1 ---
Hielo 36,9 --- ---
Vapor de agua 34,0 --- ---
HFC-134a (gas) 71,7 22,1 ---
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Ejercicio • ¿Cuánta agua se puede evaporar con la combustión
de 1 mol de propano? • ΔHvap= 40,65 kJ/mol
• ¿Cuánto combustible se necesita para acelerar un vehículo hasta 60 km/h en aceleración constante de 3 m/s2? Considerar eficiencia de 20% • ΔHc= 47 kJ/g
• d = 0,77 kg/L
• ¿Cómo se compara contra el etanol? ΔHc= 26,8 MJ/kg
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Ejercicio • ¿Cuánta calor puede retirar un refrigerador usando
HFC-134a usando 3 mol del gas que empieza desde su punto de ebullición hasta temperatura ambiente (25 °C)?
• ¿Qué es más eficiente para quitar el calor corporal? ¿Tomar un litro de agua fría (3 °C)? ¿Sudar 1 litro de agua?
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Energías de Enlace Energía necesaria para romper un mol de moléculas entre sus átomos componentes
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Cinética de Reacción
¿Cuál es la velocidad de la reacción?
¿v = 𝑑𝐴
𝑑𝑡? v = 𝑘[𝐴]
¿v = 𝑑𝐵
𝑑𝑡? v = 𝑘[𝐵]
A + B C + D
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Cinética de Reacción
• Cinética de Orden 0: 𝑣 = 𝑘
• Cinética de Primer Orden: 𝑣 = 𝑘[𝐴] ó 𝑣 = 𝑘[𝐵]
• Cinética de Segundo Orden: • 𝑣 = 𝑘[𝐴]2
• 𝑣 = 𝑘 𝐴 [𝐵]
• Cinética de Tercer Orden: • 𝑣 = 𝑘[𝐴]3
• 𝑣 = 𝑘[𝐴]2[𝐵]
• 𝑣 = 𝑘[𝐴][𝐵]2
A + B C + D
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Cinética de Reacción • Algunas Ecuaciones:
• 𝐴 = [𝐴]𝑜𝑒−𝑘𝑡
• 𝐴 = [𝐴]𝑜 − 𝑘𝑡
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Cinética de Reacción
• ¿Qué afecta la velocidad de una reacción?
• Concentración inicial
𝑣 = 𝑘 𝐴
• k es una expresión de la fisicoquímica
• Impedimento estérico
• Temperatura
• Estado de la sustancia
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Cinética de Reacción
• Ea es la energía necesaria para iniciar la reacción
• 𝐸𝑎 ∝ 𝐸𝑘
• 𝐸𝑎 ∝ 𝑇
CH3 CH3 + O O C
O
O
+ OH25 3 4
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Estado de Transición
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Referencias
• Atkins, P. W. Química Física. 6ª Edición, Ediciones Omega, Barcelona, 1999.
• Petrucci, R.; Harwood, W.; Herring, G. Química General, 8ª Edición, Pearson Educación, Madrid, 2003.
• McMurry, J. Química Orgánica, 7ª Edición, Cengage Learning, México, 2008.
• Organic Chemistry Portal. Consultado, 7 de mayo, 2015.
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Luis Eduardo Hernández Parés
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