quimica 3° medio
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Colegio San Viator
3° Medio Plan Común - Química
Profesora Ma. Isabel Cabello Bravo
Termoquímica
En la experiencia anterior te has dado cuenta de que el objeto de estudio
es un sistema, el cual está rodeado de un entorno o medioambiente.
Como el entorno que rodea el sistema no tiene límites, habitualmente se
considera que ambos constituyen el universo, de modo que:
Sistemas termodinámicos
Universo = Sistema + Entorno
Ejercicio para el intelectoNuestro propio cuerpo es un sistema, que está siempre rodeado
de un entorno. ¿Hasta dónde llega ese entorno? ¿Qué tipo de
paredes tiene el cuerpo humano?
Propiedades de estado
Para poder estudiar detenidamente un sistema es fundamental seguirle “la pista” a
algunas propiedades.
Es indudable que en algunos sistemas el conocimiento de una de estas
propiedades sea irrelevante o muy importante. Si estás calentando agua en un
vaso y lo llevas hasta ebullición, ¿qué propiedades cambian y cuáles no?
Cualquiera sea el caso, puedes precisar el cambio de la siguiente manera:
Cambio = Magnitud de la propiedad final – Magnitud de la propiedad inicial
ΔX = X2 – X1 ΔX = Xf – Xi
Ejercicio para el intelectoConsidera que tienes un trozo de alambre de cobre que pesa 30 g y está a una temperatura de 40 ºC.
Al dejarlo sobre una mesa se enfría poco a poco hasta alcanzar la temperatura ambiente de 18 ºC. Se
produjo un cambio de estado que se registra como una modificación de la temperatura.
ΔT = 18 0C – 40 0C= –22 0C
¿Qué propiedades permanecieron sin alterarse en el enfriamiento?
Transformación de la energía
Energía
“la capacidad para
efectuar trabajo”.Operativa y no refleja lo difícil que es conseguirla
Transferida de una
forma a otra, ya sea para
acumularla o gastarla.
La energía también se
transfiere por
calentamiento o
enfriamiento, lo que
comúnmente llamamos
ganancia o pérdida de
calor.
Propia de loscuerpos en movimiento
Posición que ocupa el
cuerpo en el campogravitacional de la Tierra.
Energía Cinética
Energía Potencial
punto de vista mecánico
Por ejemplo
Si estás parado en un trampolín sobre una piscina, posees una energía potencial gravitacional.
Por ejemplo, cuando te lanzas al agua, progresivamente se va transformando la energía
potencial en energía cinética. Al momento de entrar de lleno en el agua, la velocidad se reduce
notoriamente y la mayor parte de la energía cinética se convierte en energía mecánica del agua,
que se manifiesta por el movimiento y las salpicaduras del agua en múltiples direcciones.
Cuando emerges hacia la superficie el agua mantiene su movimiento y también registra un
aumento de la temperatura casi imperceptible.
Lo que está detrás de este
ejemplo es un principio
fundamental de la
naturaleza conocido como
ley de la conservación dela energía.
EP
EC
EM
La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma, demanera que la energía permanece constante en el Universo.
Ejercicio para el intelectoPuedes trabajar en grupos de dos integrantes
Analiza la secuencia de transformación de energía en los siguientes casos:• Un ciclista sube pedaleando hacia la cima de una colina y luego regresa
rápidamente al punto de partida.• Un montañista escala por la ladera de un roquerío.
Reflexiona, en estos ejemplos, ¿hay implícita alguna forma de energía química?
Energía, calor y trabajo“En la vida cotidiana modificamos la energía mediante la ejecución
de un trabajo o por transferencia térmica o calor”.
Desafío al intelectoActividad de indagación: Levantamiento de un objeto pesado
Levantas un cajón pesado desde el suelo, subes unos cinco peldaños de unaescalera, luego lo colocas en el piso y finalmente lo arrastras hasta un lugardeterminado.1. ¿Qué fuerzas están implícitas en el proceso?2. ¿Qué fuerzas se oponen a la acción?3. ¿Contra quién se hace o se efectúa un trabajo?4. Enumera los tipos de energía participantes.
En la máquina de vapor de una locomotora, el vapor que ingresa al cilindro depropulsión empuja un émbolo, el que mediante un determinado mecanismo hacegirar las ruedas y pone en movimiento la locomotora.
Trabajo
w = f • d
d es el desplazamiento del objeto
Detrás de este ejemplo está implícita una fuerza (f), necesaria para que existaempuje o tracción. Cada vez que se ejerce una fuerza sobre un objeto se estárealizando un trabajo (w) que modifica la energía del objeto.
Cuando un cilindro provisto de un émbolo móvil contiene un gas, es posible modificar su volumen
mediante la aplicación de una fuerza (f). Al desplazar el émbolo desde h1 hasta h2, el trabajo realizado
es:w = f • (h2 – h1)
Si el área de la base del cilindro es A y la presión se define por P = f /A se puede expresar el trabajo
por:w = P A (h2 – h1) = P (V2 – V1) donde, V2 = Ah2 y V1 = Ah1
En una compresión del cilindro, el gas acumula energía, lo que se considera como un trabajo positivo
para el sistema gaseoso. Como en la compresión V2 < V1, para que el trabajo sea positivo debe defi-
nirse como:
w = –P (V2 – V1)
El trabajo en sí no es una energía, sino la forma por la
cual se modifica o se transfiere energía de un medio a
otro. Sin embargo, la energía y el trabajo se miden en
la misma unidad.
¿Hasta cuándo fluye calor entre
los dos cuerpos si permanecen en
contacto indefinido?
¿Qué entiendes por equilibrio
térmico?
Desafío al intelecto
¿Qué relación se puede establecer con la química?
Una de las características fundamentales de la variación de la temperatura es que
esta no depende del camino o trayectoria. ¿Te has dado cuenta de que en el
informe meteorológico del clima diario importa solo la temperatura mínima y
la máxima? No interesa si durante el día subió, bajó y volvió a subir. Lo único que
importa son los valores extremos. Todas las propiedades que son independientes
del camino realizado son propiedades de estado. Además de la temperatura,
también son propiedades de estado el volumen (V) y la presión (P) sobre el
sistema.
Primera ley de la Termodinámica
Una bolita de plasticina que se encuentre sobre la mesa de trabajo en la escuela. En esemomento tiene energía potencial porque la fuerza de la gravedad está actuando sobreella, se siente atraída hacia el suelo. Si se deja caer, su velocidad hacia abajo aumentaconforme la energía potencial se convierte en energía cinética. Cuando la bolita chocacon la superficie, deja de moverse y su energía cinética se reduce a cero. Parte de laenergía cinética se invierte en realizar trabajo, pues al llegar al suelo la bolita sedeformará, aplastándose, y el resto se disipa como calor durante el choque.
“La energía no se crea ni se destruye, la energía
se conserva”.
La energía que un sistema pierda deberá ser ganada por el entorno yviceversa. Este principio se conoce en termodinámica como Primera leyde la termodinámica o Ley de la conservación de la energía.
La energía internaLa energía total de un sistema es la suma de todas las energías cinéticas ypotenciales de sus partes componentes, y es conocida como energía internadel sistema. Cuando el sistema es químico, se trata de un medio formadopor átomos, iones o moléculas y, por ende, por la suma de todas lasenergías cinéticas y potenciales individuales.
El cambio de energía interna (ΔU) es la diferencia entre la energía
interna del sistema al término de un proceso y la que tenía al principio.
Como te habrás dado cuenta, cualquier sistema puede intercambiar energía consu entorno en dos formas generales, como calor o como trabajo. La energíainterna de un sistema cambia cuando se realiza transferencia térmica (calor) otrabajo. Así, la Primera ley de la termodinámica:
Cuando el calor (q)absorbido por elsistema y el trabajo(W) efectuado sobreel sistema soncantidades positivas,contribuyen aaumentar el cambiode energía internadel sistema.
“Cuando se encienden los gases hidrógeno y oxígeno en un cilindro cerrado, se produceuna reacción química, producto de la cual el sistema libera 1150 J de calor al entorno.Además, la reacción hace que un pistón ubicado en la parte superior del sistema se eleveal expandirse los gases calientes. El gas en expansión efectúa 480 J de trabajo sobre elentorno al empujar el pistón contra la atmósfera. ¿Cuál es el cambio de energía internadel sistema?”
Ejemplo aplicado…
En el ejemplo, se indica que se transfiere calor del sistema al entorno, y que el sistemaefectúa trabajo sobre el entorno. Por las convenciones de signo, tanto q como W sonnegativos, anotándose como: q = -1150 J y W = -480 J
Con los datos entregados y reemplazándolos en la ecuación de , se obtiene:
Entalpía (H)La entalpía (H) (de la palabra griega enthalpien, que significa “calentar”) se refiere al calor absorbido o liberado a presión constante, y al igual que la energía interna, es una función de estado; por ende:
Entalpía de reacción (ΔHr)
Ecuación termodinámica
Fórmula para cálculo de entalpía de reacción
Diagrama de entalpía
Aspectos estequimétricos de H
La entalpía es unapropiedad extensiva. Lamagnitud de esdirectamente proporcionala la cantidad de reactivoconsumida en el proceso.
El cambio de entalpía parauna reacción tiene lamisma magnitud perosigno opuesto que para lareacción inversa.
Ley de Lavoisier y Laplace
La variación de entalpía (DH) es un valor que sedetermina experimentalmente para las distintasreacciones químicas midiendo el flujo de calor queacompaña a una reacción a presión constante. Al fluircalor hacia adentro o hacia afuera de un sistema, latemperatura de la sustancia cambia, lo que es posiblemedir a través de sencillos pero precisosexperimentos.La medición de flujo de calor se llama calorimetría, yel aparato que mide el flujo de calor, calorímetro.
Calorimetría…
Capacidad calorífica…
Diferentes materiales requieren distintas cantidades de energía para producir la misma elevación de temperatura
Capacidad Calorífica
Cantidad de flujo de calor necesario para elevar la temperatura en un grado 1 ºC
mol o por gramo de sustancia
Cuando se expresa por gramo de sustancia se le denomina calor específico (c)
y si se expresa por mol, capacidad calorífica molar (C ).
c = qm • ΔT
q es la cantidad de calor transferido.
m es la masa de la sustancia.
ΔT es el cambio de la temperatura, igual a Tfinal – Tinicial
La expresión anterior permite estimar el flujo de calor para una determinada sustancia si se
conoce el calor específico, es decir
q = m • c • ΔT
Por ejemplo
Si en un alambre de cobre de 10 g se eleva su temperatura de 20 ºC a 45 ºC, el
calor transferido al metal es:
q = (10 g) (0,385 J/g 0C) (45 0C – 20 0C) = 96 J
Masa del metal
Calor específico
Variación de la
temperatura
Entalpía de formación…
Entalpía de formación (o calor de formación) y sedesigna como , donde el subíndice ΔHf indica que lasustancia se formó a partir de sus elementos.
La entalpía estándar de formación de un compuesto (ΔHºf) es el cambio de entalpía dela reacción que forma 1 mol del compuesto a partir de sus elementos, con todas lassustancias en su estado estándar.
Ejemplo aplicado…La entalpía de formación estándar de combustión del acetileno (C2H2) es–1.299 kJ/mol. ¿Cuál es la ΔHºf para el acetileno? La ecuación decombustión es:
Ley de Hess…
La entalpía es una función de estado, que
el cambio de entalpía, , asociado a
cualquier proceso químico depende sólo de
la cantidad de materia que sufre el cambio
y de la naturaleza del estado inicial de los
reactantes y del estado final de los
productos. Es decir, la entalpía de una
reacción será la misma, si esta se
produce en un solo paso o en una
secuencia de ellos.
Germain Henri Hess (1802-1850).
Médico y químico suizo de origen
ruso, pionero en la termoquímica.
El etino, también conocido como acetileno (C2H2), fue ampliamente empleado porlos mineros de Lota para generar lámparas que les permitieran iluminar su trabajoen el fondo de las minas. Al adicionarle hidrógeno (H2), o hidrogenarlo, se formaetano (C2H6), según la ecuación: C2H2(g) + 2H2 (g) C2H6(g), a la que denominaremosecuación principal.
Ejemplo aplicado…
• Hidrogenación del acetileno (C2H2) para formar eteno (C2H4), absorbiendo 174,47 kJ, a la que denominaremos ecuación 1.
• Hidrogenación del acetileno (C2H4) para formar etano (C2H6), absorbiendo 136,95 kJ, a la que denominaremos ecuación 2.
