11 termodinamica quimica 7 04 05

Termodinámica química

Química General e InorgánicaClase del 7 de abril de 2005

Dr. Pablo Evelson

2. El cambio de entalpía para una reacción depende del estado de los reactivos y los

productos.

2 H2O (l) 2 H2O (g)

H = + 88 kJ

Fe de erratas

•Calor en procesos a presión constante

qp = H

H = U + P V

•Calor en procesos a volumen constante

qv = U

Fe de erratas

Calor

Trabajo

U

Estado inicial

Estado finalE

nerg

ía in

tern

a, U

U = q + w

Entalpía

•Representa el calor que el sistema gana o pierde cuando el proceso se lleva a cabo a presión constante.

•Se representa con la letra H.

H = Hfinal – Hinicial = qP

Procesos espontáneosProcesos espontáneos

•Proceso espontáneo: Ocurre sin intervención del entorno.

•Proceso no espontáneo: No ocurre sin la intervención del entorno.

¿Qué determina la dirección de un ¿Qué determina la dirección de un cambio espontáneo?cambio espontáneo?

-¿De qué manera se distribuye la energía?

-¿La energía total?

-¿La energía tiende a un mínimo?

Cambio espontáneo: Existe una reducción en la calidad de la energía.

Los cambios espontáneos son el resultado de la tendencia del universo hacia un caos mayor.

Indicador del cambio espontáneo:Se busca la dirección del cambio que conduzca a la dispersión caótica de la energía total.

EntropíaEntropía

La segunda ley introduce una nueva función de estado:

Entropía (S)

Segunda ley de la termodinámica:“Para un proceso espontáneo, la entropía del

universo siempre aumenta”

La entropía como criterio de La entropía como criterio de espontaneidadespontaneidad

S universo < 0 Indica proceso no espontáneo

S universo > 0 Indica proceso espontáneo

S universo = 0 Indica proceso reversible

Cálculo de la entropíaCálculo de la entropía

Ssistema = Sfinal - Sinicial

qrev T

-Para una reacción química:

Sreacción = Sproductos - Sreactivos

Ssistema =

Suniverso = Ssistema + Sentorno

Proceso reversible: Suniverso = Ssistema + Sentorno = 0

Proceso espontáneo: Suniverso = Ssistema + Sentorno > 0

Entropía y ordenEntropía y orden

Cada fase muestra un distinto estado de ordenamiento

Estado líquido Estado sólido

Líquido

Sólido

En

trop

ía, S

Temperatura, T

En general, se espera que la entropía aumente en procesos en los cuales:

Se forman líquidos o soluciones a partir de sólidos. Se forman gases a partir de sólidos o líquidos. El número de moléculas de gas aumenta durante una reacción química. La temperatura de una sustancia aumenta.

Entropía y probabilidadEntropía y probabilidad

Ssistema = kB. ln W

Combinación Número de manos que producen esa combinación

Escalera real 4

‘Nada’ 1.302.540

Hay 2.598.960 manos posibles de cinco cartas en el poker

Entropía y probabilidadEntropía y probabilidad

Ssistema = kB. ln W

Ssistema = kB. ln W

kB = R / N

kB = 1,38 x 10-23 J/K

Energía libre de GibbsEnergía libre de Gibbs

Josiah Williard Gibbs(1839-1903)

G = H - TS

G = H - TS

Es función de estado.

Sólo vale para el sistema, a presión y

temperatura constantes.

La energía libre de Gibbs como La energía libre de Gibbs como criterio de espontaneidadcriterio de espontaneidad

G > 0 Proceso no espontáneo

G < 0 Proceso espontáneo

G = 0 Equilibrio

Proceso espontáneo

Equilibrio

Productos

Reactivos

En

ergí

a li

bre

, G

Proceso

wmáx = G

El cambio en la energía libre de un proceso, G, es igual al trabajo útil

máximo que puede realizar el sistema sobre sus alrededores en un proceso

espontáneo que se lleva a cabo a presión y temperatura constantes

Estado de la materia Estado estándar

Gas 1 atm de presión

Líquido líquido puro

Sólido sólido puro

Elementos G°f (elemento) = 0

Disolución Concentración 1 molar

Convenciones para los estados estándarConvenciones para los estados estándar

El cambio de energíalibre estándar, G° es el cambio de energía libre que

acompaña a la conversión de reactivos en sus estados estándar a productos en

sus estados estándar para un mol de reacción según está escrita.

G° = H° - TS°

G = G° + RT lnQ

En condiciones que no son del estado estándar para predecir la dirección de la reacción se debe usar

G en vez de G°

En condiciones estándar:

La relación entre G y G° es:

En

ergí

a li

bre

de

form

ació

n

Elementos

Efecto de la temperatura en la espontaneidad Efecto de la temperatura en la espontaneidad de las reaccionesde las reacciones

H S G Características de la reacción Ejemplo

- + Siempre negativo La reacción es espontánea a cualquier temperatura; la reacción inversa nunca es espontánea

2O3 (g) 3O2 (g)

+ - Siempre positivo La reacción es no espontánea a cualquier temperatura; la reacción inversa es siempre espontánea

3O2 (g) 2O3 (g)

- - Negativo a temperaturas bajas, positivo a temperaturas altas

La reacción es espontánea a temperaturas bajas pero se hace no espontánea a temperaturas altas

CaO (s) + CO2 (g) CaCO3 (s)

+ + Positivo a temperaturas bajas, negativo a temperaturas altas

La reacción es no espontánea a temperaturas bajas pero se hace espontánea a temperaturas altas

CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

• Atkins P.W, Jones L. Química . 3ra edición. Ed Omega. 1999.

Capítulo 16.• Chang R. Química. Ed. Mc Graw Hill.1998.

Capítulo 18.

Consultas: pevelson@ffyb.uba.ar (Pablo Evelson)

BibliografíaBibliografía