LA ENERGÍA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

INTRODUCCIÓN.

En todas las reacciones químicas hay un intercambio de energía.

En algunas reacciones químicas se libera energía, mientras que en otras es necesario suministrarle energía para poder obtener los productos que se

requieren.

Para el químico son importantes dos cosas:

• Saber cuanta energía puede liberar una reacción, para de esta forma controlar el proceso y no verse sorprendido con reacciones violentas que

puedan poner en peligro su integridad y la de los demás.

• Saber cuanta energía puede consumir una reacción química con el fin de determinar el costo energético del proceso químico y si es posible llevarlo

a cabo en condiciones adecuadas.

LAS REACCIONES QUIMICAS Y LA ENERGIA

En general los procesos físicos y químicos van acompañados de cambios deEnergía que pueden manifestarse de diferentes formas:

Energía calórica oCalorífica

Energía luminosa

Energía eléctrica

Energía Mecánica.

Ejercicio 1. buscar ejemplos de estos tipos de energías

CALOR DE REACCION

Es el calor liberadoliberado o absorbidoabsorbido en una reacción

Se puede medir utilizando las unidades de energía:

Kilocalorías (Kcal.)calorías (cal)joule o julio (J)BTU.

Equivalencias:

1 Kcal. = 1000 cal. Esta equivalencia se puede escribir como factoresde conversión de la siguiente forma:

__________ o de forma inversa así: ___________ según el caso.

1 cal. = 4,184 J. 1 Kcal. = 4,184 Kj.1 BTU = 252 cal

1 Kcal.1 Kcal.1000 cal1000 cal

1000 cal 1000 cal 1 Kcal.1 Kcal.

EJERCICIO 2. Escribir estas equivalencias como factores de conversión

Ejemplos 1. Conversión de Cal a kilocalorías

¿Qué cantidad de Kcal. se encuentran en 12568 cal?

Sabemos que 1 Kcal. = 1000 calorías.

Esta igualdad se puede escribir como factor de conversión de la siguiente forma:

________

Esta expresión escrita así se llama factor de conversión y se lee:

1 Kcal. Equivale a 1000 calorías

También se puede escribir de forma inversa y se leería:

1000 calorías equivale a 1 Kcal.

Continua…..

1 Kcal.1 Kcal.1000 cal.1000 cal.

Ahora tomamos la cantidad que queremos convertir y la multiplicamosPor el factor de conversión así:

12568 cal ----------------- = 12,568 Kcal.

La respuesta es 12568 calorías equivale a 12,568 Kilocalorías.

Para el caso inverso donde tuviéramos Kcal. y los quisiéramos convertir en calHaríamos lo siguiente por ejemplo:

Convertir 56,69 Kcal. En calorías.

56,69 Kcal. ----------------- = 56690 calorías.

La respuesta es 56,69 Kilocalorías equivale a 56690 calorías.

(Note que el factor de conversión se invirtió para poder cancelar las unidades)

1 Kcal.

1000 cal.

1 Kcal.

1000 cal.

Ejemplo 2. Convierta 500 BTU a Kilocalorías.

Sabemos que 1 BTU equivale a 252 calorías. ( pero no sabemos cuántas Kilocalorías tiene 1 BTU )

Paso 1. Para este problema convertimos primero los BTU en calorías.

500 BTU --------------- = 126000 calorías

Paso 2. Ahora sabiendo que 1Kcal. = 1000 calorías

Convertimos las calorías en Kilocalorías.

Tenemos:

126000 calorías--------------------- = 126 Kcal.

La respuesta es 500 BTU equivale a 126 Kcal.

252 cal.1 BTU

1 Kcal.

1000 cal

Ejercicio 3. Convierta:

1. 1526 BTU a calorías.2. 235 calorías a BTU.3. 300 Julios a Kilojulios.4. 256 calorías a kilocalorías.5. 1000 kilojulios a kilocalorías6. 4300 BTU a julios.7. 345 julios a BTU.

TIPOS DE REACCIONES QUÍMICASSEGÚN EL INTERCAMBIO DE ENERGÍA

Si lib

eran

ener

gía

Se den

omin

an:

Si absorben energía

Se denominan:

EXOTERMICAS ENDOTERMICAS

Ejemplos:

La combustión de gas natural.La respiración.El encendido de fósforo.

Ejemplos:

La fotosíntesis.

Reacciones de descomposición.

CONTENIDO CALORÍFICO O CALÓRICO

Toda sustancia posee una energía interna o contenido caloríficoY se le denomina

ENTALPIAENTALPIA

La entalpía se representa por la letra La entalpía se representa por la letra (H)(H)

Un concepto importante es la ENTALPIA DE REACCION ENTALPIA DE REACCION

o calor de reacción o calor de reacción ((ΔΔH)H)

La entalpía de reacciónentalpía de reacción ((ΔΔH) H) no es más que la diferencia entre las entalpíasde los productos y la entalpíaentalpía de los reactivos, así:

((ΔΔH) = H) = ΣΣH (productos) - H (productos) - ΣΣ (reactivos) (reactivos)

Cuando Cuando ((ΔΔH)H) > 0 la reacción es endotérmica. la reacción es endotérmica. ((no espontánea)no espontánea)

Cuando (Cuando (ΔΔH)H) < 0 la reacción es exotérmica. la reacción es exotérmica. ((espontánea)espontánea)

Sustancias Kcal./mol Kj./mol

H2O(l) -68,3 -285,9

H2O(g) -57,8 -241,8

CO(g) -26,4 -110,5

CO2(g) -94,0 -393,5

NO(g) +21,6 +90,5

NO2(g) +8,0 +33,5

NH3(g) -11,0 -46,2

HCOOH(l) -97,8 -409,8

C2H4O2(g) -39,8 +166,7

Observe que la entalpía varía según el estado de

agregación o de la materia

}H2O(l)

Este subíndice indica que el agua se encuentra en estado líquido.

Si fuese (g) indica estado gaseoso.

Si es (s) indica estado sólido.

Si es (ac) indica acuoso.

Entalpía de formación de algunas sustancias Entalpía de formación de algunas sustancias ((como leerla)como leerla)

El término El término molmol indica una indica una cantidad relativa de la moléculacantidad relativa de la molécula

Estos valores indican la cantidad de energía que utilizaron o liberaron para su formación.

Ejemplo de cálculo de entalpía de una reacción (ΔH).

En la reacción de descomposición del CaCO3 en CaO y CO2

Calcule la entalpía de la reacción

Ahora averiguamos por tabla las entalpías de formación a 25ºCde cada uno de los compuestos de la reacción:

Hº(CaCO3(s)) = -1207,1 Kj/mol Hº(CaO(s)) = -635,5 KJ/molHº (CO2(g)) = -393,7 Kj/mol.

La ecuación química que describe la reacción es:

CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)

El ΔH (reacción) = ΣH (productos) – ΣH (reactivos)

El cálculo se hace de la siguiente manera:

ΔH (reacción) = (Hº CO2(g) + Hº CaO(s) ) – Hº (CaCO3(s) )

Recuerde: estos datos siempre los encontrará

en tablas químicas. }

Δ

Tenemos que verificar siempre que la ecuación esté balanceada

}Productos

}Reactivos

El símbolo Σ significa sumatoria. Quiere decir en este caso que se deben sumar los productos y en

el otro caso sumar todos los reactivos

De la ecuación química: 1 CaCO3 (s) → 1 CaO (s) + 1 CO2(g) observe:

Coeficientes.

Los coeficientes se deben multiplicar por la entalpía de cada compuesto cuando son diferentes a uno.

ΔH (reacción) = (-635,5+(-393,7) – (-1207,1)

ΔH (reacción) = (-635,5-393,7) + 1207,1

ΔH (reacción) = -1029,2+1207,1

ΔH (reacción) = +177,9 Kj/mol

Al ser el valor de ΔH > 0 (es decir positivo) la reacción es endotérmica. Quiere decir esto que la reacción no es espontánea.

Productos

} }Reactivos

Recuerde: El procedimiento es algebraico. Hay que tener

en cuenta los signos.

Estos coeficientes indican el número de moles

Al ser el valor de ΔH > 0 (es decir positivo) la reacción es endotérmica. Quiere decir esto que la reacción no es espontáneano es espontánea.

Una reacción no espontánea es aquella a

la cual hay que suministrarle energía

para que ocurra.

La respuesta al problema sería: Por cada mol de CaCO3 para su Descomposición hay que suministrar 177,9 Kj de energía.

Ejemplo 2. Utilice las entalpías de formación para calcular el ΔΔH de reacción.H de reacción.

La ecuación química es:

Fe2O3 (s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g)

Debemos balancearla colocando los coeficientes adecuados.

Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g)

Ahora buscamos las entalpías de formación en laTabla de entalpías.

Debemos tener en cuenta los estados de la materiaes decir los estados de agregación.

Observe: que el número de elementos de los reactivos es igual al número de

elementos de los productos.

compuesto H (Kj/mol) compuesto H (Kj/mol)

H2O(g) -241,8 CO (g) -110.5

H2O(l) -285,9 NO (g) +90,37

HF (g) -269 NO2 (g) +33,8

HCl (g) -92,30 HNO3 (l) -173,2

HBr (g) -36,2 NaCl (s) -411,0

HI (g) +25,9 MgO (s) -601,83

H2s (g) -20,2 CaO (s) -635,5

HCN (g) +130,5 Ca(OH)2 (s) -986,59

NH3 (g) -46,9 CaCO3 (s) -1206,9

CO2(g) 393,5 ZnO(s) -348,0

PH3 (g) +9.25 BaO (s) -588,1

CH4 (g) -74,85 Al2O3 (s) -1669,8

SO2 (g) -296,9 Fe2O3 (s) -822,2

Tabla de entalpías a 25º C y 1 atm de presión.

De la tabla hemos extraído los siguiente datos:

Hº CO (g) = -110.5 Kj/mol.Hº CO2(g)= -393,5 Kj/mol.Hº Fe2O3 (s) = -822,2 Kj/mol.

Faltarían las entalpías del Fe pero como es un elemento su entalpía de formación es cero (0).

Fe, O2, Al, Cl2. S, etc.

Ahora procedemos al cálculo:

El ΔH (reacción) = ΣH (productos) – ΣH (reactivos)

La reacción es: Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g)

Entalpías de formación

Los elementos no tienen entalpía de formación por lo tanto su valor es cero (0).

Ahora procedemos al cálculo:

El ΔH (reacción) = ΣH (productos) – ΣH (reactivos)

La reacción es: Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g)

ΔH (reacción) = (Hº CO2(g) *3moles ) - (Hº Fe2O3(s) *1 mol + Hº CO(g) * 3 moles)

Observe que los coeficientes son diferentes a uno por lo tanto hay que multiplicar las entalpíasmultiplicar las entalpías porpor los valores de sussus coeficientescoeficientes.

Reemplazamos valores:

ΔH (reacción) = (-393,5 Kj/mol.*3 mol) – (-822,2 Kj/mol* 1mol + (-110.5 Kj/mol*3 moles))

ΔH (reacción) = (-1180.5 Kj.) - (-822,2 Kj. – 331,5 Kj.)

ΔH (reacción) = -1180,5 Kj - ( - 1153,7 Kj)

ΔH (reacción) = -1180,5 Kj + 1153,7 Kj ΔH (reacción) = - 26,8 Kj

Debemos resolver algebraicamente

EJERCICIOS 4.

Calcule las entalpías de reacción (ΔH) para las siguientes reacciones:

1. H2S(g) + O2(g) → H2O(l) + SO2(g)

2. Fe2O3(s) + H2(g) → Fe(s) + H2O(g)

3. 2NH3(g) + 2CH4(g) + 3O2(g) → 2 HCN (g) + 6H2O(l)

Prediga si las reacciones son espontáneas o no.

Nota: use las tabla de entalpías que se presenta en la diapositiva 15.

Responder:

1. ¿Qué es la entalpía?

2. ¿Cómo se clasifican las reacciones químicas según la dirección de la energía?

3. ¿Cuándo una reacción es espontánea?

4. ¿Por qué es importante para el químico estudiar la energía en las reacciones químicas?

5. ¿Cuáles son los estados de agregación?