Termoquimica. Reacciones exotérmicas

Termoquímica

La termoquímica trata de las cantidades de calor que acompañan a las reacciones químicas bajo determinadas condiciones. En algunos casos tenemos reacciones que liberan calor al generar los productos, a estas se las llama exotérmicas. En otros las reacciones para que se produzcan necesitan de un suministro de calor para que se puedan producir. Se las llama endotérmicas. Estas cantidades de calor se pueden medir mediante un parámetro termodinámico muy conocido. La variación de entalpia. Su símbolo es ∆H. Por definición es la variación de calor de un sistema en una transformación a presión constante. La convención más aceptada es la siguiente.

Reacciones exotérmicas: Liberan calor. ∆H negativo.

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Reacciones endotérmicas: Absorben calor. ∆H positivo.

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Toda sustancia posee una cantidad de energía almacenada en sus enlaces. Cuando la energía contenida en los reactivos es mayor que la contenida en los productos, tenemos una reacción exotérmica pues sucede liberación de energía. Cuando la energía contenida en los reactivos es menor que la contenida en los productos, tenemos una reacción endotérmica pues sucede absorción de energía.

Esa energía contenida en las sustancias recibe el nombre de entalpía (H). La variación de entalpía para cierta reacción química está dada por

ΔH = HP – HR

Donde

HP es la suma de las entalpías de los productos

HR es la suma de las entalpías de los reactivos.

Cuando la reacción se realiza a presión constante el ΔH se llama calor de reacción. En termoquímica es usual que se expresen las variaciones de energía en las reacciones a través de kilocalorías (Kcal). La kilocaloría es mil veces el valor de una caloría. Una caloría corresponde a la cantidad de calor necesaria para elevar desde 14,5ºC hasta 15,5ºC la temperatura de 1gr de agua. Otra unidad usual en termoquímica es el Joule (J). Una caloría equivale a 4,18 Joules.

En las reacciones exotérmicas, ΔHR > ΔHP y por ello ΔH es negativa (ΔHP – ΔHR = -).

En las reacciones endotérmicas, ΔHR < ΔHP y por ello ΔH es positivo (ΔHP – ΔHR = +).

Los ∆H de formación son los calores para la formación de un mol de un determinado compuesto en condiciones estándar. Temperatura de 25°C y presión normal. Existen tablas donde figuran estos valores. Por concepto el ∆H para la formación de un mol de un elemento puro es 0. Con la excepción de ciertas formas alotrópicas. Cuando vemos los valores de diferentes ∆H veremos también que se coloca o especifica le estado físico del compuesto. Porque influyen en los valores de entalpía los estados físicos de los compuestos. Por ejemplo. La formación de un mol de agua líquida a 25°C tiene un valor de -68.32 Kcal y la de un mol de agua en estado vapor de -57.80 Kcal.

Uno de los ∆H más pedidos en los ejercicios de termoquímica es el ∆H de Reacción.

Si tenemos una reacción hipotética:

aA  +  bB——> cC  +  dD

y queremos calcular el ∆H de esta reacción, es decir, el calor que acompaña a toda la reacción. Debemos hacer la sumatoria total de todos los calores de los productos y de los reactivos y finalmente restarlos. Ese resultado nos dará el calor de reacción a presión constante, o sea, el ∆Hr.

∆H r = ΣQp –  ΣQr = Σ∆Hp – Σ∆Hr

Ejemplo:

CaO  +  H2O ——>  Ca(OH)2

De tabla podemos fácilmente extraer los valores de los ∆H de formación de los compuestos participantes de la reacción:

∆Hf Ca(OH)2 = -235.8 Kcal   ∆Hf CaO = -151.9 Kcal   ∆Hf H2O = -68.32 Kcal.

∆H r = Σ∆Hp – Σ∆Hr

∆H r = -235.8 Kcal – [ -151.9 Kcal + (-68.32 Kcal)].

∆H r = -235.8 Kcal – (- 220.22 Kcal)

∆H r = – 15.58 Kcal.

Ley de Hess:

Hess enuncio una ley muy importante aplicada a la termoquímica. ¨La variación de Entalpía en una reacción química va ser la misma si esta se produce en una sola etapa o en varias etapas¨. Es decir, que la suma de los ∆H de cada etapa de la reacción nos dará un valor igual al ∆H de la reacción cuando se verifica en una sola etapa. Esta ley ha sido muy utilizada para la resolución de problemas que a veces causan muchas dificultades para los alumnos pero en realidad veremos que es sencilla.

Básicamente nos dan varias reacciones pero nos preguntan por una en especial. Entonces lo que tenemos que hacer es, combinarlas de tal forma que luego de cancelar varios términos solo nos quede la reacción específica que nos preguntan. Se usan movimientos matemáticos, como multiplicación, inversión y cambio de signo, etc.

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Ejemplos:

1) El nitrato amónico se descompone según la reacción:

NH4NO3(S) ——>  N2O(g) +  2 H2O(g) ∆H = -37 Kj

Calcular ∆H cuando:

a)      Se descomponen 5 gramos de Nitrato de amonio.

b)      Se forman 2 gramos de agua.

c)       Se forman 0,600 moles de monóxido de Nitrógeno.

a)      Según la reacción, al descomponerse un mol de la sal ( 80 grs.), se producen 37Kj de variación de entalpía.  Por lo tanto al descomponerse 5 gramos, se producirán:

5grs. x 37Kj / 80grs. = -2.31Kj (Se mantiene el signo negativo ya que sigue siendo una reacción exotérmica).

b)      Cuando se forman dos moles de agua se generan 37Kj de energía. Dos moles tienen una masa de 36 gramos. Por lo tanto, al formarse 2 gramos de agua se producirán:

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