View
212
Download
2
Category
Preview:
DESCRIPTION
TermoQuimica
Citation preview
QUÍMICA IING. E. RAÚL MORALES MUÑOZ MSc.
TEMAS:
ESTADO LÍQUIDOSOLUCIONESÁCIDOS, BASES Y SALESTERMOQUÍMICAELECTROQUÍMICA
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 1
TERMOQUÍMICAENERGÍA. Es la medida del movimiento de la Materia, o la capacidad de un sistema para realizar trabajo.Algunos procesos químicos oxidativos y electroquímicos son realizados para utilizar la Energía química de los reactantes, que es la Energía de los electrones, de los átomos y de sus enlaces químicos, que se transforma en la Energía térmica, eléctrica, química ó mecánica de los productos.En otros procesos químicos, como la fotosíntesis, las plantas transforman la Energía electromagnética de las radiaciones solares, y a partir de CO2 y H2O producen azúcares, como la Glucosa C6H12O6, etc., que tienen una determinada Energía química, al igual que los combustibles.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 2
TERMOQUÍMICAFuente: Imágenes Google.
La Energía de ciertas entidades se transforma en la Energía de otras entidades, se transmite, aumenta o disminuye.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 3
TERMOQUÍMICALA ENERGÍA NO ES UN FLUIDO. Hay algunas expresiones “pedagógicas” para comprender los procesos relacionados con la Energía, que son inexactas al decir que: “la energía fluye”, “la energía se almacena”, “la energía se empaqueta”, “la energía se libera”, “la energía se transporta”, o de que: “un sistema gana o pierde energía”.La energía es una propiedad no es una entidad, no es una sustancia que fluya, se almacene, se libere o se transfiera, sino que un sistema aumenta o disminuye su Energía, al tiempo que otro disminuye o aumenta la suya, por choques, por contacto, o en general por transmisión.Evitaremos, en lo posible, tratar a la Energía como un fluido.2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 4
SISTEMA
SISTEMA. Para analizar los cambios de Energía asociados a las reacciones químicas primero es necesario definir el sistema, que es la parte específica del universo que nos interesa, por ejemplo un átomo, un material, una reacción, etc. Los sistemas tienen una composición, una estructura y un entorno. Los sistemas físicos tienen una imagen o forma.Generalmente, los sistemas incluyen las sustancias que están implicadas en los cambios químicos y físicos. Por ejemplo, en una reacción de neutralización ácido-base, el sistema puede ser un recipiente que contiene 50,0 mL de Solución de HCl al cual se agregan 50,0 mL de Solución equimolar de NaOH. El entorno es el resto del universo externo al sistema.2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 5
SISTEMA
Hay tres tipos de sistemas: abierto, cerrado y aislado. Un sistema abierto puede transferir masa y transmitir Energía, por lo general como calor, con su entorno. Un ejemplo de sistema abierto puede ser el formado por una cantidad de Agua en un recipiente, en contacto con el aire. Si se tapa el recipiente, de manera que el vapor de Agua no pueda escaparse o condensarse en el recipiente, se tiene un sistema cerrado, el cual permite la transmisión de Energía que puede ser calor, pero no la transferencia de masa. Si ponemos Agua en un termo tapado, que es térmicamente aislado, se tiene un sistema aislado, el cual no permite la transferencia de masa ni transmisión de Energía.2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 6
TERMOQUÍMICAENERGÍA TÉRMICA ó Energía calórica Ucin. Es la Energía cinética interna de los materiales debida al movimiento caótico de sus átomos, en forma de vibraciones, rotaciones ó traslaciones, y es proporcional a su temperatura. Este movimiento en general se transmite de una masa a otra.La Energía térmica no es lo mismo que el calor.CALOR Q. Es la Energía térmica transmitida a un sistema (Q>0), desde un sistema (Q<0), o entre diferentes zonas de un mismo sistema que se encuentran a distintas temperaturas, desde la zona de mayor temperatura hacia la de menor temperatura.TERMOQUÍMICA. Es la parte de la Química que se encarga de la cuantificación de la variación de Energía térmica en medio de una reacción química, considerada como sistema.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 7
TERMOQUÍMICACasi todas las reacciones químicas se producen con cambios en la Energía térmica de los Reactantes y los Productos, que se nota generalmente por la variación de su temperatura.TRABAJO TERMODINÁMICO. Es la variación de Volumen de un sistema producida por el calor, que se le transmite a favor ó en contra de la Presión del entorno, considerada constante.
W = PVSi un sistema no realiza un trabajo termodinámico, el calor desde o hacia el sistema es igual a la variación de su Energía interna U = Ucin + Upot, a Volumen constante: QV = U
Si un sistema realiza un trabajo termodinámico, entonces el calor a Presión constante varía la Entalpía: QP = H
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 8
TERMOQUÍMICAENTALPÍA. Es la suma de la variación de Energía interna U de los átomos del sistema y el trabajo realizado. Se designa con H, y con H su variación: H = U + PV H = H(Productos) − H(Reactantes)Cuando la Entalpía de los productos es menor que la de los reactantes, la reacción es exotérmica o exergónica:C2H5OH (g) + 3 O2 (g) 2 CO2 (g) + 3 H2O (l) H < 0
Cuando la Entalpía de los productos es mayor que la de los reactantes, la reacción es endotérmica o endergónica:CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) H > 0La mayoría de las reacciones se realiza a Presión constante.2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 9
TERMOQUÍMICAReacción exotérmica o exergónica:C6H12O6 (s) + 6O2 (g) 6CO2 (g) + 6H2O (l) H = U + PV < 0
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 10
H(Productos) < H(Reactantes)
TERMOQUÍMICAReacción endotérmica o endergónica:6CO2 (g) + 6H2O (l) C6H12O6 (s) + 6O2 (g) H = U + PV > 0
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 11
H(Productos) > H(Reactantes)
TERMOQUÍMICA
CALORÍA TERMOQUÍMICA. Es la cantidad de Energía térmica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de Agua pura, desde 14,5 °C a 15,5 °C, a La Presión de una atmósfera.Otra definición de caloría es a 15 °C [cal15].
Otras unidades para expresar la cantidad de Energía térmica son los Joules, BTU, Ergios, etc. Las equivalencias son:1 caloría [cal] = 4,184 Joules [J] 1 cal15 = 4,1855 J
1 BTU = 252 calorías [cal]1 kilocaloría [kcal] = 1000 calorías [cal]1 Joule [J] = 1x107 ergios [erg]1 kilojoule (kJ) = 1000 Joules [J]2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 12
TERMOQUÍMICACAPACIDAD CALÓRICA C, CP, CV. Es el calor necesario para elevar la temperatura de toda la masa m de una sustancia en un grado Celsius ó en un Kelvin. Su valor puede depender de la temperatura y del régimen. Se mide en [cal/°C], [cal/K], etc.CALOR ESPECIFICO c, cP, cV. Es el calor necesario para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado Celsius ó en un Kelvin. Se le llama también capacidad calórica especifica. Se mide en [cal/(g °C)], [J/(g K)], etc. ∙ ∙
Entonces:Para el Agua líquida se mide la capacidad calórica especifica promedio, entre las temperaturas de fusión y ebullición.CAPACIDAD CALÓRICA MOLAR cM . [cal/(mol °C)], [cal/(∙ mol K)], …∙
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 13
c = C/m C = cm ó C = cMn
TERMOQUÍMICAA continuación se muestra el calor específico de diferentes sustancias:
SUSTANCIA cP [cal/(g °C)]∙ cP [J/(g °C)]∙
H2O(s)
H2O(l)
H2O(g)
AlAuNa
NaClCuZnBiPbHgFePt
0,4901,0000,4800,2150,0310,2900,2100,0920,0920,0290,0310,0330,1070,032
2,0504,1842,0080,8990,1291,2130,8790,3850,3850,1210,1300,1380,4480,134
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 14
Para los gases es necesario indicar el régimen en el que son realizadas las medidas, o sea si son realizadas a P ó V constante.
Kg
cal000,1)(l)O2H(
Cg
cal000,1)(l)O2H(
c
c
TERMOQUÍMICA
FÓRMULA GENERAL DEL CALOR. Para los procesos que se desarrollan a Presión constante, el calor es directamente proporcional a la masa de la sustancia y al cambio de temperatura, proporcionalidades que pueden expresarse matemáticamente de la siguiente manera:
Donde: m masacP calor específico a Presión constante
T cambio ó variación de Temperatura = Tfinal – Tinicial = T2−T1
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 15
QV = U = m∙cV∙TSólidos y líquidos:V = 0 H = UQ = m∙c∙T
ó TcmHTcmQ PPP
TERMOQUÍMICALEY DE DULONG-PETIT.Se aplica generalmente para los Metales. Esta ley establece que, si se tiene el calor específico en cal/(g °C)∙ :
CALOR LATENTE λ. Es el calor necesario para cambiar la masa de un gramo de una sustancia de un estado físico a otro, sin variación de la temperatura. Se mide en [cal/g], etc.Calor latente de fusión del Agua: λf(H2O) = 80 cal/g a 0C y a 1 atm. λf(H2O) = 79,7 cal/g (3 c.s.)
Calor latente de vaporización del Agua: λb(H2O) = 540 cal/g a 100C y 1 atm. λb(H2O) = 538,7 cal/g (4 c.s.)2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 16
Cg
cal 4,6))( ( específicocaloraproximadarelativaatómicaMasa
TERMOQUÍMICACalor latente de solidificación del Agua: λs(H2O) = −80 cal/g a 0C y a 1 atm. λs(H2O) = −79,7 cal/g (3 c.s.)
Calor latente de condensación del Agua: λc(H2O) = −540 cal/g a 100C y 1 atm. λc(H2O) = −538,7 cal/g (4 c.s.)
CALOR PARA CAMBIOS DE ESTADO.El calor para los cambios de estado de una sustancia, se puede determinar con una de las siguientes ecuaciones:
Donde: m masa Qf >0 … Qs <0 calor para la fusión … solidificación
calor latente H cambio o variación de entalpía2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 17
mHmQmQmQ bbff ...
TERMOQUÍMICAENTALPÍA* o CALOR NORMAL DE FORMACIÓN H°rf. Es el calor que se mide al formarse 1 mol de un compuesto a partir de sus Elementos, en Condiciones Normales CN: 1 atm y 25°C. Se le llama entalpía de formación estándar, aunque las Condiciones Estándar CE son: 1 atm y 0°C.*Es un cambio o variación de entalpía de reacción H°r ya que reaccionan los Elementos para formar el compuesto en CN, y se tiene una reacción de formación, o sea H°rf .
El calor de formación de los Elementos en estado libre, no combinado y natural, en CN es cero. Para 1 mol H2O (l) en CN: H2 (g) + ½O2 (g) → H2O (l) H°rf =−285,8 kJ/mol
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 18
TERMOQUÍMICALos coeficientes deben producir 1 mol de producto en CN, y es necesario indicar el estado alotrópico de los Elementos.Cgrafito (s) + O2 (g) CO2 (g) H°rf = – 94,05 kcal/mol
2Cgrafito (s) + H2 (g) C2H2 (g) H°rf = 54,85 kcal/mol
Cambio de entalpía normal o estándar de formación o calor normal de formación en CN de algunos compuestos.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 19
COMPUESTO H°rf [kJ/mol] H°rf [kcal/mol]
CH4(g)C2H2(g)C2H4(g)C2H6(g)
–74,81226,7052,26–84,86
–15,5454,1912,49
–20,28
TERMOQUÍMICA.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 20
COMPUESTO H°rf [kJ/mol] H°rf [kcal/mol]
C2H6(g)CHCl3(g)CH3OH(g)C2H5OH(g)
H2O(g)HCl(g)NO(g)NO2(g)NH3(g)CO(g)CO2(g)
–268,80–103,10–201,17–235,10–241,80–92,3190,2533,20–46,11–110,50–393,50
–64,24–24,64–40,08–56,19–57,79–22,0621,577,93–9,58–22,95–94,05
TERMOQUÍMICA.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 21
COMPUESTO H°rf [kJ/mol] H°rf [kcal/mol]
SO2(g)SO3(g)H2O(l)H2O2(l)
H2SO4(l)HNO3(l)
CH3OH(l)C2H5OH(l)
C6H6(l)Al2O3(s)Fe2O3(s)
–296,80–395,60–285,80–187,80–814,00–174,10–238,57–277,7049,03
–1676,00–824,20
–70,94–94,55–68,31–44,89–194,55–41,61–57,02–66,3711,72
–400,57–196,99
TERMOQUÍMICA
½H2 (g) + ½I2 (s) → HI (g) H°rf(HI (g)) = +26,36 kJ/mol
H2 (g) + I2 (s) → 2HI (g) H°b = H°rf(HI (g)) 2 mol = +52,72 kJ∙
H°b = calor básico de reacción.2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 22
COMPUESTO H°rf [kJ/mol] H°rf [kcal/mol]
Cr2O3(s)CaO(s)CaC2(s)
CaCO3(s)KOH(s)NaOH(s)
NH4NO3(s)
–1128,40–635,50–62,80
–1207,00–424,70–426,70–365,60
–269,69–151,89–15,01–288,48–101,51–101,98–87,38
TERMOQUÍMICAENTALPÍA* O CALOR NORMAL DE REACCIÓN H°r . Es el calor por mol de un reactante ó un producto, que se mide al realizar una reacción química en CN. Se mide en [kcal/mol].ENTALPÍA* O CALOR DE REACCIÓN H°. Es el calor medido al reaccionar la cantidad de sustancia de cada reactante, en CN, según la ecuación balanceada que se use. Se mide en [kcal].ECUACIÓN PARA CALCULAR EL CALOR DE REACCIÓN H°.Si se conoce los cambios de entalpía normal de formación de todas las sustancias que participan en una reacción química se puede calcular la variación de la entalpía de la reacción, mediante la siguiente ecuación:
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 23
)Reactante()Producto( IHnJHnHrfirfjb
TERMOQUÍMICAEn donde:ReactanteI cada uno de los ReactantesProductoJ cada uno de los Productosni cantidad de sustancia estequiométrica del ReactanteI
nj cantidad de sustancia estequiométrica del ProductoJ
∆H°b cambio de entalpía o calor de la reacción [kcal]
∆H°rf calor normal de formación de Reactantes y Prod. [kcal/mol]
Los calores de reacción calculados pueden ser positivos o negativos, y deben confirmar las observaciones prácticas.2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 24
0 )Reactivo( )Producto( Si
0 )Reactivo( )Producto( Si
brfirfj
brfirfj
HIHnJHn
HIHnJHn
TERMOQUÍMICAECUACIONES TERMOQUÍMICAS. Son las ecuaciones químicas que van acompañadas de su calor o entalpía de reacción: C (s) + O2 (g) CO2 (g) H° = – 94,1 kcal
2C (s) + H2 (g) C2H2 (g) H° = 54,85 kcal
LEY DE HESS.Establece que el calor medido para una reacción química es la misma para dicha reacción, tanto si se realiza en una sola etapa como si se realiza en varias etapas, partiendo de los mismos reactantes para obtener los mismos productos, puesto que la variación neta total de calor depende solo de las propiedades de los reactantes iniciales y de los productos finales.2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 25
TERMOQUÍMICAEn otras palabras, el calor de reacción no depende del camino seguido para pasar del estado inicial al final. Esta ley permite calcular indirectamente calores de reacción, que serían muy difíciles de medir directamente, puesto que las ecuaciones termoquímicas pueden sumarse o restarse como ecuaciones algebraicas, juntas con los correspondientes calores de reacción.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 26
RELACIONES ENERGÉTICAS EN SISTEMASSISTEMAS O SUBSISTEMAS ABIERTOS O CERRADOS a P=constSISTEMA ENTORNOH2 > H1 H > 0 Qha(sistema) > 0 Qde(entorno) < 0
H2 < H1 H < 0 Qde(sistema) < 0 Qha(entorno) > 0
Qha(sistema) = −Qde(entorno) −Qha(sistema) = Qde(entorno)
−Qde(sistema) = Qha(entorno) Qde(sistema) = −Qha(entorno)
REACCIONES QUÍMICAS A PRESIÓN CONSTANTECONDICIONES NORMALES
Endotérmica H°r > 0 Qha(sistema) > 0 Qde(entorno) < 0
Exotérmica H°r < 0 Qde(sistema) < 0 Qha(entorno) > 0
Combustión H°c < 0 Qde(sistema) < 0 Qha(entorno) > 02/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 27
TERMOQUÍMICAENTALPÍA* o CALOR NORMAL DE COMBUSTIÓN H°c. Es el calor que se mide al realizarse la reacción de oxidación de un mol, un kg o un m3 de una sustancia, en CN. Se puede medir en [cal/mol], [cal/kg], [cal/m3], [kJ/mol], etc.Es un calor transmitido desde el sistema. H°c < 0
ENTALPÍA* o CALOR DE COMBUSTIÓN H°. Es el calor que se mide al realizarse la reacción de oxidación de un material, en Condiciones Normales CN. Se mide en [cal], [kJ], etc.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 28
3
3m
m
cal cal kg
kg
calcal mol
mol
cal cal
CN
VHHmHHnHH ccc
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 1.Calcular el calor necesario para elevar la temperatura de 100,0 gramos de Cobre Cu desde 20,0°C hasta 110°C.DATOS DE ENTRADA
m(Cu) = 100,0 g (4 cifras significativas)tc 1(Cu) = 20,0°C T1(Cu) = 293 Ktc 2(Cu) = 110°C T1(Cu) = 383 Kc(Cu) = 0,09200 cal/(g °C)∙DATOS DE SALIDA (4 cifras significativas)Qha(Cu) calor hacia el Cobre > 0RESOLUCIÓN
QP = mcPT QV = mcVT Q = mcT Q = mctc 2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 29
EJERCICIOS RESUELTOSEl cambio de temperatura se puede expresar en [°C] o en [K]:
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 30
A las temperaturas dadas el Cobre es un metal sólido, y el calor para calentarlo no depende de la Presión o el Volumen del sistema, y no se indica el régimen.
ivas)significat cifras (4 J 3464)Cu(
J 35,3464cal
J4,184cal 0,828)Cu(
ivas)significat cifras (4 cal 0,828)Cu(
cal 828C90,0Cg
cal0.09200g 0,100)Cu(
)Cu()Cu()Cu()Cu(
C90,0C0,20–C110)Cu( K 90,0K 293–K 383)Cu(
ó
K 383 383273110273C
C110
K
K 293 2932730,20273C
C0,20
K 273
CK
cc
c
1 c2 cc12
2
2
1
1c
ha
ha
ha
ha
ha
Q
Q
Q
Q
tcmQtmcQ
tT
tttTTT
TT
TTtT
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 2.La combustión de un gramo de antracita, que es un tipo de mineral de Carbóno C, produce 7300 calorías. Calcular qué cantidad de dicho mineral hará falta para calentar 4,000 L de Agua H2O, desde 20,0°C hasta 100°C, suponiendo que todo el calor se utiliza para calentar el H2O.DATOS DE ENTRADANo se indica las condiciones y el régimen de la combustión de la antracita.
Hc(antracita) = −7300 cal/g (4 cifras significativas)
V(H2O) = 4,000 L m(H2O) = 4000 g tc 1(H2O) = 20,0°C tc 2(H2O) = 100°C c(H2O (l)) = 1,000 cal/(g K)∙DATOS DE SALIDA (4 cifras significativas)m(antracita)
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 31
EJERCICIOS RESUELTOSRESOLUCIÓN
Si no se indica las condiciones y el régimen para la combustión, se podría asumir que el proceso se desarrolla a Presión constante.
El calor hacia el H2O es igual al calor por combustión desde la antracita, y este es el cambio de entalpía por combustión H:
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 32
cal 320000K 80,0Kg
cal000,1g 4000)OH( 2
haQTmcQ
ivas)significat cifras (4 g 84,43)antracita(
g 8356,437300
cal 320000)antracita(
)antracita()antracita(
cal 320000)antracita( )antracita()OH(
g
cal
2
m
m
H
Hm
H
HmmHH
HQQQ
ccc
dedeha
EJERCICIOS RESUELTOSTambién se puede usar una proporción:
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 33
ivas)significat cifras (4 g 84,43)antracita(
g 8356,43cal 7300
antracita g 1cal 320000)antracita(
cal 320000
cal 7300
)antracita(
antracita g 1
m
m
m
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 3.Se calienta una muestra de 25,0 gramos de una aleación hasta 100C, se introduce luego en un recipiente que contiene 90,0 gramos de Agua H2O a 25,32C, y la temperatura del H2O se eleva hasta 27,18C. Despreciando la pérdida de calor que puede existir, determinar el calor específico de la aleación.DATOS DE ENTRADA
m(aleación) = 25,0 g (3 cifras significativas)tc 1(aleación) = 100C tc 2(aleación) = 27,18Cm(H2O (l)) = 90,0 g c(H2O (l)) = 1,00 cal/(g∙C)tc 1(H2O) = 25,32C tc 2(H2O) = 27,18C DATOS DE SALIDA (3 cifras significativas)c(aleación)
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 34
EJERCICIOS RESUELTOSRESOLUCIÓN
El calor hacia el H2O es igual al calor desde la aleación.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 35
ivas)significat cifras (3 Cg
cal0920,0)aleación(
Cg
cal0919528,0)aleación(
C) 82,72()aleación(g 0,25C 86,1Cg
cal00,1g 0,90
)aleación()OH(
C82,72C100C18,27)aleación(
C86,1C32,25C18,27)OH(
2
c
2c
c
c
c
QQtmcQ
t
t
dehac
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 4.La masa equivalente de un Metal M, cuando reacciona con Oxígeno O2, es de 69,67 g. Si su calor específico es 0,0305 cal/(g∙C). Determinar el Estado de Oxidación del Metal, su Masa Atómica relativa exacta y la fórmula del óxido.
DATOS DE ENTRADA
meq(Metal) = 69,67 g c(Metal) = 0,0305 cal/(g∙C) (3 cifras significativas)DATOS DE SALIDA
EO(Metal) (valor entero positivo con signo)MAr(Metal) (3 cifras significativas)
UF ó FM(óxido)2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 36
EJERCICIOS RESUELTOSRESOLUCIÓN
Según la ley de Dulong-Petit:
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 37
g 8,00 g 69,67 :m
O M O 2M
eq
x222
x
32
ap
a ap
ap
OM :óxidoy 3 x 3(Metal) 3(Metal)
01186,3g 67,69
g 836,209
(Metal)
(Metal)m(Metal)
(Metal)
(Metal)m(Metal)
.Metal ó (Metal)
g 836,209)Metal(m 836,2090305,0
4,6)Metal(M
4,6)Metal()Metal(MCg
cal
EOυ
mυ
υm
l Química deValencialEstructuraValenciaυ
c
eq
mmeq
mAr
Ar
EJERCICIOS RESUELTOSAplicando la misma expresión para meq:
Esta Masa Atómica relativa MAr corresponde al Bismuto Bi.El Bismuto forma enlaces covalentes con el Oxígeno, pues:ce(Bi) = 1,9 ce(O) = 3,5 ce(O;Bi) = 1,6 Forman moléculas.La Fórmula Molecular FM del óxido M2O3 es Bi2O3
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 38
209(Metal)M
01,209(Metal) M g 01,2093g 67,69(Metal)m
(Metal)(Metal)(Metal)m (Metal)
(Metal)m(Metal)
Ar
Arm
eqmm
eq υmυ
m
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 5.Calcular la cantidad de calor que se necesita para transformar 20,00 g de Agua en estado sólido, que se encuentra a –15°C, al estado de vapor a 120°C.DATOS DE ENTRADA
m(H2O (s)) = 20,00 g (4 cifras significativas)c(H2O (s)) = 0,4800 cal/(g °C) ∙ tc 1(H2O (s))= –15°C tc 2(H2O (s))= 0°Cλf(H2O) = 80,00 cal/g tc f(H2O)= 0°Cc(H2O (l)) = 1,000 cal/(g °C) ∙ tc 1(H2O (l))= 0°C tc 2(H2O (l))= 100°Cλb(H2O) = 540,0 cal/g tc b(H2O)= 100°CcP(H2O (g)) = 0,4900 cal/(g °C) ∙ tc 1(H2O (g))= 100°C tc 2(H2O (g))= 120°CDATOS DE SALIDA (4 cifras significativas) Qha(H2O)
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 39
EJERCICIOS RESUELTOSRESOLUCIÓN
Representación del proceso de calentamiento del Agua:
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 40
Qha(H2O(s)) para calentar el hielo de −15°C a 0°C
Qf(H2O) para la fusión del hielo, a 0°C
Qha(H2O(l)) para calentar el agua líquida de 0°C a 100°C
Qb(H2O) para la evaporación del agua líquida, a 100°C
Qha(H2O(g)) para calentar el vapor de 100°C a 120°C
Fuente: “Fundamentos de Química General”. Ing. Luis Escobar.
tc [°C]T [K]
Q [cal]t [seg]
EJERCICIOS RESUELTOSQha(H2O) = Qha(H2O(s)) + Qf(H2O) + Qha(H2O(l)) + Qb(H2O) + Qha(H2O(g))
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 41
ivas)significat cifras (4 kcal14,74)OH(
kcal14,739calorías14739)OH(
cal 192cal 10800cal 2000cal 1600cal 147)OH(
cal192C)100C(120Cg
cal0,4800g20,00)OH(
cal10800g
cal540,00g20,00)OH(
cal2000C)0C(100Cg
cal1,000g20,00)OH(
cal1600g
cal80,00g20,00)OH(
cal147C)15(C0Cg
cal0,4900g20,00)OH(
2
2
2
c2
2
c2
2
c2
(g)
(l)
(s)
ha
ha
ha
pha
bb
ha
ff
ha
Q
Q
Q
tcmQ
mQ
tcmQ
mQ
tcmQ
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 6.Se mezcla 120 g de H2O (s) a 0C y 300 g H2O (l) a 50C. Calcular la temperatura de Equilibrio térmico y el estado físico de la mezcla, considerada como sistema. DATOS DE ENTRADA
m(H2O (s)) = 120 g (3 cifras significativas)
tc (H2O (s)) = 0°C λf(H2O) = 80,0 cal/g tc 1(H2O (lf)) = 0°Cm(H2O (l)) = 300 g c(H2O (l)) = 1,000 cal/(g °C)∙
tc 1(H2O (l)) = 50°C tc 2(H2O (l)) = tc 2(H2O (lf)) = tc Et
DATOS DE SALIDA (3 cifras significativas)tc Et
EF(mezcla)2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 42
EJERCICIOS RESUELTOSRESOLUCIÓN
Es necesario comparar el calor desde el H2O (l) que se transmitiría hacia el H2O (s) para fundirla a 0°C. El H2O (l) pasaría de 50°C a 0°C.
El calor que transmitiría el H2O (l) es mayor que el calor para la fusión del H2O (s) a 0°C. En el Equilibrio térmico, el sistema tendrá tc Et > 0°C. Qha(subsistemasJ) = − Qde(subsistemasI)
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 43
cal 9600g
cal0,80g 120)OH(
cal 15000)C0C50(Cg
cal1,000g 300)OH(
2
(l) 2c
fff
de
QmQ
QtmcQ
)C05(1,000g3001,000g120cal 9600
C)05(1,000g300C)0(1,000g12080,0g120
c c
c c
Cg
cal
Cg
cal
Cg
cal
Cg
cal
g
cal
EtEt
EtEt
tt
tt
EJERCICIOS RESUELTOSResolviendo la ecuación:
EF(mezcla) = estado líquido, pues el Agua es líquida entre 0°C y 100°C.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 44
ivas)significat cifras (3 C9,12
C8571,12C420
5400 cal 5400420
300cal 15000120cal 9600
)C05(300120cal 9600
)C05(1,000g3001,000g120cal 9600
c
c c
c c
c c
c c
C
cal
C
cal
C
cal
C
cal
C
cal
Cg
cal
Cg
cal
Et
EtEt
EtEt
EtEt
EtEt
t
tt
tt
tt
tt
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 7.Calcular la Temperatura de Equilibrio térmico de una mezcla de 300 g de H2O (s) a 0C y 300 g de H2O (l) a 50C. Determinar el Estado Físico de la mezcla, y la masa de hielo fundida.DATOS DE ENTRADA
m(H2O (s)) = 300 g (3 cifras significativas)
tc (H2O (s)) = 0°C λf(H2O) = 80,0 cal/g tc 1(H2O (lf)) = 0°Cm(H2O (l)) = 300 g c(H2O (l)) = 1,000 cal/(g °C)∙
tc 1(H2O (l)) = 50°C tc 2(H2O (l)) = tc 2(H2O (lf)) = tc Et
DATOS DE SALIDA (3 cifras significativas)tc Et
EF(mezcla)mfp(H2O) La masa de fusión parcial es la masa de hielo fundida.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 45
EJERCICIOS RESUELTOSRESOLUCIÓN
Cálculo del calor desde el H2O (l) que se transmitiría hacia el H2O (s) para fundirla a 0°C. El H2O (l) pasaría de 50°C a 0°C.
Comparando −Qde(H2O (l)) y Qha(H2O (s)): −(−15000 cal) < 24000 calEl calor que transmitiría el H2O (l) es menor que el calor para fundir el H2O (s) a 0°C. La masa de hielo fundida será:
masa de hielo no fundida: mnf(H2O) = 300 g − 187,5 = 112,5 g2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 46
)(s) O2H(cal 24000g
cal0,80g 003)O2H(
cal 15000)C50C0(Cg
cal1,000g 300)(l) O2H(
hafff
de
QQmQ
QctmcQ
ivas)significat cifras (3 g 188)O2H(
g 5,187
g
cal80,0
cal 15000)O2H( cal 15000
fp
fpfpffpfp
m
mQmQ
EJERCICIOS RESUELTOSEn Equilibrio térmico, el sistema tendrá tc Et = 0°C. Comprobación: Qha(subsistemasJ) = − Qde(subsistemasI)
El Estado Físico de la mezcla, que es el sistema compuesto al inicio de dos subsistemas, es líquido + sólido, a 0°C.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 47
C0300
cal 0
cal 0cal 15000cal 15000300
300cal 15000cal 15000
)C05(300cal 15000
C)05(1,000g30080,0g5,187
C
cal
C
cal
C
cal
C
cal
Cg
cal
g
cal
c
c
c
c
c
Et
Et
Et
Et
Et
t
t
t
t
t
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 8.En determinadas condiciones y régimen, se mezcla 300 g de H2O (g) a 100°C y 300 g de H2O (s) a –10°C. Determinar la temperatura de Equilibrio del sistema.DATOS DE ENTRADA
m(H2O (g)) = 300 g (3 cifras significativas)
tc(H2O (g)) = 100°C λc(H2O) = −540 cal/g tc c(H2O)= 100°Cc(H2O (l)) = 1,000 cal/(g °C)∙ tc 1(H2O (lc))= 100°C tc 2(H2O (lc))= tc Et
m(H2O (s)) = 300 gc(H2O (s)) = 0,490 cal/(g °C)∙ tc 1(H2O (s))= −10°C tc 2(H2O (s))= 0°Cc(H2O (l)) = 1,000 cal/(g °C)∙ tc 1(H2O (lf))= 0°C tc 2(H2O (lf))= tc Et
DATOS DE SALIDA (3 cifras significativas)
tc Et
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 48
EJERCICIOS RESUELTOSRESOLUCIÓN
Calculamos el calor desde el H2O (g) que se transmitiría hacia el H2O (s) para fundirla a 0°C y calentar el H2O (lf) hasta 100°C.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 49
cal 30000)C0C010(000,1g 300 )(lf) O2(H
C100 a C0 de ,(lf) O2H el calor
cal 2400080g 300 )(s) O2(H
C0 a (s) O2H delfusión la calor
cal 1470]C)10(C0[490,0g 300 )(s) O2(H
C0 a C10 de ,(s) O2H el calor
cal 162000)540(g 300 )(g) O2(H
C100 a ón condensacisu (g) O2H calor
Cgcal
gcal
Cgcal
gcal
c
c
com
com
ha
f
ff
ha
dec
cc
Q
haciatmcQ
Q
paramQ
Q
haciatmcQ
Q
completaparadesdemQ
EJERCICIOS RESUELTOS
Comparando −Qc com de(H2O (g)) y Qha(H2O (s)) :
La masa de H2O (g) que debe condensarse para fundir el H2O (s) a 0°C, y calentar el H2O (lf) hasta 100°C es:
Se tiene H2O (g) y H2O (l) a 100°C, es decir en el Equilibrio térmico.tc Et = 100°C (3 cifras significativas)
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 50
cal 54705cal 162000 cal 55470)cal 162000(
cal 55470cal 30000cal 24000cal 1470 )(s) O2(H
cal 162000 )(g) O2(H com
ha
dec
Q
Q
g 278,197g 722,102g 300
g 722,102 540
cal 55470)(lc) O2H()(g) O2H(
cal 55470 )(g) O2H(
.ón condensacisu (g) O2H desdecalor
g
calpa
pa
pa
mmc
cQm
Q
parcialparacmQ
c
dec
c
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 9.Asumiendo que se utiliza el 50,0% del calor, calcular cuántos kilogramos de Agua H2O a 15°C podrá calentarse hasta 85°C mediante la combustión de 200 L de Metano CH4 en CE, si el calor normal de combustión del CH4 es de 213 kcal/mol.DATOS DE ENTRADA
η = 50,0% (3 cifras significativas)tc 1(H2O)= 15°C tc 2(H2O)= 85°C c(H2O (l)) = 1,000 cal/(g °C)∙ VCN(CH4)= 200 L ∆H°c(CH4 (g))= –213 kcal/molDATOS DE SALIDA (3 cifras significativas)m(H2O (g))
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 51
EJERCICIOS RESUELTOSRESOLUCIÓN
En Condiciones Estándar CE, 0°C y 1 atm: VM CE(gas) = 22,4 L.
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 52
ivas)significat cifras (3 kg 6,13O)(H
kg 5842,13g 2,13584C70
Cgcal
000,1
cal 950893O)(H
C70C15C85O)(H kcal 893,950O)(H O)(H)(CH
)(CHkcal 893,950kcal) 79,1901(100
0,50
%0,50 %0,50
kcal 79,1901mol 8,92857213
mol 8,92857 4,22
L200)CH(
V
V
V
2
2c
2c224
4oaprovechad
dosuministraoaprovechaddosuministra
oaprovechad
dosuministra
4
mol
kcal
mol
LCE
CE
CE
m
mtmcQ
tQQQ
QQQ
Q
QHnHH
nV
nV
nV
n
haha
c
de
de
M
CEQ
Q
M
CEQb
Qb
M
CE
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 10.Calcular el calor que se transmite desde o hacia el entorno, en la reacción de descomposición del Carbonato de Calcio CaCO3 (s) , en Condiciones Normales CN, usando las entalpías normales de formación.CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) H°b = QQb
DATOS DE ENTRADA
H°rf (CaCO3 (s)) = –288,48 kcal/mol nQ(CaCO3) = 1 molH°rf (CaO (s)) = –151,89 kcal/mol nQ(CaO) = 1 mol
H°rf (CO2 (g)) = –94,05 kcal/mol (4 c. s.) nQ(CO2) = 1 molDATOS DE SALIDA (4 cifras significativas)Qde(entorno) ó Qha(entorno)
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 53
EJERCICIOS RESUELTOSRESOLUCIÓN
CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) H° = QH°b = ∑nj∙H°rf(ProductoJ) − ∑ni∙H°rf (ReactanteI)H°b = 1 mol ∙ H°rf (CaO) + 1 mol ∙ H°rf (CO2) − 1 mol ∙ H°rf (CaCO3)
H°b = –151,89 kcal –94,05 kcal –(–288,48 kcal)H°b = 42,54 kcal calor de reacción Qde(entorno) = 42,54 kcal calor desde el entorno (4 c. s.)Este resultado indica que a cada mol de CaCO3 (s) se transmite 42,54 kcal. Este calor o Energía térmica se transmite desde el entorno: Qha(CaCO3 (s)) = −Qde(entorno)CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) H°b = 42,54 kcal
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 54
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 11.Calcular la entalpía de reacción y el calor hacia el entorno, si se combustiona 10,0 g de Metanol ó Alcohol Metílico líquido CH3OH (l) , en Condiciones Normales.DATOS DE ENTRADA
m(CH3OH (l)) = 10,0 g (3 cifras significativas)
H°rf (CO2 (g)) = –94,05 kcal/molH°rf (H2O (l)) = –68,32 kcal/mol H°rf (CH3OH (l)) = –57,02 kcal/mol H°rf (O2 (g)) = 0 kcal/mol DATOS DE SALIDA (3 cifras significativas)H°b
Qha(entorno)2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 55
EJERCICIOS RESUELTOSRESOLUCIÓN
Calor normal de combustión del Metanol: H°r = −173,67 kcal/mol
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 56
ivas)significat cifras (3kcal 174kcal 67,173
kcal 0)kcal 02,57()kcal 32,68(2)kcal 05,94(
)(g) 2O(mol )(l) OH3CH()(l) O2H(mol 2)(g) 2CO(mol 1
)Reactante()Producto(
(l) O22H (g) 2CO (g) 2O (l) OH3CH
23
2
3
bb
b
b
rfirfjb
HH
H
rfHrfHrfHrfHH
IHnJHnH
ivas)significat cifras (3 kcal 3,54)( )()(
)(kcal 2719,54mol 3125,067,173
mol 3125,032
g 10,0)OH3CH( 32)OH3CH(m
32164112)OH3CH( 1)H( 16)O( 12)C(
mol
kcal
mol
gmol
g
entornohaQentornohaQsistemadeQ
sistemadeQHnrHH
n
MrMArMArMArM
m
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 12.El calor normal desarrollado en la combustión de Acetileno o Etino C2H2 (g) a 25C es de 310,7 kcal/mol. Determinar la entalpía normal de formación del C2H2 gaseoso.
DATOS DE ENTRADA
H°c(C2H2 (g)) = −310,7 kcal/mol (4 cifras significativas)
H°rf(CO2 (g)) = −94,05 kcal/mol H°rf(H2O (l)) = –68,31 kcal/molH°rf(O2 (g)) = 0 kcal/molDATOS DE SALIDA (4 cifras significativas)H°rf(C2H2 (g))
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 57
nHH c OHCO2OHC (l)2(g) 2(g) 2(g) 222
5
EJERCICIOS RESUELTOSRESOLUCIÓN
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 58
ivas)significat cifras (4 kcal 29,54)(g) 2H2C(
kcal 0)(g) 2H2C()kcal 31,68()kcal 05,94(2kcal 7,310
)Reactante()Producto(
(l) O2H(g) 2CO2(g) 2O(g) 2H2C mol 12
5
rf
rf
rfirfjb
b
H
H
IHnJHnH
cHH
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 13.La ecuación termoquímica de la combustión del Etileno o Eteno C2H4 gaseoso es:
Admitiendo un rendimiento del 70%, calcular cuántos kg de H2O a 20C pueden convertirse en vapor, por la combustión de 1000 L de C2H4 en Condiciones Estándar.DATOS DE ENTRADA
η = 70,00% (4 cifras significativas)H°c(C2H2 (g)) = −310,7 kcal/molH°rf(CO2 (g)) = −94,05 kcal/mol H°rf(H2O (l)) = –68,31 kcal/molDATOS DE SALIDA (4 cifras significativas)m(H2O (g))2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 59
kcal 337Δ(g) O22H(g) 22CO(g) 2O)(g 4H2C bH
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 14.Calcular la H°rf del CO (g), utilizando la ley de Hess, a partir de los siguientes datos:
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 60
kcal7,67 (g) 2CO(g) 2O(g) CO
kcal/mol1,94)(g) 2CO(
b
rf
H
H
EJERCICIOS RESUELTOSEjercicio 15.Calcular la entalpía* normal de formación del Metano CH4 en estado gaseoso, a partir de los datos dados.DATOS DE ENTRADA
DATOS DE SALIDA (3 cifras significativas)H°rf(CH4 (g))RESOLUCIÓN
La entalpía* normal de formación corresponde a la reacción:2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de
Excelencia 61
(3 cifras significativas)
cRbH
bRbH
aRbH
kJ8,285c (l) O2H (g) 2O (g) 2H
kJ5,393b (g) 2CO (g) 2O (s) C
kJ887a (g) O2H2(g) 2CO(g) 2O2(g) 4CH
2
1
EJERCICIOS RESUELTOSC (g) + 2H2 (g) → CH4 (g) H°rf(CH4 (g))Sumando algebraica, química y entálpicamente las ecuaciónes Rb + 2Rc − Ra podemos calcular H°rf(CH4 (g)):
2/2/15 ESPE: Educación Superior Pública de Excelencia 62
ivas)significat cifras (3 kJ/mol1,78)(g) 4CH(
kJ/mol1,78)(g) 4CH( (g) 4CH (g) 22H (s) C
kJ)887(kJ)8,2852(kJ5,393mol 1)(g) 4CH(
mol 1)(g) 4CH(a c 2b (g) 4CH (g) 22H (s) C
________________________________________________________________________________
)(2 kJ)8,285(2c 2 (g) O2H2 (g) 2O (g) 22H
)( kJ5,393b (g) 2CO (g) 2O (s) C
)( kJ)887(a (g) O2H2(g) 2CO(g) 2O2(g) 4CH
rfH
rfH
rfH
rfHbHbHbH
cRbH
bRbH
aRbH
Recommended