03_TermoQuimica Completo

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.


TERMOQUÍMICAFuente: Imágenes Google.

La Energía de ciertas entidades se transforma en la Energía de otras entidades, se transmite, aumenta o disminuye.


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.


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


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


H(Productos) < H(Reactantes)

TERMOQUÍMICAReacción endotérmica o endergónica:6CO2 (g) + 6H2O (l) C6H12O6 (s) + 6O2 (g) H = U + PV > 0


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)], …∙


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


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


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


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.


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.



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.



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


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:


)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.


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.


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]:


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)


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:


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:


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)



El calor hacia el H2O es igual al calor desde la aleación.


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


Según la ley de Dulong-Petit:


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


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)



Representación del proceso de calentamiento del Agua:


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))


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


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)


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.


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.



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.


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



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.


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)


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))



En Condiciones Estándar CE, 0°C y 1 atm: VM CE(gas) = 22,4 L.


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

QQ

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)



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


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


Calor normal de combustión del Metanol: H°r = −173,67 kcal/mol


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))


nHH c OHCO2OHC (l)2(g) 2(g) 2(g) 222

5



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:


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)):


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

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03_TermoQuimica Completo