40_U4_Termoquimica_QU_12_13

I.E.S. Juan Gris Departamento de Fsica y Qumica Qumica 2 Bachillerato

Prof. Jos Moreno Snchez Unidad 4: Termoqumica.- 1

Unidad 4: Termoqumica.

Transformaciones energticas en las reacciones qumicas. Espontaneidad de las reacciones qumicas.

Contenidos

Sistemas termodinmicos. Variables termodinmicas. Cambios energticos en las reacciones qumicas. Procesos endotrmicos y exotrmicos.

Primer principio de la termodinmica. Transferencias de calor a volumen y a presin constante. Concepto de entalpa. Clculo de entalpas de reaccin a partir de las entalpas de formacin. Diagramas entlpicos.

Ley de Hess. Entalpas de enlace.

Segundo principio de la termodinmica. Concepto de entropa. Energa libre. Espontaneidad de las reacciones qumicas.

Aplicaciones energticas de las reacciones qumicas. Repercusiones sociales y medioambientales.

Valor energtico de los alimentos. Implicaciones para la salud.

Criterios de evaluacin: Definir el primer principio de la termodinmica y aplicarlo correctamente a un proceso qumico.

Diferenciar un proceso exotrmico de otro endotrmico utilizando diagramas entlpicos.

Explicar el significado de la entalpa de un sistema, determinar la variacin de entalpa de una reaccin

qumica aplicando el concepto de entalpas de formacin mediante la correcta utilizacin de tablas, valorar

las implicaciones de las variaciones energticas en las reacciones qumicas y predecir, de forma cualitativa,

la espontaneidad de un proceso en determinadas condiciones.

1. Definir y aplicar el primer principio de la termodinmica a un proceso qumico. Diferenciar correctamente un proceso exotrmico de otro endotrmico utilizando diagramas entlpicos.

2. Aplicar el concepto de entalpas de formacin al clculo de entalpa de reaccin mediante la correcta utilizacin de tablas.

3. Predecir la espontaneidad de un proceso qumico a partir de los conceptos entlpicos y entrpicos.



CUESTIONES Y PROBLEMAS

1. En una reaccin de combustin de etano en fase gaseosa se consume todo el etano:

a) Escriba y ajuste la reaccin de combustin.

b) Escriba la expresin para el clculo de entalpa de reaccin (H0r) a partir de las entalpas de

formacin (H0f).

c) Escriba la expresin para el clculo de entropa de reaccin (S0r), a partir de las entropas (S0).

d) Justifique el signo de las magnitudes H0r y G0

r. Madrid junio 2004

2. El clorato de potasio (slido) se descompone, a altas temperaturas, para dar cloruro de potasio (slido) y

oxgeno molecular (gas). Para esta reaccin de descomposicin, calcule: a) La variacin de entalpa

estndar; b) La variacin de energa de Gibbs estndar; c) La variacin de entropa estndar; d) El

volumen de oxgeno, a 25 C y 1 atm, que se produce a partir de 36,8 g de clorato de potasio.

Datos: masas atmicas:

K = 39,1; Cl = 35,5; O =

16,0. Madrid septiembre 2004

3. En el proceso de descomposicin trmica del carbonato de calcio, se forma xido de calcio y dixido de carbono. Sabiendo que el horno en el que ocurre el proceso tiene un rendimiento del 65%, conteste a los

siguientes apartados.

a) Formule la reaccin y calcule su variacin de entalpa. b) Calcule el consumo de combustible (carbn mineral), en toneladas, que se requiere para obtener

500 kg de xido clcico.

Datos: Hf0 carbonato de calcio = 1206,9 kJmol1; Hf

0 xido de calcio = 393,1 kJmol1

Hf0 dixido de carbono = 635,1 kJmol1; 1 kg de carbn mineral desprende 8330 kJ

Masas atmicas: Ca = 40; O =16 Madrid junio 2005

4. Sabiendo que la combustin de 1 g de TNT libera 4600 kJ y considerando los valores de entalpas de formacin que se proporcionan, calcule: a) La entalpa estndar de combustin del CH4; b) El volumen

de CH4, medido a 25 C y 1 atm de presin, que es necesario quemar para producir la misma energa

que 1 g de TNT. Datos: Hf0(CH4)= 75 kJmol

1; Hf

0(CO2)= 394 kJmol

1; Hf

0 (H2O(g)) = 242

kJmol1

. Madrid junio 2006

5. Sabiendo que la temperatura de ebullicin de un lquido es la temperatura a la que el lquido puro y el

gas puro coexisten en el equilibrio a 1 atm de presin, es decir G = 0, y considerando el siguiente

proceso: Br2(l) Br2 (g)

a) Calcule H0 a 25 C.; b) Calcule S0; c) Calcule G0 a 25 C e indique si el proceso es espontneo a

dicha temperatura; d) Determine la temperatura de ebullicin del Br2, suponiendo que H0 y S0 no

varan con la temperatura. Madrid septiembre 2006

6. En una reaccin qumica del tipo 3A(g) A3(g) disminuye el desorden del sistema. El diagrama entlpico del proceso se representa en el siguiente esquema:

a) Qu signo tiene la variacin de entropa de la reaccin? b) Indique razonadamente si el proceso indicado puede ser espontneo a temperaturas altas o bajas.

c) Qu signo debera tener H de la reaccin para que sta no fuera espontnea a ninguna temperatura? Madrid junio 2007

7. Considere la reaccin qumica siguiente: 2Cl(g) Cl2 (g), conteste de forma razonada: a) Qu signo tiene la variacin de entalpa de dicha reaccin? b) Qu signo tiene la variacin de entropa de esta reaccin? c) La reaccin ser espontnea a temperaturas altas o bajas?

d) Cunto vale H de la reaccin, si la energa de enlace ClCl es 243 kJmol1? Madrid junio 2008

Sustancia H0f (kJ mol-1

) G0f (kJ mol-1

) S0 (J mol

-1 K

-1 )

KClO3 (s) -391,2 -289,9 143,0

KCl (s) -435,9 -408,3 82,7

O2 (g) 0 0 205,0

Reactivos

Productos

Entalpa

creciente



8. Para la reaccin 2NO(g) + O2 (g) 2NO2(g). a) Calcule la entalpa de reaccin a 25 C.

b) Calcule hasta qu temperatura la reaccin ser espontnea, sabiendo que para esta reaccin S =

146,4 JK1mol1. c) Si reaccionan 2L de NO, medidos a 293K y 1,2 atm, con exceso de O2 Cunto calor se desprender?

Datos. Hf (NO) = 90,25 kJmol- l

; Hf (NO2) = 33,18 kJmo1- l

; R = 0,082 atmLK- l

mol- l

Madrid junio 2009

9. La reaccin de combustin completa de un hidrocarburo saturado es: CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2 n CO2 + (n + 1) H2O. Justifique las siguientes afirmaciones:

a) Si todos los hidrocarburos tuviesen igual valor de entalpa de formacin, se desprendera mayor cantidad de energa cuanto mayor fuera el valor de n.

b) El valor de la entalpa de reaccin no cambia si la combustin se hace con aire en lugar de oxgeno. c) Cuando la combustin no es completa se obtiene CO y la energa que se desprende es menor. d) El estado de agregacin del H2O afecta al valor de la energa desprendida, siendo mayor cuando se

obtiene en estado lquido.

Datos. Hf (kJmol1

): CO2 = 393, CO = 110, H2O(liq) = 285, H2O(vap)= 241. Madrid septi 2009

10. Uno de los mtodos de propulsin de misiles se basa en la reaccin de la hidracina, N2H4 (l), y el

perxido de hidrgeno, H2O2(l), para dar nitrgeno molecular y agua lquida, siendo la variacin de

entalpa del proceso 643 kJmol1. a) Formule y ajuste la reaccin que tiene lugar.

b) Cuntos litros de nitrgeno medidos a 20 C y 50 mm de mercurio se producirn si reaccionan 128 g

de N2H4 (l)?;

c) Qu cantidad de calor se liberar en el proceso?

d) Calcule la entalpa de formacin de la hidracina, N2H4 (l).

Datos. R = 0,082 atmLK1

mol1; Hf (H2O2, l) = 187,8 kJmol

1; Hf (H2O, l) = 241,8 kJmol1

.

Masas atmicas: H = 1; N = 14. Madrid septiembre 2009

11. El octano es un componente de las gasolinas y su densidad es 0,70 g mL-1

. Calcule:

a) La entalpa de combustin estndar del octano lquido. b) La energa desprendida en la combustin de 2 L de octano. c) El volumen de oxgeno, medido a 37 C y 2 atm, que se gastar en la combustin anterior. Datos: R = 0,082 atm L mol

-1 K

-1; masas atmicas: C = 12; H = 1. Entalpas de formacin estndar

(kJ/mol): H2O(l) = 286; CO2 (g) = 393; octano(l) = 250. Madrid 1.A C junio 2010

12. Sabiendo que se desprenden 890,0 kJ por cada mol de CO2 producido segn la siguiente reaccin: CH4

(g) + 2 O2 (g) CO2(g) + 2 H2O (l), calcule: a) La entalpa de formacin del metano. b) El calor desprendido en la combustin completa de 1 kg de metano. c) El volumen de CO2, medido a 25 C y 1 atm, que se produce en la combustin completa de 1 kg de

metano

Datos: R = 0,082 atm L mol-1

K-1

; masas atmicas: C = 12, H = 1.

Entalpas de formacin estndar (kJ/mol): H2O(l) = 285,8; CO2 (g) = 393,5. Madrid junio 2010

13. Considere las dos reacciones siguientes en las que todas las especies son gases ideales:

(I) A 2 B + C (II) 2 X Y + Z a) Escriba para cada una de ellas la relacin existente entre su variacin de entalpa y su variacin de

energa interna.

b) Indique razonadamente cul de ellas tendr mayor variacin de entropa. Madrid sep G 2010

14. Para el proceso Fe2O3 + 2 Al Al2O3 + 2 Fe, calcule: a) La entalpa de reaccin en condiciones estndar. b) La cantidad de calor que se desprende al reaccionar 16 g de Fe2O3 con cantidad suficiente de c) aluminio. d) La masa de xido de aluminio obtenido en la reaccin del apartado anterior.

Datos. 2 Al + 3/2 O2 Al2O3, H = 1672 kJmol-1

2 Fe + 3/2 O2 Fe2O3, H = 836 kJmol-1 Masas atmicas: Fe = 56; O = 16; Al = 27 Madrid Septiembre 2010



AUTOEVALUACIN

4.1 Sabiendo que las entalpas estndar de combustin del hexano lquido, carbono slido e hidrgeno gas,

son de 4192,0 , 393,1 y 285,8 kJ mol-1 respectivamente. Calcule: a) La entalpa de formacin del hexano lquido a 25C; b) El nmero de moles de hidrgeno consumidos en la formacin del hexano

lquido cuando se han liberado 30 kJ. Madrid junio 2001 Sol.: a) 274,5 kJ/mol; b) 0,765 mol

4.2 Utilizando los valores que aparecen en la tabla, todos obtenidos a la temperatura de 25C y consideran-

do la reaccin CO(g) + Cl2(g) COCl2(g), calcule: a) S0 de la reaccin; b) H0 de la reaccin; c) G0

de la reaccin; d) razone si la reaccin es o no espontnea.

4.4 La descomposicin del tetraxido de dinitrgeno, N2O4 2 NO2, ocurre espontneamente a temperaturas altas. Los datos termodinmicos, a 298 K, se incluyen en la tabla adjunta. Determine para

dicha reaccin: a) H0 e S0 a 298 K; b) la variacin de energa interna a 298 K; c) si la reaccin es espontnea a 298 K en condiciones estndar; d) la temperatura a partir de la cual la reaccin es

espontnea ( considere que H0 y S0 son independientes de la temperatura)

Sol.: a) 57,2 kJ/mol, 176 J/(molK); b) 3243,62 J/mol; c) 4,752 J/mol, no espontnea; d) 325 K

4.5 Determina la energa libre de Gibbs a 25 C para la reaccin de combustin de 1 mol de monxido de

carbono, e indica si es o no un proceso espontneo, teniendo en cuenta los datos siguientes:

Sustancia CO2 CO O2

H0f(kJ/mol) -393,5 -110,5

S0 (J/mol.K)

213,6 197,9 205,0 Madrid septiembre 2002

Sol.: H = 283 kJ/mol, S = 86,8 J/molK, G = 257,1 kJ/mol, espontneo

4.6 La entalpa de combustin del butano es 2642 kJ/mol si todo el proceso tiene lugar en fase gaseosa: a) Calcule la energa media del enlace O H. b) Determine el nmero de bombonas de butano (6 kg de butano/bombona) que hacen falta para

calentar una piscina de 50 m3 de 14 a 27 C.

Datos: R = 0,082 atm.L.mol-1

.K-1

; masas atmicas: C = 12; O = 16 ; H = 1; c2(calor especfico del

agua) = 4,18 kJ.K-1

.kg-1

; densidad media del agua = 1 kg.L-1

. energas medias de enlace: E(C - C) = 346

kJ/mol; E(C =O) = 730 kJ/mol; E(O=O) = 487 kJ/mol ; E(C H ) = 413 kJ/mol. Madrid junio 2003

Sol.: a) 531,55 kJ/mol; b) 9,94 bombonas

4.7 La entalpa para la formacin de obtencin de benceno lquido a partir de etino gaseoso: 3C2H2(g) C6H6(l) es de 631 kJ.mol

-1. En todo el proceso la temperatura es de 25 C y la presin 15 atm. Calcule:

a) Volumen de etino necesario para obtener 0,25 L de benceno lquido. b) Cantidad de calor que se desprende en dicho proceso. c) Densidad del etino en dichas condiciones.

Datos: R = 0,082 atmLmol-1K-1; densidad del benceno = 0,874 gcm-3; masas atmicas: H = 1, C = 12 Madrid junio 2004. Sol.: a) 166,96 L; b) 1766,8 kJ; c) 1,310

3g/cm

3.

4.8 Considere los procesos de licuacin del hidrgeno: H2(g) H2(l), Hl = 1,0 kJmol1

; y de combus-

tin del mismo gas: H2(g) + O2(g) H2O(g), Hc = 242 kJmol1

. Justifique si las siguientes

afirmaciones son verdaderas o falsas: a) En ambos procesos S < 0; b) Ambos procesos son

espontneos a cualquier temperatura; c) Para la combustin H2(l) + O2(g) H2O(g) se tiene Hc = 241 kJmol

1; d) La energa de cada enlace O-H es 242/2 kJmol

1. Madrid septiembre 2011.

Sol.: a) verdadero; aumenta el orden; b) falso, depende de T; c) verdadero; d) falso, faltan datos

Compuesto S0 (J mol

-1 K

-1) H0 ( kJ mol-1) Madrid junio 2001

CO(g) 197,7 110,4 Sol.: a) 131,7 J mol-1 K-1; b) 112,4 kJmol-1;

Cl2(g) 222,8 0,0 c) 73,1 kJ mol-1

; d) espontnea pues G



QUMICA I.E.S. Juan Gris Grupo: Calificacin

Alumno/a:

Unidad 4: Termoqumica Fecha de entrega:

Ejercicios para entregar

4.1 Para la reaccin C (grafito) C (diamante), H = 1,9 kJ/mol y G = 2,9 kJ/mol. A partir de estos datos, conteste razonadamente a las siguientes preguntas:

a) Cul es la forma ms estable del carbono, el diamante o el grafito? (0,5) b) Cul es el valor de la entalpa de formacin estndar del diamante? (0,5) c) Dibuje un diagrama energtico de las especies involucradas para justificar si desprende ms energa

quemar un gramo de grafito o quemar un gramo de diamante. (1) Madrid 1.B C junio 2010

4.2 Los combustibles de los automviles son mezclas complejas de hidrocarburos. Supongamos que la

gasolina corresponde a la frmula C9H20, cuyo calor de combustin es Hc = 6160 kJ mol-1

, mientras

que el gasoil responde a la frmula C14H30, cuyo calor de combustin es Hc = 7940 kJ mol-1

.

a) Formule las reacciones de combustin de ambos compuestos y calcule la energa liberada al quemar 10 L de cada uno.

b) Calcule la masa de dixido de carbono liberada cuando se queman 10 L de cada uno. Datos: Masas atmicas: C = 12; H = 1; O = 16. Densidades: gasolina = 718 g L

-1; gasolina = 763 g L

-1.

Madrid 1A E junio 2010

4.3 La entalpa de combustin de un hidrocarburo gaseoso CnH2n+2 es de 2220 kJmol1

. Calcule:

a) La frmula molecular de este hidrocarburo.

b) La energa desprendida en la combustin de 50 L de este gas, medidos a 25 C y 1 atm.

c) La masa de H2O (l) que se obtendr en la combustin anterior.

Datos. R = 0,082 atmLmol1

K1

; Entalpas de formacin (kJmol1

): CO2(g) = 393; H2O (l) = 286; CnH2n+2 (g) = 106. Masas atmicas: H = 1; O = 16. Madrid junio 2011

4.4 El mtodo de Berthelot para la obtencin de benceno (C6H6) consiste en hacer pasar acetileno (etino) a

travs de un tubo de porcelana calentado al rojo: a) Escriba y ajuste la reaccin de obtencin.

b) Determine la energa (expresada en kJ) que se libera en la combustin de 1 gramo de benceno.

c) Calcule H0 de la reaccin de formacin del benceno a partir del acetileno.

Datos. Masas atmicas: H=1 y C=12. Entalpas de combustin (kJmol1): Acetileno: 1300; Benceno: 3270. Madrid Junio 2012

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