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Energía y reacciones químicas
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3970Tema 52
Energía y transformaciones químicas. Ecuaciones termoquímicas. Métodos para el cálculo de
calores de reacción.
Índice
I. Introducción .......................................................................................................................... 2
II. Desarrollo .............................................................................................................................. 2
1. Energía y Transformaciones Químicas .............................................................................. 2
1.1. Sistemas termodinámicos ......................................................................................... 2
1.2. Energía y Calor........................................................................................................... 3
1.2.1. Calor .................................................................................................................. 3
1.2.2. Trabajo .............................................................................................................. 4
1.2.3. Energía Interna .................................................................................................. 5
1.3. Primera ley de la Termodinámica ............................................................................. 6
1.4. Procesos a volumen constante ................................................................................. 7
1.5. Procesos a presión constante ................................................................................... 7
2. Ecuaciones termoquímicas................................................................................................ 9
2.1. Calor de reacción a presión constante y a volumen constante ................................ 9
3. Métodos para el cálculo de calores de reacción ............................................................. 10
3.1. Métodos experimentales ........................................................................................ 10
3.2. Métodos teóricos .................................................................................................... 11
3.2.1. Método de las entalpías de formación estándar ............................................ 11
3.2.2. Energía Reticular. Ciclo Born-Haber ................................................................ 12
3.2.3. Entalpía de reacción a partir de energía de enlace ......................................... 12
3.2.4. Entalpía de reacción en función de la temperatura ........................................ 13
3.3. Ley de Hess .............................................................................................................. 14
3.3.1. Aplicación práctica de la Ley de Hess .............................................................. 14
3.4. Ecuación de Kirchhoff .............................................................................................. 15
III. Conclusión ....................................................................................................................... 16
1
, I. Introducción
Con la Termodinámica, además de ser el impulso que la humanidad necesitó en la
Revolución Industrial y su aplicación en la máquina de vapor, llegaría para la Química una época
en la que las reacciones químicas comenzarían a tener valor propio gracias a las leyes de la
Termodinámica, en especial al Primer Principio el cual relaciona la energía interna, tan
importante en Química, con el trabajo y el calor.
Cuando se produce una reacción química, se produce un cambio energético que suelen
implicar una transferencia de calor, de ahí el uso del prefijo termo- (del griego “calor”) en la
rama que estudia este tipo de reacciones, la Termoquímica, encargada de estudiar los procesos
térmicos asociados a las reacciones.
Experimentalmente pueden calcularse los calores de reacción, y, como se va a estudiar, hay
procesos que ayudan a su desarrollo, algo imprescindible si se quiere saber la energía necesaria
para fundir un trozo de metal, o para conseguir una reacción determinada, ya que antes de
aportar energía o esperar a utilizarla, habrá que realizar un estudio previo para saber la
viabilidad del proceso objeto de estudio.
En el presente tema se estudiará aquello relacionado con los procesos químicos, en los que
interviene la energía interna, el trabajo y el calor puesto en juego en cada proceso. Así pues, se
realizará un análisis de cómo se pueden demostrar tanto teórica como experimentalmente los
distintos procesos ya sea a volumen o presión constante.
II. Desarrollo
1. Energía y Transformaciones Químicas
1.1. Sistemas termodinámicos
Un sistema termodinámico se define como la parte del universo objeto de estudio. Este
puede ser una célula, una persona, la atmósfera terrestre etc.
El sistema termodinámico puede estar separado del resto del universo (denominado
alrededores del sistema) por paredes reales o imaginarias. En este último caso, el sistema
objeto de estudio sería, por ejemplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que
separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabáticas) o
permitir el flujo de calor (diatérmicas).
Los sistemas pueden ser aislados, cerrados o abiertos.
- Sistema aislado. Es aquel que no intercambia materia ni energía con los alrededores
- Sistema cerrado. Es el sistema que intercambia calor y trabajo, pero no materia con
los alrededores.
- Sistema abierto. Intercambia materia y energía con los alrededores.
2
, 1.2. Energía y Calor
En Termodinámica, la energía interna es la suma de la energía cinética interna (asociada a
las energías cinéticas de las partículas) y la energía potencial interna (asociada a interacciones
conservativas las partículas) del sistema, es una propiedad del sistema. Por otro lado, el calor y
el trabajo son formas de transferencia de energía, con diferentes resultados. El trabajo tiene
como resultado el movimiento, y el calor un aumento (o descenso) de la temperatura.
Las diferencias del calor y el trabajo con la energía interna es que esta última es energía y
no una forma de transferencia de energía como el calor o el trabajo.
1.2.1. Calor
El calor en Termodinámica se refiere a la transferencia de energía entre diferentes cuerpos
o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas,
transfiriéndose siempre del cuerpo a mayor temperatura al de menor temperatura. La cantidad
de calor necesaria para variar la temperatura es diferente para cada objeto, lo cual se conoce
como la capacidad calorífica de un sistema. Esta es definida como la cantidad de calor necesario
para elevar la temperatura un grado.
𝐶 = Δ𝑄/Δ𝑇
Siendo Δ𝑄 el calor absorbido y Δ𝑇 la diferencia de temperatura.
Si se consideran intervalos infinitesimales:
𝑑𝑄
𝐶=
𝑑𝑇
El calor específico (c) de una sustancia se define como la capacidad calorífica por unidad de masa
(𝐽 /𝑔 ∙ 𝑔𝑟𝑎𝑑)
𝐶 1 𝑑𝑄
𝑐= =( )∙
𝑚 𝑚 𝑑𝑡
Donde m es la masa de la sustancia.
Si se toma como unidad de la cantidad de sustancia el mol, se obtiene la capacidad
calorífica molar (𝐽 /𝑚𝑜𝑙 ∙ ºC )
𝐶 1 𝑑𝑄
𝑐𝑀 = =( )∙
𝑛 𝑛 𝑑𝑇
Para un gas ideal se pueden distinguir los calores específicos a volumen constante 𝑐𝑣 y
a presión constante 𝑐𝑝 .
En una transformación a volumen constante
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