Entalpía y Reacciones Químicas

7.3 Entalpía y Reacciones Químicas

Ahora que hemos demostrado cómo la energía, el trabajo y el calor están relacionados, estamos listos para considerar los cambios de energía en las reacciones químicas. Un concepto fundamental es que cada reacción química ocurre con un cambio simultáneo de energía. Ahora necesitamos aprender a expresar adecuadamente estos cambios de energía.

Nuestro estudio de gases en el Capítulo 6 » Gases «y nuestra definición de trabajo en la Sección 7.2″ Trabajo y calor » indican que condiciones como la presión, el volumen y la temperatura afectan el contenido de energía de un sistema. Lo que necesitamos es una definición de energía que se mantenga cuando se especifican algunas de estas condiciones (algo similar a nuestra definición de temperatura y presión estándar en nuestro estudio de gases). Definimos el cambio de entalpía El calor de un proceso a presión constante; denotado ΔH. (ΔH) como el calor de un proceso cuando la presión se mantiene constante:

ΔH pressure presión constante qat

La letra H significa «entalpía», un tipo de energía, mientras que la Δ implica un cambio en la cantidad. Siempre estaremos interesados en el cambio en H, en lugar del valor absoluto de H en sí.

Cuando se produce una reacción química, hay un cambio característico en la entalpía. El cambio de entalpía para una reacción se escribe típicamente después de una ecuación química equilibrada y en la misma línea. Por ejemplo, cuando dos moles de hidrógeno reaccionan con un mol de oxígeno para hacer dos moles de agua, el cambio de entalpía característico es de 570 kJ. Escribimos la ecuación como

2H2 (g) + O2(g) → 2H2O (Δ) ΔH = -570 kJ

Una ecuación química que incluye un cambio de entalpía se denomina ecuación termoquímica Una ecuación química que incluye un cambio de entalpía.. Se supone que una ecuación termoquímica se refiere a la ecuación en cantidades molares, lo que significa que debe interpretarse en términos de moles, no de moléculas individuales.

Es posible que haya notado que el ΔH para una reacción química puede ser positivo o negativo. Se supone que el número es positivo si no tiene signo; se puede agregar un signo + explícitamente para evitar confusiones. Una reacción química que tiene un ΔH positivo se dice que es una reacción química endotérmica que tiene un cambio positivo en la entalpía., mientras que una reacción química que tiene un ΔH negativo se dice que es una reacción química exotérmica que tiene un cambio negativo en la entalpía..

¿Qué significa si el ΔH de un proceso es positivo? Significa que el sistema en el que se produce la reacción química está ganando energía. Si se considera que la energía de un sistema se representa como una altura en una gráfica de energía vertical, el cambio de entalpía que acompaña a la reacción se puede diagramar como en la parte (a) de la Figura 7.3 «Energía de reacción»: la energía de los reactivos tiene cierta energía, y el sistema aumenta su energía a medida que va a los productos. Los productos son más altos en la escala vertical que los reactivos. Endotérmico, entonces, implica que el sistema gana, o absorbe, energía.

Existe una situación opuesta para un proceso exotérmico, como se muestra en la parte (b) de la Figura 7.3 «Energía de reacción». Si el cambio de entalpía de una reacción es negativo, el sistema está perdiendo energía, por lo que los productos tienen menos energía que los reactivos, y los productos son más bajos en la escala de energía vertical que los reactivos. Exotérmico, entonces, implica que el sistema pierde, o emite, energía.

¿Cómo se miden experimentalmente los valores ΔH? En realidad, ΔH no se mide; q se mide. Pero las mediciones se realizan en condiciones de presión constante, por lo que ΔH es igual a la q medida.

Experimentalmente, q se mide aprovechando la ecuación

q = mcΔT

Medimos previamente la masa de los productos químicos en un sistema. Luego dejamos que ocurra la reacción química y medimos el cambio de temperatura (ΔT) del sistema. Si conocemos el calor específico de los materiales en el sistema (por lo general, lo sabemos), podemos calcular q. Ese valor de q es numéricamente igual al ΔH del proceso, que podemos escalar hasta una escala molar. El contenedor en el que reside el sistema suele estar aislado, por lo que cualquier cambio de energía se destina a cambiar la temperatura del sistema, en lugar de filtrarse del sistema. El recipiente se conoce como un recipiente calorimétrico utilizado para medir el calor de una reacción química., y el proceso de medición de cambios en la entalpía se llama calorimetría El proceso de medición de cambios en la entalpía para reacciones químicas..

Por ejemplo, supongamos 4.0 g de NaOH, o 0,10 mol de NaOH, se disuelve para hacer 100.0 mL de solución acuosa, mientras que 3.65 g de HCl, o 0,10 mol de HCl, se disuelve a hacer otra 100.0 mL de solución acuosa. Las dos soluciones se mezclan en un calorímetro aislado, se inserta un termómetro y se cubre el calorímetro (consulte la Figura 7.4 «Calorímetros» para ver un ejemplo de configuración). El termómetro mide el cambio de temperatura a medida que se produce la siguiente reacción química:

NaOH (aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(ℓ)

Un observador observa que la temperatura aumenta de 22,4°C a 29,1°C. Suponiendo que las capacidades de calor y las densidades de las soluciones son las mismas que las del agua pura, ahora tenemos la información que necesitamos para determinar el cambio de entalpía de la reacción química. La cantidad total de solución es de 200,0 mL, y con una densidad de 1,00 g/ml, tenemos 200,0 g de solución. Usando la ecuación para q, sustituimos nuestras mediciones experimentales y el calor específico del agua(Tabla 7.1 «Calores específicos de Varias Sustancias»):

q=(200.0 g) (4.184 J g⋅°C) (6.7°C)

Resolviendo para q, obtenemos

q=5.600 J Δ ΔH para la reacción

El calor q es igual al ΔH para la reacción porque la reacción química ocurre a presión constante. Sin embargo, la reacción está emitiendo esta cantidad de energía, por lo que el signo real en ΔH es negativo:

ΔH = -5.600 J para la reacción

Por lo tanto, tenemos la siguiente ecuación termoquímica para la reacción química que se produjo en el calorímetro:

110 NaOH(aq)+110 HCl(aq)→110 NaCl(aq)+110 H2O(Δ)ΔH=-5.600 J

Los coeficientes de 1/10 están presentes para recordarnos que comenzamos con una décima parte de mol de cada reactivo, así que hacemos una décima parte de un mol de cada producto. Por lo general, sin embargo, reportamos ecuaciones termoquímicas en términos de lunares, no una décima parte de un lunar. Para escalar hasta cantidades molares, debemos multiplicar los coeficientes por 10. Sin embargo, cuando hacemos esto, obtenemos 10 veces más energía. Por lo tanto, tenemos

NaOH (aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(ℓ) ΔH = -56,000 J

El ΔH se puede convertir en unidades kJ, por lo que nuestra ecuación termoquímica final es

NaOH (aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(ℓ) ΔH = -56 kJ

Acabamos de tomar nuestros datos experimentales de la calorimetría y determinamos la cambio de entalpía de una reacción química. Mediciones similares en otras reacciones químicas pueden determinar los valores ΔH de cualquier reacción química que desee estudiar.