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Resumen Química Inorgánica | Marcela Inallado La energía generalmente se define como la capacidad para efectuar un trabajo Los químicos definen trabajo como el cambio directo de energía que resulta de un proceso. Energía radiante: proviene del Sol y es la principal fuente de energía de la Tierra. Energía térmica: es la energía asociada con el movimiento aleatorio de átomos y moléculas. Energía química: es la energía guardada dentro de los enlaces de sustancias químicas. Energía nuclear: es la energía guardada dentro de la colección de neutrones y protones en el átomo. Energía eléctrica: es la energía asociada con el flujo de electrones. Energía potencial: es la energía disponible en función de la posición de un objeto.
Ley de conservación de la energía
Todas las formas de energía se pueden convertir (al menos en principio) unas en otras. Por lo que los químicos establecen que: aun cuando la energía se presenta en diferentes formas interconvertibles entre sí, ésta no se destruye ni se crea. Casi todas las reacciones químicas absorben o producen (liberan) energía, por lo general en forma de calor. Calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a temperaturas diferentes. Se puede decir que hay “calor absorbido” o “calor liberado”.
VOCABULARIO
Sistema: Parte del universo cuyo cambio mediremos. Incluyen las sustancias que están implicadas en los cambios químicos y físicos. Alrededores: Todo lo que es relevante para el cambio se define como “alrededores”. Energía interna: La suma de la energía potencial y cinética de todas las partículas de un sistema. Calor (q): Es la energía transferida entre un sistema y sus alrededores como resultado sólo de la diferencia en sus temperaturas. Trabajo (w): La energía que se transfiere cuando un objeto es movido por una fuerza. Proceso exotérmico: proceso que cede calor, es decir, que transfiere energía térmica hacia los alrededores. Proceso endotérmico: en el cual los alrededores deben suministrar calor al sistema.
La termoquímica es parte de un amplio tema llamado termodinámica, que es el estudio científico de la conversión del calor y otras formas de energía. La termoquímica se preocupa del análisis y cuantificación de la energía generada y absorbida en toda transformación, sea esta física o química. Todo cambio va acompañado de variación en el volumen, presión y temperatura de un sistema y su estudio permite conocer el estado de una reacción, la transferencia de energía con el entorno y las modificaciones en el sistema que ocurren cuando hay colisión entre los participantes de la reacción. Independiente del balance energético, toda reacción requiere de un delta de energía mínimo para que ocurra. Se define, de este modo, energía de activación como la energía mínima necesaria para que ocurra una reacción química. Gráficamente se verifica por un aumento en la energía potencial de los reactantes. El umbral energético tiene un punto máximo que se denomina Complejo Activado. El estado de complejo activado es transitorio, no se define una especie química estable en estado de complejo activado, es más bien una forma de interpretar el estado intermedio entre reactivos y producto. Si los reactantes sobrepasan esta barrera de potencial, la brusca caída de energía hace espontánea la formación de producto. Siempre que se rompen enlaces se consume energía. En cambio, cuando una reacción produce energía es porque el proceso global (reactivos transformándose en productos) es exotérmico. Las reacciones de combustión son los ejemplos más comunes de procesos exotérmicos. Por otro lado, un buen ejemplo de proceso endotérmico es la fotosíntesis de vegetales. La glucosa es el producto de esta reacción y contiene más energía que los reactantes H2O y CO Esta relación entre reacciones químicas y energía es de gran importancia práctica ya que las fuentes energéticas que se usan en la vida diaria son reacciones exotérmicas. Observaremos que la entropía es una función termodinámica que se utiliza para predecir la espontaneidad de una reacción. Está relacionada con la probabilidad y, a nivel molecular, la entropía de un sistema puede calcularse, en principio, a partir del número de microestados asociados al sistema. En la termodinámica examinamos los cambios en el estado de un sistema, que se define por los valores de todas sus propiedades macroscópicas importantes, por ejemplo, composición, energía, temperatura, presión y volumen. Se dice que la energía, la presión, el volumen y la temperatura son funciones de estado, es decir, propiedades determinadas por el estado del
Se deduce que el calor es proporcional al cambio de temperatura. Ecuación termodinámica: La constante de proporcionalidad se denomina Calor Específico y el valor para el agua es 1. El calor específico se calcula de la siguiente manera: Ejemplo Al calentar 400 gramos de agua de 10º a 35ºC la cantidad de calor suministrada es: Igual que el trabajo, el calor no es una función de estado. El calor y el trabajo no son funciones de estado porque no son propiedades de un sistema. Se manifiestan sólo durante un proceso (durante un cambio). Así, sus valores dependen de la trayectoria que sigue el proceso y varían de acuerdo con ella.
Entalpía (H) se usa para medir el calor absorbido o liberado por un sistema durante un proceso a presión constante. Para poder medir experimentalmente el flujo de calor de las reacciones químicas es necesario disponer de aparatos llamados calorímetros. El proceso en un calorímetro, ocurre de la siguiente forma: En un inicio se dispone el sistema a temperatura constante (en equilibrio térmico), luego se lleva a cabo la reacción (transferencia de calor) y finalmente se mide el cambio de temperatura producido en el sistema. De este cambio se puede calcular el calor liberado o absorbido. En todos los casos, al escribir una reacción termoquímica, junto con las fórmulas de cada sustancia se debe indicar el estado físico, ya que no cuesta la misma energía producir agua líquida que agua vapor). Para este caso se incluye dentro del valor de entalpía la energía usada para evaporar el agua. La entalpía que permite conocer el calor de generación de un compuesto a partir de sus elementos se conoce ENTALPÍA DE FORMACIÓN y se designa como ∆H°f donde el subíndice indica que el compuesto se generó a partir de sus elementos. Por convención la entalpía estándar de formación de un elemento (su forma más estable) tiene valor cero ya que no se requiere una reacción para formar al elemento en condiciones estándar. El siguiente paso consiste en ver cómo se puede aplicar la primera ley de la termodinámica a procesos desarrollados en condiciones diferentes. En especial, consideraremos dos situaciones que se presentan con mayor frecuencia en el laboratorio: una en la cual el volumen del sistema se mantiene constante y otra en la que la presión aplicada sobre el sistema se mantiene constante.
Reacción a volumen constante
Se dice que la V=0, y no resultará trabajo PV a partir de este cambio. Entonces: El subíndice ‘’v’’ nos recuerda que es un proceso a volumen constante. En conclusión: el cambio de calor tiene sólo un valor específico, el cual es igual a E.
Entalpía (presión constante)
Muchas veces, las condiciones de volumen constante no son convenientes y en ocasiones son imposibles de alcanzar. La mayoría de las reacciones ocurren en condiciones de presión constante (por lo general a presión atmosférica). Si dicha reacción produce un incremento neto en el número de moles de un gas, entonces el sistema realiza un trabajo sobre los alrededores (expansión). Esto se debe al hecho de que para que el gas formado ingrese en la atmósfera, debe actuar contra la presión atmosférica. De manera contraria, si se consumen más moléculas de gas de las que se producen, los alrededores realizan el trabajo sobre el sistema (compresión). Por último, no se realiza trabajo alguno si no hay un cambio neto en el número de moles de los gases de reactivos a productos. En general, para un proceso a presión constante escribimos.
Ley de Hess
Ya que se sabe que la entalpía es una función de estado, se puede afirmar: Ésta última propiedad se ha denominado Ley de Hess y permite realizar cálculos algebraicos utilizando los valores de calor de reacción teóricos (sumar, restar, amplificar) con el propósito de obtener variaciones de entalpía de procesos que no pueden ser efectuados en el laboratorio. La Ley de Hess permite conocer la variación de entalpía de un proceso químico a partir de valores conocidos de entalpía tabulados para algunos compuestos. Esta Ley es bastante útil en aquellos mecanismos que involucran más de 2 etapas.
Ejemplo
Formación de glucosa a partir de C, H y O. En este caso, combinamos tres reacciones de combustión: Sus entalpías son: El cálculo a realizar será, seis veces la primera reacción más tres veces la segunda menos la tercera. Finalmente:
En Termodinámica se estudian los sistemas físicos y químicos respecto del intercambio energético. Al respecto, es posible conocer la reactividad de una transformación considerando el contenido energético de los participantes y la cantidad de calor involucrada. En termodinámica se tratan únicamente las propiedades macroscópicas, observables, de la materia sin hacer suposiciones sobre su naturaleza atómica. El razonamiento se fundamenta en 3 leyes: Al realizar un experimento controlado se selecciona solo una parte del universo que es de interés (sistema) y a partir de la cual se realizarán todas las observaciones y el resto del universo es el entorno que de alguna manera interacciona con el sistema. El medio ambiente puede ejercer influencia sobre las propiedades del sistema, determinando, por ejemplo, su presión. Cuando ocurre la transformación física o química, la distribución de las partículas, el volumen y la temperatura cambian, generando variaciones en el sistema que permiten predecir los cambios de algunas variables termodinámicas más complejas.
Vocabulario
Sistema: porción del universo que se estudia, tiene composición clara y límites virtuales o reales. Alrededores: entorno del sistema. Entre el entorno y el sistema ocurren los cambios de materia y energía. Estado: conjunto de variables y propiedades que caracterizan a un sistema (presión, t°, volumen, etc.) Proceso: es toda variación en el estado termodinámico de un sistema. Estas se determinan restando las variables antes y después de la transformación. Calor: forma de energía traspasable entre sistemas o bien del sistema a los alrededores siempre que se encuentren a distinta temperatura. E° interna: corresponde a la suma de todas las formas de energía de un sistema. Trabajo: transferencia de energía que ocurre entre 2 sistemas cuando hay cambio de volumen o desplazamiento de materia. Entalpía: corresponde a la medida del calor transferido en un proceso a presión constante.
PROCESOS ESPONTÁNEOS
Una reacción que sí ocurre en determinadas condiciones es una reacción espontánea, si no ocurre en esas condiciones entonces no lo es, por ejemplo:
- En una cascada el agua cae, pero nunca asciende espontáneamente.
- El calor fluye de un objeto más caliente a otro más frío, pero el proceso inverso nunca ocurre de manera espontánea. Entonces decimos que; los procesos que ocurren en forma espontánea en una dirección no pueden ocurrir de manera espontánea en una dirección opuesta bajo las mismas condiciones. Los procesos espontáneos, además, ocurren para disminuir la energía de un sistema.
- Conservación de la energía.
- Entropía del universo.
- Entropía absoluta para cada elemento.
La entropía estándar
Es la entropía absoluta a 1atm y 25°C. Tanto la entropía de los elementos como de los compuestos es positiva, a diferencia de los valores de entalpía estándar de formación (H°f) para los elementos en su forma más estable es de cero, pero para los compuestos los valores pueden ser positivos o negativos.
Ejercicios
Prediga si el cambio de entropía es mayor o menor que cero para cada uno de los siguientes procesos: a) congelamiento del etanol, b) evaporación de bromo líquido en un recipiente a temperatura ambiente, c) disolución de glucosa en agua, d) enfriamiento de nitrógeno gaseoso de 80°C a 20°C. Para determinar el cambio de entropía en cada caso, examinamos si el número de microestados del sistema disminuye o aumenta. El signo será positivo si hay incremento en el número de microestados, y negativo, si el número de microestados disminuye. Solución a) En el congelamiento, las moléculas de etanol conservan una posición rígida. Esta fase de transición reduce el número de microestados y, por lo tanto, la entropía disminuye, es decir: S < 0. b) Al evaporarse el bromo, su número de microestados aumenta, ya que las moléculas de Br pueden ocupar muchas más posiciones en el espacio casi vacío. Por lo tanto, S > 0. c) La glucosa es un no electrólito. El proceso de disolución motiva una dispersión mayor de la materia debido a la mezcla de las moléculas de glucosa y agua; por lo tanto, se espera que S > 0. d) El proceso de enfriamiento disminuye muchos movimientos moleculares. Esto ocasiona un decremento en los microestados, y como consecuencia, S < 0.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
‘’La entropía del universo aumenta en un proceso espontáneo y se mantiene constante en un proceso que se encuentra en equilibrio’’, es decir, el cambio de entropía en el universo en cualquier proceso es la suma de los cambios de entropía del sistema y sus alrededores. Para un proceso espontáneo, la segunda ley establece que Suniv debe ser mayor a cero, pero no impone restricciones a los valores del Ssist o Salred Entonces, es posible que Ssist o Salred sean negativos, siempre y cuando la suma de estas dos cantidades sea mayor a cero. Para un proceso en equilibrio, Suniv es cero. En este caso Ssist y Salred deben ser iguales en magnitud, pero de signo contrario. ¿Qué ocurre si para algún proceso se encuentra que Suniv es negativo? Esto significa que el proceso es no espontáneo en la dirección descrita. El proceso es espontáneo en la dirección opuesta. La energía interna de un sistema tiene dos componentes: energía cinética y energía potencial. El componente de energía cinética consiste en los diversos tipos de movimiento molecular y en el movimiento de los electrones dentro de las moléculas.
La energía potencial está determinada por las fuerzas de atracción entre los electrones y los núcleos, por las fuerzas de repulsión que existen entre los electrones y entre los núcleos de moléculas individuales, así como por la interacción entre las moléculas. La dirección natural de los procesos está determinada por dos componentes: La componente calórica del proceso (H) La componente entrópica del proceso (TS) Nota: El proceso de congelación del agua líquida es espontáneo a temperaturas inferiores a cero grados, sin embargo, a temperaturas superiores no lo es. Lo mismo ocurre con el proceso contrario. La fusión del hielo ocurre espontáneamente a temperaturas mayores que cero grados, pero bajo ese valor no, a menos que se realice trabajo sobre el sistema.
- Si ∆ G es menor que cero, el proceso
es espontáneo (ocurre solo).
- Si ∆ G es igual a cero el sistema está
en equilibrio, (se encuentra estable).
- Si ∆ G es mayor que cero el proceso
es no espontáneo (no ocurre sin
trabajo externo).
