Módulo de Aprendizaje: Termoquímica y Termodinámica (QM16 - PDV 2013)

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Módulo de Aprendizaje: Termoquímica y Termodinámica (QM16 - PDV 2013)

  1. 1. QUÍMICA MENCIÓN QM-16 MÓDULO DE APRENDIZAJE TERMOQUÍMICA Y TERMODINÁMICA Para la resolución de algunos ejercicios, se adjunta una parte de la Tabla Periódica de los Elementos. 1 H 1,0 3 Número atómico 2 He 4,0 Masa atómica 4 5 6 7 8 9 10 Li Be B C N O F Ne 6,9 9,0 10,8 12,0 14,0 16,0 19,0 20,2 11 12 13 14 15 16 S 17 Cl 18 Ar 31,0 32,0 35,5 39,9 Na Mg Al Si 23,0 24,3 27,0 28,1 19 20 K Ca 39,1 P 40,0 2013
  2. 2. I. Indique si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones. Justifique las falsas ___ La variación de entalpía (∆H) de un sistema nos informa del calor (absorbido o liberado) medido a presión constante. ___ La fusión del agua sólida es un proceso exotérmico. ___ En un proceso exotérmico, los productos tienen menor energía que los reactantes. ___ La entropía de una reacción es una variable de trayectoria, de modo que no puede medirse como un diferencial. ___ La cantidad total de calor intercambiado entre un sistema que sufre un proceso químico y su entorno es independiente de los estados intermedios por los que pase dicho proceso. ___ La entalpía (ΔH), y la energía libre de Gibbs (ΔG), son ejemplos de funciones de estado. ___ Si la variación de la energía libre de Gibbs (∆G) es mayor que cero, cada sustancia presente reaccionará espontáneamente para generar productos. ___ En un sistema aislado, no se intercambia energía ni materia con los alrededores. ___ Cuando dos materiales con diferentes temperaturas se ponen en contacto, ocurre transferencia de calor y cambio en la temperatura de ambos. ___ La entropía del Universo aumenta en un proceso espontáneo y se mantiene constante cuando el proceso está en equilibrio. ___ Calor específico es el calor necesario para aumentar en un 1ºC la temperatura de 1 g de sustancia. ___ Una reacción que presente una variación de entalpía mayor que cero, siempre será espontánea. ___ Aunque la entropía de un sistema aumenta o disminuya, la entropía del Universo siempre va en aumento. ___ La entalpía de fusión del hielo H2O(s) tiene valor positivo. ___ Si los valores para ΔG y ΔH en un cambio químico son menores que cero, entonces la reacción será espontánea y endotérmica. ___ Para licuar un gas se debe suministrar energía al sistema por lo tanto, el proceso tiene que ser endotérmico. ___ El agua puede cambiar a cualquiera de sus tres estados de agregación (líquido, sólido y gas) sin cambio en la entropía. ___ Si los valores de ΔH y ΔS son positivos en una reacción, entonces el proceso jamás será espontáneo. 2
  3. 3. II. De acuerdo al siguiente diagrama de energía para la reacción en equilibrio A + B C + D Nota: La línea continua representa la misma reacción, pero catalizada. Discuta la validez de las siguientes afirmaciones: 1) X es la energía de activación del proceso inverso catalizado (←). 2) Y representa la energía del complejo activado o del estado de transición. 3) Z es la energía de activación del proceso directo no catalizado (→). 4) W representa la variación de energía para la reacción A + B ↔ C + D. 5) El diagrama en su conjunto corresponde a una reacción endergónica. 6) Conceptualmente la suma W + Z corresponde a la energía de activación del proceso inverso no catalizado. 7) Los productos C y D presentan menos energía que los reactantes A y B. 8) La entalpía para la reacción directa es menor que cero. 9) La suma X + Y corresponde al estado de transición para la reacción directa (→). 10)La entalpía para la reacción inversa es mayor que cero. 3
  4. 4. III. Señale si el cambio de entropía y entalpía es positivo o negativo en las siguientes reacciones y transiciones de fase 1. NH4Cl(s) NH3(g) + HCl(g) 2. Ag+(ac) + NO3-(ac) 3. H2(g) + ½ O2(g) 4. C(diamante) + O2(g) AgNO3(s) H2O(l) CO2(g) 5. SUBLIMACIÓN DE HIELO SECO CO2(s) 6. EVAPORACIÓN DE ACETONA 7. SOLIDIFICACIÓN DE LA PARAFINA LÍQUIDA. 8. CONDENSACIÓN DE VAPOR DE AGUA IV. Asocie a cada término de la columna izquierda una definición de la columna derecha. 1. Entalpía 2. Entropía __ indica la espontaneidad de una reacción 3. Energía libre __ describe los cambios térmicos de una reacción (P=cte.) 4. Capacidad calorífica V. __ calor necesario para elevar la temperatura de una sustancia __ indica el grado de desorden de un sistema Ejercicios 1. ¿Cuántas calorías se necesitan para calentar una masa de 200 gramos de cobre desde 10ºC hasta 55ºC? Dato: el calor específico del cobre es 0,093 cal/g·ºC 2. Una cantidad idéntica de calor se suministra a 2 muestras de 50 gramos cada una de aluminio (Al) y cobre (Cu). ¿Cuál se calentará más?, ¿por qué? 4
  5. 5. 3. Dadas las siguientes reacciones H2 (g) + I2 (g) → 2 HI (g) ∆H = -0,080 kcal H2 (g) + I2 (s) → 2 HI (g) ∆H = 12,00 kcal H2 (g) + I2 (g) → 2 HI (ac) ∆H = -26,80 kcal Encontrar a) La entalpía del sistema cuando el I2(S) se transforma en I2(g) (sublimación). b) La entalpía molar de disolución del yoduro de hidrógeno HI(g) HI(ac) 4. Dada la siguiente reacción de descomposición: Ca(OH)2(s) CaO(s) + H2O(g) Determine la temperatura a partir de la cual esta reacción ocurre de forma espontánea Datos: ∆Hfº(Ca(OH)2) = -986,6 kJ/mol ∆Hfº(CaO) = -635,6 kJ/mol ∆Hfº(H2O) = -241,8 kJ/mol ∆Sº(Ca(OH)2) = 83,4 J/Kmol ∆Sº(CaO) = 39,8 J/Kmol ∆Sº(H2O) = 188,7 J/Kmol 5. Dada la reacción A(gas) + B(gas) C(gas) + D(sólido) Si los valores de entalpía y entropía para la reacción son: ΔH= -85 kJ/mol y ΔS= -85 J/K·mol, calcule el cambio en la energía libre de Gibbs (ΔG) a 25ºC e indique si la reacción es o no espontánea. Calcule además la temperatura a la cual la reacción se encuentra en equilibrio. 6. A partir de las energías de enlace, calcular a 25ºC el calor de hidrogenación del acetileno a etileno. H2 + H-CΞC-H Datos: H2C=CH2 EC=C = 145,8 Kcal/mol; ECΞC = 199,6 Kcal/mol EC-H = 98,7 Kcal/mol; EH-H = 104,1 Kcal/mol 5
  6. 6. 7. Determinar la entalpía de formación del ácido acético, a partir de las ecuaciones termoquímicas siguientes: C(s) + O2(g) H2(g) + ½ O2(g) CH3COOH(l) + 2 O2(g) CO2(g) ΔH = -94,1 Kcal/mol H2O(l) ΔH = -68,3 Kcal/mol 2 CO2(g) + 2 H2O(l) ΔH = -208 Kcal/mol Ecuación de formación para el ácido acético: 2 C(s) + O2(g) +2 H2(g) CH3COOH 8. Hallar el calor de formación del n-butano (C4H10), sabiendo que su calor de combustión es de -687,98 Kcal/mol, que el calor de formación del CO2 es de -94,05 Kcal/mol y que el calor de formación del agua es de -68,32 Kcal/mol Ecuaciones: 13/2 O2(g) + C4H10(g) C(s) + O2(g) H2(g) + ½ O2(g) 4 CO2(g) + 5H2O(l) CO2(g) ΔH = -687,98 Kcal/mol ΔH = -94,05 Kcal/mol H2O(l) ΔH = -68,32 Kcal/mol 9. Determinar el calor de formación del monóxido de carbono, a partir de sus elementos. Datos: C(s) + O2(g) CO(g) + ½ O2(g) CO2(g) ΔH = -94,05 Kcal/mol CO2(g) ΔH = -67,63 Kcal/mol C(s) + ½ O2(g) CO 10. La molécula de nitrógeno N2 es particularmente estable. Conociendo las energías de enlace en Kcal/mol de: NΞN (225), N-H (93), H-H (104) y N-N (38), calcular la entalpía de la reacción: N2 + H2 NH2-NH2 11. Calcule la entalpía de formación elemental del acetileno (C2H2) C(s) + O2(g) H2(g) + ½ O2(g) C2H2(g) + 5 O2(g) CO2(g) ΔH = -393,5 KJ/mol H2O(l) ΔH = -285,8 KJ/mol 4 CO2(g) + 2 H2O(l) 6 ΔH = -2598,8 KJ/mol
  7. 7. 13. A partir de los siguientes datos: C(s) + O2(g) CO2(g) H2(s) + ½ O2(g) ΔH = -393,5 KJ/mol H2O(l) 2 C2H6(g) + 7 O2(g) ΔH = -285,8 KJ/mol 4 CO2(g) + 6H2O(l) ΔH = -3119,6 KJ/mol Calcule el cambio de entalpía para la reacción: 2 C(s) + 3 H2(g) C2H6(g) TEST DE EVALUACIÓN MODULO 16 1. La vaporización o evaporación del agua es un fenómeno A) B) C) D) E) exergónico. endotérmico. adiabático. exotérmico. atérmico. 2. ¿Cuál de las siguientes parejas de transformaciones son procesos exotérmicos? A) B) C) D) E) Congelación y Condensación Fusión y Solidificación Sublimación y Ebullición Licuación y Vaporización Condensación y Evaporación 3. Durante el proceso en que una sustancia cambia sucesivamente de estado: X(s) X(l) Hay un aumento en la (el) I) II) III) A) B) C) D) E) sólo sólo sólo sólo I, II entropía. masa. volumen. I. II. III. I y III. y III. 7 X(g)
  8. 8. 4. Si el valor de ΔH para una reacción tiene valor negativo, entonces es correcto afirmar que (Nota: Hp= entalpía de producto A) B) C) D) E) Hp Hp Hp Hp Hp Hr= entalpía de reactantes) = Hr > Hr < Hr / Hr =1 · Hr =0 5. Para aumentar en 10ºC la temperatura de 1 gramo de agua se necesitan exactamente Dato: Cp=1 cal/(g·ºC) A) B) C) D) E) 0,1 calorías. 1,0 calorías. 10 calorías. 100 calorías. 1000 calorías. 6. ¿En cuál(es) de las siguientes transformaciones el valor para ΔH es positivo? I) II) III) A) B) C) D) E) Sólo Sólo Sólo Sólo Sólo CO2(l) CO2(g) 2 CaO(s) C3H8(g) + 5 O2(g) 2 Ca(s) + O2(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(g) I. II. III. I y II. II y III. 7. Según la gráfica, ¿qué alternativa indica la energía mínima necesaria para que ocurra la reacción propuesta (reactantes producto)? A) B) C) D) E) A B C D E 8
  9. 9. 8. ¿Cuál de las afirmaciones siguientes NO es correcta? A) B) C) D) E) Si Si Si Si Si ΔH<0, la reacción es exotérmica. ΔH>0, la reacción es endotérmica. ΔG<0, la reacción es espontánea. ΔG>0, la reacción no es espontánea. ΔS<0, la reacción es espontánea. 9. En la siguiente reacción de formación N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) ΔH= -22 kcal Puede inferirse correctamente que I) II) III) A) B) C) D) E) Hproducto > Hreactantes; donde H = entalpía. moles de producto < moles de reactantes. masa de reactantes > masa de producto. Sólo II. Sólo III. Sólo I y II. Sólo I y III. I, II y III. 10. De La siguiente reacción, es incorrecto afirmar que 2 Al(s) + 3/2 O2(g) A) B) C) D) E) Al2O3 ΔH = -399 Kcal/mol se forma un óxido. es un cambio irreversible. se clasifica como exotérmica. corresponde a un cambio químico. es espontánea y no requiere de energía de activación. 11. Analizando el siguiente cambio físico X(g) X(l) Se puede afirmar correctamente que I) II) III) A) B) C) D) E) aumentó la entropía. cambió la masa de X. hubo cambio en la presión. Sólo I. Sólo II. Sólo III. Sólo I y II. I, II y III. 9
  10. 10. 12. ¿Cuál de las siguientes es la ecuación correcta para el calor especifico (cp) de una sustancia? Considere: A) cp B) cp C) cp D) cp E) cp Q = Calor m = masa ΔT = variación de Temperatura (m ΔT) Q m ΔT Q (Q m) ΔT ΔT Q m Q m ΔT 13. De acuerdo con la Ley de Hess, el valor de entalpía para la siguiente reacción tiene valor CO(g) + ½ O2(g) CO2(g) Considere: C(s) + ½ O2(g) C(s) + O2(g) A) B) C) D) E) -67,63 +55,73 +67,63 -69,63 -95,45 CO(g) ΔH=-26,42 kcal/mol CO2g) ΔH=-94,05 kcal/mol kcal/mol. kcal/mol. kcal/mol. kcal/mol. kcal/mol. 14. Infiera la veracidad de las siguientes afirmaciones, indicando con una V o una F según corresponda 1. 2. 3. 4. la congelación del agua es un proceso endotérmico. en un sistema cerrado se puede intercambiar energía con el entorno. si para una transformación química se cumple que ΔH<0 y ΔS>0, entonces ΔG>0. la combustión de un hidrocarburo es un proceso exotérmico. La combinación correcta debe ser 1 A) B) C) D) E) 2 3 4 V F V F V V F F V F F V V F V F F V V F 10
  11. 11. 15. En la siguiente reacción NO balanceada NH4Cl(s) NH3(g) + Cl2(g) El valor para ΔS tiene que ser A) B) C) D) E) mayor que cero. menor que cero. exactamente cero. indeterminado. dependiente ΔH y T. 16. ¿En cuál(es) de las siguientes reacciones se puede afirmar categóricamente que está favorecida la formación del producto, cuando ésta se realiza a 25ºC? I) II) III) A) B) C) D) E) 2 H2O2(l) 2H2O(l) + O2(g) ΔGº = -233 kJ 3O2(g) 2O3(g) ΔSº = -137 kJ 2 NaCl(s) 2Na(s) + Cl2(g) ΔHº = +822 kJ Sólo en I. Sólo en II. Sólo en III. Sólo en I y III. En I, en II y en III. 17. Si una reacción posee un ∆H = 50 kJ/mol y un ∆S = 50 J/(K mol) entonces será espontánea A) B) C) D) E) a cualquier temperatura. a partir de los 1000 K. sobre los 1000ºC. sólo a la temperatura de 0 K. si la entropía disminuye. 18. Para la siguiente reacción se puede afirmar que las variaciones para las siguientes propiedades son: 2NaCl(s) A) B) C) D) E) Entropía negativo negativo cero positivo positivo 2Na(s) + Cl2(g) Entalpía positivo negativo Positivo negativo positivo 11
  12. 12. 19. Respecto del siguiente gráfico para el agua (a 1 atmósfera de presión), es posible afirmar correctamente que: 3 4 1 2 A) B) C) D) E) de de de de de 1 3 2 3 1 a a a a a 2, 4, 3, 2, 2, ocurre la ebullición. aumenta la densidad. ocurre un cambio de fase. aumenta la temperatura. ocurre un cambio de fase. 20. Respecto de la siguiente reacción, se puede afirmar correctamente que H2O(l) I) II) III) A) B) C) D) E) ½ O2(g) + H2(g) corresponde a una descomposición térmica. se trata de una combustión exotérmica. hubo un aumento en la entropía. Sólo I. Sólo II. Sólo III. Sólo I y III. I, II y III. DMTR-QM16 Puedes complementar los contenidos de esta guía visitando nuestra Web http://www.pedrodevaldivia.cl/ 12

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