Para una reacciónexotérmica a presión constante, la variación de entalpía del sistema es igual a la energía liberada en la reacción, incluyendo la energía conservada por el sistema y la que se pierde a través de la expansión contra el entorno.(Es decir que cuando la reacción es exotérmica la variación de entalpía del sistema es negativa). Análogamente, para una reacción endotérmica, la variación de entalpía del sistema es igual a la energía absorbida durante la reacción, incluyendo la energía perdida por el sistema y la ganada a través de la expansión contra el entorno.(En las reacciones endotérmicas el cambio de entalpía es positivo para el sistema, porque gana calor).
La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente; la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida. La variación de entalpía se define mediante la siguiente ecuación:
ΔH = H
final- H
inicial • ΔH es la variación de entalpía.• Hfinal es la entalpía final del sistema. En una reacción química, Hfinal es la entalpía de los productos. • Hinicial es la entalpía inicial del sistema. En una reacción química, Hinicial es la entalpía de los reactivos.
3. Explicar el concepto de Entropía.
En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que permite, mediante cálculo, determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. La palabra entropía procede del griego ( ντροπία) y significaἐ evolución o transformación. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la desarrolló durante la década de 1850;12 y Ludwig Boltzmann, quien encontró la manera de expresar matemáticamente este concepto, desde el punto de vista de la probabilidad
Cuando se plantea la pregunta: "¿Por qué ocurren los sucesos en la Naturaleza de una manera determinada y no de otra manera?", se busca una respuesta que indique cuál es el sentido de los sucesos. Por ejemplo, si se ponen en contacto dos trozos de metal con distinta temperatura, se anticipa que finalmente el trozo caliente se enfriará, y el trozo frío se calentará, finalizando en equilibrio térmico. El proceso inverso, el calentamiento del trozo caliente y el enfriamiento del trozo frío es muy improbable que se presente, a pesar de conservar la energía. El universo tiende a distribuir la energía uniformemente; es decir, a maximizar la entropía.
La función termodinámica entropía es central para la segunda Ley de la Termodinámica. La entropía puede interpretarse como una medida de la distribución aleatoria de un sistema. Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene alta entropía. Un sistema en una condición improbable tendrá una tendencia natural a reorganizarse a una condición más probable (similar a una distribución al azar), reorganización que dará como resultado un aumento de la entropía. La entropía alcanzará un máximo cuando el sistema se acerque al equilibrio, y entonces se alcanzará la configuración de mayor probabilidad.
Coloquialmente, puede considerarse que la entropía es el desorden de un sistema, es decir, su grado de homogeneidad. Un ejemplo doméstico sería el de lanzar un vaso de cristal al suelo: tenderá a romperse y a esparcirse, mientras que jamás conseguiremos que, lanzando trozos de cristal, se construya un vaso por sí solo.
La variación de entropía nos muestra la variación del orden molecular ocurrido en una reacción química. Si el incremento de entropía es positivo, los
productos presentan un mayor desorden molecular (mayor entropía) que los reactivos. En cambio, cuando el incremento es negativo, los productos son más ordenados. Hay una relación entre la entropía y la espontaneidad de una reacción química, que viene dada por la energía de Gibbs.
4. Explicar el concepto de Entropía en base a la segunda ley de la termodinámica.
La definición formal del segundo principio de la termodinámica establece que:
“En un estado de equilibrio, los valores que toman los parámetros característicos de un sistema termodinámico cerrado son tales que maximizan el valor de una cierta magnitud que está en función de dichos parámetros, llamada entropía.”
sistema físico. La termodinámica clásica, en cambio, la define como la relación entre el calor transmitido y la temperatura a la que se transmite.
El segundo principio de la termodinámica establece que dicha entropía sólo puede definirse para estados de equilibrio termodinámico, y que de entre todos los estados de equilibrio posibles –que vendrán definido por los parámetros característicos–, sólo se puede dar el que, de entre todos ellos, maximiza la entropía.
5. Explicar en que consiste el cambio de energía libre de Gibbs.
En termodinámica, la energía de Gibbs o entalpía libre es un potencial termodinámico, es decir, una función de estadoextensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes).
La segunda ley de la termodinámica postula que una reacción química espontánea hace que la entropía del universo aumente, ΔSuniverso > 0, así mismo ΔSuniverso está en función de ΔSsistema y ΔSalrededores. Por lo general sólo importa lo que ocurre en el sistema en estudio y; por otro lado el cálculo de ΔSalrededores puede ser complicado.
Por esta razón fue necesario otra función termodinámica, la energía de Gibbs, que sirva para calcular si una reacción ocurre de forma espontánea tomando en cuenta sólo las variables del sistema.
La variación de energía de Gibbs para un proceso a temperatura constante viene dada por:
ΔG = ΔH - T . ΔS
Donde: ΔG = Cambio de energía libre, ΔH= Cambio de entalpía, T= Temperatura ºK, ΔS= Cambio de entropía.SIGNIFICADO DE ΔG
:La condición de equilibrio es ΔG = 0 Esto ocurre cuando ya no hay cambio neto entre productos y reactivos. La condición de espontaneidad es ΔG <0 Es decir, cuando la energía libre es negativa, el cambio ocurre espontáneamente
El proceso no es espontáneo cuando ΔG >0 Cuando la energía libre es positiva, el cambio no podrá efectuarse por sí solo y requiere ayuda.
6. Discutir la aplicación del conocimiento del cambio de energía libre de Gibbs.
El cambio de energía libre permite saber si un proceso o una reacción química puede proceder espontáneamente. En la tabla de al lado se ve como varían las distintas variables termodinámicas según sea el proceso, si es espontáneo o no.
7. Explicar que se entiende por equilibrio químico.
Cuando se tienen dos substancias que reaccionan (como A y B) para formar otros productos (como X y Y), se tiene la siguiente ecuación: A + B X + Y La flecha en doble sentido indica que la reacción puede proceder hacia un lado y hacia otro.
Al comienzo de la reacción hay gran cantidad de A y B que reaccionan y nada de X y Y, en ese momento la reacción tiene su máxima velocidad. Después de un tiempo, las concentraciones de A y B disminuyen y aparecen los productos X y Y. De esta manera la reacción proseguirá con una disminución de A y B y un aumento de X y Y. Pero llega un momento en que ya no hay disminución de reactivos A y B, ni aumento de X y Y. Cuando esto ocurre, se dice que se ha llegado al equilibrio y la reacción ya no avanzará mas.
El equilibrio en una reacción química es aquel punto en ya no hay mas cambio neto de productos y reactivos.
8. Explicar el concepto de la constante de equilibrio.
La constante de equilibrio es la razón de las concentraciones de reactivos y productos en el punto de equilibrio (al final de la reacción, cuando ya no hay mas cambio de concentraciones).
La constante de equilibrio K está dada por la relación:
K = [Productos] / [Reactivos] Donde, [productos]= concentración molar de productos; [reactivos]= concentración molar de reactivos. K = constante de equilibrio.
Para la reacción H2 + O2 H2O
La constante es K = [H2O] / [H2][O2]
9. Explicar los factores que intervienen en la velocidad de reacción.
La velocidad de reacción se define como la cantidad de sustancia que reacciona por unidad de tiempo. Por ejemplo, la oxidación del hierro bajo condiciones atmosféricas es una reacción lenta que puede tardar muchos años,1 pero la combustión del butano en un fuego es una reacción que sucede en fracciones de segundo.
FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE REACCION:
Naturaleza de la reacción: Algunas reacciones son, por su propia naturaleza, más rápidas que otras. El número de especies reaccionantes, su estado físico
las partículas que forman sólidos se mueven más lentamente que las de gases o de las que están en solución, la complejidad de la reacción, y otros factores pueden influir enormemente en la velocidad de una reacción.
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Concentración: La velocidad de reacción aumenta con la concentración, como está descrito por la ley de velocidad y explicada por la teoría de colisiones. Al incrementarse la concentración de los reactantes, la frecuencia de colisión también se incrementa.•
Presión: La velocidad de las reacciones gaseosas se incrementa muy significativamente con la presión, que es, en efecto, equivalente a incrementar la concentración del gas. Para las reacciones en fase condensada, la dependencia en la presión es débil, y sólo se hace importante cuando la presión es muy alta.•
Orden: El orden de la reacción controla cómo afecta la concentración (o presión) a la velocidad de reacción.•
Temperatura: Generalmente, al llevar a cabo una reacción a una temperatura más alta provee más energía al sistema, por lo que se incrementa la velocidad de reacción al ocasionar que haya más colisiones entre partículas, como lo explica la teoría de colisiones. Sin embargo, la principal razón porque un aumento de temperatura aumenta la velocidad de reacción es que hay un mayor número de partículas en colisión que tienen la energía de activación necesaria para que suceda la reacción, resultando en más colisiones exitosas. La influencia de la temperatura está descrita por laecuación de Arrhenius. Como una regla de cajón, las velocidades de reacción para muchas reacciones se duplican por cada aumento de 10 ° C en la temperatura,3 aunque el efecto de la temperatura puede ser mucho mayor o mucho menor que esto. Por ejemplo, el carbón arde en un lugar en presencia de oxígeno, pero no lo hace cuando es almacenado a temperatura ambiente. La reacción es espontánea a temperaturas altas y bajas, pero a temperatura ambiente la velocidad de reacción es tan baja que es despreciable. El aumento de temperatura, que puede ser creado por una cerilla, permite que la reacción inicie y se caliente a sí misma, debido a que es exotérmica. Esto es válido para muchos otros combustibles, como el
metano, butano, hidrógeno, etc.
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Solvente: Muchas reacciones tienen lugar en solución, y las propiedades del solvente afectan la velocidad de reacción. La fuerza iónica también tiene efecto en la velocidad de reacción.•
Radiación electromagnética e intensidad de luz: La radiación electromagnética es una forma de energía. Como tal, puede aumentar la velocidad o incluso hacer que la reacción sea espontánea, al proveer de más energía a las partículas de los reactantes. Esta energía es almacenada, en una forma u otra, en las partículas reactantes (puede romper enlaces, promover moléculas a estados excitados electrónicos o vibracionales, etc), creando especies intermediarias que reaccionan fácilmente. Al aumentar la intensidad de la luz, las partículas absorben más energía, por lo que la velocidad de reacción aumenta. Por ejemplo, cuando el metano reacciona con cloro gaseoso en la oscuridad, la velocidad de reacción es muy lenta. Puede ser acelerada cuando la mezcla es irradiada bajo luz difusa. En luz solar brillante, la reacción es explosiva.•
Un catalizador: La presencia de un catalizador incrementa la velocidad de reacción (tanto de las reacciones directa e inversa) al proveer de una trayectoria alternativa con una menor energía de activación. Por ejemplo, el platino cataliza la combustión del hidrógeno con el oxígeno a temperatura ambiente.•
Isótopos: El efecto isotópico cinético consiste en una velocidad de reacción diferente para la misma molécula si tiene isótopos diferentes, generalmente isótopos de hidrógeno, debido a la diferencia de masa entre el hidrógeno y el deuterio.•
Superficie de contacto: En reacciones en superficies, que se dan por ejemplo durante catálisis heterogénea, la velocidad de reacción aumenta cuando el área de la superficie de contacto aumenta. Esto es debido al hecho de que más partículas del sólido están expuestas y pueden ser alcanzadas por moléculas reactantes.•
Mezclado: El mezclado puede tener un efecto fuerte en la velocidad de reacción para las reacciones en fase homogénea y heterogénea.. Todos los factores que afectan una velocidad de reacción, excepto para la concentración y el orden de reacción, son tomados en cuenta en la ecuación de velocidad de la reacción.ECUACION DE VELOCIDAD DE UNA REACCION:
Para una reacción química n A + m B → C + D, la ecuación de velocidad o ley de reacción es una expresión matemática usada en cinética química que relaciona la velocidad de una reacción con la concentración de cada reactante. Es del tipo: