Termoquímica: Conceptos Fundamentales y Principios Esenciales
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Termoquímica
La Termoquímica es la parte de la química que se encarga del estudio del intercambio energético de un sistema químico con el exterior.
- Los sistemas químicos que evolucionan de reactivos a productos desprendiendo energía se denominan exotérmicos.
- Los sistemas químicos que evolucionan de reactivos a productos precisando energía se denominan endotérmicos.
Conceptos Fundamentales
Resonancia
La resonancia es un sistema de enlace entre los átomos de una molécula que, debido a la compleja distribución de sus electrones, obtiene mayor estabilidad que con un enlace simple.
Tipos de Sistemas Químicos
Sistema Abierto
Un sistema abierto puede intercambiar masa y energía, por lo general en forma de calor, con sus alrededores.
Sistema Cerrado
Un sistema cerrado puede intercambiar energía con el entorno, pero no materia.
Sistema Aislado
Un sistema aislado no puede intercambiar ni materia ni energía con el entorno.
Sistema Homogéneo
Un sistema homogéneo está formado por una sola fase.
Sistema Heterogéneo
Un sistema heterogéneo está formado por dos fases como mínimo.
Función de Estado
Las funciones de estado son aquellas variables que solo dependen del estado del sistema y no de las etapas o pasos intermedios transcurridos hasta llegar a él. Solo dependen del estado inicial y final del sistema.
Sistema en Equilibrio
Un sistema está en equilibrio cuando está al mismo tiempo en equilibrio químico, mecánico y térmico.
- Reversible: Cuando las transformaciones se realizan a través de una serie continuada de estados de equilibrio.
- Irreversible: En algún momento de la transformación, el sistema no está en equilibrio.
Energía y Trabajo
Calor
El calor es la energía intercambiada debido a la existencia de una diferencia de temperatura entre el sistema y el entorno.
- En una sustancia pura, el intercambio de calor viene dado por la expresión:
Q = m · Ce · ΔT. - Si se produce un cambio de estado, la temperatura permanece constante y el calor viene dado por:
Q = m · L.
Trabajo
El trabajo es la energía intercambiada debido al desplazamiento de una fuerza a lo largo de una trayectoria no perpendicular a la fuerza; es la energía transferida por medio mecánico.
Tanto el calor como el trabajo no son funciones de estado, puesto que el calor y el trabajo intercambiados por el sistema dependen del camino o proceso realizado.
La transferencia de calor que experimenta un sistema formado por una sustancia pura depende de su masa, de la naturaleza de la sustancia y de la variación de temperatura.
Calor Específico
El calor específico se define como la cantidad de calor necesario para elevar en un grado la temperatura de un gramo de sustancia.
Calor Latente
El calor latente es la cantidad de calor absorbida o cedida durante el cambio de estado para la unidad de masa.
Calor de Reacción
El calor de reacción es la cantidad de energía calorífica absorbida o cedida durante la transformación de reactivos a productos.
- Si el sistema recibe calor (endotérmico),
Q > 0. - Si el sistema cede calor (exotérmico),
Q < 0. - Si el entorno realiza trabajo sobre el sistema (compresión),
W > 0. - Si el sistema realiza trabajo sobre el entorno (expansión),
W < 0.
Principios de la Termodinámica
Primer Principio de la Termodinámica
El Primer Principio de la Termodinámica establece que la variación de energía interna (ΔU) de un sistema es igual a la suma de la energía intercambiada por el sistema en forma de calor (Q) más la energía intercambiada en forma de trabajo (W):
ΔU = Q + W
Variación de la Energía Interna en Procesos Específicos
- Isotérmico: A temperatura constante (ΔT = 0).
- Adiabático: No hay transmisión de calor entre sistema y entorno (Q = 0).
- Isocórico: A volumen constante (ΔV = 0). Si el sistema recibe calor, la energía interna aumenta.
- Isobárico: A presión constante (ΔP = 0).
Entalpía
Entalpía de Reacción
La entalpía de reacción es el incremento entálpico de una reacción en la cual tanto reactivos como productos están en condiciones estándar.
Entalpía Estándar de Formación
La entalpía estándar de formación es la variación de entalpía de la reacción de formación de un mol de ese compuesto en su estado estándar a partir de sus elementos en estado estándar, a los que se les asigna entalpía cero.
Entalpía Estándar de Combustión
La entalpía estándar de combustión es la variación de entalpía que se produce cuando se quema un mol de esa sustancia en condiciones estándar.
Ley de Hess
La Ley de Hess establece que la variación de entalpía (ΔH) en una reacción química es constante con independencia de que la reacción se produzca en una o más etapas.
Entalpía de Enlace
La entalpía de enlace es la energía necesaria para romper un mol de un enlace de una sustancia en estado gaseoso.