Termoquímica: Reacciones Exotérmicas y Endotérmicas, Entalpía, Ley de Hess y Electrólisis

Reacciones exotérmicas y endotérmicas:

Se denomina calor de reacción a la energía que se intercambia con el entorno en forma de calor durante una reacción química. El calor desprendido en una reacción depende de las condiciones de realización:

• Si se realiza en un recipiente abierto o volumen expansible a presión constante y se producen gases, se denomina calor no útil.
• Si ocurre en un recipiente cerrado a volumen constante, no se realiza trabajo de expansión, por lo que es posible aprovechar esa energía en forma de calor.

La mayoría de las reacciones se producen a presión constante:

• Exotérmica: desprende calor al entorno.
• Endotérmica: transcurre absorbiendo calor del entorno.

Sensación: las reacciones endotérmicas producen frío, y las exotérmicas, calor.

Entalpía de reacción:

Se denomina entalpía de una reacción (ΔH) a la energía disponible una vez descontada la parte que realiza el trabajo no útil de desplazar el aire.

En una reacción a presión constante, cuyo único trabajo sea desplazar aire, la energía intercambiada con el entorno mediante calor se denomina calor de reacción a presión constante, igual a la entalpía de reacción (ΔH).

• Si H_reactivos > H_productos, entonces ΔH < 0 y la reacción es exotérmica.

Se denomina ecuación termoquímica a una ecuación química que incluye el valor de la entalpía de reacción. Para utilizarla se siguen las siguientes reglas:

• Regla 1: ΔH es directamente proporcional a la cantidad de reactivo o producto. Permite calcular ΔH y el calor absorbido o desprendido en la reacción.
• Regla 2: El valor de ΔH de una reacción es igual y de signo opuesto al valor de ΔH de la reacción inversa.

Ley de Hess:

Es útil para obtener valores de ΔH que son difíciles de medir llevando a cabo la reacción en un calorímetro.

Ley de Hess: si una ecuación termoquímica puede expresarse como la suma de dos o más ecuaciones parciales, ecuación dada = ecuación 1 + ecuación 2 + ... + ecuación n, entonces la entalpía de esa reacción (ΔH) es la suma de los valores de ΔH de cada una de las reacciones parciales:

ΔH = ΔH₁ + ΔH₂ + ... + ΔH_n

Combustión:

En una reacción de combustión, el oxígeno reacciona rápidamente con otra sustancia, desprendiéndose gran cantidad de energía en forma de luz y calor. En presencia de oxígeno, los productos de la combustión de cualquier compuesto de carbono e hidrógeno son CO₂ y H₂O. Si el oxígeno es insuficiente, aparecen otros compuestos como CO e incluso C.

Electrólisis:

Se introducen electrodos cargados en un medio que contiene iones con libertad de movimiento. Estos se dirigen al electrodo de carga de signo opuesto a la suya.

Si en un recipiente se contiene PbCl₂ fundido, es decir, iones Pb²⁺ más iones Cl⁻, y se colocan 2 electrodos en ambos polos de una pila, se observará:

• Los iones Pb²⁺ son atraídos por el polo negativo, donde reciben 2 electrones. Este proceso se denomina reducción y el electrodo donde se produce se denomina cátodo.
• Los iones Cl⁻ son atraídos al electrodo positivo, al que ceden 1 electrón, pasando a átomos de cloro neutros que se unen por parejas para dar Cl₂. La pérdida de electrones se denomina oxidación y el electrodo donde se produce se denomina ánodo.

Para formar 1 mol de plomo deben circular 2 moles de electrones. La carga de 1 mol de electrones se denomina faraday.

Reacción: Pb²⁺ + 2Cl⁻ + energía → Pb + Cl₂

Se denomina electrólisis a las reacciones endotérmicas en las que la energía necesaria es proporcionada por una corriente eléctrica.

Velocidad de reacción química:

Indica con qué rapidez tiene lugar la transformación de reactivos en productos. No todas las reacciones tienen la misma rapidez: una transformación química como una explosión es rápida, mientras que la formación del petróleo tarda millones de años.

La calificación de una reacción como rápida o lenta es útil, pero incompleta; a veces faltan detalles sobre la velocidad. Un conocimiento incompleto puede ser, por ejemplo, la diferencia entre dosis excesivamente bajas o sobredosis.

La velocidad media de una reacción se evalúa midiendo la cantidad, expresada en mol/L, de reactivo consumido (o producto formado) en un intervalo de tiempo dado:

Velocidad de reacción = (mol/L de reactivo consumido o producto formado) / tiempo transcurrido