Ejemplos de preguntas sobre entalpía y cambios de entalpía.
La entalpía es un concepto clave en la termodinámica química, presente con frecuencia en diversos temas de química, desde reacciones químicas hasta cambios de fase. En este artículo, revisaremos varios ejemplos y analizaremos la entalpía y sus variaciones para comprender mejor este concepto.
Comprender la entalpía
La entalpía (H) es la cantidad total de energía en un sistema termodinámico. Incluye no solo la energía interna almacenada en las partículas, sino también la energía necesaria para crear espacio para ellas en un entorno de presión determinado. La entalpía se mide en julios (J) en el Sistema Internacional de Unidades (SI).
Matemáticamente, la entalpía se define como:
\[ H = U + PV \]
Dónde:
– \( H \) es la entalpía
– \( U \) es la energía interna
– \( P \) es la presión
– \( V \) es el volumen
Cambio de entalpía
El cambio de entalpía (\( \Delta H \)) se produce cuando tiene lugar una reacción química o un proceso físico. Este cambio de entalpía se puede definir como la cantidad de calor liberado o absorbido por un sistema a presión constante. Matemáticamente:
\[ \Delta H = H_{\text{producto}} – H_{\text{reactivo}} \]
Las reacciones exotérmicas son aquellas que liberan calor al ambiente, y en estas reacciones, \( \Delta H \) es negativo. Por otro lado, una reacción endotérmica es aquella que absorbe calor del ambiente, y en esta reacción, \( \Delta H \) tiene un valor positivo.
Contoh Soal dan Pembahasan
Ejemplo de pregunta 1: Cambio en la entalpía de combustión
Pregunta:
Se sabe que la combustión completa de 1 mol de metano (\(CH_4\)) produce dióxido de carbono (\(CO_2\)) y agua (\(H_2O\)). Los datos de entalpía de formación son los siguientes:
– \( \Delta H_{{f, H_2O (l)}} = -285.8 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CO_2 (g)}} = -393.5 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CH_4 (g)}} = -74.8 \text{kJ/mol} \)
Calcula el cambio de entalpía (\( \Delta H \)) de la reacción de combustión.
Discusión:
La reacción de combustión del metano es:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \rightarrow CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
El cambio de entalpía de la reacción (\( \Delta H \)) se puede calcular utilizando la entalpía de formación:
\[ \Delta H = \Sigma \Delta H_f \text{productos} – \Sigma \Delta H_f \text{reactivos} \]
Producto:
\[ \Delta H_f (CO_2 (g)) = -393.5 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H_f (H_2O (l)) = -285.8 \text{kJ/mol} \]
Entalpía total de los productos:
\[ (-393.5 \text{kJ/mol}) + 2\times(-285.8 \text{kJ/mol}) = -393.5 – 571.6 = -965.1 \text{kJ/mol} \]
Reactivos:
\[ \Delta H_f (CH_4 (g)) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H_f (O_2 (g)) = 0 \text{kJ/mol} \]
(El oxígeno en su estado estándar tiene una entalpía de formación de cero).
Entalpía total de los reactivos:
\[ (-74.8 \text{kJ/mol}) + 2\times(0 \text{kJ/mol}) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
Por lo tanto, el cambio de entalpía (\( \Delta H \)) es:
\[ \Delta H = -965.1 \text{kJ/mol} – (-74.8 \text{kJ/mol}) \]
\[ \Delta H = -965.1 + 74.8 \]
\[ \Delta H = -890.3 \text{kJ/mol} \]
Por lo tanto, el cambio de entalpía para la combustión de 1 mol de metano es \(-890.3 \text{kJ/mol}\).
Ejemplo de pregunta 2: Cambios de entalpía en procesos físicos
Pregunta:
Calcula el cambio de entalpía cuando 50 gramos de hielo (\(H_2O_{(s)}\)) a 0°C se funden en agua (\(H_2O_{(l)}\)) a 0°C. Se sabe que el calor de fusión del hielo (\( \Delta H_{\text{fus}} \)) es 6.01 kJ/mol y la masa molar del agua es 18 g/mol.
Discusión:
El primer paso es calcular el número de moles de hielo.
\[ \text{Moles de hielo} = \frac{50 \text{g}}{18 \text{g/mol}} \approx 2.78 \text{mol} \]
A continuación calculamos el cambio de entalpía para la fusión del hielo:
\[ \Delta H = n \cdot \Delta H_{\text{fus}} \]
\[ \Delta H = 2.78 \text{mol} \cdot 6.01 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H \approx 16.7 \text{kJ} \]
Por lo tanto, el cambio de entalpía al fundir 50 gramos de hielo a 0 °C es de aproximadamente 16.7 kJ. Este es un proceso endotérmico porque el hielo absorbe calor para convertirse en agua.
Ejemplo 3: Reacción de Hess
Pregunta:
Utilice la ley de Hess para determinar el cambio de entalpía de la siguiente reacción:
\[ 2 C(grafito) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Se conocen varias reacciones con sus respectivos cambios de entalpía:
1. \( C(grafito) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g), \Delta H = -393.5 \text{kJ} \)
2. \( H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l), \Delta H = -285.8 \text{kJ} \)
3. \( 2 C_2H_6(g) + 7 O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6 H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ} \)
Discusión:
Para calcular el cambio de entalpía (\( \Delta H \)) de la reacción, necesitamos invertir y multiplicar algunas de las reacciones para que coincidan con la reacción objetivo.
Langkah-langkah:
1. Modifique la reacción \(C_2H_6 \rightarrow 2 CO_2 + 3 H_2O\):
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Invertir y dividir las reacciones:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \rightarrow 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. Reacción \(C \rightarrow CO_2\):
\[ 4C(grafito) + 4O_2(g) \rightarrow 4CO_2(g), \Delta H = 4 \times -393.5 = -1574 \text{kJ} \]
3. Reacción \(H_2\rightarrow H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \rightarrow 6H_2O(l), \Delta H = 6 \times -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
Al combinarlo todo, obtenemos:
\[2C(grafito) + 3H_2(g) \rightarrow C_2H_6\]
\[ \Delta H = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 \text{kJ}\]
Por lo tanto, el cambio de entalpía de la reacción de 2 moles de grafito y 3 moles de \(H_2\) para \(C_2H_6(g)\) es -1729 kJ.
Así, comprender el concepto de entalpía y su aplicación a diversos tipos de reacciones permite entender cómo interviene la energía en los cambios químicos y físicos. Los problemas anteriores son algunos ejemplos que se utilizan con frecuencia en el currículo para reforzar la comprensión de estos conceptos.
