6.7: Ecuaciones Termoquímicas

Para una reacción química (el sistema) realizada a presión constante – con el único trabajo realizado causado por expansión o contracción – la entalpía de la reacción (también llamada el calor de la reacción, ΔH_rxn) es igual al calor intercambiado con el entorno (q_p).

El cambio en la entalpía es una propiedad extensiva y depende de la cantidad de los reactantes que participan en la reacción (o el número de moles de los reactantes). El cambio en la entalpía es específico de la reacción, y los estados físicos de las especies reactantes y el producto son importantes. Una reacción exotérmica se caracteriza por un valor de −ΔH_rxn, mientras que una reacción endotérmica tiene un valor de +ΔH_rxn.  

Debido a que la cantidad de calor liberado o absorbido por una reacción corresponde a la cantidad de cada sustancia consumida o producida por la reacción, es conveniente utilizar una ecuación termoquímica para representar los cambios tanto en materia como en energía. En una ecuación termoquímica, el cambio en la entalpía de una reacción se muestra como ΔH_rxn, y generalmente es proporcionada a continuación de la ecuación para la reacción. La magnitud de ΔHrxn indica la cantidad de calor asociada a la reacción mostrada en la ecuación química. El signo de ΔH_rxn indica si la reacción es exotérmica o endotérmica, tal como se explicó previamente. En la siguiente ecuación, 1 mol de gas hidrógeno y 1/2 mol de gas oxígeno (a cierta temperatura y presión) reaccionan para formar 1 mol de agua líquida (a la misma temperatura y presión).

Esta ecuación indica que 286 kJ de calor se liberan al entorno. En otras palabras, 286 kJ de calor se liberan (la reacción es exotérmica) por cada mol de hidrógeno que se consume o por cada mol de agua que se produce. Por lo tanto, la entalpía de la reacción es un factor de conversión que se puede utilizar para calcular la cantidad de calor que se libera o absorbe durante las reacciones que implican cantidades específicas de reactivos y productos.

Si los coeficientes de la ecuación química se multiplican por algún factor (es decir, si se cambia la cantidad de una sustancia), el cambio en la entalpía debe multiplicarse por ese mismo factor.

(aumento de dos veces las cantidades indicadas)

(reducción de dos veces las cantidades indicadas)

Para ilustrar que el cambio de entalpía de una reacción depende de los estados físicos de los reactivos y productos, considere la formación de agua gaseosa (o vapor de agua). Cuando 1 mol de gas hidrógeno y ½ mol de gas oxígeno reaccionan para formar 1 mol de agua gaseosa, sólo se liberan 242 kJ de calor, en contraposición a 286 kJ de calor, que se libera cuando se forma agua líquida.

La mayoría de las reacciones químicas ocurren a presión atmosférica. En condiciones de presión constante, el cambio de calor asociado con la reacción delta Q, es igual al cambio de la entalpía delta H, también llamada la entalpía o el calor de reacción. La entalpía de la reacción es la diferencia entre las entalpías de los productos y los reactivos.

Cuando la entalpía de los productos es mayor que la entalpía de los reactivos, el delta H es positivo. Tales reacciones absorben calor y son endotérmicas. Por el contrario, si la entalpía de los reactivos es mayor que la entalpía de los productos, el delta H es negativo.

Tales reacciones liberan calor y son exotérmicas. Para cualquier reacción química, la magnitud del cambio de la entalpía que lo acompaña depende de las cantidades estequiométricas de los reactivos y productos, como lo indican los coeficientes de la ecuación balanceada. Una ecuación química balanceada que incluye las etiquetas de fase y la entalpía de reacción, el delta H, se llama ecuación termoquímica.

Considere la combustión del metano:una fuente primaria de combustible. La quema de metano libera calor a los alrededores. La naturaleza exotérmica de la reacción está indicado por el cambio de entalpía negativa en la ecuación termoquímica.

La ecuación de combustión muestra que cuando un mol de gas metano reacciona con 2 moles de oxígeno gaseoso para producir 1 mol de gas de dióxido de carbono y 2 moles de agua líquida, se liberan 890, 8 kilojulios de calor al entorno. La relación molar entre los reactivos o productos y el calor de reacción se puede utilizar como factores de conversión para calcular el calor intercambiado durante la reacción. Si un cilindro de gas contiene 25, 5 kilogramos de metano, y todo el metano en el cilindro se quema, qué cantidad de calor se producirá?

En general, el plan conceptual es convertir la masa en moles y luego los moles al calor de reacción. Para empezar, 25, 5 kilogramos se multiplican por 1.000 para encontrar la masa en gramos. Luego, la masa de metano se divide por su masa molar:16, 0 gramos por mol, para producir 1.594 moles de metano.

Finalmente, usando el factor de conversión entre moles de metano y calor de reacción, 1.594 moles de metano liberan 14, 2 veces diez los 6 kilojulios de calor, que es el calor de la reacción. La respuesta es negativa ya que la reacción es exotérmico a medida que el calor se desarrolla en la reacción.