Cómo calcular el cambio de entalpía

El cambio de entalpía de una reacción es la cantidad de calor absorbido o liberado a medida que ocurre la reacción, si ocurre a una presión constante. Completas el cálculo de diferentes formas dependiendo de la situación específica y de la información que tengas disponible. Para muchos cálculos, la ley de Hess es la información clave que necesita usar, pero si conoce la entalpía de los productos y los reactivos, el cálculo es mucho más simple.

TL; DR (demasiado largo; no se leyó)

Puede calcular los cambios en la entalpía usando la fórmula simple: ∆H = Hproductos – Hreactivos

Definición de entalpía

La definición precisa de entalpía (H) es la suma de la energía interna (U) más el producto de la presión (P) y el volumen (V). En símbolos, esto es:

H = U + PV

Por tanto, un cambio de entalpía (∆H) es:

∆H = ∆U + ∆P∆V

Donde el símbolo delta (∆) significa “cambio”. En la práctica, la presión se mantiene constante y la ecuación anterior se muestra mejor como:

∆H = ∆U + P∆V

Sin embargo, para una presión constante, el cambio de entalpía es simplemente el calor (q) transferido:

∆H = q

Si (q) es positivo, la reacción es endotérmica (es decir, absorbe calor de su entorno), y si es negativo, la reacción es exotérmica (es decir, libera calor en su entorno). La entalpía tiene unidades de kJ / mol o J / mol, o en general, energía / masa. Las ecuaciones anteriores están realmente relacionadas con la física del flujo de calor y la energía: termodinámica.

Cálculo simple del cambio de entalpía

La forma más básica de calcular el cambio de entalpía utiliza la entalpía de los productos y los reactivos. Si conoce estas cantidades, use la siguiente fórmula para calcular el cambio general:

∆H = Hproductos – Hreactivos

La adición de un ión de sodio a un ión de cloruro para formar cloruro de sodio es un ejemplo de una reacción que puede calcular de esta manera. El sodio iónico tiene una entalpía de -239,7 kJ / mol y el ion cloruro tiene una entalpía de -167,4 kJ / mol. El cloruro de sodio (sal de mesa) tiene una entalpía de -411 kJ / mol. Insertar estos valores da:

H = −411 kJ / mol – (−239,7 kJ / mol −167,4 kJ / mol)

= −411 kJ / mol – (−407,1 kJ / mol)

= −411 kJ / mol + 407,1 kJ / mol = −3,9 kJ / mol

Entonces, la formación de sal libera casi 4 kJ de energía por mol.

Entalpía de las transiciones de fase

Cuando una sustancia cambia de sólido a líquido, de líquido a gas o de sólido a gas, hay entalpías específicas involucradas en estos cambios. La entalpía (o calor latente) de fusión describe la transición de sólido a líquido (lo contrario es menos este valor y se llama entalpía de fusión), la entalpía de vaporización describe la transición de líquido a gas (y lo opuesto es la condensación) y la entalpía de sublimación describe la transición de sólido a gas (lo contrario se llama nuevamente entalpía de condensación).

Para el agua, la entalpía de fusión es ∆Hderritiendo = 6,007 kJ / mol. Imagine que calienta hielo desde 250 Kelvin hasta que se derrita y luego calienta el agua a 300 K. El cambio de entalpía para las partes calefactoras es solo el calor requerido, por lo que puede encontrarlo usando:

∆H = nC∆T

Donde (n) es el número de moles, (∆T) es el cambio de temperatura y (C) es el calor específico. El calor específico del hielo es 38,1 J / K mol y el calor específico del agua es 75,4 J / K mol. Entonces, el cálculo se realiza en algunas partes. Primero, el hielo debe calentarse de 250 K a 273 K (es decir, de -23 ° C a 0 ° C). Por 5 moles de hielo, esto es:

∆H = nC∆T

= 5 mol × 38,1 J / K mol × 23 K

= 4,382 kJ

Ahora multiplique la entalpía de fusión por el número de moles:

∆H = n ∆Hderritiendo

= 5 mol × 6,007 kJ / mol

= 30,035 kJ

Los cálculos para la vaporización son los mismos, excepto con la entalpía de vaporización en lugar de la de fusión. Finalmente, calcule la fase de calentamiento final (de 273 a 300 K) de la misma manera que la primera:

∆H = nC∆T

= 5 mol × 75,4 J / K mol × 27 K

= 10.179 kJ

Sume estas partes para encontrar el cambio total de entalpía de la reacción:

∆Htotal = 10.179 kJ + 30.035 kJ + 4.382 kJ

= 44,596 kJ

Ley de Hess

La ley de Hess es útil cuando la reacción que está considerando tiene dos o más partes y desea encontrar el cambio general de entalpía. Afirma que el cambio de entalpía para una reacción o proceso es independiente de la ruta a través de la cual ocurre. Esto significa que si la reacción se transforma de una sustancia a otra, no importa si la reacción ocurre en un paso (los reactivos se convierten en productos inmediatamente) o si pasa por muchos pasos (los reactivos se convierten en intermediarios y luego en productos), la entalpía resultante cambia. es el mismo en ambos casos.

Por lo general, es útil dibujar un diagrama (ver Recursos) para ayudarlo a usar esta ley. Un ejemplo es si comienza con seis moles de carbono combinados con tres de hidrógeno, se combinan para combinarse con oxígeno como paso intermedio y luego forman benceno como producto final.

La ley de Hess establece que el cambio de entalpía de la reacción es la suma de los cambios de entalpía de ambas partes. En este caso, la combustión de un mol de carbono tiene ∆H = −394 kJ / mol (esto ocurre seis veces en la reacción), el cambio de entalpía para la combustión de un mol de gas hidrógeno es ∆H = −286 kJ / mol (esto sucede tres veces) y los intermediarios de dióxido de carbono y agua se convierten en benceno con un cambio de entalpía de ∆H = +3,267 kJ / mol.

Tome la suma de estos cambios para encontrar el cambio de entalpía total, recordando multiplicar cada uno por el número de moles necesarios en la primera etapa de la reacción:

∆Htotal = 6 × (−394) + 3 × (−286) +3,267

= 3,267 – 2,364 – 858

= 45 kJ / mol