FISICO QUÍMICA ORGÁNICA
:
Termodinámica y Cinética
¿Por Qué Termodinámica?
• Estudio del comportamiento de la energía.
• TODO fenómeno usa Energía.
• Dominio de Termodinámica = Uso Eficiente de la Energía
• Industria:
• Calentar, enfriar, transporte, organización
• Nutrición:
• Contenido energético, dieta, entrenamiento
• Química:
Formas de Energía
• Energía Cinética
• Energía Calórica
• Energía Eléctrica
• Energía Eólica
• Energía Nuclear
• Energía Potencial
Formas de Energía: Trabajo
• 𝑊 = 𝐹 𝑥 𝑑 F = fuerza, d = distanciad
Trabajo: Ejercicios
• Un hombre mueve un vehículo con una fuerza
constante de 210 N durante 18 m para sacarlo del camino.
𝑊 = 𝐹 𝑥 𝑑 = 210 𝑁 𝑥 18 𝑚 = 3 780 𝐽 = 3,78 𝑘𝐽
• Un hombre levanta una caja de 2,5 kg desde una
mesa de 0,65 m hasta un estante colocado a 1,85 m usando una aceleración de 2 m/s2 ¿Cuánto trabajo
hizo?
𝑊 = 𝐹 × 𝑑 = 𝑚 × 𝑎 × 𝑑 𝑊 = 2,5 𝑘𝑔 2 𝑚
Formas de Energía: Calor, Q
• Un sistema puede transferir energía por medio de calor. El calor es una forma de energía que se transfiere de un objeto a otro cuando hay una diferencia de temperatura entre ambos cuerpos.
50 °C
25 °C
Formas de Energía: Potencial, U
• Energía latente.
• Puede existir energía «no utilizada» esperando a ser liberada.
Primera Ley de La Termodinámica
∆𝑈 = 𝑄 + 𝑊
El cambio en la energía interna (potencial), ∆𝑈, de un
sistema solo cambia cuando hay transferencia de calor, Q, o cuando hay trabajo, W, sobre el sistema.
«La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma»
Ui Uf
Calor, Q
Ui Uf
Calor, Q
Trabajo, W
Ui Uf
Trabajo, W
Ui Uf
Calor, Q
∆𝑈 = − 𝑄 − 𝑊 ∆𝑈 = − 𝑄
Ui Uf
Calor, Q
Trabajo, W
Ui Uf
Trabajo, W
Ui Uf
Calor, Q
∆𝑈 = +𝑄 + 𝑊 ∆𝑈 = +𝑊
Diagramas de Energía
E
NE
RGÍA
AVANCE SISTEMA
E
NE
RGÍA
Procesos Endotérmicos
• Sistema Absorbe Calor = Endotérmico
Si un proceso (sistema) requiere que se le incluya calor y/o
trabajo para que se lleve acabo, ese es un proceso endotérmico.
E
NE
RGÍA
Procesos Exotérmicos
• Sistema Emite Calor = Exotérmico
Si un proceso (sistema) libera calor y/o hace trabajo entonces ese es un proceso exotérmico.
E
NE
RGÍA
Usando La Energía
• Uso energía = genero cambios.
• Los cambios pueden darse en el sistema o en los alrededores que lo rodean.
Segunda Ley de Termodinámica
La entropía del universo tiende a incrementarse.
𝛿𝑆 ≥
𝛿𝑄
𝑇
• Entropía = medida de desorden de un sistema.
• Entre más desorden, mayor entropía.
• Hacer uso de la energía genera desorden SIEMPRE.
Entropía en Acción
• Hacer una botella,
requiere usar energía para derretir la arena y moldearla en botellas.
¿Cómo está el orden de las moléculas? ¿De dónde viene el calor?
Tercera Ley de Termodinámica
La entropía de un cristal perfecto a T = 0 K es exactamente igual a 0
• Define el Cero Absoluto
Ley Cero de Termodinámica
Si dos sistemas termodinámicos están en equilibrio térmico con un tercero, entonces todos los sistemas están en
equilibrio térmico
Energía Utilizable, ∆G
∆𝐺 = 𝐸 − 𝑇∆𝑆
Si tenemos un sistema y queremos que trabaje, usamos la energía potencial que tiene y le restamos lo que se gasta en desorden.
Si el proceso se lleva acabo a presión y temperatura constantes, la ecuación se arregla a:
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆
∆H es otro nombre para calor, Q, y se le dice ENTALPÍA. (Si, lo sé: Físicos)
¿Qué tiene que ver esto con Química?
• Cuando se hace una reacción, se libera o se absorbe calor. Es decir, hay un ∆H. Este ∆H se relaciona directamente con la energía en los enlaces de las moléculas.
• Fuerza de enlaces:
• Rompen enlaces débiles y forman más fuertes, exotérmica
• Rompen enlaces fuertes y forma débiles, endotérmica
C
H3 CH3
+
O O CO
O
+
H2O5
3
4
Como los fisicoquímicos no tienen vida
• Hay tablas enormes de cuánta energía libera o consumeuna reacción.
• Para ello se usa un calorímetro. En él, se hace la reacción y se mide cuánta energía libera (o consume).
Entalpía de reacción,
∆𝑯
𝒓𝒙𝒏
°
C
H3 CH3
+
O O CO
O
+
H2O5 3 4
∆𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏° = -2 218,8 kJ/mol Rxn de Combustión
H C
H3
+
Cl Cl h H3C Cl+
HClRxn de Halogenación ∆𝐻𝑎𝑙𝑜𝑔° = -105 kJ/mol
C
H CH
3
¿Podemos predecir cuánta energía
liberará una reacción?
• “Si un grupo de reactivos reaccionan para dar un grupo de productos, el calor de reacción liberado o absorbido es independiente de los pasos en que se lleva acabo la reacción” – Ley de Hess
C
H3 OH
+
HBr H3C Br+
H2O∆𝐻𝑟𝑥𝑛° = ¿ ? kJ/mol
2 C(grafito) + 3 H2(gas) + ½ O2(gas) C2H5OH
∆𝐻𝑓° = -277,7 kJ/mol
∆𝐻𝑓° = -103,8 kJ/mol
∆𝐻𝑓° = +20,4 kJ/mol
Entalpía de formación,
∆𝑯
𝒇
°
C
H3 CH3
3 C(grafito) + 4 H2
C H3
H H
Ley de Hess: Cálculo de Entalpías de Rxn
2 C + 3 H2 + 1/2 O2 H3C OH
1/2 H2 + 1/2 Br2 HBr
2 C + 5/2 H2 + 1/2 Br2 H3C Br
H2 + 1/2 O2 H2O
∆𝐻𝑟° = -277,6
∆𝐻𝑟° = -36,3
∆𝐻𝑟° = -285,8
∆𝐻𝑟° = -90,5
C
H3 OH
+
HBr H3C Br+
H2O∆𝐻𝑟° = +277,6
Ley de Hess
C
H3 OH
+
HBr H3C Br+
H2O∆𝐻
𝑟°= -62,4 kJ/mol
∆𝐻
𝑟°= (277,6 + 36,3 – 285,8 – 90,5) kJ/mol
Práctica
• 3 Cl2 + CH4 CHCl3 + 3 HCl
• 2 EtOH + H2O
• Glucosa + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O
C
H3 O CH3
Compuesto ∆Hf Compuesto ∆Hf
CH4 - 74,6 kJ/mol EtOH - 277,6 kJ/mol HCl - 92,3 kJ/mol - 279,5 kJ/mol CHCl3 - 81,9 kJ/mol Glucosa - 1 273 kJ/mol H2O - 285,8 kJ/mol CO2 - 393,5 kJ/mol
C
Entalpía de Vaporización
∆𝑯
𝒗𝒂𝒑
(
𝑱
𝒎𝒐𝒍
)
• Energía que se necesita para evaporar 1 mol de sustanciaEntalpía de Fusión
∆𝑯
𝒇𝒖𝒔
(
𝑱
𝒎𝒐𝒍
)
• Energía que se necesita para fundir 1 mol de sustancia
+Q +Q
-Q -Q
Capacidad Calórica, Cp
∆𝐻 = 𝑛 × 𝐶𝑝 × ∆𝑇
• Calor que se necesita para calentar un mol de sustancia y cambiarle su temperatura 1 °C
¿Cuánta energía se requiere para calentar
250 mL de agua de 25 °C a 50 °C?
∆𝐻 = 𝑛 × 𝐶𝑝 × ∆𝑇
𝑛 = 250 𝑚𝐿 × 1 𝑔 × 1 𝑚𝑜𝑙
1 𝑚𝐿 × 18 𝑔 = 14 𝑚𝑜𝑙
∆𝐻 = (14 𝑚𝑜𝑙)(75,4 𝐽 𝑚𝑜𝑙 𝐾)(50 °𝐶 − 25 °𝐶)
Datos Termodinámicos
Sustancia Cp (J/mol K) ∆Hvap (kJ/mol) ∆Hfus (kJ/mol)
Etanol 112,0 38,6 4,9
Etilén glicol 148,0 61,9 260
Agua 75,4 40,65 6,01
Amoníaco 35,6 23,35 5,65
Benceno 134,3 33,9 9,90
Dióxido de carbono 37,0 26,1 ---
Hielo 36,9 --- ---
Vapor de agua 34,0 --- ---
Ejercicio
• ¿Cuánta agua se puede evaporar con la combustión de 1 mol de propano?
• ΔHvap= 40,65 kJ/mol
• ¿Cuánto combustible se necesita para acelerar un vehículo hasta 60 km/h en aceleración constante de 3 m/s2? Considerar eficiencia de 20%
• ΔHc= 47 kJ/g
• d = 0,77 kg/L
Ejercicio
• ¿Cuánta calor puede retirar un refrigerador usando HFC-134a usando 3 mol del gas que empieza desde su punto de ebullición hasta temperatura ambiente (25 °C)?
Energías de Enlace
Energía necesaria para romper un mol de moléculas entre sus átomos
Cinética de Reacción
¿Cuál es la velocidad de la reacción?
¿
v
=
𝑑𝐴
𝑑𝑡
?
v =
𝑘[𝐴]
¿v =
𝑑𝐵𝑑𝑡
?
v =
𝑘[𝐵]
Cinética de Reacción
• Cinética de Orden 0: 𝑣 = 𝑘
• Cinética de Primer Orden: 𝑣 = 𝑘[𝐴] ó 𝑣 = 𝑘[𝐵]
• Cinética de Segundo Orden:
• 𝑣 = 𝑘[𝐴]2
• 𝑣 = 𝑘 𝐴 [𝐵]
• Cinética de Tercer Orden:
• 𝑣 = 𝑘[𝐴]3
• 𝑣 = 𝑘[𝐴]2[𝐵]
• 𝑣 = 𝑘[𝐴][𝐵]2
Cinética de Reacción
• Algunas Ecuaciones:• 𝐴 = [𝐴]𝑜𝑒−𝑘𝑡
Cinética de Reacción
• ¿Qué afecta la velocidad de una reacción?
•
Concentración inicial
𝑣 = 𝑘 𝐴
•
k es una expresión de la fisicoquímica
• Impedimento estérico
• Temperatura
Cinética de Reacción
• Ea es la energía
necesaria para iniciar la reacción
• 𝐸𝑎 ∝ 𝐸𝑘
• 𝐸𝑎 ∝ 𝑇
C
H3 CH3
+
O O CO
O
+
H2OReferencias
• Atkins, P. W. Química Física. 6ª Edición, Ediciones Omega, Barcelona, 1999.
• Petrucci, R.; Harwood, W.; Herring, G. Química General, 8ª Edición, Pearson Educación, Madrid, 2003.
• McMurry, J. Química Orgánica, 7ª Edición, Cengage Learning, México, 2008.