Concepto de entalpía
La mayoría de los cambios físicos y químicos, incluidos los que tienen lugar en los sistemas vivos, ocurren en condiciones de presión constante de la atmósfera. En el laboratorio, por ejemplo, con frecuencia las reacciones se realizan en vasos de precipitados, matraces o tubos de ensaye, que permanecen abiertos y, por tanto su presión aproximada es de una atmósfera.
Para medir el calor absorbido o liberado por una reacción química durante un proceso a presión constante se utiliza una propiedad química conocida como entalpía, que se representa por el símbolo H.
La entalpía es una propiedad extensiva (depende de la cantidad de materia). Es imposible determinar la entalpía de una sustancia, por lo tanto lo que se mide realmente es el cambio de entalpía,
Al calor de reacción, es decir, el cambio de energía en una reacción química, se llama entalpía.
Entalpía de reacción
La termoquímica es el estudio de los cambios de calor en las reacciones químicas. La primera ley de la termodinámica establece:
La energía no puede crearse ni destruirse en una reacción química:
– La energía únicamente se transforma de una forma a otra.
– La energía térmica de un sistema se asocia al movimiento de sus moléculas.
– Los enlaces se considerar como energía potencial.
– El calor asociado a una reacción se llama entalpía y se denota como
La energía térmica es la energía asociada al movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas. La energía térmica se puede calcular a partir de mediciones de temperatura: cuanto más vigoroso sea el movimiento de los átomos y de las moléculas en una muestra de materia, estará más caliente y su energía térmica será mayor.
Es importante entender la diferencia entre energía térmica y calor. El calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas. Con frecuencia se habla del flujo de calor desde un objeto caliente hacia uno frío.
El cambio de energía que se presenta durante una reacción química es el resultado de la ruptura y formación de enlaces químicos, cuando los reactivos se convierten en productos. El cambio de energía permite explicar por qué ocurren las reacciones químicas; éstas tienden a avanzar hacia productos que se encuentren en un estado de menor energía.
La energía que se libera o se absorbe durante una reacción química tiene importantes aplicaciones en los sistemas de calefacción, refrigeración y en muchas otras situaciones.
Entalpía de formación
El calor de formación o entalpía de formación , es el cambio de entalpía estándar para la formación de un mol de un compuesto, a partir de sus elementos constituyentes, medidos a 25° C y 1 atmósfera de presión.
Ejemplos de entalpía de formación:
Por convención, la entalpía de cada elemento en su estado estándar es cero, o lo que es lo mismo, el calor estándar de formación de dicho elemento vale cero. Por ejemplo:
Reacciones exotérmicas y endotérmicas
La reacción química entre el hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso es una de las muchas reacciones químicas que liberan energía.
La cristalización del acetato de sodio libera calor.
Los cristales de acetato de sodio son mezclados con agua en una proporción de tres partes de agua por una de acetato (trihidratación) y luego llevarnos la mezcla a ebullición (cerca de los 100 grados centígrados). Los cristales se funden y al enfriar rápidamente la mezcla obtenemos una disolución supersaturada de acetato en agua, una forma de gel. Una vez fría la mezcla y presionándola se forma un centro de nucleación que causa la cristalización de la disolución en acetato de sodio sólido. El proceso de cristalización (formación de enlaces) es exotérmico y emite calor
Otro ejemplo de una reacción exotérmica común es la combustión del gas natural:
Se obtienen unas 13 mil 300 calorías por cada gramo de metano (CH4) quemado.
La producción del ozono es una reacción endotérmica. Esta reacción ocurre en las capas altas de la atmósfera, donde el sol provee la energía mediante las radiaciones ultravioleta. También ocurre cerca de descargas eléctricas.
La entalpía de reacción , es la diferencia entre las entalpías de los productos y las entalpías de los reactivos:
En otras palabras, representa el calor absorbido o liberado durante una reacción.
El valor de se puede determinar experimentalmente midiendo el flujo de calor que acompaña a una reacción a presión constante. Esta determinación se puede hacer midiendo el cambio de temperatura que produce la reacción.
A la medición del flujo de calor se llama calorimetría y al aparato con el cual se mide se le llama calorímetro.
Reacciones de combustión
Las reacciones de combustión, son reacciones exotérmicas (liberan calor). El calor de combustión puede ser considerado como un caso particular del calor de reacción. El calor de combustión de una sustancia es el calor liberado cuando un mol de combustible (por lo general un hidrocarburo), reacciona con el oxígeno para dar
Entalpías de combustión del octano y del nonano:
El calor que se desprende por cada gramo quemado de n- octano es 47.8 KJ, mientras que por cada gramo del etano es de 51.2 KJ.