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Unidad 6: Termoquímica

Química AP · Unidad 6: Termoquímica

6.2 Diagramas de energía

En esta lección

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Pregunta esencial

¿Cómo puede un dibujo mostrar si se libera o se absorbe energía?

En el Tema 6.1 usaste los cambios de temperatura para decidir hacia dónde fluye la energía. En este tema dibujarás ese cambio de energía en un diagrama, para ver de un vistazo si un proceso es endotérmico o exotérmico.

El video de la lección llegará pronto. Mientras tanto, lee la lección de abajo.

Partes de un diagrama de energía

  • El eje y es la energía potencial, la energía que tienen las sustancias por las atracciones entre sus partículas y por los enlaces que mantienen unidos a sus átomos.
  • El eje x es el avance de la reacción, del inicio al final.
  • Un nivel muestra los reactivos y otro nivel muestra los productos.
  • La flecha de ΔH siempre empieza en los reactivos y apunta a los productos.
Diagrama de energía: energía potencial en el eje y, avance de la reacción en el eje x, un nivel de reactivos más alto que el nivel de productos y una flecha roja de ΔH que apunta de los reactivos hacia abajo, a los productos.

Diagrama exotérmico

  • Los productos están más abajo que los reactivos.
  • ΔH < 0 (negativo).
  • La diferencia de energía se libera a los alrededores.
Diagrama de energía exotérmico: los productos quedan más abajo que los reactivos, con una flecha roja con la etiqueta ΔH menor que 0 que apunta hacia abajo.

Diagrama endotérmico

  • Los productos están más arriba que los reactivos.
  • ΔH > 0 (positivo).
  • El sistema absorbe energía de los alrededores para llegar ahí.
Diagrama de energía endotérmico: los productos quedan más arriba que los reactivos, con una flecha azul con la etiqueta ΔH mayor que 0 que apunta hacia arriba.

Cálculo de ΔH

ΔH = Eproducts − Ereactants

  • Productos más abajo: ΔH es negativo (exotérmico).
  • Productos más arriba: ΔH es positivo (endotérmico).
  • Siempre es final menos inicial, así que la flecha empieza en los reactivos.

La energía como reactivo o producto

También puedes mostrar el cambio de energía escribiendo la energía dentro de la misma ecuación.

Dos tarjetas. Exotérmico: A pasa a B más energía, la energía es un producto, con B más abajo que A. Endotérmico: A más energía pasa a B, la energía es un reactivo, con B más arriba que A.
  • Exotérmico: A → B + energía. La energía es un producto.
  • Endotérmico: A + energía → B. La energía es un reactivo.

La colina: la energía de activación

  • La mayoría de las reacciones necesitan algo de energía para arrancar. Esta es la energía de activación, Ea, la altura de la colina medida desde los reactivos.
  • ΔH depende solo de los niveles inicial y final.
  • La colina no cambia ΔH. Estudiarás más sobre la colina en la Unidad 5.
Diagrama de energía con una colina: los reactivos suben hasta un pico y bajan a productos más bajos. Una flecha verde de los reactivos al pico tiene la etiqueta Ea, y una flecha roja del nivel de los reactivos a los productos tiene la etiqueta ΔH.

Cambios de fase en un diagrama de energía

  • El gas tiene la energía potencial más alta y el sólido tiene la más baja.
  • Subir (fusión, vaporización) es endotérmico.
  • Bajar (congelación, condensación) es exotérmico.
Niveles de energía apilados en vertical: sólido abajo, líquido en medio y gas arriba. Flechas rojas hacia arriba con las etiquetas melting y vaporizing son endotérmicas. Flechas azules hacia abajo con las etiquetas freezing y condensing son exotérmicas.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Bosquejo de un diagrama

La combustión del metano libera energía: CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l), ΔH = −890 kJ/molrxn. Dibuja y rotula un diagrama de energía para esta reacción.

Mostrar la solución
  1. Dibuja y rotula los ejes: energía potencial en el eje y, avance de la reacción en el eje x.
  2. Dibuja el nivel de los reactivos arriba a la izquierda y rotúlalo CH4 + 2O2.
  3. Dibuja el nivel de los productos más abajo a la derecha y rotúlalo CO2 + 2H2O. Está más abajo porque ΔH es negativo.
  4. Dibuja la flecha de ΔH del nivel de los reactivos hacia abajo, al nivel de los productos, y rotúlala ΔH = −890 kJ/molrxn.
  5. Respuesta: Productos más abajo que los reactivos, con una flecha de ΔH hacia abajo. La reacción es exotérmica.

Ejemplo 2: Lectura de un diagrama

Usa el diagrama de energía para determinar ΔH de la reacción. ¿La reacción es endotérmica o exotérmica?

Diagrama de energía con la energía en kJ de 0 a 250: los reactivos están en 120 kJ, el pico en 250 kJ y los productos en 180 kJ.
Mostrar la solución
  1. Lee los niveles: los reactivos están en 120 kJ y los productos están en 180 kJ.
  2. Calcula: ΔH = Eproducts − Ereactants = 180 kJ − 120 kJ = +60 kJ.
  3. Clasifica: los productos están más arriba que los reactivos.
  4. Respuesta: ΔH = +60 kJ. La reacción es endotérmica.

Ojo: no uses el pico. 250 − 120 = 130 kJ es la energía de activación, no ΔH.

Ejemplo 3: Elección del diagrama

Una compresa fría instantánea se enfría cuando el sólido se disuelve. ¿Qué diagrama representa el proceso de disolución? Justifica tu respuesta.

Dos diagramas de energía. A: los productos están más abajo que los reactivos. B: los productos están más arriba que los reactivos.
Mostrar la solución
  1. Usa la evidencia: la compresa se enfría, así que los alrededores pierden energía.
  2. Dirección del flujo de energía: el sistema (el sólido que se disuelve) absorbe esa energía. El proceso es endotérmico.
  3. Relaciona con el dibujo: endotérmico significa que los productos quedan más arriba que los reactivos, así que ΔH > 0.
  4. Respuesta: Diagrama B. Los productos están más arriba que los reactivos, lo cual muestra energía absorbida de los alrededores.

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

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Ideas clave

  • Productos más abajo: exotérmico, ΔH < 0.
  • Productos más arriba: endotérmico, ΔH > 0.
  • La flecha de ΔH apunta de los reactivos a los productos.
  • La colina (energía de activación) no cambia ΔH.

De vuelta a la pregunta esencial: un diagrama de energía muestra dónde terminan los productos en comparación con los reactivos. Si terminan más abajo, se liberó energía. Si terminan más arriba, se absorbió energía. A continuación, el Tema 6.3, Transferencia de calor y equilibrio térmico, donde verás cómo se mueve realmente la energía entre las partículas.

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Alineación con AP

Esta lección cubre el Tema 6.2, Diagramas de energía, de la Unidad 6 (Termoquímica) de la Descripción del curso y del examen (CED, por sus siglas en inglés) de AP Chemistry del College Board. Objetivo de aprendizaje:

  • 6.2.A: Representar una transformación química o física con un diagrama de energía.

Conocimiento esencial: 6.2.A.1

Habilidad sugerida: 3.A Representación de datos y fenómenos. Representar fenómenos químicos con técnicas de graficación adecuadas, incluidas la escala y las unidades correctas.

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