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Unidad 6: Termoquímica

Química AP · Unidad 6: Termoquímica

6.8 Entalpía de formación

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Pregunta esencial

¿Cómo podemos hallar ΔH sin hacer un experimento?

En el Tema 6.4 medimos cambios de energía con un calorímetro, y en el 6.7 los estimamos con entalpías de enlace. Esta lección te da una tercera manera: una tabla de valores que los químicos ya midieron por ti.

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

Entalpía estándar de formación

La entalpía estándar de formación, ΔHf°, es el cambio de entalpía cuando se forma 1 mol de un compuesto a partir de sus elementos, con todo en su estado estándar. La “f” significa formación, y el “°” significa condiciones estándar.

C(s) + O2(g) → CO2(g), ΔHf° = −393.5 kJ/mol

Los químicos han medido ΔHf° de miles de compuestos. En el examen de AP te dan una tabla. No memorizas estos valores, los usas.

Estados estándar

  • Las condiciones estándar son 25°C y 1 atm.
  • Cada elemento debe estar en su forma más estable en esas condiciones: O2(g), H2(g), N2(g), C(s, grafito), Na(s).
  • Br2(l) y Hg(l) son los únicos dos elementos que son líquidos a temperatura ambiente.

Pregúntate: ¿cómo se ve realmente este elemento sobre una mesa de laboratorio?

Los elementos valen cero

  • Para un elemento en su estado estándar, ΔHf° = 0. Producir O2(g) a partir de O2(g) no cambia nada.
  • El O3(g) está hecho solo de oxígeno, pero no es la forma más estable del oxígeno, así que su ΔHf° no es cero.
  • El estado importa: el H2O(l) vale −285.8 kJ/mol, pero el H2O(g) vale −241.8 kJ/mol. Haz coincidir siempre la fase con la de tu ecuación.

Escritura de una ecuación de formación

H2(g) + ½O2(g) → H2O(l)

  • Exactamente 1 mol de producto.
  • Los reactivos son elementos en su estado estándar.
  • Las fracciones están bien, porque significan moles, no moléculas individuales.

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) está balanceada, pero no es una ecuación de formación. Produce 2 mol de agua, así que su ΔH es el doble de ΔHf°.

ΔH°rxn a partir de una tabla

ΔH°rxn = ΣnΔHf°(productos) − ΣnΔHf°(reactivos)

  • Productos menos reactivos.
  • n es el coeficiente de la ecuación balanceada. Multiplica cada valor por su coeficiente.
  • Los elementos en su estado estándar valen 0. Escribirlos como 0 le muestra a quien califica que pensaste en ellos.

Cuidado con el orden: las entalpías de enlace (6.7) son rotos menos formados, es decir, reactivos menos productos. Las entalpías de formación son productos menos reactivos.

La razón por la que funciona

  1. Descompon los reactivos en elementos. Esto es lo inverso de formarlos, así que el signo cambia: −ΔHf°(reactivos).
  2. Construye los productos a partir de esos elementos: +ΔHf°(productos).
Diagrama de energía con los elementos en ΔHf° = 0 arriba. Una flecha roja sube de los reactivos a los elementos, con la etiqueta descomponer en elementos. Una flecha azul baja de los elementos a los productos, con la etiqueta construir productos. Una flecha punteada de los reactivos a los productos tiene la etiqueta ΔH°rxn.

ΔH depende solo de dónde empiezas y dónde terminas, no del camino. Pasar por los elementos da el mismo ΔH que la reacción directa. Esta idea es la ley de Hess, el siguiente tema.

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Ejemplos resueltos

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

Valores que se usan (kJ/mol): CaCO3(s) −1206.9, CaO(s) −635.1, CO2(g) −393.5, CH4(g) −74.8, H2O(l) −285.8, O2(g) 0.

Ejemplo 1: Descomposición de la piedra caliza

Calcula ΔH°rxn de CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g).

Mostrar la solución
  1. Identifica los datos: CaCO3(s) = −1206.9, CaO(s) = −635.1, CO2(g) = −393.5 kJ/mol. Todos los coeficientes son 1.
  2. Escribe la ecuación: ΔH°rxn = ΣnΔHf°(productos) − ΣnΔHf°(reactivos)
  3. Productos: (−635.1) + (−393.5) = −1028.6 kJ
  4. Reactivos: −1206.9 kJ
  5. Resta: (−1028.6) − (−1206.9) = −1028.6 + 1206.9 = +178.3 kJ
  6. Cifras significativas: todos los valores llegan a las décimas, así que la respuesta también.
  7. Respuesta: ΔH°rxn = +178.3 kJ/molrxn, endotérmica. Por eso los hornos de cal deben calentar la piedra caliza a temperaturas muy altas.

Ejemplo 2: Combustión del metano

Calcula ΔH°rxn de CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l).

Mostrar la solución
  1. Identifica los datos: CH4(g) = −74.8, O2(g) = 0, CO2(g) = −393.5, H2O(l) = −285.8 kJ/mol. El agua es líquida, así que usa el valor del líquido. Fíjate en los coeficientes de 2.
  2. Escribe la ecuación: ΔH°rxn = ΣnΔHf°(productos) − ΣnΔHf°(reactivos)
  3. Productos: 1(−393.5) + 2(−285.8) = −393.5 + (−571.6) = −965.1 kJ
  4. Reactivos: 1(−74.8) + 2(0) = −74.8 kJ
  5. Resta: (−965.1) − (−74.8) = −965.1 + 74.8 = −890.3 kJ. Cuidado con el doble negativo.
  6. Respuesta: ΔH°rxn = −890.3 kJ/molrxn, exotérmica. La estimación con entalpías de enlace del 6.7 (−808) usó vapor de agua y valores de enlace promedio. El método de la tabla es más exacto.

Ejemplo 3: Cálculo de una incógnita

Para C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l), ΔH°rxn = −1367 kJ/molrxn. Halla ΔHf° del etanol.

Mostrar la solución
  1. Identifica los datos: ΔH°rxn = −1367 kJ/molrxn. CO2(g) = −393.5, H2O(l) = −285.8, O2(g) = 0. Sea ΔHf°(C2H5OH) = x.
  2. Escribe la ecuación: ΔH°rxn = ΣnΔHf°(productos) − ΣnΔHf°(reactivos)
  3. Productos: 2(−393.5) + 3(−285.8) = −787.0 + (−857.4) = −1644.4 kJ
  4. Reactivos: 1(x) + 3(0) = x
  5. Sustituye: −1367 = −1644.4 − x
  6. Despeja: x = −1644.4 + 1367 = −277.4
  7. Cifras significativas: −1367 se conoce solo hasta las unidades, así que redondea a −277.
  8. Respuesta: ΔHf°(C2H5OH, l) = −277 kJ/mol. Comprobación: −1644.4 − (−277) ≈ −1367.

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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

  • ΔHf° es el ΔH de producir 1 mol de un compuesto a partir de sus elementos en su estado estándar.
  • Los elementos en su estado estándar tienen ΔHf° = 0.
  • ΔH°rxn = ΣnΔHf°(productos) − ΣnΔHf°(reactivos). Multiplica por los coeficientes.
  • El estado importa. Haz coincidir siempre la fase.

De vuelta a la pregunta esencial: usa una tabla de entalpías estándar de formación. Suma los productos, resta los reactivos y multiplica por los coeficientes. A continuación, el Tema 6.9 Ley de Hess, que explica por qué esto funciona y te deja sumar reacciones como piezas de un rompecabezas.

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Alineación con AP

Esta lección cubre el Tema 6.8, Entalpía de formación, 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:

  • 6.8.A: Calcular el cambio de entalpía de un proceso químico o físico a partir de las entalpías estándar de formación.

Conocimiento esencial: 6.8.A.1

Habilidad sugerida: 5.F Rutinas matemáticas. Calcular, estimar o predecir una cantidad desconocida a partir de cantidades conocidas, eligiendo y siguiendo una ruta de cálculo lógica y cuidando la precisión (por ejemplo, haciendo análisis dimensional y cuidando las cifras significativas).

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