Página 1 de 5Termodinámica y termoquímica Asesoría 1.1 1. Una empresa automotriz, está realizando algunos ensayos con los nuevos diseños de motor que lanzará al mercado el próximo año. En uno de estos ensayos se trabajó con una mezcla de aire y gasolina encerrados en un cilindro provisto de un pistón móvil. El volumen inicial de la mezcla gaseosa fue 40 cm 3 . En un momento se provocó la reacción de combustión al interior del cilindro, la cual liberó 950 J de energía. La mezcla gaseosa se expandió contra la presión constante de 650 mm Hg y las condiciones del ensayo fueron tales que toda la energía liberada por la combustión se convirtió en el trabajo para empujar el pistón móvil. a. El calor liberado por la combustión ¿corresponde al E o al H del proceso? Justifica tu respuesta. b. ¿Cuáles fueron las condiciones del ensayo (isotérmico, isobárico, isocórico, adiabático)? Justifica tu respuesta. c. Calcula el volumen final de la mezcla gaseosa (1 L atm = 101,325 J). d. Representa el proceso en un diagrama P versus V y sombrea el área correspondiente al trabajo realizado. ¿Este trabajo es hecho por o sobre el sistema? 2. La empresa automotriz trabaja en colaboración con un equipo de ingenieros cuya línea de investigación es el estudio de combustibles. Ellos han estado comparando las propiedades de varios hidrocarburos con las del metano (CH4 (g)) que es el principal componente del gas natural. La combustión completa de metano (en la que se obtiene CO2 (g) y H2O (l)), libera 889,65 kJ/mol lo que equivale a un valor energético de 55,60 kJ/g. Los ingenieros desean comparar los datos referentes a la combustión del acetileno (C2H2(g)) con los del metano, para ello: a. Escribe la ecuación termoquímica de la combustión completa del acetileno y también la ecuación termoquímica correspondiente a la combustión incompleta (en la que se obtiene CO(g) y H2O(l)) de esta sustancia. Toma en cuenta la siguiente información: b. Calcula el valor energético para la combustión completa e incompleta del acetileno y luego elabora una conclusión para los ingenieros ¿alguna de estas combustiones es más conveniente que la combustión completa del metano? Justifica tu conclusión. 3. En una prueba adicional, los ingenieros usan el acetileno como posible combustible para calentar agua. En el ensayo emplean un recipiente cuya capacidad calorífica es 200 J/°C, en su interior colocarán agua a 25°C que desean calentar hasta 85°C. Tomando en cuenta el calor liberado en la combustión completa del acetileno ¿qué cantidad de agua en gramos deberán colocar en el recipiente, si se quema 100 g del combustible para realizar el calentamiento? 4. En los nuevos diseños que la empresa automotriz está preparando, se ha pensado emplear una solución de LiCl(ac) en las baterías que generan la energía eléctrica. Se sabe que el calor de disolución del LiCl(s) es −37,1 kJ/mol. a. Escribe la ecuación termoquímica del proceso de disolución del LiCl(s) para una solución acuosa diluida. b. Calcula la energía reticular del LiCl(s) a partir de la siguiente información: H sublimación del Li(s) = 155 kJ/mol Sustancia C2H2(g) CO2(g) CO(g) H2O(l) H°f 298 (kJ/mol) 227 −393,5 −110,5 −286 Página 2 de 5 Energía de ionización del Li(g) = 520 kJ/mol Energía de enlace del Cl2g) = 242,7 kJ/mol Afinidad electrónica del Cl(g) = −380 kJ/mol H°f del LiCl(s) = −408,3 kJ/mol c. Determina el calor de hidratación del LiCl a partir de la información de a y b. 5. 8. Un mol de argón, Ar. (considerar como gas que se comporta idealmente) inicialmente a 1 atm y 93 °C (estado 1) se somete a los sucesivos cambios: I. 12 Compresión isobárica hasta reducir su volumen a la mitad II. 23 Calentamiento isocórico hasta alcanzar la temperatura inicial. Muestre los cálculos para completar las siguientes Tablas: Tabla 1 Estado T (K) P (atm) V(L) 1 366 1 2 1 3 Página 3 de 5 Tabla 2 (con valores en kJ) 9. El metanol, CH 3 OH (l) es un compuesto muy utilizado como solvente industrial. a. Si la entalpía molar de combustión de este compuesto es igual a –726,25 kJ, a 25° y 1 atm, determine su entalpía de formación y escriba la ecuación termoquímica correspondiente, señalando si es endotérmica o exotérmica. b. Si en la combustión de metanol se hubiesen obtenido 789 mL (medidos a 25°C y P estándar) de dióxido de carbono gaseoso, determine la masa de metanol que se habría quemado y el calor producido a P estándar. c. Si la combustión de 0,8 moles de metanol se hubiese llevado a cabo en un bomba calorimétrica, a 25°C: i. ¿cuál sería el calor transferido por la reacción? ii. Si la bomba (C =104 J/K) contiene 2 litros de agua, ¿cuál fue la variación de temperatura? 10. Un proceso industrial para la obtención de CH 3 OH (g) utiliza como reactivos CO(g) e hidrógeno, H 2 (g), teniendo al vapor de agua como producto adicional. a. Calcule la entalpía de la reacción utilizando las energías de enlace, señalando si es endotérmica o exotérmica. b. Aplique la ley de Hess para calcular la entalpía estándar, a 25°C, de la reacción: CH 4(g) + CO 2 (g) → 2 CO (g) + 2 H 2 (g) utilizando la ecuación escrita en a. y los siguientes datos a 25°C CO (g) + 2 H 2(g) → CH 3 OH (g) H° = − 90,8 kJ CH 4(g) + H 2 O (g) → CO (g) + 3 H 2(g) H° = 206,15 kJ 11. El hidrógeno molecular es un gas incoloro e inodoro. Actualmente es considerado un medio atractivo para la producción de energía ya que su combustión proporciona mayor energía por gramo que cualquier otro combustible común y porque el producto de esta reacción es el agua, un compuesto no contaminante. Un sistema constituido por 1 mol de H2(g) (Cp = 7/2R) a 298K y 2 atm en un cilindro con un pistón móvil es sometido al proceso de 3 etapas ABCD representado en la siguiente figura: Etapa Proceso w q E H 12 isobárico 23 isocórico Enlace C O EE (kJ/mol) 1072 Página 4 de 5 Determine las variables P, T y V desconocidas en A, B, C y D. a. Calcule: - El trabajo realizado en las etapas AB, BC y CD en Joules. - q y ΔE en la etapa CD y ΔH en la expansión isobárica. c. Indique en que proceso se realiza un mayor trabajo ¿en el proceso ABCD o en proceso AD (expansión adiabática), justifique su respuesta apropiadamente (no es necesario realizar cálculos). 12. Los procesos de combustión a altas temperaturas que ocurren en los motores de los automóviles generan monóxido de nitrógeno (NO) en los tubos de escape. Este gas es un precursor de la nube de contaminación que puede observarse en algunas ciudades como Chile y México y que es conocida como el smog fotoquímico. a. Determine la entalpía estándar molar de formación del NO(g): i) Utilizando las entalpías de formación en la ecuación: 4 NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H20(g) ΔH° = − 906,2 kJ/mol ii) Con la misma ecuación, pero esta vez planteando las ecuaciones termoquímicas para aplicar la Ley de Hess b. ¿La reacción será endotérmica o exotérmica?, justifique su respuesta. c. Según su resultado en b) ¿esta reacción se realizaría con un sistema externo de enfriamiento o necesitaría una fuente grande de calor para que ocurra? Justifique. d. Calcule la cantidad de calor desprendida o absorbida cuando reaccionan 2400 mL de N 2(g) a 25°C y 1 atm con suficiente oxígeno (O 2(g) ). 13. El hidrógeno participa en reacciones de adición a dobles o triples enlaces de otras moléculas. Estas reacciones son llamadas reacciones de hidrogenación. a. Utilice los valores de las energías de enlace para hallar el cambio de entalpía de la siguiente reacción de hidrogenación: C2H2(g) + H2(g) C2H4(g) b. Determine la entalpía de formación del C2H4(g), si ΔH°f(C2H2)= 226,73 kJ/mol . 14. Se queman 0,066 moles de un combustible en una bomba calorimétrica de capacidad calorífica 2350 J/K. La bomba contiene 2000 g de agua. Calcule el ΔT que ocurrió en el experimento, considere que ΔH°c del combustible es −1366,91 kJ/mol y que el Δn de la reacción de combustión es igual a cero. 15. Un proceso endotérmico requiere 50000 cal para que se lleve a cabo. Esta energía se obtendrá al condensar vapor de agua a 100ºC y 1atm. En esas condiciones el ΔHvap del agua es 40,656 kJ/mol. a. ¿Qué cantidad de vapor de agua (en gramos) deberán condensar para obtener la energía necesaria para que se lleve a cabo el proceso mencionado? b. ¿En cuánto elevaría su temperatura una barra de cobre (Ce = 0,385 J/g°C) que pesa 5 kg si recibe el calor proveniente de la condensación de 50g de agua. 16. Determine la entalpía de sublimación del Mg(s) con los siguientes datos: i) Mg (g) Mg + (g) + 1e- : 738 kJ ii) Segundo potencial de ionización del Mg(g) : 1450 kJ iii) Energía de enlace del F2(g): 159 kJ Sustancia H2O(g) NH3(g) NO(g) H°f (kJ/mol) -241,8 -46,3 -------- Página 5 de 5 iv) Afinidad electrónica del F(g): -328 kJ v) Energía reticular del MgF2(s): 2962 kJ vi) Calor de formación del MgF2(s): -1123 kJ 17. Cuando se añadieron 5,44 g de NH4NO3(s) a un calorímetro a presión constante que contenía 150 mL de agua se registró que la temperatura disminuyó de 18,6 hasta 16,2 °C. a. Considerando que la capacidad calorífica del calorímetro es despreciable y que la solución resultante tiene un calor específico de 4,2 J/g K, calcule la entalpía molar de disolución del NH4NO3(s). b. Esta sal se encuentra presente en el material de utilería de los equipos de fútbol, en paquetes con dos compartimientos separados. Un compartimiento contiene nitrato de amonio y el otro agua líquida. Cuando estos paquetes son presionados ambos compartimientos son conectados. Explique porque estos paquetes después de ser presionados pueden aliviar la inflamación y el dolor de algunos futbolistas después de un partido. Datos: Tabla: Energías de enlace promedio H = E + RT n C p = C v + R