1.2: Entalpía

La termodinámica es el estudio de la relación entre el calor (o energía) y el trabajo. La entalpía es un factor central en la termodinámica. Es el contenido de calor de un sistema. El calor que entra o sale del sistema durante una reacción es el cambio de entalpía. Si la entalpía del sistema aumenta (es decir, cuando se agrega energía) o disminuye (porque se emite energía) es un factor crucial que determina si puede ocurrir una reacción.

A veces, llamamos a la energía de las moléculas que sufren cambio la “entalpía interna”. A veces, lo llamamos la “entalpía del sistema”. Estas dos frases se refieren a lo mismo.

De igual manera, la energía de las moléculas que no participan en la reacción se llama la “entalpía externa” o la “entalpía del entorno”.

En términos generales, los cambios energéticos que observamos en la introducción a la termodinámica fueron cambios en la entalpía. Veremos en la siguiente sección que hay otro factor energético, la entropía, que también debemos considerar en las reacciones. Por ahora, solo veremos la entalpía.

• La entalpía es el contenido de calor de un sistema.
• El cambio de entalpía de una reacción es aproximadamente equivalente a la cantidad de energía perdida o ganada durante la reacción.
• Se favorece una reacción si la entalpía del sistema disminuye con respecto a la reacción.

Esa última afirmación se parece mucho a la descripción de la energética en la página anterior. Si un sistema sufre una reacción y emite energía, su propio contenido energético disminuye. Tiene menos energía sobrante si regalaba algo.

¿Por qué cambia la energía de un conjunto de moléculas cuando ocurre una reacción? Para responder a eso, necesitamos pensar en lo que sucede en una reacción química.

En una reacción, hay un cambio en la unión química. Algunos de los enlaces en los reactivos se rompen, y se hacen nuevos enlaces para formar los productos. Cuesta energía romper los bonos, pero la energía se libera cuando se hacen nuevos bonos.

El hecho de que una reacción pueda seguir adelante puede depender del equilibrio entre estos pasos de fabricación de unión y de ruptura de la unión.

• Una reacción es exotérmica si se libera más energía por la formación de nuevos enlaces que la que se consume al romper enlaces viejos.
• Una reacción es exotérmica si los bonos más débiles se negocian por otros más fuertes.
• Una reacción es endotérmica si la rotura de uniones cuesta más energía que la que se proporciona en la fabricación de uniones.

una gran cantidad de trabajo midiendo las fuerzas de unión, y han recopilado la información en tablas, así que si necesitas saber qué tan fuerte es un vínculo, puedes simplemente buscar la información que necesitas.

Bond	Energía de enlace (kcal/mol)		Bond	Energía de enlace (kcal/mol)
H-H	104		O-H	111
C-C	83		C-H	99
O=O	119		N-H	93
N ^= N	226		C=O	180

Por ejemplo, supongamos que quería saber si la combustión de metano era una reacción exotérmica o endotérmica. Voy a adivinar que es exotérmica, porque esta reacción (y otras similares) se utiliza para proporcionar calor a muchos hogares quemando gas natural en hornos.

La “combustión” del metano significa que se quema en el aire, de manera que reacciona con el oxígeno. Los productos de la quema de hidrocarburos son en su mayoría dióxido de carbono y agua. El átomo de carbono en el metano (CH ₄) se incorpora a una molécula de dióxido de carbono. Los átomos de hidrógeno se incorporan a las moléculas de agua. Hay cuatro átomos de hidrógeno en el metano, así que eso es suficiente para hacer dos moléculas de H ₂ O.

• Cuatro enlaces C-H deben romperse en la combustión del metano.
• Se crean cuatro nuevos enlaces O-H cuando los hidrógenos del metano se agregan a nuevas moléculas de agua.
• Se hacen dos nuevos enlaces C=O cuando el carbono del metano se agrega a una molécula de CO ₂.

La otra pieza del rompecabezas es la fuente de oxígeno para la reacción. El oxígeno está presente en la atmósfera principalmente como O ₂. Debido a que necesitamos dos átomos de oxígeno en la molécula de CO ₂ y dos átomos de oxígeno más para las dos moléculas de agua, necesitamos un total de cuatro átomos de oxígeno para la reacción, que podrían ser proporcionados por dos moléculas de O ₂.

• Se deben romper dos enlaces O=O para proporcionar los átomos de oxígeno para los productos.

En total, son cuatro bonos C-H y dos O=O rotos, más dos C=O y cuatro O-H hechos. Eso es 4 x 99 kcal/mol para los enlaces C-H y 2 x 119 kcal/mol para los enlaces O=O, un total de 634 kJ/mol agregado. La reacción libera 2 x 180 kcal/mol para los enlaces C=O y 4 x 111 kcla/mol para los enlaces OH, totalizando 804 kcal/mol. En general, hay 170 kcal/mol más liberados de lo que se consume.

Eso significa que la reacción es exotérmica, por lo que produce calor. Probablemente sea una buena manera de calentar tu hogar.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Comparar la combustión de etano con la combustión de metano.

1. Escribir una reacción para la combustión de etano, CH ₃ CH ₃, a dióxido de carbono y agua.
2. ¿Cuántas moléculas de dióxido de carbono se producirían a partir de una molécula de etano?
3. ¿Cuántas moléculas de agua se producirían a partir de una molécula de etano?
4. ¿Cuántas moléculas de oxígeno serían necesarias para proporcionar átomos de oxígeno para lograr los pasos de las preguntas (b) y (c)?
5. ¿Cuánta energía se consume/produce por la reacción? Compara este resultado con el de metano.

Contestar

Contestar a

La reacción se da con las siguientes estructuras:

Respuesta b

Debido a que hay dos carbonos en el etano, una molécula de etano dará lugar a dos moléculas de CO ₂.

Respuesta c

Debido a que hay seis hidrógenos en el etano, una molécula de etano dará lugar a tres moléculas de H ₂ O.

Respuesta d

Para hacer dos moléculas de dióxido de carbono (cuatro átomos de oxígeno) y tres moléculas de agua (tres átomos de oxígeno), necesitaríamos siete átomos de oxígeno en total. Dado que las moléculas de oxígeno contienen pares de átomos de oxígeno, solo necesitaríamos 3.5 moléculas de oxígeno.

Respuesta e

Los requerimientos energéticos se exponen en la siguiente tabla. En general, la reacción libera 375.5 kcal por mol de etano quemado. El signo negativo en la tabla suele utilizarse para denotar que se trata de un exceso de energía liberada (mientras que un signo positivo indicaría que la energía se consume en general).

	Rompiendo Bonos	Costos (kcal/mol)	Suma de Costo	Fabricación de bonos	Liberaciones (kcal/mol)	Suma de liberación	En general (kcal/mol)
	6 x C-H	6 * 99	594	6 x O-H	6 * 111	666
	3.5 x O=O	3.5 * 119	416.5	4 x C=O	4 * 180	720
	1 x C-C	83	83
tota l		rompiendo:	1093.5		fabricación:	1386	-292.5

Eso es más energía de la que se produjo a partir de una molécula de metano (-170 kcal/mol).

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

El proceso Haber-Bosch se utiliza para hacer amoníaco como fertilizante. Emplea la reacción de gas hidrógeno (H ₂) con nitrógeno atmosférico (N ₂) en una proporción 3:1 para producir amoníaco (NH ₃).

1. Escribe una reacción para el proceso Haber-Bosch.
2. ¿Cuántas moléculas de amoníaco se producirían a partir de una molécula de nitrógeno?
3. ¿Cuánta energía se consume/produce por la reacción?