15.1: Preludio a la termodinámica

En las secciones de Uso de Ecuaciones Químicas en Cálculos indicamos que el calor es una forma de energía y mostramos cómo la cantidad de energía térmica absorbida o liberada por un cambio químico puede relacionarse con la ecuación química correspondiente. También declaramos la ley de conservación de la energía, y los argumentos en otros apartados a menudo se han basado en la idea de que la energía no puede crearse ni destruirse. La ley de conservación de la energía es la primera de tres importantes leyes que involucran la energía y la materia, que fueron descubiertas hace más de un siglo. Estas leyes se basaban originalmente en el movimiento o transferencia (dinámica) del calor (termo), por lo que la ley de conservación de la energía es referida como la primera ley de la termodinámica.

Asignamos el símbolo ΔH y el nombre entalpía cambian a la cantidad de calor absorbido por un cambio químico o físico bajo condiciones de presión constante. Quizás se pregunte cómo podría absorberse o emitirse la energía térmica cuando los átomos y las moléculas cambian de posición y estructura durante una reacción química, pero aún no hemos desarrollado teorías de unión química, estructura molecular, fuerzas intermoleculares y movimiento molecular hasta el punto de que una satisfactoria se puede dar explicación. Estamos en condiciones de investigar qué puede suceder con las moléculas cuando la materia absorbe o libera calor. Un resultado de este estudio será una comprensión más clara de la entalpía. Al mismo tiempo comenzaremos a apreciar qué factores moleculares contribuyen a que una reacción sea exotérmica o endotérmica. Esto nos da una base sólida para discutir varios aspectos de lo que probablemente sea el problema más importante que enfrenta nuestra sociedad tecnológica en la actualidad: la crisis energética.

La primera ley de la termodinámica (la ley de conservación de la energía) establece que cuando se suministra energía térmica a una sustancia, esa energía no puede desaparecer, debe estar aún presente en los átomos o moléculas de la sustancia. Parte de la energía añadida hace que los átomos o moléculas se muevan más rápido. A esto se le llama energía traslacional. En el caso de las moléculas, que pueden rotar y vibrar, parte de la energía añadida aumenta las energías rotacionales y vibracionales de las moléculas. Se pueden investigar las vibraciones de la molécula de etano arriba en el Jmol. Finalmente, cualquier átomo o molécula tendrá una cierta energía electrónica que depende de lo cerca que estén sus nubes de electrones de los núcleos cargados positivamente.

El total de energías traslacionales, rotacionales, vibracionales y electrónicas es la energía interna de un átomo o molécula. Cuando ocurren reacciones químicas, la energía interna de los productos suele ser diferente de la de los reactivos, y la diferencia aparece como energía térmica en los alrededores. Si la reacción se lleva a cabo en un recipiente cerrado (calorímetro de bomba, por ejemplo), el aumento en la energía interna de los átomos y moléculas es exactamente igual a la energía térmica absorbida del entorno. Si la energía interna disminuye, la energía del entorno debe aumentar; es decir, se emite energía térmica.

Cuando se produce una reacción química a presión constante, como en un calorímetro de taza de café, se produce un cambio en la energía potencial de la atmósfera (dada por P Δ V) así como un cambio en la energía térmica del entorno. Debido a que la energía térmica absorbida se puede medir más fácilmente que P Δ V, es conveniente definir la entalpía como la energía interna más la energía potencial incrementada de la atmósfera. Así, el incremento de entalpía equivale al calor absorbido a presión constante.

Los cambios de entalpía para una variedad de reacciones pueden calcularse a partir de entalpías estándar de formación. También se pueden estimar sumando las entalpías de enlace de todos los enlaces rotos y restando las entalpías de enlace de todos los enlaces formados. Debido a que la entalpía de disociación para el mismo tipo de enlace varía de una molécula a otra, el segundo método no es tan preciso como el primero. Sin embargo, tiene la ventaja de que los cambios de entalpía para las reacciones de un compuesto particular pueden estimarse incluso si el compuesto aún no se ha sintetizado.

El cambio de entalpía para una reacción depende de las resistencias relativas de los enlaces rotos y formados y del número relativo de enlaces rotos y formados. Un buen combustible es una sustancia que puede combinarse con el oxígeno del aire, formando más enlaces y/o enlaces más fuertes que los que originalmente estaban presentes. Los combustibles fósiles, carbón, petróleo y gas natural consisten principalmente en carbono e hidrógeno. Cuando se queman en el aire, se forman fuertes enlaces O—H y C=O en las moléculas resultantes de H ₂ O y CO ₂. El suministro de combustibles fósiles es limitado y constituyen un recurso no renovable. Los suministros de carbón deberían durar otro siglo o dos, pero los suministros de petróleo y gas natural se agotarán esencialmente en medio siglo o menos. Durante las próximas décadas será posible gasificar o licuar carbón para extender nuestro suministro de combustibles gaseosos y líquidos. La conservación de estos combustibles también puede hacer una contribución importante para continuar su uso. Eventualmente, sin embargo, será necesario desarrollar energía nuclear o solar o alguna fuente desconocida de energía si queremos continuar con nuestra actual forma de vida intensiva en energía.