7.7: Reacciones de formación
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- Definir una reacción de formación y ser capaz de reconocerla.
- Utilizar entalpías de formación para determinar la entalpía de reacción.
La ley de Hess nos permite construir nuevas reacciones químicas y predecir cuáles serán sus entalpías de reacción. Esta es una herramienta muy útil porque no es necesario medir los cambios de entalpía de cada reacción posible. Necesitamos medir solo los cambios de entalpía de ciertas reacciones de referencia, y luego usar estas reacciones para construir algebraicamente cualquier reacción posible y combinar las entalpías de las reacciones de referencia en consecuencia.
Pero, ¿cuáles son las reacciones de referencia? Necesitamos tener algunos conjuntos de reacciones acordados que proporcionen los datos centrales para cualquier ecuación termoquímica.
Las reacciones de formación son reacciones químicas que forman un mol de una sustancia a partir de sus elementos constituyentes en sus estados estándar. El término estados estándar significa como una molécula diatómica, si así es como existe el elemento, y en la fase apropiada a temperaturas normales (típicamente temperatura ambiente). El producto es un mol de sustancia, lo que puede requerir que los coeficientes en el lado reactivo sean fraccionarios (un cambio de nuestra insistencia normal de que todos los coeficientes sean números enteros). Por ejemplo, la reacción de formación para metano (\(\ce{CH4}\)) es
\[\ce{C(s) + 2H2(g) → CH4(g)}\nonumber \]
La reacción de formación para el dióxido de carbono (\(\ce{CO2}\)) es
\[\ce{C(s) + O2(g) → CO2(g)}\nonumber \]
En ambos casos, uno de los elementos es una molécula diatómica porque ese es el estado estándar para ese elemento en particular. La reacción de formación para\(\ce{H2O}\):
\[\ce{2H2(g) + O2(g) → 2H2O(ℓ)}\nonumber \]
—no está en estado estándar porque el coeficiente sobre el producto es 2; para una reacción de formación adecuada, solo se forma un mol de producto. Así, tenemos que dividir todos los coeficientes por 2:
\[\ce{H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(ℓ)}\nonumber \]
A escala molecular, estamos usando la mitad de una molécula de oxígeno, lo que puede ser problemático de visualizar. Sin embargo, a nivel molar, implica que estamos reaccionando solo la mitad de un mol de moléculas de oxígeno, lo que debería ser un concepto fácil de entender para nosotros.
¿Cuáles de las siguientes son reacciones de formación adecuadas?
- \(\ce{H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)}\)
- \(\ce{Si(s) + 2F2(g) → SiF4(g)}\)
- \(\ce{CaO(s) + CO2 → CaCO3(s)}\)
Solución
- En esta reacción, se producen dos moles de producto, por lo que esta no es una reacción de formación adecuada.
- En esta reacción, se produce un mol de una sustancia a partir de sus elementos en sus estados estándar, por lo que esta es una reacción de formación adecuada.
- Se produce un mol de una sustancia, pero se produce a partir de otros dos compuestos, no de sus elementos. Entonces esta no es una reacción de formación adecuada.
¿Es esta una reacción de formación adecuada? Explique por qué o por qué no.
\[\ce{2Fe(s) + 3P(s) + 12O(g) → Fe2(PO4)3(s)} \nonumber \]
- Contestar
-
Esta no es una reacción de formación adecuada porque el oxígeno no está escrito como una molécula diatómica.
Dada la fórmula de cualquier sustancia, deberías poder escribir la reacción de formación adecuada para esa sustancia.
Escribir reacciones de formación para cada una de las siguientes.
- \(\ce{FeO(s)}\)
- \(\ce{C2H6(g)}\)
Solución
En ambos casos, hay un mol de la sustancia como producto, y los coeficientes de los reactivos pueden tener que ser fraccionarios para equilibrar la reacción.
- \(\ce{Fe(s) + 1/2O2(g) → FeO(s)}\)
- \(\ce{2C(s) + 3H2(g) → C2H6(g)}\)
Escribe la ecuación para la formación de\(\ce{CaCO3(s)}\).
- Contestar
-
\[\ce{Ca(s) + C(s) + 3/2O2(g) → CaCO3(s)}\nonumber \]
El cambio de entalpía para una reacción de formación se denomina entalpía de formación y se le da el símbolo Δ H f. El subíndice f es la pista de que la reacción de interés es una reacción de formación. Así, para la formación de FeO (s),
\[Fe(s)+\frac{1}{2}O_{2}(g)\rightarrow FeO(s)\; \; \; \Delta H=\Delta H_{f}=-272kJ/mol\nonumber \]
Tenga en cuenta que ahora estamos usando KJ/mol como unidad porque se entiende que el cambio de entalpía es para un mol de sustancia. Obsérvese también, por definición, que la entalpía de formación de un elemento es exactamente cero porque hacer un elemento a partir de un elemento no es ningún cambio. Por ejemplo,
H 2 (g) → H 2 (g) Δ H f = 0
Las reacciones de formación y sus entalpías son importantes porque estos son los datos termoquímicos que se tabulan para cualquier reacción química. Cuadro\(\PageIndex{1}\) - Entalpías de Formación para Diversas Sustancias, enumera algunas entalpías de formación para una variedad de sustancias; en algunos casos, sin embargo, las fases pueden ser importantes (por ejemplo, para H 2 O).
Es fácil demostrar que cualquier ecuación química general puede escribirse en términos de las reacciones de formación de sus reactivos y productos, algunos de ellos invertidos (lo que significa que el signo debe cambiar de acuerdo con la ley de Hess). Por ejemplo, considere
2NO 2 (g) → N 2 O 4 (g)
Podemos escribirlo en términos de la reacción de formación (inversa) de NO 2 y la reacción de formación de N 2 O 4:
\[2\times \left [ NO_{2}(g) \rightarrow \frac{1}{2}N_{2}(g)+O_{2}(g)\right ]\; \; \; \; \Delta H=-2\times \Delta H_{r}\left [ NO_{2} \right ]=-2(33.1kJ)\\ N_{2}(g)+2O_{2}(g)\rightarrow N_{2}O_{4}(g)\: \; \; \;\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \Delta H=\Delta H_{r}\left [ N_{2}O_{4} \right ]\; \; \; \; \; \; \, =9.1kJ\\ ---------------------------------\\ 2NO_{2}(g)\rightarrow N_{2}O_{4}\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \Delta H=-57.1kJ\nonumber \]
Debemos multiplicar la primera reacción por 2 para obtener la ecuación equilibrada general correcta. Simplemente estamos usando la ley de Hess para combinar los valores Δ H f de las reacciones de formación.
Fuentes: WebBook del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Química (opens in new window); D. R. Lide, ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics, 89a ed. (Boca Raton, FL: CRC Press, 2008); J. A. Dean, ed., Manual de Química de Lange, 14ª ed. (Nueva York: McGraw-Hill, 1992).
Demostrar que la reacción
\[\ce{Fe2O3(s) + 3SO3(g) → Fe2(SO4)3(s)} \nonumber \nonumber \]
se puede escribir como una combinación de reacciones de formación.
Solución
Habrá tres reacciones formativas. El de los productos se escribirá como reacción de formación, mientras que los de los reactivos se escribirán a la inversa. Además, la reacción de formación para SO 3 se multiplicará por 3 porque hay tres moles de SO 3 en la ecuación química equilibrada. Las reacciones de formación son las siguientes:
\[Fe_{2}O_{3}(s)\rightarrow 2Fe(s)+\frac{3}{2}O_{2}(g)\\ 3\times \left [ SO_{3}(g)\rightarrow S(s)+\frac{3}{2}O_{2}(g) \right ]\nonumber \]
\[\ce{2Fe(s) + 3S(s) + 6O2(g) → Fe2(SO4)3(s)}\nonumber \]
Cuando estas tres ecuaciones se combinan y simplifican, la reacción general es
\[\ce{Fe2O3(s) + 3SO3(s) → Fe2(SO4)3(s)}\nonumber \nonumber \]
Escribe las reacciones de formación que rendirán
\[\ce{2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g).} \nonumber \nonumber \]
- Contestar
-
\[2\times \left [ SO_{2}(g)\rightarrow S(s)+O_{2}(g) \right ]\\ 2\times \left [ S(s)+\frac{3}{2} O_{2}(g)\rightarrow 2SO_{3}(g)\right ] \nonumber \nonumber \]
Ahora que las reacciones de formación se han establecido como el tipo principal de reacción termoquímica que se examina en este capítulo, ¿es necesario escribir todas las reacciones de formación cuando el objetivo es determinar el cambio de entalpía de cualquier reacción química aleatoria? No. Hay una manera más fácil. Es posible que hayas notado en todos nuestros ejemplos que los signos se cambian en las entalpías de formación de los reactivos, y los signos no se cambian en las entalpías de formación de los productos. También multiplicamos las entalpías de formación de cualquier sustancia por su coeficiente, técnicamente, incluso cuando es solo 1. Esto nos permite hacer la siguiente afirmación: el cambio de entalpía de cualquier reacción química es igual a la suma de las entalpías de formación de los productos menos la suma de las entalpías de formación de los reactivos. En términos matemáticos,
\[\Delta H_{rxn}=\sum n_{p}\Delta H_{f,p}-\sum n_{r}\Delta H_{f,r}\nonumber \]
donde n p y n r son el número de moles de productos y reactivos, respectivamente (incluso si son solo 1 mol), y Δ H f , p y Δ H f , r son las entalpías de formación del producto y las especies reaccionantes, respectivamente. Este esquema productos-menos-reactivos es muy útil para determinar el cambio de entalpía de cualquier reacción química, si se dispone de los datos de entalpía de formación. Debido a que las unidades molares se cancelan al multiplicar la cantidad por la entalpía de formación, el cambio de entalpía de la reacción química solo tiene unidades de energía (julios o kilojulios).
Utilice el enfoque productos-menos-reactivos para determinar la entalpía de reacción para
\[2HBr(g)+Cl_{2}(g)\rightarrow 2HCl(g)+Br_{2}(l)\\ \Delta H_{f}\; -36.3\; \; \; \; \; \; \; \; 0\; \; \; \; \; \; \; \; \; -92.3\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; 0\; \; \; \; \; kJ/mol\nonumber \]
Solución
Las entalpías de formación se multiplican por el número de moles de cada sustancia en la ecuación química, y la entalpía total de formación para los reactivos se resta de la entalpía total de formación de los productos:
\[\Delta H_{rxn}=\left [ \left ( 2\cancel{mol} \right )\left ( -92.3kJ/\cancel{mol} \right )+\left ( 1\cancel{mol} \right ) \left ( 0kJ/\cancel{mol} \right )\right ]-\left [ \left ( 2\cancel{mol} \right )\left ( -36.3kJ/\cancel{mol} \right )+\left ( 1\cancel{mol} \right ) \left ( 0kJ/\cancel{mol} \right )\right ]\nonumber \]
Todas las unidades mol cancelan. Multiplicando y combinando todos los valores, obtenemos
Δ H rxn = −112.0 kJ
¿Cuál es la entalpía de reacción para esta ecuación química?
\[CO(g)\; \; \; +\; \; H_{2}O(l)\rightarrow \;CO_{2}(g)+H_{2}(g)\\ \Delta H_{f}\; -110.5\; -285.8\; \; \; \; \; \; -393.5\; \; \; \; \; \; \; 0\; \; \; \; \; kJ/mol \nonumber \nonumber \]
- Contestar
-
+2.8 kJ
En la sección 7.2 se mencionó la conexión entre la unidad calórica y la nutrición: la caloría es la unidad común de energía utilizada en la nutrición, pero en realidad consideramos la kilocaloría (deletreada Calorías con una C mayúscula). Una dieta diaria de 2,000 Cal es en realidad 2,000,000 cal, o más de 8,000,000 J, de energía.
Los nutricionistas suelen generalizar el contenido calórico de un alimento separándolo en los tres componentes principales: proteínas, carbohidratos y grasas. La regla general es la siguiente:
| Si la comida es... | Tiene este contenido energético... |
|---|---|
| proteína | 4 Cal/g |
| carbohidrato | 4 Cal/g |
| grasa | 9 Cal/g |
Esta tabla es muy útil. Suponiendo una dieta diaria de 2,000 Cal, si nuestra dieta consiste únicamente en proteínas e hidratos de carbono, solo necesitamos alrededor de 500 g de alimento para sustento, un poco más de una libra. Si nuestra dieta consiste únicamente en grasas, solo necesitamos alrededor de 220 g de alimento, menos de media libra. Por supuesto, la mayoría de nosotros tenemos una mezcla de proteínas, carbohidratos y grasas en nuestras dietas. El agua no tiene valor calórico en la dieta, por lo que cualquier agua en la dieta es caloricamente inútil. (Sin embargo, es importante para la hidratación; además, muchas formas de agua en nuestra dieta son altamente aromatizadas y endulzadas, lo que trae otros problemas nutricionales a tener en cuenta).
Cuando tu cuerpo trabaja, utiliza las calorías proporcionadas por la dieta como su fuente de energía. Si comemos más calorías de las que nuestro cuerpo usa, aumentamos de peso—aproximadamente 1 lb de peso por cada 3,500 Cal adicionales que ingerimos. De igual manera, si queremos bajar de peso, necesitamos gastar 3,500 Cal extra de lo que ingerimos para perder 1 lb de peso. No se necesitan dietas elegantes o de moda; mantener un peso corporal ideal es una cuestión directa de termoquímica, pura y simple.
Claves para llevar
- Una reacción de formación es la formación de un mol de una sustancia a partir de sus elementos constituyentes.
- Las entalpías de formación se utilizan para determinar el cambio de entalpía de cualquier reacción dada.