¿Qué es la entalpía de formación? (Con ejercicios)
La entalpía de formación es el cambio que sufre la entalpía en la formación de un mol de un compuesto o sustancia en condiciones estándar. Se entiende por condición estándar de presión cuando la reacción de formación se lleva a cabo a presión atmosférica de una atmósfera y a temperatura ambiente de 25 grados Celsius o 298,15 Kelvin.
El estado normal de los elementos reactivos en una reacción de formación se refiere al estado de agregación (sólido, líquido o gaseoso) más común de esas sustancias en las condiciones estándar de presión y temperatura.
Estado normal también se refiere a la forma alotrópica más estable de dichos elementos reactivos en las condiciones estándar de reacción.
La entalpía H es una función termodinámica que se define como la energía interna U más el producto de la presión P por el volumen V de la sustancias que intervienen en la reacción química de formación de un mol sustancia:
H = U + P∙V
La entalpía tiene dimensiones de energía y en el Sistema Internacional de medidas se mide en Joules.
Índice del artículo
El símbolo de la entalpía es H, pero en el caso concreto de la entalpía de formación se denota por ΔH0f para indicar que se refiere al cambio experimentado por esta función termodinámica en la reacción de formación de un mol de determinado compuesto en condiciones estándar.
En la notación, el superíndice 0 indica las condiciones estándar, y el subíndice f que se trata de la formación de un mol de sustancia partiendo de los reactivos en el estado de agregación y forma alotrópica más estable de los reactivos en las condiciones estándar.
La primera ley establece que el calor intercambiado en un proceso termodinámico es igual a la variación de la energía interna de la sustancias que intervienen en el proceso más el trabajo realizado por dichas sustancias en el proceso:
Q= ΔU + W
En el caso que nos ocupa, la reacción se lleva a cabo a presión constante, específicamente a la presión de una atmósfera, por lo que el trabajo será el producto de la presión por el cambio de volumen.
Entonces el calor de formación de un determinado compuesto que denotaremos por Q0f se relaciona con el cambio en energía interna y en volumen de la siguiente manera:
Q0f = ΔU + P ΔV
Pero recordando la definición de la entalpía estándar tenemos que:
Q0f = ΔH0f
Diferencia entre entalpía y calor de formación
Esta expresión no significa que el calor de formación y la entalpía de formación sean lo mismo. La interpretación correcta es que el calor intercambiado durante la reacción de formación ocasionó un cambio en la entropía de la sustancia formada en relación con los reactivos en condiciones estándar.
Por otra parte, como la entalpía es una función termodinámica extensiva, el calor de formación siempre se refiere a un mol del compuesto formado.
Si la reacción de formación es exotérmica, entonces la entalpía de formación es negativa.
Por el contrario si la reacción de formación es endotérmica, entonces la entalpía de formación es positiva.
En una ecuación termoquímica de formación no solo deben indicarse los reactivos y los productos. En primer lugar es necesario que la ecuación química esté balanceada de forma tal que la cantidad del compuesto formado sea siempre 1 mol.
Por otra parte en la ecuación química debe indicarse el estado de agregación de reactivos y productos. De ser necesario, también debe indicarse la forma alotrópica de los mismos, ya que el calor de formación depende de todos estos factores.
En una ecuación termoquímica de formación debe indicarse también la entalpía de formación.
Veamos algunos ejemplos de ecuaciones termoquímicas bien planteadas:
H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (g) ; ΔH0f = -241,9 kJ/mol
H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l) ; ΔH0f = -285,8 kJ/mol
H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (s) ; ΔH0f = -292,6 kJ/mol
– Todas están balanceadas en base a la formación de 1 mol de producto.
– Se indica el estado de agregación de los reactivos y del producto.
– Se indica la entalpía de formación.
Nótese que la entalpía de formación depende del estado de agregación del producto. De las tres reacciones, la más estable en condiciones estándar es la segunda.
Debido a que lo que importa en una reacción química y en particular en una de formación es el cambio de entropía y no la entropía misma, se acuerda que los elementos puros en su forma molecular y estado de agregación natural en condiciones estándar tienen entropía de formación nula.
A continuación veamos algunos ejemplos:
O2 (g) ; ΔH0f = 0 kJ/mol
Cl2 (g) ; ΔH0f = 0 kJ/mol
Na (s) ; ΔH0f = 0 kJ/mol
C (grafito) ; ΔH0f = 0 kJ/mol
Sabiendo que para la formación del eteno (C2H4) se requiere aportar 52 kJ de calor por cada mol y que sus reactivos son el hidrógeno y el grafito, escriba la ecuación termoquímica de formación del eteno.
Solución
En primer lugar planteamos la ecuación química y la balanceamos en base a un mol de eteno.
Luego tenemos en cuenta que se requiere aportar calor para que la reacción de formación se lleve a cabo, lo que indica que se trata de una reacción endotérmica y por tanto la entropía de formación es positiva.
2 C (grafito sólido) + 2 H2 (gas) → C2H4 (gas) ; ΔH0f = +52 kJ/mol
En condiciones estándar se mezclan en un recipiente de 5 litros hidrógeno y oxígeno. El oxigeno y el hidrógeno reaccionan completamente sin que sobre ninguno de los reactivos para formar peróxido de hidrógeno. En la reacción se liberaron 38,35 kJ de calor al ambiente.
Plantee la ecuación química y termoquímica. Calcule la entropía de formación del peróxido de hidrógeno.
Solución
La reacción de formación del peróxido de hidrógeno es:
H2 (gas) + O2 (gas) → H2O2 (líquido)
Note que la ecuación ya está balanceada en base a un mol de producto. Es decir, que se requiere un mol de hidrógeno y un mol de oxígeno para producir un mol de agua oxigenada.
Pero el enunciado del problema nos dice que en un recipiente de 5 litros se mezclan hidrógeno y oxígeno en condiciones estándar, por lo que sabemos que cada uno de los gases ocupa 5 litros.
Uso de las condiciones estándar para obtener la ecuación termoquímica
Por otra parte se entiende por condiciones estándar presión de 1 atm = 1,013 x 10⁵ Pa y temperatura de 25 °C = 298,15 K.
En condiciones estándar 1 mol de gas ideal ocupará 24,47 L, como puede verificarse a partir del siguiente cálculo:
V= (1 mol * 8,3145 J/(mol*K) * 298,15 K) / 1,03 x 10⁵ Pa= 0,02447 m³ = 24,47 L.
Como se dispone de 5 L entonces el número de moles de cada uno de los gases está dado por:
5 litros / 24,47 litros/mol = 0,204 moles de cada uno de los gases.
De acuerdo a la ecuación química balanceada se formarán 0,204 moles de peróxido de hidrógeno en los que liberaron 38,35 kJ de calor al ambiente. Es decir, que para formar un mol de peróxido se requieren 38,35 kJ / 0,204 moles = 188 kJ/mol.
Además, como el calor se libera al ambiente durante la reacción, entonces la entalpía de formación es negativa. Resultando finalmente la siguiente ecuación termoquímica:
H2 (gas) + O2 (gas) → H2O2 (líquido) ; ΔH0f = -188 kJ/mol
- Castaños E. La entalpía en las reacciones químicas. Recuperado de: lidiaconlaquimica.wordpress.com
- Termoquímica. Entalpía de reacción. Recuperado de: recursostic.educacion.es
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