Guía para el docente Reactividad y equilibrio químico

Energía en las reacciones químicas

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Guía para el docente

Descripción curricular:

- Nivel: 3.º Medio

- Subsector: Ciencias químicas

- Unidad temática: Reactividad y equilibrio químico

- Palabras clave: entalpía, entropía, energía libre de Gibbs, espontaneidad de la reacción,

reacciones exotérmicas, reacciones endotérmicas, energía.

- Contenidos curriculares: Reactividad y equilibrio químico

- Factores energéticos asociados a la reactividad y al equilibrio químico:

espontaneidad, energía libre y entropía; reacciones exotérmicas y

endotérmicas. Estequiometría.

- Contenidos relacionados:

- 1.º Medio:

El aire. Teoría cinético molecular

Los procesos químicos

- 2.º Medio:

Modelo atómico de la materia

Disoluciones químicas

- 3.º Medio:

Reactividad y equilibrio químico

Cinética química

- 4.º Medio:

Procesos químicos industriales

- Aprendizajes esperados:

- Identifican reacciones y procesos exotérmicos y endotérmicos que

ocurren en la vida cotidiana;

- distinguen entre procesos espontáneos y no espontáneos;

- conocen ejemplos de reacciones químicas espontáneas que ocurren en

el entorno;

- reconocen en su significado y aplicación a casos muy simples los conceptos

de entalpía, entropía y energía libre;

- relacionan a las reacciones químicas con intercambios de energía.

Aprendizajes esperados de esta actividad:

- Comprenden el significado de la entalpía, entropía y energía libre de Gibbs.

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- Hacen cálculos de entalpía, entropía y energía libre de Gibbs.

- Determinan la espontaneidad de una reacción química.

- Determinan si una reacción química es exotérmica o endotérmica.

- Comienzan a identificar la entalpía, entropía y energía libre de Gibbs como

variables que gobiernan todos los procesos.

Recursos digitales asociados de www.educarchile.cl:

- Ficha 17: Termodinámica: entalpía, entropía, energía libre.

- Diapositivas digitales (ppt): Química NM3 “Reactividad y equilibrio químico”

Actividad propuesta para este tema:

En esta actividad los estudiantes calculan valores del cambio de entalpía, entropía y energía libre

de una reacción química, y con ellos identifican si el proceso es endotérmico o exotérmico,

espontáneo o no. Finalmente, reflexionan sobre las leyes de la termodinámica aplicadas en

procesos cotidianos.

Actividad: Energía en las reacciones químicas

1. Mapa de contenidos tratados

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Energía en las reacciones químicas

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2. Desarrollo de la actividad: Energía en las reacciones químicas

Paso 1

Esta actividad se debe realizar después de revisar contenidos de

termodinámica. Los estudiantes deben conocer las variables termodinámicas

como entalpía, entropía y energía libre; por otra parte, deben haber revisado

las leyes de la termodinámica.

Comiencen la actividad repasando tales conceptos. Aquellos valores de entalpía

que determinan si una reacción libera o requiere de energía térmica, y aquellos

valores de entropía y energía libre que determinan la espontaneidad de la

reacción.

Es importante que los estudiantes diferencien entre la espontaneidad de una

reacción y su velocidad (cuánto demora en obtener productos): hay reacciones

que son espontáneas, pero demoran años o miles de años en ocurrir

realmente.

Para la reacción que ocurre a 25 ºC:

)(2)(2)(2)( gggg HCOOHCO +⎯→⎯+

Y utilizando los siguientes datos:

- ∆Hºf CO2 = -393,5 kJ/mol

- ∆Hºf CO = -110,5 kJ/mol

- ∆Hºf H2O= -241,8 kJ/mol

a) Determina si la reacción es exotérmica o endotérmica.

Para determinar si la reacción es exotérmica o endotérmica se debe conocer

la diferencia de entalpía de ésta. Para esto se deben utilizar los datos dados:

)(2)(2)(2)( gggg HCOOHCO +⎯→⎯+

KJHmolKJmolmolKJmolmolKJmolmolH

OHHmolCOHmolCOHmolHHmolH ffff

2.41º)]/8.241)(1()/5.110)(1[()]/5.393)(1()0)(1[(º

)](º)1()(º1[)](º)1()(º)1[(º 222

−=∆−+−−−+=∆

∆+∆−∆+∆=∆

∆Hº < 0, la reacción es exotérmica.

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b) Determina si la reacción es espontánea o no, considerando que la ∆Sº

de la reacción es -42 J/K y la expresión: ∆Gº=∆Hº-T∆Sº.

Como observas en este ejercicio, la entropía es menor que cero, lo que

indicaría que la reacción no es espontánea. Sin embargo, debes fijarte en el

valor de energía libre de la reacción para saber qué es lo que ocurre realmente

debido a que la espontaneidad de la de ésta y por tanto la energía libre

dependen también de la temperatura.

Para este caso, observa el valor de energía libre a 25 ºC.

Para conocer si la reacción es espontánea se debe conocer el valor de ∆Gº,

para lo que se utiliza la expresión ∆Gº=∆Hº-T∆Sº.

JxKJKJx

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1087.2Gº)/42)(298(102.41Gº

SºHº-TGº

−=∆

−−−=∆

∆∆=∆

∆Gº < 0, la reacción es espontánea a 25 ºC, a pesar de que la entropía es

negativa.

c) Suponiendo que la entalpía y la entropía son independientes de la

temperatura, calcula el valor de la energía libre a 800 ºC. Observa ahora

el valor de la energía libre. ¿Es espontánea esta reacción a 800 ºC?

Para realizar este cálculo se necesita la misma expresión que la utilizada

anteriormente.

JKJKJx

4706Gº)/42)(1093(102.41Gº

SºHº-TGº3

=∆−−−=∆

∆∆=∆

∆Gº > 0, la reacción no es espontánea a 800 ºC, sólo lo es a bajas

temperaturas.

Luego de revisar los ejercicios, puede aclararles a sus estudiantes que para

que una reacción sea definitivamente espontánea en el sentido que indica la

reacción, ∆Sº debe ser mayor que cero, y ∆Gº menor que cero. Sin embargo,

hay reacciones en las que ∆Sº es menor que cero y dichas reacciones son

espontáneas solamente a bajas temperaturas.

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Paso 2

La siguiente parte de la actividad ayudará a los estudiantes a comprender

mejor las leyes de la termodinámica y los conceptos aquí revisados.

En la guía se proponen dos ejemplos en los que se ilustra que aquellos

procesos que tienden al desorden gastan menor cantidad de energía y por

tanto son espontáneos, versus aquellos procesos.

Sugerimos leerlos y luego generar una discusión en torno a procesos de la vida

diaria que son espontáneos y otros que no lo son.

Por ejemplo:

- Todas las cosas que nos rodean tienden a estar en equilibrio térmico,

esto es a la misma temperatura que el medio ambiente. Cambiar esta

temperatura requerirá energía.

- Situaciones como poner un hielo a 20 ºC son espontáneas (tendrán ∆G

> 0) y son endotérmicas (requieren energía, tendrán ∆H > 0).

- Oxidación de algunos metales en zonas costeras.

- Disolver una pastilla efervescente.

Paso 3

Puede cerrar esta actividad aclarando dudas acerca de la entalpía, la entropía y

la energía libre.

Así mismo, puede mostrar la presentación digital referida a este tema

disponible en educarchile.cl (Química NM3, “Reactividad y equilibrio químico”).