Calor de Reacción

            El calor de reacción (Q_r) se define como la energía absorbida por un sistema cuando los productos de una reacción se llevan a la misma temperatura de los reactantes, es decir, que el sistema de puede ceder o absorber una cantidad de energía calorífica para que la temperatura se mantenga constante en la reacción química. El calor de reacción se expresa generalmente en términos de calorías o kilocalorías (Kcal). Actualmente también se utiliza el joule (J) como medida de energía cuando se habla de cambios químicos.

            El calor de reacción puede recibir diferentes nombres según el tipo de cambio que se produce en la reacción. Puede nombrarse entonces como: calor de formación, calor de combustión, calor de neutralización, etc.

            Para una definición completa de los estados termodinámicos de los productos y de los reactantes, también es necesario especificar la presión. Si se toma la misma presión para ambos, el calor de reacción es igual al cambio de entalpía del sistema. En este caso podemos escribir:

Nota: La entalpia es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra “H” mayúscula, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno.

            Los calores de reacción se calculan a partir de los calores de formación. Ejemplo:

            Esto se produce ya que el calor de reacción consiste en el cambio de energía que presenta el rompimiento de enlaces y la formación de otros.

Durante las reacciones químicas puede producirse absorción o liberación de energía. Esto indica que tanto los reaccionantes como los productos contienen calor que es característico de su masa. El contenido de calor es una medida de la energía que está acumulada por una sustancia durante su formación. Estas reacciones químicas pueden ser:

• Reacciones endotérmicas: son aquellas reacciones que absorben calor, lo que significa que la energía de las moléculas de los productos (EP) es mayor que la energía de las moléculas de los reaccionantes (ER).

• Reacciones exotérmicas: son aquellas reacciones donde se libera calor, esto significa que la energía de las moléculas de los productos (EP) es menor que la energía de las moléculas de los reaccionantes (ER).

De acuerdo con el criterio termodinámico de signos, para una reacción exotérmica, el calor de la reacción será negativa y para una endotérmica será positiva.

            Si la reacciones es a volumen constante:

Reacciones de este tipo pueden ser:

• Reacciones que se producen en un recipiente cerrado
• Reacciones entre solidos o liquidos sin desprendimiento de gases
• Reacciones entre gases en las que el numero de moles permanece constante

            Si la reacción se realiza a presión constante, el calor de la reacción es igual a la variación de entalpia:

 Ejercicios:

1) Durante la combustión de 1 mol de átomos de azufre en condiciones estándar se desprenden 296,8 kJ y durante la combustión de 1 mol de sulfuro de hidrógeno 560 kJ. Con estos datos determina la variación de entalpía que se produce en el proceso: 2 H2S (g) + SO2 (g) → 2 H2O (l) + 3 S (s)

Solución:

(1) S (s) + O2 (g) → SO2 (g) ; ΔH = –296,9 kJ

(2) H2S (g) + 3/2 O2 (g) → SO2 (g) + H2O (l) ; ΔH = –560 kJ

La reacción: 2 H2S (g) + SO2 (g) → 2 H2O (l) + 3 S (s)

puede considerarse como: 2·(2) – 3·(1) por lo que:

ΔH = 2·(–560 kJ) – 3·(–296,9 kJ) = –229,3 kJ

2) Calcula el calor de formación a presión constante del metano (g) (CH4) a partir de los calores de combustión del C (s), H2 (g) y CH4 (g) cuyos valores son respectivamente -393,5, -285,9 y -890,4 kJ/mol.

Solución:

(1) C (s) + O2 (g) → CO2 (g) ; ΔH = –393.5 kJ

(2) H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l) ; ΔH = –285,9 kJ

(3) CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (l); ΔH = –890,4 kJ

La reacción de formación: C(s) + 2 H2(g) → CH4 (g)

puede considerarse como: (1) + 2·(2) – (3)

ΔH = –393,5 kJ) + 2·(–285,9 kJ) – (–890,4 kJ)

ΔHf = –74,9 kJ/mol

En una fábrica de cemento es necesario aportar al horno 3300 kJ por cada kilogramo de producto. La energía se obtiene por combustión de gas natural (que se considerará metano puro) con aire. Se pide: a) Formule y ajuste la reacción de combustión del gas natural. b) Determine el calor de la combustión completa del gas natural c) Calcule, por tonelada de cemento producido, la cantidad necesaria del gas natural expresada en kg. d) ¿Cuantos metros cúbicos de aire medidos a 1atm y 25ºC serán necesarios para la combustión completa de la cantidad de gas natural del apartado e) Considere que la combustión del gas natural se realiza en condiciones estándar y que el aire contiene un 21% en volumen de oxigeno. ΔHºf : metano: – 74,8kJ/mol; CO2: –393,5kJ/mol y H2O: –285,8kJ/mol R = 0,082 atm l/mol K ; Masas atómicas: C=12, H=1, O=16.