Reflexionar y responder

¿Por qué se utiliza aceite de nujol en lugar de agua para calentar la pila?

Porque el aceite de nujol al ser un compuesto orgánico presenta enlaces covalentes que evitan que circule electricidad a través del mismo, ya que el agua al ser conductora podría provocar un corto circuito. Otra de las razones por las cuales es usado es debido a que es un aceite con un alto punto de ebullición puede ser usado como un medio en el cual la temperatura permanezca constante y uniforme.

¿Cuál es la finalidad de utilizar una hielera de unicel para colocar el baño térmico?

Porque las paredes de unicel son paredes "adiabáticas" por lo que el aumento de la temperatura del agua se mantendrá la mayor parte del tiempo constante y eso conlleva a que el aceite de nujol también presente un aumento de temperatura constante.

¿Cuáles son los cambios energéticos que se llevan a cabo en la pila?

Al llevarse a cabo la reacción de óxido-reducción hay una transferencia de electrones, por lo que se obtiene una diferencia de potencial a partir de la cual se obtiene energía eléctrica.

De acuerdo con los resultados experimentales, explicar:

Las condiciones de temperatura en las cuales la reacción es más favorable y porqué.

A bajas temperaturas se obtuvo una mayor diferencia de potencial, por lo que el sistema es más eficiente si la temperatura del mismo es menor que la temperatura del ambiente.

Si la reacción es exotérmica o endotérmica y porqué.

La reacción es exotérmica debido a que se observó que al aumentar la temperatura la pila era menos eficiente, por lo que estábamos suministrando más calor al sistema, por lo que desplazábamos el equilibrio del sistema hacia los reactivos.

Si aumenta o disminuye el desorden al transformarse los reactivos en productos y porqué.

Disminuye el desorden ya que como ΔS es menor que cero, eso nos dice que el estado final tiene menos desorden que el estado inicial ya que en la reacción se pasa de un estado con más especies químicas a un estado en donde hay menos especies por lo que se presenta un menor desorden.

Determinar ΔH°r, ΔS°r y ΔG°r a 298.15 K para las siguientes reacciones, explicando en cada caso si la reacción es o no espontánea, si es exotérmica o endotérmica y si aumenta o disminuye el desorden al transformarse los reactivos en productos, en esas condiciones. Buscar los datos de deΔH°m,f, ΔG°m,f, y S°m que se requieran de la literatura.

a) 2 NH3 (g) → N2 (g) + 3 H2 (g)

ΔH°r= ΔH°f(N2,g) + 3*ΔH°f(H2,g) - 2*ΔH°f(NH3,g) = 0 + 3*0 - 2*(-46.19 kJ/mol) = 92.38 kJ/mol - La reacción es endotérmica en esas condiciones. ΔS°r = S°f(N2,g) + 3* S°f(H2,g) - 2*S°f(NH3,g) = 191.49 J/mol K + 3*(130.59 J/mol K) - 2*(192.51 J/mol K) = 198.24 J/mol K - En la reacción el desorden aumenta en esas condiciones.ΔG°r = ΔH°r - T*ΔS°r = 92.38 kJ/mol - (298.15 K)(0.19824 kJ/mol K) = 33.28 kJ/mol - La reacción no es espontánea en esas condiciones.

b) CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g)

ΔH°r = ΔH°f(CaO,s) + ΔH°f(CO2,g) - ΔH°f(CaCO3,s) = -633.55 kJ/mol -393.51 kJ/mol - (-1206.88 kJ/mol) = 179.82 kJ/mol - La reacción es endotérmica en esas condiciones. ΔS°r = S°f(CaO,s) + S°f(CO2,g) - S°f(CaCO3,s)= 39.75 J/mol K + 213.64 J/mol K - 92.89 J/mol K = 160.5 J/mol K - En la reacción el desorden aumenta en esas condiciones.ΔG°r = ΔH°r - T*ΔS°r = 179.82 kJ/mol - (298.15 K)(0.1605 kJ/mol K) = 131.97 kJ/mol - La reacción no es espontánea en esas condiciones.

c) CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (l)

ΔH°r = 2*ΔH°f(H2O,l) + ΔH°f(CO2,g) - ΔH°f(CH4,g) -2*ΔH°f(O2,g) = 2*(-285.84 kJ/mol) -393.51 kJ/mol - (-74.85 kJ/mol) - 2*0 = -890.34 kJ/mol - La reacción es exotérmica en esas condiciones. ΔS°r = 2*S°f(H2O,l) + S°f(CO2,g) - S°f(CH4,g) -2*S°f(O2,g) = 2*(69.94 J/mol K) + 213.64 J/mol K - 186.19 J/mol K - 2*( 205.03 J/mol K) = -242.73 J/mol K - En la reacción el desorden disminuye en esas condiciones. ΔG°r = ΔH°r - T*ΔS°r = -890.34 kJ/mol - (298.15 K)(-0.24273 kJ/mol K) = -962.71 kJ/mol - La reacción es espontánea en esas condiciones.

d) H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l)

ΔH°r = ΔH°f(H2O,L) - ½ ΔH°f(O2,g) - ΔH°f(H2,g) = -285.84 kJ/mol - 0 - 0 = -285.84 kJ/mol - La reacción es exotérmica en esas condiciones. ΔS°r = S°f(H2O,l) - ½ S°f(O2,g) - S°f(H2,g) = 69.94 J/mol K - ½*(205.03 J/mol K) - 130.59 J/mol K = -163.165 J/mol K - En la reacción el desorden disminuye en esas condiciones. ΔG°r = ΔH°r - T*ΔS°r = -285.84 kJ/mol - (298.15 K)(-0.163165 kJ/mol K) = -237.19 kJ/mol - La reacción es espontánea en esas condiciones.

En un experimento, se determinó la variación del potencial eléctrico como función de la temperatura para una celda de Daniell, obteniéndose los siguientes datos:

T / (K) 283.15 288.15 293.05 298.35 303.25 307.95 E° / (V) 1.1051 1.1041 1.1034 1.1025 1.1017 1.1008

La reacción global que se lleva a cabo en la celda es: Cu2+(ac) + Zn (s) → Cu (s) + Zn+(ac).

Con esta información, determinar ΔH°r, ΔS°r y ΔG°r a 298.15 K, explicando la interpretación física de la variación de cada una de las propiedades termodinámicas en esas condiciones.

Si para el proceso anterior hacemos una regresión lineal se obtiene la ecuación que relaciona los puntos de la recta: W = -49318.98*T + 14077765.63 [J] y una r = 0.99913 Entonces, se concluye que:

ΔH°r = 14077.7656 kJ/mol ΔS°r = 49.31898 kJ/mol K ΔG°r = ΔH°r - T*ΔS°r = [ 14077.7656 - (298.15)*(49.31898) ] kJ/mol = -626.6883 kJ/mol

Los datos nos dicen que el proceso es endotérmico a esa temperatura, que el desorden aumenta ya que ΔS°r< 0, y que a esas condiciones el proceso es espontáneo ya que ΔG°r< 0

El dióxido de nitrógeno (NO2) es un gas tóxico que se produce en los motores de combustión interna, el cual tiende a dimerizarse, de acuerdo con la siguiente reacción: 2 NO2 (g) → N2O4 (g). Los datos de ΔH°f y S° a 298.15 K se presentan a continuación en la siguiente tabla:

Compuesto: ΔH°f / (kJ/mol) S° / (J/mol K) NO2 (g) 33.18 240.06 N2O4 (g) 9.16 304.29

a) Calcular ΔH°r, ΔS°r y ΔG°r a 298.15 K

ΔH°r = [ 9.16 -2(33.18) ] kJ/mol = -57.2 kJ/mol ΔS°r = [ 240.06 -2(304.29) ] J/mol K = -368.52 J/mol K ΔG°r = ΔH°r - T*ΔS°r = [ -57.2 -(298.15)(-0.36852) ] kJ/mol = 109.874238 kJ/mol

b) Asumiendo que ΔH°r y ΔS°r son independientes de la temperatura, ¿En qué condiciones se favorecerá la formación del dímero N2O4, a bajas o altas temperaturas y por qué?

Debido a que el proceso es exotérmico, se deberá de disminuir la temperatura para que sea un proceso espontáneo y mucho más eficiente, indicado cuando ΔG°r< 0 para que así la contribución entálpica que tiene signo negativo no le gane a la contribución entrópica que cambia de signo por la ecuación de ΔG°r .

Aplicación de lenguaje termodinámico.

Definir cuál es el sistema termodinámico

Consiste en el vaso de precipitado, matraz Erlenmeyer con aceite de nujol,termómetro, agua, voltímetro y pila.

¿Cuántos componentes tiene el sistema y cuáles son?

Son 7 y son lo que se mencionaron anteriormente.

Clasificar el sistema deacuerdo: número de fases, con su interacción con el entorno

Es un sistema abierto y tiene dos fases que son el aceite de nujol y el agua fría.

¿Cuáles son las paredes del sistema y cómo se clasifican?

Son rígidas, adiabáticas y son impermeables.

Cuestionario final.

¿Qué aprendí?

Que existe una relación entre una reacción química con la entropía, entalpía y energía libre de Gibbs.

¿Cómo lo aprendí?

Al utilizar una reacción química de una pila de plata y variando la temperatura del sistema.

¿Qué es lo que se dificultó entender?

El significado físico de los potenciales termodinámicos.

Conclusiones:

Con los valores obtenidos de ∆G (con respecto a la temperatura) y E° llegamos a la conclusión de que nuestra reacción es exotérmica (∆H < 0) y que disminuye el desorden (∆S < 0) por lo tanto entre mas aumentamos la temperatura, la reacción invierte su espontaneidad. Además podemos decir que el potencial eléctrico es inversamente proporcional a la temperatura. Por último concluimos que las pilas electroquímicas utilizan la oxido-reducción para mover sus electrones por medio del canal iónico que va del ánodo (en donde se lleva a cabo la reacción de oxidación) al cátodo (en donde se lleva a cabo la reacción de reducción), para generar energía eléctrica.