- definir y utilizar los términos: (a) entalpía de atomización, $\Delta H_{\text{at}}$ (b) energía reticular, $\Delta H_{\text{latt}}$ (el cambio de iones en fase gaseosa a red cristalina sólida)
- (a) definir y utilizar el término primera afinidad electrónica, EA (b) explicar los factores que afectan las afinidades electrónicas de los elementos (c) describir y explicar las tendencias en las afinidades electrónicas de los elementos del Grupo 16 y del Grupo 17
- construir y utilizar ciclos de Born–Haber para sólidos iónicos (limitado a cationes +1 y +2, aniones –1 y –2)
- realizar cálculos que involucren ciclos de Born–Haber
- explicar, en términos cualitativos, el efecto de la carga iónica y del radio iónico sobre la magnitud numérica de una energía reticular
Energetica química
A-Level Química · Tema 23
8:02
Energetica química (A2)
El sodio es un metal blando que arde en el aire. El cloro es un gas sofocante y venenoso. Juntarlos da sal de mesa. Formar una mol de ella libera una…
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23.1
Energía reticular y ciclos de Born–Haber
Syllabus
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Estos ciclos utilizan varios cambios de entalpía 焓变 ($\Delta H$). Dos de ellos son nuevos:
- el cambio de entalpía de atomización 原子化焓变, $\Delta H_{\text{at}}$ — la energía necesaria para formar un mol de átomos gaseosos a partir de un elemento. Siempre es positivo (se deben romper enlaces).
- la energía reticular 晶格能, $\Delta H_{\text{latt}}$ — el cambio de energía cuando se forma un mol de una red iónica sólida a partir de sus iones gaseosos. Siempre es negativa (se forman enlaces fuertes).
Afinidad electrónica
La primera afinidad electrónica 电子亲和能 (AE) es el cambio de energía cuando un mol de átomos gaseosos gana cada uno un electrón para formar un mol de iones $1-$. La primera AE suele ser negativa.
Los mismos factores que aplican a la energía de ionización lo hacen aquí (carga nuclear, radio atómico, apantallamiento). Al descender en el Grupo 16 o 17, la AE se vuelve menos exotérmica, porque el átomo es más grande y atrae al electrón extra con menos fuerza. (El elemento del extremo superior es una excepción: su átomo es tan pequeño que la repulsión entre electrones hace que su AE sea menos exotérmica que la del elemento inmediatamente inferior.)
Ciclos de Born–Haber
Un ciclo de Born–Haber 玻恩哈伯循环 es un ciclo energético que vincula el cambio de entalpía de formación de un sólido iónico con su atomización, energía de ionización, afinidad electrónica y energía reticular. Usando la ley de Hess, se recorre el ciclo para encontrar cualquier paso desconocido. (Solo se necesitan cationes $+1$ y $+2$ y aniones $-1$ y $-2$.)
Ejemplo resuelto. Encuentre la energía reticular del cloruro de sodio a partir de estos datos (kJ mol⁻¹): entalpía de formación $\Delta H_f = -411$; atomización $\Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) = +107$ y $\Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) = +122$; primera energía de ionización del Na $= +496$; afinidad electrónica del Cl $= -349$.
Por la ley de Hess, la ruta de formación directa es igual a la ruta hacia arriba y alrededor del ciclo:
$$\Delta H_f = \Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) + \Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) + \text{IE}_1 + \text{EA} + \Delta H_{\text{latt}},$$
por lo tanto $\Delta H_{\text{latt}} = -411 - (107 + 122 + 496 - 349) = -787\ \text{kJ mol}^{-1}.$
¿Qué controla el tamaño de la energía reticular?
La energía reticular es más negativa (más fuerte) cuando:
- la carga iónica es mayor (ej. $\text{Mg}^{2+}$ supera a $\text{Na}^+$).
- el radio iónico es menor.
Ambos factores aumentan la atracción entre los iones.
Explorar
El ciclo de Born–Haber
La energía reticular no se puede medir directamente, por lo que se determina a partir de un ciclo de pasos medibles.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/ | 焓变 | hán biàn |
| enthalpy change of atomisation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv əˌtɒmaɪˈzeɪʃn/ | 原子化焓变 | yuán zi huà hán biàn |
| lattice energy/ˈlætɪs ˈenədʒi/ | 晶格能 | jīng gé néng |
| electron affinity/ɪˈlektrɒn əˈfɪnɪti/ | 电子亲和能 | diàn zi qīn hé néng |
| Born–Haber cycle/bɔːn ˈheɪbə ˈsaɪkl/ | 玻恩哈伯循环 | bō ēn hā bó xún huán |
| enthalpy change of hydration/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdreɪʃn/ | 水合焓变 | shuǐ hé hán biàn |
| enthalpy change of solution/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv səˈluːʃn/ | 溶解焓变 | róng jiě hán biàn |
23.2
Entalpías de disolución e hidratación
Syllabus
- definir y utilizar el término cambio de entalpía con referencia a la hidratación, $\Delta H_{\text{hyd}}$, y la disolución, $\Delta H_{\text{sol}}$
- construir y utilizar un ciclo energético que involucre el cambio de entalpía de disolución, la energía reticular y el cambio de entalpía de hidratación
- realizar cálculos relacionados con los ciclos energéticos descritos en 23.2.2
- explicar, en términos cualitativos, el efecto de la carga iónica y del radio iónico sobre la magnitud numérica de un cambio de entalpía de hidratación
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
- el cambio de entalpía de hidratación 水合焓变, $\Delta H_{\text{hyd}}$ — el cambio de energía cuando un mol de iones gaseosos queda rodeado por agua para formar iones acuosos. Es exotérmico.
- el cambio de entalpía de disolución 溶解焓变, $\Delta H_{\text{sol}}$ — el cambio de energía cuando un mol de soluto se disuelve completamente en agua.
Un ciclo energético vincula los tres:
$$\Delta H_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$
(Para disolver, primero se separa la red y luego se hidratan los iones.) Al igual que la energía reticular, $\Delta H_{\text{hyd}}$ es más exotérmico para iones con mayor carga y menor radio.
Explorar
Laboratorio de entalpía de disolución
deltaHsol = energía reticular + términos de hidratación
Cambiar la fuerza de hidratación y ver el desplazamiento de la entalpía de disolución.
23.3
Cambio de entropía, ΔS
Syllabus
- definir el término entropía, $S$, como el número de disposiciones posibles de las partículas y su energía en un sistema dado
- predecir y explicar el signo de los cambios de entropía que ocurren: (a) durante un cambio de estado, por ejemplo, fusión, ebullición y disolución (y sus inversos) (b) durante un cambio de temperatura (c) durante una reacción en la que hay un cambio en el número de moléculas gaseosas
- calcular el cambio de entropía para una reacción, $\Delta S$, dadas las entropías estándar, $S^\ominus$, de los reactivos y productos, $\Delta S^\ominus = \Sigma S^\ominus \text{(products)} - \Sigma S^\ominus \text{(reactants)}$ (no se requiere el uso de $\Delta S^\ominus = \Delta S^\ominus_{\text{surr}} + \Delta S^\ominus_{\text{sys}}$)
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
La entropía 熵 ($S$) mide el número de formas en que las partículas y su energía pueden organizarse en un sistema. Más formas significan más "desorden".
El cambio de entropía 熵变 ($\Delta S$) es positivo cuando aumenta el desorden, y negativo cuando disminuye:
| Cambio | Signo de $\Delta S$ |
|---|---|
| sólido → líquido → gas (fusión, ebullición) o disolución | positivo |
| un aumento de temperatura | positivo |
| una reacción que produce más moléculas de gas | positivo |
| una reacción que produce menos moléculas de gas | negativo |
Se puede calcular a partir de las entropías estándar:
$$\Delta S^{\ominus} = \sum S^{\ominus}(\text{products}) - \sum S^{\ominus}(\text{reactants})$$
Explorar
Laboratorio de cambio de entropía
deltaS = desorden de productos - desorden de reactivos
Aumenta el desorden y observa cómo el cambio de entropía se vuelve más positivo.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| entropy/ˈentrəpi/ | 熵 | shāng |
| entropy change/ˈentrəpi tʃeɪndʒ/ | 熵变 | shāng biàn |
| Gibbs free energy/ɡɪbz friː ˈenədʒi/ | 吉布斯自由能 | jí bù sī zì yóu néng |
23.4
Cambio de energía libre de Gibbs, ΔG
Syllabus
- enunciar y utilizar la ecuación de Gibbs $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$
- realizar cálculos utilizando la ecuación $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$
- determinar si una reacción o proceso será factible mediante el signo de $\Delta G$
- predecir el efecto del cambio de temperatura sobre la factibilidad de una reacción, dados los cambios estándar de entalpía y entropía
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
El cambio de energía libre de Gibbs 吉布斯自由能 decide si una reacción puede ocurrir espontáneamente:
$$\Delta G^{\ominus} = \Delta H^{\ominus} - T\Delta S^{\ominus}$$
Aquí $T$ es la temperatura en kelvin. Una reacción es factible (puede ocurrir) cuando $\Delta G$ es negativo o cero. Por lo tanto, la factibilidad 可行性 depende de la temperatura:
| $\Delta H$ | $\Delta S$ | Cuándo es factible |
|---|---|---|
| negativo | positivo | a todas las temperaturas |
| positivo | positivo | solo a alta temperatura |
| negativo | negativo | solo a baja temperatura |
| positivo | negativo | nunca |
Para encontrar la temperatura de transición, iguale $\Delta G = 0$, lo que da $T = \Delta H / \Delta S$.
Ejemplo resuelto. Una reacción tiene $\Delta H = +120\ \text{kJ mol}^{-1}$ y $\Delta S = +200\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Encuentre $\Delta G$ a $298\ \text{K}$ y la temperatura por encima de la cual la reacción se vuelve factible.
Primero igualar las unidades: $\Delta S = +0.200\ \text{kJ K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Entonces
$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S = 120 - 298 \times 0.200 = +60\ \text{kJ mol}^{-1}\quad(\text{positive, so not yet feasible}).$$
Al igualar $\Delta G = 0$, se obtiene $T = \Delta H/\Delta S = 120/0.200 = 600\ \text{K}$, por lo que la reacción es factible por encima de $600\ \text{K}$.
Explorar
Laboratorio de energía libre de Gibbs
deltaG = deltaH - T deltaS
Mueve la temperatura y observa cuándo deltaG se vuelve negativo.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| feasibility/ˌfiːzɪˈbɪlɪti/ | 可行性 | kě xíng xìng |
23.4
Consejos para el examen
- En un ciclo de Born–Haber, asegúrese de obtener correctamente la dirección y el signo de cada paso (atomización, ionización $+$; afinidad electrónica, formación de red $-$) y aplique la ley de Hess alrededor del mismo.
- La energía reticular es más exotérmica para iones más pequeños y con mayor carga (mayor densidad de carga).
- Prediga el signo de $\Delta S$ a partir de los cambios de estado (más moles de gas = más desorden).
- Use $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$; es factible cuando $\Delta G \le 0$ — convierta $\Delta S$ de $\text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$ ($\div 1000$).
Lecciones interactivas sobre este tema
Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.