Termoquímica

Objetivo de aprendizaje 6.1.A: Explicar la relación entre las observaciones experimentales y los cambios de energía asociados a una transformación química o física.

• 6.1.A.1 Los cambios de temperatura en un sistema indican cambios de energía.
• 6.1.A.2 Los cambios de energía en un sistema pueden describirse como procesos endotérmicos y exotérmicos, tales como el calentamiento o enfriamiento de una sustancia, cambios de fase o transformaciones químicas.
• 6.1.A.3 Cuando ocurre una reacción química, la energía del sistema ya sea disminuye (reacción exotérmica), aumenta (reacción endotérmica) o permanece igual. Para las reacciones exotérmicas, la energía perdida por las especies que reaccionan (sistema) es ganada por los alrededores, mediante transferencia de calor o trabajo realizado por el sistema. De manera similar, para las reacciones endotérmicas, el sistema gana energía de los alrededores mediante transferencia de calor hacia él o trabajo realizado sobre el sistema.
• 6.1.A.4 La formación de una solución puede ser un proceso exotérmico o endotérmico, dependiendo de las fuerzas relativas de las interacciones intermoleculares/interparticulares antes y después del proceso de disolución.

Objetivo de Aprendizaje 6.2.A: Representar una transformación química o física mediante un diagrama de energía.

• 6.2.A.1 Un proceso físico o químico puede describirse mediante un diagrama de energía que muestra la naturaleza endotérmica o exotérmica de dicho proceso.

Objetivo de aprendizaje 6.3.A: Explicar la relación entre la transferencia de energía térmica y las colisiones moleculares.

• 6.3.A.1 Las partículas de un cuerpo más caliente tienen una mayor energía cinética promedio que las de un cuerpo más frío.
• 6.3.A.2 Las colisiones entre partículas en contacto térmico pueden resultar en la transferencia de energía. Este proceso se denomina "transferencia de calor", "intercambio de calor" o "transferencia de energía como calor".
• 6.3.A.3 Eventualmente, se alcanza el equilibrio térmico a medida que continúan las colisiones entre las partículas. En el equilibrio térmico, la energía cinética promedio de ambos cuerpos es la misma, y por lo tanto, sus temperaturas son iguales.

Objetivo de Aprendizaje 6.4.A: Calcular el calor $q$ absorbido o liberado por un sistema que experimenta calentamiento/enfriamiento, basado en la cantidad de sustancia, la capacidad calórica y el cambio de temperatura.

• 6.4.A.1 El calentamiento de un cuerpo frío por un cuerpo más caliente es una forma importante de transferencia de energía entre dos sistemas. La cantidad de calor transferida entre dos cuerpos puede cuantificarse mediante la ecuación de transferencia de calor:

  • Ecuación: $q = mc\Delta T$.

  Los experimentos de calorimetría se utilizan para medir la transferencia de calor.

• 6.4.A.2 La primera ley de la termodinámica establece que la energía se conserva en los procesos químicos y físicos.

• 6.4.A.3 La transferencia de una cantidad dada de energía térmica no producirá el mismo cambio de temperatura en masas iguales de materia con diferentes capacidades calóricas específicas.

• 6.4.A.4 Calentar un sistema aumenta la energía del sistema, mientras que enfriar un sistema disminuye la energía del sistema.

• 6.4.A.5 La capacidad calórica específica de una sustancia y la capacidad calórica molar se utilizan en los cálculos de energía.

• 6.4.A.6 Los sistemas químicos cambian su energía a través de tres procesos principales: calentamiento/enfriamiento, transiciones de fase y reacciones químicas.

• 6.4.A.7 En experimentos de calorimetría que involucran disolución, los cambios de temperatura de la mezcla dentro del calorímetro pueden utilizarse para determinar la dirección del flujo de energía. Si la temperatura de la mezcla aumenta, se libera energía térmica por el proceso de disolución (exotérmico). Si la temperatura de la mezcla disminuye, se absorbe energía térmica por el proceso de disolución (endotérmico).

Objetivo de aprendizaje 6.5.A: Explicar los cambios en el calor $q$ absorbido o liberado por un sistema que experimenta una transición de fase, basándose en la cantidad de sustancia en moles y la entalpía molar de la transición de fase.

• 6.5.A.1 Debe transferirse energía a un sistema para que una sustancia se derrita (o hierva). Por lo tanto, la energía del sistema aumenta cuando este experimenta una transición de fase de sólido a líquido (o de líquido a gas). Del mismo modo, un sistema libera energía cuando se congela (o se condensa). La energía del sistema disminuye cuando este experimenta una transición de fase de líquido a sólido (o de gas a líquido). La temperatura de una sustancia pura permanece constante durante un cambio de fase.
• 6.5.A.2 La energía absorbida durante un cambio de fase es igual a la energía liberada durante un cambio de fase complementario en dirección opuesta. Por ejemplo, la entalpía molar de condensación de una sustancia es igual al negativo de su entalpía molar de vaporización. De manera similar, la entalpía molar de fusión puede utilizarse para calcular la energía absorbida al derretir una sustancia y la energía liberada al congelarla.

Objetivo de aprendizaje 6.6.A: Calcular el calor $q$ absorbido o liberado por un sistema que experimenta una reacción química en relación con la cantidad de sustancia reactiva en moles y la entalpía molar de reacción.

• 6.6.A.1 El cambio de entalpía de una reacción proporciona la cantidad de energía térmica liberada (para valores negativos) o absorbida (para valores positivos) por una reacción química a presión constante.
• 6.6.A.2 Cuando los productos de una reacción se encuentran a una temperatura diferente a la de sus alrededores, intercambian energía con estos para alcanzar el equilibrio térmico. La energía térmica se transfiere a los alrededores cuando los reactivos se convierten en productos en una reacción exotérmica. La energía térmica se transfiere desde los alrededores cuando los reactivos se convierten en productos en una reacción endotérmica.
• 6.6.A.3 La energía potencial química de los productos de una reacción es diferente de la de los reactivos debido al ruptura y formación de enlaces. La diferencia de energía resulta en un cambio en la energía cinética de las partículas, lo cual se manifiesta como un cambio de temperatura.
  • Afirmación de exclusión: Las distinciones técnicas entre entalpía y energía interna no serán evaluadas en el Examen AP. La mayoría de las reacciones estudiadas a nivel AP se llevan a cabo a presión constante, donde el cambio de entalpía del proceso es igual al calor (y por extensión, la energía) de reacción.

Objetivo de aprendizaje 6.7.A: Calcular el cambio de entalpía de una reacción en función de las energías promedio de enlace de los enlaces rotos y formados en la reacción.

• 6.7.A.1 Durante una reacción química, se rompen y/o forman enlaces, y estos eventos modifican la energía potencial del sistema.
• 6.7.A.2 La energía promedio requerida para romper todos los enlaces de las moléculas reactivas puede estimarse sumando las energías promedio de enlace de todos los enlaces presentes en dichas moléculas. De manera similar, puede estimarse la energía promedio liberada al formar los enlaces de las moléculas de producto. Si la energía liberada es mayor que la energía requerida, la reacción es exotérmica. Si la energía requerida es mayor que la energía liberada, la reacción es endotérmica.

Objetivo de aprendizaje 6.8.A: Calcular el cambio de entalpía para un proceso químico o físico basándose en las entalpías estándar de formación.

• 6.8.A.1 Las tablas de entalpías estándar de formación pueden utilizarse para calcular las entalpías estándar de reacción.
  • Ecuación: $\Delta H^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ reactants}$

Objetivo de aprendizaje 6.9.A: Representar un proceso químico o físico como una secuencia de pasos.

• 6.9.A.1 Muchos procesos pueden descomponerse en una serie de pasos. Cada paso en la serie tiene su propio cambio de energía.

Objetivo de aprendizaje 6.9.B: Explicar la relación entre la entalpía de un proceso químico o físico y la suma de las entalpías de los pasos individuales.

• 6.9.B.1 Dado que la energía total se conserva (primera ley de la termodinámica) y cada reacción individual en una secuencia transfiere energía térmica hacia o desde el entorno, la energía térmica neta transferida en la secuencia será igual a la suma de las transferencias de energía térmica en cada uno de los pasos. Estas transferencias de energía térmica son el resultado de cambios en la energía potencial entre las especies en la secuencia de reacciones; por lo tanto, a presión constante, el cambio de entalpía del proceso global es igual a la suma de los cambios de entalpía de los pasos individuales.
• 6.9.B.2 Los siguientes son principios esenciales de la Ley de Hess:
  • i. Cuando se invierte una reacción, el cambio de entalpía permanece constante en magnitud pero cambia de signo matemático.
  • ii. Cuando se multiplica una reacción por un factor $c$, el cambio de entalpía también se multiplica por el mismo factor $c$.
  • iii. Cuando se suman dos (o más) reacciones para obtener una reacción global, los cambios de entalpía individuales de cada reacción se suman para obtener el cambio de entalpía neto de la reacción global.
  • Afirmación de exclusión: El concepto de funciones de estado no será evaluado en el Examen AP.