Cambios energéticos

Una bolsa térmica calienta sus alrededores; una bolsa fría instantánea los enfría. En ambos casos, la energía se conserva. Siga hacia dónde se mueve la energía, luego determine si la evidencia apoya el uso previsto del producto. Este tema cubre las secciones AQA Chemistry 8462 4.5.1.1–4.5.2.2. Los cálculos de energía de enlace son Nivel Superior; las pilas y celdas de combustible son solo química, con ecuaciones semirreacción de celdas de combustible Nivel Superior.

Una reacción exotérmica transfiere energía desde los reactivos químicos hacia los alrededores. Los alrededores se calientan, y los productos tienen menos energía que los reactivos en la cantidad transferida. La combustión, muchas reacciones de oxidación y la neutralización son ejemplos. Las bolsas térmicas y las latas auto-calentables usan cambios exotérmicos.

Una reacción endotérmica toma energía de los alrededores. Los alrededores se enfrían; los productos tienen más energía que los reactivos. La descomposición térmica y la reacción del ácido cítrico con bicarbonato de sodio son ejemplos. Algunas bolsas para lesiones deportivas usan cambios endotérmicos. Una caída de temperatura sola no prueba que se haya formado una nueva sustancia: procesos físicos como la disolución también pueden cambiar la temperatura.

Ejemplo de temperatura resuelto. Una mezcla de reacción cambia de 21.0 °C a 15.5 °C sin calefacción o refrigeración externa. Cambio de temperatura = final − inicial = 15.5 − 21.0 = −5.5 °C. La mezcla se enfrió, lo que apoya una interpretación endotérmica: los reactivos químicos tomaron energía de los alrededores. Un termómetro mide temperatura, no el cambio de energía de la reacción directamente. No se requiere cálculo de energía de la solución ni ΔH aquí.

Evalúe un uso con evidencia. Una bolsa térmica debe alcanzar una temperatura adecuada durante el tiempo suficiente sin fugas ni sobrecalentamiento. Una bolsa fría instantánea debe enfriar suficientemente, estar disponible cuando se necesite y limitar residuos. Compare información dada sobre temperatura, duración, almacenamiento, costo y reutilización. Que un cambio químico sea exotérmico no hace por sí mismo una bolsa térmica efectiva. Una batería recargable y una celda de combustible de hidrógeno necesitan una comparación basada en propósito similar más adelante.

Práctica requerida 4: cambios de temperatura en soluciones que reaccionan. Elija una variable, por ejemplo, el volumen total de base añadido a un volumen fijo de ácido. Use soluciones aprobadas por el profesor, protección ocular y una taza aislada sostenida con seguridad en un vaso de precipitados. Mida la temperatura inicial; añada un volumen medido de base, reemplace la tapa, agite suavemente y registre la temperatura más alta. Añada porciones medidas adicionales y registre el volumen total añadido y la temperatura. Mantenga el volumen inicial de ácido, concentraciones, temperaturas iniciales, taza y método de lectura comparables. Repita la investigación con soluciones de partida frescas y calcule promedios para volúmenes correspondientes.

Trazar temperatura contra volumen total añadido. Un aumento seguido de una disminución puede localizar un máximo; use líneas de ajuste adecuadas en las dos regiones para estimar su intersección entre lecturas. No llame al punto medido más alto un punto final exacto. El aislamiento y la tapa reducen el intercambio de calor, pero no lo eliminan. Registre observaciones reales y aparatos durante el trabajo práctico supervisado; este método escrito no reemplaza ese trabajo. Otras comparaciones RP4 pueden usar ácidos con metales/carbonatos o reacciones de desplazamiento.

Un perfil de reacción muestra las energías relativas de reactivos y productos a medida que avanza una reacción. Su eje horizontal es el progreso de la reacción, no el tiempo. Las partículas deben colisionar con suficiente energía para la reacción. La energía de activación es la energía mínima que necesitan las partículas para que ocurra una reacción.

Dibuje ejes etiquetados, luego separe los niveles de reactivos y productos. Únalos con una curva suave que ascienda por encima de ambos niveles. Dibuje la flecha de energía de activación desde el nivel de reactivos hasta el pico; dibuje la flecha del cambio total entre los niveles de reactivos y productos. Los productos exotérmicos están más bajos; los endotérmicos están más altos. Una reacción endotérmica aún tiene una barrera de activación. Un catalizador proporciona una ruta con menor energía de activación; los niveles de reactivos/productos y el cambio total permanecen iguales.

Lectura de perfil resuelta. En una escala de energía relativa proporcionada, los reactivos están en 40, el pico en 110 y los productos en 15. La energía de activación es 110 − 40 = 70 unidades relativas. El cambio neto es 15 − 40 = −25 unidades relativas: la reacción es exotérmica. Usar el pico como nivel inicial para el cambio neto confundiría las dos flechas. Estas son lecturas ilustrativas de perfiles, no un cálculo de calorimetría de disolución.

Una energía de enlace proporciona la energía necesaria para romper un mol de los enlaces indicados en el modelo proporcionado. Romper enlaces de reactivos requiere energía; formar enlaces de productos libera energía. Use la ecuación balanceada para contar enlaces antes de calcular. Un coeficiente multiplica todos los enlaces de esa molécula. Use un valor de doble enlace proporcionado una vez por cada doble enlace.

Para una reacción exotérmica, la formación libera más de lo que requiere la ruptura, por lo que el resultado es negativo. Para una reacción endotérmica, la ruptura requiere más de lo que libera la formación, por lo que el resultado es positivo. La formación de enlaces libera energía incluso en una reacción endotérmica; simplemente libera menos de lo que se requirió para romper los enlaces de los reactivos.

Ejemplo resuelto de conteo de enlaces. Para $\mathrm{2H_2+O_2\rightarrow2H_2O}$, use H–H = 436, O=O = 498 y O–H = 464 kJ/mol. Rompa dos enlaces H–H y uno O=O; forme cuatro enlaces O–H.

La reacción es exotérmica para las cantidades representadas por la ecuación balanceada. Las energías de enlace proporcionadas ofrecen un modelo aproximado; no use la práctica del termómetro para inferir este número sin otro modelo.

Una celda contiene químicos que reaccionan para producir electricidad. Una celda simple usa dos electrodos metálicos diferentes en un electrolito, conectados a través de un circuito externo. Los iones transportan carga en el electrolito; los electrones se mueven por el cable. Mida la diferencia de potencial con un voltímetro. El voltaje depende de los electrodos, el electrolito y las condiciones. Use lecturas proporcionadas para comparar celdas específicas; la reactividad de un metal sola no fija un voltaje universal.

Para una comparación controlada, cambie un electrodo mientras mantiene el otro electrodo, el electrolito y las condiciones de medición comparables. Por ejemplo, si una tabla proporcionada da Zn/Cu = 1.10 V y Fe/Cu = 0.78 V en el mismo electrolito, Zn/Cu produce mayor voltaje bajo esas condiciones. Cambiar el electrolito es otro factor, por lo que impediría atribuir una diferencia solo al metal.

Una batería tiene dos o más celdas conectadas en serie para proporcionar mayor voltaje cuando sus orientaciones se refuerzan mutuamente. Tres celdas idénticas de 1.2 V conectadas de esa manera dan 3 × 1.2 = 3.6 V en el modelo ideal indicado. No conecte terminales directamente juntos; el trabajo escolar real necesita equipo y procedimientos aprobados.

En una celda no recargable, la reacción se detiene cuando se consume un reactivo. Las baterías alcalinas son el ejemplo especificado. En una celda recargable, suministrar una corriente eléctrica externa invierte las reacciones químicas. La carga transfiere energía hacia la celda; no crea energía. No intente recargar una celda no recargable. Evalúe un dispositivo usando el costo de compra dado, número de usos, acceso a carga, residuos, masa y rendimiento. Más usos pueden compensar un costo inicial mayor, pero no prueban automáticamente el menor impacto ambiental.

Una celda de combustible recibe combustible y oxígeno o aire de un suministro externo. El hidrógeno se oxida electroquímicamente, produciendo una diferencia de potencial; la reacción general de hidrógeno-oxígeno produce agua:

La celda puede continuar operando mientras continúen los suministros adecuados. El agua es el producto directo de la reacción. La producción, transporte y almacenamiento de hidrógeno pueden tener otros efectos ambientales, por lo que esta ecuación no demuestra emisiones netas cero durante todo su ciclo de vida. Tanto un vehículo con batería recargable como uno con celda de combustible de hidrógeno pueden no tener escape contaminante en el vehículo. Use datos dados sobre tiempo de repostaje/carga, autonomía, masa, infraestructura, producción de combustible y costo para elegir según un propósito declarado. No afirmé que una celda de combustible sea siempre más limpia o económica.

Nivel Superior: modelo consistente de media ecuación ácida. En el electrodo negativo, el ánodo, el hidrógeno pierde electrones y se oxida. En el electrodo positivo, el cátodo, el oxígeno gana electrones y se reduce. Los electrones fluyen por el circuito externo desde el electrodo de hidrógeno hacia el electrodo de oxígeno.

Cada línea conserva átomos y carga. Al sumarlas, se cancelan cuatro electrones y cuatro iones de hidrógeno, dejando la ecuación general arriba. Estos signos describen una celda que suministra electricidad; no copie los signos de electrodo de la electrólisis alimentada externamente. También es posible un modelo alcalino, pero no mezcle sus ecuaciones de hidróxido con este par ácido. Use equipo educativo aprobado u observaciones proporcionadas; esta lección no requiere almacenamiento de gas improvisado.

Clasificar un cambio según la evidencia de temperatura y explicar el flujo de energía. Evaluar un diseño de paquete caliente/frío dado. Planificar e interpretar la investigación RP4 de temperatura. Dibujar ambos perfiles de reacción suaves con flechas distintas. Para HT, contar enlaces antes de restar los rotos menos los formados. Solo para química, interpretar datos de celda, explicar baterías en serie y recarga, y comparar pilas de combustible de hidrógeno con células recargables usando un límite de evidencia establecido. Para HT de pilas de combustible, balancear ambas ecuaciones semirreacción y cancelar números iguales de electrones.