Objetivo del trabajo

El presente trabajo lo hicimos con la finalidad de conocer más a fondo los temas implícitos en el índice de la unidad. mediante la investigaciones en forma y conclusiones del equipo. Servirá de referencia para futuras tareas y sobre todo para demostrar que como alumnos aprendimos más acerca de la química y de las aplicaciones en la vida cotidiana.

INDICE

6.- Termoquímica y Electroquímica

6.1.- Termoquímica......................................................................1,2,3,4,5

6.2.- Electroquímica........................................................................5,6,7,8

7.- Conclusión grupal...............................................................................9

8.- Bibliografía........................................................................................10

6.1.- Termoquímica

Naturaleza y tipos de energía

"Energía" es un término bastante utilizado a pesar de que representa un concepto

muy abstracto. Por ejemplo, cuando alguien se siente cansado, se suele decir que

no tiene energía; es común leer sobre la búsqueda de alternativas a fuentes de

energía no renovables. A diferencia de la materia, la energía se reconoce por sus

efectos. No puede verse, tocarse, olerse o pesarse.

La energía generalmente se define como la capacidad para efectuar un trabajo.

Todas las formas de energía son capaces de efectuar un trabajo (es decir, ejercer

una fuerza a lo largo de una distancia), pero no todas ellas tienen la misma

importancia para la química. Por ejemplo, es posible aprovechar la energía

contenida en las olas para realizar un trabajo útil, pero es mínima la relación entre la

química y las olas. Los químicos definen trabajo como el cambio directo de energía

que resulta de un proceso. La energía cinética, energía producida por un objeto en

movimiento, es una de las formas de energía que para los químicos tiene gran

interés. Otras son energía radiante, energía térmica, energía química y energía

potencial.

La energía radiante, o energía solar, proviene del Sol y es la principal fuente de

energía de la Tierra. La energía solar calienta la atmósfera y la superficie terrestre,

estimula el crecimiento de la vegetación a través de un proceso conocido como

fotosíntesis, e influye sobre los patrones globales del clima.

La energía térmica es la energía asociada con el movimiento aleatorio de los

átomos y las moléculas. En general, la energía térmica se calcula a partir de

mediciones de temperatura. Cuanto más vigoroso sea el movimiento de los átomos

y de las moléculas en una muestra de materia, estará más caliente y su energía

térmica será mayor.

La energía química es una forma de energía que se almacena en las unidades

estructurales de las sustancias; esta cantidad se determina por el tipo y arreglo de

los átomos que constituyen cada sustancia. Cuando las sustancias participan en

una reacción química, la energía química se libera, almacena o se convierte en

otras formas de energía.

La energía potencial es la energía disponible en función de la posición de un

objeto. Por ejemplo, debido a su altitud, una piedra en la cima de una colina tiene

mayor energía potencial y al caer en el agua salpicará más que una piedra

semejante que se encuentre en la parte baja de la colina.

La energía química se considera como un tipo de energía potencial porque se

relaciona con la posición relativa y el arreglo de los átomos en una sustancia

determinada.

Los científicos han concluido que, aun cuando la energía se presenta en diferentes

formas interconvertibles entre sí, ésta no se destruye ni se crea. Cuando

desaparece una forma de energía debe aparecer otra (de igual magnitud), y

viceversa. Este principio se resume en la ley de la conservación de la energía: la

energía total del universo permanece constante

Energía cinética y energía potencial

Los objetos, sean pelotas de tenis o moléculas, pueden poseer energía cinética, la

energía de movimiento. La magnitud de la energía cinética, de un objeto depende

de su masa, m, y de su velocidad, v:

Ek = 1 2 mv2

La ecuación nos dice que la energía cinética aumenta al incrementarse la rapidez

del objeto. Por ejemplo, un automóvil que se mueve a 50 millas por hora (mph) tiene

mayor energía cinética que cuando se mueve a 40 mph. Además, para una

velocidad dada, la energía cinética aumenta al incrementarse la masa. Así, una

camioneta grande que viaja a 55 mph tiene mayor energía cinética que un sedán

pequeño que viaja a la misma velocidad, porque la camioneta tiene mayor masa que

el sedán. Los átomos y moléculas tienen masa y están en movimiento; por tanto,

poseen energía cinética, aunque no sea tan evidente para nosotros como la energía

cinética de objetos más grandes.

Unidades de energía

La unidad SI para la energía es el joule, J (se pronuncia “yul”), en honor de James

Prescott Joule (1818-1889), un científico británico que investigó el trabajo y el calor;

1 J = 1 kg-m2/s2. Una masa de 2 kg que se mueve a una velocidad de 1 m/s posee

una energía cinética de 1 J:

Ek = 1 2 mv2 = 1 2 (2 kg)(1 m>s)2 = 1 kg-m2>s2 = 1 J

Un joule no es una cantidad grande de energía, y con frecuencia usaremos

kilojoules (kJ) al hablar de la energía asociada a las reacciones químicas.

Una caloría (cal) se definió originalmente como la cantidad de energía necesaria

para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5°C a 15.5°C. Hoy en día, la caloría

se define en términos del joule:

1 cal = 4.184 J (exactamente)

Una unidad de energía relacionada que se emplea en nutrición es la Caloría

nutricional (tome nota de la mayúscula): 1 Cal = 1000 cal = 1 kcal.

Sistemas y entornos

Cuando usamos la termodinámica para analizar cambios de energía, concentramos

nuestra atención en una parte limitada y bien definida del universo. La porción que

separamos para estudiarla se llama sistema; todo lo demás se denomina entorno.

Cuando estudiamos el cambio de energía que acompaña a una reacción química en

el laboratorio, las sustancias químicas generalmente constituyen el sistema. El

recipiente y todo lo que está más allá se considera el entorno. Los sistemas más

fáciles de estudiar son los sistemas cerrados. Un sistema cerrado puede

intercambiar energía pero no materia con su entorno.

Por ejemplo, consideremos una mezcla de hidrógeno gaseoso, H2, y oxígeno

gaseoso, O2, en un cilindro. El sistema en este caso es sólo el hidrógeno y el

oxígeno; el cilindro, el pistón y todo lo que está más allá (incluidos nosotros) son el

entorno. Si el oxígeno y el hidrógeno reaccionan para formar agua, se libera

energía:

2H2(g) + O2(g) ¡ 2H2O(g) + energía

Aunque la forma química de los átomos de oxígeno e hidrógeno en el sistema se

altera por esta reacción, el sistema no ha perdido ni ganado masa; no intercambia

materia con su entorno. Lo que sí intercambia con su entorno es energía en forma

de calor y trabajo.

Cambios de energía en las reacciones químicas

Hay tres tipos de sistemas

Un sistema abierto puede intercambiar masa y energía, generalmente en forma de

calor con sus alrededores. Por ejemplo, imagine un sistema abierto formado por una

cantidad de agua en un recipiente abierto. Si se cierra el recipiente, de tal manera

que el vapor de agua no se escape o condense en el recipiente, se crea un sistema

cerrado, el cual permite la transferencia de energía (calor) pero no de masa. Al

colocar el agua en un recipiente totalmente aislado, es posible construir un sistema

aislado, que impide la transferencia de masa o energía.

Transferencia de energía: trabajo y calor

Una fuerza es cualquier empuje o tracción que se ejerce sobre un objeto. La fuerza

de la gravedad “tira de” una bicicleta para hacer que baje de la cima de una colina a

la base. La fuerza electrostática “tira de” cargas distintas para juntarlas o “empuja”

cargas iguales para separarlas. La energía que se usa para hacer que un objeto se

mueva contra una fuerza se denomina trabajo. El trabajo, w, que efectuamos al

mover objetos contra una fuerza es igual al producto de la fuerza, F, y la distancia,

d, que el objeto se mueve: w = F x d

Así, efectuamos trabajo cuando levantamos un objeto contra la fuerza de la

gravedad o cuando juntamos dos cargas del mismo signo. Si definimos el objeto

como el sistema, entonces nosotros como parte del entorno estamos efectuando

trabajo sobre ese sistema: le estamos transfiriendo energía.

La otra forma de transferir energía es como calor. El calor es la energía que se

transfiere de un objeto más caliente a uno más frío. Una reacción de combustión,

libera en forma de calor la energía química almacenada en las moléculas del

combustible. El calor eleva la temperatura de los objetos circundantes. Si definimos

como el sistema la reacción que se está efectuando, y todo lo demás como el

entorno, se está transfiriendo energía en forma de calor del sistema al entorno.

6.2.- Electroquímica

Reacciones redox

La electroquímica es la rama de la química que estudia la transformación entre la

energía eléctrica y la energía química. los procesos electroquímicos son reacciones

redox (oxidacion-reduccion) en donde la energía liberada por una reacción

espontanea se convierte en electricidad o la energía eléctrica se aprovecha para

inducir una reacción química.

En las reacciones redox se transfieren electrones de una sustancia a otra. La

reacción entre el magnesio metálico y el acido clorhídrico en un ejemplo de una

reacción redox:

Recuerde que los números que aparecen encima de los símbolos de los electrones

indican sus números de oxidación. La perdida de electrones durante la oxidación de

un elemento se distingue por un aumento en su número de oxidación, La reducción

de un elemento implica una disminución en su número de oxidación debida a la

ganancia de electrones.

Balanceo de las ecuaciones redox

Las ecuaciones para las reacciones redox, son relativamente fáciles de balancear.

Sin embargo, en la práctica nos enfrentamos con reacciones redox más complejas

en las que participan opiniones.

Método del ion-electrón

Este método, la reacción global se divide en dos semireacciones: la reacción de

oxidación y la de reducción. las ecuaciones de estas dos semirreacciones se

balancean por separado y luego se suman para obtener la ecuación global

balanceada.

pasos:

1) Escriba la ecuación no balanceada de la reacción en su forma iónica.

2) La ecuación se divide en dos semirreacciones.

3) En cada semirreaccion se balancean los átomos distintos.

4) En las reacciones que se llevan a cabo en medio acido, para balancear los

átomos se agregan.

5)para balancear las cargas se añaden electrones a un lado de cada semirreaccion.

si es necesario, se iguala el numero de electrones en las dos semirreacciones

multiplicando una de ellas o ambas por los coeficientes apropiados.

6) Se suman las dos semirreacciones y se balancea la ecuación final por inspección.

los electrones a ambos lados de la ecuación se deben cancelar.

7) Se verifica que la ecuación contenga los mismos tipos y números de átomos, así

como las mismas cargas en ambos lados de la ecuación.

La inspección final muestra que la ecuación resultante esta "atómica" y

"eléctricamente" balanceada.

Celdas electroquímicas

Una celda electroquímica es un dispositivo experimental para generar electricidad

mediante una reacción redox espontanea. ( Esta celda también se le conoce como

celda galvánica o voltaica, en honor de los científicos Luigi Galvano y Alessandro

Volta, quienes fabricaron las primeras celdas de este tipo).En una celda

electroquímica, el ánodo es, por definición, el electrón en el que se lleva a cabo la

oxidación, y el cátodo en el electrón donde se efectúa la reducción.

Potencial estándar del electrodo

Las medidas de los voltajes de las células, es decir, de las diferencias de potencial

entre los electrones, son una de las determinaciones que pueden llevarse a cabo

con mayor precisión. Sin embargo, no pueden establecerse con precisión los

potenciales individuales de cada electrodo. si se pudiesen hacer estas medidas,

podríamos obtener voltajes de las células simplemente registrando entre si los

potenciales de electrodo. Se puede llegar a este resultado si se elige arbitrariamente

una determinada semicelda a al que asignamos un potencial de electrodo cero.

FEM de celda

La diferencia de energía potencial por carga eléctrica (la diferencia de potencial)

entre dos electrodos se mide en unidades de volt. Un volt (V) es la diferencia de

potencial necesaria para impartir 1 J de energía a una carga de 1 coulomb (C).

1 V = 1 J/C

La diferencia de potencial entre los dos electrodos de una celda voltaica proporciona

la fuerza motriz que empuja los electrones a lo largo del circuito externo. Por con

siguiente, a esta diferencia de potencial se le llama fuerza electromotriz(“que

provoca movimiento de electrones”), o fem. La fem de una celda, que se denota

como Ecelda, se llama también potencial de celda. Debido a que el Ecelda se mide en

volt, solemos referirnos a ella como el voltaje de celda. En toda reacción de celda

que se lleva a cabo espontáneamente, como la de una celda voltaica, el potencial

de celda es positivo. La fem de una celda voltaica en particular depende de las

reacciones específicas que se llevan a cabo en el cátodo y en el ánodo, de las

concentraciones de reactivos y productos y de la temperatura.

Ecuación de Nernst

La dependencia de la fem de celda respecto de la concentración se obtiene a partir

de la dependencia del cambio de energía libre respecto de la concentración.

Recuérdese que el cambio de energía libre, ΔG, guarda relación con el cambio de

energía libre estándar, ΔG°: ΔG = ΔG° + RT ln Q

La cantidad Q es el cociente de reacción, cuya forma es la de la expresión de la

constante de equilibrio salvo que las concentraciones son las que existen en la

mezcla de reacción en un momento dado. Esta ecuación nos permite hallar la fem

que una celda produce en condiciones no estándar, o bien determinar la

concentración de un reactivo o producto midiendo la fem de la celda.

Conclusión Grupal

Como bien sabemos es importante la observación y el análisis para llegar o alcanzar una meta. Nuestra meta, como un grupo de estudiantes nada diestros en la materia de Química, que deseamos aprender y conservar todos esos conocimientos plasmados en cada una de sus explicaciones; y por supuesto en cada una de estas páginas que hemos preparado.

Después de trabajar en investigaciones y consultar en diferentes fuentes de información que en su mayoría son libros, de que la química no es para nada difícil, es solo que requiere de mucha atención y dedicación; como usted bien lo sabrá.

Concluimos que este trabajo es elemental para la comprensión de los temas aquí tratados, ya que estamos seguros que todos los autores con los que nos apoyamos para el finiquito de este material están en lo correcto y la química es tan elemental para la vida diaria que sin darnos cuenta convivimos con ella todos los días en diferentes manera, nuestra manera de pensar es que si la vemos como algo tan cotidiano es posible que solo con pensar lo tan usado que es, podamos entenderlo de una manera fácil y sencilla con ejemplos de la vida diaria.

Bibliografía

Theodore L. Brown, LeMay, Bursten & Burdge. 2004. Química la Ciencia

Central - 9na Edición. D.R. © 2004 por Pearson Educación de México, S.A.

de C.V.

Ralph H. Petrucci, William S. Harwood, F. Geoffrey Herring. 2003. Química

General - 8va Edición. DERECHOS RESERVADOS @ 2003 respecto a la

primera edición en español por: Educación de México, S.A.

Raymond Chang. 2002. Química General - 7ma Edición. DERECHOS

RESERVADOS © 2002, respecto a la séptima edición en español por

McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.

Jerome L. Rosenberg, Lawrence M . Epstein, Peter J. Krieger. 2009.

QUÍMICA Novena edición. DERECHOS RESERVADOS © 2009 respecto a la

segunda edición en español por: McGRAW-HILL/INTERAMERICANA

EDITORES, S.A. DE C.V.

Raymond CHANG. 2007. Química Novena edición. DERECHOS

RESERVADOS © 2007 respecto a la novena edición en español por

McGRAW-HILLIINTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.