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• Claudio Arrigoni

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MARCO TEORICO

¿QUÉ ES UN EXPERIMENTO? Se define como experimento al procedimiento mediante el cual se trata de verificar una hipótesis planteada al inicio, relacionadas con un determinado fenómeno, por medio del estudio de las correlaciones de la(s) variables que posiblemente son su causa. TERMODINÁMICA Se le llama termodinámica a la parte de la química que se encarga del intercambio energético de un sistema químico con el exterior a través de reacciones químicas. Dentro de la química, y específicamente de la termoquímica, se encuentra el término sistema. Un sistema es una parte pequeña del universo que se aísla para el estudio de este. El resto se denomina entorno. El aislamiento puede ser llevado a cabo de manera real o de una manera ideal. Los sistemas son clasificados de acuerdo a como interactúan con el medio ambiente que los rodea. Estos son: -

Abiertos: intercambian materia y energía. Ejemplo: taza de café, cuerpo humano Cerrados: no intercambian materia pero si energía. Ejemplo: termómetro. Aislados: no intercambian ni materia ni energía. Ejemplo: termos.

En un sistema hay variables del estado, estas se definen como magnitudes macroscópicas, observables y medibles, que permiten describir el estado de un sistema termodinámico, pudiendo variar a lo largo de un proceso. Existen tres variables: -

Presión Volumen Temperatura

Y a su vez existen dos tipos de variables: -

Variable extensiva: Depende de la cantidad de materia y su valor no se puede definir en cualquier punto del sistema. Por ejemplo: la masa, el volumen y el calor

-

Variable intensiva: Es independiente a la cantidad de materia y su valor se puede determinar en cualquier punto del sistema. Por ejemplo: la densidad, la temperatura y la presión

La función del estado es un valor único para cada estado del sistema, su variación solo depende del estado inicial y final y no del cambio desarrollado. Algunas variables serian la

presión, temperatura, energía interna y la entalpia. Las cuáles serán explicadas a lo largo del informe. Dentro de los sistemas están los llamados tipos de procesos teniendo como principal característica que una cierta magnitud se mantiene constante en uno de ellos: -

Isotérmico: Proceso en el cual la temperatura se mantiene constante. Isobárico: Proceso en el cual la presión se mantiene constante. Isocórico: Proceso en el cual el volumen se mantiene constante. Adiabático: Proceso en el que no hay transferencia de calor, pero si intercambio de trabajo entre el sistema y su entorno.

Por otra parte dentro de la termodinámica existen diferentes leyes. Encontrándose en ella la ley cero, segundo principio y tercer principio de la termodinámica, que afectan directamente los experimentos realizados.

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA La ley cero, también conocida con el nombre de la ley del equilibrio térmico, fue enunciada en un principio por Maxwel y llevada a ley por Fowler y expresa que para sistemas que se encuentran en equilibrio térmico, que se define como la igualación de contenido calórico entre dos cuerpos. Debe entenderse como el estado en el cual los sistemas que se encuentran en equilibrio térmico tienen la misma temperatura, que es la medida de energía cinética promedio de las partículas que forman un cuerpo. Siendo esta ley de gran importancia ya que se pudieron construir instrumentos que miden la temperatura de un sistema gracias a que se pudo definir a la temperatura como una propiedad termodinámica y no en función de las propiedades de una sustancia. Una manera simple de explicar la ley cero podría ser poniendo el caso hipotético de que tenemos dos cuerpos uno con mayor energía calórica que el otro, en una cierta cantidad de tiempo, el cuerpo con mayor temperatura, le transferiría parte de ella al otro cuerpo hasta que los dos alcancen un equilibrio. Dentro de la clasificación de los sistemas de la termodinámica se encuentran las reacciones exotérmicas y endotérmicas: -

Reacción exotérmica: La reacción exotérmica se define como una reacción de la cual se desprende energía ya sea en forma de luz o calor. Por lo que los reactantes son más energéticos que los productos y para alcanzar el equilibrio térmico liberan energía. Por lo mismo tienen una variación negativa en la entalpía, es decir: -ΔH A+B→C+D+E

Donde A y B son los reactante, C y D son los productos y E es la capacidad de un sistema para producir un trabajo, es una función de estado y variable extensiva, todo sistema posee una cantidad de energía almacenada llama “Energía interna”. Energía de activación: Es la energía mínima necesaria para alcanzar la etapa de complejo activado. Complejo activado: zona de máxima energía en donde se rompen los enlaces de los reactantes y se forman los enlaces de los productos.

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Reacción endotérmica: La reacción endotérmica es aquella reacción química que incorpora energía. Por lo que los reactantes son menos energéticos que los productos y para alcanzar el equilibrio término debe incorporar energía. Por lo mismo tienen una variación positiva en la entalpía es decir: +ΔH. A+B+E→C+D

ENTALPÍA A lo largo de la investigación, ha surgido el término entalpía que en forma resumida es la transferencia de energía. Energía que se transmite del sistema al entorno o viceversa. Para comprender de mejor manera lo que significa entalpia, explicaremos brevemente el concepto de energía.

La energía (ΔU=Q + W) se puede definir como la capacidad de un sistema para producir un trabajo (mecanismo de transferencia de energía, pero en este caso el intercambio se realiza mediante un dispositivo mecánico entre el sistema y el entorno). Es una función de estado (solo depende de la masa del sistema); y todo sistema posee una cantidad de energía almacenada llamada energía interna (la cual es el resultado de la suma de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de la energías de rotación, traslación, vibración, potencial, entre otras). Entendiendo esto, el concepto de entalpía se torna más sencillo. La entalpía es el contenido de calor de una sustancia, la cual se define como la transferencia de energía que se produce de un sistema a otro como consecuencia de una diferencia en de temperatura para alcanzar el equilibrio térmico a presión constante. En experimentos a presión constante el cambio de entalpía (ΔH), es la diferencia entre la condición final e inicial, por lo que se clasifica en dos categorías: -

Función de estado: tienen un valor único para cada estado del sistema, y su variación solo depende del estado inicial y final y no del camino desarrollado. Variable extensiva: son aquellas que dependen de la cantidad de materia y su valor no se puede definir en cualquier punto del sistema.

El valor de H no se mide, sino que su cambio de valor. Dentro de la entalpia, existen tantos los valores tanto negativos como positivos.: -

Valores negativos: quiere decir que se transfiere energía del sistema al entorno por lo que se clasifica como una reacción exotérmica (-ΔH). valores positivos, esta explica que se transfiere energía del entorno al sistema por lo que se clasifica como una reacción endotérmica (+ΔH).

También existe la entalpía estándar, la cual quiere decir que se da a una temperatura (medida de energía cinética promedio de las partículas que forman un cuerpo) de 298 K o sea 25°C, con una presión de 1 atm y 1 molar. Y finalmente la entalpía se mide en J o KJ dependiendo de cómo se ajuste la reacción. ENTROPÍA También cabe mencionar otro concepto que afecta directamente a los experimentos realizados en el laboratorio. Esta es la entropía:.

La palabra entripia procede del griego, y significa evolución o transformación. Y se define como la medida del desorden del sistema que se puede medir y tabularse (ΔS= S final – S inicial). Para esto, existen las llamadas tablas de S´ (entropía molar estándar) de diferentes sustancias. Siendo la formula de la entropía: ΔS°= Σnp x S° productos – Σnf x S° reactivos Dependiendo de su valor, la entropía va a tender al desorden o al orden: -

ΔS° es mayor a cero, va a tender al desorden (es altamente posible que la reacción sea espontanea) +ΔS ΔS° es menor a cero, va a tender al orden (desaparece la espontaneidad) El gas es el de mayor entropía.

Finalmente, esta se define como una función de estado, y el gas es el que tiene la mayor cantidad de entropía. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA El segundo principio de la termodinámica, se define como: ¨Cualquier proceso espontaneo, la entropía final del universo tiende a aumentar siempre¨. En este caso la ecuación dice que la variación de la entropía del universo es igual a la variación de la entrioua del sistema mas la variacioin de la entropía del entorno la cual debe ser mayor o igual a cero. Pudiendo un sistema perder entropía, lo que quiere decir que se desordena espontanemamente, en dichos casos el entorno se desordena. TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA ¨ La entropía de cualquier sustancia a O K (273 °C) es igual a 0¨ (máximo orden). - Equivale a decir que no se puede bajar de dicha temperatura. - Los S de los elementos en condiciones estándar siempre tienen valores positivos. - En procesos reversibles y a temperatura constante se puede calcular ΔS de un sistema como: ΔS= Q/T - Y si el proceso químico se produce a presión constante. - S° (entropía molar estándar) se mide en J x mol -1 x K -1 (en el caso de mol y K son elevado a menos uno). - ΔS reacción se mide en J x K-1 (elevado a menos uno).

ENERGÍA LIBRE DE GIBBS -

Es la energía que tiene un sistema disponible para ejecutar un trabajo. Todos los sistemas tienen algo de energía para trabajar. En procesos la T constante se define: G= H -T x S ΔG= ΔH – T x ΔS Mediante la energía de Gibbs se sabe si una reacción es espontanea u no. Es el único parámetro que nos da seguridad. En procesos espontáneos ΔG es menor a 0. Si ΔG es mayor a 0, la reacción no es espontaneo. Si ΔG= 0 el sistema está en equilibrio. Incremento de energía libre de una reacción (ΔG) G es una variable de estado. Al igual que el incremento entálpico el incremento de energía libre de una reacción puede obtenerse a partir de ΔG°f de reactivos y productos: ΔG°= Σnp x G°f (productos) – Σnf x G°f (reactivos)

MEZCLAS Y SUSTANCIAS Sustancia es aquella materia que no está mezclada con otra u otras y posee propiedades constantes a una temperatura y presión determinadas o solo a una de estas dos magnitudes. La combinaciones de las sustancias es una mezcla y sus componentes pueden ser separados mediante procedimientos físicos o mecánicos. Existen mezclas sólidas, líquidas y gaseosas. Las mezclas se clasifican en mezclas heterogéneas y mezclas homogéneas: -

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Mezclas homogéneas En este tipo de mezclas son aquellas en las que no se puede ver sus componentes a simple vista. Algunos ejemplos son: el agua de mar, el aire, una solución de sulfato de cobre en agua, el bronce y solución de agua azucarada. Mezclas heterogéneas Es el sistema donde se encuentran dos o más componentes que se distinguen a simple vista o usando un microscopio. Algunos ejemplos son: el granito, en el que se pueden ver claramente sus componentes (cuarzo, feldespato y mica), las tolvaneras (polvo y aire), agua con arcilla y agua con aceite.