TERMOQUÍMICA

INTRODUCCIÓN

La Termoquímica es la rama de la química que dedica su estudio a los intercambios de energía en las reacciones químicas. Experimentalmente en toda reacción química se manifiesta una variación de la energía debido a la emisión o absorción de calor. 

Pues bien, es esta variación de la energía el objeto de la Termoquímica, a partir del cual podemos hacernos una idea de la importancia que tiene el hecho de que la espontaneidad de muchas reacciones viene determinada por el aspecto energético, además de que muchas otras se dan a modo de aprovechar la energía desprendida, como es el caso de las combustiones. Es muy importante tener en cuenta la variación de la energía en una reacción, pues de ello dependerá que esta se de o no, que el producto sea estable o inestable, que sea más o menos costosa, que sea exotérmica o endotérmica, etc.

Una de las ciencias que está directamente relacionada con la Termoquímica es la Termodinámica en tanto que el estudio de la energía. En ella destacan dos enunciados que corresponden a los dos Principios de la Termodinámica.
 

1º PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA 

Su enunciado es: "En un sistema cerrado, la energía intercambiada en forma de calor y trabajo entre el sistema y los alrededores es igual a la variación de la energía interna del sistema" 

Ahora bien, ¿qué quiere decirnos con esto? Pues nada más y nada menos que confirmar, o aplicar, el principio de conservación de la energía en el Universo (sistema + entorno), de tal modo que en cualquier reacción química, si le transferimos a un sistema cerrado un calor Q, éste producirá un trabajo W, de tal modo que la suma de ambos valores dará como resultado la variación de la energía interna del sistema. De igual modo, la energía que gana el sistema es la misma que la que pierde el entorno, y viceversa en el caso de que el sistema desprenda energía (en forma de calor).

2º PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

En este caso tendríamos que comprender el significado de la entropía, la cual mide el desorden en un sistema. Es decir, la entropía es una función de estado extensiva que mide el desorden de un sistema, de tal modo que a mayor entropía, mayor desorden. Este concepto también está relacionado con la espontaneidad de una reacción. 

Según la espontaneidad de una reacción toda reacción exotérmica (en la cual se libera energía) se realiza por sí misma, pues aunque la mayoría pasa a un estado de menor energía para estabilizarse. Empero no ocurre lo mismo con reacciones endotérmicas como la expansión de una gas, la fusión del hielo, etc. que también son espontáneas. Según la definición de entropía, las reacciones en las que aumenta la entropía son espontáneas, pues los procesos en los que tiene lugar un desorden son más probables que aquellos que entrañan un orden. Este desorden radica en que existen millones de formas en que los átomos pueden estar dispuestos en un espacio tridimensional , de tal forma que el orden sería una millonésima de la probabilidad de su disposición. Así pues, el cambio espontáneo de una posición ordenada a otra desordenada es consecuencia de las leyes de probabilidad. De igual modo que el aumento de la entropía en un sistema produciría reacciones espontáneas en las condiciones adecuadas.

Una vez explicado esto, el enunciado del 2º principio de la Termodinámica dice así: "Todo cambio espontáneo en un sistema supone un aumento de la entropía del Universo"

Según el cual, a la hora de realizarse una reacción espontánea, se produce un aumento de la entropía y, por ende, un aumento del desorden de las partículas constituyentes.

3º PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

Su enunciado es: "La entropía de un cristal perfecto a 0 K es nula"

Este principio viene a decirnos que a 0 K, puesto que el movimiento y el estado de vibración de todo átomo y molécula es nulo, la probabilidad del desplazamiento de las partículas que componen este cristal será también nula, es decir, si no hay movimiento, no hay desorden de partículas y, por ende, la entropía es nula.

"TERMOQUÍMICOS" IMPORTANTES

En este apartado hablaremos sobre los aportes de los distintos científicos a la Termoquímica, así como su importancia en la historia, los avances que se han podido realizar gracias a sus descubrimientos, etc.

Pero antes de dar paso a la descripción de los científicos y sus correspondientes descubrimientos, habría que remarcar, o incidir con especial ahínco en una de las leyes básicas de la Termoquímica, la Ley de Hess, cuyo enunciado afirma lo siguiente: "Cuando los reactivos se convierten en productos, el cambio de entalpía es el mismo independientemente de la reacción que se efectúe en un solo paso o en una serie de pasos consecutivos, de modo que la entalpía del proceso global es la suma de entalpías de cada uno de los procesos parciales" 

Esta ley, cuyo autor fue Henry Hess, tiene como propósito confirmar la ley de conservación de la energía con una aplicación desde el punto de vista de las reacciones químicas.

HENRY HESS (1802 - 1850)

Enunció el principio de la Termoquímica en 1840, según el cual el calor liberado a lo largo de una reacción química es independiente de los procesos intermedios. Ello quedó registrado en su "Ley de la constancia de la suma de los calores de reacción". Probó que la cantidad de calor producida al transformarse una sustancia A en B, es la misma cualquiera que fuese la reacción seguida y las etapas en las que se produjese. Fue por este descubrimiento por el que se le conoce como el fundador de la Termoquímica.

 

 

RUDOLF CLAUSIUS (1823 - 1888)

Generalizó el 2º Principio de la Termodinámica introduciendo el concepto de la entropía en 1865, en tanto que el modo de medir el desorden en un sistema. También investigó la teoría cinética de los gases, según la cual: "El calor no puede transformarse en trabajo constantemente". Probó que el calor no pasa de forma espontánea desde un cuerpo a otro de mayor temperatura.

 

 

 

  

 

J.W GIBBS (1839 - 1903)

Introdujo la función de entalpía libre "G" para el estudio de la espontaneidad y el equilibrio químico. También introdujo el concepto de "potencial químico" en tanto que factor intensivo correspondiente a la masa. Fue además el que enunció el 2º Principio de la Termodinámica, por el cual la energía del Universo se mantiene constante y la entropía aumenta incesantemente hasta llegar a alcanzar un valor máximo.

 

 

 

 

 

 

LUDWIG BOLTZMANN (1844 - 1906)

Desarrolló el significado microscópico de la entropía, demostrando su carácter probabilístico. También demostró que el 2º Principio de la termodinámica es una ley estadística, por el cual, el estado de mayor entropía es, además, el más probable. Dedujo teóricamente la ley experimental de distribución de la energía radiante, descubierta previamente por Stefan, la cual pasó a llamarse "Ley de Stefan - Boltzmann", la cual nos afirma que la radiación total emitida por una cuerpo es equivalente a la temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia.

 

 

 

APLICACIÓN A OTROS ASPECTOS DE LA VIDA

Principalmente se desarrollará este apartado entorno a los aspectos económicos, es decir, la relación de la Termoquímica con la economía, y entorno a los aspectos medioambientales, esto es, la relación de la Termoquímica con el medio ambiente.

RELACIÓN CON LA ECONOMÍA

Siempre se nos ha dicho que el mejor trabajo es aquel que resulte efectivo con la menor cantidad posible de medios para llevarlo a cabo y en el menor tiempo posible.

Pues bien, algo parecido ocurre con las reacciones químicas: aquella que se realice con la menor cantidad de energía de activación (energía necesaria para poner en marcha la reacción química) será aquella que "triunfe" en las industrias, pues, teóricamente, de entre los distintos métodos para llevar a cabo una misma reacción, sólo aquel que se lleve a cabo con la menor cantidad de energía posible será el seleccionado (gracias al uso de catalizadores que disminuyan la energía de reacción, acelerando así el proceso), al ser el más rentable. En esto no sólo influye la energía aportada al proceso, sino también los materiales, o reactivos necesarios para provocar la reacción, pues no es lo mismo, en el caso de la locomoción automovilística, mover una máquina con gasolina que con gasóleo, siendo más barato este último.

En el caso anterior, hay que incidir en que la diferencia de precios en España entre gasolina y gasóleo no es muy significativa a priori. Sin embargo, conforme vamos aumentando la cantidad requerida, y esto se ve claramente en el caso de las industrias, esta diferencia se hace mucho más grande. De forma análoga a esto, el uso de placas fotovoltaicas sería mucho más caro que el uso de butano o propano a la hora de calentar agua mas no por la cantidad en que se compra, sino esta vez por el material usado en cada caso, pues, al estar compuestas las placas fotovoltaica de silicio, un material caro debido a su dificultad a la hora de extraerlo, su precio en el mercado aumenta con respecto a otros materiales como los ya mencionados

Por estas razones, entre otras, se hace bastante importante el hecho de seleccionar bien los materiales empleados para un mismo fin, como es el caso de la combustión para generar energía en forma de calor, pues de ello dependerá la velocidad con que se realice la reacción, pero más aun de su efectividad.

RELACIÓN CON EL MEDIO AMBIENTE

Posiblemente, el tema que más se ajuste a este apartado sea el ya conocido efecto invernadero, mas esta vez visto desde el punto de vista de las reacciones químicas.

Supongamos el caso de la reacción de combustión del butano a la hora de encender el calentador, llevándose a cabo de la siguiente manera:

2 C₄H_10(g) +13 O_2(g)       > 8 CO_2(g) +10 H₂O_(g)  ΔH =  - 2875,8 KJ / mol

Esto es, 2 moles de butano reaccionan con 13 moles de oxígeno molecular para dar lugar a 8 moles de dióxido de carbono y 10 moles de agua, todos ellos en estado gaseoso, y tras el cual se libera una gran cantidad de energía, concretamente, - 2875,8 KJ por mol de butano, que como en este caso tenemos dos, la energía liberada se duplicaría.

Ahora analicémoslo desde el punto de vista de la Termodinámica:

A partir de un foco caliente: el butano en combustión, se libera una gran cantidad de energía que se utiliza para incrementar la temperatura, en este caso del agua. Según el Primer Principio de la Termodinámica, de este foco caliente, con un calor Q, se realizará un trabajo W siempre menor que el calor inicial, pues de ahí, una parte de la energía usada en el proceso, pasará a degradarse, transformándose en energía no útil para nosotros. Este calor sería el foco frío del sistema termodinámico.

Desde el punto de vista de la Termoquímica, analizaríamos la reacción de la siguiente manera:

A partir de los reactivos propuestos, el butano y el oxígeno, y en condiciones estándar (P = 1 atm y T = 25ºC), y con una energía de activación E_a, se producen los productos ya dichos, agua y dióxido de carbono, por efecto de la reacción exotérmica, se libera una gran cantidad de calor que se usaría para calentar el agua. Centrándonos en la energía liberada en la reacción, tendríamos que imaginarnos el caso desde el punto de vista molecular, pues las reacciones no son más que el resultado del choque entre moléculas en el cual se libera una cantidad de energía ΔH tras una primera rotura de los enlaces atómicos. En esta misma reacción, la energía liberada va unida al aumento del grado de agitación de las moléculas, de tal modo que inciden sobre el agua calentándola.

Finalmente, para un punto de vista medioambiental acerca de la reacción, habría que tener en cuenta ante todo las repercusiones que tienen los productos en el medio, en el entorno. En nuestro caso, la repercusión de los gases producidos: vapor de agua y dióxido de carbono. Dado que la mayoría de reacciones para producir energía se basa en la combustión de residuos fósiles (sin tener en cuenta las reacciones nucleares), en todos los casos se va a producir dióxido de carbono. Como bien se sabe, este gas es uno de los principales responsables del efecto invernadero, junto con el vapor de agua, útil para la vida, pues de no existir esta capa gaseosa que retiene parte de las radiaciones solares, nuestra temperatura media disminuiría hasta los -18ºC, haciendo inviable la vida en el planeta.

Observando al imagen, este sistema podría ser descrito, al igual que en el caso del butano, como un sistema termodinámico, en el cual el Sol sería el foco caliente, la energía usada sería la que queda en la Tierra (el trabajo, para concordarlo con el esquema del sistema termodinámica base), y la energía liberada al exterior (como radiación de baja frecuencia) sería el foco frío, o energía degradada y no útil para nosotros. Sólo distaría del sistema termodinámico en que no se realiza un trabajo propiamente dicho, sino que la energía se usa para aumentar la temperatura de la superficie.

Empero, el abuso de combustible fósiles como material de combustión produce tal incremento en la cantidad de gases de efecto invernadero en el medio que la temperatura aumenta por encima de la media (33ºC), de modo que ecosistemas como los bosques, este aumento de la temperatura impediría llevar a cabo las principales reacciones anabólicas, al verse el medio interno de las células vegetales afectado por el aumento de la tempertaura, de tal modo que en muchos, casos, junto con la falta de agua, este líquido presente en el citoplasma celular, evaporaría, disecando las células y, por ende, la planta completa. Otro efecto que tendría sería que, al incrementarse las temperaturas, las capas de hielo de los polos se derretirían, tal que, al ser el agua líquida más densa que el hielo, el volumen del mar aumentaría, llegando a inundar las distintas zonas costeras.

De este modo, la liberación de energía en una reacción exotérmica como es la combustión tendría también sus consecuencias en el ámbito medioambiental, más por sus efectos sustanciales, pero también por los energéticos.

FUENTES

- http://www.alonsoformula.com/inorganica/_private/Quimica2bach04cast.pdf
- http://fisica.universidadlaboralab.es/wordpress/wp-content/uploads/2010/02/termodinamica.pdf
- http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/usrn/lentiscal/1-cdquimica-tic/HistoriaCiencia/HistoriaBiografiasQ2%C2%BA.pdf 
- http://www.elpreciodelagasolina.com/gasolineras/almeria:34242
- http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernadero