Fórmula y solución de Entalpía

¿Qué es la entalpía?

La entalpía (H) es una propiedad termodinámica que mide el contenido de calor de un sistema a una presión fija. Por lo general, se presenta como el cambio de entalpía ({eq}\Delta H {/eq}) en lugar del valor absoluto de la entalpía. La entalpía no se puede medir directamente. Para explicarlo mejor, la entalpía es igual a la suma de la energía interna de un sistema. Para encontrar el valor absoluto de la entalpía, se deben buscar las energías internas de todos los componentes del sistema, incluidas las energías de los electrones, átomos, protones, etc. Sin embargo, es imposible cuantificar las energías de todos los componentes. Por eso se utiliza el cambio de entalpía: es una propiedad medible. Se mide a través de los cambios en la temperatura del sistema, por ejemplo, el sistema está perdiendo o ganando calor.

La entalpía es una propiedad extensiva, es decir, depende de la cantidad de materia presente en el sistema. Dado que es la medida del contenido de calor de x, si la cantidad de x aumenta, también aumenta la cantidad de calor que puede contener. La temperatura, por otro lado, es una propiedad intensiva ; no es una variable que dependa de la cantidad de materia presente en un sistema.

La entalpía también es una función de estado. No depende de los caminos que toma para alcanzar un valor determinado. Para explicarlo, el cambio de entalpía de x sería el mismo independientemente del camino tomado para alcanzar ese estado. Si el cambio de entalpía de x que pasó de sólido a líquido fue igual a y, entonces todavía sería igual a y si pasara por los caminos:

• (a) Camino: de sólido a líquido
• (b) Trayectoria: de sólido a gas y a líquido

La entalpía se utiliza principalmente para cuantificar el calor de las reacciones químicas y determinar si las reacciones fueron endotérmicas (absorben calor) o exotérmicas (liberan calor).

Aplicaciones de la entalpía

La aplicación de los principios de la termodinámica es la clave para inventar los muchos aparatos que se utilizan en la vida diaria. El cambio de entalpía, por ejemplo, indica si se producirá o no una reacción y determina si el calor está entrando o saliendo del sistema. El ejemplo más obvio de la aplicación del cambio de entalpía es la calorimetría, que cuantifica la cantidad de calor transferido dentro y fuera de un sistema aislado durante los cambios físicos o químicos en el sistema. La entalpía se utiliza para determinar la energía mínima necesaria para el funcionamiento de algunos dispositivos como motores y compresores. Como se mencionó anteriormente, el cambio de entalpía también indica si una reacción química está absorbiendo calor del entorno (reacción endotérmica) o liberando calor al entorno (reacciones exotérmicas). Esta información es muy importante a la hora de diseñar una planta química.

¿Qué es la entalpía de solución?

La entalpía de solución es un término que se utiliza para medir la cantidad de contenido de calor de una solución que se libera o absorbe mediante la disolución del soluto de la solución en su disolvente a una presión fija. Las soluciones están compuestas por dos o más sustancias que forman una mezcla homogénea. Las sustancias pueden estar en cualquier fase de la materia y los componentes principales de las soluciones son los solutos y los disolventes. Un soluto es el material que se está disolviendo y un disolvente es la sustancia que está disolviendo el soluto.

El cambio de entalpía de las soluciones puede ser positivo ({eq}+\Delta H {/eq}) o negativo ({eq}-\Delta H {/eq}). Un valor de entalpía positivo indica que el soluto se está disolviendo endotérmicamente (se absorbe calor), y un valor negativo indica que el soluto se está disolviendo exotérmicamente (se libera calor). Las soluciones endotérmicas absorben calor del entorno, por lo que tocar un matraz con una solución endotérmica se siente frío; el calor se absorbe de la mano que está en contacto con el matraz. Lo opuesto es cierto para las soluciones exotérmicas. Liberan calor al entorno, lo que hace que tocar un matraz con una solución exotérmica se sienta caliente. La importancia del cambio en la entalpía de la solución surge del hecho de que proporciona información sobre el calor de las reacciones.

¿Qué es el calor de solución?

El calor de solución es un término utilizado para describir el calor que se genera o absorbe cuando un mol de soluto se disuelve en una cantidad excesiva de disolvente.

Para obtener la fórmula de la entalpía de una solución, primero se debe comprender el proceso de disolución, en el que un soluto se disuelve en un solvente para crear una solución. La siguiente lista explica los pasos y la energía del proceso de disolución:

1. Las partículas de soluto se desprenden unas de otras.
2. Las partículas de disolvente se expanden separándose unas de otras.
3. Se forma una solución mediante la combinación de las partículas de soluto y disolvente separadas.

El calor se absorbe cuando se rompen los enlaces químicos y, como se absorbe calor, el proceso es endotérmico. Los dos primeros pasos implican la separación de las partículas de disolvente y soluto, y los enlaces entre las partículas se rompen. Por lo tanto, se puede concluir que los dos primeros pasos son endotérmicos.

La formación de enlaces químicos libera energía y, como se libera calor, estos procesos se clasifican como exotérmicos. El paso final del proceso de disolución es la formación de la solución mediante la combinación de partículas de soluto y disolvente. Es lógico que este paso sea exotérmico, ya que se forman enlaces entre el soluto y el disolvente.

Después de esta discusión, debe observarse que hay un total de tres calores de reacción, o un total de tres entalpías de solución:

• La entalpía de ruptura de los enlaces del soluto (endotérmica {eq}+\Delta H {/eq}).
• La entalpía de ruptura de los enlaces del disolvente (endotérmica {eq}+\Delta H {/eq}).
• La entalpía de formación de los enlaces disolvente-soluto (exotérmica {eq}-\Delta H {/eq}).

La suma de todas estas entalpías da como resultado el valor del calor de la solución, como se muestra:

{eq}\Delta H_solución = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3 {/eq}

Tanto {eq}\Delta H_1 {/eq} como {eq}\Delta H_2 {/eq} se denominan entalpías de disociación reticular, que es la energía necesaria para romper los enlaces de 1 mol de la red cristalina del soluto. Siempre son valores positivos ya que este tipo de entalpía es endotérmica. La {eq}\Delta H_3 {/eq} se denomina entalpía de hidratación, que es la energía liberada como resultado de la formación de nuevos enlaces entre el soluto y el disolvente. El signo de esta entalpía es siempre negativo ya que se está liberando calor como resultado de la formación de nuevos enlaces.

La fórmula del calor de la solución se puede reformatear de la siguiente manera:

{eq}\Delta H_solución = \Delta H_disociación reticular + \Delta H_hidratación {/eq}

Donde {eq}\Delta H_disociación reticular = \Delta H_1 + \Delta H_2 {/eq}.

• Si {eq}\Delta H_solution > 0 {/eq}, la entalpía de la solución es endotérmica. La energía absorbida por los dos primeros pasos endotérmicos es mayor que la energía liberada por el paso exotérmico.
• Si {eq}\Delta H_solution < 0 {/eq}, la entalpía de la solución es exotérmica. La energía absorbida por los dos primeros pasos endotérmicos es menor que la energía liberada por el paso exotérmico. Nota: la entalpía de la solución se refiere al calor de la solución y las unidades estándar de esta propiedad son julios por mol.
• Si {eq}\Delta H_solution = 0 {/eq}, entonces la solución es ideal.

Resumen de la lección

La entalpía es una función de estado extensiva que mide el contenido de calor de un sistema cuya presión es fija. Su fórmula es la suma de la energía interna total sumada al producto del volumen y la presión del sistema. Tiene las unidades de julios (J). Su valor absoluto no se puede determinar porque es imposible medir la energía interna total de un sistema, por lo que se utiliza como el cambio de entalpía {eq}\Delta H {/eq}. La fórmula del cambio de entalpía es:

{eq}\Delta H = \Delta E + \Delta (PV) {/eq}

La entalpía es una propiedad importante que se utiliza en la construcción de muchos aparatos que se utilizan en la vida diaria. Proporciona información sobre la cantidad de energía necesaria para el funcionamiento de algunos dispositivos. También proporciona información sobre si una reacción química absorbe calor ( endotérmica ) o lo libera ( exotérmica ).

La entalpía de las soluciones cuantifica la cantidad de calor liberado o absorbido como resultado de la disolución. Proporciona información sobre el calor de las soluciones que se genera o absorbe cuando un soluto se disuelve en una gran cantidad de disolvente. Su unidad es julios por mol (J/mol). El proceso de disolución implica dos pasos endotérmicos, la ruptura de los enlaces soluto-soluto y disolvente-disolvente, y un paso exotérmico final donde se forma un enlace entre el soluto y el disolvente. La suma de las entalpías de cada paso da el valor del calor de la solución, como se muestra:

{eq}\Delta H_solución = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3 {/eq}

• Si la energía absorbida de los dos pasos endotérmicos es mayor que la energía liberada en el paso exotérmico, entonces {eq}\Delta H_solution > 0 {/eq}, y la entalpía de la solución es endotérmica.
• Si la energía absorbida de los dos pasos endotérmicos es menor que la energía liberada en el paso exotérmico, entonces {eq}\Delta H_solution < 0 {/eq}, y la entalpía de la solución es exotérmica.
• Una solución es ideal si {eq}\Delta H_solution = 0 {/eq}

Rodrigo Ricardo Editor y fundador