Energías de enlace.

Cuando se forma un enlace covalente se desprende energía. La misma cantidad de energía es necesaria para romper el enlace y se llama energía de enlace. Aunque ésta depende de toda la molécula de la que es parte el enlace, podemos en forma aproximada, asociar determinada energía al enlace covalente que une un par de átomos. Esta energía de enlace no cambia apreciablemente, aunque se modifique el resto de la molécula. En la Tabla 14-3 se resumen algunas energías de enlace. En los compuestos en que hay deslocalización de electrones, o resonancia, los valores 'calculados difieren de los experimentales en el valor de la energía de resonancia.

Tabla 14-3

ENERGIAS DE ENLACE COVALENTE (EN KILOCALORIAS/MOL)

H-H

104.2

O-H

110.6

C-O

84.0

C-C

83.1

S-H

81.1

C =O

150

145

H-F

134.6

C-F

105.4

C -C

198

H-Cl

103.2

C-Cl

78.5

Cl -Cl

58.0

H-Br

87.5

C-Br

65.9

C-H

98.8

H-I

71.4

 

.

N - H

93.4

C - N

69.7

   

Ejemplo 20

Usando las energías de enlace, calcule aproximadamente la entalpía, o calor de formación, del etano (CH3 – CH3). La entalpía o calor de vaporización del carbono es de 170 kcal/mol.

Respuesta

La reacción de formación es:

2 C(s) + 3 H2(s)    CH3 CH3(g)

La entalpía de vaporización y las energías de enlace son:

Por lo que la entalpía de formación (H f) es aproximadamente = 675.9 – 652.6 = 23.3 kcal/mol. La entalpía de formación del etano experimentalmente es de + 20.23 kcal/mol.

Ejemplo 21

Calcule el cambio de entalpía en la siguiente reacción gaseosa:

CH4(g) – CI2(g)  CH3Cl (g) + HCl (g)

Respuesta

Las energías de enlace son:

La entalpía de reacción (H) es aproximadamente igual a 181.7 – 156.8 24.9 kcal/mol

H = 24.9 kcal/mol

Ejercicios:

1. El kilovatio-hora (kw-h) es una unidad de energía eléctrica igual a 3.60 X 106 julios. Conviértalo en: (a)kilocalorías, (b)BTU y (c)litros-atm.

2. El electrón-voltio (eV) es la energía adquirida por, una unidad de carga (electrónica) al ser acelerada a través de un potencial de un voltio y es 1 eV = 1.602 X 10-12 ergios. El electrón-voltio se usa para expresar la energía atómica y nuclear. Si un electrón voltio lo multiplicamos por el número de Avogadro (N = 6.02 X 1023) nos da un electrón voltio/mol = 9.649 X 1011 ergios. Convierta un electrón-voltio/mol en: (a) julios y (b) kcal/mol.

3. La entalpía molar de fusión del cloruro de sodio (NaCl) es 6.8 kcal/mol. Calcule el calor que se nece­sita para fundir 0.278 g de NaCl.

4. Una mal de benceno (C6H6) se condensó reversiblemente en su punto de ebullición (80°C) y a 1 atm. Calcule Q, w, E, H, G y S. La entalpía molar de vaporización (H) es 7.35 kcal/mol. Indique si la vaporización es espontánea.

5. Una mol de un gas perfecto se comprime a 100°C reversible e isotérmicamente desde un volumen de ‑1 litros a un volumen de 2 litros. Calcule Q, W, E, H, G y S.

6. Un cilindro de acero con capacidad para 10 litros contiene 20 moles de oxígeno a 27°C. Por una falla de la válvula que cierra el cilindro, el gas se escapa lentamente hasta que el cilindro queda "vacío". Suponiendo que la presión atmosférica ha sido constante a 760 mm de Hg. calcule el trabajo (W) hecho por el gas en: (a) ergios y (b) en calorías.

7. Usando la regla de Trouton calcule la entalpía molar de vaporización de los siguientes líquidos:

  8. Calcule la entalpía de formación del hidróxido de calcio (Ca(OH)2) (s) a partir de los datos siguientes:

  

9. Calcule la entalpía de la reacción siguiente:

Fe O(sol.) + CO(g) Fe(soI.) + CO2(g)

Conociendo los siguientes datos:

10. Usando datos necesarios del Ejercicio 8 y los que aquí se dan, calcule la entalpía de formación (Hf ) de 100 g de Ca(OH)2 a partir de carbonato de cálcio(CaCO3 )., Las reacciones son:

CaC03 (s) CO2 (g) + CaO (S)

CaO(s) + H2(1) Ca(OH)2

Sabiendo que:

C(s) + 3/2 O2(g) + Ca(s) CaCO3(s)     ;     H =  –289.1 kcal/mol

C(s) + O2(g) CO2(g)     ;    H = – 94.05 kcal/mol

11. Calcule la entalpía de la reacción siguiente:

AgNO3 + NaCI AgCI + NaN03

Conociendo las siguientes entalpías molares de formación: Hf  (NaCI) = – 97.11 kcal/mol;

Hf' (AgNO3) = –2.8 kcal/mol.         Hf (AgCI) = –30.3 kcal/mol; '

                                Hf (NaNO3) = –106.68 kcal/mol.

12. Calcule la entalpía mólar de formación ( Hf) del alcanfor (C10H16O ), cuyo calor de combustión es 1411 kcal/mol. La reacción de combustión es: 13 ½ O2 + C10H16O 10C02  + 8H2O

Hf (CO2) = –94.04 kcal/mol y H(H2O) = –68.38 kcal/mol

13. Encuentre la entalpía de formación de 80g de óxido nítrico (NO) a partir del nitrógeno y el oxígeno, usando la siguiente información:

N2(g) + 202(g)   2NO2 (g);   H = –16.180 kcal/mol

2NO(g)+ O2(g) 2NO2(g);      H = + 27.02 kcal/mol.

14. Usando 'los datos necesarios del Ejercicio 12, calcule la entalpía de información del metano (CH4 ) ; cuyo valor molar de combustión es –191.76 kcal/mol:

15.Cuando se quema una mol de etanol líquido (CH3CH2OH) en oxigeno puro, se desprenden 327.6 kcal. Suponiendo que las combustiones se realizan a presión constante y los productos son H2O (1)  y CO2(g) calcule la entalpía de la reacción siguiente:

CH3CH2OH(1) + 3 O2(g) CH3CO2H(1) + H2O(1)

16. El calor de combustión del acetileno (C2H2) es 312.0 kcal/mol: Calculé: (a) la cantidad de litros de CO2 (g) a (TPN) que se desprenden por cada kilocaloría producida;, (b) la entalpía .de formación, del acetileno.

17. Cuando se quemó magnesio (Mg)(s) en oxígeno hasta que se formó un gramo de óxido de magnesio (MgO)(s) se desprendieron 3.60 kcal. Calcule la entalpía de formación del MgO.

18. Conociendo los siguientes datos:

Calcule la entalpía `de la siguiente reacción:

Fe2O3(s) + 2Al(s)   A12O3(s) + 2Fe(s)

19. Con los datos de las hidrogenaciones a 82°C siguientes, calcule el calor de hidrogenación del ,benceno (C6H6) hasta ciclohexano (C6H12). Tanto reaccionantes como productos son gases a 82°C

C6H10 + H2    C6H12  H = – 28.6 kcal/mol

                                              ciclohexeno  ciclohexano

20. Calcule: (a) la entalpía de formación del n-butano (C4H10) y su isomero, el isobutanó, cuyos calores de combustión a 25°C son -649.8 y -607.9 kcal/mol respectivamente; (b) la entalpía de isomerización del n‑butano a isobutano a 25°C.

21. Diez gramos de NaOH y la cantidad equivalente de HCI se mezclaron de tal manera que toda la entalpía de reacción o neutralización fue absorbida por 2000 g de agua a 20°C. Suponiendo que el sistema es adiabático, ¿hasta qué temperatura llegó el agua? Para H+ + OH- H2O;  H= –13.36 kcal/eq.g.

22. En un calorímetro de volumen constante se quemaron 0.600 g de naftaleno ( C10HS) sólido, formándose CO2 (G) y H2O(1). La temperatura del calorímetro y sus contenidos se elevó hasta 2.255°C. En un experimento separado se encontró que la capacidad calorífica total del calorímetro era de 2550 cal/grado. Calcule: (a) E para la combustión de una mol de naftaleno; (b) H para la misma reacción. Usando los siguientes valores para H°f (CO2) = – 94.05 kcal/mol y ( H2O)(1) = –68.32 kcal/mol. Calcule la entalpía de formación del naftaleno.

23. Usando las entalpías de formación de la Tabla 14‑2, determine las entalpías de las siguientes reacciones a 15°C:

24. El calor molar de combustión del metanol (CH3OH) líquido es de 170.9 kcal/mol. Encuentre cuánto se elevará la temperatura de un calorímetro al quemar, 3.20 g de metanol. El calorímetro contiene 18.94 Kg de agua a 25.00°C. El calor específico del agua a 25.00°C es de 0.9983 cal/g‑grado.

25. Calcule cuántos gramos del hielo de un calorímetro de hielo se fundirán cuando se dejen reaccionar 0.93 g de sodio según la reacción siguiente:

26. Generalmente las entalpías de los compuestos dependen de las temperaturas. Dentro de un limitado intervalo de temperatura en donde la capacidad calorífica ( Cp) es constante podemos usar la igualdad

H = Cp T

en donde H es el cambio de entalpía debido al cambio de temperatura T. Calcule el cambio de entalpía del hidrógeno (H2) cuando se calienta de 25°C hasta 77°C; Cp 6.88 cal/mol-grado.

27. Usando la Tabla 14‑2, calcule los cambios de energía libre estándar ( G') para cada una de las siguientes reacciones:

28. Usando la Tabla 14‑2 calcule los cambios de energía libre estándar ( G°) para cada una de las reacciones del Ejercicio 23.

29. Tres moles de un gas monoatómico ideal, que están inicialmente a 27°C y 20 atm de presión, se expansionan hasta una presión final de 2 atm. Calcule S y G, considerando que el cambio es reversible e isotérmico.

30. Dos moles de un gas perfecto se enfriaron de 25°C hasta 0°C, a presión constante. Cp=5 cal/grado­mol. Calcule S.

31. Calcule el cambio de entropía estándar ( ) para cada una de las siguientes reacciones. Use la Tabla 14-2.

32. Calcule la constante de equilibrio a 25°C para la siguiente reacción, G = –1.29 kcal/mol

2NO2(g) N2O4(g)

33. Usando el valor de K obtenido en el Ejercicio 32, determine cuantas moles de N2O4 hay a 25°C cuando se introdujo inicialmente una mol de N2O4 en un recipiente de un litro.

34. Calcule los valores de S y G para la conversión de una mol de agua a 100°C hasta vapor a la misma temperatura y 0.5 atm de presión.

35. La entalpía estándar de reacción de un sistema en equilibrio es 26.5 kcal/mol; la constante de equilibrio a 25°C es 1.2 X 10-15. Calcule la constante de equilibrio de este sistema a 727°C, suponiendo que el valor de se mantiene constante.

36. Usando las energías de enlace, encuentre: (a) la entalpía de formación del cloruro de metilo, CH3C1, gaseoso; (b) la entalpía de la reacción CH3COCH3 + l2  CH3COCH2I + HI; (c) la entalpía de la reacción CH2 = CH2 + Br2 BrCH2 – CH2Br.

Respuestas

1.  (a) 861 kcal;           (b) 3415 BTU;              (c)355 X 102 litros‑atm

2 (a) 9.649 X 104 julios/mol;               (b) 23.060 kcal/mol.

3.  – 32 cal.

 

24 La temperatura aumenta en 0.902°C.

25. Se funden 22.3 g de hielo.

26. H 358 cal/mol.

27. (a) G = –195.5 kcal;

      (b) =–108.72 kcal;

      (c) = –68.7 kcal.

28.   (a ) =  + 7.3 kcal;

       (b ) = –1.29 kcal;

       (c = –46.5 kcal;

       (d ) Gº = 367.31 kcal.

29. S = 13.8 cal; G = –4125 cal.

30.  S = –0.875 cal

31.   (a) = –7.6;       (b) = –28.8;           (c) = + 42.9;          (d) = –47.‑1;

  (e) = –77.6.

32.    K = 8.83.

33.  Hay 0.966‑1 moles de N2O4 .

34. S = 27.5;              G = –515 cal.

35. K2 = 0.35.

36. (a) –19 kcal;            (b) + 17 kcal;           (c)+ 57 kcal.

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