Termoquímica y energía de las reacciones químicas
La termoquímica aporta a la PAU problemas numéricos (ley de Hess, entalpías de formación y de enlace, calorimetría) y cuestiones de justificación sobre la espontaneidad de un proceso. Es imprescindible manejar con soltura los criterios de signos y las unidades en kJ·mol⁻¹.
Sistema, entalpía y signos
Se trabaja con el primer principio en la forma ΔU = q + w, con el criterio IUPAC w = −pΔV. Una reacción exotérmica cede calor y tiene ΔH < 0; una endotérmica lo absorbe y ΔH > 0. La relación entre entalpía y energía interna es ΔH = ΔU + ΔnRT, donde Δn cuenta solo moles de gas: (moles gaseosos de productos) − (moles gaseosos de reactivos). En calorimetría se emplea q = m·c·ΔT, con c = 4,18 J·g⁻¹·K⁻¹ para el agua.
Ley de Hess y entalpías
La entalpía es función de estado, así que el camino no importa. Se aplica ΔH°r = ΣΔH°f(productos) − ΣΔH°f(reactivos), recordando que la entalpía de formación de un elemento en su estado estándar es cero. También ΔH = Σ enlaces rotos − Σ enlaces formados. Si una ecuación se invierte, su ΔH cambia de signo; si se multiplica, el ΔH se multiplica igual.
Espontaneidad
ΔG = ΔH − TΔS. El proceso es espontáneo si ΔG < 0. Exotérmico con ΔS > 0 lo es siempre; endotérmico con ΔS < 0, nunca; si ΔH > 0 y ΔS > 0 hace falta temperatura alta; si ΔH < 0 y ΔS < 0, temperatura baja.
Ejemplo resuelto
Calcula la entalpía de combustión del metano: CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l), con ΔH°f = −74,8; −393,5 y −285,8 kJ·mol⁻¹. ΔH° = [−393,5 + 2(−285,8)] − [−74,8 + 0] = −965,1 + 74,8 = −890,3 kJ·mol⁻¹. La reacción es muy exotérmica. Sin embargo, se pasa de 3 moles de gas a 1, de modo que ΔS < 0: la espontaneidad se debe al término entálpico, dominante a cualquier temperatura razonable.
Errores que cuestan puntos
Equivocar el signo del trabajo; incluir sólidos o líquidos en Δn; tomar ΔH°f = 0 para O(g) o para el agua líquida; no invertir el signo al invertir una ecuación de Hess; confundir espontaneidad con rapidez de reacción; olvidar que ΔG depende de la temperatura y que ΔH y ΔS apenas varían con ella.