8.1 ENTALPIA DE REACCION Y ENTALPIA DE FORMACION

8.1 ENTALPÍA DE REACCIÓN Y ENTALPÍA DE FORMACIÓN

Durante toda su existencia,   la humanidad ha utilizado reacciones químicas para producir energía. Estas han sido desde las más rudimentarias, como la combustión de madera o carbón, hasta las más sofisticadas, como las que tiene lugar en los motores de aviones, naves espaciales, lanchas ultrarrápidas y automóviles de carreras. Como sabemos, las reacciones químicas van acompañadas de un desprendimiento o de una absorción de energía. (Las reacciones químicas son utilizadas para producir energía, y estas han sido utilizadas desde las más conocidas y empleadas, como0 la combustión de madera; y las más complejas, como las que emplean los motores de avión y autos de carreras. Y estas van acompañadas de desprendimiento o absorción de energía).

Las reacciones químicas provocan una variación de energía, que suele manifestarse en forma de calor. Su estudio es muy importante, por lo que en este bloque se determinará el calor absorbido o desprendido en las reacciones, así como los posibles métodos para su determinación. (Al llevar a cabo una reacción química estas provocan un cambio de energía, que a veces se puede presentar en forma de calor. En necesario conocer y estudiar el comportamiento del calor en las reacciones químicas, pues puede ser absorbido o desprendido, además de los medios para saberlo).

Antes de continuar, se establecerá el significado de algunos términos que se emplean con frecuencia, como la palabra sistema. Por sistema se entiende la porción específica del universo en el cual se enfoca la atención. (Es de gran importancia tener presente el significado de algunos términos muy empleados en estos temas. Uno de estos términos puede ser el sistema, el cual puede entenderse o darle el significado de aquella porción marcada en el universo en el cual colocamos nuestra atención).

Por ejemplo, si se quisieran considerar los cambios que se producen en una solución de cloruro de sodio y nitrato de plata, la solución es el sistema, mientras que el vaso de precipitados y todo lo demás son alrededores. (Para darnos una idea y entender con facilidad, tenemos el siguiente ejemplo: en una mezcla de cloruro de sodio y nitrato de plata, en la cual se quieren considerar los cambios que se llevan a cabo, la solución es el sistema y lo demás son los alrededores).

Para explicar los cambios que se producen en un sistema, es necesario definir con precisión sus propiedades, antes y después de que se produzca el cambio. Por lo regular, esto se hace al especificar el estado del sistema, es decir, al reunir un grupo específico de condiciones de presión, temperatura, numero de moles de cada componente y su forma física (por ejemplo gas, liquido, solido o forma cristalina). Al especificar estas variables, se han fijado todas las propiedades del sistema. Por tanto, el conocimiento de estas características permite definir sin ambigüedad las propiedades del sistema. (Para poder explicar los cambios de un sistema, es necesario conocer algunas de sus características antes y después de que el cambio se vea efectuado. Dichas características pueden ser condiciones de presión, temperatura, número de moles de cada componente y su forma física, ya que estas permiten conocer sus propiedades).

Continuando con el tema, diremos que en los siglos XVII y XVII, los mundos de la química y la física parecían estar bien delimitados. La química se enfocaba al estudio de aquellos cambios que implicaban alteraciones en la estructura molecular, entre tanto la física se encargaba del estudio de aquellos cambios que no implicaban dichas alteraciones. (Tal parece que en los siglos XVII y XVIII, los estudios de química y física se encontraban limitados, pues la química tenía un enfoque hacia los cambios que generaban alteraciones a las moléculas; y la física se centraba en el estudio de los cambios que no implicaban dichas alteraciones).

De esta manera, mientras que la primera parte del siglo XIX Davy  se ocupaba de alterar la ordenación molecular de los compuestos inorgánicos y Berthelot la de los compuestos orgánicos, los físicos Joule, Mayer y Helmholtz estudiaban el flujo del calor, al que denominaron termodinámica (las palabras griegas que significan movimiento de calor). En 1840, su trabajo comprobó que en los cambios sufridos por el calor y otras formas de energía, no se destruye ni se crea energía. A este principio se le llamó la Ley de la conservación de la energía o primer principio de la termodinámica. (Así que en el siglo XIX había investigadores encargados de estudiar alteraciones moleculares en compuestos orgánicos e inorgánicos. De igual manera los físicos Joule, Mayer y Helmholtz que estudiaban el calor, descubrieron y publicaron en 1840, la ley de la conservación de la energía o primer principio de la termodinámica).

A estos trabajos se sucedieron las aportaciones de los físicos Carnot, Thomson, Kelvin y Clausius, quienes demostraron que el calor, abandonado a sí mismo, fluye espontáneamente de un punto de mayor temperatura hacia otro con menor temperatura, y que a partir del calor  se puede obtener trabajo solamente cuando existe tal flujo de calor a través de una diferencia de temperaturas. Esta inferencia se generalizo para aplicarla a cualquier forma de energía que fluye desde un punto de mayor intensidad hacia otra de menor intensidad. (Calor, abandonado a sí mismo, fluye espontáneamente de un punto de mayor temperatura hacia otro con menor temperatura, fue una de las aportaciones que dieron los físicos Carnot, Thomson, Kelvin y Clausius. Esta aportación se fue generalizando para ser aplicada en cualquier tipo de energía).

Por su parte, en 1850, Clausius estableció el término entropía para designar la proporción entre el calor contenido en un sistema aislado y su temperatura absoluta. Asimismo, demostró que en cualquier cambio espontaneo de energía, la entropía del sistema se incrementa. Este principio se llamo segundo principio de la termodinámica. (Cualquier cambio espontaneo de la energía, la entropía del sistema se ve aumentada. Este es el segundo principio de termodinámica, el cual demostró el físico Clausius en 1850, al igual declaro el término entropía, para designar la proporción entre cantidad de calor de un sistema y su temperatura).

Tales avances en el terreno de la física no podían aislarse de la química, ya que después de todo, aparte del Sol, la mayor fuente de calor en el mundo del siglo XIX residía en las reacciones químicas, como la combustión de la madera, el carbón y el petróleo. Por esta misma época, también se observo que otras reacciones químicas desarrollaban calor, por ejemplo, la neutralización de ácidos por bases. De hecho, todas las reacciones químicas implican algún tipo de transferencia térmica, ya sea de emisión de calor (y a veces luz) al entorno, o bien la absorción de calor y a veces de luz) desde el entorno. (Los avances en el terreno de la química no se quedaron atrás, ya que, se vieron varias combustiones que producían calor, como la combustión del petróleo y carbón. Claro está que toda reacción química  implica algún tipo de transferencia térmica, ya sea de absorción o de emisión).

En 1840, los mundos de la química y de la física se unieron y comenzaron a marchar juntos gracias al trabajo del químico ruso-suizo Germain Henri Hess (1802-1850). Hess dio a conocer los resultados de las cuidadosas medidas que había tomado sobre la cantidad de calor desarrollada en las reacciones químicas entre cantidades fijas de algunas sustancias. (El químico ruso-suizo Germain Henri Hess logro que en 1840 la física y la química se vieran enlazadas y comenzarán a trabajar con un mismo fin. Además fu él quien hiso saber a todos las medidas que había tomado sobre la cantidad de calor en una reacción química).

Logró demostrar que la cantidad de calor producida (o absorbida) en el paso de una sustancia a otra era siempre la misma, sin importar la ruta química por la que había ocurrido el cambio, ni en cuantas etapas. Debido a esta generalización (Ley de Hess), esta personalidad es considerada en ocasiones como el fundador de la Termodinámica (química del calor de las reacciones químicas). Con base en dicha ley, parecía altamente probable que la ley de la conservación de la energía se aplicase tanto a los cambios químicos como a los físicos. (Hess proclamó una ley que decía que la cantidad de calor que se produce en el cambio de una sustancia, sin importar como hubiera ocurrido ni en cuantas fases. Esto conllevo a pensar que la ley de la conservación de la energía también podía ser aplicada a otras reacciones).

Entre 1860 y 1869, Pierre Berthelot, quien había hecho importantes trabajos en síntesis orgánica, concentro su atención en la termodinámica. Para ello, ideó algunos métodos para efectuar reacciones químicas dentro de cámaras cerradas rodeadas por agua a temperatura conocida y a partir del incremento en la temperatura del agua circundante al finalizar la reacción, podía medirse la cantidad de calor desarrollada por la misma. Utilizando este tipo de calorímetro (de la palabra latina que significa “medida de calor”), Berthelot obtuvo determinaciones cuidadosas de la cantidad de calor desarrollada por cientos de reacciones químicas. (Pierre Berthelot, obtuvo datos precisos del desarrollo de calor en varias reacciones químicas gracias al método del calorímetro. Este método consistía en llevar a cabo la reacción en una cámara rodeada por agua cuya temperatura es conocida, y entonces el cambio de temperatura ayudaba a medir la cantidad de calor).

A partir de la anterior explicación sobre el calor en las reacciones químicas, podemos decir que una razón por la cual se lleva a cabo es porque los productos alcanzan un estado de energía menor, más estable que el de los reactivos. Para que los productos alcancen este estado más estable, se debe liberar y emitir energía a los alrededores en forma de calor (o como trabaja hoy el calor). (Podría decirse que el calor en las reacciones químicas tiene una importancia, ya que el producto resulta con una energía menor lo que lo hace más estable que los reactivos; pero para lograr la estabilidad de dichos productos debe haber una liberación o emisión de calor).

Cuando se neutraliza una solución de una base agregando un ácido, la liberación de energía se nota por un aumento inmediato de temperatura en la solución. Por ejemplo, cuando el motor de un automóvil quema gasolina, desde luego libera calor, y al mismo tiempo parte de la energía que efectúa el trabajo de mover el automóvil. (Cuando se lleva a cabo una reacción de neutralización de una base con un ácido, la energía que se libera se distingue por el aumento de temperatura en la solución. Ejemplo: cuando un automóvil quema gasolina, produce calor, pero alguna parte de la energía liberada se ocupa de moverlo).