ESTÁNDAR
Entorno físico (Procesos químicos)
- Relaciono la estructura de las moléculas orgánicas e inorgánicas con sus propiedades físicas y químicas y su capacidad de cambio químico.
Ciencia, tecnología y sociedad
- Utilizo modelos biológicos, físicos y químicos para explicar la transformación y conservación de la energía.
- Identifico aplicaciones de diferentes modelos biológicos, químicos y físicos en procesos industriales y en el desarrollo tecnológico; analizo críticamente las implicaciones de sus usos.
COMPONENTE
- Entorno físico (Procesos químicos)
- Ciencia, tecnología y sociedad
INDICADOR DE DESEMPEÑO
De conocimiento:
- Verifico el efecto de presión y temperatura en los cambios químicos.
De desempeño:
- Explico los cambios químicos desde diferentes modelos.
METODOLOGÍA/ SECUENCIA DIDÁCTICA
- Unidad didáctica
- Cambios y transformación de la energía (Naturaleza y tipos de energía, entalpia y cálculos de entropía).
- Propósito
- Identificar los conceptos básicos de la termodinámica y reconocer los procesos que se requieren para el cálculo de la entalpía en las reacciones.
- Desarrollo cognitivo instruccional
Naturaleza y tipos de energía
A pesar de que representa un concepto muy abstracto, “energía” es un término bastante utilizado. Por ejemplo, cuando nos sentimos cansados, solemos decir que no tenemos energía; es común que leamos sobre la búsqueda de alternativas a fuentes de energía no renovables. A diferencia de la materia, la energía se reconoce por sus efectos. No puede verse, tocarse, olerse o pesarse.
La energía generalmente se define como la capacidad para efectuar un trabajo. Todas las formas de energía son capaces de efectuar un trabajo (es decir, ejercer una fuerza a lo largo de una distancia), pero no todas ellas tienen la misma importancia para la química. Por ejemplo, es posible aprovechar la energía contenida en las olas para realizar un trabajo útil, pero es mínima la relación entre la química y las olas. Los químicos definen trabajo como el cambio directo de energía que resulta de un proceso. La energía cinética, energía producida por un objeto en movimiento, es una de las formas de energía que para los químicos tiene gran interés. Otras son la energía radiante, la energía térmica, la energía química y la energía potencial.
La energía radiante, o energía solar, proviene del Sol y es la principal fuente de energía de la Tierra. La energía solar calienta la atmósfera y la superficie terrestre, estimula el crecimiento de la vegetación a través de un proceso conocido como fotosíntesis, e incluye sobre los patrones globales del clima.
La energía térmica es la energía asociada al movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas. En general, la energía térmica se calcula a partir de mediciones de temperatura. Cuanto más vigoroso sea el movimiento de los átomos y de las moléculas en una muestra de materia, estará más caliente y su energía térmica será mayor. Sin embargo, es necesario distinguir con claridad entre energía térmica y temperatura. Una taza de café a 708 °C tiene mayor temperatura que una tina llena con agua caliente a 408 °C, pero en la tina se almacena mucha más energía térmica porque tiene un volumen y una masa mucho mayor que la taza de café, y, por lo tanto, más moléculas de agua y mayor movimiento molecular.
La energía química es una forma de energía que se almacena en las unidades estructurales de las sustancias; esta cantidad se determina por el tipo y arreglo de los átomos que constituyen cada sustancia. Cuando las sustancias participan en una reacción química, la energía química se libera, almacena o se convierte en otras formas de energía.
La energía potencial es la energía disponible en función de la posición de un objeto. Por ejemplo, debido a su altitud, una piedra en la cima de una colina tiene mayor energía potencial y al caer en el agua salpicará más que una piedra semejante que se encuentre en la parte baja de la colina. La energía química se considera un tipo de energía potencial porque se relaciona con la posición relativa y el arreglo de los átomos en una sustancia determinada.
Todas las formas de energía se pueden convertir (al menos en principio) unas en otras. Cuando estamos bajo la luz solar sentimos calor porque en la piel la energía radiante se convierte en energía térmica. Cuando hacemos ejercicio, la energía química almacenada en el cuerpo se utiliza para producir energía cinética. Cuando una pelota empieza a rodar cuesta abajo, su energía potencial se transforma en energía cinética. Sin duda, existen muchos otros ejemplos. Los científicos han concluido que, aun cuando la energía se presenta en diferentes formas interconvertibles entre sí, ésta no se destruye ni se crea. Cuando desaparece una forma de energía debe aparecer otra (de igual magnitud), y viceversa. Este principio se resume en la ley de la conservación de la energía: la energía total del universo permanece constante.
Cambios de energía en las reacciones químicas
A menudo los cambios de energía que ocurren durante las reacciones químicas tienen tanto interés práctico como relaciones de masa. Por ejemplo, las reacciones de combustión que utilizan combustibles, como el gas natural y el petróleo, se llevan a cabo en la vida diaria más por la energía térmica que liberan que por sus productos, que son agua y dióxido de carbono.
Casi todas las reacciones químicas absorben o producen (liberan) energía, por lo general en forma de calor. Es importante entender la diferencia entre energía térmica y calor. El calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas. Con frecuencia hablamos del “flujo de calor” desde un objeto caliente hacia uno frío. A pesar de que el término “calor” por sí mismo implica transferencia de energía, en general hablamos de “calor absorbido” o “calor liberado” para describir los cambios de energía que ocurren durante un proceso. La termoquímica es el estudio de los cambios de calor en las reacciones químicas.
Para analizar los cambios de energía asociados a las reacciones químicas, primero necesitamos definir el sistema o la parte específica del universo que nos interesa. Para los químicos, los sistemas por lo general incluyen las sustancias que están implicadas en los cambios químicos y físicos. Por ejemplo, suponga un experimento de neutralización ácido-base, en el que el sistema es un recipiente que contiene 50 mL de HCl al cual se agregan 50 mL de NaOH. Los alrededores son el resto del universo externo al sistema.
Para complementar la compresión de esta temática, observa los siguientes cortos videos:
Tipos de reacciones en termodinámica: https://www.youtube.com/watch?v=lqsSlCi3Wvc
Calor y temperatura: https://www.youtube.com/watch?v=St8tvRdvghk
Tipos de sistemas: https://www.youtube.com/watch?v=pRCiQ3LeZLw
Primera ley de la termodinámica: https://www.youtube.com/watch?v=Bvfn6eUhUAc
Entalpía
Muchas veces, las condiciones de volumen constante no son convenientes y en ocasiones son imposibles de alcanzar. La mayoría de las reacciones ocurren en condiciones de presión constante (por lo general a presión atmosférica). Si dicha reacción produce un incremento neto en el número de moles de un gas, entonces el sistema realiza un trabajo sobre los alrededores (expansión). Esto se debe al hecho de que para que el gas formado ingrese en la atmósfera, debe actuar contra la presión atmosférica. De manera contraria, si se consumen más moléculas de gas de las que se producen, los alrededores realizan el trabajo sobre el sistema (compresión). Por último, no se realiza trabajo alguno si no hay un cambio neto en el número de moles de los gases de reactivos a productos. En general, para un proceso a presión constante escribimos.
Cálculo de entalpia: https://www.youtube.com/watch?v=soaR2aeOpwE
Cálculo de calor liberado en una reacción: https://www.youtube.com/watch?v=V34uzl_ATII
- Desarrollo Metodológico
Actividad:
- Describa la conversión de energía que ocurre en los siguientes procesos: a) Lanzar una pelota al aire y atraparla. b) Encender una linterna. c) Subir una montaña y bajarla esquiando. d) Encender un cerillo y dejarlo quemarse.
- La estequiometría se basa en la ley de la conservación de la masa. ¿En cuál ley se basa la termoquímica?
- Defina los términos: sistema, alrededores, sistema abierto, sistema cerrado, sistema aislado, energía térmica, energía química, energía potencial, energía cinética, ley de la conservación de la energía.
- ¿Qué es calor? ¿Difiere el calor de la energía térmica? ¿En qué condiciones el calor se transfiere de un sistema a otro?
- Describa dos procesos exotérmicos y dos endotérmicos.
- Defina los siguientes términos: entalpía, entalpía de reacción. ¿En qué circunstancia el calor de una reacción es igual al cambio de entalpía de la misma reacción?
- Defina los términos: termoquímica, proceso exotérmico, proceso endotérmico.
- El primer paso en la recuperación industrial del zinc de su mena de sulfuro de zinc es el tostado, es decir, la conversión de ZnS en ZnO al calentarlo:
Calcule el calor liberado (en kJ) por gramo de ZnS tostado.
