¿Qué es la termoquímica?

Conceptos básicos

La termoquímica se centra en comprender cómo interviene el calor en las reacciones químicas. Importantes leyes termoquímicas guían el estudio del calor y sus interacciones con el mundo. En este artículo, aprenderás los conceptos centrales de la termoquímica, algunas fórmulas cruciales y cómo resolver problemas de termoquímica. 

Temas cubiertos en otros artículos

• Reacciones endotérmicas vs exotérmicas 
• Entalpía de reacción, formación y combustión 
• Las leyes de la termodinámica

¿Qué es la termoquímica?

La termoquímica es una rama de la química que estudia el calor implicado en diversas reacciones. El calor es una forma de energía. La energía del calor puede impulsar una reacción química, liberarse de una reacción, ¡o ambas cosas! La termoquímica intenta comprender y explicar las transformaciones que experimenta la energía en una reacción. 

«Termo» significa relacionado con el calor. Y «química» es el estudio de las moléculas y las reacciones. Así pues, la termoquímica es el estudio del calor y las moléculas y reacciones o el estudio del calor en los sistemas químicos.

La química de los alimentos es una rama de la química en la que la termoquímica es un estudio habitual. Cuando nuestro cuerpo descompone azúcares y grasas, crea energía. La termoquímica puede ayudar a explicarlo. También puede ayudar a explicar cómo un cubito de hielo enfría un vaso de agua caliente o cómo el carbón puede suministrar energía para hacer funcionar nuestras redes eléctricas. 

Primera Ley de la Termodinámica

La primera ley de la termodinámica también se conoce como ley de la conservación de la energía. Esto significa que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo cambia de forma. En términos más precisos, la primera ley de la termodinámica dice que el cambio total de energía en un sistema está relacionado con el calor añadido al sistema menos el trabajo realizado por el sistema. El estudio del calor en este sistema sería un estudio de termoquímica.

Ecuación del calor de reacción (también conocida como entalpía de reacción)

El calor de reacción, también conocido como entalpía de reacción, considera la energía térmica total que se produce en una reacción. Esto implica el calor absorbido por la materia cuando se produce una reacción, endotérmica, o el calor liberado cuando se produce una reacción, exotérmica. (Descripción de las reacciones endotérmicas frente a las exotérmicas) 

ΔH = ∑ΔH_products – ∑ΔH_reactants

• ΔH: entalpía
• ∑ΔH_products: suma del calor absorbido/liberado por los productos
• ∑ΔH_reactants: suma del calor absorbido/liberado por los reactantes

Ejemplo: 

Tabla de valores de entalpía de algunas sustancias

Considera lo siguiente:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

ΔH = ?

ΔH = ∑ΔH_products – ∑ΔH_reactants

ΔH = (-411.0 + -241.8) – (-426.7 + -92.3)

ΔH = -682.8 + 519 = -163.8kJ/mol

Calorimetría

La calorimetría estudia los cambios de energía que se producen entre un sistema y su entorno. El sistema representa la sustancia que está experimentando una reacción química. El entorno, por su parte, representa todo lo que interactúa con el sistema. Un calorímetro, una herramienta calibrada, mide estos cambios de energía. Un calorímetro aísla la reacción que se produce en el interior del entorno más amplio. Un ejemplo típico en casa es el uso de un vaso de espuma de poliestireno, en el que el material reduce las interacciones térmicas entre el contenido del vaso y el exterior.

*q representa calor. q se vuelve negativo en un proceso exotérmico cuando el calor abandona el sistema, por lo que la temperatura del entorno debe ser mayor que la temperatura del sistema. q es positivo en un proceso endotérmico. Para ello, la temperatura del entorno disminuirá ya que el sistema está absorbiendo el calor del entorno. 

En el entendimiento de la imagen anterior, el calor absorbido en un mundo ideal perfecto siempre será equivalente al calor liberado. Por la ley de conservación de la energía, el intercambio total de calor dentro de un calorímetro cerrado es igual a 0. 

Dicho de otro modo, 

q_released (-q) = q_absorbed(q)

–q + q = 0

Ecuaciones termoquímicas importantes 

Capacidad calorífica (C)

La capacidad calorífica de cualquier materia describe la cantidad de calor (q) que puede absorber o liberar durante un cambio de temperatura.

C = q/ΔT

Capacidad calorífica específica (c)

La capacidad calorífica específica se refiere a la cantidad de calor necesaria para elevar 1 grado la temperatura de 1 gramo de una materia.

c = q/mΔT

La capacidad calorífica específica de una sustancia determina su capacidad como disipador de calor. Por ejemplo, el agua tiene una alta capacidad calorífica específica. A pesar de que el sol golpea el océano durante todo el día, la temperatura del agua no cambia drásticamente. Si el agua tuviera una capacidad calorífica específica baja, el océano se calentaría durante el día con la energía del sol y luego se enfriaría drásticamente durante la noche al disiparse esa energía en el aire. Esta propiedad del agua es clave para el funcionamiento de la vida en la Tierra.

Problemas de práctica de termoquímica 

Problema 1

Si una sustancia tiene una capacidad calorífica elevada, ¿significa que es más o menos resistente a los cambios de temperatura?

Problema 2

Haces la combustión de 0.100mol etanol en un calorímetro, que tiene una camisa de agua. El etanol se quema según la siguiente ecuación de reacción:

H₃CCH₂OH(l) + 3O₂(g) → 2CO₂(g) + 3H₂O(g)

Cuando se quema todo el etanol, se observa que la temperatura del agua aumenta en 5.16℃. Utilizando los calores de formación de las otras sustancias químicas implicadas en la reacción y el calor específico del agua (4.18J/gK), calcula el calor de formación del etanol. Suponga que todo el calor de la combustión ha sido absorbido por el agua.

Soluciones a problemas de práctica de termoquímica 

1: Más resistente a los cambios de temperatura

2: ΔH_f,ethanol = -277kJ/mol

Lecturas complementarias 

Termoquímica: calor y entalpía