Termoquímica

La termoquímica es el estudio de la energía térmica asociada con las reacciones químicas y/o los cambios de fase, como la fusión y la ebullición. Una reacción puede liberar o absorber energía y un cambio de fase puede hacer lo mismo. La termoquímica se centra en el intercambio de energía entre un sistema y su entorno en forma de calor. La termoquímica es útil para predecir las cantidades de reactivos y productos a lo largo del curso de una reacción dada. En combinación con determinaciones de entropía, también se utiliza para predecir si una reacción es espontánea o no espontánea, favorable o desfavorable.

Las reacciones endotérmicas absorben calor, mientras que las exotérmicas liberan calor. La termoquímica fusiona los conceptos de la termodinámica con el concepto de energía en forma de enlaces químicos. El tema comúnmente incluye cálculos de cantidades tales como capacidad calorífica, calor de combustión, calor de formación, entalpía, entropía y energía libre.

La termoquímica es una parte del campo más amplio de la termodinámica química, que se ocupa del intercambio de todas las formas de energía entre el sistema y el entorno, incluido no solo el calor sino también varias formas de trabajo, así como el intercambio de materia. Cuando se consideran todas las formas de energía, los conceptos de reacciones exotérmicas y endotérmicas se generalizan a reacciones exergónicas y reacciones endergónicas.

Historia

La termoquímica se basa en dos generalizaciones. Dichos en términos modernos, son los siguientes:

1. Ley de Lavoisier y Laplace (1780): El cambio de energía que acompaña a cualquier transformación es igual y opuesto al cambio de energía que acompaña al proceso inverso.
2. Ley de Hess de la suma de calor constante (1840): El cambio de energía que acompaña a cualquier transformación es el mismo ya sea que el proceso ocurra en un paso o en varios.

Estas declaraciones precedieron a la primera ley de la termodinámica (1845) y ayudaron en su formulación.

La termoquímica también implica la medición del calor latente de las transiciones de fase. Joseph Black ya había introducido el concepto de calor latente en 1761, basado en la observación de que calentar el hielo en su punto de fusión no elevaba la temperatura sino que causaba que se derritiera algo de hielo.

Gustav Kirchhoff demostró en 1858 que la variación del calor de reacción está dada por la diferencia de capacidad calorífica entre productos y reactivos: dΔH / dT = ΔC _p. La integración de esta ecuación permite la evaluación del calor de reacción a una temperatura a partir de mediciones a otra temperatura.

Calorimetría

La medición de los cambios de calor se realiza mediante calorimetría, generalmente una cámara cerrada dentro de la cual ocurre el cambio a examinar. La temperatura de la cámara se controla con un termómetro o un termopar, y la temperatura se grafica frente al tiempo para generar un gráfico a partir del cual se pueden calcular las cantidades fundamentales. Los calorímetros modernos se suministran con frecuencia con dispositivos automáticos para proporcionar una lectura rápida de la información, siendo un ejemplo el calorímetro diferencial de barrido.

Sistemas

Varias definiciones termodinámicas son muy útiles en termoquímica. Un sistema es la porción específica del universo que se está estudiando. Todo lo que está fuera del sistema se considera el entorno o entorno. Un sistema puede ser:

• un sistema (completamente) aislado que no puede intercambiar energía ni materia con el entorno, como una bomba calorimétrica aislada
• un sistema aislado térmicamente que puede intercambiar trabajo mecánico pero no calor ni materia, como un pistón cerrado aislado o un globo
• un sistema mecánicamente aislado que puede intercambiar calor pero no trabajo mecánico o materia, como una bomba calorimétrica no aislada
• un sistema cerrado que puede intercambiar energía pero no materia, como un pistón o globo cerrado sin aislamiento
• un sistema abierto que puede intercambiar materia y energía con el entorno, como una olla de agua hirviendo

Procesos

Un sistema sufre un proceso cuando cambia una o más de sus propiedades. Un proceso se relaciona con el cambio de estado. Un proceso isotérmico (misma temperatura) ocurre cuando la temperatura del sistema permanece constante. Un proceso isobárico (misma presión) ocurre cuando la presión del sistema permanece constante. Un proceso es adiabático cuando no ocurre intercambio de calor.