Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Conservación de la energía. Brown 15ed. Práctica 5.16

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La combustión completa del metano, CH₄(g), para formar H₂O(l) y CO₂(g) a presión constante libera 890 kJ de calor por mol de CH₄. (a) Escribe una ecuación termoquímica balanceada para esta reacción. (b) Dibuja un diagrama de entalpía para la reacción.

(a) Ecuación balanceada

Planteamos las sustancias, recordando que hay oxígeno.

$$\ce{CH4}_{(g)}+ \ce{O2}_{(g)} → \ce{CO2}_{(g)} +\ce{H2O}_{(g)} \tag{1}$$

Balanceamos manualmente. Iniciamos balanceando hidrógenos y carbonos.

$$1\, \ce{CH4}_{(g)}+ \ce{O2}_{(g)} → 1\, \ce{CO2}_{(g)} + 2\, \ce{H2O}_{(g)} \tag{2}$$

A la derecha tendríamos 2+2 = 4 oxígenos, un valor par por lo que:

$$1\, \ce{CH4}_{(g)}+ 2\, \ce{O2}_{(g)} → 1\, \ce{CO2}_{(g)} + 2\, \ce{H2O}_{(g)} \tag{3}$$

Suprimimos los 1 por no ser elegantes.

$$\ce{CH4}_{(g)}+ 2\, \ce{O2}_{(g)} → \ce{CO2}_{(g)} + 2\, \ce{H2O}_{(g)} \tag{4}$$

(b) Dibuja un diagrama de entalpía para la reacción

Cuando una reacción libera calor, significa que esa energía estaba contenida previamente en los reactivos. A medida que la reacción progresa, el sistema experimenta una disminución de su energía interna. Esto nos permite visualizar el proceso mediante un gráfico de cantidad de reacción versus entalpía de reacción, donde la pendiente reflejará la energía liberada o absorbida a medida que avanza la transformación.

Debemos tener en cuenta que el gráfico de entalpía de reacción no es un simple "tobogán" de bajada directa. Para que una reacción como la combustión de metano y oxígeno ocurra, se requiere una energía de activación, que puede ser una chispa o una compresión súbita y violenta. Sin esta energía inicial, la mezcla de reacción permanece inerte y no reaccionará espontáneamente.

En el eje X de nuestro gráfico, ubicamos la cantidad de reacción (ξ). Esto se debe a que el cambio de entalpía y el progreso de la reacción dependen de la cantidad de transformaciones individuales que ocurren, no del tiempo transcurrido. El tiempo es irrelevante en este contexto; lo que importa es cuánto ha "avanzado" la reacción en términos de conversiones moleculares.

Referencias

Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C., Woodward, P., Stoltzfus, M., & Lufaso, M. (2022). Chemistry: The central science (15th ed.). Pearson Education.