Termodinámica y Química: Leyes, Energía, Reacciones, Enlaces y Comportamiento de Gases
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Termodinámica
Termodinámica
Ciencia que estudia los cambios de energía en todas sus manifestaciones.
Leyes de la termodinámica
Cuatro principios o leyes:
- Ley cero: La temperatura (T) es una propiedad que determina el equilibrio térmico entre sistemas.
- Primera ley de la termodinámica: Conservación de la energía: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma (ΔE = q + w).
- Segunda ley de la termodinámica: Introduce el concepto de entropía (S) y establece la direccionalidad de los procesos; en procesos espontáneos la entropía del universo tiende a aumentar.
- Tercera ley de la termodinámica: El valor de la entropía tiende a un valor constante (normalmente cero) cuando la temperatura se aproxima al cero absoluto.
Conceptos básicos
Trabajo: Cambio de estado en un sistema dado por el desplazamiento y la fuerza ejercida en él.
Energía: Capacidad para efectuar trabajo o intercambio de energía.
Calor: Transferencia de energía térmica entre dos o más cuerpos que están a distinta temperatura.
Capacidad calorífica: Calor que se requiere para elevar en 1 °C (o 1 K) la temperatura de una cantidad dada de sustancia.
Capacidad calorífica molar: Calor específico por mol, es decir, la cantidad de calor necesaria para aumentar en 1 °C la temperatura de un mol de sustancia.
Entalpía y energía
Entalpía (H): Contenido global de calor de un sistema a presión constante.
Variación ΔH: Ocurre cuando un sistema sufre una variación química o física; ΔH positiva indica endotérmico, ΔH negativa indica exotérmico.
Energía: La energía no puede ser creada ni destruida, solo transformada (reiteración del principio de conservación de la energía).
Tipos de reacciones químicas
Reacciones comunes:
- Reacción de síntesis: Ejemplo: N2 + 3H2 → 2NH3.
- Reacción de descomposición: Ejemplo: 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- Reacción de sustitución (simple): Ejemplo: Zn + CuSO4 → Cu + ZnSO4.
- Reacción de doble sustitución / neutralización: Ejemplo: HCl + NaOH → NaCl + H2O.
- Reacción de combustión: Ejemplo: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O.
Enlaces químicos
Enlace covalente: Fuerza de atracción que existe entre átomos no metálicos; átomos de igual o diferente electronegatividad comparten electrones para formar moléculas.
Enlace covalente apolar (no polar): Se produce entre átomos iguales o con diferencias muy pequeñas de electronegatividad.
Enlace covalente polar: Se produce entre átomos con diferente electronegatividad, lo que origina dipolos en la molécula.
Enlace iónico: Fuerza de atracción que se establece entre iones positivos y negativos (transferencia de electrones).
Enlace metálico: Fuerza de atracción en sólidos metálicos donde los cationes quedan inmersos en una «nube» de electrones deslocalizados.
Leyes relacionadas con gases y proporciones
Ley de las proporciones definidas (Proust): Se combinan dos o más elementos para dar un compuesto en una relación de masas constante.
Ley de Boyle: El volumen de un gas ideal varía de forma inversa con la presión (V ∝ 1/P) a temperatura y cantidad de sustancia constantes.
Ley de Avogadro: El volumen de un gas ideal es directamente proporcional a la cantidad de partículas (n) a temperatura y presión constantes (V ∝ n).
Ley de Charles: El volumen de un gas ideal es directamente proporcional a la temperatura absoluta (V ∝ T) a cantidad y presión constantes.
Ley de Gay-Lussac: La presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta (P ∝ T) cuando el volumen y la cantidad son constantes.