Termodinámica y Química: Leyes, Energía, Reacciones, Enlaces y Comportamiento de Gases

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.