Serie 2 - Ej 6_ 1 Principio (1)

Vista previa del material en texto

6) Las entalpías de combustión del etanol, (C2H5OH), y del etanal, (C2H4O), son respectivamente: -1370,7 
kJ/mol y -1167,3 kJ/mol. (Condiciones estándar, usar datos anteriores). 
a. Escriba las reacciones de combustión del etanol y del etanal balanceadas. 
b. Calcule la variación de entalpía de la reacción de oxidación de un mol de etanol en exceso de oxígeno 
para dar etanal y agua, ambos compuestos en estado líquido. 
c. ¿Cuál de las dos sustancias producirá más calor por unidad de masa en el proceso de combustión? 
 
a. Para resolver este problema primero debemos considerar que en las reacciones de combustión total 
el reactivo reacciona con oxígeno y da como productos finales CO2 y H2O. 
Sabiendo esto podemos plantear ambas reacciones de combustión: 
i) C2H5OH + O2 ------------ > CO2 + H2O 
ii) C2H4O + O2 -------------- > CO2 + H2O 
Podemos apreciar a simple vista que ambas reacciones se encuentran desbalanceadas. Para 
balancearlas podemos utilizar el método de tanteo o el método algebraico. Utilizaremos el algebraico. 
Aplicando coeficientes estequiométricos a la reacción i) nos queda: 
a C2H5OH + b O2 ------------ > c CO2 + d H2O 
Llamaremos a,b,c y d a los coeficientes estequiométricos que debemos obtener. Aplicamos entonces la 
ley de la conservación de la masa para cada elemento que participa de la reacción. Recordemos que esta 
ley nos indica que la cantidad de átomos de cada elemento presentes en los reactivos debe ser igual a la 
cantidad de átomos de ese mismo elemento presentes en los productos, dado que la materia no se crea 
ni se destruye durante una reacción química. Dicho de forma sencilla, el número de átomos de cada 
elemento a cada lado de la ecuación debe coincidir. 
Expresamos entonces la igualdad de número de átomos para cada elemento a ambos lados de la 
ecuación en función de las atomicidades de cada uno y de los coeficientes estequiométricos: 
Carbono: 
2.a = c 
Hidrógeno: 
6.a = 2.d 
Oxígeno: 
a + 2.b = 2.c + d 
 
Las ecuaciones quedan planteadas como: 
2a = c 
6a = 2d 
a+2b = 2c+d 
Le asignamos un valor arbitrario a alguno de los coeficientes. En este caso nos conviene que a tenga 
valor 1. Entonces nos queda: 
a = 1 
2a = c --------> c = 2 
6a = 2d -------> 6 = 2d -------- > d = 3 
1 + 2b = 4 +3 ------> b = (7-1)/2 ------- > b= 3 
Reescribiendo la ecuación i) con los coeficientes correspondientes nos queda: 
1 C2H5OH + 3 O2 ------------ > 2 CO2 + 3 H2O 
Realizamos el mismo procedimiento para la ecuación ii): 
a C2H4O + b O2 -------------- > c CO2 + d H2O 
Carbono: 
2.a = c 
Hidrógeno: 
4.a = 2.d 
Oxígeno: 
a + 2.b = 2.c + d 
Nuevamente le asignamos valor 1 al coeficiente a. 
a = 1 
2a = c ---------- > c = 2 
4a = 2d --------- > 4 = 2d ------------> d = 2 
1 + 2b = 4 + 2 ----------> b = (6-1)/2 -----------> b = 5/2 
 
Reescribiendo la ecuación ii) con los coeficientes correspondientes nos queda: 
1 C2H4O + 5/2 O2 -------------- > 2 CO2 + 2 H2O 
De esta forma completamos el punto a. 
b. Para este punto debemos considerar los datos del problema que establecen que la oxidación de un 
mol de etanol en exceso de oxígeno da etanal y agua, ambos compuestos en estado líquido. Entonces la 
ecuación de oxidación del etanol para dar etanal es: 
C2H5OH + O2 ------------> C2H4O + H2O (ecuación iii) 
Esta ecuación no está balanceada, por lo tanto antes de seguir avanzando en la resolución deberemos 
balancearla. Usaremos nuevamente el método algebraico: 
a C2H5OH + b O2 ------------> c C2H4O + d H2O 
Carbono: 
2.a = 2.c 
Hidrógeno: 
6.a = 4.c + 2.d 
Oxígeno: 
a + 2.b = c + d 
Hacemos nuevamente a = 1, con lo que nos queda: 
a = 1 
2a = 2c ----- > 2 = 2c ------------ > c = 1 
6 = 4 + 2d ---------- > d = (6-4)/2 ---------- > d = 1 
1 + 2b = 1 + 1 ---------- > b = (2-1)/2 --------- > b = ½ 
Reescribiendo la ecuación con los coeficientes correspondientes nos queda: 
1 C2H5OH + 1/2 O2 ------------> 1 C2H4O + 1 H2O 
Si observamos las ecuaciones i, ii y iii veremos que podemos obtener la ecuación iii a partir de la suma 
de las ecuaciones i y ii. Es decir, podremos calcular la variación de entalpía de la reacción de oxidación 
de un mol de etanol a partir de las ecuaciones de combustión del etanol y el etanal aplicando la Ley de 
Hess y la Ley de Lavoisier – Laplace. Entonces: 
 
i) 1 C2H5OH + 3 O2 ------------ > 2 CO2 + 3 H2O 
ii) 1 C2H4O + 5/2 O2 -------------- > 2 CO2 + 2 H2O 
iii) 1 C2H5OH + 1/2 O2 ------------> 1 C2H4O + 1 H2O 
Para poder aplicar estas leyes es importante contar con todas las ecuaciones balanceadas, dado que de 
lo contrario no sabremos si hay que multiplicar alguna de ellas por algún coeficiente para que al realizar 
la suma obtengamos el resultado esperado. 
Entonces, la ecuación iii) tiene al etanal del lado de productos. Por lo tanto al sumar las ecuaciones i) y ii) 
deberemos invertir esta última para que al realizar la suma miembro a miembro de ambas nos quede el 
etanal del lado correcto. Nos quedaría entonces: 
i) 1 C2H5OH + 3 O2 ------------ > 2 CO2 + 3 H2O 
+ 
- (ii) 2 CO2 + 2 H2O -----------------> 1 C2H4O + 5/2 O2 
1 C2H5OH + 3 O2 + 2 CO2 + 2 H2O ---------------> 2 CO2 + 3 H2O + 1 C2H4O + 5/2 O2 
1 C2H5OH + ½ O2 ------------ > 1 C2H4O + 1 H2O 
Se indican en diferentes colores aquellas especies que aparecen a ambos lados de la ecuación al restar 
las ecuaciones i) y ii) y que por lo tanto pueden “simplificarse”. Recordemos que para realizar esta 
operación podemos considerar a la flecha de reacción como un signo “=”. 
Vemos que sumando la ecuación i) y la ii) invertida obtenemos la ecuación iii). Por lo tanto, la variación 
de entalpía en condiciones estándar de la reacción iii) será igual a la variación de entalpía en condiciones 
estándar de la combustión del etanol más la variación de entalpía en condiciones estándar de la 
reacción inversa de la combustión del etanal. Es decir: 
ΔH03 = ΔH
0
1 + (-ΔH
0
2) 
ΔH03 = ΔH
0
1 -ΔH
0
2 
ΔH01 = -1370,7 kJ/mol 
ΔH02 = -1167,3 kJ/mol 
ΔH03 = -1370,7 kJ/mol – (-1167,3 kJ/mol) 
ΔH03 = -203,4 kJ/mol 
 
 
 
c. Para resolver este último punto debemos considerar los calores de combustión molares de ambos 
compuestos y expresarlos en función de la masa en gramos. Entonces debemos calcular las masas 
molares del etanol y del etanal: 
M C2H5OH = 46 g/mol 
M C2H4O = 44 g/mol 
Por lo tanto, 1 mol de etanol tendrá una masa de 46 g, mientras que 1 mol de etanal tendrá una masa 
de 44 g. 
Para calcular los calores de combustión por unidad de masa debemos dividir las entalpías estándar de 
combustión de ambos compuestos por la masa molar de cada uno de ellos, es decir: 
QCOMB Etanol= ΔH
0
1/46 g/mol = -1370,7 kJ/mol/46 g/mol 
QCOMB Etanol = -233,2 kJ/g 
QCOMB Etanal= ΔH
0
2 x 44 g/mol = -1167,3 kJ/mol /44 g/mol 
QCOMB Etanal = - 26,5 kJ/g 
Concluimos entonces que el etanol será el compuesto que más calor por unidad de masa liberará 
durante su combustión.