La termoquímica en los exámenes de admisión
La termoquímica es una rama de la química general que estudia los efectos térmicos de las reacciones químicas. En el examen de química se presenta principalmente en la tarea 27, donde se encuentran tres prototipos típicos de problemas. Todos ellos se reducen a comparar el efecto térmico (o entalpía, como se suele denominar a esta magnitud en los cursos universitarios) con la cantidad de sustancia de los reactivos y productos de la reacción.
Sin embargo, la termoquímica real no se limita a estos cálculos proporcionales. Su tarea principal es determinar el calor de una reacción química utilizando diversos métodos, incluidos los indirectos. Esto tiene una enorme importancia práctica: la energía liberada durante la combustión de un combustible (por ejemplo, el metano al reaccionar con el oxígeno para formar dióxido de carbono y agua) se utiliza activamente en la energía y el transporte. El combustible de metano se considera ecológicamente más limpio en comparación con los productos petrolíferos precisamente gracias a las características termoquímicas conocidas de su reacción de combustión.
Entalpía y la personalidad de G. I. Hess
La entalpía (designada como H) es una función de estado termodinámica que caracteriza el contenido calórico de un sistema. El cambio de entalpía ΔH durante una reacción es numéricamente igual al efecto térmico a presión constante, pero tiene el signo opuesto: para los procesos exotérmicos ΔH < 0, y para los endotérmicos ΔH > 0.
Guerman Ivánovich Hess fue un científico ruso de origen suizo y súbdito del Imperio ruso. Dirigió expediciones de exploración geológica en Irkutsk, enseñó en el Instituto Tecnológico y en el Instituto de Minas de San Petersburgo, y ejerció la práctica médica. Además de descubrir la ley de la constancia de las sumas de calor, Hess redactó la primera nomenclatura química rusa e inventó un alcoholímetro; existía el concepto de «grados Hess» como medida de la concentración de soluciones alcohólicas.
Ley de Hess
La ley de Hess se formula de la siguiente manera: el efecto térmico de una reacción química depende únicamente de los estados inicial y final del sistema y no depende de la trayectoria por la cual transcurre la reacción, siempre que la presión (o el volumen) permanezca constante.
Metafóricamente, esto se puede representar como subir una montaña: se puede ir directamente o por un camino en zigzag; el esfuerzo subjetivo es diferente, pero la diferencia de altura entre la base y la cima es la misma. Para una reacción química, lo único fundamental es qué reactivos se tomaron y qué productos se obtuvieron; las etapas intermedias no afectan la magnitud de ΔH.
Consecuencias importantes:
- El ΔH de las reacciones directa e inversa son iguales en módulo y opuestos en signo.
- Una reacción puede representarse como la suma de varias etapas, y el ΔH total es igual a la suma algebraica de las entalpías de estas etapas.
- La ley permite calcular los efectos térmicos de reacciones que son imposibles o difíciles de medir experimentalmente.
Aplicación de la ley de Hess: el problema de la combustión del fosgeno
Se requiere determinar el efecto térmico de la reacción de combustión del fosgeno (COCl₂) hasta dióxido de carbono y cloro. La medición directa es difícil, pero se conocen dos reacciones: la descomposición del fosgeno y la descomposición del dióxido de carbono con sus respectivos valores de ΔH.
Algoritmo de resolución:
- Escribir la reacción objetivo y las dos auxiliares.
- Invertir la segunda reacción (la descomposición del CO₂) en sentido contrario, ya que en la reacción objetivo el CO₂ es un producto y no un reactivo. Al invertirla, el signo de ΔH cambia al opuesto: de +282,8 kJ pasa a ser −282,8 kJ.
- Sumar las ecuaciones y sus correspondientes cambios de entalpía. La suma obtenida es el ΔH de la reacción objetivo.
De este modo, por un camino indirecto a través de productos intermedios (monóxido de carbono CO), es posible calcular el efecto térmico que no se puede medir directamente.
La termoquímica en el organismo y la dietología
La combustión de la glucosa en una hoguera y su oxidación en un organismo vivo son procesos químicamente idénticos: mismos reactivos (C₆H₁₂O₆ y O₂), mismos productos (CO₂ y H₂O), mismos coeficientes estequiométricos. La diferencia radica en la cinética: en la hoguera la energía se libera instantáneamente en forma de calor, mientras que en la célula el proceso ocurre por etapas, lo que permite almacenar la energía en forma de moléculas de ATP y equivalentes reductores (NADH, FADH₂).
De acuerdo con la ley de Hess, el efecto térmico total de la oxidación de la glucosa en ambos casos es el mismo. Es por esto que el contenido calórico de los alimentos se determina quemando el producto en un calorímetro (bomba calorimétrica) y midiendo el calor liberado. Con base en estas mediciones se han establecido valores de referencia: los carbohidratos aportan alrededor de 17,2 kJ por gramo, y las grasas alrededor de 38 kJ por gramo. El cálculo de las dietas en la nutrición se basa directamente en los datos termoquímicos y en la ley de Hess, lo que demuestra la conexión fundamental de la química general con la medicina y la fisiología.
Puntos clave
- La entalpía H es una función de estado; ΔH caracteriza el efecto térmico de una reacción a presión constante.
- Ley de Hess: el ΔH de una reacción depende únicamente de los estados inicial y final, y no de la trayectoria de su desarrollo.
- Al invertir la ecuación de una reacción, el signo de ΔH cambia al opuesto.
- La ley de Hess permite calcular los efectos térmicos de forma indirecta mediante la combinación de reacciones conocidas.
- G. I. Hess fue un científico nacional del siglo XIX, autor de la ley de la constancia de las sumas de calor y de la primera nomenclatura química rusa.
- La oxidación de la glucosa en un calorímetro y en la célula produce el mismo ΔH total, difiriendo únicamente en el mecanismo y la velocidad.
- El contenido calórico de los alimentos se determina calorimétricamente, lo cual es una aplicación directa de la ley de Hess en la dietología.
- La termoquímica es la base para comprender la bioenergética y el metabolismo para un estudiante de medicina.