Termoquímica y entalpías de reacción

Solución oficial

Corrección oficial de la PAU de Cataluña (Generalitat de Catalunya), traducida del catalán. Las puntuaciones de cada paso son las de la pauta de corrección.

a)

Procedimiento 1

Primera reacción de la tabla: $2\,\text{NH}_3(g) + \text{CO}_2(g) \to \text{H}_2\text{NCONH}_2(s) + \text{H}_2\text{O}(l)$, $\Delta H^\circ_1 = -133{,}3\ \text{kJ}$

0,3 p. Para determinar $\Delta H_f$ de la urea sólida podemos relacionar la variación de entalpía de la reacción anterior ($\Delta H^\circ_1$) con las entalpías de formación de los productos y de los reactivos:$$\Delta H^\circ_{\text{reacción}} = \left(\sum n_p\,\Delta H^\circ_{f,\ \text{productos}}\right) - \left(\sum n_r\,\Delta H^\circ_{f,\ \text{reactivos}}\right)$$$$\Delta H^\circ_{\text{reacción}} = \left[(1 \times \Delta H^\circ_{f,\ \text{urea},\ s}) + 1 \times (\Delta H^\circ_{f,\ \text{agua},\ l})\right] - \left[(2 \times \Delta H^\circ_{f,\ \text{amoníaco},\ g}) + (1 \times \Delta H^\circ_{f,\ \text{CO}_2,\ g})\right]$$Las reacciones 3, 4 y 5 de la tabla son, respectivamente, las entalpías estándar de formación del $\text{NH}_3(g)$, del $\text{H}_2\text{O}(l)$ y del $\text{CO}_2(g)$.

0,3 p. $\Delta H^\circ_{f,\ \text{amoníaco},\ g} = -46{,}1\ \text{kJ}$; $\Delta H^\circ_{f,\ \text{agua},\ l} = -285{,}8\ \text{kJ}$; $\Delta H^\circ_{f,\ \text{CO}_2,\ g} = -393{,}5\ \text{kJ}$

Sustituyendo:$$-133{,}3 = \left[(\Delta H^\circ_{f,\ \text{urea},\ s}) + (-285{,}8)\right] - \left[(2 \times (-46{,}1)) + (-393{,}5)\right]$$$$\Delta H^\circ_{f,\ \text{urea},\ s} = -333{,}2\ \text{kJ}$$0,4 p. La entalpía de formación de la urea sólida es $-333{,}2\ \text{kJ}$ (o $-333{,}2\ \text{kJ mol}^{-1}$)

Se descontarán 0,2 p si no indican las unidades (o son erróneas).

Procedimiento 2

0,3 p. La reacción de formación de la urea se puede escribir como:$$\text{N}_2(g) + 2\,\text{H}_2(g) + \text{C}(s) + \tfrac{1}{2}\,\text{O}_2(g) \to \text{H}_2\text{NCONH}_2(s) \qquad \Delta H^\circ_{f,\ \text{urea},\ s}$$0,3 p. Esta reacción se puede escribir como combinación de las siguientes reacciones de la tabla:Aplicando la ley de Hess:$$\Delta H^\circ_{f,\ \text{urea},\ s} = \Delta H^\circ_1 + \Delta H^\circ_3 + \Delta H^\circ_{-4} + \Delta H^\circ_5$$$$\Delta H^\circ_{f,\ \text{urea},\ s} = -133{,}3 + (2 \times (-46{,}1)) + (285{,}8) + (-393{,}5)$$$$\Delta H^\circ_{f,\ \text{urea},\ s} = -333{,}2\ \text{kJ}$$0,4 p. La entalpía de formación de la urea sólida es $-333{,}2\ \text{kJ}$ (o $-333{,}2\ \text{kJ mol}^{-1}$)

Se descontarán 0,2 p si no indican las unidades (o son erróneas).

b)

Proceso de disolución de la urea en agua:$$\text{H}_2\text{NCONH}_2(s) \to \text{H}_2\text{NCONH}_2(ac) \qquad \Delta H^\circ_{\text{dis}}\ ?$$Cálculo de la variación de entalpía del proceso de disolución de la urea

0,4 p. La reacción anterior se puede poner como combinación de las dos primeras reacciones de la tabla:$$\text{H}_2\text{NCONH}_2(s) + \text{H}_2\text{O}(l) \to 2\,\text{NH}_3(g) + \text{CO}_2(g) \qquad \Delta H^\circ_{-1} = -(-133{,}3)\ \text{kJ} \quad \text{(reacción 1, invertida)}$$$$2\,\text{NH}_3(g) + \text{CO}_2(g) \to \text{H}_2\text{NCONH}_2(ac) + \text{H}_2\text{O}(l) \qquad \Delta H^\circ_2 = -119{,}3\ \text{kJ} \quad \text{(reacción 2)}$$Aplicando la ley de Hess: $\Delta H^\circ_{\text{dis}} = \Delta H^\circ_{-1} + \Delta H^\circ_2$$$\Delta H^\circ_{\text{dis}} = (133{,}3) + (-119{,}3)$$$$\Delta H^\circ_{\text{dis}} = 14{,}0\ \text{kJ}$$0,3 p. La variación de entalpía del proceso de disolución de la urea es $14{,}0\ \text{kJ}$ (o $14{,}0\ \text{kJ mol}^{-1}$).

Se descontarán 0,1 p si no indican las unidades (o son erróneas).

0,3 p. Efecto de la temperatura en el proceso de disolución de la urea

El proceso de disolución es endotérmico ($\Delta H_{\text{dis}} > 0$). Esto quiere decir que la reacción absorbe calor cuando va de los reactivos (urea sólida) a los productos (urea disuelta).

Si la temperatura aumenta, estamos dando calor y la reacción se desplaza hacia la derecha, y se disuelve más urea.