¿Cuál es la diferencia entre la entalpía de la combustión y la entalpía de la formación?

No son idénticos ni necesariamente opuestos. El calor de la combustión siempre será negativo ya que la reacción emitirá calor al romper los enlaces químicos. Por ejemplo, quemar hexano en presencia de oxígeno es la combustión y sigue la ecuación:

2C6H14 + 19O2 → 12CO2 + 14H2O

El calor de la formación siempre debe ser positivo, ya que tomará calor para producir los enlaces químicos. La formación y la combustión pueden relacionarse entre sí mediante el uso de la suma del calor de formación de los productos y la suma del calor de formación de los reactivos y tomar la diferencia le dará el calor de la combustión. El calor de formación y combustión puede ser igual pero opuesto siempre que los enlaces que se formen / rompan sean iguales.

Respuesta corta: a veces. Pero no realmente.

“Entalpía de” lo que sea … es la entalpía de la transformación (reacción) a la que se refiere el “lo que sea”.

La entalpía de formación se refiere específicamente a la reacción en la que se forma un mol de un compuesto directamente de sus elementos en sus estados estándar. Tenga en cuenta que este tipo de entalpía siempre se refiere al producto de la reacción. Así por ejemplo,

[1:] [matemática] \ frac {1} {2} [/ matemática] N [matemática] _2 [/ matemática] (g) + [matemática] \ frac {3} {2} [/ matemática] H [matemática ] _2 [/ matemáticas] (g) → NH [matemáticas] _3 [/ matemáticas] (g)

[2:] C (grafito) + O [matemática] _2 [/ matemática] (g) → CO [matemática] _2 [/ matemática] (g)

ambas son reacciones estándar de formación porque los compuestos del producto (NH [matemática] _3 [/ matemática] y CO [matemática] _2 [/ matemática]) se forman a partir de sus elementos en estados estándar.

La entalpía de la combustión se refiere específicamente a la reacción en la que un mol del compuesto en cuestión se combina completamente con oxígeno gaseoso. A diferencia de las reacciones de formación, la combustión se refiere a uno de los reactivos (no al producto).

¿Puedes ver que el ejemplo # 2 anterior es también una reacción estándar de combustión? Un mol de C (grafito) se combina completamente con oxígeno gaseoso. Entonces, la entalpía de esa reacción es tanto la entalpía de formación de CO [matemática] _2 [/ matemática] como la entalpía de combustión de C (grafito).

Pero tenga en cuenta lo anterior que la entalpía de la reacción # 2 no es la entalpía de la formación y la entalpía de la combustión de la misma sustancia. Eso nunca puede ser cierto (por eso dije “no realmente” en mi breve respuesta). Es la entalpía de la formación de algo y la entalpía de la combustión de otra cosa.

No.

Describen procesos completamente diferentes. La formación es el proceso de hacer una molécula a partir de los elementos. La combustión está convirtiendo la molécula en todos los óxidos ideales. No hay ninguna razón por la cual estos dos estén relacionados, excepto que la energía liberada por la combustión es menor si la molécula es muy estable.

La diferencia entre estas dos definiciones son las energías componentes básicas. Para cualquier elemento en particular, puede definir ese elemento como base y asignar arbitrariamente una energía. Esto se debe a que los elementos químicos constituyen la base lógica de todos los productos químicos: todos los productos químicos son un cierto número de elementos sumados. Pero también puede definir cualquier combinación de un elemento como base como energía arbitraria. Ambos son solo dos de las muchas bases posibles.

Matemáticamente, considere que solo se nos considera con un sistema químico donde hay tres componentes, lo que llamaré átomos: [matemática] A [/ matemática], [matemática] B [/ matemática] y [matemática] C. [ / matemáticas] Todos los productos químicos son una combinación de estos. Entonces puede ser intuitivo definir la energía de formación de [matemáticas] A [/ matemáticas] como [matemáticas] E (A) = 0 [/ matemáticas], de [matemáticas] B [/ matemáticas] como [matemáticas] E (B ) = 0 [/ matemática], y de [matemática] C [/ matemática] como [matemática] E (C) = 0 [/ matemática]. Si ejecutamos un experimento de calorimetría y descubrimos que la creación de [matemáticas] A + B \ a AB [/ matemáticas] libera una cantidad de energía de $ x $, entonces lo bueno es que la energía de transformación es [matemáticas] E (AB) – [E (A) + E (B)] = x – [0 + 0] = x [/ matemáticas].

Pero, ¿qué pasa si un reactivo o producto realmente común es en sí mismo un compuesto? Es decir, algo así como [matemáticas] A_2 B + B3C5 \ a A_2 B_2 + B_2 C_2 + C_2 [/ matemáticas]? Reducir cada uno de esos componentes a sus átomos individuales es un dolor. Aquí es donde entra algo como la entalpía de la combustión: dice que los compuestos establecidos como [matemática] A_2 B [/ matemática] tienen energía cero.

Podemos pensar en términos de álgebra lineal. Nuestros productos químicos son dimensiones de un espacio vectorial de valores enteros. Un compuesto puede tener cualquier [matemática] \ langle x, y, z \ rangle [/ matemática] siempre que [matemática] x, y, z \ en Z [/ matemática] (mientras podemos salir con fracciones es mejor para comprensión física para simplemente multiplicar todo por el mínimo común denominador). Una reacción química es una transformación de un conjunto de vectores que representan los reactivos en otro conjunto de vectores que representan los productos, con la condición de que el número de cada tipo de átomo no cambie.

La energía se conserva en la parte superior del marco del vector material. Lo que estamos diciendo es que puede tomar cualquier átomo empaquetado de cualquier manera (vectores), dividirlos y combinarlos como desee (transformarlos con la condición de conservación del material), y además se conserva esa energía.

Hablando en términos prácticos, esto nos facilita mucho las cosas. Debido a que la energía se conserva en la parte superior del material, podemos asignar a tres materiales separados cualquier energía siempre que abarquen el espacio, es decir, al menos un componente distinto de cero en cada dimensión o cada átomo aparece al menos una vez. Podemos medir el cambio de energía de estos materiales a otros materiales a través del experimento. Entonces podemos deducir, a través de cualquier vía en el marco del vector material, cuál es la energía de un nuevo material si involucra reactivos y productos de otros materiales con energías conocidas.

Toda la diferencia que hacen es la conveniencia de encontrar un camino. El enfoque de formación es el más intuitivo y generalmente conveniente, pero el enfoque de combustión es conveniente para problemas de combustión.

Para resumir mi ejemplo: la conservación de materiales crea un marco vectorial para las transformaciones químicas. La energía es un valor escalar que existe en cada punto al que puede apuntar un vector. Pero debido a que la energía no es absoluta, el valor de ese escalar depende de su base: debe asignar tres puntos a tres valores distintos (no necesariamente, pero convenientemente, cero) para que la conservación de energía pueda poblar todos los demás puntos. Lo que elijas como tus tres puntos depende de ti. Lo más obvio es la base ortogonal normalizada: simplemente defina la energía de cada átomo como cero. Esos serían los vectores negros. Pero si tiene un conjunto de reacciones similares, por ejemplo, combustión, podría definir los puntos comunes correspondientes a los compuestos para ese conjunto de reacciones como base. Esos podrían ser los puntos rojo, azul y verde, por ejemplo. A continuación se muestra cómo puede hacer [math] A_2B_2 [/ math] con la base ortogonal normalizada. Para la base ortogonal, ya sea directamente o mediante el uso de sustancias intermedias y conocidas, el cambio de energía de la reacción viene dado por [matemáticas] E (A_2B_2) – (2E (A) + 2E (B)) = E (A_2B_2) = \ text {medido o deducido} [/ math]. En la base mostrada, dado que A_2B_2 es ​​el vector verde, la energía de [matemática] A_2B_2 = \ text {arbitraria} [/ matemática] es el valor base seleccionado.

El argumento se extiende fácilmente a dimensiones superiores (más tipos de átomos que se conservan). Simplemente agrega otra dimensión a su espacio vectorial, y necesita especificar un vector más con un componente distinto de cero en esa dimensión.

Una nota: si digo que una sustancia [matemáticas] A [/ matemáticas] tiene una energía, o una entalpía de formación, o algo así como 0, y digo que otra sustancia [matemáticas] B [/ matemáticas] tiene una energía , o una entalpía de formación, o algo así como 0, esto no sugiere que [matemáticas] A [/ matemáticas] y [matemáticas] B [/ matemáticas] sean energéticamente equivalentes. No importa para los ingenieros químicos como yo, ya que [matemática] A [/ matemática] y [matemática] B [/ matemática] son ​​nuestras partículas fundamentales: nunca las dividimos en sus partes respectivas. Pero estos átomos son diferentes en su contenido de energía, como lo son todos los átomos, ya que ocurre la fusión.

La combustión describe una reacción en la que una sustancia reacciona con el oxígeno para producir (generalmente) dióxido de carbono y agua. Otros productos incluyen SO2 si el primer reactivo contiene azufre o NO2 si contiene nitrógeno.

C3H8 + O2 → CO2 + H2O (desequilibrado)

Una reacción de formación muestra que un producto específico está hecho de reactivos elementales. Además, el producto en la ecuación debe tener un coeficiente de 1 delante:

3 C (grafito) + 4 H2 (g) → C3H8 (g)

En mis ejemplos, la primera reacción tiene una entalpía que se describe como la entalpía de combustión del propano. El segundo es para la formación de propano. Situaciones completamente diferentes (y valores).

Considere una reacción entre el hidrógeno y el oxígeno.

Ahora, el calor liberado en este proceso es la entalpía de la combustión. También hay una formación de producto de reacción, en este caso es agua.

Se requiere cierta cantidad de calor para la formación del subproducto, es decir, la entalpía de la formación.