Calcular la entalpía de formación estándar del etano a partir de las siguientes ecuaciones termoquímicas:

Del mismo modo que en el ejercicio 21 sobre el cálculo de la entalpía de formación del NO a partir de otras entalpías de formación, en este caso, la incógnita no es la entalpía de reacción, que es un dato, sino una de las entalpías de formación. Por lo demás el planteamiento es el mismo y sólo cambiará en el despeje matemático de  la ecuación final. Así, aplicaremos, nuevamente, la fórmula siguiente:

También te puede interesar consultar los restantes ejercicios de cálculo de una entalpía de reacción a partir de las entalpías de formación, que son los ejercicios del 13 al 21 de los Ejercicios Resueltos de Termoquímica. Asimismo, los vídeos de teoría 10 y 11 también se relacionan con los conceptos de este ejercicio. Puedes acceder en el siguiente enlace: Teoría de Termoquímica.

La diferencia con los ejercicios previos resueltos mediante el uso de esta fórmula (ejercicios del 13 al 20, de Ejercicios Resueltos de Termoquímica) es que, en este caso, la incógnita no es la entalpía de reacción, que es un dato, sino una de las entalpías de formación. Por lo demás el planteamiento es el mismo y sólo cambiará en el despeje matemático de  la ecuación final.

El enunciado completo es:

Hallar el calor de formación del monóxido de nitrógenoa partir de las ecuaciones termoquímicas siguientes:

Este ejercicio también se podría realizar alternativamente por aplicación de la Ley de Hess.

Determinar la energía calorífica obtenida en la combustión de 1m3 de metano y de 1m3 de propano si ambos gases se miden en condiciones estándar. ¿Cuál de los dos tiene mayor poder calorífico por unidad de volumen? Datos: entalpía de formación del agua líquida = -285,8 kJ/mol; entalpía de formación del dióxido de carbono = -393,5 kJ/mol; entalpía de formación del metano = -74,8 kJ/mol; entalpía de formación del propano = -103,8 kJ/mol.

Las reacciones de combustión correspondientes al metano y al propano son:

Para el cálculo de las entalpías de combustión correspondientes a dichos combustibles, dado que se dispone como datos de las entalpías de formación, usaremos la fórmula vista en teoría para el cálculo de una entalpía de reacción con entalpías de formación:

La urea, H2N-CO-NH2, es una sustancia soluble en agua que sintetizan muchos organismos vivos para eliminar el exceso de nitrógeno. La formación de urea se realiza habitualmente por reacción del amoniaco con dióxido de carbono, produciéndose agua líquida además de urea. Calcular la entalpía de reacción de dicha reacción, a partir de los siguientes datos: entalpía de formación del amoníaco = -46,1 kJ/mol; entalpía de formación de la urea = -333,2 kJ/mol; entalpía de formación del dióxido de carbono = -393,5 kJ/mol; entalpía de formación del agua = -285,8 kJ/mol.

Para el cálculo de la entalpía de dicha reacción utilizaremos la fórmula vista en teoría que relaciona las entalpías de formación de los reactivos y las entalpías de formación de los productos, es decir:

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Por su composición química y las características físicas que ésta les confiere, los biocarburantes pueden ser aptos en determinadas circunstancias para sustituir a las gasolinas en los motores de gasolina (llamados tipo Otto) o al gasóleo en los motores diésel. La sustitución puede darse de manera total o, lo que es más habitual, en un determinado porcentaje de mezcla, como aditivos.

Decimos, por tanto, que los biocombustibles proceden de reacciones químicas cuya materia prima es la biomasa, pero… ¿qué es la biomasa? En realidad es un concepto muy amplio: con este nombre se designa cualquier materia orgánica derivada de residuos o productos animales y vegetales, como pueden ser plantas, madera, residuos de procesos forestales y agrícolas o incluso productos de desecho biodegradables de la actividad industrial o urbana…  ¿Por qué usar dicha biomasa como materia prima para la producción de combustibles? Pues porque ésta es la única fuente de carbono orgánico disponible en la Tierra que se está produciendo continuamente a un ritmo apreciable. Constantemente se producen en el planeta materia vegetal y animal; las plantas realizan la fotosíntesis para alimentarse, crecen, se reproducen, nacen plantas nuevas, los animales se alimentan de las plantas, crecen, se reproducen… Y así sucesivamente. Durante la fotosíntesis, las plantas no sólo fijan CO2 atmosférico, uno de los gases responsables del efecto invernadero (GEI, Gases de Efecto Invernadero), sino que, además, aprovechan la energía luminosa del sol, una energía “extraterrestre”, según el proceso siguiente:

Es un ciclo veloz y constante de “creación” de materia, a diferencia de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), cuyo balance producción-consumo está terriblemente descompensado, motivo por el que en un horizonte de pocas décadas se agotarán las reservas disponibles (se consume, aproximadamente, cuatro veces más petróleo del que se descubre anualmente).

Por esta y otras cuestiones, hace ya mucho tiempo que se centró la atención en la biomasa como un posible sustituto de los combustibles fósiles en la producción de fuentes de energía y de determinados productos químicos. Y por el hecho de que la biomasa se está produciendo constantemente y fijando el CO2 atmosférico, se suele decir que los biocombustibles son “energías limpias y renovables”. Eso no significa que los biocombustibles sean idílicos (a pesar de las connotaciones que suele traer a la mente el prefijo “bio”) ni que no presenten un fuerte impacto en el medio ambiente, por lo que hay que ser cautos. Ahora bien, sí que es cierto que en principio los biocombustibles son neutros en lo que al CO2 se refiere, porque el CO2 liberado en su uso ha sido fijado previamente, como se ha dicho, en la fotosíntesis. Es decir, el dióxido de carbono emitido se compensa con el absorbido, dando un balance próximo a cero. Esta es una gran ventaja frente a la enorme cantidad de dióxido de carbono emitido por los combustibles fósiles. No obstante, las ventajas e inconvenientes de los biocombustibles serán tema de una entrada posterior.

Aunque no sean “perfectos”, es indudable que ganan la partida a los combustibles fósiles no sólo en las emisiones de CO2, sino también en muchos otros aspectos medioambientales. Por ejemplo: no emiten dióxido de azufre (principal causante de la lluvia ácida), y se disminuye la concentración de partículas en suspensión emitidas, de metales pesados, de monóxido de carbono, de hidrocarburos aromáticos policíclicos y de compuestos orgánicos volátiles [2].

¿Qué tipos de biocombustibles existen?

En primer lugar, atendiendo al estado de agregación, los biocombustibles pueden ser sólidos (residuos vegetales, esencialmente) líquidos (bioalcoholes, biodiésel) y gaseosos (biogás, hidrógeno).

Asimismo, además de basándonos en su estado de agregación, se pueden clasificar como biocombustibles de primera generación y biocombustibles de segunda generación; la base de esta otra clasificación es el tipo de materia prima utilizada en la producción. Los biocombustibles de primera generación se refieren a aquéllos producidos a partir de materias primas de origen comestible (azúcares, almidones y aceites vegetales), mientras que los biocombustibles de segunda generación usan otros tipos de materias primas no comestibles, por la razón obvia de no competir con los productos alimenticios (lignocelulosa, aceites usados, microalgas, aceites vírgenes no comestibles). Estos últimos parecen ser los más prometedores, pero en su mayoría se encuentran en fase experimental, de laboratorio o planta piloto [1].

¿Cuáles son los biocombustibles más utilizados en la actualidad?

Los biocombustibles que mayor importancia tienen actualmente son los que se presentan en forma líquida, debido, precisamente, a que su uso potencial se halla en la sustitución de o combinación con los combustibles de locomoción como gasóleo o gasolina, que son también líquidos. En concreto, son el biodiésel y bioetanol, ambos de primera generación, los más usados.

El biodiésel, obtenido de la reacción de transesterificación de aceites vegetales y/o grasas animales con un alcohol de bajo peso molecular (generalmente metanol o etanol), puede ser un sustitutivo o aditivo del gasóleo o diésel. Se obtiene principalmente del aceite extraído de plantas como la colza, la soja o el girasol, aunque también se puede obtener usando aceites de fritura usados, grasas animales u otros aceites no comestibles, como el de jatropha curcas. El biodiésel puede sustituir al carburante diésel, aunque no suele usarse puro, sino mezclado con gasóleo entre distintas proporciones que oscilan, normalmente, entre el 5 y el 30%. Para usarlo al 100% es necesario llevar a cabo ciertas modificaciones en el motor diésel convencional.

Por su parte, el bioetanol se produce principalmente mediante la fermentación de granos ricos en azúcares o almidón (cereales, remolacha, caña de azúcar…). Es en realidad etanol “normal”, CH3CH2OH, al que se le añade el prefijo “bio” por proceder de la fermentación de plantas. Mezclado con la gasolina convencional, normalmente como aditivo al 5%, puede utilizarse en los motores modernos de explosión que no han sufrido modificación. Los motores modificados convenientemente pueden funcionar con mezclas de etanol al 85% así como con bioetanol puro y gasolina convencional [2].

Como veis, esta entrada pretende ser únicamente una introducción al mundo de los biocombustibles. En posteriores textos trataremos en mayor profundidad los múltiples aspectos relativos esencialmente al bioetanol y al biodiésel, como las materias primas utilizadas, los procesos productivos industriales y la reacción química implicada, los análisis y controles de calidad a realizar, la normativa, las ventajas y los inconvenientes de su uso… Y un largo etcétera. Se trata de un campo en constante evolución y crecimiento (aunque más lento de lo que las disposiciones y directivas europeas marcaron en su día, lamentablemente) que los químicos debemos conocer al máximo (sus ventajas para aprovecharlas, sus inconvenientes para remediarlos), ya que el de la energía es uno de los mayores problemas con los que nos vamos a encontrar en el siglo XXI.

Referencias principales:
[1]: Biocombustibles líquidos: procesos y tecnologías. An. Quím. 2011, 107(4), 383–389
[2]: Biocarburantes en el transporte. Manuales de Energías renovables IDAE

Así, la fórmula que emplearemos, vista en teoría, es la siguiente:

El enunciado completo es:

Las entalpías estándar de formación para el CO2 (g), el etanol (l) y el agua líquida son, respectivamente: -277,7 kJ/mol y -285,5 kJ/mol. Calcular la energía calorífica obtenida en la combustión de 1 dm3 de alcohol etílico de densidad 800 kg/m3 en condiciones estándar.

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La forma más habitual de obtener ácido acético a nivel industrial es por reacción entre el metanol y monóxido de carbono. Calcular la entalpía estándar de dicho proceso e indicar si el proceso es exotérmico o endotérmico. ¿Cómo será el diagrama entálpico del proceso?

DATOS: entalpía de formación del ácido acético = -485 kJ/mol; entalpía formación monóxido carbono = -110 kJ/mol; entalpía de formación del metanol = -238 kJ/mol.

La siguiente reacción tiene lugar en la etapa final de la producción de ácido nítrico:

A partir de los datos siguientes, calcular la variación de entalpía para dicha reacción:

Para ello usaremos la fórmula vista en teoría:

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Calcular la variación de entalpía de la siguiente reacción:

A partir de las entalpías de estas otras reacciones:

Para el cálculo utilizaremos la fórmula vista en teoría,

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Cuando 5,00 gramos de potasio reaccionan con un exceso de cloro gaseoso, en condiciones estándar, se obtiene cloruro de potasio sólido, y se desprenden 55,9 kJ de energía en forma de calor. Calcular la entalpía estándar de formación del cloruro potásico.

La reacción de formación del cloruro potásico es:

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El enunciado completo es:

Calcular la variación de entalpía correspondiente a la descomposición térmica del carbonato cálcico, en óxido de calcio y dióxido de carbono, sabiendo que las entalpías estándar de formación del óxido de calcio, del dióxido de carbono y del carbonato cálcico son, respectivamente, -635,1 kJ/mol, -393,5 kJ/mol y -1206,9 kJ/mol.

Para la resolución del ejercicio, en primer lugar, plantearemos y ajustaremos la reacción química de la cual deseamos conocer la entalpía estándar, es decir:

Una vez ajustada la reacción correspondiente, podremos aplicar la fórmula indicada previamente, tal y como se explica con detenimiento en el vídeo del ejercicio.

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¿Qué masa de etanol será necesario quemar para convertir en vapor a 100ºC, 1 kg de agua que está inicialmente en estado líquido a 0ºC?

Datos: entalpía de combustión del etanol, -1370 kJ/mol; calor específico del agua, c = 4180 kJ/K·kg; entalpía de vaporización del agua = 40,7 kJ

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