¿Por qué son exotérmicas las reacciones de los ácidos con los metales?

Question

El otro día me di cuenta de que no estoy seguro de por qué las reacciones de los ácidos fuertes con los metales son exotérmicas. Cualquier reacción es exotérmica si se libera más energía de la que se utiliza para romper los enlaces (utilizando la palabra "enlaces" en un sentido suficientemente amplio).

En estas reacciones, se rompen los enlaces metálicos; en el hidrógeno se forman enlaces covalentes, pero el hidrógeno se encuentra en estado gaseoso, por lo que sus moléculas deben sentirse menos atraídas entre sí que los iones de hidrógeno en el líquido. Suponía vagamente que este último hecho haría que se tratara de una reacción endotérmica (después de todo, funciona con el carbonato sódico), pero evidentemente no es así.

¿Existe una forma rigurosa de calcular el cambio total de entalpía, o una explicación fácil que me esté perdiendo?

Supongo que puedo calcular el cambio de entalpía de cada uno de los cambios de estado implicados, pero no es obvio que eso vaya a salir siempre negativo (que deduzco que sí), así que creo que probablemente haya una forma menos matemática de explicar esta observación.

Answer 1

Sí, existe una forma rigurosa de calcular el cambio de entalpía.

Escribe primero una reacción de ejemplo. Puede que no sea tan fácil como crees. ¿Qué especies se forman realmente cuando el cloruro de cinc (por ejemplo) se disuelve en agua?

La versión sencilla a continuación...

$$\ce{Zn(s) + 2 H+(aq) -> Zn^2+(aq) + H2(g)}$$

...no servirá, los iones de zinc solvatados en ácido clorhídrico están presentes en una variedad de complejos tetraédricos cloro-acuáticos .

Así que tal vez algo como

$$\ce{Zn(s) + 2 H+(aq) + 2 Cl-(aq) + 2H2O(aq) -> ZnCl2(H2O)2(aq) + H2(g)}$$

Esto muestra al menos qué enlaces se rompen y cuáles se forman:

• Se rompen los enlaces Zn-Zn (metálicos)
• Se forman enlaces H-H
• Se forman enlaces Zn-Cl y Zn-aqua (en realidad zinc-oxígeno).

Para calcular el cambio de entalpía, se puede calcular la entalpía aproximada de formación de cada tipo de enlace. Los enlaces H-H son bastante "fuertes", es decir, la entalpía de enlace es relativamente alta, de 436 kJ/mol. Por tanto, cuando se forman esos enlaces, se libera esa entalpía. Los enlaces cinc-agua (es decir, cinc-oxígeno) y cinc-cloro también son bastante fuertes, con una entalpía del orden de 436 kJ/mol. 284 y 229 kJ/mol, respectivamente . Las entalpías de los enlaces zinc-zinc son de sólo ~29 kJ/mol.

Si se suma todo, ¡se libera mucha entalpía!