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Termoquímica Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 1 História • A sociedade é movida a energia e a invenção da máquina a vapor contribuiu decisivamente na Revolução Industrial, que levou ao aumento da produtividade e diminuição da influência sazonal sobre a produtividade (épocas de seca e chuvas). • Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 2 História Trabalho: movimento das pás. H2O(g) calor Expansão da água Líquido -> gás Uma máquina à vapor não cria energia, utiliza o vapor para transformar a energia calorífica liberada pela queima de combustível em movimento de rotação e movimento alternado de vaivém, afim de realizar trabalho. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 3 História A termodinâmica surgiu pela necessidade de aumentar o rendimento das máquinas a vapor. Perda de calor ! Fig. 1 - Esquema de uma máquina térmica. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 4 História •Termodinânica: Estudo da energia e suas transformações. • Termoquímica: Estudo das reações químicas e suas variações e transformações de energia. Ex: energia a partir de combustíveis fósseis Ex: energia a partir de biomassa Ex: energia advinda de reações químicas como nas bateriais Ex: Degradação do alimento por nosso corpo para geração de energia. • Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 5 A natureza da energia Sistema e vizinhanças • Sistema: é a parte do universo na qual estamos interessados. em acompanhar a conversão da energia. • Vizinhança: é o resto do universo. sistema vizinhança universo Sistema aberto Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier Sistema fechado Sistema isolado 6 A natureza da energia Sistema aberto Sistema fechado Sistema isolado Motores de automóveis Bolsas de térmicas Corpo humano Garrafa térmica (aproximadamente) Em termodinâmica, o universo é formado por um sistema e sua vizinhança. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 7 Transferência da Energia A transferência de energia: trabalho e calor • Força é uma tração ou uma compressão exercida em um objeto. • A energia utilizada para mover um objeto numa distância (d) contra uma força (F) é chamada de trabalho. W=F.d sistema sistema vizinhança universo vizinhança Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier universo 8 Transferência da Energia sistema sistema vizinhança vizinhança universo universo Ao realizarmos trabalho, nossa energia é transmitida para a vizinhança. Ao nos alimentarmos, recebemos energia da vizinhança. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 9 Transferência da Energia • Exemplos de trabalho: 1) bateria (reação química)realiza trabalho quando empurra uma corrente elétrica em um circuito. 2) mistura de gases quentes de um motor de automóvel empurram um pistão, realizando trabalho. http://www.youtube.com/watch?v=Hhc6xM0wjKQ Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 10 Transferência da Energia • Outra maneira de transferir energia entre sistema e vizinhança é através do Calor (q) é a transferência de energia entre dois objetos que estão a temperaturas diferentes. • Calor é uma energia em trânsito que causa alteração da energia interna dos corpos. Não se diz que um corpo tem calor, ele tem energia. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 11 1a Lei da Termodinâmica sistema W, q vizinhança universo • O sistema e a vizinhança podem trocar calor e trabalho alterando a energia interna do sistema e da vizinhança. • No entanto, a energia total do universo permanece inalterada. 1a Lei da Termodinânica: A energia não pode ser criada ou destruída ∆E = q + w Não existem máquinas de movimento perpétuo! Ou seja, não é possível gerar trabalho sem usar combustível. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 12 1a Lei da Termodinâmica A 1ª Lei da termodinâmica nos diz que a energia não é criada nem destruída, portanto, a energia do universo é constante. Entretanto, a energia pode ser transferida de uma parte para outra do universo. Para estudar termodinâmica é necessário isolar partes do universo (sistema) do restante do universo (vizinhança). Classificação Conversão da energia Máquinas automotivas Química/Cinética (deslocamento) Fornos Química/Calor Hidroelétricas Potencial Gravitacional/Elétrica Solar Óptica/Elétrica Nuclear Potencial atômica/calor, cinética, ótica Baterias Química/Elétrica Alimentos Química/calor, cinética Fotossíntese Óptica/ Química Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 13 A natureza da energia Unidades de energia • A unidade SI para energia é o joule, J. • Algumas vezes utilizamos a caloria em vez do joule: 1 cal = 4,184 J (exatos) 1 cal é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1g de água em 1oC. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 14 A primeira lei da termodinâmica Energia interna • Energia interna: é a soma de toda a energia cinética e potencial de todos os componentes de um sistema. Em uma reação química por exemplo, a energia interna inclui os deslocamentos das moléculas pelo espaço, suas rotações e vibrações internas, energia do núcleo de cada átomo e dos elétrons, etc. • Não se pode medir a energia interna absoluta. • Em função disso, busca-se determinar a variação da energia interna • Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier ∆E = Ef - Ei 15 A primeira lei da termodinâmica Quando um sistema sofre qualquer mudança física ou química, a variação obtida em sua energia interna, ∆E, é dada pelo calor adicionado ou liberado pelo sistema, q, mais o trabalho , w, realizado pelo ou no sistema Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 16 Convenção de sinais Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 17 A primeira lei da termodinâmica Exercício: Os gases hidrogênio e oxigênio, confinados em um cilindro fechado com um êmbolo móvel, são queimados. Enquanto a reação ocorre, o sistema perde 1.150 J de calor para a vizinhança. A reação faz também com que o êmbolo suba à medida que os gases quentes se expandem. O gás em expansão realiza 480 J de trabalho na vizinhança à medida que pressiona a atmosfera. Qual é a mudança na energia interna do sistema? Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 18 A primeira lei da termodinâmica Funções de estado • Função de estado: depende somente dos estados inicial e final do sistema, e não de como o atual sistema foi atingido Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 19 Funções de estado Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 20 Entalpia • • • • As reações químicas podem absorver ou liberar calor. No entanto, elas também podem provocar a realização de trabalho. Por exemplo, quando um gás é produzido, ele pode ser utilizado para empurrar um pistão, realizando, assim, trabalho. Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g) O trabalho realizado pela reação acima é denominado trabalho de pressão-volume. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 21 Entalpia Processos endotérmicos e exotérmicos • Endotérmico: absorve calor da vizinhança. • Exotérmico: transfere calor para a vizinhança. (∆H <0, NEGATIVO) • Uma reação endotérmica mostra-se fria. • Uma reação exotérmica mostra-se quente. http://pontociencia.org.br/experimentos-interna.php?experimento=681&TERMITA#top 2 Al (s) + Fe2O3 (s) → Al2O3 (s) + 2 Fe (s) Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 22 Entalpia Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 23 Entalpia • Entalpia, H: é o calor transferido entre o sistema e a vizinhança realizado sob pressão constante. • Entalpia é uma função de estado. • Quando ∆H é positivo, o sistema ganha calor da vizinhança - ENDOTÉRMICO • Quando ∆H é negativo, o sistema libera calor para a vizinhança - EXOTÉRMICO H = E + PV ∆E = qv ∆H = qp Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 24 Entalpia Exercício: Calcule o trabalho realizado por 50g de ferro que reage com ácido clorídrico em: (a) Um recipiente fechado de volume fixo; (b) Em um becker a 25oC. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 25 Entalpia Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 26 Entalpias de reação A variação da entalpia de uma reação química é dada por: ∆H = H(produtos) - H(reagentes) A entalpia é uma propriedade extensiva (a ordem de grandeza do ∆H é diretamente proporcional à quantidade): CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ∆H = -890 kJ 2CH4(g) + 4O2(g) → 2CO2(g) + 4H2O(g) ∆H = −1780 kJ • Quando invertemos uma reação, alteramos o sinal do ∆H: CO2(g) + 2H2O(l) → CH4(g) + 2O2(g) ∆H = +890 kJ • A variação na entalpia depende do estado: H2O(g) → H2O(l) ∆H = -88 kJ Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 27 Lei de Hess • A lei de Hess: se uma reação é executada em uma série de etapas, o ∆H para a reação será igual à soma das variações de entalpia para as etapas individuais. • Por exemplo: CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) ∆H = -802 kJ 2H2O(g) → 2H2O(l) CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier ∆H = -88 kJ ∆H = -890 kJ 28 Lei de Hess Exercício: Quais são os possíveis caminhos químicos para gerar CO2 e água a partir de metano? Qual o valor de ∆H final? Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 29 Lei de Hess Observe que: ∆H1 = ∆H2 + ∆H3 Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 30 Lei de Hess Exercício: A entalpia de combustão de C em CO2 é -393,5 kJ/mol de C, e a entalpia de combustão de CO em CO2 é -283 kJ/mol de CO. Utilizando estes dados, calcule a entalpia de combustão de C para CO: (1) C(s) + O2(g) (2) CO(g) + 1/2O2(g) CO2(g) CO2(g) ∆H= -393,5 kJ ∆H = -283,0 kJ Quando a queima do carbono não é total, gera-se intermediários como o CO(g): C(s) + ½O2(g) CO(g) ∆H = ????? H2O(g) carvão Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 31 Lei de Hess Composição geral de diferentes tipos de carvão Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 32 Entalpias de formação A equação que representa a formação de uma substância na condição padrão é obtida por meio de seus elementos constituintes (substâncias simples) na forma mais estável a 298,15 K e 1 atm. 6C(gr) + 6H2(g) + 3O2(g) H reagentes C6H12O6(s) H produtos ∆Hfo = -1.273 kJ/mol ∆Hfo = Hprodutos-Hreagentes • Se existe mais de um estado para uma substância sob condições padrão, o estado mais estável é utilizado. • A entalpia padrão de formação da forma mais estável de um elemento Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier é zero. 33 Entalpias de formação • Se 1 mol de composto é formado a partir de seus elementos constituintes, a variação de entalpia para a reação é denominada entalpia de formação, ∆Hof . • Condições padrão (estado padrão): 1 atm e 25 oC (298 K). • A entalpia padrão, ∆Ho, é a entalpia medida quando tudo está em seu estado padrão. • Entalpia padrão de formação: 1 mol de composto é formado a partir de substâncias em seus estados padrão. • Pode-se determinar ∆Ho fusão, ∆Ho diss, ∆Ho reação, ∆Ho f, Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 34 Entalpias de formação Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 35 Entalpias de formação Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 36 Entalpias de mudança de estado físico O calor necessário para mudar o estado físico de uma substância é conhecido como: • Entalpia de fusão ∆Hfus; • Entalpia de vaporização ∆Hvap; Para água: • Entalpia de fusão ∆Hfus = 333 J/ g • Entalpia de vaporização ∆Hvap = 2.256 J/g Exercite: Qual será o calor necessário para fundir 0,5 Kg de gelo? Qual será o calor necessário para vaporizar esta mesma quantidade de água? Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 37 Calorimetria ∆H = qp Como determinar o valor da entalpia??? • Quando calor flui para dentro ou para fora de um sistema (reação química), a temperatura do sistema varia. Temperatura!! sistema q Maneira de detectar o fluxo do calor vizinhança Calorimetria universo Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier Calorímetro (instrumento) 38 Calorimetria Calorimetria a pressão constante • As paredes não perdem ou ganham calor; • O calor não escapa do calorímetro; • O calor dispendido pela reação é obtido pela solução, onde se mede a temperatura. A variação de temperatura ocorrida em um objeto quando ele absorve certa quantidade de energia é determinada por sua capacidade calorífica Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier ∆T 39 Calorimetria A Capacidade calorífica (C) de um objeto é a quantidade de calor necessária para aumentar sua temperatura em 1 K (ou 1oC). Capacidade calorífica específica de 1 g de substância Capacidade calorífica molar de 1 mol de substância Isopor / Ferro Capacidade calorífica= quantidade de calor transferido massa(g) . Variação da temperatura Experimentalmente: São necessários 209J para aumentar a temperatura de 50 g de água em 1K. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 40 Calorimetria Substância Calor específico (J/gK H2O (l) 4,18 CH4(g) 2,20 CO2(g) 0,84 Al(s) 0,90 Fe(s) 0,45 H2O(s) 2,06 H2O(v) 1,92 O alto calor específico da água afeta o clima da Terra. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 41 Calorimetria Exercite: Calcule a quantidade de calor envolvida ao aquecer 0,5 Kg de água nas seguintes situações: a) -50 oC a 0oC? b) 0 oC a 100oC? c) 100 oC a 200oC? Exercite: Calcule a quantidade de calor envolvida ao aquecer 0,5 Kg de água que está à -50 oC até 200oC? Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 42 Calorimetria Capacidade calorífica= quantidade de calor transferido massa(g) . Variação da temperatura sistema q C= q m.∆T vizinhança universo q = C. m . ∆T ∆H = qp Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 43 Calorimetria Exercício: Quando um aluno mistura 50mL de 1,0 mol/L de HCl e 50 mL de 1,0 mol/L de NaOH em um calorímetro de copo de isopor, a temperatura da solução resultante aumenta 21oC para 27,5 oC. Calcule a variação da entalpia para a reação de neutralização, supondo que o calorímetro pede apenas uma quantidade desprezível de calor, que o volume total da solução é 100mL, que sua densidade é 1,0 g/mL e que seu calor específico é 4,18 J/g K. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 44 Calorimetria Bomba calorimétrica (calorimetria de volume constante) Conhecendo Ccal, determina-se qr qr = -Ccal x ∆T Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier 45
