Geometria Molecular e Interações Químicas Moleculares

TERMODINÂMICA QUÍMICA
Profa. Loraine Jacobs
[email protected]
http://paginapessoal.utfpr.edu.br/lorainejacobs
DAQBI
Reações Químicas
 Fatores que determinam a ocorrência
de ligações químicas:
 Cinética Química.
Velocidade das transformações
Termodinâmica.
 A reação ocorrerá sem “ajuda”
externa?
 Posição de equilíbrio da reação.
Termodinâmica Química
 Combustão do CH4:
CH4 + 2O2  CO2 + H2O
Quebra das ligações C-H e O-O
Formação das ligações H-O e C-O
Produção de grande quantidade
de energia na forma de calor
Termodinâmica Química
 Termodinâmica

Estudo
transformações de energia.
das
 Explica porque as reações ocorrem;
 Previsão do calor cedido ou absorvido
para ocorrência de reações;
Termodinâmica Química
 Primeiras Teorias
 Fluído calórico que parte de uma substância
quente para outra mais fria (Carnot)
 Calor e trabalho são formas de energia e um
pode se converter no outro (Joule)
Termodinâmica Química
 Termodinâmica

Baseada
em
experimentos nos quais a energia é
transformada de uma forma para outra e
transferida de um lugar para outro.
 Lei da conservação da energia.
 Ex:
 Usina hidrelétrica – Alimentação das Cidades
 Alimento Digerido – Energia Cerebral
Termodinâmica Química
 Sistemas  parte do universo que se deseja estudar,
discutir ou visualizar;
 Vizinhança  onde se observa a energia transferida
para ou do sistema.
 Sistema aberto: troca energia e matéria com as
vizinhanças (motores de automóveis, corpo
humano)
 Sistema fechado: tem quantidade fixa de matéria,
mas pode trocar energia com as vizinhanças (bolsa
de água quente ou fria);
 Sistema isolado: não tem contato com as
vizinhanças (café dentro da garrafa térmica).
Termodinâmica Química
Termodinâmica Química
 Fronteiras do Sitema:
 Fronteira
Diatérmica:
São
permeáveis
à
passagem de energia na forma de calor. Há
diferença de temperatura entre o sistema e sua
vizinhança.
 Fronteira Adiabática: Não permite a transferência
de energia na forma de calor entre o sistema e a
vizinhança
Termodinâmica Química
 Estado do Sistema  Conjunto particular de
condições.
 Pressão
 Temperatura
 Volume
 Número de mols
 Estado físico
Estudo dividido em 2 partes:
1ª Lei: trata das variações de energia e o cálculo
do calor das reações;
2ª Lei: ocorrência ou não de algumas reações.
Termodinâmica Química
 Calor (q): q = quantidade de calor absorvida por
um sistema
Termodinâmica Química
 Calor flui naturalmente ou espontaneamente de
um sistema mais quente (temperatura mais alta)
para um sistema mais frio (temperatura mais baixa).
 Embora seja possível "transferir" calor de um sistema
mais frio para um outro mais quente (refrigerador e
condicionador), um gasto de energia é requerido
para produzir a transferência de calor em um
sentido não-natural.
 A unidade de energia utilizada largamente em
bioquímica é a caloria:
 1 caloria (cal) = quantidade de calor necessária para
elevar em 1 ºC a temperatura da água (1 cal  4,18 J;
1Kcal  4,18 KJ)
Termodinâmica Química
 Processos Exotérmicos e Endotérmicos – Trocas de
energia, na forma de calor, envolvidas nas reações
químicas e nas mudanças de estado físico das
substâncias.
 Processo Exotérmico: Ocorre liberação de Calor
Ex; A B + Calor
 Processo Endotérmico: Ocorre com a absorção
de Calor
Ex; A + Calor  B
Calor
Reação
exotérmica
Reação
endotérmica
Calorimetria
 O
calor liberado ou absorvido durante as
transformações físicas e químicas é medido no
laboratório por meio de um calorímetro.
 Mede-se Temperatura Inicial (antes de iniciar a
reação) e T final (após término da reação).
Capacidade Calorífica
 Quantidade de calor necessária para elevar a
temperatura de um sistema em 1oC. Para
substância pura expressa de acordo com a
quantidade em mols.
 Unidade SI: J / oC mol
 A capacidade calorífica relaciona a quantidade
de calor, q, ao aumento de T do sistema. Desta
forma:
q = nCT
Capacidade Calorífica
 Capacidade calorífica de algumas substâncias.
Trabalho
 Trabalho (w) é a propriedade fundamental da
termodinâmica,
sendo
definido
com
um
movimento contra uma força
w =quantidade de trabalho realizado sobre o
sistema.
 O trabalho pode ser feito sobre o sistema, ou as
vizinhanças de um sistema podem realizar trabalho
sobre este.
Unidade de trabalho, e portanto de energia, Joule (J)
Trabalho
Termodinâmica Química
 Distinção entre trabalho (w) e calor (q)
 Trabalho  Transferência de energia que se
aproveita do movimento organizado dos átomos
(ou moléculas) da vizinhança.
 Ex: Compressão de um Gás  Trabalho efetuado pelo peso
que se desloca
compressão.
de
maneira
ordenada
gerando
 Calor  Transferência de energia que se aproveita
do movimento térmico
vizinhanças do sistema.
das
partículas
nas
 Ex: Compressão de um Gás: A compressão gerada acelera
as moléculas do sistema aumentando
movimento térmico das moléculas.
o
caos
do
Termodinâmica Química
 Energia: Capacidade de realizar trabalho.
 Energia Radiante: vem do sol e é a fonte primária
de energia na terra.
 Energia
Térmica:
energia
associada
ao
movimento aleatório de átomos e moléculas.
 Energia Química: energia armazenada nas
ligações químicas das substâncias
 Energia Nuclear: energia armazenada nos
nêutrons e prótons do núcleo atômico
 Energia Potencial: energia disponível devido à
posição de um objeto
Termodinâmica Química
 Na termodinâmica, capacidade total de um
sistema realizar trabalho é chamada Energia
Interna, U
 Energia Interna (U) é uma função de estado, pois
seu valor depende do estado em que se encontra
o sistema.
 Como não é possível medir a energia total do
sistema, mede-se a variação de energia:
ΔU = Ufinal – Uinicial

U sistema aumenta:
 U sistema diminui:

adição q (q>0)
 retirar q (q<0)

trabalho no sistema (w>0)

trabalho na vizinhança (w<0)
1ª Lei da termodinâmica
 Se nenhum trabalho é realizado: ΔU = q (não há
trabalho realizado)
 Se um trabalho é realizado, mas não há calor
absorvido ou liberado: ΔU = w (não há calor
transferido)
 Quando calor e trabalho estão envolvidos, a
variação da energia de um sistema está
relacionada com estas quantidades por:
ΔU = q + w
 1ª lei da termodinâmica  implica na equivalência
de calor e trabalho com
transferência de energia.
o
significado
de
TRABALHO DE EXPANSÃO
 Um sistema pode realizar dois tipos de
trabalho:
 Trabalho de expansão contra uma força
externa;
 Trabalho de não-expansão, isto é, um
trabalho que não envolve variação de
volume.
TRABALHO DE EXPANSÃO
 Trabalho de Expansão – Gás e Cilindro
 Pressão externa é constante, como ocorre
quando a atmosfera pressiona o pistão.
 Relação trabalho X pressão externa, Pext
quando o sistema se expande pelo volume
∆V.

Um sistema realiza trabalho quando
se expande contra uma pressão
externa.

Um gás em um cilindro com um
pistão preso.

O pistão e liberado e o gás se
expande contra a pressão Pext.

O trabalho realizado e proporcional
a Pext e a variação de volume, V,
que o sistema experimenta
TRABALHO DE EXPANSÃO
 Pressão é a forca aplicada dividida pela
área (P = ƒ/A), a forca que se opõe à
expansão é o produto da pressão que atua
no lado externo do pistão pela área do
pistão (ƒ =PA), então ƒ =PextA. Supondo o
deslocamento do pistão seja d, o trabalho
que o sistema realiza e:
Trabalho = d x PextA, onde d x A = V
 Trabalho realizado = Pext V
TRABALHO DE EXPANSÃO
 Quando um sistema se expande, ele perde energia
como trabalho ou, em outras palavras, se V é
positivo, w é negativo. Podemos, portanto,
escrever:
wexpansão = - Pext V
(só é aplicável quando a pressão externa é constante durante a
expansão)
 Um sistema não realiza trabalho de expansão
quando se expande no vácuo (Pext = 0), essa
expansão é chamada de expansão livre.
Se P (atm) e V(litros)  1Latm  101,3 J
TRABALHO DE EXPANSÃO x 1aLEI
 Transformação com calor trasnferido e trabalho de
expansão sendo realizado:
ΔU = q + w
Se:
wexpansão = - Pext V
ΔU = q – (Pext V )