Termoquímica. 1 Conceito. Poderíamos também escrever: N 2(g) +O 2(g) + 43 Kcal/mol à 2NO (g)

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1 Estado do Rio de Janeiro Prefeitura Municipal de Macaé Secretaria Municipal de Educação Pré-Vestibular Social A UNIVERSIDADE MAIS PERTO DE VOCÊ. Professor: Marcelo Vizeu Disciplina: Química Termoquímica 1 Conceito É a parte da Química que estuda as trocas de calor durante as transformações químicas. 2 Calor de Reação É a quantidade de calor liberado ou absorvido durante uma reação química à pressão constante. Poderíamos também escrever: N 2(g) +O 2(g) + 43 Kcal/mol à 2NO (g) 6 Gráficos de Entalpia a) Reações Exotérmicas 3 Entalpia (H) É o conteúdo energético global de um sistema. 4 Variação de Entalpia (ΔH) Indica a quantidade de calor liberado ou absorvido durante uma transformação à pressão constante. E pode ser calculado pela diferença entre a entalpia final (Hf) e a entalpia inicial (Hi). Logo: ΔH = Hf - Hi ou ΔH = Hp - Hr 5 Classificação das transformações termoquímicas a) Transformações exotérmicas: Ocorrem com liberação de calor. Neste caso, a entalpia final é menor que a inicial, isto é, Hf < Hi. Mas como ΔH = Hf - Hi teremos simbolicamente ΔH com sinal negativo. C (S) + O 2(g) à CO 2(g) ΔH = - 94,0 Kcal/mol Observação: A quantidade de calor pode ser apresentada também como um participante da reação. Neste caso, é chamada de ΔQ. C (S) + O 2(g) à CO 2(g) + 94,0 Kcal/mol b) Transformações endotérmicas: Ocorrem com absorção de calor. Concluímos, então, que a entalpia final será maior que a entalpia inicial, isto é, Hf > Hi. Logo, o ΔH receberá sinal positivo. N 2(g) + O 2(g) à 2NO (g) ΔH = +43 Kcal/mol Observação: Observação: Chama-se energia de ativação (Ea) a quantidade mínima de energia necessária para ativar as moléculas, dando início, assim, à reação. b) Reações Endotérmicas 7 As nomenclaturas do ΔH A variação de entalpia recebe denominações especiais em função das transformações representadas como veremos a seguir. a) Entalpia de formação de uma substância é a variação de entalpia (ΔH) quando 1 mol da referida substância é sintetizado a partir de substâncias simples. Todas as substâncias que participam da reação devem estar em seus estados físicos normais a 25 C e 1 atm. (Condições padrão) C (S) + O 2(g) à CO 2(g) ΔH = - 94,0 Kcal/mol b) Entalpia de combustão é a variação de entalpia (ΔH) na reação de combustão completa de um mol da substância a 25 C e 1 atm.

2 C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2(g) à 2 CO 2(g) + 3 H 2 O (l) ΔH = Kcal/mol c) Entalpia de ligação (Energia de ligação) é a energia necessária para romper um mol de ligações em condições padrão. H 2(g) à 2H (g) ΔH = + 104,2 kcal/mol 8 Cálculo do ΔH a) Pelas entalpias de formação As substâncias simples em seu estado físico característico (mais comum) e na variedade alotrópica mais estável tem entalpia igual a zero (Entalpia padrão). Conhecendo-se as entalpias de formação dos componentes, pode-se calcular o ΔH da transformação pela fórmula: ΔH = Hp - Hr Independentemente do número de etapas utilizadas, o ΔH foi o mesmo, ficando provado, assim, que somente interferem as substâncias iniciais e finais, e não os estados intermediários. d) Pelas energias de ligação Neste caso, o ΔH da reação pode ser obtido como resultado da diferença entre a energia necessária para romper as ligações existentes nos reagentes e a energia envolvida na formação das novas ligações. Por meio das energias de ligação da tabela a seguir, calcule a variação de entalpia para reação correspondente a cloração do eteno. Calcule o ΔH para a transformação: H 2 O (g) à H 2 O (l) Dados: ΔHf da H 2 O (g) = - 57,8 kcal/mol ΔHf da H 2 O (l) = - 68,3 kcal/mol Resolução: ΔH = - 68,3 ( - 57,8) = - 10,5 kcal/mol b) Pela Lei de Hess Também chamado de: Lei dos estados inicial e final. A variação de entalpia de uma reação química não depende dos estados intermediários pelos quais passa o processo, mas apenas dos estados inicial e final. Podemos obter NH 4 Cl(aq) por dois caminhos, partindo do mesmo estado inicial. Reagentes: 1 C=C = 145,0 1 Cl Cl = 58,0 ΔHreag = kcal Produtos: 1 C C = - 83,0 2 Cl Cl = 2 x ( - 78,5) ΔHprod = kcal Logo: ΔH = = - 37 kcal Exercícios 1 - O alumínio é utilizado como redutor de óxidos, no processo denominado aluminotermia, conforme mostra a equação química: 8 Al (s) + 3 Mn 3 O 4 (s) 4 Al 2 O 3 (s) + 9 Mn (s) Observe a tabela:

3 Substância Entalpia de formação Al 2 O 3 (g) ,8 Mn 3 O ,3 Determine, segundo a equação acima, para a obtenção do Mn (s), a variação de entalpia, na temperatura 298 K, em Kj. 2 - Calcular o ΔH da reação abaixo usando os dados da tabela de energia de ligação. C 2 H 6 (g) + Cl 2 (g) C 2 H 5 Cl(g) + HCl(g) Dados de energia de ligação: C H : 99,0 Kcal Cl Cl : 57,9 Kcal C Cl : 81,0 Kcal H Cl : 103,1 Kcal 3 - Calcule a energia liberada na queima metabólica de glicose: C 6 H 12 O 6 (aq) + 6O 2 (g) 6CO 2 (aq) + 6H 2 O(l). Use os valores das energias (em kj/mol) das seguintes reações: a) a energia de ativação para a reação direta é cerca de 135kJ/mol. b) a reação inversa é endotérmica. c) em valor absoluto, o ΔH da reação direta é cerca de 225kJ/mol. d) em valor absoluto, o ΔH da reação inversa é cerca de 360kJ/mol. e) o ΔH da reação direta é negativo. 6 - (Uerj 2002) O propeno (ΔH o = + 5 kcal/mol), um composto utilizado largamente em síntese orgânica, produz propano (H o = - 25 kcal/mol), por redução catalítica, de acordo com a reação a seguir. Observe, na tabela, os valores aproximados das energias de ligação nas condições-padrão. 6C(s) + 6H 2 (g) + 3O 2 (g) C 6 H 12 O 6 (aq) ΔH = C(s) + O 2 (g) CO 2 (aq) ΔH = -413 H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(l) ΔH = Dadas as equações termoquímicas: C (grafite) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH 1 = - 94,1 Kcal H 2 (g) + 1/2O 2 (g) H 2 O (l) ΔH 2 = - 68,3 Kcal CH 4 (g) + 2O 2 ( g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) ΔH 3 = Kcal Calcule o valor do ΔH da reação C (grafite) + 2H 2 (g) CH 4 (g) a) Calcule o valor da energia de dissociação para um mol de ligações H - H, em kcal/mol. b) Escreva a equação química que representa a reação do propeno com ácido clorídrico. 7 - (Ufrj 2002) O benzaldeído utilizado na indústria de perfumes e condimentos é produzido pela oxidação direta do tolueno, em fase vapor, segundo a equação: 5 - O gráfico a seguir representa a variação de energia potencial quando o monóxido de carbono, CO, é oxidado a CO 2 pela ação do NO 2, de acordo com a equação: CO(g) + NO 2 (g) CO 2 (g) + NO(g) Com relação a esse gráfico e à reação acima, a afirmativa FALSA é Dado que a entalpia é uma função de estado e que as entalpiaspadrão de formação, em fase gasosa, do tolueno e da água são respectivamente iguais a 12,0 kcal/mol e -57,8 kcal/mol, determine a entalpia-padrão de formação (em kcal/mol) do benzaldeído.

4 QUESTÕES ENEM 1. (Enem 2017) O ferro é encontrado na natureza na forma de seus minérios, tais como a hematita ( α Fe2O 3), a magnetita (Fe3O 4) e a wustita (FeO). Na siderurgia, o ferro-gusa é obtido pela fusão de minérios de ferro em altos fomos em condições adequadas. Uma das etapas nesse processo é a formação de monóxido de carbono. O CO (gasoso) é utilizado para reduzir o FeO (sólido), conforme a equação química: 3. (Enem 2015) O aproveitamento de resíduos florestais vem se tornando cada dia mais atrativo, pois eles são uma fonte renovável de energia. A figura representa a queima de um bio-óleo extraído do resíduo de madeira, sendo Δ H1 a variação de entalpia devido à queima de 1g desse bioóleo, resultando em gás carbônico e água líquida, e Δ H, 2 a variação de entalpia envolvida na conversão de 1g de água no estado gasoso para o estado líquido. FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g) Considere as seguintes equações termoquímicas: Fe2O3(s) + 3 CO(g) 2 Fe(s) + 3 CO2(g) ΔrH = 25 kj mol de Fe2O 3 3FeO(s) + CO2(g) Fe3O4(s) + CO(g) ΔrH = 36kJmol de CO 2 2Fe3O4(s) + CO2(g) 3Fe2O3(s) + CO(g) ΔrH =+ 47kJmol de CO 2 O valor mais próximo de Δ r H, em kj mol de FeO, para a reação indicada do FeO (sólido) com o CO (gasoso) é a) 14. b) 17. c) 50. d) 64. e) (Enem 2016) O benzeno, um importante solvente para a indústria química, é obtido industrialmente pela destilação do petróleo. Contudo, também pode ser sintetizado pela trimerização do acetileno catalisada por ferro metálico sob altas temperaturas, conforme a equação química: 3C H 2 2(g) C6H6(!) A energia envolvida nesse processo pode ser calculada indiretamente pela variação de entalpia das reações de combustão das substâncias participantes, nas mesmas condições experimentais: I. II. 5 0 CH 2 2(g) + O2(g) 2CO2(g) + HO 2 (!) Δ Hc = 310kcalmol CH 6 6(!) + O2(g) 6CO2(g) + 3HO 2 (!) Δ Hc = 780kcalmol 2 A variação de entalpia do processo de trimerização, em kcal, para a formação de um mol de benzeno é mais próxima de a) b) 150. c) 50. d) e) A variação de entalpia, em kj, para a queima de 5 g desse bio-óleo resultando em CO 2 (gasoso) e HO 2 (gasoso) é: a) 106. b) 94. c) 82. d) 21,2. e) 16,4. 4. (Enem 2011) Um dos problemas dos combustíveis que contêm carbono é que sua queima produz dióxido de carbono. Portanto, uma característica importante, ao se escolher um combustível, é analisar seu calor de combustão o ( Δ h c ), definido como a energia liberada na queima completa de um mol de combustível no estado padrão. O quadro seguinte relaciona algumas substâncias que contêm carbono e seu o Δ H c. Substância Fórmula o Δ H c (kj/mol) benzeno CH( 6 6! ) etanol CHOH 2 5 (! ) glicose CH 6 12O 6 (s) metano CH 4 (g) octano CH 8 18(! ) Neste contexto, qual dos combustíveis, quando queimado completamente, libera mais dióxido de carbono no ambiente pela mesma quantidade de energia produzida? a) Benzeno. b) Metano. c) Glicose. d) Octano. e) Etanol.

5 5. (Enem 2010) No que tange à tecnologia de combustíveis alternativos, muitos especialistas em energia acreditam que os alcoóis vão crescer em importância em um futuro próximo. Realmente, alcoóis como metanol e etanol têm encontrado alguns nichos para uso doméstico como combustíveis há muitas décadas e, recentemente, vêm obtendo uma aceitação cada vez maior como aditivos, ou mesmo como substitutos para gasolina em veículos. Algumas das propriedades físicas desses combustíveis são mostradas no quadro seguinte. Álcool Metanol (CH 3 OH) Etanol (CH 3 CH 2 OH) Densidade a 25 C (g/ml) Dados: Massas molares em g/mol: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0. Calor de Combustão (kj/mol) 0,79 726,0 0, ,0 Considere que, em pequenos volumes, o custo de produção de ambos os alcoóis seja o mesmo. Dessa forma, do ponto de vista econômico, é mais vantajoso utilizar a) metanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 22,7 kj de energia por litro de b) etanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 29,7 kj de energia por litro de c) metanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 17,9 MJ de energia por litro de d) etanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 23,5 MJ de energia por litro de e) etanol, pois sua combustão completa fornece aproximadamente 33,7 MJ de energia por litro de 6. (Enem 2010) O abastecimento de nossas necessidades energéticas futuras dependerá certamente do desenvolvimento de tecnologias para aproveitar a energia solar com maior eficiência. A energia solar é a maior fonte de energia mundial. Num dia ensolarado, por exemplo, aproximadamente 1 kj de energia solar atinge cada metro quadrado da superfície terrestre por segundo. No entanto, o aproveitamento dessa energia é difícil porque ela é diluída (distribuída por uma área muito extensa) e oscila com o horário e as condições climáticas. O uso efetivo da energia solar depende de formas de estocar a energia coletada para uso posterior. BROWN, T. Química, a ciência central. São Paulo: Pearson Prentice Hall, Atualmente, uma das formas de se utilizar a energia solar tem sido armazená-la por meio de processos químicos endotérmicos que mais tarde podem ser revertidos para liberar calor. Considerando a reação: CH 4 (g) + H 2 O(v) + calor CO(g) + 3H 2 (g) e analisando-a como potencial mecanismo para o aproveitamento posterior da energia solar, conclui-se que se trata de uma estratégia a) insatisfatória, pois a reação apresentada não permite que a energia presente no meio externo seja absorvida pelo sistema para ser utilizada posteriormente. b) insatisfatória, uma vez que há formação de gases poluentes e com potencial poder explosivo, tornando-a uma reação perigosa e de difícil controle. c) insatisfatória, uma vez que há formação de gás CO que não possui conteúdo energético passível de ser aproveitado posteriormente e é considerado um gás poluente. d) satisfatória, uma vez que a reação direta ocorre com absorção de calor e promove a formação das substâncias combustíveis que poderão ser utilizadas posteriormente para obtenção de energia e realização de trabalho útil. e) satisfatória, uma vez que a reação direta ocorre com liberação de calor havendo ainda a formação das substâncias combustíveis que poderão ser utilizadas posteriormente para obtenção de energia e realização de trabalho útil. 7. (Enem 2009) Nas últimas décadas, o efeito estufa temse intensificado de maneira preocupante, sendo esse efeito muitas vezes atribuído à intensa liberação de CO 2 durante a queima de combustíveis fósseis para geração de energia. O quadro traz as entalpias-padrão de combustão a 25 ºC (ÄH 0 25) do metano, do butano e do octano. composto fórmula molecular massa molar (g/mol) ÄH 0 25 (kj/mol) metano CH butano C 4 H octano C 8 H À medida que aumenta a consciência sobre os impactos ambientais relacionados ao uso da energia, cresce a importância de se criar políticas de incentivo ao uso de combustíveis mais eficientes. Nesse sentido, considerando-se que o metano, o butano e o octano sejam representativos do gás natural, do gás liquefeito de petróleo (GLP) e da gasolina, respectivamente, então, a partir dos dados fornecidos, é possível concluir que, do ponto de vista da quantidade de calor obtido por mol de CO 2 gerado, a ordem crescente desses três combustíveis é a) gasolina, GLP e gás natural. b) gás natural, gasolina e GLP. c) gasolina, gás natural e GLP. d) gás natural, GLP e gasolina. e) GLP, gás natural e gasolina. 8. (Enem cancelado 2009) Vários combustíveis alternativos estão sendo procurados para reduzir a demanda por combustíveis fósseis, cuja queima prejudica o meio ambiente devido à produção de dióxido de carbono (massa molar igual a 44 g mol 1 ). Três dos mais promissores combustíveis alternativos são o hidrogênio, o etanol e o metano. A queima de 1 mol de cada um desses

6 combustíveis libera uma determinada quantidade de calor, que estão apresentadas na tabela a seguir. Combustível Massa molar (g mol 1 ) H CH C 2 H 5 OH Calor liberado na queima (kj mol 1 ) Considere que foram queimadas massas, independentemente, desses três combustíveis, de forma tal que em cada queima foram liberados 5400 kj. O combustível mais econômico, ou seja, o que teve a menor massa consumida, e o combustível mais poluente, que é aquele que produziu a maior massa de dióxido de carbono (massa molar igual a 44 g mol 1 ), foram, respectivamente, a) o etanol, que teve apenas 46 g de massa consumida, e o metano, que produziu 900 g de CO 2. b) o hidrogênio, que teve apenas 40 g de massa consumida, e o etanol, que produziu 352 g de CO 2. c) o hidrogênio, que teve apenas 20 g de massa consumida, e o metano, que produziu 264 g de CO 2. d) o etanol, que teve apenas 96 g de massa consumida, e o metano, que produziu 176 g de CO 2. e) o hidrogênio, que teve apenas 2 g de massa consumida, e o etanol, que produziu 1350 g de CO (Enem PPL 2015) O urânio é um elemento cujos átomos contêm 92 prótons, 92 elétrons e entre 135 e 148 nêutrons. O isótopo de urânio 235 U é utilizado como combustível em usinas nucleares, onde, ao ser bombardeado por nêutrons, sofre fissão de seu núcleo e libera uma grande quantidade de energia 10 (2,35 10 kj mol). O isótopo 235 U ocorre naturalmente em minérios de urânio, com concentração de apenas 0,7%. Para ser utilizado na geração de energia nuclear, o minério é submetido a um processo de enriquecimento, visando aumentar a concentração do isótopo 235 U para, aproximadamente, 3% nas pastilhas. Em décadas anteriores, houve um movimento mundial para aumentar a geração de energia nuclear buscando substituir, parcialmente, a geração de energia elétrica a partir da queima do carvão, o que diminui a emissão atmosférica de CO 2 (gás com massa molar igual a 44 g mol). A queima do carvão é representada pela equação química: 10. (Enem PPL 2014) A escolha de uma determinada substância para ser utilizada como combustível passa pela análise da poluição que ela causa ao ambiente e pela quantidade de energia liberada em sua combustão completa. O quadro apresenta a entalpia de combustão de algumas substâncias. As massas molares dos elementos H, C e O são, respectivamente, iguais a 1g mol, 12g mol e 16g mol. Substância Fórmula Entalpia de combustão ( kj mol ) Acetileno CH Etano CH Etanol CHOH Hidrogênio H Metanol CH3OH 558 Levando-se em conta somente o aspecto energético, a substância mais eficiente para a obtenção de energia, na combustão de 1kg de combustível, é o a) etano. b) etanol. c) metanol. d) acetileno. e) hidrogênio. C(s) + O 2(g) CO 2(g) Δ H = 400 kj mol Qual é a massa de CO 2, em toneladas, que deixa de ser liberada na atmosfera, para cada 100 g de pastilhas de urânio enriquecido utilizadas em substituição ao carvão como fonte de energia? a) 2,10 b) 7,70 c) 9,00 d) 33,0 e) 300