TERMOQUÍMICA. Maira Gazzi Manfro e Giseli Menegat
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1 TERMOQUÍMICA Maira Gazzi Manfro e Giseli Menegat maira.manfro@caxias.ifrs.edu.br giseli.menegat@caxias.ifrs.edu.br
2 O QUE É? TERMOQUÍMICA: é a parte da físico-química que estuda o calor envolvido nas reações químicas, as trocas de calor. CALORÍMETRO: é um equipamento de laboratório capaz de medir o calor absorvido ou liberado de uma reação. ENTALPIA DA REAÇÃO (ΔH): é a representação do calor da reação. Pode ser em kcal ou kj. 1 kcal = 4,184 kj cal = caloria j = joule Figura 1 - Calorímetro
3 REAÇÕES EXOTÉRMICAS Liberam calor; ΔH < 0; Nas reações aparece como: A + B C + x A + B - x C A + B C ΔH = -x GRÁFICO: H R = calor dos reagentes H P = calor dos produtos ΔH = calor liberado Figura 2 - Gráfico de uma reação exotérmica
4 REAÇÕES ENDOTÉRMICAS Absorvem calor; ΔH > 0; Nas reações aparece como: A + B C - x A + B + x C A + B C ΔH = +x GRÁFICO: H R = calor dos reagentes H P = calor dos produtos ΔH = calor absorvido Figura 3 - Gráfico de uma reação endotérmica
5 EQUAÇÕES TERMOQUÍMICAS O que deve conter? Estado físico da substância sólido, líquido ou gasoso Estado alotrópico o mais estável deve aparecer na reação Estequiometria da reação ΔH balancear a reação calor liberado ou absorvido Temperatura e Pressão se não aparece, considerar 1 atm e 25 C; ou em condições ambientais
6 INTERPRETAÇÃO DE UMA EQUAÇÃO TERMOQUÍMICA Ex.: H 2 (g) + ½O 2 (g) H 2 O (l) + 68,3 kcal/mol INTERPRETAÇÃO DO EXEMPLO: Um mol de gás hidrogênio reagem* com meio mol de gás oxigênio produzindo um mol de água líquida. A reação libera 68,3 kcal/mol em condições ambientais. * Se escreve reagem pois nunca é exatamente um mol.
7 TIPOS DE CALORES CALOR DE FORMAÇÃO (H f 0 ): É o calor liberado ou absorvido na formação de 1 mol de qualquer substância. Ex.: 2C graf * + 2H 2 (g) C 2 H 4 (g) ΔH = +11kcal/mol** * C graf : é a forma mais estável do carbono (grafite); estado alotrópico. ** mol, pois nos calores de formação é sempre em relação ao 1 mol de substância formada. CALOR DE COMBUSTÃO: É o calor liberado na queima de 1 mol de qualquer substância. Combustão completa (oxigênio é suficiente) Ex.: C 6 H 12 O 6 (s) + 6O 2 (g) 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O (l) + energia Combustão incompleta (oxigênio é insuficiente) Ex.: CH 4 (g) + 3/2 O 2 (g) CO (g) + 2H 2 O (l) + energia CALOR DE NEUTRALIZAÇÃO: É o calor liberado em uma reação de neutralização. Ex.: HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H 2 O (l) ΔH= -13,8 kcal
8 CÁLCULOS DE ΔH Vai depender do que o exercício fornecer e de quais informações se tem relacionadas ao calor da reação.
9 1) Cálculo a partir do conhecimento do Calor de Formação Conhecendo o calor de formação dos reagentes e dos produtos é possível utilizar a fórmula abaixo para determinar o ΔH: ΔH = H produtos - H reagentes Ex.: Determine a entalpia (ΔH) da reação: 1 C 4 H 10 (g) + 13/2 O 2 (g) * 4 CO 2 (g) + 5 H 2 O sabendo que: (l) ΔH f C 4 H 10 (g) = -30,22 kcal/mol ΔH f 4 CO 2 (g) = -94 kcal/mol ΔH f 5 H 2 O = -68,36 kcal/mol (l) Resposta: ΔH = HP - HR = [4X(-94)+5X(-68,36)] - [1X(-30,22)] = [-717,8] - [-30,22] = -687,58 kcal/mol * Substâncias simples, como O 2 possuem ΔH = zero, logo, são desprezíveis para o cálculo do calor da reação (ΔH). Isso serve para qualquer um dos três tipos de cálculos, a não ser que o valor esteja explícito no exercício. SUBSTÂNCIAS SIMPLES: são aquelas formadas por um único elemento químico.
10 2) Cálculo a partir do conhecimento da Energia de Ligação Energia de ligação é a energia envolvida na quebra ou formação das ligações entre os átomos. Conhecendo a energia de ligação dos reagentes e dos produtos é possível utilizar a fórmula abaixo para determinar o ΔH: ΔH = H reagentes - H produtos Ex.: Determine o calor de combustão do gás propano sabendo que: C - C: 346,8 kj/mol C - H: 413,4 kj/mol O = O: 497,8 kj/mol C = O: 744 kj/mol H - O: 462,3 kj/mol Resposta: Primeiramente é necessário montar a reação: A seguir, monta-se a fórmula estrutural dos componentes: C 3 H 8 (g) + 5 O 2 (g) 3 CO 2 (g) + 4 H 2 O (l) Depois calcula-se o ΔH: ΔH = HR - HP = [2X(346,8)+8X(413,4)+5X1X(497,8)] - [3X2X(744)+4X2X(462,3)] = [6489,8] - [8162,4] = -1672,6 kj/mol * Os números em verde equivalem a quantidade de ligações existentes. Ex.: se há duas ligações C = O nos produtos, então multiplica-se a energia de ligação fornecida (744 kj/mol) pelo número de ligações (2) e, de acordo com o número de mols (3) multiplica-se o resultado anterior.
11 3) Cálculo a partir do conhecimento das etapas da reação (LEI DE HESS) Conhecendo o calor de formação dos reagentes e dos produtos e as etapas da reação, a partir da soma das etapas, é possível utilizar a fórmula abaixo para determinar o ΔH: ΔH = ΔH1 + ΔH PASSO A PASSO: 1. Primeiramente obtém-se a equação final desejada para ter conhecimento dos coeficientes estequiométricos necessários; 2. Multiplica-se ou inverte-se as equações das etapas para chegar a equação final encontrada no item 1. a. Multiplicando a equação, multiplica-se o ΔH; b. Invertendo a equação, inverte-se o sinal do ΔH. 3. Para o cálculo do ΔH final, soma-se os ΔH das equações das etapas, já com as modificações feitas no item 2.
12 3) Cálculo a partir do conhecimento das etapas da reação (LEI DE HESS) Ex.: Determine a energia liberada na queima de 1 mol de glicose em presença de oxigênio, sabendo que: Etapa 1: 6C (s) + 6H 2(g) + 3O 2(g) C 6 H 12 O 6(aq) ΔH1 = kj Etapa 2: C (s) + O 2(g) CO 2(g) ΔH2 = -413 kj Etapa 3: H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (l) ΔH3 = -286 kj Resposta: 1) Primeiramente obtém-se a equação final: C 6 H 12 O 6(aq) + 6O 2(g) 6CO 2(g) + 6H 2 O (l) 2) Após, faz-se as modificações de inversão ou multiplicação nas etapas: Etapa 1: inverte-se a equação para a glicose (C 6 H 12 O 6(aq) ) ficar no lado dos reagentes; Etapa 2 e 3: multiplica-se por 6 a equação para obter 6O 2(g) e 6H 2 O (l), respectivamente. Não é necessário inverter pois os compostos estão localizados de acordo com a equação final. 3) Por último, realizam-se os cálculos: C 6 H 12 O 6(aq) 6C (s) + 6H 2(g) + 3O 2(g) ΔH1 = kj 6C (s) + 6O 2(g) 6CO 2(g) ΔH2 = -413 kj X 6 6H 2(g) + 3O 2(g) 6H 2 O (l) ΔH3 = -286 kj X C 6 H 12 O 6(aq) + 6O 2(g) 6CO 2(g) + 6H 2 O (l) ΔH = kj
13 EXERCÍCIOS
14 1. (Vunesp-SP) Ozonizador é um aparelho vendido no comércio para ser utilizado no tratamento da água. Nesse aparelho é produzido ozônio (O 3 ) a partir do oxigênio do ar (O 2 ), que mata os micro-organismos presentes na água. A reação de obtenção do ozônio a partir do oxigênio pode ser representada pela equação: 3 O 2(g) 2 O 3(g) ΔH = +284 kj Com base nessa equação, e considerando a transformação de 1000 g de O 2(g) em O 3(g), a quantidade de calor envolvida na reação é: a) 2958,33 kj e a reação é endotérmica. b) 1479,16 kj e a reação é exotérmica. c) 739,58 kj e a reação é exotérmica. d) 369,79 kj e a reação é endotérmica. e) 184,90 kj e a reação é endotérmica. 2. (UFRS) Considere as transformações a que é submetida uma amostra de água, sem que ocorra variação da pressão externa. Pode-se afirmar que: a) as transformações 3 e 4 são exotérmicas. b) as transformações 1 e 3 são endotérmicas. c) a quantidade de energia absorvida em 3 é igual à quantidade liberada em 4. d) a quantidade de energia liberada em 1 é igual à quantidade liberada em 3. e) a quantidade de energia liberada em 1 é igual à quantidade absorvida em 2. Figura 4 - Mudança de estado físico da água
15 3. Faça a interpretação das equações termoquímicas abaixo: A. H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l) + 68,3 kcal/mol B. CO 2 (g) C grafite + O 2 (g) ΔH = +70,6 kcal/mol C. ½ N 2 (g) + 3/2 H 2 (g) NH 3 (g) + 80 kcal/mol 4. De acordo com as interpretações abaixo, escreva a equação termoquímica: A. A 25 C e 1 atm, 1 mol de hidrogênio reage com meio mol de oxigênio produzindo 1 mol de água e liberando 68,5 kcal. B. Nas condições ambiente, ocorre a liberação de 94,5 kcal/mol, quando carbono diamante reage com oxigênio para produzir gás carbônico. 5. (UNCISAL) No processo de Haber-Bosch, a amônia é obtida em alta temperatura e pressão, utilizando ferro como catalisador. Essa amônia tem vasta aplicação como fonte de nitrogênio na fabricação de fertilizante e como gás de refrigeração. Dadas as energias de ligação, H H 436 kj/mol, N N 944 kj/mol e H N 390 kj/mol, a entalpia de formação de 1 mol de amônia é: 1 N H 2 2 NH 3 a) 88 kj/mol. b) 44 kj/mol. c) +44 kj/mol. d) +88 kj/mol. e) +600 kj/mol.
16 6. (UERJ) O alumínio é utilizado como redutor de óxidos, no processo denominado de 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: Figura 5 - Tabela sobre calores de formação Segundo a equação acima, para a obtenção do Mn (s), a variação de entalpia, na temperatura de 298 K, em KJ, é de: a) -282,5 b) -2515,3 c) -3053,1 d) ,1 7. (Exercícios Brasil Escola) Um passo do processo de produção de ferro metálico, Fe(s), é a redução do óxido ferroso (FeO) com monóxido de carbono (CO). FeO (s) + CO (g) Fe (s) + CO 2(g) H = x Utilizando as equações termoquímicas abaixo e baseando-se na Lei de Hess, assinale a alternativa que indique o valor mais próximo de x : Fe 2 O 3(s) + 3 CO (g) 2 Fe (s) + 3 CO 2(g) H = -25 kj 3 FeO (s) + CO 2(g) Fe 3 O 4(s) + CO (g) H = -36 kj 2 Fe 3 O 4(s) + CO 2(g) 3 Fe 2 O 3(s) + CO (g) H = +47 kj a) -17 kj. b) +14 kj. c) -100 kj. d) -36 kj. e) +50 kj.
17 RESPOSTAS
18 1. Massa molar do O2 = 32 g/mol 1 mol O gramas 96 gramas O kj 3 mols O X = 96 gramas 1000 gramas O X = ,33 kj ΔH > 0, logo, a reação é endotérmica (absorve calor). Letra A 2. A. Errada. Transformação 4 é endotérmica. B. Errada. As transformações 1 e 3 são exotérmicas. C. Errada. A quantidade de energia liberada em 3 é igual à quantidade absorvida em 4. D. Errada. A quantidade de energia liberada em 1 não é igual à quantidade liberada em 3, porque não são transformações iguais e nem são uma o oposto da outra. E. Correta. 1 e 2 são processos opostos que envolvem a mesma quantidade de energia.
19 3. Faça a interpretação das equações termoquímicas abaixo: A. Um mol de gás hidrogênio reagem com meio mol de gás oxigênio produzindo 1 mol de água líquida. A reação libera 68,3 kcal/mol em condições ambientais. B. Um mol de gás carbônico produz um mol de carbono grafítico e um mol de gás oxigênio. A reação absorve 70,6 kcal/mol em condições ambientais. C. Meio mol de gás nitrogênio reagem com três meios mols de gás hidrogênio produzindo um mol de gás amônia. A reação libera 80 kcal/mol em condições ambientais. 4. De acordo com as interpretações abaixo, escreva a equação termoquímica: A. 1 H 2 (g) + ½ O 2 (g) 1 H 2 O (l) + 68,5 kcal B. C diamante + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH = -94,5 kcal/mol 5. ΔH = H reagentes - H produtos ΔH = [1X(944) + 3X(436)] - [2X3X(390)] ΔH = ΔH = -88 kj/mol 2 mol NH kj/mol 1 mol NH X = -44 kj/mol Letra B Figura 6 - Fórmula estrutural da amônia
20 6. ΔH = H produtos - H reagentes ΔH = [4X(-1667,8)+9X(0)] - [8X(0)+3X(-1385,3)] ΔH = (-6671,2) - (-4155,9) ΔH = -2515,3 kj Letra B 7. 3 Fe 2 O 3(s) + 9 CO (g) 6 Fe (s) + 9 CO 2(g) H = -25 kj X 3 6 FeO (s) + 2 CO 2(g) 2 Fe 3 O 4(s) + 2 CO (g) H = -36 kj X 2 2 Fe 3 O 4(s) + CO 2(g) 3 Fe 2 O 3(s) + CO (g) H = +47 kj FeO (s) + 6 CO (g) 6 Fe (s) + 6 CO 2(g) H = -100 kj DIVIDIR TUDO POR 6 FeO (s) + CO (g) Fe (s) + CO 2(g) H = -17 kj Letra A
21 REFERÊNCIAS: [1] WIKIPÉDIA. Termoquímica. Disponível em: < [2] WIKIPÉDIA. Calorímetro. Disponível em: < [3] INFO ESCOLA. Entalpia de Combustão. Disonível em: < [4] COLÉGIO WEB. Calor de formação. Disponível em < [5] DESCONVERSA. O que eu devo saber sobre Termoquímica?. Disponível em: < [6] TODA MATÉRIA. Termoquímica. Disponível em: < [7] MUNDO EDUCAÇÃO. Entalpia de Neutralização. Disponível em: < [8] BRASIL ESCOLA. O que é energia de ligação?. Disponível em: < [9] BRASIL ESCOLA. Substâncias simples e compostas. Disponível em: < [10] REFERÊNCIAS DAS FIGURAS: [1] [2] [3] [4] [5] [6]
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