AULA PRÁTICA DE QUÍMICA GERAL Estudando a água parte 41 Comportamento da água com sal - 4

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1 AULA PRÁTICA DE QUÍMICA GERAL Estudando a água parte 41 Comportamento da água com sal - 4 9º NO DO ENSINO FUNDAMENTAL - 1º e 2º ANO DO ENSINO MÉDIO INTRODUÇÃO Na parte anterior, investigamos o método de resfriar algumas latas de refrigerante usando a mistura gelo e sal, que é uma eficiente mistura refrigerante. O funcionamento dessa mistura se baseia na ação do sal sobre o gelo, forçando seu derretimento; mas, por sua vez, a fusão do gelo é muito endotérmica e por isso absorve muito calor do meio próximo, resfriando o conteúdo das latinhas de forma rápida e intensa. O sal também absorve calor na sua dissolução. Um outro processo endotérmico envolvido no funcionamento da mistura refrigerante é a própria dissolução do sal de cozinha na água derretida, mas a sua influência no resfriamento total do sistema é bem menor que a da fusão do gelo. Sal mineral sendo adicionado à neve, para derrete-la, em uma cidade do estado de Wisconsin, EUA. Disponível (acesso: ): Para quantificar, podemos considerar que a variação de entalpia para a fusão do gelo tem o valor de 79,71 calorias por grama de gelo, enquanto a variação de entalpia para a dissolução do cloreto de sódio é 20 calorias por grama de sal dissolvido. Considerando massas iguais de sal e de gelo, concluímos que a influência da dissolução do sal de cozinha é cerca de apenas ¼ da influência do derretimento do gelo.

2 Observação: Transformando para unidades científicas padrão, temos que: 79,71 calorias por grama de água equivalem a 333,51 joules por grama (basta multiplicar por 4,184). Multiplicando pela massa molar (massa de 1 mol) de água (18g, valor arredondado), temos que a entalpia molar de fusão do gelo equivale a cerca de 6 mil joules/mol ou 6kJ/mol. O valor tabelado é 6,01kJ/mol. Mesmo assim, não se usa massas iguais de sal e de gelo na mistura refrigerante, porque o sal não poderá ser dissolvido totalmente nessa proporção. A maior proporção utilizada é em torno de 1:3, sendo 1 para o sal e 3 para o gelo. Ou seja, se fizermos uma mistura refrigerante com 750g de gelo, usaremos apenas 250g de sal. Nessa proporção, considerando que todo o sal consiga se dissolver na água derretida, a influência da variação de entalpia de dissolução do sal fica reduzida à 1/3 de 1/4, ou seja, 1/12 em relação à influência do derretimento do gelo. Então, o grande responsável pelo funcionamento da mistura refrigerante, não é o sal que dissolve, mas o gelo que derrete. Isso não quer dizer que podemos dispensar o sal. Ao contrário, ele é muito importante para promover o derretimento; mas, considerando apenas o aspecto térmico, é o derretimento do gelo em si - e não a dissolução do sal - que causa a grande absorção de calor do ambiente no entorno do sistema, resfriando as latinhas de bebidas. Assim, é muito interessante determinar experimentalmente a variação de entalpia de fusão do gelo, como propomos logo adiante. Mas, o que é entalpia? Resumidamente, entalpia é o calor armazenado em uma substância. Mas, atenção. Não estamos falando de temperatura, que é outra grandeza importante, mas frequentemente confundida com calor. Vamos por partes: a temperatura é uma grandeza que está relacionada ao grau de agitação ou energia cinética das partículas de um corpo. Mas, isso não é o calor, propriamente, nem mesmo o calor armazenado. O calor é uma forma de energia que passa de um corpo para outro, sempre do mais quente para o mais frio. E, nas transformações químicas e físicas, há sempre alguma alteração do conteúdo de energia entre reagentes e produtos; essa alteração pode gerar absorção de energia do ambiente (processo endotérmico) ou liberação de energia para o ambiente (processo exotérmico). O calor, então, é uma propriedade relativa a um sistema, considerando um processo que esteja ocorrendo ou que poderá ocorrer a qualquer momento; e não a propriedade de um corpo propriamente dito. Por exemplo, podemos medir a temperatura de um litro de água e de um litro de

3 álcool, que pode inclusive ser exatamente a mesma medida. Mas, o álcool, na qualidade de combustível, contém uma entalpia de combustão grande; ao passo que a água não tem entalpia de combustão, já que é uma substância que não pega fogo. Não se pode medir o calor armazenado, a não ser quando ocorre uma transformação em que esse calor é liberado para o ambiente ou absorvido do ambiente para o sistema. Usa-se, então, a variação da temperatura no entorno ou vizinhança do sistema para medir a quantidade de calor liberado. Por exemplo, se o calor liberado no processo for capaz de aquecer uma certa quantidade de água no entorno, por exemplo, 100g de água 1ºC, dizemos que a transformação ocorreu com liberação de 100 calorias. Transformando esse valor para a unidade oficial de energia, o joule (J), basta multiplicálo por 4,184, ou seja, 418,4J. No caso da mistura refrigerante sal e gelo, é a variação de entalpia expressivamente endotérmica referente ao derretimento do gelo que promove o resfriamento da sua vizinhança, ou seja, das latinhas ou garrafas de bebidas que se quer esfriar. Repare que não é a temperatura do gelo que faz o resfriamento. Usar uma mistura refrigerante é bem diferente de colocar uma pedra de gelo dentro do líquido que se deseja esfriar. Por exemplo, se colocarmos massas iguais de gelo a 0ºC e de bebida guaraná a 20ºC em um copo, certamente o guaraná irá esfriar um pouco, para aproximadamente 10ºC, que é a média das temperaturas iniciais. Mas não é disso que estamos falando. No caso das misturas refrigerantes, é o processo de derretimento (e não o gelo em si) que retira calor da vizinhança, abaixando a temperatura do entorno em dezenas de graus abaixo de zero grau Celsius, podendo até congelar o guaraná. Assim, calorias ou joules são as unidades mais usadas para o calor. E graus Celsius ou Kelvin são as mais utilizadas para a temperatura. Essas grandezas estão, sim, muito relacionadas; mas, certamente, não significam a mesma coisa. EXPERIMENTO: DETERMINANDO A ENTALPIA DE FUSÃO DO GELO MATERIAL A) Proveta de 500mL. B) Copo de isopor. C) Caixa pequena de isopor de cerca de 2 litros. Obs.: Pode ser usada um isolante térmico do tipo para encaixe de uma única garrafa de cerveja, usando a parte de cima ou tampa no lugar do copo e o corpo do isolante onde se encaixa a garrafa no lugar da caixa de isopor.

4 D) Água destilada ou água de torneira. E) Água gelada. F) Gelo. G) Termômetro de laboratório. H) Sistema de aquecimento para água, podendo ser um ebulidor elétrico ou sistema a gás. I) Toalha seca de tecido ou papel toalha. PROCEDIMENTO 1. Coloque uma boa quantidade de gelo com água bem gelada em uma caixa de isopor. Monitore a temperatura desse sistema, de forma que ela se estabilize em 0ºC por cerca de 10 minutos. Obs.: Se não obtiver a temperatura de zero graus exatos, leve o sistema para um congelador e aguarde cerca de 20 minutos. É importante que se consiga a temperatura da água gelada a zero graus, estabilizada com o gelo, porque iremos considerar a temperatura do gelo como tal, sem medir a temperatura do gelo, mas apenas da água que o circunda. 2. Enquanto isso, meça em uma proveta, 200mL de água. 3. Aqueça essa quantidade (200mL) de água até cerca de 50ºC. 4. Coloque os 200mL de água morna no copo de isopor, conferindo e anotando sua temperatura exata. 5. Retire duas a três pedras de gelo do sistema gelo e água, passe uma toalha em cada uma para retirar a água de entorno e coloque essas pedras no copo de isopor, em contato com a água morna. 6. Com o próprio termômetro, vá agitando o sistema até o derretimento total do gelo. Assim que o gelo desaparecer, meça o valor exato da temperatura do líquido obtido. 7. Meça novamente o volume total do líquido em uma proveta, para obter, por diferença, o volume do gelo utilizado no experimento e que foi derretido. CÁLCULOS E FUNDAMENTAÇÃO Considerando que o sistema seja perfeitamente isolado termicamente, a energia (calor) usada na fusão do gelo e também no aquecimento da água gelada recém derretida foi obtido a partir da água morna, que por sua vez sofreu um certo resfriamento. Matematicamente, podemos dizer que a soma dessas variações de entalpia é zero, ou seja, a energia total do sistema é a mesma (1ª Lei da Termodinâmica):

5 Haquecimento + Hresfriamento + Hfusão = 0 Ou seja: Hfusão = (- Haquecimento) + (- Hresfriamento) Para calcular a variação de entalpia, tanto de resfriamento quanto de aquecimento, temos que considerar a massa de água envolvida, e a diferença entre a temperatura inicial e final. Como a densidade da água é 1g/mL, não é necessário pesar a água, mas apenas considerar cada mililitro como sendo 1 grama. O calor específico da água tem um valor que também facilita os cálculos, obtidos em calorias; ou seja, cada grama de água aquecida ou resfriada 1ºC corresponde a 1 caloria absorvida ou liberada. Assim, basta proceder ao seguinte cálculo: Hfusão = - (mh2o. th2o) - (mgelo. tgelo) Dados obtidos experimentalmente: Água morna Volume (ml) Massa (g) Temperatura inicial (ºC) Temperatura final (ºC) Variação da temperatura (ºC) Gelo Cálculos: Haquecimento (gelo) Hresfriamento (água) Hfusão OBSERVAÇÕES E QUESTÕES calorias joules / grama de gelo calorias calorias joules joules / mol de gelo 1) O valor obtido de entalpia de fusão do gelo por mol se aproxima do valor tabelado de 6,01kJ/mol? Comente.

6 2) A água usada para aquecer e derreter o gelo funcionou para fornecer calor e também como vizinhança que possibilitou a medição do calor envolvido. Você concorda com essa afirmativa? Explique. 3) Qual é a diferença entre calor e temperatura? Tente conceituar com suas palavras, baseandose no experimento realizado.