TERMOQUÍMICA A QUÍMICA DOS EFEITOS ENERGÉTICOS.

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1 TERMOQUÍMICA A QUÍMICA DOS EFEITOS ENERGÉTICOS. Nelson José Paraná da Silva - Prof. de Química (UFBA-BA) Colégios: Militar de Salvador, CEFET-BA, Mundial, São Francisco de Alagoinhas, BETA vestibular Alagoinhas, Aprovação e Trajetória vestibular CATU-BA

2 OS PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS DO CALOR E DO TRABALHO SE APLICAM, NO ESTUDO DE UMA REAÇÃO QUÍMICA E NAS MUDANÇAS DO ESTADO FÍSICO DE UMA SUBSTÂNCIA.

3 OBSERVE OS FENÔMENOS pilha

4 NELES,OCORREM TRANSFORMAÇÕES FÍSICAS E (OU) QUÍMICAS ENVOLVENDO VÁRIOS TIPOS DE ENERGIA, INCLUSIVE ENERGIA TÉRMICA.

5 CONCEITOS IMPORTANTES SISTEMA - tudo aquilo que se reserva do universo para estudo. ENERGIA - resultado do movimento e da força gravitacional existentes nas partículas formadoras da matéria. ENERGIA QUÍMICA - trabalho realizado por um sistema através de reações químicas. CALOR - energia que flui de um sistema com temperatura mais alta para o outro com temperatura mais baixa. TRABALHO - deslocamento de um corpo contra uma força que se opõe a esse deslocamento.

6 EM UM SISTEMA ISOLADO A ENERGIA É SEMPRE A MESMA, ELA SE CONSERVA; PODE-SE DIZER ENTÃO QUE A ENERGIA DO UNIVERSO É CONSTANTE.

7 ENERGIA INTERNA ENERGIA ACUMULADA POR UMA SUBSTÂNCIA SOB VOLUME CONSTANTE. ENTALPIA ENERGIA ACUMULADA POR UMA SUBSTÂNCIA SOB PRESSÃO CONSTANTE, RESUMIDAMENTE, PODEMOS DIZER QUE É O CONTÉUDO DE CALOR DA SUBSTÂNCIA.

8 O PROCESSO DE MEDIDA DOS CALORES DE REAÇÃO É DENOMINADO CALORIMETRIA. O APARELHO QUE MEDE A ENTALPIA DA REAÇÃO É DENOMINADO CALORÍMETRO.

9 CALORIA é a quantidade de energia necessária para aumentar de 1ºC a temperatura de 1 g de água. JOULE é a quantidade de energia necessária para deslocar uma massa de 1kg, inicialmente em repouso, fazendo percurso de 1 metro em 1 segundo. 1 cal = 4,18 J 1 kcal = 1000 cal 1 kj = 1000 J

10 EFEITOS ENERGETICOS NAS REACõES QUÍMICAS Na fotossíntese ocorre absorção de calor LUZ 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O CLOROFILA 2 GLICOSE Na combustão do etanol ocorre liberação de calor C 2 H 5 OH + 3O 2 2CO 2 + 3H 2 O ETANOL

11 A TERMOQUÍMICA ESTUDA AS MUDANÇAS TÉRMICAS ENVOLVIDAS NAS REAÇÕES QUÍMICAS * quando envolve liberação de calor, denomina-se REAÇÃO EXOTÉRMICA. * quando envolve absorção de calor, denomina-se REAÇÃO ENDOTÉRMICA.

12 EQUAÇÃO TERMOQUÍMICA É a representação de uma reação química em que está especificado: * o estado físico de todas as substâncias. * o balanceamento da equação. * a variação de calor da reação ( H ). * variedade alotrópica quando existir. * as condições físicas em que ocorre a reação, ou seja, temperatura e pressão. ( 25ºC e 1atm é o comum) Segue alguns exemplos...

13 REAÇÃO EXOTÉRMICA 2 C (s) + 3 H 2(g) C 2 H 6(g) H= 20,2 kcal 2 C (s) + 3 H 2(g) C 2 H 6(g) + 20,2 kcal REAÇÃO ENDOTÉRMICA Fe 3 O 4(s) 3 Fe (s) + 2 O 2(g) H= + 267,0 kcal Fe 3 O 4(s) 3 Fe (s) + 2 O 2(g) 267,0 kcal

14 REAÇÃO EXOTÉRMICA OBSERVE OS SINAIS 2 C (s) + 3 H 2(g) C 2 H 6(g) H = 20,2 kcal 2 C (s) + 3 H 2(g) C 2 H 6(g) + 20,2 kcal REAÇÃO ENDOTÉRMICA OBSERVE OS SINAIS Fe 3 O 4(s) 3 Fe (s) + 2 O 2(g) H = + 267,0 kcal Fe 3 O 4(s) 3 Fe (s) + 2 O 2(g) 267,0 kcal

15 CÁLCULO DA VARIAÇÃO DE ENTALPIA { { A + B C + D HR HP HP ENTALPIA PRODUTO HR ENTALPIA REAGENTE H VARIAÇÃO DE ENTALPIA

16 { REAÇÃO EXOTÉRMICA A + B { C + D + CALOR HR HP REAÇÃO ENDOTÉRMICA { A + B + CALOR C + D HR {HP

17 Não esqueça: HP ENTALPIA PRODUTO HR ENTALPIA REAGENTE H VARIAÇÃO DE ENTALPIA

18 REAÇÃO EXOTÉRMICA A + B C + D + ENTÃO HR HR > = HP + HP HR O SENTIDO DA SETA SERÁ SEMPRE DO REAGENTE PARA O PRODUTO HP CAMINHO DA REAÇÃO

19 REAÇÃO EXOTÉRMICA A + B C + D + CALOR REAÇÃO ENDOTÉRMICA A + B + CALOR C + D

20 REAÇÃO ENDOTÉRMICA A + B + C + D ENTÃO Hp = Hr + Hp > Hr HP O SENTIDO DA SETA SERÁ SEMPRE DO REAGENTE PARA O PRODUTO HR CAMINHO DA REAÇÃO

21 H = H (PRODUTOS) H (REAGENTES) Se HR < HP H > 0 Se HR > HP H < 0

22 H = H (PRODUTOS) H (REAGENTES) Se HR < HP H > 0 REAÇÃO ENDOTÉRMICA Se HR > HP H < 0 REAÇÃO EXOTÉRMICA

23 H = H (PRODUTOS) H (REAGENTES) Se HR > HP HR H < 0 HP CAMINHO DA REAÇÃO

24 H = H (PRODUTOS) H (REAGENTES) Se HR > HP REAÇÃO EXOTÉRMICA HR H < 0 HP CAMINHO DA REAÇÃO

25 H = H (PRODUTOS) H (REAGENTES) Se Hp > Hr HP H > 0 HR CAMINHO DA REAÇÃO

26 H = H (PRODUTOS) H (REAGENTES) Se Hp > Hr REAÇÃO ENDOTÉRMICA HP H > 0 HR CAMINHO DA REAÇÃO

27 OBS.: * Convencionou-se entalpia zero para determinadas substâncias simples, em razão de não ser possível medir o valor real da entalpia de uma substância. * Foram escolhidas condições-padrão para estabelecer medidas relativas. * Terá entalpia zero qualquer substância simples que se apresente nos estados físico e alotrópico mais comum, a 25ºC e 1atm de pressão.

28 ENTALPIA ZERO Hº = 0 H 2(g), N 2(g) e etc O 2(g) C (grafite) S (rômbico) P (vermelho) ENTALPIA MAIOR QUE ZERO Hº > O 3(g) C (diamante) S (monoclínico) P (branco)

29 ENTALPIA ZERO Hº = 0 H 2(g), N 2(g) e etc O 2(g) C (grafite) S (rômbico) P (vermelho) ENTALPIA MAIOR QUE ZERO Hº > O 3(g) C (diamante) S (monoclínico) P (branco) * A forma alotrópica menos estável tem entalpia maior que zero.

30 Observe a reação de formação (síntese ) de um mol de água, a 25ºC e 1 atm de pressão. H 2(g) + 1/2O 2(g) H 2 O (g) Cálculo da entalpia de formação: H = H(produtos) - H(reagentes)

31 H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (g ) H =? H = H(produtos) H(reagentes) H = HºH 2 O (Hº (l) H 2 (g) + 1/2 Hº O ) 2(g) COMO Hº H 2 (g ) = Hº O 2(g) = zero H = HºH 2 O (l) ENTÃO e HºH 2 O (l) = 68,4kcal/mol H = 68,4kcal/mol

32 H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (g ) H =? H = H(produtos) H(reagentes) H = HºH 2 O (l) (Hº H 2 (g) + 1/2 Hº O 2(g) ) Hº H 2 (g ) = Hº O 2(g) = zero H = HºH 2 O (l) HºH 2 O (l) = 68,4kcal/mol H = 68,4kcal/mol

33 H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (g ) H = 68,4kcal/mol H = H(produtos) H(reagentes) H = HºH 2 O (l) (Hº H 2 (g) + 1/2 Hº O 2(g) ) Hº H 2 (g ) = Hº O 2(g) = zero H = HºH 2 O (l) HºH 2 O (l) = 68,4kcal/mol H = 68,4kcal/mol

34 CÁLCULOS DA VARIAÇÃO DE ENTALPIA LEI DE HESS A entalpia de uma reação depende apenas dos estados iniciais e finais da reação, não depende dos estados intermediários, ou seja a reação é a mesma para uma ou mais etapas. Ex. 1 - Cálculo da entalpia da reação de formação do gás carbônico: C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) H =? kcal/mol

35 OBSERVE AS EQUAÇÕES: C (grafite) + 1/2O 2(g) CO (g) H = 26,4kcal/mol CO (g) + 1/2O 2(g) CO 2(g) H = 67,6kcal/mol

36 EFETUAMOS A SOMA ALGÉBRICA DAS MESMAS. Note que os termos semelhantes em membros opostos se anulam. 1ª etapa: C (grafite) + 1/2O 2(g) CO (g) H 1 = 26,4kcal/mol 2ª etapa: CO (g) + 1/2O 2(g) CO 2(g) H 2 = 67,6kcal/mol Etapa final: C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) H = 94,0kcal/mol CONCLUINDO H = H 1 + H 2 H = 94,0kcal/mol

37 Observe que o processo é puramente algébrico. 1ª etapa : C (grafite) + 1/2O 2(g) CO (g) H 1 = -26,4kcal/mol 2ª etapa : CO (g) + 1/2O 2(g) CO 2(g) H 2 = -67,6kcal/mol Etapa final: C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) H = -94,0kcal/mol

38 Observe que o processo é puramente algébrico. 1ª etapa : C (grafite) + 1/2O 2(g) CO (g) H 1 = -26,4kcal/mol 2ª etapa : CO (g) + 1/2O 2(g) CO 2(g) H 2 = -67,6kcal/mol Etapa final: C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) H = -94,0kcal/mol H = H 1 + H 2 = -94,0kcal/mol

39 Ex 2 - Dadas as equações: C (grafite ) + O 2(g) CO 2(g) H 1 = 94,0kcal/mol H + 2(g) 1/2 O 2(g) H 2 O (l) H 2 = 68,4kcal/mol C (grafite) + 2H 2(g) CH 4(g) H 3 = 17,9kcal/mol Calcular a entalpia da reação: CH 4(g) + O 2(g) CO 2(g) + H 2 O (l)

40 Resolução: As equações dadas deverão ser arrumadas de tal modo que a sua soma resulte na equação-problema. Agora vamos identificá-las com algarismos romanos. I) C (grafite ) + O 2(g) CO 2(g) H 1 = 94,0kcal/mol II) H + 2(g) 1/2 O 2(g) H 2 O (l) H 2 = 68,4kcal/mol III) C (grafite) + 2H 2(g) CH 4(g) H 3 = 17,9kcal/mol Equação-problema: CH 4(g) + O 2(g) CO 2(g) + H 2 O (l)

41 Devemos manter a equação I pois dessa forma obteremos gás carbônico como produto. C (grafite ) + O 2(g) CO H 2(g) 1 = 94,0kcal/mol Multiplicar por 2 a equação II para que os coeficientes fiquem ajustados. 2( H + 2(g) 1/2 O 2(g) H 2 O H (l) 2 = 68,4kcal/mol) 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) H 2 = 136,8 kcal/mol O H 2 também é multiplicado Agora, invertemos a equação III de modo a obter o metano ( CH 4 ) como reagente. Observe a inversão de sinal do H 3 CH 4(g) C (grafite) + 2H 2(g) H 3 = + 17,9kcal/mol

42 Finalmente aplica-se a soma algébrica das equações, inclusive das variações de entalpia. C (grafite ) + O 2(g) CO 2(g) H 1 = 94,0 kcal/mol 2 H + 2(g) O 2(g) 2 H 2 O H (l) 2 = 136,8 kcal/mol CH 4(g) C (grafite) + 2H 2(g) H 3 = + 17,9 kcal/mol

43 Observe os cortes: C (grafite ) + O 2(g) CO 2(g) H 1 = 94,0 kcal/mol 2 H + 2(g) O 2(g) 2 H 2 O H (l) 2 = 136,8 kcal/mol CH 4(g) C (grafite) + 2H 2(g) H 3 = + 17,9 kcal/mol CH 4(g) + 2O 2(g) CO 2(g) + 2H 2 O (l) H = 212,9 kcal/mol H = H 1 + H 2 + H 3

44 CALORES PADRÃO DE FORMAÇÃO OU ENTALPIA-PADRÃO DE FORMAÇÃO É o calor desenvolvido na formação de um mol de determinado composto, a partir das substâncias simples correspondentes no estado padrão. Representa-se por: H f º O índice sobrescrito º significa estado padrão. O índice subscrito f significa formação..

45 REAÇÃO DE FORMAÇÃO - é aquela em que um mol de um único composto é formado a partir de substâncias simples no estado padrão. Exs.: C(grafite ) + O 2(g) CO 2(g) { 1 mol H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (l) { 1 mol Os valores de H são pré-estabelecidos e encontrados em tabelas, para aqueles compostos que estejam na sua forma mais estável a 1 atm de pressão, ou seja, no estado padrão.

46 SUBSTÂNCIA Hº (kcal/mol) SUBSTÂNCIA Hº (kcal/mol) H 2 O (v) -57,8 NH 3(g) -11,0 H 2 O (l) -68,4 HF (g) -64,2 H 2 O (s) -69,8 HCl (g) -22,1 CO (g) -26,4 HBr (g) -8,7 CO 2(g) -94,1 HI (g) -6,2 CH 4(g) -17,9 HNO 3(l) -41,5 H 3 COH (l) -57,0 C 12 H 22 O 11(s) -531,5 C 2 H 5 OH (l) -66,4 NaCl(s) -98,5

47 CALOR PADRÃO DE COMBUSTÃO OU ENTALPIA-PADRÃO DE COMBUSTÃO É o calor liberado na combustão total de um mol de uma substância em que os componentes dessa reação estão no estado-padrão. H 2(g) + 1/2O 2(g) H 2 O (l) H= 68,4kcal/mol C 2 H 5 OH (l) + 3O 2(g) 2CO 2(g) + 3H 2 O (l) H= 325 kcal/mol COMBUSTÃO - reação de uma substância com o oxigênio (O 2 ) em que ocorre liberação de energia. ( REAÇÃO EXOTÉRMICA )

48 O PODER CALÓRICO DE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS A gasolina possui maior poder clalorífico que o álcool. Para cada litro de gasolina queimado são produzidos aproximadamente 8000 quilocalorias, enquanto para cada litro de álcool queimado, temos a produção de aproximadamente 5000 quilocalorias. Veja a tabela de calorias de alguns alimentos, a seguir.

49 ALIMENTO Kcal/g ALIMENTO kcal/g Cerveja 0,3 Feijão 3,5 Leite 0,7 Arroz 3,6 Peixe carne branca 0,8 Queijo prato 3,7 Batata 1,1 Carne de vaca 3,9 Ovos 1,6 Açúcar 3,9 Sorvete 1,7 Farinha de soja 4,3 Frango 2,3 Chocolate 5,2 Pão branco 2,3 Amendoim 5,6 Bife 2,7 Carne de porco 5,8 Milho 3,4 Manteiga 7,5

50 CALOR DE DISSOLUÇÃO OU ENTALPIA DE DISSOLUÇÃO É o calor desenvolvido ( liberado ou absorvido) provocado pela dissolução de um mol de substância, numa quantidade de água suficiente para se obter uma solução diluída, no estado padrão. H 2 SO 4 (l) + aq H 2 SO 4 (aq) H = 22,9 kcal/mol KNO 3(s) + aq KNO 3(aq) H = + 8,5 kcal/mol

51 CALOR DE NEUTRALIZAÇÃO OU ENTALPIA DE NEUTRALIZAÇÃO É o calor liberado na neutralização de um equivalente-grama de um ácido por um equivalente-grama de uma base, ambos em soluções aquosas diluídas, no estado padrão. HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H 2 O (l) H = 13,8 kcal/eq eq-g HNO 3(aq) + LiOH (aq) LiNO 3(aq) + H 2 O (l) H = 13,8 kcal/eq eq-g OBS.: Para ácidos e bases fortes o H será sempre o mesmo.

52 A variação de entalpia de uma reação pode ser calculada, conhecendo-se apenas as entalpias de formação dos seus reagentes e produtos. H = H(produtos) H(reagentes)

53 Observe a equação: C 3 H 8(g) + 5O 2(g) 3CO 2(g) + 4H 2 O (g) H =? kcal/mol Consultando a tabela de calores de formação: SUBSTÂNCIAS C 3 H 8(g) CO 2(g) H 2 O (g) O 2(g) Η -24,8kcal/mol -94,1kcal/mol -57,8kcal/mol zero

54 H = H(produtos) H(reagentes) H = [3 HCO 2(g) + 4 H H 2 O (g) ] - ( HC 3 H 8(g) + 5 HO 2(g) ) H = [ 3(-94,1) + 4(-57,8)] - (-24,8 + zero) H = - 488,7 kcal/mol

55 ENERGIA DE LIGAÇÃO É A ENERGIA NECESSÁRIA PARA ROMPER UM MOL DE LIGAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA NO ESTADO GASOSO. EX. Para romper um de ligação H O são necessárias 110kcal. Para romper um de ligação H C são necessárias 100kcal. Para romper um de ligação O = O são necessárias 118kcal.. * esses valores são tabelados

56 Para romper um mol de água no estado gasoso, teremos: H 2 O (l) 2H (g) + O (g) H =? kcal/mol 110kcal O H H 110Kcal H 2 O (l) 2H (g) + O (g) H = 220 kcal/mol

57 Observe a reação em que todos os participantes estão no estado gasoso: H H C O H + 3/2O 2 O = C = O + 2H 2 O H Para romper as ligações intramoleculares do metanol e do oxigênio, serão absorvidos, para: 1 mol de O H +464,0 kj + 464,0 kj 1 mol de C O +330,0 kj + 330,0 kj 3 mols de C H 3 (+413,0 kj) ,0 kj 3/2 mols de O = O 3/2 (+493,0 kj) + 739,5 kj TOTAL ABSORVIDO ,5 kj

58 Cômputo dos produtos: H H C O H + 3/2O 2 O = C = O + 2H 2 O H Para formar as ligações intramoleculares do CO 2 e da água, serão liberadas: 2 mols de C = O 2 (-7444,0 kj) ,0 kj 2 mols de H O 2 ( - 464,0 kj) - 928,0 kj TOTAL LIBERADO ,0 kj

59 O cálculo final será: H = H(reagentes) + H(produtos) H = 2 772,5kj + ( kj) CALOR ABSORVIDO H = 356,5kj CALOR LIBERADO

60 A quebra de ligação envolve absorção de calor H H Processo endotérmico Processo exotérmico A formação de ligação envolve liberação de calor H H

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