Termoquímica Pa P rte t 2

Transcrição

1 Termoquímica Parte 2

2 Entalpiasde mudançade de estado físico O calor necessário para mudar o estado físico de uma substância é conhecido como: Entalpia de fusão H fus ; ENDOTÉRMICO Entalpia de vaporização H vap ; ENDOTÉRMICO Entalpia de condensação: EXOTÉRMICO Entalpia de solidificação: EXOTÉRMICO Para água: Entalpia de fusão H fus = 333 J/g Entalpia de vaporização H vap = J/g Exercite: Qual será o calor necessário para fundir 0,5 Kg de gelo? Qual será o calor necessário para vaporizar esta mesma quantidade de água? 2

3 Entalpiasde mudançade de estado físico 3

4 Entalpiasde Rede: energiareticular reticular Lembrando...ligação iônica e a energia de rede Existe atração entre os íons Íons gasosos sólido iônico Libera ou absorve energia? 4

5 Entalpiasde Rede: energiareticular reticular Íons gasosos sólido iônico -Energia de rede Libera Energia sólido iônico Íons gasosos +Energia de rede Como determinar a Entalpia de Rede? H rede = H m (íons, g) - H m (sólido) A entalpia de rede de um sólido não pode ser medida diretamente. Entretanto, podemos obtê-la indiretamente, por outro caminho. Absorve Energia 5

6 Entalpiasde Rede: energiareticular reticular Suponha que queremos saber a entalpia de rede de KCl: K + (g) + Cl - (g) KCl(s) A soma das variações de entalpia para um processo cíclico é zero. Conservação da energia 1ª Lei da Termodinâmica 6

7 Entalpiasde Rede: energiareticular reticular Suponha que queremos saber a entalpia de rede de KCl: K + (g) + Cl - (g) KCl(s) H rede = kj/mol sublimação atomização ionização Afinidade eletrônica Inverso da formação Este procedimento é conhecido como: Ciclo de Born-Haber 7

8 Entalpiasde Rede: energiareticular reticular Suponha que queremos saber a entalpia de rede de NaCl: Na + (g) + Cl - (g) NaCl(s)

9 Entalpiasde Ligação Em uma reação química ligações químicas existentes são quebradas e novas são formadas. Energia fornecida para quebrar as ligações dos reagentes ( H +) Energia liberada em função das novas ligações formadas ( H-) A força de uma ligação química é conhecida como: Entalpia de ligação H B. Bond = ligação

10 Entalpiasde Ligação Considere um mol de moléculas de metano. Uma das ligações C-H poderia ser quebrada formando um mol de átomos de hidrogênio e um mol de radicais metila: CH 4 (g) CH 3. (g) + H. (g) H B ou D(C-H) = +439kJ/mol A sucessiva quebra das outras ligações C-H no metano requer diferentes quantidades de energia: D(C-H) = +416 kj/mol Obs.: Os pontos dos radicais foram omitidos na escrita. Entalpia de ligação média

11 Entalpias de Ligação Exercício: Estime a variação de entalpia da reação entre iodoetano gasoso e vapor de água: CH3CH2I(g) + H2O(g) CH3CH2OH(g) + HI(g)

12 Densidadede de energia As variações de entalpia de combustão dá uma medida do calor liberado quando uma substância queima a pressão constante. Normalmente, a variação de entalpia é referida simplesmente como calor de combustão. A variação da entalpia por unidade de massa é chamada de densidade de energia. Substância Composição M w (g/mol) H c kj/mol H c kj/g típica Gasolina C 8 H ,98 Óleo diesel C 20 H ,68 Gás natural CH ,62 Hidrogênio H ,0 Metanol CH 3 OH ,68 etanol C 2 H 5 OH ,72 Maior densidade de energia Fonte: Kotz, e col., 2012

13 Densidadede de energia

14 Calorimetria Será que toda matéria absorve a mesma quantidade de calor? 14

15 Calorimetria 1 kg de isopor 1 Kg de ferro Ambos são colocados sobre uma chapa aquecida e recebem a mesma quantidade de energia. Depois de 1 minqual deles estará com a maior temperatura? 15

16 Calorimetria A Capacidade calorífica (C) de um objeto é a quantidade de calor necessária para aumentar sua temperatura em 1 K (ou 1 o C). Capacidade calorífica específica de 1 g de substância Capacidade calorífica molar de 1 mol de substância Capacidade calorífica= quantidade de calor transferido massa(g). Variação da temperatura Isopor / Ferro Capacidade calorífica Específica (J/g) Ou Capacidade calorífica Molar(J/mol) Experimentalmente: São necessários209j paraaumentara temperaturade 50 g de águaem1k. 16

17 Calorimetria Substância Calor específico (J/gK H 2 O (l) 4,18 CH 4 (g) 2,20 CO 2 (g) 0,84 Al(s) 0,90 Fe(s) 0,45 H 2 O(s) 2,06 H 2 O(v) 1,92 O alto calorespecíficodaáguaafetao climadaterra. 17

18 Calorimetria Exercício: A capacidade calorífica específica da água líquida é 4,18 J/K.g. Calcule a energia necessária para aquecer1,0moldeáguade298katé363k. Resposta: 4,9 KJ Exercício: Qual será a temperatura atingida pelas seguintes substâncias se receberem a mesma quantidade de energia calculada na questão anterior? a) Glicerina(congelante) C s =2,42x10 3 J/Kg.K b) Marmore C s =900J/Kg.K 18

19 Calorimetria Calorimetria a pressão constante As paredesnãoperdemouganhamcalor; O calornãoescapado calorímetro; O calordispendidopelareaçãoé obtidopela solução, onde se mede a temperatura. A variação de temperatura ocorrida em um objeto quandoeleabsorvecertaquantidadede energiaé determinada por sua capacidade calorífica. T 19

20 Calorimetria 1)Exercite: Calcule a quantidade de calor envolvida ao aquecer 0,5 Kg de água nas seguintes situações: a) -50 o C a 0 o C? b) 0 o C a 100 o C? c) 100 o C a 200 o C? Exercite: Calcule a quantidade de calor envolvida ao aquecer 0,5 Kg de água que está à -50 o C até 200 o C? 20

21 Calorimetria Capacidade calorífica= quantidade de calor transferido massa(g). Variação da temperatura sistema q vizinhança universo C = q m. T q = C. m. T H = q p 21

22 Calorimetria Bomba calorimétrica (calorimetria de volume constante) Conhecendo C cal, determina-se q r q r = -C cal x T 22

23 Calorimetria 2) Exercício: Quandoum alunomistura50ml de 1,0 mol/l de HCle 50 mlde 1,0 mol/l de NaOH em um calorímetro de copo de isopor, a temperatura da solução resultante aumenta 21 o C para27,5 o C.Calculea variaçãodaentalpiaparaa reaçãode neutralização, supondoqueo calorímetroperdeapenasumaquantidadedesprezívelde calor, queo volume total dasoluçãoé 100mL, quesuadensidadeé 1,0 g/mle queseucalor específicoé 4,18 J/g K. 23

24 Calorimetria O calor que sai dos sistema é recebido na vizinhança. Se uma reação química de combustão ocorre dentro da bomba preenchida com oxigênio, este calor causará aumento da temperatura da vizinhança. Portanto: q reação = q vizinhança Água e paredes do calorímetro Capacidade calorífica do q reação = C cal. T calorímetro, C24 cal

25 Calorimetria Exercício: Determinando a produção de calor através de um calorímetro calibrado: 1) Calibração do calorímetro (quanto calor o equipamento absorve) Suponha que tenhamos fornecido 80,0 kj de calor para um calorímetro aquecendo-o eletricamente e que observamos que a temperatura do calorímetro aumento em 8,40 o C. Qual a capacidade calorífica do calorímetro? Resposta: 9,52 kj/k 2) Utilizando o calorímetro calibrado Se sob condições idênticas, uma reação ocorrendo no calorímetro resulta em um aumento na temperatura de 20,0 o C para 25,2 o C, qual será a quantidade de calor liberada da reação química? Resposta: -50kJ 25

26 3) Exercício: Determine H o r paraa reaçãode combustãodo etanolgasoso? Sabe-se que: H o fetanol(g) = -234,8 kj/mol H o f CO 2 (g) = -393,5 kj/mol H o fh 2 O(g) = -241,8 kj/mol 4) Um botijãode gásde usodomésticocontém13 Kg de butano. A)Quala energia liberada na combustão completa de um botijão de butano? B) Quanta água consegue-se evaporar com um botijão de gás doméstico? C) Se 13Kg de etanol for utilizada para gerar energia para vaporizar água, qual combustível(etanol ou butano)conseguirá evaporar mais água? Dado : H o fbutano(g) = -125,7 kj/mol 26

27 Para entregar próxima aula: Quantocalordeveser absorvidoparaaquecer25,0 g de metanollíquido, CH 3 OH, de 25,0 o C a seupontode ebulição(64,6 o C) e paraevaporarentãocompletamenteo metanolnessatemperatura? O calorespecíficodo metanollíquidoé 2,53 J/g.Ke o calorde vaporizaçãodo metanolé 2,00 x 10 3 J/g. Faça um diagrama de temperatura vs. calor para o processo. 27

28 Capacidadecaloríficade gases Para os gases, a capacidade calorífica depende se o aquecimento do gás é realizado à pressão constante ou à volume constante. C p C v C p,m = C v,m +R Para gases ideais de moléculas lineares: C v,m = 5/2 R de moléculas não lineares: C v,m = 3R 28

29 Como chegamos: Capacidadecaloríficade gases O que esta equação significa? A capacidade de armazenar calor dos gases é maior quando estão à pressão constante do que quando estão à volume contante.

30 Capacidadecaloríficade gases Exercício: Calcule a temperatura final quando 500J de energia são transferidos como calor a 0,900 mol de O2 a 298 K e 1,00 atm. a) à volume constante; Resposta: +26,7 K b) à pressão constante Resposta: +19,1 K Considere comportamento de gás ideal. Observe que à pressão constante a temperatura do gás não tanto quanto à volume constante, apesar da mesma quantidade de energia ter sido transmitida. Por que? w Para que a pressão se mantenha constante quando calor é fornecido ao sistema, o volume irá aumentar, exercendo trabalho sobre a vizinhança. Portanto, parte da energia fornecida (500J) transformou-se em trabalho e parte causou aumento da velocidade de agitação das moléculas.

31 Variação de C p em funçãode T Variação das capacidades caloríficas molares com a temperatura Gás a b (10-3 K -1 ) c(10-5 K 2 ) Br 2 37,32 0,50-1,26 Cl 2 37,03 0,67-2,85 NH 3 29,75 25,1-1,55 O 2 29,96 4,18-1,67 31

32 C p e C v 1) Avalie E para um mol de oxigênio, O 2, indo de -20,0 o C até 37 o C a volume constante, nos seguintes casos: a) Comporta-se como gás ideal com C v = 20,78 J/mol.K b) Comporta-se como gás real com C v = 21,6 + 4,18x10-3 T (1,67x105)/T 2 2) Considere 1 mol de gás ideal a uma pressão inicial de 1,00 atme temperatura inicial de 273,15 K. Assuma que ele se expande adiabaticamente (sem troca de calor) contra uma pressão externa de 0,435 atm, até que seu volume se duplique. Calcule o trabalho a temperatura final e o E do processo. 32