Relações de energia em Química

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1 Relações de energia em Química

2 1- Termoquímica mica Termodinâmica - o estudo da energia e suas transformações. Alterações termoquímicos - alterações de energia associados com reações químicas. Sistema é a parte específica do universo de interesse para nós Vizinhança ou Arredores a parte do universo não contidas no sistema.

3 1.1-Tipos de sistemas Sistema aberto trocas de massa e energia Sistema fechado trocas de energia, mas nenhuma massa Sistema isolado nenhuma troca de qualquer massa ou energia

4 1.1-Tipos de sistemas Isolamento Tampa/cortiça Sistema Aberto Sistema Fechado Sistema lsolado

5 1.2-Diferentes tipos de energia Energia - a capacidade de fazer trabalho. A energia térmica - associado aos movimentos aleatórios de átomos e moléculas. Energia térmica - a transferência de energia térmica entre dois objetos em diferentes temperaturas.

6 1.2-Diferentes tipos de energia Energia química - energia armazenada no interior das unidades estruturais da substância química. Energia potencial - a capacidade de um objeto para realizar o trabalho por causa de sua posição em um campo de força.

7 1.2- Diferentes tipos de energia Energia cinética - o trabalho que pode ser realizada por um objeto em movimento. Unidade de energia 1 Joule (J) =1 kg m 2 /s 2 Antiga unidade de energia 1 calorie (cal) = 4,184 J

8 2- Lei da Conservação da Energia A energia é criada nem destruída em processos químicos e físicos. Convertida de um tipo para outra. Isso também é expressa em termos da primeira lei da termodinâmica

9 2.1- Primeira lei da termodinâmica E E E f i E = variação de energia interna do sistema E f e E i a energia dos estados final e inicial, respectivamente

10 2.1- Primeira Lei da Termodinâmica As reações químicas absorvem ou libertaram energia. Reação exotérmica o sistema libera calor para o ambiente. Endotérmico reação calor é fornecido ao sistema pelo ambiente.

11 Primeira Lei Consolidada Sistemas química - a conversão de energia térmica em trabalho. E E f E i q w

12 2.2- Sinais de calor e trabalho Trabalho realizado pelo sistema no ambiente, ou seja, o sistema perdeu energia para sua vizinhança. w < 0, ou seja, é negativo. Trabalho realizado pelo ambiente no sistema, ou seja, sistema ganhou energia de sua vizinhança. w > 0, ou seja, é positivo q < 0, fluxos de calor para ambientes Exotérmico (negativo) q > 0, calor flui para o sistema Endotérmico (positivo)

13 2.3- Pressão-volume de trabalho w = -P op V w = -P op (V f -V i ) Este é o tipo de trabalho realizado pelos pistões nos motores de nossos automóveis! Quanto maior a magnitude do P op, o gás tem de "trabalhar mais" para obter a mesma mudança de volume.

14 2.3- Pressão-volume de trabalho

15 2.4- Funções do Estado e Caminho E, H, V são exemplos de funções do estado. Funções do estado valor numérico não depende de como o processo é realizado. Trabalho (w) e q (calor) são funções caminho A quantidade de trabalho realizado ou calor liberado depende de como as mudanças no estados do sistema.

16 Entalpia (H) é utilizada para quantificar o fluxo de calor para dentro ou para fora de um sistema de um processo que ocorre a uma pressão constante. H = calor emitida ou absorvida durante a reação a uma pressão constante

17 Examine reação química. C (s) + O 2(g) CO 2(g) E = E[CO 2(g) ] E[C (s) ] E[O 2(g) ] Esta reação tem uma variação de entalpia negativa ( H = -393,5 kj).

18 Pela primeira lei meio E+ sist E = 0 meio E= - sist E A energia "perdida" do sistema é "ganha" nos arredores.

19 3- Entalpias de formação - entalpias padrão de reação A variação de entalpia para a reação r H= H(produto) - H(reagentes) Não podemos medir os valores absolutos das entalpias!! Como nós, "medimos" entalpias (ou o conteúdo de calor) de espécies químicas?

20 3.1- Reação de formação A Termodinâmica química é o ponto de referência." Para CO e o CO 2 C (s) + O 2 (g) CO 2 (g) C (s) + ½ O 2 (g) CO (g) A "formação" de CO e CO 2 a partir de seus elementos constituintes em seus estados padrão em condições habituais.

21 3.1- Reação de formação Para a formação de 1,0 mol de Na 2 SO 3 (s) 2 Na(s) + S(s) + 3/2 O 2 (g) Na 2 SO 3 (s) A entalpia de formação "de Na 2 SO 3 (s), simbolizado por f H [Na 2 SO 3 (s)]

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23 Condições Padrão de reações termodinâmicas O sinal de grau, seja ou, indica condições normais P = 1,00 atm [espécies aquosas] = 1,00 mol/l T = temperatura do interesse (nota: 25 C ou 298 K é usado nas tabelas nos textos. Estado alotrópico mais estável.

24 Importância da entalpia de formação f H é uma quantidade mensurável! Compare CO (g) com CO 2 (g) C (s) + 1/2 O 2 (g) CO (g) f H [CO(g)] = -110,5 kj/mol C (s) + O 2 (g) CO 2 (g) f H [CO 2 (g)] = - 393,5 kj/mol A entalpia de formação para o CO 2(g) é maior do que a entalpia formação de CO (g).

25 Entalpias (calores)) de reações Entalpias de formação - ponto de referência termodinâmica. Formação dos elementos e substâncias simples é uma reação nula f H (elementos) = 0 kj / mol.

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27 Lei de Hess Lei de Hess: Quando reagentes são convertidos em produtos, a variação da entalpia é o mesmo se a reação tem lugar em um passo/etapa ou de uma série de etapas. Entalpia é uma função de estado. Não importa como você chegar lá, apenas quando você começa e termina.

28 Calcular a entalpia padrão de formação de CS2 (l), sendo dados: C(grafite) + O 2 (g) CO 2 (g) H 0 = kj f S(rombico) + O 2 (g) SO 2 (g) H 0 = kj f CS 2 (l) + 3O 2 (g) CO 2 (g) + 2SO 2 (g) H 0 = kj

29 Combustão de Propano Entalpia de formação do C 3 H 8(g) : 3C grafite + 4H 2(g) C 3 H 8(g) Hºf= -103,85kJ Entalpia de formação do CO 2(g) : Hºf= - 393,5 kj Entalpia de formação da H 2 O (l) : Hºf= - 285,8 kj Combustão de Propano C 3 H 8(g) : C 3 H 8 (g) + 5 O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O (l) H=?

30 Equação geral Calcule mudanças de entalpia das entalpias de formação, como segue H n H products n H reactants r p f -Inverter uma reação, o sinal da variação de entalpia para a reação é invertida. -Multiplicar uma reação por um número inteiro, a variação de entalpia é multiplicado pelo mesmo número inteiro. r f

31 Outras importantes mudanças as de entalpia Muitos outros processos importantes estão associado a mudanças de entalpia. A medição das mudanças de calor para esse processo pode nos dar alguns conhecimentos sobre as mudanças nas forças intermoleculares que ocorrem durante a transformação.

32 Entalpia (Energia)) de ligação Olhe para o seguinte processo. NaCl (s) Na + (g) + Cl - (g) H = H lig. = +788 kj/mol Energia de ligação Na + (g) + Cl - (g) H 2 O H = -784 kj/mol Na + (aq) + Cl - (aq) A 1ª é uma reação muito endotérmica, devido à força da ligação iônica!

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36 3.2- Calor de dissolução ão. dissol H = o calor absorvido ou emitido quando uma quantidade de soluto (1mol) é dissolvido numa quantidade grande de solvente. NaCl (s) + H 2 O Na + (aq) + Cl - (aq) H = + 4 kj/mol

37 3.3- Calor de diluição Para o processo, HCl (aq, 6 M) HCl (aq, 1 M). Uma quantidade significativa de calor é libertado quando a solução de ácido é diluída. Esta é a entalpia de diluição do ácido. dil H= H(sol2) H(sol,1)

38 3.4-Calor latente Calor Latente são as mudanças de entalpia associados com as transições de fase. H 2 O (l) H 2 O (g) r H= vap H entalpia de vaporização H 2 O (s) H 2 O (l) r H= fus H entalpia de fusão. H 2 O (s) H 2 O (g) r H= sub H entalpia de sublimação.

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40 4- Alimentos e combustíveis A maioria das reações químicas que produzem calor são reações de combustão. Nota - todas as reações de combustão são exotérmicas. Valores de combustível são geralmente relatados como quantidades positivas. Obtendo valores dos combustíveis calorimetria.

41 4.1- Calorias, calorias dos alimentos, e kj Quando lemos as nossas caixas de cereais, podemos ver o seguinte 1 porção cereal = 30 g cereal = 132 cal (490 kj). Não é 1 caloria = 4,184 J (não 4184 kj)? Os valores de combustível de alimentos são relatados como calorias alimentares (cal). 1,00 teor calórico dos alimentos = 1000 calorias térmicas (cal) = 4184 J = 4,184 kj.

42 4.2- Combustão de carboidratos e gorduras A maior parte das necessidades energéticas do nosso corpo vem da queima de açúcar e gorduras. Para a glicose (açúcar no sangue) de combustão C 6 H 12 O 6 (s) + 6O 2 (g) 6 CO 2 (g) +6H 2 O(l) r H = kj Esta energia é fornecida rapidamente para o corpo! Valor médio de combustível de carboidratos = 17 kj/g.

43 4.3- Gorduras A combustão (metabolismo) de gorduras também produz CO 2 e H 2 O. A combustão de triestearina C 57 H 110 O 6 (s) +163/2 O 2 (g) 57 CO 2 (g) + 55 H 2 O (l). r H = x 10 4 kj

44 Valor de energético de Gorduras As gorduras são reservas de energia do corpo! Insolúvel em água. Valor médio de energia = 38 kj/g cerca de duas vezes a dos hidratos de carbono.

45 4.4- Conteúdo calórico Para as proteínas - valor médio do combustível = 17 kj / g, aproximadamente o mesmo valor que para os hidratos de carbono. As quantidades relativas de proteínas, gorduras e hidratos de carbono em alimentos determina o teor calórico.

46 4.5- Combustíveis Fósseis Carvão, petróleo e gás natural são conhecidos como combustíveis fósseis. Eles são coletivamente a principal fonte de energia para o consumo comercial e pessoal. Os combustíveis fósseis são misturas de vários tipos diferentes de compostos orgânicos. Os valores de combustível de combustíveis fósseis está diretamente relacionada com a quantidade de carbono e hidrogênio no combustível.

47 4.5- Hidrogênio como combustível O hidrogênio tem um valor de combustível enorme (142 kj/g). O produto da combustão é inócuo - a água. Obviamente, existem problemas! Duas grandes dificuldades com H 2 como uma fonte de combustível Onde é que vamos obter o hidrogênio? Como podemos armazenar o hidrogênio?