TERMOQUÍMICA. O que é o CALOR? Energia térmica em transito

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1 TERMOQUÍMICA Termoquímica PROF. Prof. DAVID David

2 TERMOQUÍMICA O que é o CALOR? Energia térmica em transito

3 TERMOQUÍMICA Estuda as quantidades de calor liberadas ou absorvidas durante as reações químicas Não há reação química que ocorra sem variação de energia! A energia é conservativa. Não pode ser criada ou destruída. Apenas transformada!

4 O conteúdo de energia armazenado, principalmente na forma de ligações é chamado de: ENTALPIA (enthalpein, do grego = calor) Simbolizado por H (heat). H = ΣH p - ΣH R

5 Qual a diferença entre temperatura e calor? A temperatura de um corpo não depende da sua massa O calor depende da massa do corpo

6 Como pode ser medido o calor de reação? Para reações em meio aquoso utiliza-se um calorímetro, que nada mais é do que uma garrafa térmica (figura 1). Para reações de combustão utiliza-se uma bomba calorimétrica (figura 2). figura 1 - calorímetro figura 2 - bomba calorimétrica Nos dois casos o calor é transferido para uma massa de água e obtido a partir da expressão Q = m. c. T

7 AS UNIDADES DE ENERGIA As duas principais unidades de medida para energia são a caloria (cal) e o joule (J). IUPAC: joule (J) Conversão: 1 cal = 4,184 J 1 kcal = 4,184 kj

8 Ex: Transforme 105 cal em J: 1 cal 4,184 J 105 cal x x = 439,3 J Transforme 80 kj em kcal: 1 kcal 4,184 kj y 80 kj y = 19,1 kcal

9 Pirâmide alimentar Cardápio balanceado: cerca de 55% de carboidratos, 30% de lipídeos e 15% de proteína, além das vitaminas, sais minerais e fibras.

10 De acordo com pesquisa em tabela de valores nutricionais de alimentos, apresentamos os dados a seguir: Alimento Quantidade aproximada Valor energético * Pão de fôrma fatiado 50 g (2 fatias) 141 kcal = 590 kj Margarina 10 g (1 colher de sopa) 59 kcal = 247 kj Macarrão instantâneo com tempero de carne e tomate Pipoca sem tempero 110 g (1 prato raso) 475 kcal = 1989 kj 25 g (1/4 xícara de chá de milho de pipoca) 78 kcal = 327 kj Biscoito recheado de morango 30 g (2,5 unidades) 145 kcal = 607 kj Biscoito integral, salgado, com gergelin 30 g (9 unidades) 136 kcal = 569 kj Feijão preto 75 g (1/2 xícara de chá) 257 kcal = 1076 kj Leite condensado 30 g (2 colheres de sopa) 102 kcal = 427 kj Doce de ameixa cremoso em pasta 20 g (2 colheres de sopa) 50 kcal = 209 kj *1cal = 4,1868 J

11 Com base na tabela anterior, responda: 1. Qual o alimento que libera a maior quantidade de energia por grama? E qual libera a menor quantidade de energia? Pão de fôrma: 141 kcal / 50 g = 2,82 kcal/g Margarina: 59 kcal / 10 g = 5,9 kcal/g Macarrão instantâneo: 475 kcal / 110 g = 4,32 kcal/g Pipoca: 78 kcal / 25 g = 3,12 kcal/g Biscoito de morango: 145 kcal / 30 g = 4,83 kcal/g Biscoito salgado: 136 kcal / 30 g = 4,53 kcal/g Feijão preto: 257 kcal / 75 g = 3,43 kcal/g Leite condensado: 102 kcal / 30 g = 3,40 kcal/g Doce de ameixa: 50 kcal / 20 g = 2,5 kcal/g

12 2. O Professor Rausson, no café da manhã, ingeriu a seguinte refeição: 1 fatia de pão de fôrma com 2 g de margarina 5 biscoitos recheados de morango 3 biscoitos com 10 g de doce de ameixa 1 copo de leite com chocolate em pó. Considerando-se que o valor energético de 1 copo de leite com chocolate em pó é 815 kj, qual será a quantidade energética ingerida por Rausson durante o café da manhã?

13 1 fatia de pão: 25 g 295,0 kj 2 g margarina: 49,4 kj 5 biscoitos de morango: 60 g 1214,0 kj 3 biscoitos integrais: 10 g 189,7 kj 10 g doce ameixa: 104,5 kj 1 copo leite c/ chocolate: 815,0 kj 2667,6 kj

14 TERMOQUÍMICA Classificação das reações termoquímicas Em função da energia envolvida as reações podem ser de dois tipos: I - Exotérmicas: liberam energia. processos de combustão, respiração animal. II - Endotérmicas: absorvem energia. fotossíntese, cozimento dos alimentos.

15 Diagramas de Energia Representa graficamente a variação da entalpia de uma transformação Diagrama para reações: Endotérmicas Exotérmicas H > 0 (+) H < 0 (-)

16 Representações gráficas (1) Combustão do etanol - exotérmica H 2 < H 1 CALOR LIBERADO H = H 2 - H 1 H < 0

17 REAÇÃO EXOTÉRMICA

18 Representações gráficas (2) Fotossíntese - endotérmica CALOR ABSORVIDO H 2 > H 1 H = H 2 - H 1 H > 0

19 REAÇÃO ENDOTÉRMICA

20 Equações termoquímicas (requisitos) 1. Equação química ajustada. 2. Indicação dos estados físicos e alotrópicos (quando for o caso) dos componentes. 3. Indicação da entalpia molar, isto é, por mol de produto formado ou reagente consumido. 4. Indicação das condições de pressão e temperatura em que foi medido o H. H 0 Entalpia padrão: medida à 25 0 C e 1 atm.

21 Estados alotrópicos mais comuns Carbono Grafite Diamante Enxofre Rômbico Monoclínico Rômbico e monoclínico = formas diferentes de cristalização

22 Estados alotrópicos mais comuns Fósforo Branco Vermelho Oxigênio O 2 O 3 (ozônio)

23 Tipos de Entalpias ou Calores de Reação 1. Entalpia ou Calor de Formação. 2. Entalpia ou Calor de Decomposição. 3. Entalpia de Combustão. 4. Entalpia de Dissolução. 5. Entalpia de Neutralização. 6. Entalpia ou Energia de Ligação.

24 Entalpia de Formação ( H f ) Corresponde à energia envolvida na formação de um mol de substância a partir de substâncias simples, no estado alotrópico mais comum. Exemplos H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (l) H f = - 285,5 kj/mol C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) H f = - 393,3 kj/mol 1/2 N 2(g) + 1/2 O 2(g) NO (g) H f = + 45,9 kj/mol Entalpia de formação de substâncias simples é nula!

25 Entalpia de Decomposição Pode ser considerada como a entalpia inversa à de formação de uma substância. H 2 O (l) H 2(g) + 1/2 O 2(g) CO 2(g) C (grafite) + O 2(g) Exemplos H = + 285,5 kj/mol H = + 393,3 kj/mol NO (g) 1/2 N 2(g) + 1/2 O 2(g) H = - 45,9 kj/mol Observe que ao inverter a equação a variação de entalpia troca de sinal algébrico!

26 Entalpia de Combustão Corresponde à energia liberada na reação de 1 mol de substância (combustível) com O 2 puro (comburente). Se o combustível for material orgânico (C,H e O) a combustão pode ser de dois tipos: I - Completa: os produtos são CO 2 e H 2 O. II - Incompleta: além dos produtos acima forma-se, também, CO e/ou C (fuligem).

27 Entalpia de Combustão Combustão completa CHAMA AZUL CH 4 + 2O 2 CO 2 + H 2 O H = - 889,5 kj/mol C 3 H 8 + 5O 2 3CO 2 + 4H 2 O H = kj/mol Na combustão incompleta a chama é alaranjada. A combustão do C também é a formação do CO 2!

28 Entalpia de Dissolução Corresponde ao calor liberado ou absorvido na dissolução (às vezes seguida de dissociação) de 1 mol de substância de tal modo que pela adição de quantidades crescentes de água, seja alcançado um limite a partir do qual não há mais liberação ou absorção de calor. Exemplos H 2 SO 4(l) + aq (2 mols) H 2 SO 4(aq) H 2 SO 4(l) + aq (100 mols) H 2 SO 4(aq) NH 4 NO 3(s) + aq NH 4+ NO 3 - (aq) H = - 28,0 kj/mol H = - 84,4 kj/mol H = + 26,3kJ/mol

29 Entalpia de Neutralização Corresponde ao calor liberado na formação de 1 mol de água, a partir da neutralização de 1 mol de íons H + por 1 mol de íons OH -, em solução aquosa diluída. Exemplos HCl + NaOH NaCl + H 2 O H - 58,0 kj/mol HNO 3 + KOH KNO 3 + H 2 O H - 58,0 kj/mol Na reação de ácidos fortes com bases fortes a variação de entalpia é aproximadamente constante pois a reação é sempre: H + + OH - H 2 O!

30 Entalpia ou Energia de Ligação É a quantidade de calor absorvida na quebra de 6, ligações de determinada espécie,supondo as substâncias no estado gasoso, à 25 0 C. A quebra de ligações é sempre um processo endotérmico enquanto a formação de ligações será sempre exotérmico. Nos reagentes sempre ocorrerá quebra de ligações ( H > 0) e nos produtos ocorrerá formação de ligações ( H < 0).

31 Exemplos de Energias de ligação

32 Cálculo de entalpia a partir das ligações Calcular a variação de entalpia na reação: 2 H - H (g) + O = O (g) 2 H - O - H (g) H reagentes = , ,8 = ,8 kj H produtos = - (4. 462,3) = ,2 kj A variação de entalpia da reação será obtida pela soma algébrica das entalpias acima: H reação = H reagentes + H produtos H reação = ,8 + ( ,2) H reação = - 480,4 kj ou - 240,2 kj/mol

33 Lei de Hess A Lei de Hess, também conhecida como Lei da Soma dos Calores de Reação, demonstra que a variação de entalpia de uma reação química não depende do modo ou caminho como a mesma é realizada e sim do estado inicial (reagentes) e estado final (produtos).

34 Lei de Hess A Lei de Hess pode ser demonstrada a partir do seguinte exemplo: Caminho 1 C (graf.) + O 2(g) CO 2(g) H 1 = - 393,4 kj Caminho 2 C (graf.) + ½ O 2(g) CO (g) CO (g) + ½ O 2(g) CO 2(g) H 2 = - 280,6 kj H 3 = - 112,8 kj Somando as duas equações resulta: C (graf.) + O 2(g) CO 2(g) H 1 = - 393,4 kj A entalpia final será H 2 + H 3

35 Exemplo Calcular a variação de entalpia envolvida na combustão de 1 mol de CH 4 (g), expressa por: CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (l) sabendo que: 1) H formação CH 4(g) = - 74,82 kj/mol 2) H formação CO 2(g) = - 393,4 kj/mol 3) H formação H 2 O (l) = - 285,5 kj/mol

36 Solução Desenvolvendo as equações relativas à formação dos componentes: 1. formação do CH 4 C + 2 H 2 CH 4 H 1 = - 74,82 kj/mol 2. formação do CO 2 C + O 2 CO 2 H 2 = - 393,4 kj/mol 3. formação da H 2 O H 2 + ½ O 2 H 2 O H 3 = - 285,5 kj/mol

37 Solução Aplicando a Lei de Hess, para obter a combustão do CH 4 deveremos: a) inverter a equação de formação do CH 4 ; CH 4 C + 2H 2 H = + 74,82 kj b) utilizar da forma apresentada a equação de formação do CO 2 ; C + O 2 CO 2 H = - 393,4 kj c) utilizar a equação de formação da água multiplicada por 2 (inclusive a entalpia) 2H 2 + O 2 2H 2 O H = - 571,0 kj

38 Solução 1) CH 4 C + 2H 2 H = + 74,82 kj 2) C + O 2 CO 2 H = - 393,4 kj 3) 2H 2 + O 2 2H 2 O H = - 571,0 kj que somadas, resulta CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (l) A variação da entalpia será: H RQ = + 74,82 + (- 393,4) +(- 571,0) H RQ = - 889,58 kj/mol de CH 4

39 Aplicações da Lei de Hess 1. Previsão de calores de reação, a partir de entalpias conhecidas. 2. Determinação do poder calorífico de combustíveis automotivos e alimentos. Exemplos: Octano (gasolina) = 47,8 kjoule/grama Etanol (álcool comum) = 44,7 kjoule/grama Metano (GNV) = 49,0 kjoule/grama Glicose (carbohidrato) = 17,5 kjoule/grama Lipídio (gorduras) = 38,6 kjoule/grama

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