Termoquímica. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Transcrição

1 Termoquímica 1

2 História A sociedade é movida a energia e a invenção da máquina a vapor contribuiu decisivamente na Revolução Industrial, que levou ao aumento da produtividade e diminuição da influência sazonal sobre a produtividade(épocas de seca e chuvas). 2

3 História Trabalho: movimento das pás. H 2 O(g) calor Expansão da água Líquido -> gás Uma máquina à vapor não cria energia, utiliza o vapor para transformar a energia calorífica liberada pela queima de combustível em movimento de rotação e movimento alternado de vaivém, afim de realizar trabalho. 3

4 História A termodinâmica surgiu pela necessidade de aumentar o rendimento das máquinas a vapor. Perda de calor! Fig. 1 -Esquema de uma máquina térmica. 4

5 História Termodinânica: Estudo da energia e suas transformações. Termoquímica: Estudo das reações químicas e suas variações e transformações de energia. Ex: energia a partir de combustíveis fósseis Ex: energia a partir de biomassa Ex: energia advinda de reações químicas como nas bateriais Ex: Degradação do alimento por nosso corpo para geração de energia. 5

6 A natureza da energia Sistema e vizinhanças Sistema: é a parte do universo na qual estamos interessados. em acompanhar a conversão da energia. Vizinhança: é o resto do universo. sistema vizinhança Sistema aberto Sistema fechado Sistema isolado universo 6

7 A natureza da energia Sistema aberto Sistema fechado Sistema isolado Motores de automóveis Bolsas de térmicas Corpo humano Garrafa térmica (aproximadamente) Em termodinâmica, o universo é formado por um sistema e sua vizinhança. 7

8 Transferência da Energia A transferência de energia: trabalho e calor Força é uma tração ou uma compressão exercida em um objeto. A energia utilizada para mover um objeto numa distância (d) contra uma força (F) é chamada de trabalho. W = F. d sistema sistema vizinhança vizinhança universo universo 8

9 Transferência da Energia sistema sistema vizinhança vizinhança universo Ao realizarmos trabalho, nossa energia é transmitida para a vizinhança. universo Ao nos alimentarmos, recebemos energia da vizinhança. 9

10 Transferência da Energia Exemplosde trabalho: 1) bateria (reação química)realiza trabalho quando empurra uma corrente elétrica em um circuito. 2) mistura de gases quentes de um motor de automóvel empurram um pistão, realizando trabalho. 10

11 Transferência da Energia Outramaneirade transferirenergiaentre sistemae vizinhança é através do Calor(q) é a transferência de energia entre doisobjetosqueestãoa temperaturasdiferentes. Calor é uma energia em trânsito que causa alteração da energiainternados corpos. Nãose dizqueum corpotem calor, ele tem energia. 11

12 1 a Lei da Termodinâmica sistema W, q vizinhança universo O sistema e a vizinhança podem trocar calor e trabalho alterando a energia interna do sistema e da vizinhança. No entanto, a energia total do universo permanece inalterada. 1 a Lei da Termodinânica: A energia não pode ser criada ou destruída E = q + w Não existem máquinas de movimento perpétuo! Ou seja, não é possível gerar trabalho sem usar combustível. 12

13 1 a Lei da Termodinâmica A 1ª Lei da termodinâmica nos diz que a energia não é criada nem destruída, portanto, a energia do universo é constante. Entretanto, a energia pode ser transferida de uma parte para outra do universo. Para estudar termodinâmica é necessário isolar partes do universo (sistema) do restante do universo (vizinhança). Classificação Máquinas automotivas Fornos Hidroelétricas Solar Nuclear Baterias Alimentos Fotossíntese Conversão da energia Química/Cinética (deslocamento) Química/Calor Potencial Gravitacional/Elétrica Óptica/Elétrica Potencial atômica/calor, cinética, ótica Química/Elétrica Química/calor, cinética Óptica/ Química 13

14 A natureza da energia Unidades de energia A unidadesi paraenergiaé o joule, J. Algumas vezes utilizamos a caloria em vez do joule: 1 cal = 4,184 J (exatos) 1 cal é a quantidadede calornecessáriaparaelevara temperaturade 1g de águaem1 o C. 14

15 A primeira lei da termodinâmica Energia interna Energia interna: é a soma de toda a energia cinética e potencial de todos os componentes de um sistema. Em uma reação química por exemplo, a energia interna inclui os deslocamentos das moléculas pelo espaço, suas rotações e vibrações internas, energia do núcleo de cada átomo e dos elétrons, etc. Não se pode medir a energia interna absoluta. Em função disso, busca-se determinar a variação da energia interna E = E f -E i 15

16 A primeira lei da termodinâmica Quando um sistema sofre qualquer mudança física ou química, a variação obtida em sua energia interna, E, é dada pelo calor adicionado ou liberado pelo sistema, q, mais o trabalho, w, realizado pelo ou no sistema 16

17 Convenção de sinais 17

18 A primeira lei da termodinâmica Exercício: Os gases hidrogênio e oxigênio, confinados em um cilindro fechado com um êmbolo móvel, são queimados. Enquanto a reação ocorre, o sistema perde J de calor para a vizinhança. A reação faz também com que o êmbolo suba à medida que os gases quentes se expandem. O gás em expansão realiza 480 J de trabalho na vizinhança à medida que pressiona a atmosfera. Qual é a mudança na energia interna do sistema? 18

19 A primeira lei da termodinâmica Funções de estado Função de estado: depende somente dos estados inicial e final do sistema, e não de como o atual sistema foi atingido 19

20 Funções de estado 20

21 Entalpia As reações químicas podem absorver ou liberar calor. No entanto, elas também podem provocar a realização de trabalho. Porexemplo, quandoum gásé produzido, elepodeser utilizadoparaempurrarum pistão, realizando, assim, trabalho. Zn(s) + 2H + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2 (g) O trabalhorealizadopelareaçãoacimaé denominadotrabalhode pressão-volume. 21

22 Entalpia Processos endotérmicos e exotérmicos Endotérmico: absorve calor da vizinhança. Exotérmico: transfere calor para a vizinhança. ( H <0, NEGATIVO) Uma reação endotérmica mostra-se fria. Uma reação exotérmica mostra-se quente. 2 Al (s) + Fe 2 O 3 (s) Al 2 O 3 (s) + 2 Fe (s) 22

23 Entalpia 23

24 Entalpia Entalpia, H: é o calor transferido entre o sistema e a vizinhança realizado sob pressão constante. Entalpia é uma função de estado. Quando H é positivo, o sistema ganha calor da vizinhança- ENDOTÉRMICO Quando H é negativo, o sistema libera calor para a vizinhança- EXOTÉRMICO H = E + PV E = q v H = q p 24

25 Entalpia Exercício: Calcule o trabalho realizado por 50g de ferro que reage com ácido clorídrico em: (a) Um recipiente fechado de volume fixo; (b) Em um beckera 25 o C. 25

26 Entalpia 26

27 Entalpias de reação A variação da entalpia de uma reação química é dada por: H = H(produtos) - H(reagentes) A entalpia é uma propriedade extensiva(a ordem de grandeza do Hé diretamente proporcional à quantidade): CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) H= -890 kj 2CH 4 (g) + 4O 2 (g) 2CO 2 (g) + 4H 2 O(g) H= 1780 kj Quando invertemos uma reação, alteramos o sinal do H: CO 2 (g) + 2H 2 O(l) CH 4 (g) + 2O 2 (g) H= +890 kj A variação na entalpia depende do estado: H 2 O(g) H 2 O(l) H= -88 kj 27

28 Lei de Hess A lei de Hess: se uma reação é executada em uma série de etapas, o Hpara a reação será igual à soma das variações de entalpia para as etapas individuais. Por exemplo: CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) H= -802 kj 2H 2 O(g) 2H 2 O(l) H= -88 kj CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) H= -890 kj 28

29 Lei de Hess Exercício: Quais são os possíveis caminhos químicos para gerar CO 2 e água a partir de metano? Qual o valor de H final? 29

30 Lei de Hess Observe que: H 1 = H 2 + H 3 30

31 Lei de Hess Exercício: A entalpia de combustão de C em CO 2 é -393,5 kj/mol de C, e a entalpia de combustão de CO em CO 2 é -283 kj/mol de CO. Utilizando estes dados, calcule a entalpia de combustão de C para CO: (1) C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) H= -393,5 kj (2) CO(g) + 1/2O 2 (g) CO 2 (g) H = -283,0 kj Quando a queima do carbono não é total, gera-se intermediários como o CO(g): C(s) + ½O 2 (g) CO(g) H =????? H 2 O(g) carvão 31

32 Lei de Hess Composição geral de diferentes tipos de carvão 32

33 Entalpias de formação A equação que representa a formação de uma substância na condição padrão é obtida por meio de seus elementos constituintes (substâncias simples) na forma mais estável a 298,15 K e 1 atm. 6C(gr) + 6H 2 (g) + 3O 2 (g) C 6 H 12 O 6 (s) H fo = kj/mol H reagentes H produtos H fo = H produtos -H reagentes Se existemaisde um estadoparaumasubstânciasob condiçõespadrão, o estadomais estável é utilizado. A entalpiapadrãode formaçãodaforma maisestávelde um elementoé zero. 33

34 Entalpias de formação Se 1 mol de composto é formado a partir de seus elementos constituintes, a variação deentalpiaparaareaçãoédenominadaentalpiadeformação, H o f. f Condiçõespadrão(estadopadrão):1atme25 o C(298K). Aentalpiapadrão, H o,éaentalpiamedidaquandotudoestáemseuestadopadrão. Entalpia padrão de formação: 1 mol de composto é formado a partir de substâncias em seus estados padrão. Pode-se determinar H o fusão, H o diss, H o reação, H o f, 34

35 Entalpias de formação 35

36 Entalpias de formação 36

37 Entalpias de mudança de estado físico O calor necessário para mudar o estado físico de uma substância é conhecido como: Entalpia de fusão H fus ; Entalpia de vaporização H vap ; Para água: Entalpia de fusão H fus = 333 J/g Entalpia de vaporização H vap = J/g vap 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? 37

38 Calorimetria Como determinar o valor da entalpia??? H = q p Quando calor flui para dentro ou para fora de um sistema (reação química), a temperatura do sistema varia. sistema q vizinhança universo Temperatura!! Maneira de detectar o fluxo do calor Calorimetria Calorímetro (instrumento) 38

39 Calorimetria Calorimetria a pressão constante As paredes não perdem ou ganham calor; O calor não escapa do calorímetro; O calor dispendido pela reação é obtido pela solução, onde se mede a temperatura. A variação de temperatura ocorrida em um objeto quando ele absorve certa quantidade de energia é determinada por sua capacidade calorífica T 39

40 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 Isopor / Ferro Capacidade calorífica= quantidade de calor transferido massa(g). Variação da temperatura Experimentalmente: São necessários 209J para aumentar a temperatura de 50 g de água em 1K. 40

41 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. 41

42 Calorimetria 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? 42

43 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 43

44 Calorimetria Exercício: Quando um aluno mistura 50mL de 1,0 mol/l de HCl e 50 ml de 1,0 mol/l de NaOH em um calorímetro de copo de isopor, a temperatura da solução resultante aumenta 21 o C para 27,5 o C. Calcule a variação da entalpia para a reação de neutralização, supondo que o calorímetro pede apenas uma quantidade desprezível de calor, que o volume total da solução é 100mL, que sua densidade é 1,0 g/ml e que seu calor específico é 4,18 J/g K. 44

45 Calorimetria Bomba calorimétrica (calorimetria de volume constante) Conhecendo C cal, determina-se q r q r = -C cal x T 45