Termoquímica Entalpia e Lei de Hess

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1 Química Geral e Inorgânica QGI0001 Eng a. de Produção e Sistemas Prof a. Dr a. Carla Dalmolin Termoquímica Entalpia e Lei de Hess

2 Sistemas a Pressão Constante Quando o volume do sistema não é constante, a transferência de calor gera também um trabalho compressão / expansão Energia transferida sob a forma de calor ΔU = q P + w ΔU = q p P ext ΔV q p = ΔU + P ext ΔV q p = ΔU + PΔV Trabalho de expansão a P constante ΔH Variação de entalpia A variação da entalpia é o calor liberado / absorvido por um sistema à pressão constante

3 ΔH e Calor Quando H é positivo, o sistema ganha calor da vizinhança. Quando H é negativo, o sistema libera calor para a vizinhança.

4 Entalpia e Entalpia molar A entalpia é uma propriedade extensiva. A ordem de grandeza do H é 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 = kj A entalpia molar é uma propriedade intensiva: CO 2 (g) + 2H 2 O(l) CH 4 (g) + 2O 2 (g) H = +890 kj / mol 1 mol de CO 2 absorve 890 kj de calor 2 mol de H 2 O absorve 890 kj de calor etc...

5 Entalpia, H Entalpia como Função de Estado Por ser uma função de estado, o módulo da entalpia de uma transformação é igual independente do sentido. O sinal + ou menos indica o sentido da transformação. Quando invertemos uma reação, alteramos o sinal do H: CO 2 (g) + 2H 2 O(l) CH 4 (g) + 2O 2 (g) CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) H = +890 kj H = -890 kj CH 4 (g) + 2 O 2 (g) H = +890 kj H = -890 kj CO 2 (g) + 2 H 2 O(l)

6 Lei de Hess A entalpia total da reação é a soma das entalpias de reação das etapas em que a reação pode ser dividida. Oxidação do Carbono: C (gr) + O 2(g) CO 2(g) C (gr) + ½ O 2(g) CO (g) + ½O 2(g) CO (g) CO 2(g) ΔH 0 = -110,5 kj ΔH 0 = -283,0 kj C (gr) + O 2(g) CO 2(g) ΔH 0 = -393,5 kj

7 Transformações de Fase Processos Endotérmicos fusão vaporização SÓLIDO LÍQUIDO GASOSO solidificação liquefação Processos Exotérmicos

8 Transformações de Fase ΔH processo direto = - ΔH processo inverso ΔH 1+2 = ΔH 1 + ΔH 2 ΔH < 0: processo exotérmico ΔH > 0: processo endotérmico

9 Entalpia Padrão Estado de referência, de valor arbitrário, utilizado para facilitar os cálculos de energia interna e entalpia. Os elementos químicos, em sua forma alotrópica mais estável, a pressão de 1 bar (~ 1 atm) e temperatura de 298 K (25 o C), têm valores nulos de energia interna e entalpia. Entalpia padrão de formação: 2 C (gr) + 3 H 2(g) + ½ O 2(g) C 2 H 5 OH (l) ΔH f 0 = -277,69 kj Indica o tipo de reação Indica que reagentes e produtos estão no estado padrão

10 Termoquímica Utilização de entalpias de formação e da Lei de Hess para o cálculo de entalpias de reação Utilizamos a lei de Hess para calcular as entalpias de uma reação a partir das entalpias de formação: Entalpias de reação ( H r ): H r = n H f (produtos) - m H f (reagentes)

11 Entalpias de Formação Considere a combustão do gás propano, C 3 H 8 (g) com oxigênio para formar CO 2 (g) e H 2 O(l) sob condições padrão: 3C (s) + 4H 2(g) C 3 H 8(g) H 1 = H f (C 3 H 8(g) ) 3C (g) + 3O 2(g) 3CO 2(g) H 2 = 3 H f (3CO 2(g) ) 4H 2(g) + 2O 2(g) 4H 2 O (l) H 3 = 4 H f (4H 2 O (l) ) C 3 H 8(g) + 5O 2(g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O (l) H r = H 1 + H 2 + H 3 H r = - H 1 + H 2 + H 3

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13 Uso da Lei de Hess O propano (C 3 H 8 ) é um gás utilizado como combustível de lampiões em acampamentos. A reação de formação deste gás a partir de seus elementos pode ser escrita como: 3 C (gr) + 4 H 2(g) C 3 H 8(g) É difícil medir a variação de entalpia desta reação. Entretanto, as entalpias de combustão são mais fáceis de medir. Assim, a partir dos dados experimentais apresentados abaixo, calcule a entalpia de formação do propano. C 3 H 8(g) + 5 O 2(g) C (gr) + O 2(g) H 2(g) + ½ O 2(g) 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (l) CO 2(g) H 2 O (l) ΔH c 0 = kj ΔH c 0 = -394 kj ΔH c 0 = -286 kj

14 Resolução ETAPA 1: Procurar uma reação que envolva o grafite como reagente: 3 C (gr) + 3 O 2(g) 3 CO 2(g) ΔH 0 = 3 (-394) = kj ETAPA 2: Procurar uma reação que envolva o propano e escrevê-la no sentido da formação deste gás como produto da reação: 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (l) C 3 H 8(g) + 5 O 2(g) ΔH 0 = kj ETAPA 3: Somar as duas equações e simplificá-las: 3 C (gr) + 3 O 2(g) + 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (l) 3 CO 2(g) + C 3 H 8(g) + 5 O 2(g) 3 C (gr) + 4 H 2 O (l) C 3 H 8(g) + 2 O 2(g) ΔH 0 = kj

15 Resolução ETAPA 4: Para cancelar o reagente H 2 O e o produto O 2, utilizar uma equação que contenha estes compostos como produto e reagente, respectivamente: 3 C (gr) + 4 H 2 O (l) C 3 H 8(g) + 2 O 2(g) 4 H 2(g) + 2 O 2(g) 4 H 2 O (l) ΔH 0 = kj ΔH 0 = 4 (-286) = kj ETAPA 5: Somar as reações acima e simplificar a reação resultante para chegar na reação de interesse (formação do gás propano): 3 C (gr) + 4 H 2 O (l) + 4 H 2(g) + 2 O 2(g) C 3 H 8(g) + 2 O 2(g) + 4 H 2 O (l) 3 C (gr) + 4 H 2(g) C 3 H 8(g) ΔH 0 = -106 kj

16 Calor Liberado nas Reações Entalpia padrão de combustão (ΔH c0 ): Variação de entalpia por mol de uma substância que é queimada em uma reação de combustão nas condições padrão. Reações de combustão: Queima de combustíveis fósseis: carvão, petróleo, gás natural produz energia para movimentar um motor, ou para aquecimento. Queima de alimentos produz energia que mantém os seres vivos. Compostos orgânicos CO 2 + H 2 O + C (combustão incompleta) Presença de elementos inorgânicos N 2, NO x, SO x, etc.

17 Escolha de um Combustível Que quantidade de propano deve-se levar num acampamento? Existe uma alternativa de combustível mais leve com o mesmo poder calorífico? 1) Calcular a massa de propano necessária para obter, por combustão, 350 kj de calor. (energia necessária para aquecer 1L de água a partir da temperatura ambiente até a sua ebulição) C 3 H 8(g) + 5 O 2(g) 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (l) ΔH c 0 = kj/mol 2) Calcular a massa de butano que deve ser queimada para fornecer os mesmos 350 kj de calor. Seria mais fácil carregar propano ou butano? 2 C 4 H 10(g) + 13 O 2(g) 8 CO 2(g) + 10 H 2 O (l) ΔH c 0 = kj/mol 3) O álcool em gel (etanol) é outro combustível também utilizado em acampamentos. Qual a massa de etanol que deve ser queimada nas mesmas condições? C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2(g) 2 CO 2(g) + 3 H 2 O (l) ΔH c 0 = kj/mol