Termoquímica. Prof. Leandro Zatta

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1 Termoquímica Prof. Leandro Zatta

2 Objetivos Definir trabalho e calor utilizando convenções padrões de sinais. Definir funções de estado e explicar sua importância. Listar a primeira lei da termodinâmica em palavras e como equação. Usar dados calorimétricos para obter valores de E e H para reações químicas.

3 Objetivos Definir H fo e escrever reações de formação para compostos. Explicar a lei de Hess com suas próprias palavras. Calcular H o para reações químicas a partir de dados tabelados.

4 Energia é a capacidade de realizar trabalho. Energia Radiante originada pelo sol e é a fonte de energia primária na Terra Energia Térmica é a energia associada ao movimento randômico dos átomos e moléculas Energia Química é a energia armazenada nas ligações das substâncias químicas Energia Nuclear é a energia armazenada em uma coleção de nêutrons e prótons em um átomo Energia potencial é a energia disponível em virtude do deslocamento de um objeto 4

5 Mudanças de energia em reações químicas Todo fluxo de energia se dá na forma de calor ou trabalho Calor é a transferência da energia térmica entre dois corpos que estão com temperatura diferente Temperatura é a medida da energia térmica. Temperatura = energia térmica 5

6 Mudanças de energia em reações químicas Trabalho é a transferência de energia realizada por uma força movendo uma massa por uma distância contra a resistência. Em processos químicos é o trabalho pressão-volume. 6

7 Transformações e Conservação de energia Durante uma transformação da energia, a energia total deve ser conservada. A soma de todas as conversões e transferências de energia deve ser igual à energia total a qual deve permanecer constante.

8 Transformações e Conservação de energia Para contabilizar as transformações e conservações de energia, o sistema e vizinhanças devem ser especificadas. Sistema a parte do universo sendo considerada. vizinhanças o restante do universo. Sistema + vizinhanças = Universo Sistemas e vizinhanças separados por uma fronteira.

9 Tipos de sistemas aberto fechado isolado Troca: massa & energia energia nada 9

10 Transformações e Conservação de energia Para um sistema ou vizinhanças, a única forma de fluxo de energia possível é o calor, q, e trabalho, w. E = q + w O delta,, significa mudança e é definido como a diferença nos estados final e inicial. E = E final - E initial

11 Unidades de energia O Joule é a unidade de energia no SI. 1 Joule = 1 kg m 2 /s 2 Outras unidade de energia incluem o Btu e a caloria. 1 Btu é a energia requerida para aumentar em 1 F a quantidade de 1 lb. 1 Btu = 1055 J 1 caloria é a energia necessária para aumentar em 1 C a massa de 1g de água. 1 caloria = J

12 Transformações e Conservação de energia O sinal resultante da diferença entre os estados final e inicial indicam a direção do fluxo de energia. Valor negativo indica que a energia está sendo liberada. Valor positivo indica que a energia está sendo absorvida.

13 Processo exotérmico é qualquer processo que libera calor transfere energia do sistema para a vizinhança. 2H 2 (g) + O 2 (g) H 2 O (g) 2H 2 O (l) + energia H 2 O (l) + energia Processo endotérmico é qualquer processo onde o calor é fornecido da vizinhança para o sistema. energia + 2HgO (s) energia + H 2 O (s) 2Hg (l) + O 2 (g) H 2 O (l) 13

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15 Perda de energia Uma forma comum de se obter trabalho de um sistema é aquecer este. O fluxo de calor é convertido em trabalho. É impossível converter todo o calor em trabalho. Calor que não é convertido em trabalho é considerado energia perdida. Computador a calor Nanotubos de carbono Nano tubos de carbono 2

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17 Perda de energia cotidiano

18 Perda de energia cotidiano

19 Capacidade calorífica e Calorimetria Calorimetria é um conjunto de técnicas de laboratório usadas para observar e medir o fluxo de calor que entra ou sai de um sistema.

20 Capacidade calorífica e Calorimetria Sistemas diferentes absorvem quantidades diferentes de energia baseado em três fatores: A quantidade de material, m ou n. O tipo do material, c ou C p. A mudança de temperatura, T.

21 Capacidade calorífica e Calor específico A quantidade de energia (calor) absorvida pode ser quantificada. q = mc T q = nc p T c é a capacidade calorífica específica. C p é a capacidade calorífica molar.

22 Capacidade calorífica e Calor específico A capacidade calorífica específica de uma substância é uma propriedade física que descreve a quantidade de calor requerido para aumentar a temperatura em 1 o C de um grama de substância.

23 Capacidade calorífica e Calor específico A capacidade calorífica molar de uma substância é uma propriedade física que descreve a quantidade de calor requerida para aumentar a temperatura em 1 o C de um mol de substância. Representada por C p.

24 Capacidade calorífica e Calor específico Calor específico e capacidade calorífica em quantidade de matéria para algumas substâncias comuns.

25 Exemplos Qual a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 500 de chumbo (c=0.03 cal / g ºC) de 20 o C até 60 o C? Um copo contém 250,0 g de água quente a 78,0 o C. Um pedaço de ouro a 2,30 o C é colocado na água. A temperatura final atingida por esse sistema é 76,9 o C. Qual era a massa do ouro? O calor específico da água é 4,184 J/g o C, e o do ouro 0,129 J/g o C. 25

26 Calorimetria Calorimetria é um conjunto de técnicas de laboratório usadas para observar e medir o fluxo de calor que entra ou sai de um sistema. O fluxo de calor é medido usando um calorímetro.

27 Calorimetria Um calorímetro mede o calor envolvido ou absorvido em um sistema de interesse pela medida da mudança de temperatura na vizinhança. q = - q sistema vizinhança

28 Calorimetria pressão constante q sis = q água + q cal + q reação q sys = 0 q rxn = - (q água + q cal ) q água = m x c x t q cal = C cal x t Nenhum calor entra ou sai! 28

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30 Termodinâmica é o estudo científico da interconversão do calor e outros tipos de energia. Funções de estado são propriedades que são determinadas pelo estado do Sistema, independente de como as condições foram alcançadas. energia, pressão, volume, temperatura U = U final - U inicial P = P final - P inicial V = V final - V inicial T = T final - T inicial Potential energy of hiker 1 and hiker 2 is the same even though they took different paths. 30

31 Energia interna Qualquer substância ou objeto é constituído de átomos e moléculas, os quais apresentam energia cinética associada a seus constantes movimentos, além de energia potencial decorrente das várias forças que exercem uns sobre os outros. As energias cinética e potencial combinadas dos átomos e moléculas que compõem um objeto constituem a sua energia interna. Energia interna Energia cinética Energia potencial Prof. Leandro Zatta 31

32 Primeira lei da termodinâmica energia pode ser convertida de uma forma a outra, mas não pode ser criada nem destruída. U sistema + U vizinhança = 0 ou U sistema = - U vizinhança C 3 H 8 + 5O 2 3CO 2 + 4H 2 O Reação Química exotérmica Energia Química Perdida pela combustão = Energia ganha pela vizinhança 32

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34 Entalpia As condições sob as quais ocorre o fluxo de calor vai ter um impacto sobre a medida que é feita. A combustão do octano libera 5,45 x 10 3 kj sob condições de volume constante. A combustão do octano libera 5,48 x 10 3 kj sob condições de pressão constante.

35 Definindo Entalpia A maioria das reações químicas ocorrem sob pressão constante Entalpia é o fluxo de calor sob condições de pressão constante. A mudança na entalpia pode ser expressa como Ou como H = E + PV H = E + P V H = q p

36 Definindo Entalpia Quando um sistema libera calor, o processo é dito exotérmico. O valor de H é menor que zero, ou o sinal de H é negativo. Quando um sistema absorve calor, o processo é dito endotérmico. O valor de H é maior que zero, ou o sinal de H é positivo.

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38 Exemplos Dadas as equações, informe quais são endotérmicas e quais são exotérmicas: (CNTP) a) Fe(S) + ½ O 2 (g) FeO(s) + 64,04 Kcal b) H 2 O(l) H 2 (g) + ½O 2 (g) H= + 68,3 Kcal c) 2C(graf) + 3H 2 (g) C 2 H 6 (g) H= 20,5 Kcal d) CO 2 (g) C(graf) + O 2 (g) H= + 94,14 Kcal e) CaO(S) + 151,9 Kcal Ca(s) + ½ O 2 (g) f) 6CO 2 (g) + 6H 2 O(l) + calor C 6 H 12 O 6 (aq) +6 O 2 (g) Prof. Leandro Zatta 38

39 Exemplos Analise o gráfico e respondas as questões: a) Qual a energia do produto? b) Qual a energia do reagente? c) Qual a energia do complexo ativado? d) Qual o valor de H? e) A reação é exotérmica ou endotérmica? Prof. Leandro Zatta 39

40 H de mudanças de fases Mudanças de fases ocorrem sob condições de pressão constante. O fluxo de calor durante uma mudança de fase é uma mudança de entalpia. Durante uma mudança de fase, a temperatura não muda com o fluxo de calor devido a formação ou quebra de forças intermoleculares atrativas.

41 H de mudanças de fases Entalpias molares padrão e temperaturas para mudanças de fase da águastandard molar enthalpies and temperatures for phase changes of water.

42 H de mudanças de fases Curva de aquecimento para 500 g de gelo em -50 o C a 200 o C.

43 FATORES QUE INFLUEM NO VALOR DA ENTALPIA 1. O estado físico

44 2. Estado alotrópico dos reagentes e produtos (lembre-se: Alotropia ocorre quando um mesmo elemento químico forma diferentes substâncias simples). Principais variedades alotrópicas : Gás oxigênio (O 2 ) = mais estável, menor entalpia. Gás ozônio (O 3 ) = mais reativo, maior entalpia. Carbono grafite (C 6 ) = mais estável, menor entalpia. Carbono diamante (C 6 ) = mais reativo, maior entalpia. Fósforo vermelho (P n ) = mais estável, menor entalpia. Fósforo branco (P 4 ) = mais reativo, maior entalpia. Enxofre rômbico (S 8 ) = mais estável, menor entalpia. Enxofre monoclínico (S 8 ) = mais reativo, maior entalpia.

45 3. Temperatura: as determinações de H devem ser feitas a temperatura constante, pois ela influi no seu valor. Geralmente as transformações são feitas em condições-padrão, a 25ºC. 4. Quantidades de reagentes e produtos: o valor do H é proporcional as quantidades dos reagentes e dos produtos da reação.

46 Equações termoquímicas H é negativo or positivo? O Sistema absorve calor Endotérmico H > 0 6,01 kj são absorvidos para cada 1 mol de gelo que funde à 0 0 C e 1 atm. H 2 O (s) H 2 O (l) H = 6.01 kj/mol 46

47 Equações termoquímicas H é negativo or positivo? Sistema libera calor Exotérmico H < 0 890,4 kj são liberados para cada 1 mol de metano que é queimado à 25 0 C e 1 atm. CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O (l) H = kj/mol 47

48 Equações termoquímicas Os coeficientes estequiométricos sempre se referem ao número de mols de uma substância H 2 O (s) H 2 O (l) H = 6.01 kj/mol Se você inverter uma reação, o sinal de H muda H 2 O (l) H 2 O (s) H = kj/mol Se você multiplicar os dois lados da equação por um fator n, então H deve mudra pelo mesmo fator n. 2H 2 O (s) 2H 2 O (l) H = 2 x 6.01 = 12.0 kj 48

49 A equação Entalpia padrão de formação H = H produtos H reagentes Nos diz que H pode ser calculado a partir das entalpias de todos os reagentes e produtos. Não há como determinar o valor absoluto de H. Valores relativos de H. 49

50 Como não existe um caminho para medir o valor absoluto da entalpia de uma substância, devo medir a variação de entalpia para cada reação de interesse? É determinado uma escala arbitrária com a entalpia padrão de formação ( H 0 f) como um ponto de referência para todas expressões de entalpia. Entalpia padrão de formação ( Hf 0 ) é a mudança de calor resultante quando um mol de um composto é formado a partir de seus elementos sob pressão de 1 atm. A entalpia padrão de formação de um elemento em sua forma mais estável é zero. H 0 f (C, graphite) = 0 H 0 (O 2 ) = 0 f H 0 (O 3 ) = 142 kj/mol f H 0 (C, diamante) = 1.90 kj/mol f 50

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52 Qual das seguintes entalpias padrão de formação é diferente de zero a 25 ⁰C? a) Na(s), b) Ne(g), CH 4 (g), S 8 (s) Hg(l). Prof. Leandro Zatta 52

53 A entalpia padrão de reação ( H 0 r reação conduzida a 1 atm. ) é a entalpia de uma aa + bb cc + dd H 0 r = [ c H 0 f (C) + d H 0 (D)] - [ a H 0 f (A) + b H 0 f (B)] f H 0 r = Sn H 0 f (produtos) - Sm Hf 0 (reagentes) Lei de Hess: quando os reagentes são convertidos em produtos, a variação da entalpia é a mesma, quer a reação se dê em uma só etapa ou em uma série de etapas. (entalpia é uma função de estado. Não importa a maneira como você chega lá, importa apenas de onde você partiu e onde chegou) 53

54 Método 1 Os romanos utilizavam CaO como argamassa nas construções rochosas. O CaO era misturado com água, produzindo Ca(OH) 2, que reagia lentamente com o CO 2 atmosférico, dando calcário: Ca(OH) 2(s) + CO 2(g) CaCO 3(s) + H 2 O (g) A partir dos dados da tabela anterior, a variação de entalpia da reação, em kj/mol, será igual a: a)138,2 b) - 69,1 c)-2828,3 d)+ 69,1 Prof. Leandro Zatta 54 e)-220,8

55 Método 1 Os romanos utilizavam CaO como argamassa nas construções rochosas. O CaO era misturado com água, produzindo Ca(OH) 2, que reagia lentamente com o CO 2 atmosférico, dando calcário: Ca(OH) 2(s) + CO 2(g) CaCO 3(s) + H 2 O (g) A partir dos dados da tabela anterior, a variação de entalpia da reação, em kj/mol, será igual a: a)138,2 b) - 69,1 c)-2828,3 d)+ 69,1 Prof. Leandro Zatta 55 e)-220,8

56 The thermite reaction involves aluminum and iron(iii) oxide This reaction is highly exothermic and the liquid iron formed is used to weld metals. Calculate the heat released in kilojoules per gram of Al reacted with Fe 2 O 3. The for Fe(l) is kj/mol. The molten iron formed in a thermite reaction is run down into a mold between the ends of two railroad rails. On cooling, the rails are welded together.

57 Solution Using the given value for Fe(l) and other values in Appendix 3 and Equation (6.18), we write This is the amount of heat released for two moles of Al reacted. We use the following ratio to convert to kj/g Al.

58 Método 2 Chemistry in Action: Bombardier Beetle Defense C 6 H 4 (OH) 2 (aq) + H 2 O 2 (aq) C 6 H 4 O 2 (aq) + 2H 2 O (l) H 0 =? C 6 H 4 (OH) 2 (aq) H 2 O 2 (aq) C 6 H 4 O 2 (aq) + H 2 (g) H 0 = 177 kj/mol H 2 O (l) + ½O 2 (g) H 0 = kj/mol H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l) H 0 = -286 kj/mol H 0 = = -204 kj/mol Exothermic! 58

59 C (graphite) + 1/2O 2 (g) CO (g) + 1/2O 2 (g) C (graphite) + O 2 (g) CO 2 (g) CO (g) CO 2 (g) 59

60 Calculate the standard enthalpy of formation of acetylene (C 2 H 2 ) from its elements: The equations for each step and the corresponding enthalpy changes are