Processo exotérmico: Ocorre com liberação de calor

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1 Disciplina: Química (Turmas T e R); Data: 10/10/16 Aula: Termoquímica 1: Reações exotérmicas e endotérmicas Professora Ana ([email protected]) A Termoquímica é parte de uma ciência determinada Termodinâmica que estuda as trocas de calor entre o sistema e o meio ambiente desenvolvidas durante uma reação química, assim como o possível aproveitamento desse calor na realização de trabalho (acionar motores, movimentar turbinas, etc.). Antes de iniciar o estudo da Termoquímica, é importante definir alguns termos que serão usados com frequência: Sistema: chamamos de sistema uma parte isolada do universo físico cujas propriedades estão sendo estudadas. Fronteira: são os limites que definem o espaço físico do sistema, separando-o do resto do universo. Vizinhança ou meio ambiente: é a porção do universo que rodeia as fronteiras do sistema e que pode, na maioria dos casos interagir com o sistema. Quando uma reação química ocorre em determinado sistema, isso acarreta uma troca de calor entre o sistema em reação e o meio ambiente. Se o calor trocado entre o sistema e o meio ambiente é medido a pressão constante, ele é denominado entalpia e simbolizado por H. PROCESSOS EXOTÉRMICOS E ENDOTÉRMICOS Quando avaliamos os processos em que há troca de calor, podemos diferenciá-los entre endotérmicos e exotérmicos. Processo exotérmico: Ocorre com liberação de calor 1º Exemplo: A reação de Combustão do gás metano: CH4(g) + O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g) + 889,5 kj Macroscopicamente, notamos que essa reação libera energia visto que podemos sentir o calor gerado por meio do aumento da temperatura. O fato do metano ser utilizado como um combustível evidencia que, de fato, a reação de combustão desse gás é EXOTÉRMICA, ou seja, libera energia. 2º Exemplo: pode ser observado quando 1,0 mol de água líquida se solidifica transformandose em 1,0 mol de água sólida, liberando 7,3 kj. Esse fenômeno pode ser representado pela equação:

2 H2O(l) H2O(s) + 7,3 kj Podemos notar que nesse caso não se trata de uma reação química, mas sim de uma mudança de estado físico (um fenômeno físico). Portanto, processos exotérmicos podem corresponder a fenômenos químicos e físicos e um esquema geral pode ser considerado: Substâncias no estado inicial Substâncias no estado final + calor O esquema de uma reação exotérmica pode ser representado da seguinte forma: Processo endotérmico: Ocorre com absorção de calor 1º Exemplo: Vejamos a reação entre 1,0 mol de hematita (Fe2O3) em ferro metálico (Fe): Fe2O3(s) + 3C(s) + 491,5 kj 2 Fe(s) + 3 CO(g) Essa reação é utilizada na obtenção do Ferro metálico nos altofornos das empresas e exige que seja disponibilizada uma grande quantidade de calor, visto que para que a reação ocorra para 1 mol de hematita, 491,5 kj (no mínimo) serão consumidos. Portanto, podemos afirmar que essa reação é ENDOTÉRMICA. 2º Exemplo: Veja a reação que ocorre quando aquecemos 1 mol de óxido de mercúrio (HgO): HgO + 90,7 kj Hg (l) + ½ O2(g) Podemos interpretar essa equação afirmando que para que 1 mol de HgO se decomponha é necessária a absorção de pelo menos 90,7 kj, transformando-se esse composto em Hg metálico (que é líquido em temperatura ambiente) e gás oxigênio (O2).

3 3º Exemplo: 1 mol de água líquida absorve energia do ambiente e se transforma em água no estado de vapor: H2O (l) + 44 kj H2O (v) Nesse processo observamos que para a passagem da água do estado líquido para gasoso a molécula de água absorve 44 kj, aumentando sua energia cinética e consequentemente mudando de estado físico. Logo, nesse tipo de processo também observamos que os processos endotérmicos também podem corresponder a fenômenos físicos ou químicos, sendo o esquema geral dado por: Substâncias no estado inicial + calor Substâncias no estado final O esquema de uma reação endotérmica pode ser representado da seguinte forma: AS RELAÇÕES ENTRE A QUANTIDADE DE MATÉRIA E DE CALOR A quantidade de calor absorvido ou liberado numa reação é SEMPRE proporicional a quantidade de substâncias envolvidas. Por exemplo, veja a reação de produção de ferro a partir da hematita vista acima: Fe2O3(s) + 3 C (s) + 491,5 kj 2 Fe (s) + 3 CO (g) Para cada mol de hematita, temos a absorção de 491,5 kj. Logo, cada mol da substância que se acrescente, necessitaremos de mais energia nesse sistema. Por exemplo, se tivermos 5 mols de hematita, teremos: absorve 491,5 kj absorve 5 mol Fe 2 x Como sabemos que essas grandezas são proporcionais, podemos fazer uma regra de três: 491,5 kj x. x = 491,5 kj. 5 mol Fe 2 x = 2457,5 kj

4 Se tivermos, por exemplo, cerca de 400 kg dessa rocha (considando-a pura e composta apenas por Fe2O3) e desejamos produzir apenas Fe, também podemos utilizar essas proporções: 160 g x mol Fe kg Sabendo que 160 g correspondem a 0,160 kg, temos que a quantidade em mols nessa massa é de 2500 mols. Se cada mol de hematita absorve 491,5 kj, temos: 491,5 kj 2500 mol Fe 2 x. x = 491,5 kj mol Fe 2 x = kj Note que essa quantidade de energia é muito elevada, portanto, o calor necessário nos auto-fornos industriais é muito elevado. ENTALPIA Vimos no início dessa aula que as substâncias químicas tem contida em si energia interna sendo denominada essa energia de entalpia, representada pela letra H. A entalpia é uma propriedade extensiva da matéria, isto é, depende da quantidade da substância. Não se sabe atualmente a forma de medirmos a entalpia de uma substância em específico. Na prática, o que conseguimos medir é a variação da entalpia (ΔH) de um processo, utilizando um calorímetro. Essa variação corresponde a quantidade de energia liberada ou absorvida durante o processo, realizado a pressão constante. O cálculo da variação de entalpia é dado pelas equações: ΔH = Hfinal Hinicial ou ΔH = Hprodutos Hreagentes Considerando essas afirmações podemos afirmar que em um processo EXOTÉRMICO, onde ocorre liberação de energia, a entalpia final será menor que a inicial, visto que parte da energia presente no composto foi liberada para o meio. Portanto, temos que em um processo exotérmico: Já em um processo endotérmico, ocorre a absorção de energia, o que faz com que a energia final seja maior que a inicial e, portanto, seu ΔH = +

5 Quando nos referimos a quantidade de energia absorvida ou liberada em um processo, indicamos na lateral esquerda essa quantidade, como no exemplos abaixo: Reação exotérmica: combustão do gás H2: 2 H2(g)+ O2(g) 2 H2O (l) ΔH= -571,6 kj Reação endotérmica: decomposição da amônia (NH3): 2 NH3(g) N2(g) + 3 H2(g) ΔH = + 92,2 kj ΔH NAS MUDANÇAS DE ESTADO FÍSICO Vimos nos exemplos iniciais que existe variação na energia interna de um sistema mesmo em mudanças de estado físico. Logo, há variação na entalpia (ΔH). E essa se expressa da mesma maneira que aquela vista para outros processos, por exemplo, na fusão da água: H2O (s) H2O (l) ΔH = + 7,3 kj Logo, observamos que o processo é endotérmico, sendo necessária a absorção de uma quantidade de energia para que o gelo se funda. Essa quantidade de calor necessária para provocar a fusão de 1 mol de H2O (s) é chamado de calor ou entalpia de fusão e equivale a 7,3 kj mol -1. Na vaporização da água temos: H2O (l) H2O (v) ΔH = + 44 kj Essa quantidade de calor é chamada de calor ou entalpia de vaporização e corresponde a 44 kj mol - 1. Se avaliarmos isso em conjunto, temos: H2O (s) H2O (l) H2O (v) ΔH = ,3 = 51,3 kj Logo, são absorvidos 51,3 kj para a passagem de 1 mol de água do estado sólido para o vapor. O inverso também é verdadeiro, visto que é necessário a liberação de energia, de acordo com a equação: H2O (v) H2O (l) H2O (s) ΔH = -44-7,3 = -51,3 kj Note que ao invertermos o sentido da reação apenas mudamos o sinal da entalpia, ou seja, para que essa ocorra é necessário que a energia seja liberada e não absorvida, como no caso anterior!

6 EXERCÍCIOS 1. I. C (graf) + 2H 2(g) CH 4(g) H = -74,5 kj/mol II. C (graf) + O 2(g) CO 2(g) H = -393,3 kj/mol III. H 2(g) + 1/2O 2(g) H 2O (l) H = -285,8 kj/mol IV. C (s) C (g) H = +715,5 kj/mol V. 6C (graf) + 3H 2(g) C 6H 6(l) H = + 48,9 kj/mol São transformações endotérmicas: a) I e II b) II e III c) III e IV d) III e V e) IV e V 2. Em uma cozinha, estão ocorrendo os seguintes processos: I. gás queimando em uma das bocas do fogão e II. água fervendo em uma panela que se encontra sobre esta boca do fogão. Com relação a esses processos, pode-se afirmar que: a) I e II são exotérmicos. b) I é exotérmico e II é endotérmico. c) I é endotérmico e II é exotérmico. d) I é isotérmico e II é exotérmico. e) I é endotérmico e II é isotérmico. 3. Atletas que sofrem problemas musculares durante uma competição podem utilizar bolsas instantâneas frias ou quentes como dispositivos para primeiros socorros. Esses dispositivos normalmente são constituídos por uma bolsa de plástico que contém água em uma seção e uma substância química seca em outra seção. Ao golpear a bolsa, a água dissolve a substância, de acordo com as equações químicas representadas abaixo. Equação 1: CaCl 2(s) Ca 2+ (aq) + 2Cl (aq) H= 82,8 kj/mol Equação 2: NH 4NO 3(s) NH 4 + (aq)+ NO 3 (aq) H= +26,2 kj/mol Se um atleta precisasse utilizar uma bolsa instantânea fria, escolheria a bolsa que contém o a) CaCl 2(s), pois sua dissociação iônica é exotérmica. b) NH 4NO 3(s), pois sua reação de deslocamento com a água deixa a bolsa fria. c) CaCl 2(s), pois sua dissociação iônica absorve o calor. d) NH 4NO 3(s), pois sua dissociação iônica é endotérmica. e) CaCl 2(s), pois sua reação de dupla troca com a água deixa a bolsa fria. 4. A variação de energia ocorrida na queima de um mol de álcool combustível é corretamente representada pelo gráfico: a) b) c) d) 5. Observe o gráfico abaixo. 1. O gráfico corresponde a um processo endotérmico. 2. A entalpia da reação é igual a +226 kj. 3. A energia de ativação da reação é igual a 560 kj. Está(ão) correta(s): a) 1 apenas b) 2 apenas c) 2 e 3 apenas d) 1 e 3 apenas e) 1, 2 e Normalmente uma reação química libera ou absorve calor. Esse processo é representado no seguinte diagrama, considerando uma reação específica Com relação a esse processo, assinale a equação química correta.

7 a) H 2(g) + ½ O 2(g) H 2O(l) 68,3 kcal b) H 2O(l) 68,3 kcal H 2 (g) + ½ O 2(g) c) H 2O(l) H 2(g) + ½ O 2(g) + 68,3 kcal d) H 2(g) + ½ O 2(g) H 2O(l) + 68,3 kcal Tal reação é endotérmica ou exotérmica? Qual é a quantidade de calor envolvida na transformação de 1 grama de O 2 em O 3(g)? 7. Ao se sair molhado em local aberto, mesmo em dias quentes, sente-se uma sensação de frio. Esse fenômeno está relacionado com a evaporação da água que, no caso, está em contato com o corpo humano. Essa sensação de frio explica-se corretamente pelo fato de que a evaporação da água: a) é um processo endotérmico e cede calor ao corpo. b) é um processo endotérmico e retira calor do corpo. c) é um processo exotérmico e cede calor ao corpo. d) é um processo exotérmico e retira calor do corpo. 8. O gelo seco, ou dióxido de carbono solidificado, muito utilizado em processos de refrigeração, sofre sublimação nas condições ambientes. Durante essa transformação, ocorrem, dentre outros, os fenômenos de variação de energia e de rompimento de interações. Esses fenômenos são classificados, respectivamente, como: a) exotérmico - interiônico b) exotérmico - internuclear c) isotérmico - interatômico d) endotérmico - intermolecular 9. O diagrama de entalpia a seguir representa os calores envolvidos na reação de obtenção de dois óxidos de cobre, a partir deste metal e do oxigênio. Analisando-se esse diagrama, a variação de entalpia, H (kj), para a reação Cu 2O (s) + ½ O 2(g) 2CuO (s), é igual a (A) (B) (C) (D) (E) Na transformação alotrópica que ocorre no aparelho comercialmente comhecido como ozonizador tem-se: 3 O 2(g) 2 O 3(g) H = + 68 kcal

8 GABARITO 1. e 2. b 3. d 4. a 5. e 6. d 7. b 8. d 9. c