Sequência didática sobre termoquímica

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1 1 COLÉGIO NEOLATINO EDUCAÇÃO INFANTIL ENSINO FUNDAMENTAL E MÉDIO 2º ano do Ensino Médio Sequência didática sobre termoquímica É a parte da química que estuda a relação entre a reação química e o calor bem como das transformações físicas como a fusão e o calor envolvido. O primeiro calorímetro de gelo do mundo, usado no inverno de , por Antoine Lavoisier e Pierre-Simon Laplace, para determinar o calor envolvido em várias alterações químicas; cálculos os quais eram baseados na descoberta anterior de Joseph Black do calor latente. Este experimentos marcam a fundação da termoquímica.

2 2 Ficha 01 Transformações e o calor Observe as duas fotos ao lado: A primeira é uma transformação física, tratase do fenômeno da ebulição, onde a água no estado líquido absorve calor e transforma-se vapor de água. A segunda é uma transformação química, trata-se do fenômeno da combustão, onde o papel reage com o oxigênio do ar, liberando calor e transformando-se gás carbônico, cinzas e vapor de água. Tanto as transformações químicas quanto as físicas envolvem a presença de calor e são classificadas como Endotérmicas quando há absorção de calor ou exotérmicas quando há liberação de calor. São transformações físicas endotérmicas: fusão, sublimação e vaporização (ebulição, calefação e evaporação. São Transformações físicas exotérmicas: solidificação, condensação e ressublimação. As transformações químicas são comumente denominadas de reações químicas e são classificadas como endotérmicas quando absorvem calor resfriando o ambiente ao redor e exotérmicas quando liberam calor aquecendo o ambiente ao redor. Aplicando 01) Dizemos que reações de combustão são exotérmicas porque: a) absorvem calor. b) liberam calor. c) perdem água. d) liberam oxigênio. 02) Nas pizzarias há cartazes dizendo Forno a lenha. A reação que ocorre neste forno para assar a pizza é: a) explosiva. b) exotérmica. c) endotérmica. d) hidroscópica. e) catalisada. 03) Nos motores de explosão existentes hoje em dia utiliza-se uma mistura de gasolina e etanol. A substituição de parte da gasolina pelo etanol foi possível porque ambos os líquidos: a) reagem exotermicamente com o oxigênio. b) fornecem produtos diferentes na combustão. c) são comburentes. d) possuem densidades diferentes. e) apresentam pontos de ebulição iguais. 04) Éter é normalmente usado para aliviar dores provocadas por contusões sofridas por atletas, devido ao rápido resfriamento provocado, por esse líquido, sobre o local atingido. Esse resfriamento ocorre porque: a) o éter é um liquido gelado. b) o éter, ao tocar a pele, sofre evaporação, e este um processo endotérmico. c) o éter reage endotermicamente com substâncias da pele. d) o éter, em contato com a pele, sofre evaporação, e este é um processo exotérmico. e) o éter se sublima. 05) Considere as seguintes transformações: I. Dióxido de carbono sólido (gelo seco) para dióxido de carbono gasoso. II. Ferro fundido para ferro sólido. III. Água líquida para vapor d água. Dessas transformações, no sentido indicado e à temperatura constante, apenas: a) I é exotérmica. b) II é exotérmica. c) III é exotérmica. d) I e II são exotérmicas. e) II e III são exotérmicas.

3 3 Ficha 02 Reações Endo e Exotérmicas O cientista moderno sabe que o eixo central da investigação das causas dos processos químicos e bioquímicos reside da análise da energia envolvida nessas transformações. Todas as reações químicas e bioquímicas liberam ou absorvem energia do ambiente. Essa energia pode se manifestar de várias formas, mas no momento nos interessa apenas uma delas: o calor. O conteúdo energético em forma de calor relacionado a um sistema é denominado de Entalpia (símbolo H do inglês Hentalpein). A tabela abaixo faz uma comparação entre os dois tipos de reações: reações endotérmicas exotérmicas representações características A + B + 15 kcal = C + D A + B = C + D - 15 kcal A + B = C + D, H = + 15 kcal H 0 (positivo) Hr Hp Absorção de calor Resfria o ambiente C + D = A + B + 15 kcal C + D - 15 kcal = A + B C + D = A + B, H = - 15 kcal H 0 (negativo) Hr Hp Liberação de calor Aquece o ambiente Gráficos As unidades de energia que utilizaremos serão o Joule (J) e a caloria (cal). As relações abaixo serão muito úteis. 1 caloria (cal) = 4,18 joules (J) 1 quilocaloria (kcal) = 1000 cal 1 quilojoule (kj) = 1000 J 1 Kcal = 4,18 kj

4 4 Aplicando 1. Considere as seguintes reações do metano: I. II. III. IV. Pode-se afirmar que a reação: a) I é endotérmica b) II libera mais calor do que a I c) III é espontânea d) III libera menos calor do que IV e) IV absorve calor para ocorrer 2. A análise da reação permite concluir que: a) a reação é endotérmica b) a reação tem positivo c) a entalpia dos reagentes é maior que a dos produtos d) a entalpia dos reagentes é menos que a dos produtos e) a entalpia dos reagentes é igual a dos produtos 3. (PUC-RS) A equação a seguir representa: a) um processo endotérmico b) a neutralização parcial de um ácido c) um processo que há a liberação de calor d) um processo não espontâneo e) uma reação de análise 4. As reações endotérmicas caracterizam-se por: I. serem espontâneas II. ocorrerem com absorção de calor III. apresentam sinal positivo para a variação da entalpia a) somente a afirmativa I é correta b) somente a afirmativa II é correta c) somente a afirmativa III é correta d) somente as afirmativas I e II são corretas e) somente as afirmativas II e III são corretas 5. O esquema abaixo representa reações termoquímicas? Justifique-se

5 5 6. Considere as duas equações abaixo que representam reações químicas: I. H2(g) Cl2(g) 2HCl(g) II. CH 4 (g), H = - 92,5 Kj 4 Cl CCl 4 HCl, H = + 420,5 Kj 2 (g) 4 (g) (g) Qual delas pode ser representada pelo gráfico ao lado? Justifique-se. 7. Considere os seguintes processos: l ) C (grafite) + O 2(gasoso) = CO 2(gasoso) + 94 kcal ll) N 2(gasoso) + O 2 (gasoso) = 2 NO (gasoso) - 43,2 kcal lll) H 2 (gasoso) + 1/2 O 2(gasoso) = H2O (liquido) ΔH = - 68,3 kcal lv) NH 4 Cl (sólido) + água = NH 4 + (aq) + Cl - (aq) ΔH = + 4 kcal São Reações Exotérmicas : a) ll e lll b) l e lll c) ll e lv d) l, lll e lv e) l, ll e lv 8. A respeito das equações abaixo: I) 1 O H O H 285,8kJ H 2(g) 2 2(g) 2 (l) II) HgO ( s) Hg(l) 1 2O2(g ) H 90,7kJ 01.Na reação I, a entalpia dos reagentes é menor do que a entalpia dos produtos. 02.A reação II apresenta H positivo, ou seja, ela é espontânea. 04.Quando 1 mol de HgO (s) absorve 90,7 kj, ocorre decomposição. 08.A reação I é exotérmica. Indique a soma que indica as alternativas corretas 9. 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 2s água Ca 2+ (aq) + 2Cl (aq) H = 82,8 kj/mol Equação 2: NH 4 NO 3(s) água + 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 4 NO 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 4 NO 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. 10. Associe os gráficos abaixo com as reações endo e exotérmicas: b-) a-)

6 6 Ficha 03 Cálculo da variação de entalpia Entalpia é uma grandeza física que busca medir a energia em um sistema termodinâmico que está disponível na forma de calor, isso a pressão constante. A variação de entalpia ( H) pode ser calculada: 1) Através dos calores de formação das substâncias. Devemos somar os calores de formação dos reagentes e dos produtos (cuidando os coeficientes das substâncias) e usar a equação abaixo: H = Hp Hr * não esqueça que as substâncias simples têm H f = 0 Exemplo: Considere os calores de formação: CH 4 : H f = - 17,9 kcal/mol CO 2 : H f = - 94,1 kcal/mol H 2 O: H f = - 68,3 kcal/mol Vamos calcular a variação de entalpia na seguinte reação: CH O 2 CO H 2 O H =? Resolução Exercício Programado (FEI SP) A obtenção do aço na siderurgia é feita pela redução de minérios de ferro. A equação global desse processo poderia ser representada por: Fe 2 O 3 (s) + 3C (s) = 2Fe (s) + 3CO (g) Dadas as entalpias de formação a 25 C e 1atm, qual é a entalpia da reação global, nas condições citadas, em kcal/mol (entalpias de formação: Fe 2 O 3 = 196,2kcal/mol; CO= 26,4kcal/mol).

7 7 2) Através das energias de ligação dos compostos. Devemos somar todas as energias de ligação dadas no problema: somatório das ligações dos reagentes e somatório das ligações dos reagentes. Usar os valores obtidos em módulo. Em seguida usar a equação abaixo. H = Somatório das ligações dos reagentes - Somatório das ligações dos produtos Exemplo: Considere a reação: N 2 (g) + 3 H 2 (g) = 2 NH 3 (g) Dadas as energias de ligação: H (N-N) = 941 kj/mol H (H-H) = 436 kj/mol H (N-H) = 389 kj/mol Determine a variação de entalpia. Resolução Dispondo de valores para as energias de ligação, a variação de entalpia é obtida através do somatório das ligações rompidas menos o somatório das ligações formadas. H = [ELR] [ELP] H= [ (436)] [6.(389)] H = - 85 kj Exercícios Programados 1-) A variação de entalpia para a reação, dada pela equação: 4HCl (g) + O 2(g) = 2H 2 O (g) + 2Cl 2(g) é: Dados: (Energia de ligação em kcal/mol) H - Cl = 103,1 H O = 110,6 O = O = 119,1 Cl Cl = 57,9 2-) C 2 H 4(g) = 2C (g) + 4H (g) ΔH = +542 kcal/mol Na reação representada pela equação anterior, sabe-seque a energia da ligação C-H é igual a 98,8kcal/mol. O valor da energia de ligação C=C, em kcal/mol, é:

8 8 3) Através da Lei de Hess. Colocar as equações dadas uma abaixo da outra e somá-las. Sempre cuidando que os coeficientes e o lado em que se encontram as substâncias devem combinar. Podemos multiplicar, dividir e inverter as equações parciais para que as substâncias fiquem iguais às substâncias da equação problema. H = H 1 + H 2 + H * lembre-se que a soma dos H das equações parciais é igual ao H da equação dada. * invertendo uma equação, o D H muda de sinal, *multiplicando os coeficientes de uma equação por um número, o D H também fica multiplicado por esse número. Exemplo: O calor de formação do metano, CH 4, não pode ser determinado por medidas calorimétricas pois a reação é lenta e apresenta reações secundárias. A partir das seguintes equações I. C (grafite) + O 2(g) = CO 2(g) H = - 94,05 kcal II. H 2(g) + ½ O 2(g) = H2O (l) H = - 68,32 kcal III. CH 4(g) + 2 O 2(g) = CO 2(g) + 2 H2O (l) H = - 212,87 kcal pode-se determinar a variação da entalpia da reação de formação do metano: C(grafite) + 2 H2(g) = CH4(g) H =? Resolução As seguintes operações devem ser feitas: * manter a equação I * multiplicar a equação II por 2 * inverter a equação III Assim, C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) H = - 94,05 kcal H 2(g) + ½ O 2(g) H2O (l) H = 2.(- 68,32) kcal CO2 (g) + 2 H2O (l) CH4 (g) + 2 O 2(g) H = + 212,87 kcal C (grafite) + 2 H 2(g) CH 4(g) H = - 17,82 kcal Exercício Programado Através das equações a seguir determine o calor de combustão do acetileno(c 2 H 2 ). I C grafite + O 2(g) = CO (g) H 1 = -94Kcal II H 2(g) + ½O 2(g) = H 2 O(liq) H 2 = -68Kcal III 2C grafite + H 2(g) = C 2 H 2 (g) H 3 = +54,2Kcal A reação de combustão do acetileno : C 2 H 2(g) + 5/2O 2(g) = 2CO 2(g) + H 2 O (liq) H=?

9 9 Aplicando 1. O ácido clorídrico é um importante ácido industrial, e uma das etapas de sua obtenção é representada pela seguinte equação química: H Cl 2HCl Considere a seguinte tabela de valores de energia de ligação: 2(g) 2(g) (g) Substância H2(g) Cl2(g) HCl (g) Energiadeligação(kJ/mol) 436,0 243,0 432,0 Com base nessa tabela, pode-se afirmar que a entalpia de formação do HCl(g), em kj/mol, é de: a) 247,0 b) 123,0 c) 247,0 d) 92,5 e) n.d.a 2. Considerando os dados de entalpia de ligação abaixo, o calor associado (kj/mol) à reação: CH 4 (g) 4 Cl CCl 4 HCl, à pressão constante, deverá ser : 2 (g) 4 (g) (g) (C H = 414 kj/mol, H Cl = 431 kj/mol, Cl Cl = 243 kj/mol, C Cl = 331 kj/mol) a)+ 420 kj/mol b) kj/mol c) 105 kj/mol d) 420 kj/mol 3. Com base nos dados da tabela: Ligação Energia média de ligação (kj/mol) O H 460 H H 436 O = O 490 pode-se estimar que o H da reação representada por: 2H 2 O(g) 2H 2 (g) + O 2 (g), dado em kj por mol de H 2 O(g), é igual a: a) b) c) d) 239. e) Dadas as energias de ligação (estado gasoso) abaixo : H - H, H = Kcal/mol H - F, H = Kcal/mol F F, H = + 37 Kcal/mol O calor ( H) da reação H 2(g) + F 2(g) 2HF (g), em Kcal/mol, será igual a: a) b) -195 c) -129 d) 276 e) Determine a entalpia de formação de ácido clorídrico gasoso, segundo a reação representada pela equação: H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl (g) Dados: H 2 (g) 2H (g) H o = 436 kj/mol Cl 2 (g) 2Cl (g) H o = 243 kj/mol HCl (g) H (g) + Cl (g) H o = 431 kj/mol Indique os cálculos. 6. Desde a pré-história, quando aprendeu a manipular o fogo para cozinhar seus alimentos e se aquecer, o homem vem percebendo sua dependência cada vez maior das várias formas de energia. A energia é importante para uso industrial e doméstico, nos transportes, etc. Existem reações químicas que ocorrem com liberação ou absorção de energia, sob a forma de calor, denominadas, respectivamente, como exotérmicas e endotérmicas. Observe o gráfico a seguir e assinale a alternativa correta:

10 10 a) O gráfico representa uma reação endotérmica. b) O gráfico representa uma reação exotérmica. c) A entalpia dos reagentes é igual à dos produtos. d) A entalpia dos produtos é maior que a dos reagentes. e) A variação de entalpia é maior que zero. 7. A dissolução de um sal em água pode ocorrer com liberação de calor, absorção de calor ou sem efeito térmico. Conhecidos os calores envolvidos nas transformações, mostradas no diagrama que segue, é possível calcular o calor da dissolução de cloreto de sódio sólido em água, produzindo Na + (aq) e Cl - (aq). Com os dados fornecidos, pode-se afirmar que a dissolução de 1 mol desse sal a) é acentuadamente exotérmica, envolvendo cerca de 10 3 kj. b) é acentuadamente endotérmica, envolvendo cerca de 10 3 kj. c) ocorre sem troca de calor. d) é pouco exotérmica, envolvendo menos de 10 kj. e) é pouco endotérmica, envolvendo menos de 10 kj. 8. 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 o diagrama, a variação de 2Cu(s) + O 2 (g) o entalpia, H (kj), para a reação: Cu2O(s) 1/ 2O2(g) 2CuO(s), é igual a -310kJ 2CuO(s) -169 kj Cu 2 O(s) + 1/2 O 2 (g) a) b) 479. c) 141. d) Observe o gráfico abaixo. 1. O gráfico corresponde a um processo endotérmico. 2. A entalpia da reação é igual a kcal. 3. A energia de ativação da reação é igual a 560kcal. Está(ão) correta(s): a) 1 apenas b) 2 apenas c) 2 e 3 apenas d) 1 e 3 apenas e) 1, 2 e O gráfico apresenta os valores de entalpia para uma reação genérica X + Y Z + W, em duas situações: na presença e na ausência de catalisador. Os valores da energia de ativação na presença do catalisador e o tipo de reação quanto à liberação ou absorção de calor são, respectivamente, a) 30 kj e endotérmica. b) 50 kj e endotérmica. c) 50 kj e exotérmica. d) 110 kj e endotérmica. e) 110 kj e exotérmica.

11 Considere a representação gráfica da variação de entalpia abaixo. Entre os processos que ela pode representar figuram: 01. a fusão da água 02. a vaporização da água 04. a oxidação da gordura 08. a combustão da gasolina 16. o preparo de uma solução aquosa de NaOH, com aquecimento espontâneo do frasco A soma das alternativas corretas é 12. A variação de energia ocorrida na queima de um mol de álcool combustível é corretamente representada pelo gráfico: 13. Assinale a alternativa com as palavras que completam corretamente as lacunas do texto abaixo. Seja: Fe2O3 3CO 2 Fe 3CO2, é possível concluir que a reação representada pela equação é..., e que o símbolo significa.... a) exotérmica; luz b) exotérmica; calor c) endotérmica; calor d) endotérmica; luz e) endotérmica; fotólise 14. Considere as seguintes equações termoquímicas: N 2(g) + 3 O 2(g) + H 2(g) 2 HNO 3(aq) H = -415 kj 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) H = -572 kj N 2 O 5(g) + H 2 O (l) 2 HNO 3(aq) H = -140 kj N 2 + 5O 2 = 2 N 2 O 5 H=? A entalpia de formação do pentóxido de nitrogênio, em kj/mol, é igual a a) 847. b) 11,0. c) +11,0. d) +22,0. e) Durante a produção industrial do ácido sulfúrico são necessárias as seguintes etapas intermediárias: combustão do enxofre e oxidação do dióxido de enxofre. 2 S (s) + 3 O 2(g) 2 SO 3(g) H = -791,44 kj S (s) + O 2(g) SO 2(g) H = -296,83 kj Determine a entalpia padrão de formação do trióxido de enxofre de acordo com a reação abaixo: 2 SO 2(g) + O 2(g) 2 SO 3(g) a) 197,78 kj b) 1088,27 kj c) + 197,78 kj d) 494,61 kj e) ,27 kj 16. A respiração celular é um processo vital e ocorre por meio de reações químicas. Um exemplo pode ser a conversão da glicose em ácido pirúvico por meio da reação: C 6 H 12 O 6(S) + O 2(g) 2 C 3 H 4 O 3(s) + 2 H 2 O (l) glicose ácido pirúvico Considere as reações a 25 ºC e 1 atm: C 6 H 12 O 6(s) + 6 O 2(g) 6 CO 2(g) + 6 H 2 O (l) H = kj/mol C 3 H 4 O 3(s) + 5/2 O 2(g) 3 CO 2(g) + 2 H 2 O (l) H = kj/mol Determine a variação de entalpia da reação. 17. Determine a variação de entalpia da equação: MgO + CO 2 = MgCO 3 Mg (s) + ½ O 2(g) MgO (s) C (graf) + O 2(g) CO 2(g) Mg (s) + C (graf) + 3/2 O 2(g) MgCO 3(s) H = -602 kj/mol H = -394 kj/mol H = kj/mol 18. Calcule o H da reação: Mg (s) + O 2(g) + H 2(g) = Mg(OH) 2(s) 2 Mg (s) + O 2(g) 2 MgO (s) H = -1203,6 kj Mg(OH) 2(s) MgO (s) + H 2 O (l) H = +37,1 kj 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) H = -571,7 kj

12 12 Ficha 04 Termoestequiometria 1-) Dada a reação termoquímica: 3/2 O 2(g) = O 3(g) H = +142,3 kj/mol. Determine o calor envolvido na produção de 96g de ozônio. Dados: O=16u 2-) Determine a massa de gás hidrogênio que se obtém juntamente com a liberação de 1275,2 kj a partir da equação: Na (s) + HCl (g) = NaCl (s) + 1/2 H 2(g) H = - 318,8 kj/mol Dados: Na=23u H=1u Cl= 35,5u 3-) Em um conversor catálico, usado em veículos automotores em seu cano de escape, para reduzir a poluição atmosférica, ocorrem várias reações químicas, sendo que uma das mais importantes é: CO (g) + 1/2 O 2(g) CO 2(g) ΔH = -94,1 kcal. Determine o calor liberado pela conversão de 8,4 kg de monóxido de carbono (CO). Dados C=12u O=16u 4-) Determine o calor envolvido na produção de 8,8 kg de gás carbônico a partir da equação: C (gr) + O 2(g) CO 2(g) + 393,5 kj Dados C=12u O=16u 5-) Dada a equação: 2Fe (s) + 3/2 O 2(g) Fe 2 O 3(s) ΔH 0 = Kcal/mol, determine a massa de ferro que reage com oxigênio de tal forma que seja liberado 588 kcal. Dados Fe=56u O=16u 6-) A mistura de hidrazina (N 2 H 4 ) e peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) pode ser utilizada na propulsão de foguetes: N 2 H 4 (l) + H 2 O 2(l) N 2(g) + 4H 2 O (g) kcal Admitindo que o peróxido de hidrogênio está em excesso calcule a energia liberada quando se consome 164g de hidrazina. Dados H=1u N=14u