Termoquímica 1
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
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
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
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
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
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
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
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
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. http://www.youtube.com/watch?v=hhc6xm0wjkq 10
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
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
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
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
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
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
Convenção de sinais 17
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 1.150 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
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
Funções de estado 20
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
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. http://pontociencia.org.br/experimentos-interna.php?experimento=681&termita#top 2 Al (s) + Fe 2 O 3 (s) Al 2 O 3 (s) + 2 Fe (s) 22
Entalpia 23
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
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
Entalpia 26
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
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
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
Lei de Hess Observe que: H 1 = H 2 + H 3 30
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
Lei de Hess Composição geral de diferentes tipos de carvão 32
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 = -1.273 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
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
Entalpias de formação 35
Entalpias de formação 36
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 = 2.256 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
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
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
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
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
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
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
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
Calorimetria Bomba calorimétrica (calorimetria de volume constante) Conhecendo C cal, determina-se q r q r = -C cal x T 45