Química Frente IV Físico-química Prof. Vitor Terra Lista 06 Termoquímica Outros Tipos de ΔH e Energia de Ligação RESUMO ΔH nas mudanças de estado: o ΔH quando 1 mol de substância muda de estado físico recebe o nome da própria mudança de estado. Por exemplo: H2O (l) H2O (g), ΔH = + 43,7 kj/mol A entalpia de vaporização da H2O é 43,7 kj/mol H2O (l) H2O (s), ΔH = 6 kj/mol A entalpia de solidificação da H2O é 6 kj/mol ΔH de combustão ou entalpia de combustão de uma substância é o ΔH da reação de combustão completa (produtos: CO2 e H2O) de 1 mol dessa substância, considerando todas as substâncias envolvidas no estado padrão. O ΔH de combustão é sempre negativo, pois reações de combustão são, por definição, exotérmicas. Energia de ligação é a quantidade de energia absorvida na quebra de 1 mol de uma ligação química, com as substâncias envolvidas no estado gasoso. H2 (g) 2 H (g), ΔH = 435,5 kj/mol Energia da ligação H H: 435,5 kj/mol EXERCÍCIO RESOLVIDO Tente fazer o exercício antes de olhar a resolução. Quando for ler a resolução, observe cuidadosamente cada um de seus passos. Calcule o ΔH da seguinte reação, em kcal/mol: 2 HBr (g) + Cl2 (g) 2 HCl (g) + Br2 (g) Dados: Resolução Ligação Energia de ligação (kcal/mol) H Br 87,4 Cl Cl 57,9 H Cl 103,1 Br Br 46,1 Todos os reagentes e produtos estão no estado gasoso, então podemos usar diretamente as energias de ligação para calcular o ΔH. O esquema abaixo mostra as ligações nos reagentes e nos produtos e as energias correspondentes: O2 (g) 2 O (g), ΔH = 497,8 kj/mol Energia da ligação O = O: 497,8 kj/mol CH4 (g) C (g) + 4 H (g), ΔH = 1651,6 kj/mol Cada mol de CH4 tem 4 mols de ligações C H Energia da ligação C H: 1651,6 / 4 = 412,9 kj/mol Quanto maior a energia de ligação: - mais difícil é a quebra da ligação - menor é o comprimento de ligação (distância média entre os átomos) EX Y > EX=Y > EX Y Etripla > Edupla > Esimples Para calcular o ΔH de uma reação a partir das energias de ligação, lembre-se de que é necessário: - quebrar as ligações dos reagentes (absorvendo energia) - formar as ligações dos produtos (liberando energia) soma das energias soma das energias ΔH = de ligação dos de ligação dos reagentes produtos (lig. quebradas) (lig. formadas) Energia de ligação dos reagentes: 232,7 kj Energia de ligação dos produtos: 252,3 kj As ligações dos reagentes são quebradas, então são absorvidos 232,7 kj (sinal positivo no ΔH). As ligações dos produtos são formadas, então são liberados 252,3 kj (sinal negativo no ΔH). Portanto: ΔH = 232,7 252,3 ΔH = 19,6 kcal/mol Observação: também podemos ver o problema sob o ponto de vista da Lei de Hess. As energias de ligação dadas na tabela correspondem às seguintes equações termoquímicas: HBr (g) H (g) + Br (g), ΔH1 = 87,4 kcal/mol Cl2 (g) 2 Cl (g), ΔH2 = 57,9 kcal/mol HCl (g) H (g) + Cl (g), ΔH3 = 103,1 kcal/mol Br2 (g) 2 Br (g), ΔH4 = 46,1 kcal/mol Para obter a equação pedida, vamos: - multiplicar a primeira equação por 2; - manter a segunda equação; - multiplicar por 2 e inverter a terceira equação; - inverter a quarta equação; CASD Vestibulares Química Termoquímica 1
Somando tudo, temos: 2 HBr (g) 2 H (g) + 2 Br (g), 2ΔH 1 Cl2 (g) 2 Cl (g), ΔH 2 2 H (g) + 2 Cl (g) 2 HCl (g), 2ΔH 3 + 2 Br (g) Br2 (g), ΔH 4 2 HBr (g) + Cl2 (g) 2 HCl (g) + Br2 (g) ΔH = 2ΔH 1 + ΔH 2 2ΔH 3 ΔH 4 ΔH = 2 (87,4) + 57,9 2 (103,1) 46,1 ΔH = 174,8 + 57,9 206,2 46,1 ΔH = 19,6 kcal/mol 16) O calor de liquefação do enxofre é igual a + 0,30 kcal/mol. 32) O calor de sublimação do enxofre é igual a +11,28 kcal/mol. 3. (UFMG) Um béquer aberto, contendo acetona, é mergulhado em outro béquer maior, isolado termicamente, o qual contém água, conforme mostrado na figura. A temperatura da água é monitorada durante o processo de evaporação da acetona, até que o volume desta se reduz à metade do valor inicial. Escolha a alternativa cujo gráfico descreve qualitativamente a variação da temperatura registrada pelo termômetro mergulhado na água, durante esse experimento. O resultado obtido é o mesmo, como era esperado. No fundo, o que todas essas contas querem dizer é que podemos usar o seguinte caminho pra calcular o ΔH: O ΔH vai ser o mesmo, não importa o caminho entre os reagentes e produtos. EXERCÍCIOS PROPOSTOS Os primeiros 8 exercícios envolvem diretamente assuntos anteriores (só que com mudança de estado e combustão). Os exercícios de energia de ligação começam a partir do 9. 1. (PUC-RS) Considerando as transformações: conclui-se que ocorre transformação endotérmica apenas em a) I b) II c) III d) I e II e) II e III 2. (UEM-PR - Adaptada) Dadas as reações a seguir, a 25 C e 1 atm: I) S(s) + O2(g) SO2(g), ΔH = 70,92 kcal/mol II) S(l) + O2(g) SO2(g), ΔH = 71,22 kcal/mol III) S(g) + O2(g) SO2(g), ΔH = 82,20 kcal/mol 4. (Unesp) Na fabricação de chapas para circuitos eletrônicos, uma superfície foi recoberta por uma camada de ouro, por meio de deposição a vácuo. a) Sabendo que para recobrir esta chapa foram necessários 2.10 20 átomos de ouro, determine o custo do ouro usado nesta etapa do processo de fabricação. Dados: Massa molar do ouro: Au = 197 1g de ouro = R$ 37,00 ("Folha de S. Paulo", 20/10/2010) b) No processo de deposição, ouro passa diretamente do estado sólido para o estado gasoso. Sabendo que a entalpia de sublimação do ouro é 370 kj/mol, a 298 K, calcule a energia mínima necessária para vaporizar esta quantidade de ouro depositada na chapa. 5. (Mackenzie) Observando o diagrama a seguir, é correto afirmar que: e considerando a entalpia padrão do S(s) e a do O2(g) iguais a zero e S = 32 g/mol, identifique o que for correto. 01) O calor de fusão do enxofre é igual a + 0,30 kcal/mol. 02) O calor de fusão do enxofre é igual a 11,28 kcal/mol. 04) O calor de vaporização do enxofre é igual a + 11,28 kcal/mol. 08) O calor de vaporização do enxofre é igual a 11,58 kcal/mol. Dadas as massas molares (g/mol): H=1 e O=16 CASD Vestibulares Química Termoquímica 2
a) para vaporizar 18g de água são liberados 10,5 kcal. b) o calor de reação, na síntese da água líquida, é igual ao da água gasosa. c) a entalpia molar de vaporização da água é +10,5 kcal. d) a síntese da água gasosa libera mais calor que a da água líqüida. e) o H na síntese de água gasosa é igual a - 126,1kcal/mol. 6. (Cesgranrio-RJ) Observe o gráfico a seguir: 8. (Unesp) O metanol é um combustível que recentemente assumiu grande importância em nosso país. Ele pode ser preparado sinteticamente através da reação de CO em egundo a reação: CO(g) + 2 H2(g) CH3OH(l) Essa reação processa-se sob pressão e em presença de catalisador. O calor da combustão do metanol a 25 C é de -727 kj por mol de metanol. Os produtos da combustão são CO2 gasoso e H2O líquida. As entalpias de formação a 25 C de CO gasoso, CO2 gasoso e de H2O líquida são, respectivamente, -110, -393 e -286 kj/mol. Determine o calor da reação, indicando o procedimento utilizado para o cálculo. 9. Fazer os seguintes exercícios da apostila (Aula 11, pag. 80, Atividades Propostas): 7, 8, 9, 10 O valor da entalpia de combustão de 1 mol de SO2(g), em kcal, a 25 C e 1atm, é: a) - 71. b) - 23. c) + 23. d) + 71. e) + 165. 7. (UERJ) Nos motores de combustão interna, o sulfeto de hidrogênio, presente em combustíveis, é convertido no poluente atmosférico óxido de enxofre IV, como mostra sua equação de combustão abaixo. H2S(g) + 3/2 O2(g) SO2(g) + H2O(l) O sulfeto de hidrogênio é extraído dos combustíveis por um solvente que possui baixa polaridade molecular e natureza ácido-básica oposta à sua. As entalpias-padrão de formação de substâncias participantes na combustão do sulfeto de hidrogênio são fornecidas adiante. 10. (Mackenzie) C2H4(g) 2 C(g) + 4 H(g) H = + 542 kcal/mol Na reação representada pela equação anterior, sabe-se que a energia da ligação C-H é igual a 98,8kcal/mol. O valor da energia de ligação C=C, em kcal/mol, é: a) 443,2 b) 146,8 c) 344,4 d) 73,4 e) 293,6 11. (PUC-MG) Considere as seguintes energias de ligação, todas nas mesmas condições de temperatura e pressão: H-H O=O O-H 104 kcal/mol 120 kcal/mol 110 kcal/mol A variação de entalpia ( H) na reação de formação de H2O (g), em kcal, é: O valor da entalpia-padrão de combustão do sulfeto de hidrogênio em kj x mol -1 é igual a: a) - 4 b) - 56 c) - 106 d) + 56 e) + 106 a) - 562 b) - 602 c) - 1124 d) - 1204 CASD Vestibulares Química Termoquímica 3
12. (Puccamp) São dadas as seguintes energias de ligação: 15. (Fuvest) Pode-se conceituar energia de ligação química como sendo a variação de entalpia ( H) que ocorre na quebra de 1 mol de uma dada ligação. Assim, na reação representada pela equação: NH3(g) N(g) + 3 H(g); H = 1170 kj/mol NH3 são quebrados 3 mols de ligação N-H, sendo, portanto, a energia de ligação N-H igual a 390 kj/mol. Sabendo-se que na decomposição: Com os dados fornecidos é possível prever que a reação 2 HCl(g) + F2(g) 2 HF(g) + Cl2(g) tenha H, em kj, da ordem de a) - 584,9, sendo endotérmica. b) - 352,3, sendo exotérmica c) - 220,9, sendo endotérmica d) + 220,9, sendo exotérmica. e) + 352,3, sendo endotérmica. 13. (Mackenzie) Dadas as energias de ligação em kcal/mol, N2H4(g) 2N(g) + 4H(g); H = 1720 kj/mol N2H4, são quebrados ligações N-N e N-H, qual o valor, em kj/mol, da energia de ligação N-N? a) 80 b) 160 c) 344 d) 550 e) 1330 16. (Unirio) O gás cloro (Cl2), amareloesverdeado, é altamente tóxico. Ao ser inalado, reage com a água existente nos pulmões, formando ácido clorídrico (HCl), um ácido forte capaz de causar graves lesões internas, conforme a seguinte reação: H-H: 104,0 Br-Br: 45,0 H-Br: 87,0; o H da reação ½ H2 + ½ Br2 HBr é igual a: a) + 62,0 kcal. b) +149,0 kcal. c) - 12,5 kcal. d) - 236,0 kcal. e) - 161,5 kcal. 14. (Unicamp) Por "energia de ligação" entendese a variação de entalpia ( H) necessária para quebrar um mol de uma dada ligação. Este processo é sempre endotérmico ( H > 0). Assim, no processo representado pela equação CH4(g) C(g) + 4 H(g); H = 1663 kj/mol, são quebrados 4 mols de ligações C-H, sendo a energia de ligação, portanto, 416 kj/mol. Sabendo-se que no processo C2H6(g) 2 C(g) + 6 H(g); H = 2826 kj/mol são quebradas ligações C-C e C-H, qual o valor da energia de ligação C-C? Indique os cálculos com clareza. Utilizando os dados constantes na tabela anterior, marque a opção que contém o valor correto da variação de entalpia verificada, em KJ/mol. a) + 104 b) + 71 c) + 52 d) - 71 e) 104 17. (Unicamp) A hidrazina (H2N-NH2) tem sido utilizada como combustível em alguns motores de foguete. A reação de combustão que ocorre pode ser representada, simplificadamente, pela seguinte equação: H2N NH2(g) + O2(g) N2(g) + 2 H2O(g) A variação de entalpia dessa reação pode ser estimada a partir dos dados de entalpia das ligações químicas envolvidas. Para isso, considera-se uma absorção de energia quando a ligação é rompida, e uma liberação de energia quando a ligação é formada. A tabela abaixo apresenta dados de entalpia por mol de ligações rompidas. CASD Vestibulares Química Termoquímica 4
a) - 92,5 b) - 185 c) - 247 d) + 185 e) + 92,5 20. (PUC-SP) Dados: Entalpia de ligação H - H = 435 kj/mol N - H = 390 kj/mol A reação de síntese da amônia, processo industrial de grande relevância para a indústria de fertilizantes e de explosivos, é representada pela equação N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g); H = - 90 kj a) Calcule a variação de entalpia para a reação de combustão de um mol de hidrazina. b) Calcule a entalpia de formação da hidrazina sabendose que a entalpia de formação da água no estado gasoso é de -242 kj mol 1. 18. (Unicamp) A variação de entalpia de uma reação na fase gasosa, ΔHr, pode ser obtida indiretamente por duas maneiras distintas: 1) pela diferença entre as entalpias de formação, ΔHf, dos produtos e dos reagentes; 2) pela diferença entre as entalpias de ligação, ΔHl, das ligações rompidas e das ligações formadas. Considerando a reação e as tabelas abaixo: a) Determine o valor de ΔHr b) Calcule a entalpia de formação para o H3C-Cl 19. (Fuvest) Com base nos dados da tabela, A partir dos dados fornecidos, determina-se que a entalpia de ligação contida na molécula de N2 é igual a a) - 645 kj/mol b) 0 kj/mol c) 645 kj/mol d) 945 kj/mol e) 1125 kj/mol 21. (UFRGS) Abaixo é apresentado um quadro com algumas energias de ligação no estado gasoso. Energia Ligação de ligação (kj/mol) H H 470,7 Cl Cl 242,5 O = O 489,2 N N 940,8 H Cl 431,5 H Br 365,9 H I 298,6 São feitas as seguintes afirmações: I. É preciso mais energia para decompor a molécula de oxigênio do que para decompor a molécula de nitrogênio. II. A molécula de HCl deve ser mais estável do que as moléculas de HBr e HI. III. Entre as moléculas gasosas H2, O2 e Cl2, a molécula de Cl2 é a menos estável. IV. A reação H2 (g) + Cl2 (g) 2 HCl (g) deve ser endotérmica. Identifique as alternativas corretas. a) Apenas I e II. b) Apenas I e III. c) Apenas II e III. d) Apenas I, III e IV e) Apenas II, III e IV. pode-se estimar que o H da reação representada por H2 (g) + Cl2 (g) 2 HCl (g) dado em kj por mol de HCl(g), é igual a: CASD Vestibulares Química Termoquímica 5
22. (Fuvest) Buscando processos que permitam o desenvolvimento sustentável, cientistas imaginaram um procedimento no qual a energia solar seria utilizada para formar substâncias que, ao reagirem, liberariam energia: entalpia de formação do CH3OH (l), e em seguida utilizar esse dado para encontrar o ΔH da reação pedida. 10. Essa é a estrutura do C2H4 (eteno): Ou seja, ocorre a quebra de uma ligação C=C e quatro ligações C H na reação dada. Considere as seguintes reações: I) 2 H2 + 2 CO CH4 + CO2 II) CH4 + CO2 2 H2 + 2 CO e as energias médias de ligação: H H: 4,4 x 10² kj/mol C O (CO): 10,8 x 10² kj/mol C = O (CO2): 8,0 x 10² kj/mol C H: 4,2 x 10² kj/mol A associação correta que ilustra tal processo é Reação que Conteúdo de D Conteúdo de E ocorre em B a) I CH4 + CO2 CO b) II CH4 + CO2 H2 + CO c) I H2 + CO CH4 + CO2 d) II H2 + CO CH4 + CO2 e) I CH4 CO DICAS Tente fazer o exercício primeiro antes de olhar as dicas. 2. Nesse exercício, fazer um esboço do gráfico de entalpia versus caminho da reação pode ajudar. Além disso, calor de fusão e entalpia de fusão significam a mesma coisa nesse contexto, bem como calor de vaporização quer dizer entalpia de vaporização, e assim por diante. 3. Enquanto a acetona vai evaporando, ela continua absorvendo calor da água, ou seja, a temperatura da água continua diminuindo. Em qual das alternativas a temperatura da água está sempre diminuindo? 8. Reação da combustão do metanol: CH3OH (l) + 3/2 O2 CO2 (g) + 2 H2O (l) Uma possível maneira de resolver a questão é usar os dados da reação de combustão para encontrar a 11. Reação de formação da H2O (g): H2 (g) + 1/2 O2 (g) H2O (g) Nos reagentes, são quebrados 1 mol de ligações H H e 1/2 mol de ligações O = O. Nos produtos, são formados 2 mols de ligações O H (pois cada molécula de H2O tem duas ligações O H) 12. Note que as energias dadas na tabela são negativas, porque elas se referem à formação das ligações. Isso é diferente da definição de energia de ligação que vimos, mas não prejudica a resolução da questão. 14. Essa é a estrutura do C2H6 (etano): Ou seja, ocorre a quebra de uma ligação C C e seis ligações C H na reação dada. Note que a ideia desta questão é a mesma que a da questão 10. 15. Essa questão é bastante parecida com a questão 14. Se o N2H4 tem ligações N H e N N, como fica a estrutura dele? Quantas ligações de cada tipo ele tem? 16. Estrutura do HClO: 17. a) Antes de fazer contas, note que essa é uma reação de combustão. Devemos esperar um ΔH positivo ou negativo? Essa é uma boa maneira de checar o resultado obtido. 18. Cuidado com a forma que a questão fornece as energias de ligação: o valor correspondente a H3C H (435 kj/mol) é a energia da ligação C H no CH4. Da mesma forma, o valor correspondente a H3C Cl (452 kj/mol) é a energia da ligação C Cl no CASD Vestibulares Química Termoquímica 6
CH3Cl. Lembre-se de que o CH3Cl possui 3 ligações C H e 1 ligação C Cl. 19. Atenção: a questão pede o ΔH em kj por mol de HCl. Note que o coeficiente do HCl na reação dada é 2. 21. Quanto maior for a energia de ligação, mais difícil é quebrar a ligação e, portanto, mais estável é a molécula. 22. Como B é um reator endotérmico, a reação que ocorre nele deve ser endotérmica. Note a reação II é simplesmente a reação I invertida. Calculando o ΔH de uma delas, o ΔH da outra vai ter o sinal invertido. Pelo esquema da figura, o conteúdo de E deve conter os produtos da reação que ocorre em B, bem como o conteúdo de D deve conter os reagentes. GABARITO Exercícios propostos 1. D 2. As afirmativas 01 e 32 são verdadeiras 3. D 4. a) R$ 2,43 5. C 6. B 7. A b) 0,12 kj 8. ΔH = - 128 kj/mol 9. Gabarito na apostila 10. B 11. B 12. B 13. C 14. Energia da ligação C C: 330 kj/mol 15. B 16. B 17. a) ΔH = - 585 kj/mol de hidrazina b) ΔH f,h2n-nh2 = 101 kj/mol 18. a) ΔHr = - 206 kj/mol 19. A 20. D 21. C 22. B b) ΔH f,h3c-cl = - 189 kj/mol CASD Vestibulares Química Termoquímica 7