Química 2ª série EM Apostila 3 página 1 TERMOQUÍMICA Termodinâmica: (do grego: movimento de calor) É o estudo das trocas e transformações de energia que acompanham os fenômenos físicos e químicos. Termoquímica: É a parte da termodinâmica que estuda as quantidades de calor liberadas ou absorvidas durante as reações químicas. Unidade de medida de calor: Caloria (cal) É a quantidade de calor necessária para aquecer 1g de água de 1ºC, ou seja, de 14,5ºC a 15,5ºC, a 1atm de pressão. A unidade oficial de energia é o Joule (J): 1 cal = 4,18 J Calor específico: (símbolo c ) O calor específico de uma substância corresponde à quantidade de energia necessária para elevar em 1ºC a temperatura de 1g dessa substância. Logo, o calor específico da água é 1 cal.g -1.ºC -1 ou, se for dada em Joule é 4,18 J.g -1.ºC -1. Calor e temperatura são grandezas diferentes. A temperatura de um corpo depende da maior ou menor agitação (velocidade de translação, vibração, e rotação) das partículas (átomos, moléculas ou íons), que constituem o corpo. A quantidade de calor depende da energia cinética dessas partículas que, além de depender da velocidade, depende também das massas das partículas. O calor é uma energia em trânsito que flui de um corpo de maior temperatura para outro de menor temperatura e a energia só pode ser transferida de um corpo para outro na forma de calor, se houver diferença de temperatura entre os corpos. (ver vídeo: o gaúcho e as temperaturas) Energia: É a capacidade que um corpo possui de realizar trabalho. A quantidade de energia (calor) liberada ou absorvida (Q) numa reação química é diretamente proporcional à massa (m) da substância e à diferença de temperatura (Δθ). substância. Os calores potenciais das substâncias variam com a temperatura e tornam-se nulos a 0 K (zero Kelvin) ou -273,15ºC (zero absoluto), quando todas as partículas atômicas e subatômicas estão em repouso (dedução teórica). Por se tratar de uma energia potencial, a entalpia não pode ser medida experimentalmente. Porém, quando uma substância sofre uma transformação química, o calor liberado ou absorvido indica a variação dos calores potencias (ou variação de entalpia) entre o início e o fim da reação. A variação de entalpia também é chamada de calor de reação. calor de reação: ΔH = H final H inicial A variação de entalpia (ΔH) é a diferença entre a energia dos produtos e a energia dos reagentes e engloba, também, o trabalho envolvido na transformação, uma vez que é realizada à pressão constante. Quando a reação é realizada a volume constante não há a realização de trabalho e temos somente a variação de energia interna dos produtos e reagentes. Reação Exotérmica: (exo = para fora) é aquela que ocorre com liberação de calor, ou seja, a entalpia do sistema diminui: ΔH é negativo. Neste tipo de reação, os reagentes são mais energéticos do que os produtos, isto é, a quantidade de energia armazenada nos reagentes é maior do que a quantidade de energia armazenada nos produtos. ΔH = H produtos H reagentes < 0 H 2(g) + ½O 2(g) H 2O (l) + calor (ΔH < 0) Reação Endotérmica: (endo = para dentro) é aquela que ocorre com absorção de calor, ou seja, a entalpia do sistema aumenta: ΔH é positivo. Neste tipo de reação o produto é mais energético que os reagentes, isto é, a quantidade de energia armazenada nos produtos é maior que a quantidade de energia armazenada nos reagentes. ΔH = H produtos H reagentes > 0 ½N 2(g) + O 2(g) NO 2(g) calor (ΔH > 0) Onde: Q = m.c.δθ Q = quantidade de calor liberado ou absorvido m = massa da substância em gramas c = calor específico da substância, em cal ou J Δθ = variação da temperatura em ºC Diagrama de Entalpia: Mostra a posição relativa das entalpias armazenadas nas substâncias que reagem ou que são formadas. Indica a variação de entalpia (ΔH) envolvida na transformação de reagentes em produtos. Trabalho: É o produto da força pela distância, ou seja, realiza-se um trabalho quando se desloca um corpo contra uma força que se opõe a esse deslocamento. O trabalho realizado pela força de 1 Newton (1N) que aplicada a um corpo desloca-o na sua direção pela distância de 1 metro é chamada de Joule (J). ΔH > 0 ENTALPIA (H) Entalpia é o conteúdo global de energia (calor) de um sistema, ou ainda, é a medida do calor potencial de uma ΔH < 0
Química 2ª série EM Apostila 3 página 2 Fatores que afetam o ΔH de uma reação: Quantidade de reagentes: A quantidade de calor envolvida em uma reação química depende da quantidade de reagentes e produtos: H 2(g) + ½O 2(g) H 2O (l) 2H 2(g) + O 2(g) 2H 2O (l) Estado físico das substâncias: gasoso: H 2(g) + ½O 2(g) H 2O (g) líquido: H 2(g) + ½O 2(g) H 2O (l) sólido: H 2(g) + ½O 2(g) H 2O (s) ΔH = -286kJ ΔH = -572kJ ΔH = -243kJ ΔH = -286kJ ΔH = -292kJ Alotropia: A variedade alotrópica mais abundante na natureza é a mais estável (menor entalpia) e a menos abundante, a mais instável (maior entalpia). O carbono grafite é mais estável (menor reativo) do que o carbono diamante. O fósforo vermelho é mais estável (menor reativo) do que o fósforo branco (mais reativo). O enxofre rômbico é mais estável do que o enxofre monoclínico. Temperatura: Quando a temperatura varia, muda o grau de agitação das moléculas e, consequentemente, varia a entalpia dos participantes. Ex. H 2(g) + Cl 2(g) 2HCl (g) ΔH = 183,9kJ a 15ºC H 2(g) + Cl 2(g) 2HCl (g) ΔH = 184,1kJ a 75ºC calor de formação é o calor liberado ou absorvido na obtenção de dessa substância. Em valor absoluto, o calor de formação é igual a entalpia do composto. Hº formação CO 2(g) = -393,5kJ/mol C (graf.) + O 2(g) CO 2(g) ΔH = -393,5kJ Hº formação NH 3(g) = -46,1kJ/mol ½N 2(g) + 3/2H 2(g) NH 3(g) ΔH = -46,1kJ Hº f C 6H 6(l) = +83 kj/mol 6C (graf.) + 3H 2(g) C 6H 6(l) ΔH = 83 kj Obs.: quando a reação é exotérmica em um sentido ela será endotérmica no sentido contrário e vice-versa. Consideremos uma reação segundo a equação geral: aa + bb cc + dd sendo H A, H B, H C e H D as entalpias das substâncias A. B, C e D, a variação de entalpia da reação será: ΔH = (ch C + dh D) (ah A + bh B) Entalpia final entalpia inicial Exercício resolvido: Considere a reação: 4NH 3(g) + 5O 2(g) 4NO (g) + 6H 2O (l) Calcule a variação de entalpia, sendo dadas as entalpias padrão em kj/mol: HºNH 3(g)= -46,1; HºO 2(g)= 0; HºNO (g)= 90,5; HºH 2O (l)= -286 Substância no Estado-padrão: Uma substância está no estado padrão quando está na sua forma mais estável a 1atm de pressão. O estado padrão pode ser considerado em diferentes temperaturas, mas, na prática, quase sempre é considerado a 298K (25ºC). A entalpia de um sistema é chamada entalpia padrão quando todas as substâncias desse sistema estão nos seus estados-padrão. A entalpia padrão é representada por Hº. Por convenção, foi atribuído o valor zero para a entalpia dos elementos químicos em seu estado padrão a 25ºC, Hº = 0, estando, assim, na sua forma simples mais estável. C grafite: Hº = 0 C diamante: Hº > 0 Oxigênio O 2(g): Hº = 0 Ozônio O 3(g): Hº > 0 S rômbico: Hº = 0 S monoclínico: Hº > 0 No caso de um elemento que não tem variedade alotrópica, a sua forma mais estável é aquela em que espontaneamente ele se apresenta, a 25ºC e 1atm. Hº = 0 : H 2(g) ; N 2(g) ; Cl 2(g) ; Br 2(l) ; I 2(s) ; Hg (l) ; Al (s) ; Fe (s) ; Hº 0 : H 2(l) ; N 2(s) ; Cl 2(l) ; Br 2(g) ; I 2(l) ; Hg (s) ; Al (s) ; Fe (l) ; Calor de Formação ou Entalpia de Formação (ΔH f) É a variação de entalpia (ΔH) associada à reação de síntese de dessa substância, no estado padrão (Hº = 0). O Calor de Combustão ou Entalpia de Combustão(ΔH c) É a variação de entalpia associada à combustão (queima) completa de de substância a 25ºC e 1atm, com excesso de oxigênio. Sendo a combustão uma reação exotérmica, conclui-se que a variação de entalpia de combustão é sempre negativa: ΔHcombustão < 0. ΔH combustão do butano (gás de botijão) C 4H 10(g) + 13/2O 2(g) 4CO 2(g) + 5H 2O (l) ΔHc= -688kcal/mol ΔH combustão da grafite C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) ΔHc = -94 kcal/mol O calor de combustão da grafite (1mol) é igual ao calor de formação do CO 2(g) (1mol). Em valor absoluto, o calor de combustão da grafite (ou poder calorífico) é de 94kcal/mol ou 393kJ/mol ou, ainda, 7,83kcal/g.
Química 2ª série EM Apostila 3 página 3 Exercícios resolvidos: 1- Considere um béquer contendo 50mL de HCl (aq) 1mol/L e outro contendo 50 ml de NaOH (aq) 1mol/L, ambos a 25ºC. Misturando-se as duas soluções ocorre a reação e a temperatura da solução obtida sobe para 32ºC. Calcule o ΔH da reação: HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H 2O (l) ΔH=? O calor específico da solução aquosa obtida é aproximadamente igual a da água: 1cal/g.ºC (1 cal = 4,184 J). (Vídeo) 3- Calcule a entalpia de formação do fósforo vermelho: P 4(branco) + 6Cl 2(g) 4PCl 3(g) ΔH = -1227kJ P (vermelho) + 3/2Cl 2(g) PCl 3(g) ΔH = -288kJ Obs.: o fósforo branco tem Hº = 0 e o fósforo vermelho tem Hº < 0. O fósforo vermelho é mais estável que o branco. 4- Dado o gráfico de entalpia abaixo, calcule: a) Hº NO (g) ; b) Hº NH 3(g) ; c) Hº H 2O (l) d) ΔH da reação: 4NH 3(g) + 5O 2(g) 4NO (g) + 6H 2O (l) 2- A entalpia padrão de formação da glicose (C 6H 12O 6) não pode ser determinada diretamente, porque sua formação a partir de seus elementos formadores não se consegue na prática. As entalpias padrão de combustão da glicose e as entalpias de formação do H 2O (l) e do CO 2(g) podem ser determinadas diretamente, porque estas reações ocorrem na prática. Os valores encontrados são: Calor de combustão do C 6H 12O 6(s) = -2820kJ/mol Calor de formação do H 2O (l) = -286kJ/mol Calor de formação do CO 2(g) = -393,5kJ/mol A partir destes dados calcule a entalpia de formação da glicose. kj +362 4NO (g) + 6H 2(g) + 3O 2(g) 0 2N 2(g) + 6H 2(g) + 5O 2(g) -184,4 4NH 3(g) + 5O 2(g) -1354 4NO (g) + 6H 2O (l)
Química 2ª série EM Apostila 3 página 4 Energia de Ligação ou Entalpia de Ligação: É o calor necessário para quebrar 1mol de ligações entre dois átomos que se em um sistema gasoso a 25ºC e 1atm. Examine o processo: H H H + H Equação termoquímica: H 2(g) H (g) + H (g) ΔH=+436kj/mol 1- houve quebra da molécula de hidrogênio (H 2(g)) 2- para que haja ruptura da ligação H H é necessário fornecer energia ao sistema o processo é endotérmico. 3- a energia gasta na quebra de 1mol de ligações H H foi de 436kJ 4- a energia de ligação é de +436kJ/mol Vejamos a quebra da molécula do metano; CH 4(g) H H C H C (g) + 4H (g) ΔH = +1652kJ/mol H 1- para cada molécula de metano, CH 4(g), tem que se romper 4 ligações do tipo C H 2- para cada mol de moléculas, tem que se romper 4 mols dessas ligações 3- a energia necessária para romper os 4 mols de ligações foi de 1652kJ. Portanto, para cada mol de ligações C H foram necessários 1652 4 = 413kJ 4- a entalpia da ligação C H vale +413kJ/mol Obs.: a quebra de ligações é um processo endotérmico (ΔH>0) ; a formação de ligações será sempre um processo exotérmico (ΔH<0) Conhecendo-se os valores das energias de ligação presentes nos reagentes e nos produtos de uma reação, podemos calcular o ΔH desta reação: Calor absorvido na ΔH reação = quebra das ligações + dos reagentes Calor liberado na formação das ligações dos produtos Tabela de energias de algumas ligações (kj/mol) Lei de Hess: A quantidade de calor liberada ou absorvida numa reação química depende unicamente dos estados inicial (reagentes) e final (produtos), e não depende dos estados intemediários Isso quer dizer que mesmo que haja reações intermediárias, cada qual com suas variações de entalpia (ΔH 1 e ΔH 2) a variação da entalpia global (ΔH) é sempre a mesma, ou seja, é a soma dos ΔH s das reações intermediárias. (H) H i H f ΔH C (grafite) + O 2(g) ΔH 1 CO (g) + 1/2O 2(g) ΔH 2 CO 2(g) Caminho da reação Reação : C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) ΔH = -94,1 kcal Reação 1: C (grafite) + O 2(g) CO (g) + ½O 2(g) ΔH 1 = 67,7kcal Reação 2: CO (g) + ½O 2(g) CO 2(g) ΔH 2 = -26,4kcal O gráfico mostra: ΔH = ΔH 1 + ΔH 2-94,1 = -67,7 + (-26,4) Exercícios resolvidos: 1- Calcular o calor de formação do álcool etílico: 2C (graf) + ½O 2(g) + 3H 2(g) C 2H 5OH (l) ΔH =? Dados: C (graf) + O 2(g) CO 2(g) ΔH 1 = -90kcal H 2(g) + ½O 2(g) H 2O (l) ΔH 2 = -60kcal C 5H 5OH (l) + 3O 2(g) 2CO 2(g) + 3H 2O (l) ΔH 3 = -330kcal Exercício resolvido: Calcule o ΔH reação :CH 4(g) + Cl 2(g) H 3CCl (g) + HCl (g) Dadas as ΔH de ligação em kj: C H = 414 ; Cl Cl = 242; H Cl = 432; C Cl = 329
Química 2ª série EM Apostila 3 página 5 2- Sabendo que na combustão total de 2,6g de acetileno, C 2H 2(g), são liberados 130kJ de calor e que na combustão total de 3,9g de benzeno, C 6H 6(l) são liberados 163,8kJ: C 2H 2(g) + 2,5O 2(g) 2CO 2(g) + H 2O (l) C 6H 6(l) + 7,5O 2(g) 6CO 2(g) + 3H 2O (l) Calcule o calor liberado ou absorvido (conforme o caso) na reação de trimerização de 13g de C 2H 2(g) : 3C 2H 2(g) C 6H 6(l) (dados: H = 1u ; C = 12u; O = 16u) Exercícios propostos: 1) A cabeça do palito de fósforo contém uma substância chamada trissulfeto de tetrafósforo. Este composto inflama na presença de oxigênio, ocorrendo, à pressão normal, a liberação de uma quantidade de calor de 3677 kj por mol. A reação referente ao processo está representada a seguir: P4S3(s) + 8O2(g) P4O10 + 3 SO2(g) Calcule a entalpia padrão de formação do P 4S 3(s), em kj, considerando a seguinte tabela: Valores do ΔHº de formação: P 4O 10= -2940,0 kj/mol ; SO 2= -296,8 kj/mol 2) Quimicamente falando, não se deve tomar água..., mas apenas água.... A água... inúmeros sais, por exemplo, o cloreto de..., o mais abundante na água do mar. Em regiões litorâneas, ameniza variações bruscas de temperatura, graças à sua capacidade de armazenar grande quantidade de energia térmica, o que se deve ao seu alto.... Na forma de suor, sua evaporação abaixa a temperatura do corpo humano, para o que contribui seu elevado.... 3- Dados: entalpia de formação do CH 4(g) = -75kJ; entalpia de formação do H (g) = +218kJ/mol; entalpia de sublimação do C (graf) = +709kJ/mol, calcule a energia de ligação C H. 4- Dado o diagrama termoquímico abaixo, calcular o calor consumido na decomposição de 1mol de cloreto de amônio sólido em amônia e gás clorídrico, em kcal. Entalpia (kcal) ½N 2(g) + 2H 2(g) + ½Cl 2(g) ΔH = -11 ΔH = -22 ΔH = -75 kcal NH 3(g) + ½H 2(g) + ½Cl 2(g) NH 3(g) + HCl (g) ΔH =? NH 4Cl (s) Completa-se corretamente o texto, obedecendo-se a ordem em que as lacunas aparecem, por: a) pura, potável, dissolve, sódio, calor específico, calor de vaporização. b) de poço, pura, dissolve, magnésio, calor específico, calor de vaporização. c) destilada, potável, dilui, sódio, calor de vaporização, calor específico. d) de poço, destilada, dissolve, magnésio, calor de vaporização, calor específico. e) pura, destilada, dilui, sódio, calor de vaporização, calor específico. 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 2s Equação 2: NH 4NO 3(s) água Ca 2+ (aq) + 2Cl (aq) H = 82,8 kj/mol 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 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) 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.
Química 2ª série EM Apostila 3 página 6 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. 10) 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). 5) Durante o ciclo hidrológico natural a água muda constantemente de estado físico e de lugar. Entre os fenômenos que ocorrem estão: I. derretimento de icebergs II. formação de gotículas de água na atmosfera a partir do vapor III. formação de neve IV. dissipação de nevoeiros Dentre esses fenômenos, são exotérmicos SOMENTE a) I e II c) II e III e) III e IV b) I e III d) II e IV 6) Fe 2O 3(s) + 3C(s) + 491,5 kj 2Fe(s) + 3CO(g) Da transformação do óxido de ferro III em ferro metálico, segundo a equação acima, pode-se afirmar que : a) é uma reação endotérmica. b) é uma reação exotérmica. c) é necessário de carbono para cada mol de Fe 2O 3(s) transformado. d) o número de mols de carbono consumido é diferente do número de mols de monóxido de carbono produzido. e) a energia absorvida na transformação de 2 mols de Fe 2O 3(s) é igual a 491,5 kj. 7) 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 2O(g) 2H 2(g) + O 2(g), dado em kj por mol de H 2O(g), é igual a: a) + 239. c) + 1101. e) 478. b) + 478. d) 239. 8) Dadas as energias de ligação (estado gasoso) abaixo H H, H = + 104 Kcal/mol H F, H = + 135 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) - 276 c) -129 e) +129 b) -195 d) - 276 Com os dados fornecidos, pode-se afirmar que a dissolução de desse sal a) é acentuadamente exotérmica, envolvendo cerca de 10 3 kj. b) é acentuadamente endotérmica, envolvendo cerca 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. 11) 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. 2Cu(s) + O 2 (g) -310kJ 2CuO(s) -169 kj Cu 2 O(s) + 1/2 O 2 (g) Analisando-se esse diagrama, a variação de entalpia, (kj), para a reação: Cu 2O(s) 1/ 2O2(g) 2CuO(s), é igual a a) +141. c) 141. b) 479. d) +310. o H 12) A variação de energia ocorrida na queima de um mol de álcool combustível é corretamente representada pelo gráfico: 9) 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) ΔH o = 436 kj/mol Cl 2 (g) 2Cl (g) ΔH o = 243 kj/mol HCl (g) H (g) + Cl (g) ΔH o = 431 kj/mol Indique os cálculos. (resposta em kj) Respostas: 1) -153,4 ; 2) a ; 3) d ; 4) b ; 5) c ; 6) a ; 7) a ; 8) c ; 9) -91,5 ; 10) e ; 11) c ; 12) a