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Água e Termodinâmica Alice Newton. Molécula de água covalente Polar momento dipolar dois pares de electrões no O repulsão, angulo ~ 105º atracção intermolecular.

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1 Água e Termodinâmica Alice Newton

2 Molécula de água covalente Polar momento dipolar dois pares de electrões no O repulsão, angulo ~ 105º atracção intermolecular ligações (pontes) de H ( Russell cap 12) importantes consequências propriedades especiais da água

3 Estrutura da água Gelo: o estado sólido diferentes nos estados s,l,g (s), gelo, estrutura cristalina (ver folha) densidade (s) <( l) na formação de gelo em águas naturais, o sais são inicialmente excluídos da matriz, portanto a concentração do soluto no liquido aumenta Millero & Sohn cap.4

4 Água no estado liquido Algumas moleculas aglomeradas Alguns característicos cristalinos Algumas moleculas individuais Estrutura mais compacta c.f. gelo densidade (l) > (s) (ver folha)

5 Vapor: Água no estado gasoso Todas as ligações intermoleculares são quebradas (pontes de H) Expansão até encher o volume disponivel Pressão aumenta com temperatura ~ leis dos gases

6 Propriedades especiais da água efeitos globais, efeitos na química termodinâmica soluções gases equilibrio químico Open University : Seawater... Millero & Sohn : Chemical Oceanography

7 Água e água do mar Água é componente principal da água do mar no entanto... água pura tem um comportamente muito diferente comparado com água do mar o comportamento é alterado pela presença de outras substancias 1º estudar comportamento de água pura

8 Capacidade calorifica elevada =4,18 kJ kg -1 º C -1 alterações de temperatura são lentas, efeito termoestático do oceano importantes transferências de calor por movimentos de água, efeito climático de correntes oceánicas uniformidade de temperatura, pequena gama, estabilidade do ambiente marinho para orgamnismos

9 Pontos de fusão TºC H2OH2O H2SH2S H 2 Se H 2 Te

10 Calor de fusão elevado = 333 kJ kg -1 º C -1 Efeito termo-estatico durante a formação e fusão do gelo especialmente importante em ambientes aquaticos de alta latitudes

11 Calor de fusão da água TºC 0 Calor adicionado (cal/g) ~ 50

12 Pontos de Ebulição TºC 0 100H2OH2O H2SH2S H 2 Se H 2 Te

13 Calor de evaporação elevado =2250 kJ / kg Importante transferência de calor da água á atmosfera Efeito moderador climático em zonas costeiras

14 Calor de vaporização da água TºC 100 Calor adicionado (cal/g) ~ 500

15 Entalpia e água TºC 100 Pe 0 Pf ~500 ~50 > Cal/g > Hvap Hfus Cc 1,0 cal/g Cc 0,5 cal/g

16 Expansão térmica densidade e volume do gelo e da água densidade gelo < densidade max. da água Estratificação térmica em ambientes aquaticos

17 Tensão superficial elevada = 7,2 x 10 9 Nm -1 Controla processos superficiaís, Processos das interfaces água / atmosfera água / organismo fisiologia celular Importante na formação de gotas

18 Constante dielectrica elevada (80 as 20ºC) Importante na solubilização de iõs de sais ionicos, e formação de electrolítos água tem elevado poder de solubilização, é considerada solvente universal (no entanto muitas substâncias não são soluveis na água erosão de rochas e composição de águas naturais

19 Grau de dissociação baixo água contem H + e OH - mas o grau de dissociação é baixo H + e OH - importantes em processos geologicos e biologicos água pura é neutra, no entanto forma soluções acidas e basicas efeito tampão da água do mar

20 Transparência elevada Energia absorvida nos UV e IR (IV) importante em processos físicos (optica), químicos (fotoquímica), e biologicos (fotossintese) Produção primaria, pigmentos fotossinteticos, macro e microalgas

21 Conductividade calorifica elevada Só importante em processos de microescala, por ex. processos celulares e organismos unicelulares

22 Compressibilidade distância intermolecular relação inversa com temperatura (0º-50ºC) alteração de propriedades termoquímicas (p.ex. solubilidade) com temperatura.

23 Capacidade calorífica relação inversa com temperatura (0º-30ºC) propriedades térmicas diferentes c.f. outros solventes água é solvente com propriedades especiais

24 Viscosidade molecular relativa Nsm -2 fluído, diferenças de pressão compensadas facilmente importante na física de ondas, interfaces água/água importante na biologia especialmente pequenos organismos

25 Termodinâmica Química Calor, movimento, química Abordagem: relação com caracteristicas da água e água do mar importante no estudo de processos e espontaneidade dos processos 2Na(s)+Cl(g)--->2 NaCl (s) é espontaneo. 2 NaCl (s) ---> 2Na(s)+Cl(g) não é espontaneo

26 Entalpia H Calor absorvido durante uma transformação a pressão constante. H = E + PV No mar a pressão varia muito com profundidade Processo Endotérmico absorve calor + H Processo Exotérmico liberta calor - H

27 Entalpia de Formação H f Variação de entalpia na formação de 1 mole de composto a partir de elementos livres = H f Na (s) + Cl 2 (g)----> NaCl (s) Hº f = - 412,1 kJmol -1 Condições : T=298K Pressão: 1 atm Hº f,298

28 Hº f de alguns compostos H 2 O (g) H 2 O (l) NaCl (s) - 241,8 kJmol ,8 kJmol ,1 kJmol -1

29 1º Principio Conservação de Energia Diferenças de energia E podem ser atribuídas ou a Calor adicionado: q = E = E 2 - E 1 ou a Trabalho executado - W= E = E 2 - E 1 p.ex.: trabalho de expansão contra uma pressão externa W = P ext V

30 Calor e trabalho As vezes ganho de calor e execução de trabalho são simultaneos E = E 2 - E 1 = q = W +Energia - Energia Ganho de Calor Execução de trabalho

31 Calor específico Calor necessário para aumentar de 1ºC a temperatura de 1g de substância H 2 O (l) = 1,0 cal/g H 2 O (s) = 0,5 cal/g a água tem um calor específico reletivamento muito elevado

32 Capacidade de calor molar (25ºC) Cp: Calor necessário para aumentar de 1K a temperature de 1 mole de substância Cp de H 2 O(l) = 75,3 JK -1 mol -1

33 Calor de fusão molar H fus calor necessário para a fusão de 1 mole de substância ponto de fusão é temperatura onde ocorre a mudança de estado H 2 O (s) ----> H 2 O (l) ponto de fusão = 0ºC H fus = 6008 Jmol -1 ~50 cal/g

34 Calor de Vaporização molar H vap calor necessário para a vaporização de 1 mole de substância ponto de ebulição é temperatura onde ocorre a mudança de estado H 2 O (l) ----> H 2 O (g) ponto de ebulição = 100ºC H vap = 37,56 kJmol -1 ~ 500 cal g -1

35 2º Principio e Entropia S Entropia aumenta constantemente Entropia é uma função do estado de ordem ordem --->desordem Moléculas de um sólido perfeito e puro a 0 K encontram-se perfeitamente ordenadas, Entropia = 0 Entropia Padrão é entropia de 1mol de substância (25ºC) SºJK -1 mol -1

36 Entropia de algumas substâncias H 2 O (l) 69,9 SºJK -1 mol -1 H 2 O (g) 188,7 SºJK -1 mol -1 H 2 (g) 130,6 SºJK -1 mol -1 O 2 (g) 205,1 SºJK -1 mol -1

37 Espontaneidade e Energia livre Energia livre para executar um trabalho que não seja expansão é chamada energia livre ou energia de Gibbs G=H - TS G: energia de Gibbs H: entalpia T: temperatura K!!!! S: entropia

38 Fusão da água

39 Energia de Gibbs G<0Espontaneo G=0Equilibrio G>0Não espontaneo p.ex. H 2 O (s) ----> H 2 O (l) é controlado pela temperatura H fus = 6008 Jmol -1 S=21,99JK -1 mol -1

40 Lei de Hess variação de entalpia depende só dos reagentes iniciais e produtos não depende das etapas permite calcular valores de entalpias desconhecidas a partir de valores conhecidos construção de ciclos Born-Harber

41 Ciclo Born-Harber vaporização da água 1/2 H 2 (g) + O 2 (g) f f -241,8kJmol -1 f -285,8kJmol -1 H 2 O(g) H 2 O(l) H vap crist -6,02kJmol -1 H 2 O(s)

42 Ciclo Born-Harber, entalpia reticular de NaCl Na + (g) Cl (g) ion +496 kJmol -1 ae -349 kJmol -1 Na + (g) + Cl - (g) Na (g)Cl (g) diss +122kJmol -1 Na (g) 1 / 2 Cl 2 (g) sub +107kJmol -1 H ret Na (s) 1 / 2 Cl 2 (g) f - 411kJmol -1 Na + Cl - (s)

43 Fusão da água

44 Lei de Hess variação de entalpia depende só dos reagentes iniciais e produtos não depende das etapas permite calcular valores de entalpias desconhecidas a partir de valores conhecidos construção de ciclos Born-Harber

45 Ciclo Born-Harber vaporização da água 1/2 H 2 (g) + O 2 (g) f f -241,8kJmol -1 f -285,8kJmol -1 H 2 O(g) H 2 O(l) vap crist -6,02kJmol -1 H 2 O(s)

46 Ciclo Born-Harber, entalpia reticular de NaCl Na + (g) Cl (g) ion +496 kJmol -1 ae -349 kJmol -1 Na + (g) + Cl - (g) Na (g)Cl (g) diss +122kJmol -1 Na (g) 1 / 2 Cl 2 (g) sub +107kJmol -1 ret Na (s) 1 / 2 Cl 2 (g) f - 411kJmol -1 Na + Cl - (s)

47 Pontos de fusão TºC H2OH2O H2SH2S H 2 Se H 2 Te

48 Pontos de Ebulição TºC 0 100H2OH2O H2SH2S H 2 Se H 2 Te

49 Calor de fusão da água TºC 0 Calor adicionado (cal/g) ~ 50

50 Calor de vaporização da água TºC 100 Calor adicionado (cal/g) ~ 500

51 Entalpia e água TºC 100 Pe 0 Pf ~500 ~50 > Cal/g > Hvap Hfus Cc 1,0 cal/g Cc 0,5 cal/g


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