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TERMOQUÍMICA A QUÍMICA DOS EFEITOS ENERGÉTICOS. By Ducha.

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2 TERMOQUÍMICA A QUÍMICA DOS EFEITOS ENERGÉTICOS. By Ducha

3 OS PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS DO CALOR E DO TRABALHO SE APLICAM, NO ESTUDO DE UMA REAÇÃO QUÍMICA E NAS MUDANÇAS DO ESTADO FÍSICO DE UMA SUBSTÂNCIA. Mais energético Menos energético Retirando calor Colocando calor

4 pilha OBSERVE OS FENÔMENOS

5 NELES,OCORREM TRANSFORMAÇÕES FÍSICAS E (OU) QUÍMICAS ENVOLVENDO VÁRIOS TIPOS DE ENERGIA, INCLUSIVE ENERGIA TÉRMICA.

6 CALOR - energia que flui de um sistema com temperatura mais alta para o outro com temperatura mais baixa. SISTEMA - tudo aquilo que se reserva do universo para estudo. ENERGIA QUÍMICA - trabalho realizado por um sistema através de reações químicas. ENERGIA - resultado do movimento e da força gravitacional existentes nas partículas formadoras da matéria. TRABALHO - deslocamento de um corpo contra uma força que se opõe a esse deslocamento. CONCEITOS IMPORTANTES

7 EM UM SISTEMA ISOLADO A ENERGIA É SEMPRE A MESMA, ELA SE CONSERVA; PODE-SE DIZER ENTÃO QUE A ENERGIA DO UNIVERSO É CONSTANTE.

8 ENTALPIA ENERGIA ACUMULADA POR UMA SUBSTÂNCIA SOB PRESSÃO CONSTANTE, RESUMIDAMENTE, PODEMOS DIZER QUE É O CONTÉUDO DE CALOR DA SUBSTÂNCIA. ENERGIA INTERNA ENERGIA ACUMULADA POR UMA SUBSTÂNCIA SOB VOLUME CONSTANTE.

9 O PROCESSO DE MEDIDA DOS CALORES DE REAÇÃO É DENOMINADO CALORIMETRIA. O APARELHO QUE MEDE A ENTALPIA DA REAÇÃO É DENOMINADO CALORÍMETRO.

10 CALORIA é a quantidade de energia necessária para aumentar de 1ºC a temperatura de 1 g de água. JOULE é a quantidade de energia necessária para deslocar uma massa de 1kg, inicialmente em repouso, fazendo percurso de 1 metro em 1 segundo. 1 cal = 4,18 J 1 kcal = 1000 cal 1 kJ = 1000 J

11 EFEITOS ENERGETICOS NAS REACõES QUÍMICAS 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 LUZ CLOROFILA GLICOSE Na fotossíntese ocorre absorção de calor Na combustão do etanol ocorre liberação de calor ETANOL

12 A TERMOQUÍMICA ESTUDA AS MUDANÇAS TÉRMICAS ENVOLVIDAS NAS REAÇÕES QUÍMICAS * quando envolve liberação de calor, denomina-se REAÇÃO EXOTÉRMICA. * quando envolve absorção de calor, denomina-se REAÇÃO ENDOTÉRMICA.

13 EQUAÇÃO TERMOQUÍMICA É a representação de uma reação química em que está especificado: * o estado físico de todas as substâncias. * o balanceamento da equação. * a variação de calor da reação ( H ). * as condições físicas em que ocorre a reação, ou seja, temperatura e pressão. ( 25ºC e 1atm é o comum) * variedade alotrópica quando existir. Segue alguns exemplos...

14 REAÇÃO EXOTÉRMICA 2 C (s) + 3 H 2(g) C 2 H 6(g) H= – 20,2 kcal 2 C (s) + 3 H 2(g) C 2 H 6(g) + 20,2 kcal REAÇÃO ENDOTÉRMICA Fe 3 O 4(s) 3 Fe (s) + 2 O 2(g) H= + 267,0 kcal Fe 3 O 4(s) 3 Fe (s) + 2 O 2(g) 267,0 kcal Libera calor para o meio Absorve calor do meio Fe 3 O 4 (s) + 267,0 Kcal 3Fe + 2O 2

15 REAÇÃO EXOTÉRMICA 2 C (s) + 3 H 2(g) C 2 H 6(g) H = – 20,2 kcal 2 C (s) + 3 H 2(g) C 2 H 6(g) + 20,2 kcal REAÇÃO ENDOTÉRMICA Fe 3 O 4(s) 3 Fe (s) + 2 O 2(g) H = + 267,0 kcal Fe 3 O 4(s) 3 Fe (s) + 2 O 2(g) 267,0 kcal OBSERVE OS SINAIS OBSERVE OS SINAIS

16 CÁLCULO DA VARIAÇÃO DE ENTALPIA A + B C + D HRHR HP HP H P ENTALPIA PRODUTO H R ENTALPIA REAGENTE H VARIAÇÃO DE ENTALPIA

17 A + B C + D + CALOR REAÇÃO EXOTÉRMICA A + B + CALOR C + D REAÇÃO ENDOTÉRMICA HRHR HRHR HP HP HP HP

18 H P ENTALPIA PRODUTO H R ENTALPIA REAGENTE H VARIAÇÃO DE ENTALPIA Não esqueça:

19 HRHR HPHP A + B C + D + HRHR HPHP > ENTÃO HRHR HPHP = + REAÇÃO EXOTÉRMICA O SENTIDO DA SETA SERÁ SEMPRE DO REAGENTE PARA O PRODUTO CAMINHO DA REAÇÃO

20 A + B C + D + CALOR REAÇÃO EXOTÉRMICA A + B + CALOR C + D REAÇÃO ENDOTÉRMICA

21 HPHP HRHR A + B + C + D HpHr > ENTÃO Hr Hp = + REAÇÃO ENDOTÉRMICA O SENTIDO DA SETA SERÁ SEMPRE DO REAGENTE PARA O PRODUTO CAMINHO DA REAÇÃO

22 H = H (PRODUTOS) – H (REAGENTES) Se H R H P H > 0 Se H R > H P H < 0

23 H = H (PRODUTOS) – H (REAGENTES) Se H R H P H > 0 Se H R > H P H < 0 REAÇÃO ENDOTÉRMICA REAÇÃO EXOTÉRMICA

24 HRHR HPHP HRHR HPHP > Se H = H (PRODUTOS) – H (REAGENTES) H < 0 CAMINHO DA REAÇÃO

25 HRHR HPHP HRHR HPHP > Se H = H (PRODUTOS) – H (REAGENTES) H < 0 REAÇÃO EXOTÉRMICA CAMINHO DA REAÇÃO

26 HPHP HRHR HpHr > Se H = H (PRODUTOS) – H (REAGENTES) H > 0 CAMINHO DA REAÇÃO

27 HPHP HRHR HpHr > Se H = H (PRODUTOS) – H (REAGENTES) H > 0 REAÇÃO ENDOTÉRMICA CAMINHO DA REAÇÃO

28 * Convencionou-se entalpia zero para determinadas substâncias simples, em razão de não ser possível medir o valor real da entalpia de uma substância. * Foram escolhidas condições-padrão para estabelecer medidas relativas. * Terá entalpia zero qualquer substância simples que se apresente nos estados físico e alotrópico mais comum, a 25ºC e 1atm de pressão. OBS.:

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30 * A forma alotrópica menos estável tem entalpia maior que zero.

31 Observe a reação de formação (síntese ) de um mol de água, a 25ºC e 1 atm de pressão. H 2(g) + 1/2O 2(g) H 2 O (g) Cálculo da entalpia de formação: H = H (produtos) - H (reagentes)

32 H = H (produtos) – H (reagentes) H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (g ) H = ? H = Hº H 2 O (l) – ( Hº H 2 (g) + 1/2 Hº O 2(g) ) Hº H 2 (g ) = Hº O 2(g) = zero H = Hº H 2 O (l) Hº H 2 O (l) = – 68,4kcal/mol COMO e ENTÃO H = – 68,4kcal/mol

33 H = H (produtos) – H (reagentes) H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (g ) H = ? H = Hº H 2 O (l) – ( Hº H 2 (g) + 1/2 Hº O 2(g) ) Hº H 2 (g ) = Hº O 2(g) = zero H = Hº H 2 O (l) Hº H 2 O (l) = – 68,4kcal/mol H = – 68,4kcal/mol

34 H = H (produtos) – H (reagentes) H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (g ) H = –68,4kcal/mol H = Hº H 2 O (l) – ( Hº H 2 (g) + 1/2 Hº O 2(g) ) Hº H 2 (g ) = Hº O 2(g) = zero H = Hº H 2 O (l) Hº H 2 O (l) = – 68,4kcal/mol H = – 68,4kcal/mol

35 CÁLCULOS DA VARIAÇÃO DE ENTALPIA LEI DE HESS A entalpia de uma reação depende apenas dos estados iniciais e finais da reação, não depende dos estados intermediários, ou seja a reação é a mesma para uma ou mais etapas. Ex. 1 - Cálculo da entalpia da reação de formação do gás carbônico: C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) H = ? kcal/mol

36 OBSERVE AS EQUAÇÕES: C (grafite) + 1/2O 2(g) CO (g) H = – 26,4kcal/mol CO (g) + 1/2O 2(g) CO 2(g) H = – 67,6kcal/mol

37 EFETUAMOS A SOMA ALGÉBRICA DAS MESMAS. 1ª etapa: C (grafite) + 1/2O 2(g) CO (g) H 1 = – 26,4kcal/mol 2ª etapa: CO (g) + 1/2O 2(g) CO 2(g) H 2 = – 67,6kcal/mol H = – 94,0kcal/mol CONCLUINDO H = H 1 + H 2 H = – 94,0kcal/mol Note que os termos semelhantes em membros opostos se anulam. Etapa final: C (grafite) + O 2(g) CO 2(g)

38 1ª etapa : C (grafite) + 1/2O 2(g) CO (g) H 1 = -26,4kcal/mol 2ª etapa : CO (g) + 1/2O 2(g) CO 2(g) H 2 = -67,6kcal/mol Etapa final: C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) H = -94,0kcal/mol Observe que o processo é puramente algébrico.

39 1ª etapa : C (grafite) + 1/2O 2(g) CO (g) H 1 = -26,4kcal/mol 2ª etapa : CO (g) + 1/2O 2(g) CO 2(g) H 2 = -67,6kcal/mol Etapa final: C (grafite) + O 2(g) CO 2(g) H = -94,0kcal/mol Observe que o processo é puramente algébrico. H = H 1 + H 2 = -94,0kcal/mol

40 Ex 2 - Dadas as equações: C (grafite ) + O 2(g) CO 2(g) H 1 = – 94,0kcal/mol 68,4kcal/mol H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (l) H 2 = – 68,4kcal/mol C (grafite) + 2H 2(g) CH 4(g) H 3 = – 17,9kcal/mol Calcular a entalpia da reação: CH 4(g) +O 2(g) CO 2(g) + H 2 O (l)

41 Resolução: As equações dadas deverão ser arrumadas de tal modo que a sua soma resulte na equação-problema. C (grafite ) + O 2(g) CO 2(g) H 1 = – 94,0kcal/mol 68,4kcal/mol H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (l) H 2 = – 68,4kcal/mol C (grafite) + 2H 2(g) CH 4(g) H 3 = – 17,9kcal/mol Equação-problema: CH 4(g) +O 2(g) CO 2(g) + H 2 O (l) I) II) III) Agora vamos identificá-las com algarismos romanos.

42 Agora, invertemos a equação III de modo a obter o metano ( CH 4 ) como reagente. CH 4(g) C (grafite) + 2H 2(g) H 3 = + 17,9kcal/mol Observe a inversão de sinal do H 3 Devemos manter a equação I pois dessa forma obteremos gás carbônico como produto. C (grafite ) + O 2(g) CO 2(g) H 1 = – 94,0kcal/mol – 68,4kcal/mol ) 2 ( H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (l) H 2 = – 68,4kcal/mol ) Multiplicar por 2 a equação II para que os coeficientes fiquem ajustados. – 136,8 kcal/mol 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) H 2 = – 136,8 kcal/mol O H 2 também é multiplicado

43 Finalmente aplica-se a soma algébrica das equações, inclusive das variações de entalpia. CH 4(g) C (grafite) + 2H 2(g) H 3 = + 17,9 kcal/mol C (grafite ) + O 2(g) CO 2(g) H 1 = – 94,0 kcal/mol – 136,8 kcal/mol 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) H 2 = – 136,8 kcal/mol _____________________________________________________________

44 CH 4(g) C (grafite) + 2H 2(g) H 3 = + 17,9 kcal/mol C (grafite ) + O 2(g) CO 2(g) H 1 = – 94,0 kcal/mol – 136,8 kcal/mol 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) H 2 = – 136,8 kcal/mol _____________________________________________________________ CH 4(g) +2O 2(g) CO 2(g) + – 212,9 kcal/mol 2H 2 O (l) H = – 212,9 kcal/mol Observe os cortes: H = H 1 + H 2 + H 3

45 CALORES PADRÃO DE FORMAÇÃO OU ENTALPIA-PADRÃO DE FORMAÇÃO O índice sobrescrito º significa estado padrão. O índice subscrito f significa formação.. É o calor desenvolvido na formação de um mol de determinado composto, a partir das substâncias simples correspondentes no estado padrão. Representa-se por: H f º

46 REAÇÃO DE FORMAÇÃO - é aquela em que um mol de um único composto é formado a partir de substâncias simples no estado padrão. Exs.: C (grafite ) + O 2(g) CO 2(g) H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (l) Os valores de H são pré-estabelecidos e encontrados em tabelas, para aqueles compostos que estejam na sua forma mais estável a 1 atm de pressão, ou seja, no estado padrão. 1 mol 1 mol

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48 CALOR PADRÃO DE COMBUSTÃO OU ENTALPIA-PADRÃO DE COMBUSTÃO É o calor liberado na combustão total de um mol de uma substância em que os componentes dessa reação estão no estado-padrão. H 2(g) + 1/2O 2(g) H 2 O (l) H = –68,4kcal/mol C 2 H 5 OH (l) + 3O 2(g) 2CO 2(g) + 3H 2 O (l) H = –325 kcal/mol COMBUSTÃO - reação de uma substância com o oxigênio (O 2 ) em que ocorre liberação de energia. ( REAÇÃO EXOTÉRMICA ) COMBUSTÃO - reação de uma substância com o oxigênio (O 2 ) em que ocorre liberação de energia. ( REAÇÃO EXOTÉRMICA )

49 O PODER CALÓRICO DE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS A gasolina possui maior poder calorífico que o álcool. Para cada litro de gasolina queimado são produzidos aproximadamente 8000 quilocalorias, enquanto para cada litro de álcool queimado, temos a produção de aproximadamente 5000 quilocalorias. Veja a tabela de calorias de alguns alimentos, a seguir.

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51 CALOR DE DISSOLUÇÃO OU ENTALPIA DE DISSOLUÇÃO É o calor desenvolvido ( liberado ou absorvido) provocado pela dissolução de um mol de substância, numa quantidade de água suficiente para se obter uma solução diluída, no estado padrão. – 22,9 kcal/mol H 2 SO 4 (l) + aq H 2 SO 4 (aq) H = – 22,9 kcal/mol,5 kcal/mol KNO 3(s) + aq KNO 3(aq) H = + 8,5 kcal/mol

52 CALOR DE NEUTRALIZAÇÃO OU ENTALPIA DE NEUTRALIZAÇÃO É o calor liberado na neutralização de um equivalente-grama de um ácido por um equivalente-grama de uma base, ambos em soluções aquosas diluídas, no estado padrão. –13,8 kcal/eq-g HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H 2 O (l) H = –13,8 kcal/eq-g –13,8 kcal/eq-g HNO 3(aq) + LiOH (aq) LiNO 3(aq) + H 2 O (l) H = –13,8 kcal/eq-g OBS.: Para ácidos e bases fortes o H será sempre o mesmo.

53 A variação de entalpia de uma reação pode ser calculada, conhecendo-se apenas as entalpias de formação dos seus reagentes e produtos. H = H (produtos) – H (reagentes) Depois da seta final Antes da seta inicial

54 C 3 H 8(g) + 5O 2(g) 3CO 2(g) + 4H 2 O (g) H = ? – kcal/mol Consultando a tabela de calores de formação: SUBSTÂNCIAS C 3 H 8(g) CO 2(g) H 2 O (g) O 2(g) -24,8kcal/mol -94,1kcal/mol -57,8kcal/mol zero Observe a equação:

55 H = H (produtos) - H (reagentes) H = [ 3(-94,1) + 4(-57,8)] - (-24,8 + zero) H = [ 3 H CO 2(g) + 4 H H 2 O (g) ] - ( H C 3 H 8(g) + 5 H O 2(g) ) H = - 488,7 kcal/mol Zóio vivo nessa fórmula

56 ENERGIA DE LIGAÇÃO É A ENERGIA NECESSÁRIA PARA ROMPER UM MOL DE LIGAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA NO ESTADO GASOSO. EX. Para romper um de ligação H – O são necessárias 110kcal. Para romper um de ligação H – C são necessárias 100kcal. Para romper um de ligação O = O são necessárias 118kcal.. * esses valores são tabelados

57 Para romper um mol de água no estado gasoso, teremos: H 2 O (l) 2H (g) + O (g) H = ? kcal/mol O H 110Kcal 110kcal H 2 O (l) 2H (g) + O (g) H = 220 kcal/mol

58 Observe a reação em que todos os participantes estão no estado gasoso: H | C O H + 3/2O 2 O = C = O + 2H 2 O | H H Para romper as ligações intramoleculares do metanol e do oxigênio, serão absorvidos, para: 1 mol de O H +464,0 kj + 464,0 kj 1 mol de C O +330,0 kj + 330,0 kj 3 mols de C H 3 (+413,0 kj) ,0 kj 3/2 mols de O = O 3/2 (+493,0 kj) + 739,5 kj TOTAL ABSORVIDO ,5 kj

59 H | C O H + 3/2O 2 O = C = O + 2H 2 O | H H Para formar as ligações intramoleculares do CO 2 e da água, serão liberadas: 2 mols de C = O 2 (-7444,0 kj) ,0 kj 2 mols de H O 2 ( - 464,0 kj) - 928,0 kj TOTAL LIBERADO ,0 kj Cômputo dos produtos:

60 H = H (reagentes) + H (produtos) O cálculo final será: H = 2 772,5kj + ( kj) H = 356,5kj CALOR LIBERADO CALOR ABSORVIDO

61 A quebra de ligação envolve absorção de calor Processo endotérmico A formação de ligação envolve liberação de calor Processo exotérmico H H H H


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