Profa. Marcia Margarete Meier

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Termoquímica Profa. Marcia Margarete Meier

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). Profa. Marcia Margarete Meier

História Trabalho: movimento das pás. H2O(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. Profa. Marcia Margarete Meier

História A termodinâmica surgiu pela necessidade de aumentar o rendimento das máquinas a vapor. Perda de calor ! Fig. 1 - Esquema de uma máquina térmica. Profa. Marcia Margarete Meier

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. Profa. Marcia Margarete Meier

Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier
A energia se desloca e pode transformar-se: Energia vinda da radiação solar (óptica) em aquecimento da água; Energia vinda da radiação solar em energia elétrica; Energia potencial em energia cinética; Energia cinética em energia elétrica Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Para compreender o deslocamento da energia precisamos restringir nossa região de estudo: Sistema: Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

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 aberto Sistema fechado Sistema isolado vizinhança sistema universo Profa. Marcia Margarete Meier

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. Profa. Marcia Margarete Meier

Transferência da Energia
vizinhança vizinhança sistema sistema universo universo Ao realizarmos trabalho, nossa energia é transmitida para a vizinhança. Ao nos alimentarmos, recebemos energia da vizinhança. Profa. Marcia Margarete Meier

Quais as maneiras da energia se transformar? Calor e trabalho Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

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 vizinhança vizinhança sistema sistema universo universo Profa. Marcia Margarete Meier

Exemplos de 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. Profa. Marcia Margarete Meier

Outra maneira de transferir energia entre sistema e vizinhança é através do Calor (q) é a transferência de energia entre dois objetos que estão a temperaturas diferentes. Calor é uma energia em trânsito que causa alteração da energia interna dos corpos. Não se diz que um corpo tem calor, ele tem energia. Não se pode dizer que Transferência da Energia Profa. Marcia Margarete Meier

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E = q + w 1a Lei da Termodinâmica 1a Lei da Termodinânica:
vizinhança 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. sistema W, q universo 1a Lei da Termodinânica: A energia não pode ser criada ou destruída. A energia é conservada. E = q + w Não existem máquinas de movimento perpétuo! Ou seja, não é possível gerar trabalho sem usar combustível. Profa. Marcia Margarete Meier

1a 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 Conversão da energia Máquinas automotivas Química/Cinética (deslocamento) Fornos Química/Calor Hidroelétricas Potencial Gravitacional/Elétrica Solar Óptica/Elétrica Nuclear Potencial atômica/calor, cinética, ótica Baterias Química/Elétrica Alimentos Química/calor, cinética Fotossíntese Óptica/ Química Profa. Marcia Margarete Meier

A natureza da energia Unidades de energia
A unidade SI para energia é o joule, J. Algumas vezes utilizamos a caloria em vez do joule: 1 cal = 4,184 J (exatos) 1 cal é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1g de água em 1oC. Profa. Marcia Margarete Meier

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 = Ef - Ei Profa. Marcia Margarete Meier

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 Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Convenção de sinais Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Exercício: Os gases hidrogênio e oxigênio, confinados em um cilindro fechado com um êmbolo móvel, são queimados. Enquanto a reação ocorre, o sistema perde 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? Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Funções de estado Função de estado: depende somente dos estados inicial e final do sistema, e não de como o atual sistema foi atingido. E = Ef- Ei Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Funções de estado Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Entalpia As reações químicas podem absorver ou liberar calor.
No entanto, elas também podem provocar a realização de trabalho. Por exemplo, quando um gás é produzido, ele pode ser utilizado para empurrar um pistão, realizando, assim, trabalho. Zn(s) + 2H+(aq)  Zn2+(aq) + H2(g) O trabalho realizado pela reação acima é denominado trabalho de pressão-volume. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Entalpia Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Processos endotérmicos e exotérmicos
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. 2 Al (s) + Fe2O3 (s) → Al2O3 (s) + 2 Fe (s) Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

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 H = qp E = qv Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Entalpia Exercício: Calcule o trabalho realizado por 50g de ferro que reage com ácido clorídrico em: Um recipiente fechado de volume fixo; Em um becker a 25oC. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Entalpia Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Entalpias de reação Hr = Hf(produtos) - Hf (reagentes)
A variação da entalpia de uma reação química é dada por: A entalpia é uma propriedade extensiva (a ordem de grandeza do H é diretamente proporcional à quantidade): CH4(g) + 2O2(g)  CO2(g) + 2H2O(l) Hr = -890 kJ 2CH4(g) + 4O2(g)  2CO2(g) + 4H2O(l) Hr = 1780 kJ Hr = Hf(produtos) - Hf (reagentes) Equações termoquímicas Quando invertemos uma reação, alteramos o sinal do H: CO2(g) + 2H2O(l)  CH4(g) + 2O2(g) H r= +890 kJ A variação na entalpia depende do estado: H2O(g)  H2O(l) H = -44 kJ Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Lei de Hess A lei de Hess: se uma reação é executada em uma série de etapas, o H para a reação será igual à soma das variações de entalpia para as etapas individuais. Por exemplo: CH4(g) + 2O2(g)  CO2(g) + 2H2O(g) H = -802 kJ 2H2O(g)  2H2O(l) H = -88 kJ CH4(g) + 2O2(g)  CO2(g) + 2H2O(l) H = -890 kJ Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Lei de Hess 3) Determine o calor de formação do NaCl(s) a partir das reações abaixo: A) Na(s) + H2O(l) → NaOH(s) + ½ H2 (g) ∆H = -139,78 kJ/mol ½ H2 (g) + ½ Cl2 (g) → HCl(g) ∆H = - 92,31 kJ/mol HCl(g) + NaOH(s) → NaCl(s) + H2O(l) ∆H = - 179,06kJ/mol B) ½ H2 (g) + ½ Cl2 (g) → HCl(g) ∆H = - 92,31 kJ/mol Na(s) + HCl(g) → NaCl(s) + ½ H2 (g) ∆H = - 318,84kJ/mol Observe que a entalpia da reação independe do caminho, portanto entalpia é função de Estado! Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Lei de Hess 4) Quais são os possíveis caminhos químicos para gerar CO2 e água a partir de metano? Qual o valor de H final? Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Lei de Hess Observe que: H1 = H2 + H3 Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Lei de Hess Exercício: A entalpia de combustão de C em CO2 é -393,5 kJ/mol de C, e a entalpia de combustão de CO em CO2 é -283 kJ/mol de CO. Utilizando estes dados, calcule a entalpia de combustão de C para CO: C(s) + O2(g) CO2(g) H= -393,5 kJ CO(g) + 1/2O2(g) CO2(g) H = -283,0 kJ Quando a queima do carbono não é total, gera-se intermediários como o CO(g): C(s) + ½O2(g) CO(g) H = ????? carvão H2O(g) Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Lei de Hess Composição geral de diferentes tipos de carvão Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Lei de Hess Exercício: Os hidrocarbonetos gasosos eteno (C2H4) e etano (C2H6) são produtos do craqueamento do petróleo. As variações de entalpia-padrão a 298 K para as reações da grafita e hidrogênio gasoso formando 1 mol de cada um desses compostos são =52,5 kJ/mol e -83,8 kJ/mol, respectivamente. Calcule a variação de entalpia-padrão para a hidrogenação do eteno em etano, a 298 K. Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

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) + 6H2(g) + 3O2(g) C6H12O6(s) Hfo = kJ/mol H reagentes H produtos Hfo = Hofprodutos-Hofreagentes Se existe mais de um estado para uma substância sob condições padrão, o estado mais estável é utilizado. A entalpia padrão de formação da forma mais estável de um elemento é zero. Exemplo de estados mais estáveis: Cl2 (g); Br2(l); O2 (g); N2 (g); H2(g); Fe(s) Hro = Hofprodutos-Hofreagentes Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Entalpias de formação Se 1 mol de composto é formado a partir de seus elementos constituintes, a variação de entalpia para a reação é denominada entalpia de formação, Hof . Condições padrão (estado padrão): 1 atm e 25 oC (298 K). A entalpia padrão, Ho, é a entalpia medida quando tudo está em seu estado padrão. Entalpia padrão de formação: 1 mol de composto é formado a partir de substâncias em seus estados padrão. Pode-se determinar Ho fusão, Ho diss, Ho reação, Ho f, Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Entalpias de formação Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

Entalpias de formação 1) Escreva as equações de formação dos compostos abaixo partindo dos respectivos elementos no seu estado mais estável: H2O(l) Fe2O3(s) HBr(g) NH4Cl(s) 2) Calcule a entalpia da reação química abaixo: Fe2O3 + 3H2(g) → 2Fe(s) + 3H2O(l) Dado ∆Hof Fe2O3 = -824,2 kJ/mol Disciplina de Química Geral Profa. Marcia Margarete Meier

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